Introdução ao Vidro Plano e sua Produção - USP · A Figura 1 mostra peças encontradas em sítios arqueológicos, produzidas com obsidianas e utilizadas como armas e ferramentas

Introdução ao Vidro Plano e sua Produção

Mauro Akerman – Maio 2013

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Escola do Vidro – Introdução ao Vidro Plano e sua Produção – Mauro Akerman – Maio 2013 2/58

Índice

1 – Objetivo pg. 3

2 – Introdução pg. 4

3 – História pg. 6

4 – Estrutura pg. 14

5 – Elaboração pg. 18

6 – Propriedades pg. 23

7 – Matérias Primas pg. 29

8 – Processo produtivo industrial pg. 35

8.1 – Usina de Composição pg. 35

8.2 – Fornos pg. 36

8.2.1 – Refratários pg. 39

8.3 – Processos de Conformação pg. 41

8.3.1- Processo Float pg. 43

8.3.2- Principio Funcionamento Float pg. 55

8.4 – Recozimento pg. 48

9 – Transformação pg. 48

10 – Revestimentos Superficiais pg. 52

11- Bibliografia pg.57


1 - Objetivo

O objetivo deste documento é proporcionar uma noção introdutória ao material vidro, suas

características e propriedades, seu processo de elaboração e conformação nos principais

processos industriais vidreiros, a pessoas que não necessariamente possuam formação

técnica.


2 - Introdução

Aprendeu-se mais a respeito do vidro e de seu processamento nos últimos 40 anos do que

durante toda a história precedente da tecnologia. Os vidros são hoje utilizados em quase todos

os aspectos das atividades humanas; em casa, nas janelas, lâmpada e luminárias, sistemas de

aquecimento solar, fornos e geladeiras, utensílios de mesa, decoração, etc.; na ciência, nos

microscópios e telescópios constituindo as lentes, nos frascos dos laboratórios, etc.; na

indústria nos reatores, visores, instrumentos, etc., e mesmo em arte, pois eles podem ter suas

propriedades ajustadas às suas finalidades, assumindo infinitas cores e formas.

Uma utilização muito adequada das excelentes propriedades do vidro é o seu uso como

embalagem. Algumas embalagens podem ser seguras. Muitas podem ser recicladas. Outras

são reutilizadas. Pureza e assepsia, transparência, versatilidade e impermeabilidade são outras

características encontradas isoladamente nas embalagens. Entretanto, especialistas e

designers vêm reiteradamente reconhecendo que o vidro é o único material que reúne todas

essas qualidades. A tecnologia desenvolvida e aplicada ao vidro permitiu que ele adquirisse

novas vantagens em relação a outros materiais. O peso das embalagens, por exemplo, foi

sensivelmente reduzido, ao mesmo tempo em que se tornaram mais resistentes. E como

embalagem, o vidro é o único material que corresponde plenamente a duas características

essenciais das embalagens modernas: preserva a natureza, pois o vidro é completamente

reciclável, uma vez que um quilo de vidro usado dá origem a um quilo de vidro novo, e protege

o consumidor, não contaminando o produto embalado, não exigindo a adição de conservantes

aos alimentos e bebidas e alem disso, deixando visível o seu interior.

Alguns vidros podem ser utilizados em temperaturas extremas, enquanto outros só têm

utilidade porque se fundem a baixas temperaturas. Algumas peças conservam suas formas

mesmo submetidas a mudanças extremas de temperatura como entre o fogo e o gelo, outras

podem conduzir ou bloquear a luz. Os vidros podem ter diversos graus de resistência

mecânica, ser densos ou leves, impermeáveis ou porosos. Em suas muitas finalidades, eles

podem filtrar, conter, transmitir ou resistir às radiações pertencentes a quase todas as faixas

do espectro eletromagnético.

As propriedades dos materiais são ditadas pelo tipo de ligações dos átomos que os constituem.

Devido à vastíssima, quase infinita, faixa de composição química dos vidros, onde a maioria

dos elementos da tabela periódica pode ser incorporada, eles apresentam uma ampla variação

de propriedades mecânicas, ópticas, térmicas, elétricas e químicas. 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

cristalina), e diferença na seqüência de operações de fabricação (o vidro inicialmente é fundido

no forno e depois é conformado, enquanto que as cerâmicas primeiro são conformadas e

depois é que passam num forno a alta temperatura), os vidros são geralmente tratados como

um grupo à parte da cerâmica.

O vidro, que no passado era invariavelmente considerado de pouca resistência mecânica, pode

hoje ser usado em novas aplicações, nunca imaginadas poucas décadas atrás. As técnicas de

têmpera térmica e química são responsáveis pelas excelentes propriedades das janelas de

meios de transporte, vidros à prova de balas e lentes de óculos.


Os vidros ópticos são nossos conhecidos nos microscópios, binóculos e máquinas fotográficas.

Outras espécies de vidros ópticos são sensíveis à luz ultravioleta e podem ser usados para

tomadas fotográficas, desenvolvendo a imagem por tratamento térmico posterior.

Outra maravilha tecnológica dos nossos dias são as fibras ópticas, utilizadas tanto pela

engenharia, para telecomunicações, como na medicina, para realização de procedimentos

minimamente invasivos. Nesse caso aparentemente paradoxal, onde a luz parece acompanhar

as curvaturas das fibras, a luz pode seguir as mais tortuosas curvas levando imagens e

informações, com extrema eficiência e rendimento.

A fibra de vidro é empregada na produção de lã extremamente isolante, térmica e acústica,

utilizada em construção civil, geladeiras, fogões e também como reforço de plásticos utilizados

na confecção de carrocerias de automóveis, botes, piscinas, etc. Também se presta como

reforço de cimento utilizado em caixas de água e telhas.

Na área da saúde e da biologia os vidros modernos encontram aplicação, além das funções

clássicas, “passivas”, a que estamos acostumados (ou seja, frascos, placas e outras vidrarias e

acessórios estéreis, para manipulação de microorganismos e uso em análises clínicas). Vidros

antibacterianos são usados em hospitais em revestimento de paredes reduzindo os riscos de

infecções hospitalares.

Recentemente, foram desenvolvidos os vidros de dissolução controlada ou vidros

biodegradáveis. Tais vidros podem liberar certos elementos químicos na terra, na água, na

corrente sangüínea ou no sistema digestivo, em quantidades constantes e predeterminadas,

ao longo de períodos que podem variar desde minutos até anos. A utilização desses materiais

em agricultura, biologia e medicina apresentam um potencial vastíssimo. Uma das mais

impressionantes aplicações biológicas dos vidros são implantes ortopédicos, dentes artificiais e

pequenas partes ósseas dos chamados "bio-vidros", isto é, vidros compatíveis com o

crescimento de tecidos vivos.

Uma das propriedades tecnologicamente mais importantes dos vidros é a alta durabilidade

química de certas composições. Vidros milenares são conhecidos sem apresentarem sinais de

deterioração. Seu uso como recipientes de reagentes químicos e produtos farmacêuticos, em

vidraria de laboratórios e tubulações de indústrias químicas está diretamente relacionado a

essa característica. Seu emprego para a imobilização de resíduos radioativos, provenientes das

usinas nucleares, é devido basicamente à sua alta durabilidade química por longos períodos de

tempo.

Numa lista indicando as 10 maiores inovações tecnológicas para o futuro, lista preparada em

1983, através de uma consulta às 100 maiores empresas do Japão, e onde convivem

desenvolvimentos fantásticos como biotecnologia e supercomputadores, três itens são

diretamente relacionados a vidros e cerâmicas: fibras ópticas, cerâmicas especiais e novos

materiais. Para orientação, vale a pena lembrar que o preço médio de venda de recipientes de

vidro é R$0.30/Kg, enquanto que fibras ópticas para telecomunicação podem custar

R$100,00/Kg.


3 - História

O vidro começou a ser empregado pelo homem desde a pré-história há cerca de 75.000 anos.

O material empregado se constituía de um vidro natural, existente na natureza como mineral,

e era empregado por uma característica que muitas vezes atribuímos como defeito que é o seu

poder de corte.

Este mineral denomina-se obsidiana e era esculpido para produzir ferramentas e armas com

grande capacidade de corte. Lembre-se que o homem ainda não dominava a técnica de

produzir metais naquela época.

As obsidianas pela sua capacidade de gerar lâminas finíssimas são empregadas em

ferramentas de corte de precisão, como por exemplo, nos bisturis que até recentemente eram

empregados em cirurgias do globo ocular.

A Figura 1 mostra peças encontradas em sítios arqueológicos, produzidas com obsidianas e

utilizadas como armas e ferramentas.

Figura 1: Artigos em obsidianas, vidro natural, produzidos na pré-história.

Apesar de empregar o vidro há muito tempo o homem só começou a produzir este material

em torno de 4.500 anos atrás. Há varias teorias de como tenha se iniciado. Uma delas é que

seria a partir da escória da produção de metais e outra dos “vidrados” que já se empregavam

em cerâmicas para que as mesmas tivessem uma superfície lisa e livre de porosidade.

Porem a história preferida dos vidreiros é que naquela época mercadores atravessavam o

deserto da região do oriente médio onde hoje se encontra o Iraque com uma carga de natrão.

O natrão é um mineral constituído de carbonato de sódio, e mais adiante vamos ver que é uma

das matérias-primas empregadas na elaboração de vidro. O natrão era empregado por suas

características antissépticas nas mumificações.

Estes mercadores pararam para montar o acampamento durante a noite e se viram com

dificuldade de encontrar onde apoiar a panela para cozinhar o jantar. A solução encontrada foi

de empregar pedaços do natrão que transportavam, sobre a areia do deserto. A união do calor

do fogo com as principais matérias primas produtoras de vidro fez surgir um material viscoso

que escorreu e ao esfriar assumiu um aspecto brilhante que encantou aos mercadores. Estava

descoberto como fazer vidro. A Figura 2 representa a descoberta.


Figura 2: Descoberta acidental do vidro

Nos primeiros mil anos após a descoberta de como elaborar vidro este só foi empregado com

finalidade estética na confecção de jóias e artigos de decoração. Somente por volta de 1500

AC, no Egito, foi que se iniciou o emprego do vidro em artigos utilitários, na forma de

embalagens.

Para fazer essas primeiras embalagens o vidreiro colocava na ponta de uma haste metálica

uma porção de argila que viria a se constituir a parte interna da embalagem. Em seguida

mergulhava este núcleo em uma panela cerâmica onde estava o vidro fundido. O vidro se

esfriava em torno do núcleo de argila que depois era retirada permanecendo a embalagem de

vidro. Este processo esta ilustrado na Figura 3. Notar que a produção do vidro só foi possível

por já existir o conhecimento da cerâmica.

Figura 3: Fabricação da primeira embalagem de vidro – Egito 1500 AC

Na figura 4 se encontram algumas peças expostas em museus que foram produzidas naquela

época. Notar que o vidro era muito colorido e não transparente.


Figura 4: Primeiras peças de vidro fabricadas pelo homem – Egito 1500 AC

Esta era uma maneira muito trabalhosa de produzir embalagens e, por essa razão, elas eram

pouco empregadas e apenas pessoas muito ricas podiam se dar ao luxo de utilizá-las. Eram

empregadas para armazenar cosméticos e medicamentos.

Descoberta do sopro

O grande advento que popularizou o vidro foi a invenção do sopro que ocorreu há cerca de

2000 anos na Síria. Trata-se de colher uma gota de vidro na ponta de um tubo metálico

denominado “cana” e soprar uma bolha no seu interior para constituir a parte oca de um

artigo de vidro. Assim começaram a se produzir embalagens com menor custo e maior

produtividade, tornando-o acessível inclusive para cidadãos comuns.

Esta foi uma invenção tão marcante que ainda hoje, vinte séculos depois, os produtores de

vidro manual ainda a empregam e mesmo nas modernas máquinas de conformação as

embalagens são conformadas por sopro, ainda que por meio de máquinas sofisticadas. A

Figura 5 mostra a colheita do vidro e o sopro realizado de forma artesanal.

Figura 5: Colheita do vidro e o sopro

Cerca de 200 anos depois se começou a fazer vidros planos para vidraças empregando o sopro.

Os vidreiros produziam uma grande garrafa usando o sopro e a gravidade. Cortavam as


extremidades e ficavam só com o corpo que formava um tubo. Em seguida faziam um corte

longitudinal neste tubo e reaquecendo-o abriam e faziam uma chapa.

A Figura 6 mostra este processo que ainda hoje é empregado na produção de vidros artísticos

aplicados em vitrais.

Figura 6: Processo de produção de vidro plano pelo sopro

O problema apresentado por estas chapas é que quando as estendiam no forno, elas estavam

moles e ficavam marcadas em sua superfície as imperfeições que havia na sola do forno.

Por essa razão, no século seguinte, passou-se a produzir chapas de vidro a partir de um

recipiente soprado, mas na forma de um disco que se obtia por centrifugação pelo giro da

peça. Primeiramente se produzia um recipiente, como uma garrafa, se transferia ele para uma

ponteira que ficava fixada ao fundo desta garrafa que era girada e por meio da força centrífuga

se obtinha um disco de vidro. Este vidro chamado de “crown” tinha melhor qualidade óptica

porem tinha limitação de tamanho. Não se conseguia círculo maior que 1,5m de diâmetro e o

centro, onde se localizava a ponteira de apoio, ficava marcado e deveria ser desprezado.

A Figura 7 mostra o princípio da produção do vidro crown e a Figura 8 uma foto de um artesão

produzindo este tipo de vidro.

Figura 7: Processo de fabricação de vidro plano tipo “crown”


Figura 8: Artesão produzindo vidro “crown” e peça produzida marcada para recorte.

Nesta época também se começou a soprar o vidro destinado a embalagens e artigos

domésticos dentro de moldes que imprimiam padrões à superfície. Na figura 9 o desenho da

esquerda representa este processo que perdurou como o principal na produção de

embalagens até o final do século XIX como se pode observar na foto da direita, de uma fábrica

de embalagens deste período.

Figura 9: Sopro de embalagens de vidro dentro de um molde

Os fornos empregados para fundir o vidro eram aquecidos a lenha e o consumo chegava a dois

quilos de madeira por quilo de vidro produzido.

Uma representação artística dos primeiros fornos se encontra na figura 10. Nesta figura

também há um corte de um modelo didático deste forno para melhor compreender seu

funcionamento. Em seu interior há diversos potes de cerâmica onde se colocavam as matérias

primas. Na parte inferior existia uma câmara onde a madeira era queimada e na parte superior

havia saída para a fumaça.

O forno era aquecido para que a composição se fundisse e depois os artesões retiravam o

vidro para trabalhá-lo. Estas operações se repetiam ciclicamente (carregamento das matérias-

primas, fusão das mesmas, trabalho do vidro) em períodos de 24 horas.


Figura 10: primeiros fornos empregados na elaboração do vidro

Na idade média, por volta do ano de 1200, os vidreiros foram confinados na ilha de Murano ao

lado de Veneza, na Itália. Uma explicação para esse confinamento seria para reduzir os

incêndios que acabavam ocorrendo devido ao intenso uso de combustão. Outra explicação

seria para que não se espalhassem suas técnicas que eram passada de pai para filho.

Em Murano ocorreu uma nova descoberta revolucionária: a produção de um vidro muito claro

e transparente que foi denominado de “cristallo” por ter a transparência de um cristal. Ainda

hoje se chamam “cristais” os vidros mais finos de mesa. Até então os vidros produzidos tinham

coloração intensa e baixa transparência.

A partir desse vidro claro e límpido puderam ser criadas lentes e a partir delas, foram

inventados os binóculos (1590), microscópios (1595) e os telescópios (1611), com os quais o

homem começou a desvendar os segredos do universo. Também nessa época, graças à

produção dos recipientes especiais e do desenvolvimento dos termômetros de laboratório,

houve um grande desenvolvimento da Química.

Em 1665, durante o reinado de Luís XIV, foi fundada na França a companhia que viria a ser, nos

dias de hoje, a Saint Gobain, com a finalidade de produzir vidros para espelhos, evitando assim

a dependência que os franceses tinham de Veneza. No início foi utilizada a tecnologia

veneziana de sopro, mas a partir de 1685, através de um método novo, que consistia na

deposição da massa líquida de vidro sobre uma grande mesa metálica sendo passado por cima

um rolo, da mesma maneira como se abre massa de pastel. A figura 11 mostra uma

representação artística deste processo. O vidro assim obtido devia ser polido para a produção

de espelhos, pois suas superfícies eram muito irregulares.

Figura 11: Processo de produção de vidro plano por laminação


Com a revolução industrial no século XIX a demanda de vidro aumentou muito e processos

mais produtivos foram procurados. Em 1902 um engenheiro belga chamado Fourcault lançou

um método revolucionário de produção em massa de vidro plano através da estiragem do

mesmo na vertical – Figura 12. Outros processos evoluíram a partir do Fourcault no século XX,

processo Pittsburg de estiragem na vertical e processo Libbey Owens estirado na horizontal.

Figura 12: Esquema e foto do processo Fourcault, primeiro a existir de vidro estirado

Para se compreender o princípio da estiragem imagine colocar uma faca dentro do mel e

erguê-la em seguida. O mel que ficou preso à lâmina escoa na forma de uma fita. Imagine

agora que esfriemos esta fita e ela se torna rígida e continuamos a erguê-la. Mais mel será

arrastado e esfriado formando uma lâmina de vidro contínua. O vidro era depois destacado em

chapas.

Em 1880, se inicia a produção mecânica de garrafas e em 1915 é lançada a primeira máquina IS

automática até hoje empregada.

Em 1932 se iniciou a produção de vidro plano laminado através da passagem do mesmo entre

dois rolos. Mesmo princípio da produção do macarrão. Este processo até hoje é empregado

para produzir vidros impressos ou “fantasia” que apresentam figuras em relevo em uma das

faces e desta maneira são translúcidos, isto é, deixam passar a luz, mas impedem a visão

através deles. A Figura 13 mostra o princípio deste processo.

Figura 13: processo de produção do vidro impresso ou “fantasia”


Porem a grande revolução na produção de vidro plano se deu com a invenção de Alister

Pilkinghton em 1959 de produzir vidro flotado sobre um banho de estanho.

Conta a história que ele teve a idéia enquanto lavava louça. A água estava presa na cuba da pia

e a gordura sobrenadava não se misturando com a água criando uma fina lâmina de faces

perfeitamente paralelas.

Então ele pensou: será que não há um líquido sobre o qual possa se verter vidro fundido para

que ele forme uma lâmina da mesma maneira que a gordura na água da pia? Este líquido não

poderia nem se solidificar nem se evaporar na faixa de enrijecimento do vidro em torno de

600oC e deveria ser bem mais denso do que o vidro para que este não afundasse. O estanho

serviu a este propósito e continua sendo utilizado em todo o mundo para a produção massiva

de vidro plano.

Em 1965 iniciou a operação da primeira fábrica float em Saint Helens na Inglaterra e hoje há

centenas de fornos deste tipo no mundo que aposentou definitivamente os processos de vidro

estirado.

No Brasil a primeira fábrica de vidro float iniciou sua produção em 1982 e hoje é o único

processo empregado na produção de vidros planos (com exceção do impresso ou “fantasia”). A

Figura 14 mostra o principio de funcionamento do processo “float”. O Vidro fluido é vertido

sobre um banho de estanho fundido e vai se esfriando até ficar rígido. Este processo é

contínuo e uma série de rolos extrai a fita de vidro.

Figura 14: Principio de formação da chapa de vidro plano flotado.

Durante o século XX muitas outras aplicações surgiram para o vidro: as fibras que tanto servem

para isolamento térmico e acústico, como para reforço de outros materiais; as fibras ópticas,

que substituem com enormes vantagens os tradicionais cabos de cobre e alumínio utilizados

em comunicações; lâmpadas; isoladores, etc.


4 - Estrutura do Vidro

Mas o que é o vidro? Para responder a esta pergunta vamos recordar alguns conceitos que

todos já vimos na escola.

Toda substância é constituída de átomos. Eles são muito pequenos e impossíveis de se ver,

mesmo com os mais poderosos microscópios, e todas as características e propriedades dos

materiais dependem de como estes átomos se ligam entre si.

Um exemplo que mostra claramente isto são três materiais: o carvão, o grafite e o diamante,

que são constituídos do mesmo elemento químico, o carbono, cujos átomos em cada um deles

se encontram unidos por diferentes tipos de ligação. Como resultado estes três materiais tem

comportamento e aspecto totalmente distintos

Outro conhecimento básico são os três estados em que as substâncias podem se encontrar:

sólido; líquido e gasoso. Cada substância tem uma temperatura característica de fusão e

evaporação. Abaixo da temperatura de fusão será sempre sólida. Entre a temperatura de fusão

e de evaporação será líquida e acima da temperatura de evaporação passará a ser um gás.

Um exemplo clássico é a água: abaixo de 0oC ela é sólida (gelo) entre 0oC e 100oC está líquida e

acima de 100oC se transforma em vapor, que é um gás.

Quando a substância esta no estado sólido há uma grande força de atração entre os átomos

que ficam presos uns aos outros e esta força faz com que eles de disponham de forma

organizada, como soldados numa parada militar.

No estado líquido a força que os une é muito fraca e os átomos ficam soltos e o material pode

fluir. Imagine uma lata cheia de bolinhas de gude e cada bolinha seja um átomo. Quando o

material está no estado líquido as bolinhas ao serem jogadas ao chão correm soltas e se

espalham, assim como ocorre quando jogamos a água. As bolinhas soltas rolam umas sobre as

outras sem organização. No estado sólido é como se colássemos cada bolinha com a sua

vizinha, formando um arranjo ordenado que se repete ao longo de todo o material. Este

arranjo de átomos organizados é denominado “cristal” e, portanto, um sólido cristalino é

aquele em que seus átomos estão dispostos de forma organizada. A Figura 15 esquematiza o

arranjo atômico nesses dois estados

Figura 15: Arranjos atômicos no estado sólido e líquido


Um exemplo de sólido cristalino é o cloreto de sódio que é o sal que empregamos para

temperar alimentos. Ele é constituído de dois elementos: o sódio e o cloro que quando no

estado sólido apresentam a estrutura representada na figura 16.

Figura 16: Arranjo cristalino dos átomos no sal de cozinha.

Portanto quando se esfria um material abaixo de seu ponto de fusão os átomos que antes

estavam desorganizados devem se movimentar entre si para poderem ocupar os lugares

determinados por uma situação de organização.

Esta movimentação esta representada na figura 17.

Figura 17: Movimentação dos átomos na passagem do estado líquido para o sólido

Um material que gera o vidro em alta temperatura também se torna um líquido, porem

apresenta alta viscosidade. A viscosidade é a dificuldade dos átomos se moverem uns em

relação aos outros e quanto maior ela for mais dificuldade tem o líquido de escoar. Um

exemplo de líquido viscoso é o mel. Se jogarmos água e mel sobre uma superfície plana, a água

que apresenta baixa viscosidade vai escorrer com facilidade, mas o mel que é muito viscoso vai

escoar bem de vagar e também não vai conseguir se espalhar como a água.

Um material fundido que vai gerar vidro é viscoso e se comporta como o mel e à medida em

que se esfria sua viscosidade aumenta cada vez mais dificultando ainda mais a movimentação

livre dos átomos que não conseguem se organizar como no estado sólido de outros materiais.

Chega um momento, em uma determinada temperatura, em que a viscosidade é tão alta que

os átomos não conseguem mais se movimentar de forma alguma e a estrutura de líquido com


os átomos desorganizados fica congelada em um material que tem todas as características de

um sólido.

Todas as características e propriedades do vidro são devido a esta estrutura desordenada de

suas moléculas.

Muitas vezes devido a isso o vidro é chamado de líquido porem isso não é verdade. O vidro é

um sólido que apresenta a estrutura semelhante à de um líquido, isto é, seus átomos não

estão organizados na forma de cristais como acontece com a maioria de substâncias sólidas

que conhecemos.

Estrutura do vidro e Processo produtivo

Uma conseqüência da estrutura desordenada do vidro é que uma mesma massa deste

material ocupa um volume maior do que se seus átomos estivessem na forma cristalina.

E na prática quando produzimos o vidro a partir do esfriamento de um líquido viscoso

dependendo da velocidade em que se dá o resfriamento pode se ter uma pequena

organização.

Falando de outra maneira, quanto mais rápido se esfria maior é a desordenação dos átomos e,

portanto maior o volume ocupado.

Podemos fazer um paralelo quando saímos para viajar de férias. Ao preparar a mala

escolhemos com cuidado todas as roupas que pretendemos levar que estão no armário bem

passadas e dobradas e as colocamos com cuidado na mala. Desta maneira a mala fecha sem

dificuldade.

No retorno das férias as roupas já foram todas usadas, foram deixadas em algum lugar sem o

cuidado de serem dobradas e como estamos tristes porque as férias acabaram fazemos a mala

rapidamente, sem paciência, apenas com a intenção de levar tudo de volta que, afinal, terá

mesmo que ser lavado.

Resultado: a mala da volta, mesmo contendo as mesmas roupas da ida, fica mais volumosa e

eventualmente até difícil de fechar.

Com o vidro acontece algo semelhante: se ele é esfriado rapidamente seus átomos ficam mais

“bagunçados” do que se ele for esfriado lentamente e, portanto, ocupa um volume maior.

Quando fazemos a conformação de qualquer vidro, por exemplo, uma chapa sendo laminada

entre dois rolos metálicos, partes deste vidro se esfriará mais rápido que outra, neste caso a

pele em contato com os rolos, do que o vidro do centro da chapa que vai se esfriar mais

lentamente e, portanto seus átomos poderão ter uma maior organização que no final ocupara

volume menor. Porem tudo isso será uma chapa única e estas diferenças de volumes gerarão

tensões que podem quebrar o vidro ou pelo menos fragilizá-lo. A Figura 18 mostra a evolução

de tensões surgidas na laminação.


Figura 18: Desenvolvimento de tensões durante a laminação de uma chapa de vidro

Na produção de garrafas e outros artigos conformados em moldes metálicos o mesmo

fenômeno acontece exigindo que todo produto de vidro após a sua conformação sofra um

processo de aliviamento de tensões denominado de recozimento.

Portanto, após a conformação, sempre é necessário se efetuar um recozimento do vidro, isto

é, se aquece até a viscosidade diminuir e permitir a acomodação destas tensões seguida de

esfriamento lento, por igual em todo o corpo da peça, para evitar tensões residuais.


5 - Elaboração do Vidro

Para se ter vidro, portanto, é necessário um material que quando fundido tenha uma alta

viscosidade e que esta viscosidade aumente muito antes de chegar ao ponto de solidificação

impedindo a ordenação dos átomos (que se chama cristalização).

Não são todos os materiais que se prestam para gerar vidros. A água, por exemplo, é uma

delas, pois sua viscosidade é praticamente a mesma, e muito baixa, ente a sua temperatura de

fusão (0oC) e sua temperatura de evaporação (100oC). Portanto não importa quão rápido se

esfrie a água, sempre seus átomos poderão se movimentar entre si para gerar um cristal

(átomos ordenados)

Porem várias substâncias não são assim. Por exemplo: o açúcar. Na temperatura ambiente ele

é um cristal. Cada grão é um pequeno cristal. Se o aquecermos eles se fundem, tornam-se um

líquido, formando o caramelo. Se jogarmos este caramelo na superfície fria da pia ele se

solidifica sem se cristalizar formando, portanto um vidro. (Sim bala de açúcar é um vidro!)

Alias, vidro de açúcar é empregado no cinema para que nas cenas de quebra de vidraças não

haja risco de acidente com os atores, porem não podemos instalá-lo em nossas janelas, pois

com a chuva e lavagem eles desapareceriam, dissolvidos na água.

A Figura 19 mostra a “fabricação” de vidro de açúcar

Figura 19: “Fabricação” de vidro de açúcar

O material mais empregado e que gera vidro da mesma maneira que o açúcar e é a sílica ou

óxido de silício (SiO2), muito abundante na natureza. Ela é nossa velha conhecida na forma da

areia que há nas praias ou na areia empregadas nas construções. A Figura 20 mostra algumas

formas de sílica encontradas na natureza.


Figura 20: Alguns materiais encontrados na natureza e constituídos de sílica.

Se pudéssemos observar os átomos de um grão de areia veríamos que eles se organizam

formando cristais que são disposições organizadas e com formação repetitiva. Se fundirmos

estes grãos a organização acaba e se esfriarmos rapidamente (e nem precisa ser muito

rapidamente) os átomos não conseguem se reorganizar e permanecem amorfos (sem

organização) gerando o vidro com propriedades e características muito boas para as nossas

aplicações, diferentemente do vidro de açúcar.

A Figura 21 mostra uma molécula de sílica que se constitui de um átomo de silício rodeado de

quatro átomos de oxigênio formando um tetraedro (figura de quatro faces sendo cada uma

um triângulo) e como esses átomos se unem pelos oxigênios formando uma rede

tridimensional que é a estrutura do vidro.

Figura 21: Molécula de sílica e como as moléculas de sílica se unem formando uma rede

espacial que é a estrutura básica do vidro.

Na figura 22 estão representadas a estrutura molecular de uma sílica cristalina, como é

encontrada na natureza e a mesma estrutura quando transformada em vidro. Podemos fazer

uma analogia onde cada molécula de sílica é um tijolo. Na forma cristalina os tijolos estão

ordenados como numa parede. No vidro os mesmos tijolos estão em desordem como se

tivessem sido jogados ao acaso em algum lugar.


Figura 22: comparativo entre a sílica na forma cristalina e na forma vítrea

Vidros industriais

A sílica sozinha produz um excelente vidro com ótimas propriedades porem com um grave

problema: seu ponto de fusão é muito alto requerendo fornos especiais e muito consumo de

energia e conseqüentemente apresentando alto custo de produção.

A solução encontrada para contornar este problema foi de incorporar elementos fundentes à

sílica que abaixam a temperatura de elaboração, mas mantém características adequadas para

os produtos. Estes fundentes são o óxido de sódio e o óxido de cálcio que em conjunto com a

sílica produzem a família de vidro denominada silico-sodo-cálcico ou simplesmente sodo-

cálcico.

Ação dos Fundentes

A estrutura básica dos vidros a base de sílica é uma rede formada de silícios ligados cada um a

quatro oxigênios e cada oxigênio liga dois átomos de sílica como mostrado na Figura 23. Esta

figura é apenas esquemática, pois está nos dois planos do papel, mas na realidade a rede da

sílica é tridimensional. Estas ligações são muito fortes, sendo esta a razão do alto ponto de

fusão dos cristais de sílica, e mesmo no estado líquido elas continuam a agir provocando a alta

viscosidade.

Figura 23: Esquema das ligações dos átomos em um vidro de sílica

Quando se adiciona o sódio à sílica os átomos de sódio que tem muita afinidade com o

oxigênio se unem a ele e os oxigênios que se unem aos sódios deixam de ficar ligados ao silício

fazendo desta maneira um corte na rede. Quanto mais sódios se adicionam mais cortes na

rede se apresentam e mais fraca a mesma fica. Isto na prática se traduz com viscosidade mais


baixa e menor temperatura de elaboração do vidro. A Figura 24 mostra o efeito da introdução

de sódio na estrutura do vidro de sílica.

Figura 24: Representação esquemática do efeito da adição de sódio ao vidro de sílica.

A introdução de sódio ao vidro traz um novo problema. Ele aumenta a solubilidade do vidro,

isto é, quanto mais sódio se adiciona mais o vidro fica próximo ao vidro, já citado, feito de

açúcar.

Por essa razão se introduz o sódio até determinado limite e como neste limite o vidro ainda se

encontra muito viscoso para ser elaborado e trabalhado em temperaturas industrialmente

razoáveis, se introduz um segundo fundente que é o cálcio.

O cálcio como o sódio se une aos oxigênios liberando ligações entre este e a sílica, mas como

ele é bivalente cada átomo de cálcio se une a dois átomos de sódio.

Por ele gerar uma nova ligação para cada duas destruídas ele não é tão eficiente como o sódio

porem por ser muito pouco solúvel em água pouco afeta a resistência do vidro à solubilidade.

O efeito da introdução do cálcio ao vidro esta esquematizado na figura 25.

Figura 25: Representação esquemática do efeito da adição de cálcio ao vidro de sílica.

A estrutura de um vidro sodo-cálcico pode ser representada pela figura 26 que mostra a rede

de sílica interrompida pela presença de átomos de sódio e cálcio.

Observar que como o vidro não apresenta estrutura ordenada cristalina como, por exemplo, a

do sal de cozinha da Figura 16, pode receber diferentes quantidades de cada um dos

fundentes assim como de diversas outras substâncias e, portanto apresentar um leque infinito

de propriedades


Figura 26: Esquema da estrutura molecular de um vidro sodo-cálcico

Vidros sodo-cálcicos são empregados para a maioria das embalagens, vidraças, lâmpadas,

artigos domésticos, etc., participando com mais de 90% de todo o vidro produzido no planeta.

A Figura 27 mostra exemplos de aplicações de vidros sodo-cálcicos e a faixa de composição

química em que eles se situam.

Figura 27: Exemplos de produtos produzidos a partir do vidro sodo-cálcico e faixa de

composição química em que eles se encontram.


6 - Propriedades dos vidros

As propriedades do vidro variam com a sua composição química. Como a composição do vidro

não é fixa e vários componentes podem ser adicionados, em diferentes proporções, se obtém

vidros com propriedades variando dentro de determinadas faixas.

Com o conhecimento do efeito de cada componente na estrutura do vidro é possível se

projetar composições de vidros apropriadas para cada processo produtivo e aplicação final.

Um exemplo disso é a cor. É possível se obter vidro isento de cor mas também com infinitas

tonalidades indo da total transparência até a total opacidade. Isso se consegue adicionando

determinados componentes na massa de vidro.

Vamos agora descrever algumas das principais propriedades deste material.

Viscosidade

Esta é a propriedade mais importante para a produção do vidro. Viscosidade é a dificuldade de

um líquido de escoar e é o inverso de fluidez. Por exemplo, o mel é mais viscoso que a água e a

água é mais fluida que o mel.

O vidro para existir, já vimos, tem que apresentar alta viscosidade para impedir a cristalização

de suas moléculas. Quando um material se cristaliza, ao se esfriar, perde a estrutura

desordenada de líquido e não se torna um vidro.

A temperatura do forno de fusão é regulada para que o vidro atinja uma viscosidade suficiente

para que a massa se homogeneíze e as bolhas presas no seu interior possam ser liberadas.

Para fabricar uma peça de vidro, isto é, conformá-la no seu desenho final a viscosidade tem

papel fundamental.

No início da conformação deve se ter uma viscosidade suficientemente alta para poder formar

uma gota. Se estiver muito fluido, como a água, por exemplo, é impossível dar forma, pois ela

escoa muito facilmente. Por outro lado se a viscosidade estiver excessivamente alta o vidro

estará muito duro e será difícil imprimir forma.

Durante o processo de conformação o vidro vai se esfriando e ficando mais viscoso. Ao se

chegar à forma final desejada ele deve estar viscoso o bastante para não continuar a fluir pois

se isso ocorrer ele escoa e se perde a forma necessária. Por outro lado ele não pode ficar

demasiadamente viscoso enquanto se esta fazendo a conformação, pois fica difícil de trabalhar

e pode se chegar a um ponto no qual ele já esta rígido mas a forma final não foi atingida.

Depois de conformada a peça de vidro possui tensões devido ao esfriamento desigual que

sempre ocorre durante qualquer processo de conformação e deve ser recozida. O recozimento

consiste em aquecer o produto até uma temperatura na qual a viscosidade seja baixa o

suficiente para que microscopicamente o vidro flua e alivie as tensões existentes na massa,

mas não se pode esquentar demais abaixando em demasia a viscosidade sob pena de fazer o

vidro escoar pela força de seu próprio peso e se perder a forma necessária.


Ajustando a composição química pode se alterar a viscosidade adaptando-a ao processo de

conformação empregado.

O artista que faz uma peça manualmente leva mais tempo para conformá-la do que uma

moderna máquina automática e sempre que o vidro comece a ficar muito duro, para continuar

seu trabalho deve esquentá-la novamente repetindo diversas vezes a operação ao longo da

conformação até acabar seu trabalho.

A chapa de vidro sobre o banho de estanho deve ter viscosidade suficiente para escoar e

formar a folha, mas ao sair do float deve estar rígida o suficiente pra não ser marcada pelos

rolos responsáveis pelo seu transporte.

Resistência química

Outra propriedade fundamental é a inércia química do vidro, isto é, ele não reage com quase

nenhum componente podendo permanecer numa janela por séculos com o mesmo aspecto de

novo. Da mesma forma embalagens de vidro não reagem com os produtos que contem.

A foto da Figura 28 é de uma garrafa de cerveja recuperada de um naufrágio, onde

permaneceu por 200 anos no fundo do mar e mesmo assim apresenta aspecto de nova alem

de ter conservado a cerveja por todo esse tempo que inclusive seria estudada por especialistas

cervejeiros.

Figura 28: Garrafa de cerveja recuperada de um naufrágio depois de permanecer 200 anos no

fundo do mar. O conteúdo estava intacto

Da mesma forma vidros em janelas resistem por séculos mantendo as suas superfícies lisas

que permitem a passagem de luz.

Impermeabilidade

O vidro também é completamente impermeável, haja vista o exemplo da cerveja, e em janelas

protege contra as intempéries ao mesmo tempo em que deixa passar a luz. Como ele é

formado a partir de um líquido não possui porosidades o que lhe confere essa característica

impedindo a passagem de contaminantes gasosos ou líquidos.


Resistência mecânica

Há uma grande confusão sobre a resistência do vidro e muitos o julgam um material fraco. Um

material fraco é aquele que não resiste e se quebra quando aplicamos uma força ainda que

baixa. Por exemplo, um giz é facilmente quebrável e, de fato, podemos considerá-lo um

material fraco. Mas o vidro não é fraco. Imagine um bastão de vidro do mesmo formato do giz,

exige muita força para quebrar. Ao contrário de ser fraco, o vidro é muito forte.

O vidro por outro lado é frágil, isto é, não é muito resistente a impactos. Hoje já é comum se

empregar vidro em pisos justamente porque ele resiste muito bem a qualquer pessoa que

passe sobre ele. Mas como ele é frágil e pode quebrar com uma batida então estes vidros são

laminados, ou seja, são constituídos por diversas chapas de vidro entremeadas de um plástico

de forma que as camadas internas resistem ao peso as de fora se receberem algum impacto

podem até eventualmente se quebrar, mas não será comprometida a segurança do conjunto.

É o mesmo princípio aplicado nos vidros a prova de balas. Um exemplo deste tipo de aplicação

pode ser visto nas fotos da Figura 29

Figura 29: Aplicação estrutural de vidros planos laminados.

A quebra do vidro se dá pela conjunção de dois fatores: um defeito na superfície que pode se

tornar o início de uma trinca e uma força de tração que tende a abrir esta trinca. A resistência

de qualquer material se dá pela força como suas moléculas estão ligadas. No caso do vidro

estas ligações são muito fortes, porém, quando há um defeito no vidro como um risco, na

ponta deste defeito ocorre uma concentração de tensões que chega a ser muitas vezes

superior à tensão que se esta aplicando à peça de vidro como um todo e então esta trinca

pode abrir um pouco e ai a tensão em sua ponta aumenta e ela abre mais e assim sucessiva e

rapidamente e o vidro se parte. A quebra ocorre quando essa trinca atravessa toda a peça.

Portanto a resistência mecânica de uma peça de vidro esta diretamente ligada ao estado de

superfície. Riscos, mesmos microscópios, lascas nos bordos ou qualquer outra imperfeição

reduzem significativamente a resistência.

Este princípio é utilizado para cortar chapas de vidro. Com uma ferramenta se faz um risco no

vidro que será o início de uma trinca e depois se flete o vidro para gerar tensão de tração neste

risco e a trinca atravessa a chapa dividindo-a em duas. Na verdade o termo corte nem seria o

mais adequado a esta operação mas sim “destaque”.

A Figura 30 mostra a seqüência do processo de corte do vidro.


Figura 30: Sequência de corte de uma chapa de vidro

1 Chapa original.

2 Chapa com risco no local do corte.

3 Chapa apoiada para o corte.

4 Esforços aplicados e tensão de tração produzida na região do corte.

5 A trinca iniciada no risco se propaga por ação da tenção de tração.

6 Chapa cortada em duas.

O risco para o corte é realizado com uma ferramenta que possui uma pequena rodinha como

mostrado na figura 31 de um metal muito duro, chamado de vídea, para conseguir riscar o

vidro que também é muito duro.

Figura 31: Ferramenta em vídea para riscar o vidro a ser cortado.

Resistência ao choque térmico

O vidro é um material muito mal condutor de calor. Sua condutividade é comparada com

alguns materiais conhecido na tabela 1:


Tabela 1: Condutividade térmica do vidro e de outros materiais

Na verdade o vidro é um bom isolante térmico.

Uma conseqüência disto é que se em um dos lados de uma vidraça se aquece, a face do vidro

deste lado esquenta porem o calor leva certo tempo até atravessar a espessura e aquecer a

outra face, pois o vidro oferece resistência à passagem do calor.

A região que se aqueceu se dilata enquanto a que continua fria permanece inalterada. Estas

diferenças de “tamanho” geram tensões que associadas a defeitos da superfície podem dar

início a uma trinca.

O mesmo pode acontecer com as diferenças causadas pelo aquecimento da parte da vidraça

exposta ao sol enquanto que as regiões dentro dos caixilhos não se aquecem.

Fenômeno semelhante ocorre quando se coloca um líquido quente dentro de um copo. A

superfície do vidro em contato com a água se aquece e se dilata. Enquanto isto a superfície

externa ainda esta fria e não “quer” se dilatar. Como resultado gera-se tensões de tração na

superfície fria externa, e se este valor for acima do que o vidro pode suportar ele vai quebrar.

Desta maneira podemos afirmar que a capacidade de resistir a choques térmicos é

inversamente proporcional a quanto o vidro se dilata quando aquecido. Ou seja, quanto maior

for a dilatação térmica, menor será a resistência do vidro a mudanças bruscas de temperatura.

A dilatação térmica depende da composição química do vidro. Para os vidros sodo-cálcicos,

peças de 4 a 5 mm de espessura suportam algo em torno de 60oC de diferença de

temperatura. É, portanto desaconselhável colocar água fervendo (100 oC) em um copo de

vidro a temperatura ambiente, a não ser que ele seja temperado.

Quanto mais fina for a peça, ainda que produzida com o mesmo vidro, menores serão as

diferenças de temperatura entre os pontos frios e quentes e portanto mais resistente ela será

ao choque térmico.

A quebra sempre se dá na região mais fria da peça, onde ocorre a tração, e comumente o risco

maior de quebra é quando o vidro está quente e sofre um esfriamento rápido. Por exemplo:

tirar uma peça do forno e colocá-la sob a torneira ou sobre uma superfície fria.

Por outro lado se o aquecimento é homogêneo em toda a superfície, como dentro de um

forno, toda a superfície fica comprimida devido ao aquecimento e não há quebra.

Para aumentar a resistência ao choques térmicos de produtos de vidro, fundamentalmente se

empregam dois recursos:


1 A têmpera, que deixa a superfície do vidro em compressão e neste caso as diferenças de

temperaturas devem ser maiores para poderem eliminar o efeito de compressão da superfície,

ocasionada pela têmpera, e provocar a quebra. A resistência destes vidros chega até cerca de

200 oC.

2 A mudança da composição do vidro para outra que dilate menos com o aquecimento, É o

caso do Pyrex, que trata-se de um vidro borossilicato, que dilata cerca de 60% menos do que

um vidro sodo-cálcico para as mesmas temperaturas, e por isso pode resistir a esfriamentos

bruscos de até 150 oC.

Cor

A cor nos vidros é gerada por componentes que são dissolvidos em sua massa durante sua

elaboração. Normalmente são metais que interagem com a luz filtrando algumas cores e

deixando passar outras.

As cores no vidro alem do aspecto estético tem a função de filtrar determinadas radiações de

luz que sejam indesejáveis. No caso de embalagem de bebidas e medicamentos é a radiação

ultravioleta que pode deteriorar o conteúdo das mesmas. É por isso que as cervejas e os

vinhos normalmente são envasados em recipientes verdes ou âmbar.

No caso das vidraças alem da filtragem do ultravioleta, que também desbota mobiliário e

tecido, procura se evitar a passagem do infravermelho responsável pelo aquecimento e assim

incrementar o conforto térmico e economia de energia despendida com ar condicionado no

interior de veículos e residências.


Matérias Primas

As matérias primas são muito importantes no processo de elaboração do vidro, pois tudo o

que se enforna no forno de fusão sai na forma de vidro, ou seja, não existe recurso de separar

algo que foi enfornado errado e todo erro acaba comprometendo a qualidade dos produtos.

A qualidade das matérias-primas é muito importante para a obtenção de bons resultados na

produção, pois tudo o que entra no forno vai para o vidro final. Só para sentirmos o quanto

isso é importante consideremos uma chapa de vidro de 20 metros quadrados e dez milímetros

de espessura. Ela pesa 500 quilos e para elaborar essa quantidade de vidro são necessários 350

quilos de areia. Se nessa chapa tiver uma inclusão, um material que entrou como

contaminante e não se fundiu no forno, de 0,5 milímetro de diâmetro ela será reprovada. Ou

seja, um contaminante de 0,5mm de diâmetro em cada 350 quilos de areia pode reprovar toda

a produção.

Alem disso, a partir do momento em que se resolva o problema que esta gerando o defeito,

como, por exemplo, se troque a areia por outra não contaminada, ainda se leva alguns dias

para se limpar o vidro contaminado que se encontra como lastro dentro do forno.

As matérias-primas são empregadas todas na forma de sólidos granulados com os grãos

variando de 0,1 a 2,0 mm de diâmetro.

Todas devem ser controladas e mantidas dentro de rígidas especificações tanto no aspecto

químico quanto no aspecto granulométrico, ou seja, no tamanho dos grãos em que se

apresentam, e ainda estar isentas de contaminações não fusíveis no forno ou que possam

afetar alguma propriedade, como cor por exemplo.

Impurezas presentes nas matérias primas podem trazer defeitos como inclusões na massa de

vidro ou dificuldade na fusão da composição. Grãos muito grandes podem passar pelo forno

sem serem fundidos gerando defeitos. Grãos muito finos podem ser arrastados pelos gases,

atacar os revestimentos dos fornos, entupirem os canais de fumaças e se constituírem material

particulado poluente.

A grande maioria das matérias-primas empregadas na produção do vidro é de minerais

naturais extraídos da natureza.

A extração de minerais é uma atividade controlada pelo Departamento Nacional de Produção

Mineral (DNPM) e deve ser executada com um mínimo de interferência com o meio ambiente.

Os locais de extração ao final do uso devem ser entregues recuperados e tudo isso deve ser

muito bem documentado antes mesmo do início da exploração.

Todos os minerais empregados como matérias primas devem passar por algum tipo de

beneficiamento que garantam o atendimento das especificações. O tipo de beneficiamento

empregado depende das características do produto bruto original e das especificações exigidas

pela produção.

A fornecedora da sílica, a base do vidro, é a areia que é encontrada em depósitos onde foi

acumulada através do tempo pela ação da erosão das intempéries sobre as rochas.


A areia é a matéria prima presente em maior volume na composição. Também é a mais difícil

de fundir.

A Figura 32 mostra uma jazida de extração de areia. Neste caso a própria natureza ajudou

constituindo um depósito imenso de minério originário do desgaste de rochas e que se

acumulou, quer seja pela ação de ventos ou da água de rios, já na forma granulada necessária

para a introdução das composições vidreiras. Ainda assim esta areia deve ser beneficiada para

separar os grãos muito finos e os muito grossos e livrá-la de componentes prejudiciais ao

vidro.

Figura 32: Jazida de areia vidreira. (Mineração Jundu)

Os fornecedores de cálcio, magnésio e alumina são rochas que devem ser retiradas como em

pedreiras e depois moídas para chegarem à granulometria adequada. Normalmente são

separadas por explosões que formam grandes pedaços que são moídos até chegarem ao

tamanho de grãos necessários para a utilização na composição.

A Figura 33 mostra uma jazida de calcário que é o mineral normalmente empregado para

fornecer o cálcio ao vidro.

Figura 33: Jazida de calcário. (Mineração Jundu)

Existem algumas matérias-primas industriais, que são produzidas através de processos

químicos. A mais importante, sem dúvida, é a barrilha ou carbonato de sódio anidro

responsável por aportar o óxido de sódio ao vidro.

A barrilha empregada pelos vidreiros tem duas origens:


Barrilha trona ou natural:

É produzida a partir do mineral “trona” que é constituído principalmente de carbonato de

sódio hidratado. A trona é um mineral raro presente em poucas regiões do mundo,

usualmente em lugares de clima desértico. As jazidas mais importantes se encontram nos

Estados Unidos e na Turquia.

Barrilha artificial ou Solvay:

É produzida a partir da salmoura dos oceanos através de um processo químico denominado

“Solvay”. Existe uma empresa com este nome que produz barrilha, mas também muitas outras

que o fazem empregando este processo.

A barrilha originária da trona é mais barata de se produzir, entretanto os locais de extração são

normalmente desertos longe dos centros produtivos de vidro devendo, portanto ser

transportada por longas distâncias. A barrilha Solvay pode ter fábricas localizadas em qualquer

lugar perto da costa. Ambas atuam no vidro de maneira indistinta e a escolha de uma ou outra

se dá apenas por razões econômicas.

No Brasil não existe nenhuma produção deste material que, portanto deve ser todo

importado. Ele também é de longe a matéria-prima mais dispendiosa constituindo de 50 a 60%

do custo da composição dos vidros sodo-cálcicos.

Figura 34: Armazém carregado de barrilha recém descarregada de um navio.

Colorantes

O vidro obtido com as matérias-primas básicas é incolor. Para obter as diversas cores possíveis

de se configurar ao vidro se adicionam alguns óxidos metálicos, normalmente em

pequeníssimas proporções, tanto que nem nos referimos a eles em porcentagem, mas em

PPM (partes por milhão). 1 PPM = 0,0001%.

Os colorantes mais usualmente empregados em vidros industriais são:

Óxido de cromo que produz o verde das garrafas de vinho


Figura 35: Garrafa de vinho colorida por óxido de cromo

Óxido de ferro que dá o verde das chapas de vidro plano. Sua cor é menos intensa que a do

cromo, porém retém a passagem de radiação infravermelha responsável pelo aquecimento.

Figura 36: Artigos apresentando a coloração do ferro.

Óxido de cobalto gera um azul forte empregado em artigos domésticos, algumas garrafas de

vinho branco alemão e vidros planos impressos.

Figura 37: Azul ao Cobalto

Óxido de cobre também confere cor azul porem um pouco diferente da do cobalto, com um

tom mais esverdeado. Em alguns frascos de perfume se emprega também óxido de neodímio

que também confere um tom de azul porem é pouco empregado devido ao alto custo por ser

componente muito raro na natureza. A foto da Figura 38 mostra um frasco produzido com

vidro colorido ao cobre e outro ao neodímio.


Figura 38: À esquerda vidro azul ao Cobre e à direita ao Neodímio

Selênio dá uma cor rosada. O selênio é empregado em conjunto com o cobalto e o ferro para

produzir as cores cinza e bronze dos vidros planos.

Figura 39: Vidro ao Selênio

O óxido de manganês fornece uma cor “vinho” e é empregado em alguns vidros planos

impressos.

Os vidros planos “bronze” e “cinza” são obtidos com a mistura de três colorantes: ferro,

selênio e cobalto.

Figura 40: Exemplo de vidro plano cinza ou fumê colorido com ferro, selênio e cobalto.

Caco

Referindo-se a matérias-primas de vidro não se pode deixar de mencionar o caco, pois o vidro,

de fato é 100% reciclável e um quilo de caco introduzido no forno vai gerar um quilo de vidro

novo com as mesmas características e propriedades do vidro original com o qual se produziu o

caco.

O uso do caco trás uma série de vantagens aqui divididas em três grupos:


Ecológicas ou de meio ambiente

Quando se usa caco deixa de se usar matérias-primas minerais novas. Por mais cuidado que se

tenha na exploração desses bens minerais sempre há alguma agressão ao meio ambiente e a

sua redução é positiva.

O caco também exige menos energia para elaborar vidro do que as matérias-primas novas,

pois ele já é vidro pronto que só necessita ser aquecido para recuperar uma viscosidade que

permita a sua conformação enquanto as matérias-primas novas demandam energia para uma

série de reações químicas necessárias para transformá-las em vidro. Desta maneira quanto

mais caco houver na composição menos energia será necessário empregar no forno e

conseqüentemente menos gases de efeito estufa serão emitidos.

Quando se recicla o caco ele não está sendo descartando no meio ambiente e, portanto,

menos agressão também nesta área.

Estratégicas

Como o vidro pode ser produzido só com caco, sempre é bom ter estocado certa quantidade

deste material na fábrica, pois em caso de algum problema como demora na entrega de uma

matéria-prima, pane no sistema de preparação da composição, etc. se enforna caco enquanto

se busca a solução do problema sem afetar a produção.

Econômicas

Como o caco exige menos energia para ser elaborado pode-se produzir quantidades maiores

de vidro em um forno onde se emprega maior teor de caco.

Da mesma forma como se gasta menos energia na elaboração se reduz o custo global de

produção.

Por outro lado a utilização do caco pode trazer alguns problemas e a maioria deles se origina

em contaminações que eventualmente estejam presentes. Impurezas que entram no forno de

fusão junto com o caco como cerâmicas, metais, etc., podem tanto ocasionar defeitos nos

produtos como acelerar o desgaste do forno.

Da mesma forma a cor do caco pode ser um limitante no seu emprego, pois se estamos

produzindo vidro incolor não podemos usar nenhum caco colorido. A recíproca não é válida:

pode se usar vidro incolor para produzir vidro colorido, bastando acrescentar na composição

as quantidades de colorantes necessárias para colorir este vidro.

Figura 41: estoque estratégico de caco em uma vidraria


8 - Processo Produtivo Industrial

Agora que já conhecemos o vidro e do que ele é feito vamos ver como ele é feito.

A figura 42: mostra o processo completo de produção em uma fábrica de vidro plano float e a

Figura 43 de uma fábrica de embalagens.

Figura 42: Fluxograma de uma fábrica de vidro plano

Figura 43: Fluxograma de uma fábrica de vidro embalagem.

As matérias-primas chegam à vidraria já prontas para serem utilizadas. A massa de matérias-

primas empregadas supera a massa de vidro correspondente produzida, pois algumas delas

perdem gases durante o processo de elaboração. Para cada 1000 quilos de vidro produzido são

necessários, aproximadamente, 1200 quilos de matérias-primas.

Devido ao grande volume de utilização muitas vezes se privilegia transporte ferroviário e

marítimo, porém, no Brasil 100% do transporte de matérias-primas, com exceção das

importadas até chegarem a um porto brasileiro, é feita por via rodoviária.

8.1 - Usina de Composição

Chegando à vidraria as matérias-primas são encaminhadas para a “usina de composição” que

tem a função de armazenar, dosar e misturar os materiais.

Fazer vidro é semelhante a cozinhar. A usina de composição é semelhante à parte da cozinha

onde se guarda os mantimentos e se faz sua dosagem seguindo a receita do bolo.

A usina de composição é constituída de silos de armazenagem, pelo menos um para cada

material, balanças dosadoras e um misturador para misturar todos os materiais e

homogeneizar a composição, semelhante a uma batedeira, que será em seguida enfornada e

fundida para se tornar vidro.


Um esquema de usina de composição é apresentado na Figura 44. Por intermédio de

elevadores de canecas e esteiras as matérias primas são conduzidas aos seus respectivos silos.

Sob cada silo existe uma balança responsável por dosar cada material. Todos os materiais já

pesados são conduzidos a um misturador que em poucos minutos gera uma mistura

homogênea de todos eles.

O caco não entra no misturador, mas é igualmente dosado e acrescido à mistura na saída do

misturador. A composição assim pronta é conduzida ao forno de fusão.

Figura 44: Esquema de uma usina de composição.

A receita que estabelece a quantidade necessária de cada material para produzir o vidro que

precisamos é chamada de “cálculo de composição” e com essas informações se regulam as

balanças que vão preparar a mistura para garantir a obtenção de um vidro com a composição

química adequada.

8.2 - Forno de Fusão

Depois de pronta a composição é levada ao forno onde é fundida e transformada em vidro. Da

mesma forma que a massa do bolo se transforma em bolo dentro do forno.

O forno é constituído de uma grande piscina sempre cheia de vidro fundido. De uma

extremidade dessa “piscina” vai se tirando o vidro para produzir os artigos enquanto que da

outra se repõe a mesma quantidade de composição. O controle da quantidade enfornada se

dá por um sistema que mede o nível do banho com grande precisão. Quando a extração está

muito alta o nível tende a baixar e o medidor informa para a enfornadeira trabalhar mais

rápido. Se o nível está alto o mesmo informa para a enfornadeira reduzir seu ritmo.

Sobre a piscina existe um espaço onde se faz a combustão do combustível que pode ser óleo,

mas preferencialmente se usa gás. A chama desta combustão mantém a piscina aquecida e

líquida e fornece energia para fundir a composição que está entrando e que fica boiando sobre

o banho até vir a fazer parte dele.

A figura 45 mostra o corte longitudinal de um esquema de um forno de fusão.


Figura 45: esquema de corte longitudinal de um forno de fusão

Os fornos de fusão empregados em vidro plano são regenerativos, isto é, aproveitam o calor

da fumaça antes de descartá-la para aquecer o ar que em conjunto com o gás fará a

combustão.

A Figura 46 mostra um corte transversal do forno mostrando as câmaras de regeneração e o

sistema de funcionamento.

Existe um ventilador que capta o ar do ambiente e o injeta no forno, antes porém passando

por uma câmara de regeneração de calor. Na entrada do forno é misturado com o combustível

e gera a chama. No primeiro esquema da Figura 46 mostra o ar entrando pelo lado esquerdo

do forno e a fumaça saindo pelo direito. A fumaça quente passa pelo regenerador do lado

direito e o aquece (ao mesmo tempo em que ela se esfria) indo em seguida para o filtro e a

chaminé.

Depois de 20 minutos nesta situação se corta o combustível e se apaga a chama. A válvula de

inversão muda de posição e o ar captado pelo ventilador passa a entrar pelo lado direito. A

câmara de regeneração do lado direito esta bem aquecida, pois recebeu fumaça quente por

vinte minutos, e então o ar se aquece antes de entrar no forno recuperando parte da energia

que seria perdida pela fumaça.

Em seguida se abre o combustível do lado direito, a combustão reinicia e a fumaça quente

passa a aquecer a câmara esquerda que agora esta fria, pois recebeu ar da atmosfera pelos

últimos vinte minutos.

A cada vinte minutos este processo se repete.


Figura 46: Sistema de regeneração dos fornos de fusão

A foto da figura 47 mostra o interior do forno de combustão. No momento esta queimando do

lado esquerdo e a fumaça saindo pelo lado oposto. A superfície do banho é espelhada e

podemos notar as imagens refletidas na mesma.


Figura 47: Vista do interior de um forno de fusão.

8.2.1 - Refratários

Todo o interior do forno é revestido de material refratário que é feito especialmente para

fornos de vidro devendo resistir ao calor e não contaminar o vidro. Os fornos trabalham

ininterruptamente por diversos anos e os refratários devem permanecer íntegros durante todo

esse período. Depois de determinado período de funcionamento, que pode ser até superior a

15 anos, o forno é apagado para ser reformado se procedendo a troca dos refratários.

O período de funcionamento entre duas reformas ou entre a construção e a primeira reforma

é denominado de “campanha”.

Os refratários são feitos sob medida e as fotos da figura 48 mostram a pré-montagem de

partes do forno, feita ainda no fabricante, para se certificar que na montagem vão se encaixar

perfeitamente.

Figura 48: Pré-montagem de peças refratárias de um forno. Fonte: SEFPRO

A figura 49 mostra esquema dos refratários de um forno de vidro plano. No mesmo se

observam os regeneradores dispostos de ambos os lados. As diferentes cores representam

diferentes qualidades de refratários que se empregam.


Um forno desses comporta em torno de 20 000 toneladas de refratários a um custo da ordem

de sessenta milhões de euros podendo trabalhar mais de 15 anos até ser necessária sua

parada para reparação.

Figura 49: Desenho representando um forno de fusão de vidro plano. Fonte: SEFPRO

A figura 50 mostra esquema dos refratários de um forno de vidro embalagem. No mesmo se

observam os regeneradores, sempre em número de dois, dispostos na parte anterior do forno.

Figura 50: Desenho representando um forno de fusão de vidro embalagem. Fonte: SEFPRO


8.3 - Processo de Conformação

Após o vidro ter sido elaborado no forno de fusão ele será conformado nos diversos produtos.

A conformação inicia quando o vidro ainda esta viscoso e pode fluir. Ao mesmo tempo em que

ele vai sendo conformado ele se esfria e a viscosidade vai aumentando. O processo de

conformação então deve terminar no exato momento em que o vidro fica rígido para manter

então a forma do produto final.

Caso a conformação seja muito lenta e não termine antes do enrijecimento não se chega ao

produto desejado. Da mesma forma se ele for muito rápido e terminar com o vidro ainda

fluido ele, pelo próprio peso, vai escoar e perder a forma necessária.

Existem vários processos de conformação empregados de acordo com o produto almejado. O

vidro plano no passado era estirado e agora é flotado como pode se observado na figura 14.

Os produtos de cozinha normalmente são prensados em um molde que confere a forma final

ao mesmo tempo em que resfria o vidro. A figura 51 a seguir mostra o esquema da prensagem

de uma gota de vidro a fim de produzir uma saladeira.

Figura 51: Prensagem de uma saladeira

Fibras de vidro empregadas no reforço de plásticos são estiradas, ou seja, são esticadas até

chegarem na espessura necessária que é de alguns milésimos de milímetro. A figura 52 mostra

a estiragem de fibras de reforço, alguns produtos e algumas aplicações.

Figura 52: Processo de estiragem de fibras de reforço, alguns produtos e um exemplo de

aplicação de fibra de vidro reforçando plástico.


A figura 53 mostra o processo de fibragem da lã de vidro e um exemplo de aplicação deste

material, excelente isolante termo acústico. É o mesmo princípio da produção do algodão

doce.

Figura 53: processo de fibragem de lã de vidro e um exemplo de aplicação como isolante

termo-acústico na construção civil.

As garrafas são sopradas dentro de um molde. No Processo primeiramente se faz um pré-

garrafa e num segundo sopro se conclui a forma final. O processo é feito em duas fases, pois

na primeira deve-se formar a boca e no segundo o corpo da embalagem. A figura 54 a seguir

representa as etapas da conformação de uma embalagem.

Figura 54: Processo de conformação de embalagem


8.3.1- Processo Float

Na saída do forno o vidro escorre sobre um banho de estanho fundido onde se esfria até

enrijecer saindo deste já na forma final.

A Figura 55 mostra um esquema da conformação da chapa de vidro, onde se observa o vidro

escorrendo sobre o banho de estanho fundido a 1050oC, se esfriando e enrijecendo sobre o

mesmo e saindo a 600oC quando já se comporta como um sólido não sendo mais marcado por

contato. Esta parte do processo é denominada “float”. O fato da chapa se enrijecer apenas em

contato com a superfície do líquido garante que ela tenha suas superfícies perfeitamente lisas

e paralelas garantindo uma excelente qualidade ótica.

A região do banho de estanho é hermeticamente fechada e se injeta nitrogênio em seu interior

para evitar contato do estanho com oxigênio que o oxida e gera defeitos no vidro.

Figura 55: Esquema do processo de conformação da chapa de vidro sobre o banho de estanho

Na saída do banho de estanho o vidro já está rígido e é conduzido sobre uma seqüência de

rolos acionados por um motor que controlam a velocidade de saída da fita.

A figura 56 mostra estes rolos. Eles conduzem a fita de vidro desde a saída do banho de

estanho, passando pelo forno de recozimento até o ponto de corte e estocagem das chapas.

Figura 56: Rolos de transporte da fita de vidro após a saída do mesmo do banho de estanho

A espessura da fita de vidro é dada pela velocidade dos rolos, quanto mais rápido eles

puxarem o vidro mais este vai se afinar e vice versa.

Quando se puxa o vidro ele tende a se afinar, mas também tende a estreitar e por esta razão

dentro do float há uma serie de rodas metálicas dentadas chamadas de “moletes” que

seguram o vidro impedindo a fita de se estreitar.


Na foto da figura 57 mostra o interior do float, a região do banho de estanho. A lâmina de

vidro ainda em processo de enrijecimento é conduzida por moletes, que evitam seu

estreitamento.

Figura 57: Vista do interior do float


8.3.2 - Princípio de funcionamento do float

Sempre que vertemos um líquido sobre uma superfície sólida este líquido vai se esparramar

até que forma uma camada estável com determinada espessura. Esta espessura depende de

algumas propriedades tanto do sólido como do líquido. A força da gravidade tende a

“espalhar” ao máximo o líquido. Por outro lado a tensão superficial tende a ter o mínimo de

superfície no líquido formando uma esfera. Do equilíbrio entre estas duas forças vai se gerar

uma espessura de equilíbrio deste líquido derramado. No caso de vidro fundido sobre estanho

esta espessura é de 6 mm como representado na Figura 58

Figura 58: Espessura de equilíbrio do vidro sobre estanho fundido

A figura 59 mostra a fita de vidro se formando sobre o banho de estanho e produzindo chapa

de 6mm de espessura.

Figura 59: vista superior da formação da chapa de vidro de 6mm sobre o banho de estanho

Ou seja, se produzíssemos sempre só chapas de 6 mm de espessura bastaria escorrer o vidro

sobre o estanho e puxá-lo para fora. Como isso não é o caso, quando queremos fazer vidro

mais fino temos que aumentar a velocidade de extração do vidro que vai esticar e afinar. Só

que alem de afinar a espessura ele também vai afinar na largura, como um chiclete.

A figura 60 demonstra este efeito.

Figura 60: Efeito de estricção quando se traciona uma lâmina (“efeito chiclete”).


Para evitar que ele afine na largura dentro do float, que é a região onde há o banho de

estanho, se utilizam as moletes que seguram o vidro e não o deixam diminuir na largura

enquanto que a espessura adequada é obtida ajustando-se a velocidade de extração. A

velocidade de extração é regulada pelos rolos que conduzem o vidro na saída do float.

A figura 61 mostra a posição das moletes quando se produz vidro mais fino que 6mm.

Figura 61: Esquema de posicionamento das moletes na produção de vidro fino

A figura 62 mostra a posição das moletes quando se produz vidro mais grosso que 6mm. Neste

caso a velocidade de extração é diminuída e o vidro tende a escoar sobre os banhos em

direção às laterais, mas é impedido pelas moletes. Para vidros muito grossos esse fenômeno se

agrava e moletes adicionais devem ser introduzidas.

Figura 63: Posicionamento das moletes na produção do vidro grosso.

Enquanto que a espessura da fita é regulada com a velocidade dos rolos de extração da mesma

e o número e posicionamento das moletes, a quantidade de vidro produzida, em toneladas, é


regulada por um registro na saída do forno chamado de “front tweel” representado na Figura

64. O front tweel é levantado ou abaixado de acordo com a extração e espessura necessárias.

Figura 64: Esquema do float mostrando o front tweel que é o registro que regula a tonelagem

produzida.

O perfil térmico adequado para a conformação da chapa é obtido por uma série de resistências

elétricas existentes sobre o banho de estanho. Na foto da Figura 57 é possível se ver estas

resistências.


8.4 - Recozimento

Durante a conformação, como conseqüência do fato de que a massa de vidro não se esfria por

igual, são geradas muitas tensões. Devido a isso o vidro deve ser recozido, ou seja, levado até a

temperatura de recozimento para alívio de tensões e em seguida esfriado lentamente, todo

por igual. Isto é feito no forno de recozimento que aproveita a própria energia térmica que os

produtos trazem do forno.

O forno de recozimento é um túnel cuja entrada fica logo na saída da conformação do produto

e tem um perfil de temperatura adequado para o tratamento térmico. O vidro é conduzido

dentro dele por um conjunto de rolos, no caso do vidro plano, ou por uma esteira metálica nos

demais.

Após o forno de recozimento o vidro tem a sua qualidade verificada e é cortado e empilhado

para ser expedido, no caso de vidro plano, ou embalado em palets no caso de vidros de

embalagem,

A Figura 65 mostra um forno de recozimento de uma linha de produção de vidro plano e a

Figura 66 um forno de recozimento de embalagens.

Figura 65: Forno de recozimento de vidro plano.

Figura 66: Forno de recozimento de embalagens.


9 - Transformação do Vidro

O vidro plano, diferentemente da maioria dos produtos de vidro, depois de pronto pode ser

utilizado diretamente ou sofrer diversas transformações que lhe agregam valor ou mesmo o

transformam em um novo produto.

Um exemplo típico são os espelhos. Na verdade o que reflete a imagem não é o vidro, mas

uma fina camada de prata que é aplicada em sua superfície. O vidro só tem a função de

suportar a prata e por ser uma superfície perfeitamente lisa não distorce as imagens. A prata

também se oxida em contato com o ar e como o vidro é totalmente impermeável, a protege.

Para se fazer um espelho, do lado oposto ao vidro várias camadas são adicionadas após a

aplicação da prata tanto para protegê-la como para impedir que alguma luz atravesse o vidro e

atrapalhe a observação da imagem refletida.

A têmpera aplicada ao vidro é uma forma de aumentar de 3 a 5 vezes a sua resistência

mecânica. O principio da têmpera se baseia no fato de que quando o vidro esfria mais

rapidamente (mais desordenado) tende a ocupar maior espaço do que vidro esfriado

lentamente (mais ordenado).

Para se temperar uma chapa de vidro ela é aquecida até que quase comece a escoar. Em

seguida se esfria com jatos de ar direcionado por toda a sua superfície. Desta forma o vidro

que esta na camada externa, como se fosse a sua pele, esfria rapidamente com o jato de ar.

Porem o vidro do centro, que esta protegido pela pele, se esfria lentamente (o vidro é um mau

condutor de calor).

No final do processo o vidro da pele ocupa um volume maior, como se ele quisesse crescer,

mas fica impedido pelo núcleo que ocupa um volume menor e quer se encolher. Isso tudo gera

uma tensão de compressão na superfície que impede, ou ao menos dificulta, qualquer defeito

superficial de se tornar uma trinca que quebraria o vidro.

Entretanto se por alguma razão alguma trinca penetrar no vidro e atingir a zona em tração no

núcleo, o vidro se quebra em muitos pedaços. Esta é uma vantagem do vidro temperado,

chamado muitas vezes de “vidro de segurança”, pois por não se quebrar em pedaços grandes

tem menos chance de ferir pessoas e normalmente os ferimentos são menos importantes.

O esquema da Figura 67 mostra a quebra em três tipos de vidro: o primeiro é um recozido, que

é o vidro como sai do processo float, o segundo é um vidro laminado constituído por duas

lâminas de vidro recozido com uma camada interna de um plástico especial chamado de

polivinilbutiral ou PVB que adere ao vidro, não interferindo em sua transparência, e segurando

firmemente os cacos em caso de quebra evitando assim riscos de cortes nas pessoas que

estiverem próximas. O terceiro é um vidro temperado que se quebra (com mais dificuldade)

em muitos pedaços pequenos e com os bordos arredondados.


Figura 67: Quebra de vidro recozido; laminado e temperado.

Os para brisas de todos os veículos são fabricados em vidro laminado por questões de

segurança. Em caso de quebra o vão não fica vazado e se pode prosseguir a viagem, além de

gerar menos riscos ao condutor e passageiros. O vidro temperado q

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Introdução ao Vidro Plano e sua Produção - USP · A Figura 1 mostra peças encontradas em sítios arqueológicos, produzidas com obsidianas e utilizadas como armas e ferramentas