ES2209224T3 - Composicion de vidrio gris neutro de baja transmision de luz. - Google Patents
Composicion de vidrio gris neutro de baja transmision de luz.Info
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Abstract
Un vidrio sílico-sódico-cálcico de color gris neutro que tiene una baja transmisión de luz (menor a 20 %), que reduce la transmisión de energía solar, tal como la transmisión de radiación infrarroja cercana (menor a 14 %), y en un mayor grado la transmisión de radiación ultravioleta (menor a 12 %), que comprende los siguientes componentes en porcentaje en peso: Fe2 O3 de 1.20 a 2.0 %, FeO de 18 a 28 % (porcentaje de reducción), Co3 O4 de 0.020 a 0.030 %, selenio de 0.0025 a 0.010 %, CuO de 0.0050 a 0.050 %. Este vidrio evita el uso de los compuestos colorantes tales como el níquel, cromo y manganeso.
Description
Composición de vidrio gris neutro de baja
transmisión de luz.
Esta invención se relaciona con una composición y
con un procedimiento para la producción comercial de un vidrio de
privacidad, de color gris neutro, que tiene una baja transmisión de
luz (menos del 20%) y una baja transmisión de energía solar
incluyendo una baja transmisión de radiación infrarroja (menos del
14%) y especialmente una baja transmisión de luz ultravioleta
(menos del 12%), de utilidad en la industria de la construcción y
principalmente en la industria del automóvil.
Se han desarrollado varias patentes para la
producción de vidrio gris, para fines de "privacidad", que
tiene una baja transmisión de luz y una baja transmisión de
radiación infrarroja y de radiación ultravioleta.
Los vidrios descritos en la casi totalidad de las
patentes anteriores referentes a un tipo de vidrio gris neutro para
fines de privacidad, están basados en tres componentes básicos:
óxido de hierro, óxido de cobalto y selenio, en diferentes
proporciones, y que, junto con la formulación típica de un vidrio de
sosa-cal-sílice, constituyen la
composición básica del vidrio.
Este es el caso de los vidrios de la Patente US
No. 4.873.206 de James Jones, concedida el 10 de octubre de 1989,
la Patente US No. 5.393.593 de Gulotta et al., concedida el 28 de
febrero de 1995, y la Patente US No. 5.278.108 de Cheng et al,
concedida el 11 de enero de 1994, en donde dichos componentes se
utilizan sin un componente adicional.
Algunos otros vidrios descritos en otras
patentes, tales como aquellas mencionadas en los siguientes
párrafos, utilizan, además de los tres componentes mencionados,
diferentes elementos metálicos que confieren las características al
producto final y que permiten su clasificación como vidrios de
privacidad, con el fin de poderlos utilizar en las industrias de la
construcción y del automóvil.
La Patente US No. 5.308.805 de Baker et al.,
concedida el 4 de mayo de 1994, describe un vidrio gris neutro que
tiene una baja transmisión, en donde uno de los componentes
reivindicados es el óxido de níquel en proporciones de 100 a 500
ppm.
En el pasado, los vidrios grises
termo-absorbentes que contienen níquel en la
estructura solían presentar inclusiones de níquel en forma de
sulfuro las cuales se formaban, durante la fusión del vidrio, para
aparecer como pequeñas partículas invisibles que eran imposibles de
distinguir al examinar un vidrio ya formado. El problema que surgió
con estas inclusiones de sulfuro de níquel residía en su alto
coeficiente de expansión térmica que puede causar tensiones
térmicas suficientes como para romper una placa de vidrio. Se trata
este de un problema singular cuando las piezas de vidrio se someten
a un tratamiento térmico tal como el temple, en donde la presencia
del sulfuro de níquel causa un excesivo porcentaje de piezas rotas
durante el proceso de temple o como una consecuencia de este
último.
Otro inconveniente de los vidrios que contienen
níquel es el cambio de color que los mismos experimentan después
del proceso térmico, tal como, por ejemplo, después del temple.
La Patente US No. 5.023.210 de Krumwide et al.,
concedida el 11 de junio de 1991, describe una composición de
vidrio gris neutro de baja transmisión que no incluye níquel. Con
el fin de conseguir características similares a las de un vidrio
gris neutro, Krumwide utiliza óxido de cromo en cantidades de 220 a
500 ppm, como Cr_{2}O_{3}, en su composición, el cual, en estas
proporciones, produce un tono gris, y ajusta los niveles de selenio
y óxido de cobalto con el fin de transformarlo en un tono neutro.
Sin embargo, en referencias anteriores se indica la conveniencia de
evitar el uso de estos compuestos debido a los problemas surgidos
por la dificultad de fundir los compuestos de cromo (Patente US No.
4.837.206) y debido además a las dificultades que surgen a la hora
de desechar los materiales sólidos que contienen tales compuestos.
Igualmente, en la Patente US No. 5.308.805 se menciona la
inconveniencia de utilizar óxido de cromo como agente colorante,
puesto que este requiere el uso de otras operaciones e
instalaciones, además de las ya convencionales, en los hornos de
fusión con el fin de lograr las condiciones necesarias para
producir los vidrios deseados.
La Patente US No. 5.346.867 de Jones et al.,
concedida el 13 de septiembre de 1994, describe una composición de
vidrio termo-absorbente que tiene un color gris
neutro y que utiliza, durante el proceso de producción, manganeso y
óxido de titanio con el fin de aumentar la retención del selenio
(un componente de alto coste). No obstante, por referencias
anteriores (Patente US No. 4.873.206), se sabía que el uso del
manganeso presenta la tendencia a formar una coloración marrón
amarillenta cuando se expone a la radiación ultravioleta, por
ejemplo, a la radiación solar recibida, haciendo ello difícil el
poder mantener la uniformidad del producto, y que el uso del titanio
causa una coloración amarillenta cuando el vidrio entra en contacto
con el estaño líquido del proceso de flotación. Estos dos aspectos
son indeseables durante la producción del vidrio debido a que el
control del color se convierte en una operación crítica para poder
obtener el tono deseado durante la fabricación. Jones et al
mencionan, en su Patente '867, que el proceso de solarización es un
fenómeno asociado con el cambio de Fe^{3+} a Fe^{2+} lo cual
causa un cambio indeseable en el color, mencionando dichos autores
que esto no sucede en el vidrio descrito por ellos, incorporando
además óxido de titanio en el vidrio con el fin de obtener el
intervalo deseado de longitud de onda dominante, así como para
reducir la transmisión de radiación ultravioleta.
Por otro lado, los expertos en la materia conocen
muy bien que la adición de uno o más colorantes o la sustitución de
uno o más colorantes por otro u otros colorantes, o el cambio de la
cantidad proporcional relativa en la composición del vidrio, no
solo afecta al color del producto tal como, por ejemplo, la longitud
de onda dominante del color o la pureza de excitación, sino también
a la transmisión luminosa, a la absorción de calor y a otras
propiedades tal como la transmisión de radiación ultravioleta e
infrarroja.
Desde tiempos antiguos el cobre ha jugado un
papel importante en la producción de vidrio, productos cerámicos y
pigmentos, todos ellos provistos de color. Por ejemplo, se ha
reconocido que la coloración de la cerámica persa se debe a la
tonalidad conferida por el cobre. De especial interés para los
ceramistas es el azul turquesa y especialmente el azul oscuro
egipcio y persa (Woldemar A. Weil; Colored Glasses, Society of Glass
Technology, Great Britain, p. 154-167, 1976).
El cobre se ha utilizado en las composiciones de
vidrio, no solo en aquellas del tipo de
sosa-cal-sílice, sino también en
otras tales como aquellas que contienen, por ejemplo, borosilicato.
Por tanto, el color desarrollado depende de la base del vidrio, de
su concentración y de su estado de oxidación.
En el caso del vidrio mencionado como base, el
cobre en forma del óxido imparte una coloración azul de un tono
grisáceo, especialmente turquesa; sin embargo, en el vidrio, el
cobre puede estar en su estado monovalente, el cual no imparte
color. De este modo, la coloración azul grisácea depende no solo de
la cantidad de cobre presente, sino del equilibrio iónico entre los
estados cuproso y cúprico. La absorción máxima del óxido de cobre
se encuentra en una banda centrada en 780 \etam y un pico máximo
secundario débil está presente en 450 \etam, el cual desaparece
con un alto contenido en sosa (alrededor del 40% en peso) (C. R.
Bamford, Colour Generation and Control in Glass, Glass Science and
Technology, Elsevier Scientific Publishing Company, p.
48-50, Amsterdam, 1977).
En la producción de vidrio de color rojo carmín,
una mezcla que contiene óxido de cobre junto con cualquier agente
reductor (normalmente se emplea SnO) se funde bajo condiciones
reductoras. La mezcla inicial muestra el color azul característico
del cobre II, pero tan pronto como comienza la fusión, el color
cambia a un color amarillo paja pálido, lo cual tiene lugar durante
esta etapa. Debido a un tratamiento térmico a una temperatura entre
el punto de recocido y el punto de reblandecimiento, se desarrolla
el color rojo carmín. Si, durante la fusión, la reducción se lleva
a cabo más allá de una fase crítica, el color cambia a marrón y
aparece como opaco o "borroso". Por otro lado, si el cobre se
encuentra reducido de manera insuficiente, se mantienen algunas
trazas de color azul y no se desarrolla el color rojo carmín (Amal
Paul, Chemistry of Glasses, Chapman and may, p.
264-270, London, 1982).
La Patente No. 2.922.720 de Parks et al.,
concedida el 20 de junio de 1957, describe el uso de cobre en
vidrio como: "... El cobre se ha empleado como agente colorante
para vidrio tras el desarrollo de un color rojo carmín, pero con el
fin de obtener el color en un horno de fusión abierto, ha sido
necesario utilizar cianógeno como agente reductor...", indicando
además el efecto del cobre en la coloración del vidrio como
consecuencia de la suspensión coloidal de partículas de cobre
metálico en el vidrio y, por analogía, se cree que un tamaño de
partícula produce el color rojo carmín, dependiendo la intensidad
del color de la concentración de cobre. Para los tamaños de
partícula más pequeños, el efecto del color es nulo.
El vidrio de la presente invención evita el uso
de algunos metales que en la patente antes indicada se mencionan
como muy importantes, como son el níquel, el cromo y el
manganeso.
En el vidrio de la presente invención, se emplea
el óxido de cobre (CuO) además de óxido de hierro, óxido de cobalto
y selenio, como una alternativa a la obtención de una tonalidad
gris ligeramente verdosa en la región de color neutro frecuentemente
usado en la industria del automóvil y de la construcción,
proporcionando además una reducción en la transmisión de radiación
ultravioleta y una reducción en la región inicial del infrarrojo
para las bandas de absorción alrededor de los 800 nanómetros, lo
cual ayuda a reducir la transmisión de la radiación infrarroja
solar.
De esta manera, en la presente invención, se
consigue un vidrio gris neutro que tiene una transmisión luminosa
menor de 20% y preferentemente entre 15 y 18% para un espesor de
vidrio comprendido entre 3,9 y 4,1 mm, y una reducción en la
transmisión de energía solar que se expresa como una transmisión de
radiación infrarroja menor del 14% y una transmisión de radiación
ultravioleta menor del 12%.
Por tanto, un objetivo principal de la presente
invención consiste en proporcionar una composición de vidrio gris
neutro utilizando cobre en forma de un óxido, como alternativa a la
obtención del color gris verdoso típico de los vidrios de
privacidad utilizados en la industria de la construcción y,
preferentemente, en la industria del automóvil.
Igualmente, un objetivo principal de la presente
invención consiste en proporcionar una composición de vidrio gris
neutro, basada en una composición de vidrio típica de
sosa-cal-sílice que incluye los
compuestos de óxido de cobalto, óxido de hierro y selenio, así como
óxido de cobre, por medio de lo cual se evita el uso de níquel,
cromo y manganeso.
Otro objetivo principal de la presente invención
consiste en proporcionar una composición de vidrio gris neutro, de
la naturaleza antes indicada, mediante el uso de cobre en forma de
óxido, que muestra una absorción en la región inicial del
infrarrojo, principalmente en la región ultravioleta, debido a su
combinación con el óxido de hierro, óxido de cobalto y selenio, con
el fin de sustituir el níquel, el cromo y el manganeso en las
formulaciones ya existentes, puesto que estos elementos químicos
muestran, bajo ciertas circunstancias, características indeseables
en el producto o en el procedimiento.
Un objetivo principal más de la presente
invención consiste en proporcionar un vidrio gris neutro que tiene
una transmisión luminosa menor del 20% y preferentemente entre 15 y
18% para un espesor del vidrio comprendido entre 3,9 y 4,1 mm, y una
reducción en la transmisión de energía solar, que se muestra como
una transmisión de radiación infrarroja, menor del 14%, y una
transmisión de radiación ultravioleta menor del 12%.
Además, un objetivo principal de la presente
invención consiste en proporcionar un vidrio gris neutro que tiene
una longitud de onda dominante de 480 a 575 \etam,
preferentemente de 500 a 570 \etam, y una pureza de excitación de
color menor del 10%, preferentemente menor del 8%.
Estos y otros objetivos y ventajas del vidrio de
privacidad de color gris neutro de la presente invención serán
evidentes para los expertos en la materia a partir de la siguiente
descripción detallada de la misma.
La composición típica de un vidrio de
sosa-cal-sílice utilizado en la
industria de la construcción y del automóvil y formado por el
llamado proceso de flotación de vidrio, se caracteriza por la
siguiente formulación basada en el porcentaje en peso con respecto
al peso total del vidrio:
| Componentes | % en peso |
| SiO_{2} | 68 a 75 |
| Al_{2}O_{3} | 0 a 5 |
| CaO | 5 a 15 |
| MgO | 0 a 10 |
| Na_{2}O | 10 a 18 |
| K_{2}O | 0 a 5 |
La composición del vidrio gris neutro de la
presente invención está basada en la composición antes descrita a
la cual se han añadido los siguientes compuestos colorantes:
| Componentes | % en peso |
| Fe_{2}O_{3} | 1,200 a 2,000 |
| Co_{3}O_{4} | 0,020 a 0,030 |
| CuO | 0,005 a 0,050 |
| Se | 0,0025 a 0,010 |
| % de reducción | 18,0 a 28,0 |
En la industria del vidrio es usual hacer
referencia al contenido total en hierro de la composición de vidrio
o en la mezcla de fusión de vidrio, como el hierro total expresado
como Fe_{2}O_{3}.
Cuando se funde un lote de vidrio, parte de esa
cantidad de hierro total se reduce a FeO, mientras que el resto se
mantiene como Fe_{2}O_{3}. El equilibrio entre los estados de
oxidación férrico y ferroso en la mezcla fundida es el resultado de
un equilibrio del estado de oxidación-reducción
final, el cual consiste en una mezcla entre el uso de agentes
oxidantes o reductores en la mezcla de alimentación y las
características de combustión, por ejemplo, la relación
aire-gas empleada en el horno, con el fin de fundir
la mezcla. La reducción del Fe_{2}O_{3} no solo produce FeO,
sino también oxígeno, disminuyendo el peso combinado de los dos
compuestos de hierro en el vidrio resultante.
En consecuencia, el peso combinado de FeO y
Fe_{2}O_{3} contenidos en la composición de vidrio resultante,
será menor, inferior al alimentado durante la mezcla o inferior al
total del hierro inicial usado, expresado como Fe_{2}O_{3}. Por
este motivo, ha de entenderse que el hierro total es el hierro
expresado en forma de Fe_{2}O_{3}, y como se utiliza en la
descripción de esta invención, quiere representar la cantidad de
hierro alimentado en la mezcla antes de su reducción. Igualmente,
ha de entenderse que el valor de reducción del estado ferroso se
define como el peso del óxido ferroso (FeO) expresado como
Fe_{2}O_{3} en el producto de vidrio, dividido por el
porcentaje en peso de hierro total expresado como Fe_{2}O_{3}.
En la industria del vidrio, dicha cantidad se expresa normalmente en
forma de un porcentaje de reducción.
Las propiedades físicas, tal como la transmisión
de luz, corresponden a variables calculadas y basadas en normas
aceptadas internacionalmente. De este modo, la transmisión de luz
se evalúa empleando el iluminante "A" y el Observador estándar
de 2º, conocido también como de 1931 [C.I.E. Publication, 15.2,
ASTM E-308 (1990)]. El intervalo de longitud de
onda utilizado para estos fines es de 380 a 780 \etam, integrando
valores en forma numérica con intervalos de 10 \etam. La
transmisión de energía solar representa el calor que consigue el
vidrio de forma directa, evaluándola en el rango de 300 hasta 2.150
\etam con intervalos de 50 \etam, en donde la forma numérica de
cálculo utiliza, como valores estándar reconocidos, aquellos
indicados por Parry Moon en "Proposed Standard Solar Radiation
Curves for Engineer Use", Franklin Institute, Vol. 230, p. 604,
tabla II, 1940.
El cálculo de la transmisión de radiación
ultravioleta (UV) implica únicamente la participación de la
radiación UV solar, con lo que es evaluada en el intervalo de 300 a
400 \etam de longitud de onda empleando intervalos de
\hbox{10 \eta m.} Para la transmisión de radiación
infrarroja (IR), solo se contempla, además de la radiación UV, el
intervalo en donde el espectro solar tiene influencia, de manera que
se emplea el intervalo de la región inicial del infrarrojo de 800 a
\hbox{2.150 \eta m}, con intervalos de 50 \etam.
Ambos cálculos utilizan los valores de radiación solar de Parry Moon
antes indicados.
La cantidad de calor solar que se transmite a
través del vidrio se puede calcular también por medio de la
contribución de la energía térmica con la cual participa cada una
de las regiones en las cuales el espectro solar tiene influencia,
dispuestas desde la región ultravioleta (280 \etam) hasta la
región inicial del infrarrojo (2.150 \etam), y que es de 3% para
UV, 44% para la radiación visible y de alrededor del 53% para IR;
sin embargo, los valores de la transmisión directa de energía
solar, en la presente invención, se calculan en base a una
integración numérica teniendo en cuenta todo el intervalo del
espectro solar que va desde 300 a 2.150 \etam, con intervalos de
50 \etam, y utilizando los valores de radiación solar indicados
por P. Moon.
Las especificaciones para la determinación del
color, tales como la longitud de onda dominante y la pureza de
excitación, han sido derivadas a partir de los valores
tricromáticos (X, Y, Z) que han sido adoptados por la International
Commission of Illumination (C.I.E.), como un resultado directo de
experimentos en donde están implicados muchos observadores. Estas
especificaciones podrían ser determinadas mediante el cálculo de
los coeficientes tricromáticos x, y, z de los valores tricromáticos
que corresponden a los colores rojo, verde y azul, respectivamente.
Los valores tricromáticos son trazados gráficamente en el diagrama
cromático y comparados con las coordenadas del iluminante "C"
considerado como referencia de iluminación. La comparación
proporciona la información pertinente para determinar la excitación
de la pureza del color y su longitud de onda dominante. La longitud
de onda dominante define la longitud de onda del color y su valor
se sitúa en el intervalo visible de 380 a 780 \etam, mientras que
para la pureza de excitación, cuanto menor sea el valor más tenderá
a aproximarse a un color neutro. Un conocimiento más profundo de
estos tópicos puede encontrarse en el "Handbook of Colorimetry"
publicado por el "Massachussets Institute of Technology" de
Arthur C. Ardí, editado en 1936.
Claims (1)
1. Vidrio de
sosa-cal-sílice de color gris
neutro, caracterizado porque contiene compuestos colorantes,
en los porcentajes en peso indicados, consistentes en:
teniendo el vidrio una transmisión de luz menor
del 20%, una transmisión de infrarrojo próximo menor del 14%, una
transmisión de radiación ultravioleta menor del 12%, y una longitud
de onda dominante de 480 a 575 \etam y una pureza de excitación de
color menor del 10%.
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