Pyrex
Antecedentes
O vidro Pyrex é um vidro de borosilicato produzido pela empresa The Corning Glass Works. É feito aquecendo matérias-primas como areia de sílica e óxido bórico a temperaturas extremamente altas por longos períodos de tempo. O material fundido é então processado em diferentes tipos de vidraria. Formulado pela primeira vez durante o início do século XX, o Pyrex se tornou um material importante para uma variedade de aplicações que requerem resistência química e ao calor.
Para entender como o Pyrex é único, é importante entender a natureza do vidro em si. O vidro é um estado da matéria que possui características semelhantes tanto aos sólidos cristalinos quanto aos líquidos. Em um nível macroscópico, o vidro parece sólidos. É rígido e permanece inteiro quando retirado de um recipiente. No entanto, em nível molecular, os vidros são mais parecidos com líquidos. Em sólidos cristalinos, as moléculas são organizadas de maneira ordenada. Em líquidos, eles são dispostos aleatoriamente. Esse arranjo aleatório também é uma característica do vidro.
O vidro é normalmente feito aquecendo compostos cristalinos a temperaturas altas o suficiente para derretê-los. O derretimento quebra a estrutura molecular ordenada, deixando-os em um estado desordenado. Quando o material derretido é resfriado, as moléculas ficam travadas no lugar antes que possam se reformar na estrutura cristalina ordenada. As propriedades de um vidro específico, como dureza, fragilidade, clareza e resistência química e térmica dependem de sua composição química.
Quando o Pyrex estava sendo desenvolvido, os cientistas tentavam criar uma composição de vidro com alta resistência térmica. Em algum momento, descobriu-se que as composições de vidro com boro podiam ser aquecidas a altas temperaturas sem quebrar. O boro, que é o quinto elemento da tabela periódica, tem a capacidade única de criar uma variedade de ligações químicas. Quando ligado com oxigênio, pode criar uma estrutura tridimensional que é forte. Em uma composição de vidro, esta força extra confere resistência térmica e química que o torna útil para aplicações de cozinha, termômetros e equipamentos de laboratório. O Pyrex também possui um baixo teor de álcali, o que lhe confere alta resistência à corrosão.
História
Embora a data exata em que as pessoas descobriram que a areia poderia ser combinada e derretida com outros materiais para produzir vidro não seja conhecida, sua descoberta foi provavelmente acidental. Os processos formais para fabricação de vidro são conhecidos há mais de 3.000 anos. Na Mesopotâmia, os arqueólogos descobriram tabuletas de argila que contêm antigas "instruções" para fazer vidro em fornalhas. Ao longo da história, a tecnologia de produção de vidro se tornou mais sofisticada. As pessoas descobriram constantemente as melhores proporções para combinar as matérias-primas e também aprenderam práticas de fabricação como soprar vidro.
Durante o início do século XX, os lampiões a querosene foram amplamente usados para postes de luz e dispositivos de sinalização ferroviária. Infelizmente, o vidro usado para fazer essas lanternas era sensível ao calor da chama e costumava quebrar. Os cientistas começaram a pesquisar fórmulas de vidro que pudessem resistir ao calor.
Os primeiros experimentos levaram à descoberta de que, quando o ácido bórico estava presente nas matérias-primas, o vidro era mais resistente ao calor. No entanto, essas fórmulas iniciais eram quimicamente fracas, muitas vezes se decompondo em água. O trabalho continuou para encontrar as proporções corretas de areia de sílica e óxido bórico que continuariam a ser resistentes ao calor e quimicamente estáveis. Em 1912, uma fórmula adequada foi encontrada. Esses vidros, chamados de borosilicatos, foram então introduzidos na produção de lanternas. Um dos tipos originais de vidro de borosilicato introduzido pela Corning Glass Works Company era a marca Nonex.
O potencial desse produto na área de culinária foi descoberto em 1913 pelo Dr. Jesse T. Littleton, que trabalhava na Corning. Ele deu à esposa uma caçarola feita de Nonex, o precursor do Pyrex. Funcionou tão bem como um prato de cerâmica e uma nova era na cozinha tinha começado. A fórmula do vidro Nonex foi revisada para remover o chumbo, e os utensílios de cozinha foram doados à Escola de Culinária da Filadélfia para mais testes. Uma série de testes bem-sucedidos levou ao lançamento da loiça Pyrex em 1915. Nesse mesmo ano, a Corning Glass Works Company patenteou a fórmula e deu-lhe o nome de marca comercial Pyrex. Foi sugerido que o termo Pyrex era um derivado da palavra "torta" (referindo-se ao seu uso original) ou do grego "pyra", que significa lareira. Em ambos os casos, o sufixo "ex" foi usado para dar ao nome de marca uma semelhança com o Nonex.
Quando estourou a Primeira Guerra Mundial, os cientistas que dependiam dos produtos de vidro alemães descobriram que o novo material do Pyrex atendia às suas necessidades de copos, tubos de ensaio e outros utensílios de vidro de laboratório. O vidro borosilicato tem se tornado cada vez mais resistente a produtos químicos, ao calor e ao choque. Também foi aplicado a vários produtos, como óculos, telescópios e componentes eletrônicos.
Matérias-primas
Três classes de materiais são usadas na fabricação do Pyrex, incluindo formadores, fluxos e estabilizadores. Formadores são os principais ingredientes em toda a fabricação de vidro. Esses são materiais cristalinos que, quando aquecidos o suficiente, podem ser derretidos e resfriados para criar vidro. Os fluxos são compostos que ajudam a diminuir a temperatura necessária para que os formadores derretam. Estabilizadores são materiais que ajudam a evitar que o vidro se esfarele, se quebre ou se desintegre. Eles são necessários porque os fluxos normalmente desestabilizam as composições de vidro.
Um anúncio da Corning Pyrex. Eugene G. Sullivan estabeleceu o laboratório de pesquisa da Corning Glass Works em 1908 e começou com William C, Taylor a fazer um vidro resistente ao calor para lentes de lanternas ferroviárias. O problema era que o vidro de sílex (o tipo em garrafas e janelas, feito pela fusão de areia de sílica, soda e cal) tem uma expansão térmica bastante alta, mas baixa condutividade de calor. Ambos causando a quebra do vidro. Duas soluções eram possíveis:melhorar a condutividade térmica ou reduzir a expansão térmica. A formulação que Sullivan e Taylor desenvolveram foi um vidro de borossilicato - um vidro de cal sodada com bórax substituindo a cal - com uma pequena quantidade de alumina adicionada. Isso deu a baixa expansão térmica necessária e também teve boa resistência a ácidos, levando ao uso para potes de bateria necessários para sistemas telegráficos ferroviários e outras aplicações. O vidro foi comercializado como "Nonex" (para vidro sem expansão).
Jesse T. Littleton juntou-se à Corning em 1913. Físico, Littleton sabia que o vidro absorve bem a energia radiante, enquanto o metal a reflete principalmente. Littleton levou um pote de bateria cortado para casa e pediu à esposa que fizesse um bolo nele. Ele o levou ao laboratório no dia seguinte. Littleton desenvolveu variações do Nonex e o resultado foi o Pyrex, patenteado e registrado em maio de 1915.
A venda inicial do Pyrex ocorreu na loja de departamentos Jordan Marsh em Boston em 1915. Em 1919, mais de 4,5 milhões de peças foram vendidas. Em 1915, o Pyrex foi introduzido no laboratório. A vidraria de laboratório veio da Alemanha, mas a Primeira Guerra Mundial interrompeu o fornecimento. A Corning preencheu a lacuna com a vidraria Pyrex, que funcionou tão bem que a Pyrex substituiu a maioria dos outros itens. Hoje, os produtos de vidro do estilo Corning são encontrados em laboratórios em todo o mundo.
Os formadores primários usados para fazer Pyrex incluem areia de sílica e ácido bórico. A areia de sílica também é conhecida como dióxido de silício. É um material cristalino e provavelmente foi o principal componente do primeiro vidro usado pelo homem. Em uma composição típica de vidro Pyrex, o dióxido de silício constitui cerca de 60-80% em peso.
Pyrex tem uma gota na estrutura da fase da matriz. O dióxido de silício cria a matriz básica. O material de borato cria as gotículas dentro dessa estrutura. O formador de borato pode vir de um material como o tetraborato de sódio. Antes da fabricação, este composto é quimicamente reduzido com ácido sulfúrico para criar ácido bórico. Quando o ácido bórico é misturado com dióxido de silício e aquecido, ele oxida em óxido bórico. O óxido bórico é responsável pela estrutura molecular única do Pyrex. O óxido bórico compõe de 5% a 20% do vidro Pyrex.
Os ingredientes secundários usados na produção de vidro incluem fundentes, estabilizantes e corantes. Os fluxos são incluídos nas misturas de vidro porque reduzem a temperatura de fusão do vidro de borossilicato. Os fluxos que podem ser usados na manufatura incluem carbonato de sódio, potássio e carbonato de lítio. Eles representam cerca de 5% de uma composição de vidro Pyrex.
Infelizmente, os fluxos também tornam o vidro mais instável quimicamente. Por esta razão, estabilizantes como carbonato de bário e óxido de zinco são incluídos. Na fabricação de Pyrex, cerca de 2% de óxido de alumínio é adicionado para tornar o vidro mais rígido quando fundido. Finalmente, para produzir vidros com cores diferentes, podem ser adicionados compostos de prata.
O processo de fabricação
O processo de fabricação pode ser dividido em duas fases. Primeiro, um grande lote de composição de vidro fundido é feito. Em seguida, o vidro é alimentado em máquinas de moldagem para criar diferentes tipos de artigos de vidro. O processo se move a velocidades tremendas e é bastante eficiente.
Em lote
- 1 Grandes lotes de vidro Pyrex são produzidos em uma área de composição específica da planta de produção. Aqui, os fabricantes de vidro seguem as instruções da fórmula e adicionam as matérias-primas necessárias nas proporções corretas em tanques grandes. Antes do uso, as matérias-primas são pulverizadas e granuladas para um tamanho de partícula uniforme. Eles são armazenados em torres de lote. Os materiais são misturados e aquecidos a temperaturas acima de 2.912 ° F (1.600 ° C). Esta alta temperatura derrete os ingredientes e permite que eles se misturem completamente para criar o vidro derretido. No entanto, a mistura normalmente requer um aquecimento mais longo - até 24 horas - para remover o excesso de bolhas que podem levar a uma estrutura mais fraca.
Formação
- 2 Os tanques batch são projetados de forma que o vidro fundido flua lentamente em direção à extremidade de trabalho do tanque. Esta extremidade do tanque é conectada a máquinas de conformação de alimentação contínua. À medida que o copo sai do tanque, parece uma calda espessa de vermelho-laranja. As máquinas de moldagem trabalham o material rapidamente porque, à medida que ele esfria, ele se torna rígido e impraticável. As máquinas de processamento de vidro típicas sopram, prensam, puxam e enrolam em vários formatos.
- 3 O processo de conformação utilizado depende do produto final. O sopro de vidro é usado para criar produtos de paredes finas, como garrafas. Uma bolha de vidro fundido é colocada dentro de um molde de duas peças. O ar é forçado para dentro do molde, que pressiona o vidro contra suas laterais. O vidro esfria dentro do molde e se adapta ao formato. A prensagem de vidro é usada para criar pedaços de vidro mais grossos. O vidro fundido é colocado em um molde e um êmbolo é abaixado, o que força o vidro a se espalhar e encher o molde. O desenho é usado para criar tubos ou hastes. Nesse processo, o vidro derretido é puxado para baixo sobre um cone oco chamado mandril. O ar é soprado através dele para evitar que o tubo entre em colapso até que o vidro fique rígido. Para folhas de vidro, como janelas, um processo de laminação é usado.
- 4 Após a formação do produto, ele é resfriado e polido. Pode então ser decorado com várias estampas ou marcações e equipado com peças de plástico, se necessário. O produto de vidro é então verificado quanto a imperfeições, colocado em caixas de proteção e enviado aos clientes. Dependendo do tamanho do tanque de dosagem, até 700.000 lb (317.520 kg) de produto de vidro podem ser produzidos em um ano.
Controle de qualidade
Como a qualidade do vidro depende da pureza das matérias-primas, os fabricantes empregam químicos de controle de qualidade para testá-los. As características físicas são verificadas para garantir que atendem às especificações previamente determinadas. Por exemplo, partícula
Um diagrama da produção do Pyrex. o tamanho é medido usando telas adequadamente gradeadas. A composição química também é determinada com um IR ou GC. Outras verificações simples feitas nas matérias-primas incluem verificações de cores e avaliações de odores. Durante a produção de um produto de vidro, os inspetores observam os produtos de vidro em pontos específicos da linha de fabricação para garantir que cada produto tenha a aparência correta. Eles percebem coisas como rachaduras, falhas ou outras imperfeições. Para certos produtos, a espessura do vidro é medida. Subprodutos / resíduos
Como o Pyrex é feito de compostos que se transformam em óxidos quando aquecidos, a poluição do ar é um problema potencial. Uma variedade de subprodutos pode ser liberada durante a fabricação, incluindo nitratos, sulfatos e cloro. Esses produtos químicos podem reagir com a água para formar ácidos. Foi demonstrado que a chuva ácida causa danos significativos às estruturas feitas pelo homem, bem como aos ecossistemas naturais. Um método que os fabricantes de vidro usam para reduzir a poluição é fazer composições de vidro com temperaturas de fusão mais baixas. As temperaturas mais baixas reduzem a quantidade de volatilização, reduzindo assim a quantidade de poluentes gasosos. Outro controle da poluição é o uso de precipitadores que são instalados nas chaminés. Esses dispositivos ajudam a reduzir a poluição do ar, filtrando os sólidos que persistem na fumaça e no vapor criado pelo processo de fusão. Os ralos de descarte de resíduos são monitorados para garantir que apenas as quantidades permitidas de resíduos da fábrica sejam lançadas no meio ambiente. Isso ajuda a prevenir a poluição da água.
Um método adicional de controle de poluição é o uso de ventiladores. Esses dispositivos também são chamados de regeneradores porque ajudam a recuperar e reciclar a energia térmica consumida durante a fabricação. Isso tem o duplo efeito de reduzir a poluição do ar e diminuir os custos de produção. Outras técnicas de redução de custos e ambientalmente corretas empregadas incluem o uso de calor elétrico em vez de calor a gás e a incorporação de vidro reciclado quebrado durante a produção de vidro novo.
O Futuro
No futuro, os fabricantes de vidro de borosilicato se concentrarão em aumentar as vendas e melhorar o processo de produção. Para aumentar as vendas, os fabricantes de vidro estarão envolvidos na descoberta e promoção de novas aplicações para seus produtos. Isso pode exigir novas formulações de vidro com uma gama de características de clareza, ponto de fusão e resistência à quebra. Do ponto de vista da produção, as melhorias futuras se concentrarão no aumento das velocidades de fabricação, minimizando o desperdício de produtos químicos e reduzindo os custos gerais.
Onde aprender mais
Livros
Bansal, N. P. e R. H. Doremus. Manual de propriedades do vidro. Nova York:Academic Press, Inc., 1986.
Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Vol. 12. Nova York:John Wiley &Sons, 1994.
Mazurin, 0. V. Handbook of Glass Data. Nova York:Elsevier Science Publishing Co., 1991.
Rogove, S. T. e M. B. Steinhauer. Pyrex da Corning:Um Guia do Colecionador. Nova York:Publicações Antigas, 1993.
Outro
Página da Web do Corning Museum of Glass. 1 de outubro de 2001.
Patente dos Estados Unidos 4.075.024. Vidros coloridos e método. 1976.
Perry Romanowski
Processo de manufatura