CTM: Cerâmicas e Vidros (Cap. 2.0)

Vamos trazer nesta publicação a concatenação de informações sobre os minerais que compõem o Vidro!

Isto vai muito além de uma explicação de aula de Química do Ensino Médio. Pra nós, basta olhar pra um objeto e dizer "é vidro" ou "é de cerâmica", por exemplo. Mas isto vai muito além destes simples nomes.

Assim como plásticos e borrachas, a indústria química desenvolveu várias combinações de materiais, criando vários tipos de ligas metálicas diferentes, enfim, materiais que se encaixam nas mais diversas aplicações. O vidro e a cerâmica estão entre as criações Humanas mais 'jurássicas', por assim dizer.

Mas para sabermos definir a qualidade de um produto, saber o que estamos comprando, precisamos conhecer as combinações destes materiais, as qualidades e defeitos que cada um possui e a vantagem e desvantagem de utiliza-los.

Outra coisa fácil de se observar na população leiga e até entre profissionais de diversos ramos é que muitos não conhecem de fato o produto que estão utilizando (ou pelo menos insistem em utilizar termos errados).

Nesta série de artigos, com a concatenação de informações selecionadas em vários sites, escritas por vários autores, trago a explicação resumida sobre vidros e cerâmicas e exemplos de utilização na indústria, com enfoque na elétrica, eletrônica e automobilismo.

No Capítulo 1 vimos alguns dos principais elementos que compõem os vidros e as cerâmicas. Pois bem, agora podemos prosseguir explicando como estes dois materiais são gerados!

Vamos começar pelo Vidro!

A Silica e a Alumina são extremamente utilizados na produção de vidros e cerâmicas para os mais diversos usos, e para a produção, outros Óxidos (ou até Carbetos) aditivos são adicionados e em quantidades específicas para cada aplicação. Enfim, vamos lá:

Em Ciência e Tecnologia dos Materiais (CTM) o vidro é uma substância sólida de estrutura atômica amorfa e que apresenta temperatura de Transição Vítrea (Tg). No dia-a-dia o termo se refere a um material cerâmico transparente geralmente obtido com o resfriamento de uma massa líquida à base de algum derivado de sílica.

Por mais que seja amorfo, compartilhando características da estrutura de um líquido resfriado, o vidro apresenta todas as propriedades mecânicas de um sólido. Você entenderá melhor até o fim deste tópico.

CURIOSIDADE: Apesar de não serem usualmente apresentados como tal, os vidros podem ser considerados como um subgrupo dos materiais cerâmicos. Entretanto, devido à sua estrutura peculiar (ausência de organização de sua cadeia de átomos), e diferença na sequência de operações de fabricação (o vidro inicialmente é fundido em um forno e depois é conformado, enquanto as cerâmicas primeiramente são conformadas e depois passam por um forno a alta temperatura), os vidros são tratados como um grupo à parte da cerâmica.

Podemos definir a qualidade de um vidro pela sua composição química e pelo tratamento que ele sofre ao ser produzido (que chamamos de têmpera).

Vamos começar pela composição química:

Quando se trata de vidro, três componentes podem ser utilizados:

→ Elemento Vitrificante: Para a produção do vidro, o material base é areia de Quartzo (um Tectossilicato) ou um Aluminossilicato. Este último pode ser encontrado no grupo da Argila (da classe dos Filossilicatos) na forma de Caulinita (de nome popular Caulim), no grupo dos Zeólitos (também dos Tectossilicatos) ou no grupo AlSiO (da classe dos Nesossilicatos). Perceba que são todos Óxidos.

→ Elemento Fundente: Para reduzir a excessiva viscosidade do vidro de sílica, acrescentam-se óxidos alcalinos (elementos oxidados do Grupo 1 da Tabela periódica) na composição do mesmo, para que ajam como modificadores de rede, “amolecendo” a estrutura cristalina que formará o vidro. É aqui que entram o Óxido de Sódio ou Óxido de Potássio, por exemplo. Em uma determinada temperatura na faixa dos 500 °C estes elementos interagem com a Sílica, e através disso obtêm-se uma reação que resulta em um líquido silicoso, que ao ser resfriado torna-se um vidro. Tais vidros podem ser chamados de "vidros de sílica alcalina".

Dependendo da composição base do vidro, quando se é adicionado o Óxido de Chumbo, o mesmo pode agir também como modificador ou formador de rede.

→ Elemento Estabilizante: Para reduzir a solubilidade (propriedade do material de se dissolver ou não em uma substância) e manter a baixa temperatura de fusão dos vidros, acrescentam-se ao invés de óxidos alcalinos, fluxos estabilizantes alcalino-terrosos (óxido de Cálcio em conjunto com o óxido de Magnésio, por exemplo), que resultam nos chamados "vidros sodo-cálcicos".

Passado esta introdução, vamos compreender melhor os principais tipos de vidro existentes na indústria...

Você já deve ter ouvido falar nos tais "Vidros de Quartzo". Pois bem, são aqueles onde há apenas a Sílica fundida, sem estabilizantes ou fundentes, existindo apenas algumas poucas e irrelevantes impurezas. Isso difere de todos os outros vidros comerciais nos quais outros ingredientes são adicionados e que alteram as propriedades ópticas e físicas do material, como por exemplo a redução da temperatura de fusão.

CURIOSIDADE: Os termos "quartzo fundido" e "sílica fundida" são usados ​​de forma intercambiável, mas podem se referir a diferentes técnicas de fabricação, resultando em diferentes traços de impurezas.

O quartzo fundido é produzido pela fusão de areia de Quartzo de alta pureza efetuada a aproximadamente 1650 °C (3000 °F), existindo quatro tipos básicos de vidro de sílica comerciais:

-> Tipo I: Produzido pela fusão de quartzo em vácuo ou em atmosfera inerte.

-> Tipo II: Produzido pela fusão da areia de quartzo em uma chama de alta temperatura.

-> Tipo III: Produzido pela queima de SiCl4 (Tetracloreto de Silício) em uma chama de Hidrogênio / Oxigênio .

-> Tipo IV: Produzido pela queima de SiCl4 em uma chama de Plasma.

O vidro de Quartzo comercial geralmente contém impurezas, sendo as mais notáveis o Alumínio e o Titânio, que afetam a transmissão óptica em comprimentos de onda ultravioleta. Se a água estiver presente no processo de fabricação, os grupos hidroxila (OH) podem ser incorporados, o que reduz a transmissão no espectro infravermelho.

Quando o Alumínio é significativo na sílica, como é o caso de alguns compostos Nesossilicatos (Grupo AlSiO) e Filossilicatos (grupo das Argilas), produz-se um vidro de Aluminossilicato (AS) puro, com características semelhantes ao tal vidro de Quartzo.

No entanto, existem também vidros AS com concentrações inferiores a 20% de Óxidos alcalino-terrosos (Elementos do Grupo 2 da Tabela Periódica), que funcionam como estabilizantes.

Como a energia gasta para a fundição da Sílica é muito grande, muitas aplicações necessitam que outros materiais sejam utilizados, melhorando assim a trabalhabilidade do vidro e, consequentemente, o custo de produção.

Durante séculos, o Chumbo desempenhou um papel importante em tornar o vidro o material comum, facilmente formado e de baixo custo que é. O Óxido de Chumbo reduz os pontos de amolecimento e fusão do vidro, tornando-o trabalhável em temperaturas mais baixas. Em meados dos anos 1990 começou uma forte discussão ambiental para eliminar o Chumbo de produtos comumente descartados em aterros sanitários, incluindo produtos de vidro, como lâmpadas elétricas.

Conceitualmente, a eliminação do Chumbo na indústria vidreira é simples, bastando apenas removê-lo das formulações existentes e trabalhar o material com uma temperatura mais elevada, mas esta não é uma solução prática. Por exemplo, em lâmpadas elétricas, onde o custo da lâmpada depende em grande parte do custo da matéria-prima, do custo de energia do processamento e da velocidade com que o vidro pode ser formado (velocidade de utilização do equipamento), a simples remoção do Chumbo das fórmulas de vidro exigiria reequipar as fábricas para operar com o material menos maleável e pagar os CUSTOS com energia cada vez mais altos.

Com a sociedade começando a se preocupar com o meio ambiente, outras composições tiveram de ser utilizadas, e foi aí que compostos sodo-cálcicos começaram a ter uma aplicação ainda maior.

A composição do vidro sodo-cálcico é bem controlada, já que o exagerado uso de Cálcio (CaO) pode resultar em cristalização, e o pouco uso do mesmo pode acarretar em uma baixa durabilidade química do material.

O MgO (Óxido de Magnésio) é conhecido como um substituto parcial do CaO, mas essa substituição afeta negativamente a resistividade elétrica. Esse efeito pode ser compensado até certo ponto ajustando o componente BaO (Óxido de Bário). A dolomita (CaMg(CO3)2) é uma fonte combinada barata de Ca e Mg que pode ser usada e compensada ajustando o BaO.

O Óxido de Boro se transforma em vidro quando resfriado em temperaturas acima de 460 °C, temperatura do seu ponto de fusão. Tal Óxido é frequentemente utilizado na indústria vítrea para substituir os Óxidos alcalinos, pois o mesmo aumenta a resistência ao choque-térmico (capacidade de resistir a uma grande variação de temperatura) do material e o deixa resistente a ataques químicos, ou seja, age como Fundente e Estabilizante. Esse tipo vidro é empregado principalmente em produtos que podem entrar em contato com altas temperaturas e em equipamentos laboratoriais. Tal tipo de vidro é conhecido como "vidro borossilicato".

Com a adição da Alumina em um vidro silicato, o mesmo se torna mais viscoso em temperaturas elevadas, logo, isso possibilita que este vidro possa ser aquecido a altas temperaturas sem sofrer deformações quando comparado aos vidros sodo-cálcicos e borossilicatos. Estes vidros são conhecidos como "vidro alumino-borossilicato".

Em termos de resistência temos:

Os vidros mais frágeis, de sílica e Óxidos alcalinos;

Os mais comuns e baratos, de sílica sodo-cálcica (Óxidos alcalino-terrosos);

Vidros para altas temperaturas e choques-térmicos, os borossilicatos;

Vidros para elevadíssimas temperaturas, os alumino-borossilicatos;

Vidros feitos apenas de areia de Quartzo ou AS, isto é, "puros".

Depois de conhecermos resumidamente a formulação, vamos agora para as características definidas por têmpera...

O vidro temperado é fabricado a partir daqueles descritos anteriormente, mas passa por um tratamento térmico aprimorado, denominado como têmpera. Tal tratamento tem como finalidade estabelecer tensões elevadas de compressão em pontos superficiais do vidro e correspondentes a altas tensões de tração no centro.

CURIOSIDADE: Comparado ao vidro convencional, o vidro temperado tem uma elevada resistência mecânica a grandes impactos (cinco vezes maior), além de conseguir suportar variações de temperatura de até 227 °C. O vidro normal, quando quebrado, se fragmenta em grandes pedaços, que muitas vezes são pontiagudos e cortantes. Diferente do vidro convencional, o temperado se fragmenta em pequenos pedaços, com formatos arredondados e menos cortantes, garantindo mais segurança do usuário.

Para compreender o processo de têmpera, precisamos ir além e entender a estrutura amorfa do vidro, começando por um pequeno detalhe:

Quando um material passa do estado líquido (amorfo) para o estado sólido cristalino, existe uma chamada 'temperatura de solidificação' ou 'temperatura de fusão', que é o ponto exato onde a cadeia de átomos bagunçada passa a ser organizada e vice-versa. Essa 'temperatura de fusão' pode ser chamada também de 'temperatura de Isotropização' (abreviada Tiso).

Materiais em estado líquido (amorfo) que se solidificam e permanecem com estrutura amorfa não possuem uma temperatura de fusão / solidificação, mas sim uma 'temperatura de Transição Vítrea' (abreviada por Tg). É o caso do vidro e de polímeros.

CURIOSIDADE: A temperatura de Transição Vítrea (Tg) para o Quartzo puro fundido gira em torno dos 1200 °C, já para o vidro sodo-cálcico está na faixa dos 520 °C ~ 600 °C. Nessas temperaturas, tais materiais passam a se comportar como um líquido de ultra-alta viscosidade. No caso do Quartzo puro, ao chegar por volta dos 1650 °C ele já possui apenas uma alta viscosidade.

CURIOSIDADE: No caso de polímeros semi-cristalinos, há uma Tg para as regiões amorfas e uma Tiso para as regiões cristalinas. No caso de polímeros cristais líquidos, o comportamento líquido-cristalino se encontra na faixa de temperatura entre Tg e Tiso.

A água, por exemplo, no nosso dia-a-dia é líquida. Mas se a colocarmos no freezer, que apresenta temperaturas abaixo de 0 °C (sua temperatura de fusão ao nível do mar), ela se solidifica formando o gelo.

Quando uma substância está líquida significa que as suas moléculas não tem uma forte ligação entre si e desta forma elas podem rolar umas sobre as outras, escoando, como a água faz a temperatura ambiente.

Mas, em muitos materiais, quando a substância passa para o estado sólido (lembre-se que a temperatura de solidificação é a mesma temperatura de fusão) as moléculas se unem através de ligações químicas que organizam as moléculas de forma ordenada e repetitiva, tornando a estrutura cristalina.

Com substâncias que geram o vidro é parecido. Em altas temperaturas elas são líquidas, entretanto, apresentam uma característica de alta viscosidade. Quando elas se esfriam a viscosidade aumenta, e quando chegam na temperatura de Trnasição Vítrea suas moléculas não conseguem se organizar devido à dificuldade de se deslocarem umas em relação às outras. Quando o esfriamento é suficientemente rápido acabam chegando numa temperatura na qual a viscosidade é tão alta que as moléculas ficam 'congeladas' com a mesma estrutura bagunçada dos líquidos.

Esta estrutura bagunçada, cientificamente chamada de 'amorfa' (o oposto de cristalino) é que confere todas as propriedades que conhecemos dos vidros.

Dependendo da velocidade do esfriamento, pode haver um princípio de organização. E quanto mais organização, menor volume o vidro ocupa. É como quando fazemos uma mala. Se a arrumamos com bastante tempo e cuidado as roupas cabem perfeitamente. Mas se estamos com pressa e enfiamos todas as roupas sem dobrar pode acontecer da mala nem fechar, pois a roupa bagunçada vai ocupar um espaço maior.

Com o vidro ocorre o mesmo:

-> Alta velocidade de esfriamento significa maior desorganização e maior volume ocupado.

-> Baixa velocidade de esfriamento significa maior organização e menor volume ocupado.

Outro aspecto do vidro é que para quebra-lo são necessárias duas coisas: um início de trinca - que pode ser um risco ou um defeito na superfície - e uma força de tração que gere uma trinca a partir do defeito, rompendo a peça.

O princípio da têmpera é provocar tensão de compressão em toda a superfície do vidro - que é a região onde começam as trincas - e desta maneira dificultar sua propagação. Como o núcleo ocorre o oposto, isto é, ele fica tracionado, mas como não há defeito nesta região que inicie uma trinca, o material permanece íntegro.

Para se conseguir essa distribuição de tensões, se aquece a peça de vidro até em torno de 600 °C e em seguida se esfria rapidamente com jatos de ar em toda a sua superfície.

A superfície, que podemos chamar aqui de "pele do vidro", vai então se esfriar rapidamente, enquanto que o 'miolo', protegido por esta pele se esfria mais lentamente. Resultado: a pele fica com mais desorganização e, portanto, com um volume maior do que o núcleo da peça de vidro, que se esfriou mais lentamente podendo se organizar um pouco mais e vai apresentar volume menor.

Essa 'dualidade de densidade' na mesma peça faz com toda a pele fique comprimida, dificultando a propagação de trincas e aumentando a resistência mecânica da peça de três a cinco vezes mais em comparação com o vidro não-temperado.

Outra característica do vidro temperado é que, se por alguma razão uma trinca atingir a parte interna que está em tração ele quebra imediatamente, se dividindo em centenas de pequenos pedaços. Por esta razão ele também é chamado de 'vidro de segurança', pois os pedaços pequenos são menos suscetíveis de causar ferimentos.

Outra forma de têmpera, chamada de "Têmpera Química", é produzida colocado o vidro em um banho de sais de Potássio aquecido. Isso faz com que parte do Sódio que há no vidro passe para o banho e parte do Potássio passe para o vidro. Como as moléculas de Potássio tem tamanho maior que as de Sódio, a superfície aumenta de volume causando o mesmo efeito de compressão da Têmpera Térmica, só que numa profundidade muito menor. A resistência do vidro aumenta muito, inclusive contra riscos, e quando se quebra, diferentemente da tempera térmica, não se faz em pedaços tão pequenos, pois ela só atinge uma fina camada superficial.

A Fibra de Vidro - abreviada por "FV" ou "GF" (do inglês Fiber Glass) - é a aplicação do vidro em forma de finos 'fios' - por assim dizer - dispostos em feixes, ou então amontoados tal como lã (podendo ser encontrado também na forma de TNT, sigla para "Tecido-Não-Tecido") ou então na forma de tecido com os mais diversos padrões de tesselagem para o material.

Imagem 1 - Uma manta de FV disposta em forma de TNT

De maneira mais aprofundada, a FV é formada quando fios de vidro relativamente espessos são extrudados, formando fios muito mais finos, isto é, fibras com diâmetros pequenos adequados para processamento em diversos setores da indústria.

O método moderno de produção de lã de vidro é a invenção de Games Slayter, que trabalhava na Owens-Illinois Glass Company (Toledo, Ohio). Ele solicitou pela primeira vez uma patente para um novo processo para fazer lã de vidro em 1933:

Com essa invenção, a primeira produção comercial em larga escala de fibra de vidro foi em 1936. Em 1938, a Owens-Illinois Glass Company e a Corning Glass Works uniram-se para formar a Owens-Corning Fiberglass Corporation. Quando as duas empresas se uniram para produzir e promover o novo formato do material, introduziram fibras de vidro de filamento contínuo. A Owens-Corning ainda está entre os maiores produtores do material hoje.

A Sílica pura - o Quartzo (Dióxido de Silício) -, quando fundida e resfriada, pode ser usada em forma de fibra de vidro, mas como vimos lá no início tem a desvantagem de ter que ser trabalhada em temperaturas muito altas, gastando muito mais energia para seu processamento (só é viável a menos que suas propriedades químicas e físicas específicas sejam necessárias). 

Para diminuir a temperatura de trabalho necessária, também são adicionados fundentes e estabilizantes. O vidro A comum ("A" para "alcalino") ou o vidro sodo-cálcico (alcalino-terroso) triturado e pronto para ser fundido novamente foram as primeiras formulações para produção de fibra de vidro. 

Com o passar das décadas, para além do A-Glass (o tal vidro cálcico ou sodo-cálcico, ou seja, alcalino, tendo pouco ou nenhuma adição de Óxido de Boro), outras formulações foram emergindo na indústria, sendo as mais comuns listadas a seguir:

-> O tipo mais comum de fibra de vidro usada pela indústria é conhecida como E-Glass, que é um vidro de Aluminoborosilicato com menos de 1% em massa de óxidos alcalinos, usado principalmente para aplicações elétricas / eletrônicas e PRFV; 

-> O C-Glass, um tipo de vidro com alta resistência ao ataque químico, também alcalino, mas com alto teor de Óxido de Boro;

-> O ECR-Glass, com alta resistência elétrica e química (resistência a ácidos a longo prazo e resistência a álcalis a curto prazo), composto de silicato Alumino-Cal com menos de 1% em massa de óxidos alcalinos, com alta resistência a ácidos);

-> O D-Glass, um borosilicato, foi nomeado por sua baixa constante dielétrica;

-> O R-Glass, composto por silicato de Alumínio sem MgO e CaO, tendo altos requisitos mecânicos quando aplicado como reforço;

-> e o S-Glass, um vidro aluminossilicato sem CaO, mas com alto teor de MgO, tendo alta resistência à tração.

O E-Glass (o "E" é devido à aplicação elétrica, que inicialmente foi o propósito de sua criação), não contém álcalis e agora representa a maior parte da produção de fibra de vidro no mundo e também é o maior consumidor mundial de minerais de Boro. É suscetível ao ataque de íons cloreto, sendo uma má escolha para aplicações marítimas. 

Já o S-Glass ("S" para "Resistência") é usado quando a alta resistência à tração (módulo) é importante. Essa mesma formulação é conhecida como R-Glass (“R” de “reforço”) na Europa. 

O C-Glass ("C" para "resistência química") e o T-Glass ("T" significa "isolante térmico" - uma variante norte-americana do tipo C) são resistentes ao ataque químico, e ambos são frequentemente encontrados em graus de isolamento térmico de fibra de vidro.

CURIOSIDADE: Tecidos de fibras de vidro são isolantes térmicos úteis devido à sua alta relação entre área superficial e massa. No entanto, o aumento da área superficial os torna muito mais suscetíveis ao ataque químico. Ao reter o ar dentro deles, os blocos de fibra de vidro proporcionam um bom isolamento térmico, com uma condutividade térmica da ordem de 0,05 W/(m.K).

A FV tem propriedades mecânicas aproximadamente comparáveis a outras fibras, e embora não seja tão rígida quanto a Fibra de Carbono, é muito mais barata e significativamente menos frágil quando usada em compósitos.

A resistência do vidro geralmente é testada e relatada para fibras “virgens”, ou puras, isto é, aquelas que acabaram de ser fabricadas. Os fios mais 'frescos' e finos são os mais fortes devido à sua ductilidade. Quanto mais a superfície for arranhada, menor será a tenacidade resultante. Como o vidro tem uma estrutura amorfa, suas propriedades são as mesmas ao longo do fio e através dele.

A umidade é um fator importante na resistência à tração, dada a boa capacidade de adsorção deste material, podendo piorar rachaduras microscópicas e defeitos superficiais, além de diminuir a tenacidade. Em contraste com a fibra de Carbono, o vidro pode sofrer mais alongamento antes de quebrar.

Filamentos mais finos podem dobrar ainda mais antes de quebrarem. A viscosidade do vidro fundido é muito importante para o sucesso da fabricação. Durante a trefilação, processo em que o vidro quente é puxado para reduzir o diâmetro da fibra, a viscosidade deve ser relativamente baixa, pois caso não seja a fibra quebrará durante processo, entretanto, se for baixa demais, o vidro formará gotículas em vez de se transformar em fios.

Após toda esta explicação, vamos trazer alguns exemplos de uso do vidro na indústria elétrica, eletrônica e automobilística...

→ Lâmpadas Incandescentes: O bulbo destas obsoletas lâmpadas, em geral, é feito de um composto de sílica sodo-cálcica ou Aluminossilicato sodo-cálcico. Até meados dos anos 1990, composições de sílica com Óxido de Chumbo (na ordem de 20% até 30% em quantidade de massa) eram aplicadas no bulbo destas lâmpadas, e até mesmo no invólucro de fluorescentes. Para saber mais sobre Lâmpadas Halógenas, CLIQUE AQUI!

→ Fusíveis: Alguns fusíveis possuem um invólucro composto por uma cápsula de vidro presa aos terminais do componente. O vidro utilizado segue a mesma composição do bulbo da Lâmpada Incandescente. Para saber mais sobre Fusíveis, Termofusíveis, Fusistores e PPTCs, CLIQUE AQUI!

Em fusíveis para alta tensão, como aqueles das redes de distribuição de energia podem ser vistos alguns modelos cujo invólucro apresenta visivelmente os "fiapos" de E-glass 'firmemente reúnidos' por algum aglutinante de resina plástica termofixa:

Imagem 2 - Quando não usam um tubo cerâmico nota-se a aplicação de fibra de vidro

→ Lâmpadas de descarga de baixa e alta pressão: As lâmpadas fluorescentes de baixa pressão surgiram com invólucros de vidro sodo-cálcico e sofreram aprimoramentos ao longo das décadas. Já as lâmpadas de vapor de Sódio de baixa pressão necessitam até hoje de dois compostos de vidro para funcionarem. As lâmpadas de vapor de Mercúrio sob alta pressão necessitam de composições sodo-cálcicas capazes de aguentarem altas temperaturas, enquanto as de alta pressão com vapor de Sódio requerem um tubo de descarga de cerâmica PCA inserido num bulbo de vidro sodo-calcico de grande resistência térmica também. Nenhum destes vidros passa pelo processo de têmpera.

Para descobrir muito mais sobre tais lâmpadas, comece CLICANDO AQUI!

→ Componentes mecânicos dos automóveis: A Fibra de Vidro pode ser utilizada para isolamento térmico e acústico...

Imagem 3 - Carenagem de carpete feito de fibras sintéticas misturadas com fibra de vidro num Volkswagen Constellation

...no entanto, seu uso é comum como reforço em compósitos poliméricos. Talvez os mais comuns sejam a Poliamida reforçada com FV (PA-%GF) e o Polipropileno reforçado com FV (PP-%GF). A FV também é utilizada como reforço em resinas poliéster saturadas (tal como PET e PBT) e insaturadas (UP). Todos este compósitos são amplamente utilizadas na indústria automobilística para a confecção de componentes do sistema mecânico, tais como coletores de admissão, caixas laterais do radiador e até mesmo carcaças de coxins e cárteres de óleo.

Na próxima imagem vemos uma pequena presilha feita de PA66-GF30 utilizada para a fixação de uma lanterna traseira na carroceria de um veículo:

Imagem 4 - Notei a composição desta presilha durante a troca de uma lâmpada da lanterna de um VW Gol ano 2014

Para conhecer detalhadamente vários exemplos de uso da Fibra de Vidro em resinas poliméricas na indústria automobilística, CLIQUE AQUI! e CLIQUE AQUI!

→ Placas de circuito e invólucros de componentes eletrônicos: Tecidos de E-Glass são utilizados na confecção de placas de circuito impresso, juntamente com a resina de Poliepóxido. A lã de vidro também é aplicada como reforço da Poliamida em carcaças de relés automotivos e industriais, bem como em contactoras e até mesmo em cartuchos de tinta de impressoras, muitos feitos em PET-%GF.

Imagem 5 - A sigla "PUR" faz referência ao cubo de Poliuretano com tinta absorvida no interior do invólucro

Para conhecer detalhadamente vários exemplos de uso da Fibra de Vidro em resinas poliméricas na indústria elétrica e eletrônica, CLIQUE AQUI!

→ O pó de vidro, abreviado por GB (Glass Bead, que pode significar "esferas de vidro") é utilizado como reforço em resinas poliméricas...

Imagem 6 - Esta caixa com parte do sistema elétrico / eletrônico de um caminhão Scania é feita de ">PA66-(GB+GF)30<", ou seja, Poliamida reforçada com 30% de pó misturado com fibra de vidro

...e até como selador de velas de ignição no preenchimento de espaço entre o castelo e o isolador cerâmico.

Uma massa vítrea com condutividade elétrica específica (podendo ser alcançada com a adição pós condutores, como por exemplo o Negro de Fumo) é utilizada como resistor supressor dentro das velas de ignição, dada as propriedades do vidro quanto às altas temperaturas. Para saber mais detalhes sobre velas de ignição, CLIQUE AQUI!.

Para saber mais detalhes sobre 'cargas brancas' (pó de vidro, Talco, Carbonato de Cálcio, Óxido de Zinco e etc.) e 'cargas negras' (como por exemplo Negro de Fumo e Grafite) em polímeros, CLIQUE AQUI! (artigo sobre plásticos e borrachas - PARTE 4) e CLIQUE AQUI! (artigo sobre condutores e isolantes - PARTE 2).

→ Muitas das modernas baterias estacionárias, tracionárias e automotivas Pb-Ácido possuem a tecnologia AGM, sigla para Absorbent Glass Material.

Imagem 7 - Uma bateria estacionária Pb-Ácido AGM com válvulas nos compartimentos

São densos feltros de fibra de vidro - em geral do tipo E - em forma de "envelope" que separam os eletrodos positivos e negativos e absorvem todo o eletrólito, impedindo que a solução salina tenha movimentação livre em cada compartimento, aumentando a segurança (menos chance de vazamentos e evaporação), a durabilidade (menos sedimentação e corrosão de eletrodos no fundo dos compartimentos) e a eficiência (capacidade de armazenamento de energia), pois a mistura de Óxido de Hidrogênio com Ácido Sulfúrico permanece mais homogênea e bem distribuída nas faces dos eletrodos. Para conhecer profundamente as baterias Chumbo-Ácido, CLIQUE AQUI!

→ Falando em densos feltros de fibra de vidro, fornos domésticos costumam usar mantas de FV bastante densas para impedir a dissipação do calor de forma muito rápida e contínua na carcaça do equipamento enquanto estão ligados. Como exemplo desta aplicação, observe este forno elétrico Fischer Grill 1323-5684 desmontado:

Imagem 8 - Não conseguimos distinguir os fios de fibra, apenas uma manta branca com textura 'macia'

→ Os vidros do seu carro ou caminhão, seja o do para-brisa (laminado) ou os da laterais e traseira (temperados / temperados-tintados) são formulações sodo-cálcicas temperadas - e no caso dos laminados, duas chapas comuns (em alguns casos temperadas) intercaladas com uma de Polivinil Butiral (PVB). Todos estes vidros automotivos surgem do vidro float (chapa de vidro plana e retangular), que passa por 'recorte' e conformação aquecida para admitir o formato e a curvatura requerida.

No caso da imagem abaixo, temos um para-brisa bipartido de um CAIO Millenium produzidos pela GlassTech com base em duas camadas de vidro float não temperados unidas por PVB:

Imagem 9 - É possivel notar o uso de vidro laminado não temperado e com PVB neste para-brisa

CURIOSIDADE: Para saber mais sobre os selos de homologação e sobre como descobrir a data de fabricação de um vidro automotivo, veja o PDF abaixo:

As inscrições impressas em todos os vidros automotivos, bem como o acabamento 'faixa retículada' em toda a borda do para-brisa e vigia traseiro / vigias laterais são feitas com uma tinta preta de base cerâmica aplicada por serigrafia. Assim, ela esconde imperfeições dessas áreas e até equipamentos, como retrovisor interno, antenas ou sensores de chuva / luminosidade.

Imagem 10 - Um para-brisa Pilkington em um caminhão Mercedes-Benz. As informações são serigrafadas no vidro com tinta de base cerâmica

Perceba a inscrição "VSG", que significa "Vidro de Segurança Laminado". Caso um dia veja a sigla "ESG" num vidro da lateral ou vigia traseiro, saiba que se trata de um "Vidro de Segurança Temperado". Caso seja um vidro laminado e temperado, poderá encontrar algo como "ESG/VSG".

A função da faixa preta com o acabamento pontilhado (retícula) também é esconder e impedir que a luz UV do Sol reduza a vida útil da cola de Poliuretano utilizada para fixar o vidro na carroceria (apesar de poder conter aditivo anti-UV ainda existe degradação do polímero ao longo dos anos e anos de uso). Como a cor preta significa a absorção de toda a luz que incide sobre o corpo, para evitar uma diferença abrupta de temperatura entre a região transparente e a faixa da borda a interface pontilhada proporciona um degradê térmico que permite evitar distorções ópticas e fissuras por discrepância de dilatação na mesma peça.

Imagem 11 - Um dos 'Easter Eggs' do Jeep Renegade está escondido nas bordas de seu para-brisa

Em alguns automóveis há apenas pontilhados nas bordas horizontais do para-brisa e vigia traseiro. Tudo depende do projeto e seus estudos de eficiência e viabilidade.

No caso de muitos ônibus comuns, os vidros da lateral são do tipo float sem conformação (planos) e não temperados (aqui a lei permite):

Imagem 12 - Perceba que a qualidade da serigrafia (e a textura também) - já com marcas do tempo - entrega o uso de uma tinta diferente dos vidros de carros e caminhões

Diferente do vidro acima, os fornos elétricos - tal qual aquele Fischer Grill 1323-5684 - utilizam um visor frontal temperado, podendo ter faixa reticulada nas bordas feita com tinta cerâmica (tudo depende do projeto). Como é um equipamento que pode passar dos 300 °C em seus filamentos resistivos incandescentes, a borda pintada funciona como uma espécie de proteção térmica para a estrutura / moldura plástica da porta em muitos projetos:

Imagem 13 - Nem a espátula metálica que utilizei para raspar a gordura impregnada no vidro foi capaz de danificar o pontilhado, atestando o uso de tinta cerâmica

Lembrando que o forno da imagem acima não possui cola para fixar o visor, apenas um encaixe com flanges e parafusos.

CURIOSIDADE: Por mais liso que pareça, a rugosidade de um vidro automotivo é grande, como vemos na imagem abaixo:

Imagem 14 - A listra 'laranja' é uma trilha do desembaçador elétrico do vigia traseiro

Tal rugosidade no vidro é inadmissível em uma tela eletrônica, pois seria notável uma distorção acentuada na luz emitida pelos minúsculos subpixels que formam as imagens:

Imagem 15 - O ícone do 'menu iniciar' do Windows 10 em detalhes numa tela LCD :v

Para saber mais sobre os minúsculos pontos de luz das telas eletrônicas, podes começar CLICANDO AQUI!

→ Telas eletrônicas: A 'lisura' de superfície de uma tela de smartphone ou notebook, por exemplo, é citada neste Folder de Marketing do fabricante de vidros Schott:

Folder 1 - Telas eletrônicas podem incorporar vidro LAS ou Aluminoborossilicato

→ TVs tubo: Mas e as velhas e massudas TVs de tubo? Que tipos de vidros são utilizados?

A composição da carcaça de vidro do tubo de raios catódicos (CRT) é dada abaixo:

Tabela 1 - A composição dos massudos tubos de raios catódicos

Perceba que o uso de Óxido de Chumbo no funil pode chegar a quase 30%.

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Neste tópico trazemos algumas outras informações relevantes sobre cerâmicas e vidros!

A popularidade da fibra de vidro aumentou desde a descoberta de que o Amianto causa câncer e sua subsequente remoção da maioria dos produtos, como é o caso de juntas de vedação de motores de combustão e abrasivos (como por exemplo os utilizados em pastilhas e tambores de freio e discos de embreagem). 

No entanto, a segurança da fibra de vidro também está sendo questionada, pois pesquisas mostram que as composições desta classe de materiais (o Amianto e a FV são fibras de silicato) podem causar toxicidade semelhante à do Asbesto. Estudos da década de 1970 em ratos descobriram que o vidro fibroso com menos de 3 μm de diâmetro e mais de 20 μm de comprimento é um "potente cancerígeno". Da mesma forma, a Agência Internacional de Pesquisa sobre o Câncer concluiu que "pode ser razoavelmente previsto que seja cancerígeno" em 1990.

A Conferência Americana de Higienistas Industriais Governamentais, por outro lado, afirma que não há evidências suficientes e que a Fiber Glass está no grupo “Não classificável como cancerígeno para Humanos”. A Associação Norte-Americana de Fabricantes de Isolamentos (NAIMA) afirma que a FV é fundamentalmente diferente do Amianto, uma vez que é feita pelo Homem. Eles afirmam que a fibra de vidro “se dissolve nos pulmões”, enquanto o Asbesto permanece no corpo por toda a vida.

Embora tanto um quanto o outro sejam feitos de filamentos de silicatos, a NAIMA afirma que o Amianto é mais perigoso devido à sua estrutura cristalina, que faz com que se divida em pedaços mais pequenos e mais perigosos, citando o Departamento de Saúde e Serviços Humanos dos EUA:

As fibras vítreas sintéticas diferem do Amianto em dois aspectos que podem fornecer explicações pelo menos parciais para a sua menor toxicidade. Como a maioria das fibras vítreas sintéticas não são cristalinas como o Asbesto, elas não se dividem longitudinalmente para formar fibras mais finas. Geralmente, elas também apresentam marcadamente menos biopersistência em tecidos biológicos do que as fibras de Amianto pois podem sofrer dissolução e quebra transversal.

Um estudo de 1998 utilizando ratos descobriu que a biopersistência das fibras sintéticas após um ano era de 0,04 ~ 13%, mas de 27% para o Amianto do tipo amosita. Descobriu-se que as fibras que persistiram por mais tempo eram mais cancerígenas.

OBSERVAÇÃO: O Asbesto amosita (pode também ser refido como "Amianto Marrom") é uma variedade do tipo Grunerita, da Série Cummingtonita, pertencente ao Grupo das Anfíbolas, que por sua vez é da Classe dos Inossilicatos.

Cerâmicas e vidros não são tão simples quanto parecem. Além de existirem centenas e centenas de tipos diferentes para aplicações específicas, não há uma designação clara do que é o que, e cabe a nós pesquisar e estudar pra distinguir aquilo que está na nossa frente sem se utilizar de nomes / termos vagos ou chulos.

Tal como aconteceu com o artigo sobre plásticos e borrachas, que começou com um e se tornou uma série de publicações, ou dos artigos sobre metais, que já são uma série desde a concepção, esta publicação se tornará, em breve, uma série de capítulos cada vez mais densos de informação, afim de enriquecer cada vez mais nossa sabedoria não apenas sobre CTM, mas sobre o funcionamento de (quase) tudo!

Pra sugestões, dúvidas ou reclamações, mande um e-mail para hardwarecentrallr@gmail.com.

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FONTES e CRÉDITOS

Texto: Leonardo Ritter

Imagens e gráficos: Google Imagens; Canal da Peça; Bosch; Brasil Escola.

Fontes: Brasil Escola; Mundo Educação; Canal da Peça (Velas NGK e sensores MAP piezoresistivos); Bosch (estrutura das velas de ignição); MACEA Cerâmica Técnica Avançada (sobre SiC, WC e PZT); Cimm cerâmicas; Ceraltec cerâmicas (sobre a Alumina); Associação Brasileira de Cerâmicas - ABCERAM; Schott (fabricante de vidros); Fabricante de componentes eletrônicos Venkel (datasheet de resistores); Abramax e Heavy Duty (sobre discos de corte); Wikipedia (sobre sinterização, co-queima, óxidos, fibra de vidro, carbetos e minerais de silica).

Última atualização: 31 de Março de 2024.