botellas de vidrio de diferentes colores

El número Batch Redox y su impacto en la fabricación de vidrio coloreado

Introducción al número redox por lotes

El número redox por lotes es una herramienta utilizada por los fabricantes de vidrio como una indicación de las propiedades del vidrio final formado, así como en el propio derretido. El vidrio se compone principalmente de sílice, generalmente derivada de la arena, junto con carbonato de sodio y óxido de calcio, así como toda una serie de otros aditivos dependiendo del vidrio deseado. Redox en este caso se refiere al equilibrio de efectos oxidativos y reductivos otorgados al vidrio por los componentes añadidos, y un número se puede lograr en base a estos componentes. El número de redox de lote es calculado por los fabricantes de vidrio para cada lote producido, y el resultado del cálculo es útil para predecir resultados como el color. El número redox del lote, por lo tanto, es una medida empírica del estado de reducción de oxidación de cada lote.

proceso de fabricación de vidrio
botellas en la línea de producción

Cálculo del número redox por lotes

Los números de redox por lotes se calculan sobre la base de un proceso de fabricación de vidrio utilizando 2mt de arena. Los efectos contributivos de los aditivos de vidrio comunes son bien conocidos(1), por lo que es simplemente un caso de tomar estos números, multiplicarse por la masa y sumar los valores juntos. La arena no contribuye al cálculo de redox. Un ejemplo de receta simple de vidrio de sílex es el siguiente:

Un lote de vidrio de sílex requerirá los siguientes componentes:

Arena 2.000 kg
Escoria* 100 kg
Sal (NaSO4) 20 kg

Por lo tanto, se puede calcular el número redox:
Escoria 100 kg x -0,092 á -9,20
Sal 20 kg x 0,670 x 13,40
-9.20 + 13.40 a 4.20

* En este ejemplo, la escoria proporciona tanto óxido de calcio como carbonato sódico

Un vidrio fundido en este caso tendrá un número de redox por lotes de 4.20. Para una fusión más compleja, el cálculo será más largo, teniendo en cuenta todos los aditivos.

¿Cómo se puede modular el número redox de lote?

El color en las gafas se basa en las interacciones de los aditivos y los saldos de redox. Los aditivos de vidrio típicos son compuestos metálicos de transición que, en diferentes estados de oxidación, tienen diferentes valencias. El ion específico responsable de un color se conoce como cromóforo. Las valencias de los compuestos dependen de la cantidad de oxígeno en la fusión, el equilibrio general de aditivos, el estado redox y la temperatura(2).

El cromóforo más importante en la fabricación de vidrio es el cromóforo ámbar, que se produce por la interacción de los iones de hierro y azufre. Los sulfatos se añaden a la mayoría de los vasos, eliminando burbujas y semillas en la fusión para un producto final superior, generalmente añadido en forma de sulfato de sodio. En el vidrio, el sulfato se puede reducir a sulfuro, esto sucede en números bajos de redox por lotes. El cromóforo ámbar se forma en presencia de iones Fe3+ y S2- (sulfuro) y tiene una coloración intensamente marrón(3).

Sencillamente, el número de redox por lotes se puede cambiar mediante la adición de componentes oxidantes o reductores. La adición de especies reductoras hará que el número de redox del lote disminuya, mientras que la adición de una especie oxidante hará que el número de redox del lote aumente. La medición del número de redox del lote observado es indirecta : el fabricante de vidrio establecerá la relación entre hierro reducido (Fe2+)y hierro total en el caso de un producto de vidrio terminado, a través de medios ópticos(4). Una relación más alta de Fe2+ a general indica unas gafas más reducidas. La relación de hierro se utiliza ya que el hierro está presente en prácticamente todos los vasos. En el caso de una fusión, se mide la presión parcial del gas de oxígeno, con valores más altos indicativos de un vidrio más oxidado(5).

botellas de vidrio verde

Para el vidrio típico de envase o placa, los siguientes valores de redox por lotes y las relaciones de hierro están asociados con los colores(6):

Número de redox por lotesRelacióntotal Fe2+/FeColor de cristal
0 a 50.10 a 0.40Flint (sin color)
-15 a 00,40 a 0,65Verde esmeralda
-25 a -150,60 a 0,75Feuille morte
-30 a -200.75 a 0.90Ámbar

Por lo tanto, se puede decir que un número de redox de lote inferior corresponde a un vidrio reducido. Los números de redox por lotes superiores a 5 se asocian con el vidrio de sílex oxidado y las coloraciones verde UVA.

¿Cuáles son los efectos de nuestros productos?

Como se ha mencionado, los aditivos para el vidrio se clasifican ampliamente en aquellos que causan un efecto oxidante o un efecto reductor, moviendo así la posición del número de redox. El hierro está presente en prácticamente todos los vasos, por lo que las contribuciones de redox a continuación deben considerarse además del hierro al participar en un proceso de fabricación de vidrio. Los números individuales de redox para aditivos se han determinado experimentalmente.

Gama de color de botella de cerveza vacía

Óxido de hierro rojo

El hierro es uno de los aditivos más comunes en el vidrio, estando presente en la gran mayoría de los vidrios producidos comercialmente. El óxido de hierro rojo (Fe2O3, óxido de hierro (iii), óxido férrico) es uno de los óxidos de hierro más utilizados y disponibles, proporcionando Fe3+. Como un óxido, adición de él empujará la posición de equilibrio hacia el lado oxidativo. Como colorante por derecho propio, el óxido de hierro que proporciona Fe3+ da lugar a una coloración azul-verde. El óxido de hierro se ha añadido a los derretidos de vidrio durante muchos años debido a su capacidad para conducir mejor el calor, por lo que la reducción de la cantidad de calefacción externa requiere(7). Cuando se reduce a Fe2+,se observa una coloración azul.

Pirita de hierro (FeS2, disulfuro de hierro (ii))

Pirita es conocido como un agente reductor en el espacio de fabricación de vidrio, con un número de redox de -1,20. Por lo tanto, la adición de pirita empujará la posición del equilibrio redox en favor de un vidrio reducido, y un número de redox por lotes más bajo. Por lo tanto, se añade pirita para producir una coloración ámbar(8), útil para vasos de envases que contengan alimentos perecederos.

botellas de vidrio de color ámbar
botellas de vidrio de color ámbar

Harina de cromo

La vía redox que es crucial con la cromita está entre el cromo reducido(ii), el cromo estándar (iii) y el cromo altamente oxidado (vi). Vale la pena señalar que independientemente del número general de redox lote, prevalecerá el carácter verde asociado con cromo (iii) - sólo es modulado por el entorno redox general. En la cromita, el cromo (iii) es el estado de oxidación del metal.

En un entorno reductor, el balance redox para harina de cromo será a favor de Cr2+ y Cr3+,mientras que en un entorno oxidante, será a favor de Cr3+ y Cr6+. El efecto del cromo del número de oxidación más bajo es mínimo, y se considera como un estado de oxidación más raro. Por otro lado, Cr6+ proporciona una coloración amarilla que en concierto con Cr3+ 'diluirá' el color verde a un tono algo más apagado. Notable es el hecho de que Cr6+ es perjudicial para los seres humanos, por lo que se debe tener cuidado de minimizar la exposición a cualquier gas que surja de la fusión.

Botellas vacías de vino de vidrio verde

La interacción del cromo y el cromoforóforo ámbar es particularmente interesante, ya que colores como el olivo y los verdes antiguos requieren tanto los cromos de ámbar como los cromos - la modulación del ámbar por el cromo provoca un cambio en la posición de la equilibrio cromo-hierro, y los cambios de color proporcionales. Es este efecto el que da lugar a gafas de color marrón-verde como feuille morte o deadleafgreen.

Antracita / Carbono

Como compuesto orgánico, la antracita no tiene ningún efecto sobre la coloración del vidrio por derecho propio, pero cambiará la posición del equilibrio redox hacia un entorno reductor. Puro carbono y antracita (85 carbono) tienen números redox de -6,70 y -5,70 respectivamente. Como se prefiere un entorno reductor en términos del proceso de fabricación, la antracita se añade en gran medida por esta razón.

Óxido de cobre

En condiciones de oxidación, el óxido de cobre permanecerá en la forma de óxido cuprico (CuO). El ion Cu2+ tiene una coloración verde-azul. En condiciones de reducción, sin embargo, el óxido de cobre estará presente en la forma de óxido cuproso (Cu2O), con el Cu+ ion responsable de un color intensamente rojo. Por lo tanto, para lograr vidrio rojo o negro, es imperativo mantener las condiciones de reducción a través de un bajo número de redox por lotes. El vidrio negro se logra con un golpe de calor y más se puede leer aquí.

botella de vidrio negro

Impactos del número rédox de lote en el proceso de fabricación

Según la investigación, la temperatura del horno puede ser más baja a un valor redox más bajo, además de ser más fácil de refinar(9). En un redox más bajo, habrá menos burbujas en la fusión debido a menos oxígeno en la fusión. Al igual que con cualquier reacción química, los equilibrios redox dependen de la temperatura. En la fabricación de vidrio moderna, donde las preocupaciones ambientales son primordiales, se puede utilizar el cullet de vidrio reciclado. A menudo, este vidrio se utiliza en forma de polvo y se añade a la fusión, aunque cabe señalar que como cullet a menudo contiene cantidades moderadas de material orgánico, adición puede causar una reducción en el número de redox lote - que puede o no puede ser deseado.

colección de botellas de vidrio viejas, tonificadas
fondos de botellas de vidrio de colores variadas

Resumen

  • El número redox por lotes es una herramienta utilizada por los fabricantes de vidrio para predecir y monitorear las propiedades de un vidrio
  • La modulación del número redox prevé diferentes colores de vidrio, derivados del equilibrio de los muchos cromoforos metálicos de transición
  • El número de lote redox se puede calcular de antemano para predecir los resultados de un proceso de vidrio, y se calcula a lo largo del proceso para monitorear el progreso
  • Además de la composición y el equilibrio redox, la temperatura, el uso de agentes de aleteo tienen un impacto en el vidrio final general
Carbono
copper_oxide
polvo de óxido de hierro rojo en una olla
Polvo de piritas en una olla
Harina de cromomita en una olla

Referencias

1 W. Simpson y D. D. Myers, Glass Tech., 1978, 19, 82

2 W. Thiemsorn et al., Bull. Mater. Sci., 2007, 30, 487

3 N. F. Zhernovaya et al., Vidrio y cerámica, 2000, 57, 84

4 C. R. Bamford, Generación y Control de Color en Vidrio, Ciencia y Tecnologíadel Vidrio, Elsevier, Amsterdam, 1977

5 P. Laimbock, Sensores de oxígeno en línea para el derretimientode vidrio y el baño de estandarte , en GlassTrend, Eindhoven, 2013

6 R. Falcone et al., Rev. Geoquímica., 2011, 73, 113

7 R. L. Shute y A. E. Badger J. Am. Ceram. Soc., 1942, 25, 355

8 W. A. Weyl, Gafas de Colores,Sociedad de Tecnología de Vidrio, Sheffield, 1951

9 A. Hubert et al., Impacto de Redox en la fusión industrial de vidrio y la importancia del control de Redox en la 77a Conferencia sobre Problemasde Vidrio, Columbus, 2017