Las juntas de vidrio esmerilado se utilizan en los laboratorios para unir de forma rápida y sencilla aparatos herméticos a partir de piezas intercambiables que se encuentran comúnmente disponibles. Por ejemplo, un matraz de fondo redondo , un condensador Liebig y un burbujeador de aceite con juntas de vidrio esmerilado se pueden unir rápidamente para hacer refluir una mezcla de reacción. Esto es una gran mejora en comparación con los métodos más antiguos de fabricación de cristalería a medida, que requerían mucho tiempo y eran costosos, o el uso de corchos o tapones de goma y tubos de vidrio menos resistentes a los químicos y al calor como juntas, cuya preparación también llevaba tiempo.
Uno de los elementos de vidrio que se unirían tendría una junta interna (o macho) con la superficie de vidrio esmerilado hacia afuera y el otro tendría una junta externa (o hembra) de un cono correspondientemente ajustado con la superficie de vidrio esmerilado hacia adentro. Para conectar los espacios interiores huecos de los componentes de vidrio, las juntas de vidrio esmerilado son huecas en el interior y abiertas en los extremos, excepto para los tapones.
Desde hace mucho tiempo se fabrican versiones rudimentarias de juntas de vidrio esmerilado cónicas, [1] en particular para tapones de botellas de vidrio y retortas . [2] Las juntas de vidrio rudimentarias aún se podían hacer para que sellaran bien al pulir las dos partes de una junta una contra la otra usando un grano abrasivo, pero esto generaba variaciones entre las juntas y no sellarían bien si se acoplaban a una junta diferente. [1]
Durante la década de 1920 comenzaron los esfuerzos para estandarizar las juntas, y algunos fabricantes comenzaron a producir juntas que estaban estandarizadas, pero solo dentro de sus propias líneas de productos. Las normas comerciales para juntas comenzaron a aparecer alrededor de 1930, lo que permitió la intercambiabilidad de piezas entre diferentes fabricantes. Un defensor notable de esta estandarización fue Fritz Friedrichs . [3] [4] En la actualidad, las juntas de vidrio esmerilado se pueden rectificar con precisión hasta obtener una forma o conicidad reproducible, y las juntas de la misma especificación son intercambiables de manera confiable.
Se utilizan con bastante frecuencia dos tipos generales de juntas de vidrio esmerilado: juntas que tienen una forma cónica ligeramente afilada y juntas esféricas (a veces llamadas juntas esféricas).
Las juntas de vidrio esmerilado cónicamente cónicas suelen tener una conicidad de 1:10 y a menudo se etiquetan con un símbolo ST , que consiste en una T mayúscula superpuesta a una S mayúscula, que significa "conicidad estándar". Este símbolo va seguido de un número, una barra y otro número. El primer número representa el diámetro exterior (OD) en milímetros en el punto más ancho de la junta interna (macho). El segundo número representa la longitud del vidrio esmerilado de la junta en milímetros. [5] A nivel internacional, se utilizan los tamaños ISO [6], siendo 14/23, 19/26 y 24/29 muy comunes en los laboratorios de investigación, siendo 24/29 el más común. En los EE. UU. se utilizan los tamaños ASTM [7] (iguales a la ahora obsoleta Norma comercial 21) y los tamaños comunes son 14/20, 19/22, 24/40 y algo así como 29/42. En los EE. UU., el 24/40 es el más común.
En el caso de las articulaciones esféricas (también conocidas como articulaciones esféricas), la articulación interna es una bola y la articulación externa es un casquillo, ambas con orificios que conducen al interior de sus respectivos extremos de tubo, a los que están fusionadas. La punta de la bola es una semiesfera con una superficie de vidrio esmerilado en el exterior, que encaja dentro del casquillo, donde la superficie de vidrio esmerilado está en el interior. Este tipo de articulación se separa libremente y debe mantenerse unida con una abrazadera. Las articulaciones esféricas están etiquetadas con un código de tamaño que consta de un número, una barra y otro número. El primer número representa el diámetro exterior en milímetros de la bola en su base o el diámetro interior en milímetros en la punta del casquillo, en ambos casos donde los diámetros son sus máximos en las articulaciones.
El segundo número representa el diámetro interior del orificio en el medio de la bola o casquillo, lo que da como resultado el diámetro interior del tubo fusionado a la junta. [5]
Si el ángulo que forman los accesorios cónicos estándar con el material de vidrio no está perfectamente ajustado, el vidrio es extremadamente rígido y quebradizo, lo que presenta un riesgo de fractura en algunas configuraciones. Un método de unión de rótula permite cierta flexibilidad en los ángulos de acoplamiento de las piezas que se unen, lo que puede ser particularmente importante con matraces pesados o piezas largas de material de vidrio que de otro modo serían difíciles de sostener y potencialmente se romperían bajo cargas de flexión. Un ejemplo común de esto es el matraz de recolección en un evaporador rotatorio , cuyo peso aumenta significativamente a medida que se llena. Una rótula permite que el matraz se alinee por sí solo sin colocar una carga de flexión en la unión. Este tipo de rótula también se puede utilizar en una configuración de destilación más grande, pero más típica, en el cabezal y antes del condensador. Esto permite que el largo tramo del condensador, el ángulo no perfecto de la curva de recepción y el matraz de llenado se sostengan más fácilmente, ya que su ángulo con el cabezal del destilador tiene algunos grados de libertad de posicionamiento.
También se pueden encontrar como cuellos en matraces de producción de plantas piloto, donde hay grandes volúmenes y masas, y en algunas líneas Schlenk , donde los tramos largos de vidrio fino se benefician de un poco de flexibilidad entre piezas. En general, cuando se considera cristalería más pequeña, los conos de bola son mucho menos numerosos que los conos estándar.
En el caso de las uniones planas, el borde de un tubo se rectifica de forma perpendicular al tubo y se presiona contra una superficie plana similar, y la fuerza de acoplamiento se aplica mediante una abrazadera externa. El borde de la unión se ensancha, a veces hasta convertirse en una brida ancha, para proporcionar una superficie más grande sobre la que sellar la unión. Aparte de las uniones que utilizan una junta o una junta tórica , este es el único tipo de unión de vidrio esmerilado que se utiliza para diámetros muy grandes, ya que a esas escalas las uniones cónicas se vuelven poco prácticas de fabricar y son propensas a atascarse. Las uniones planas se ven principalmente en columnas grandes y recipientes de reacción, aunque se utilizan en algunas aplicaciones más pequeñas, como matraces con tapas extraíbles. Los desecadores de vacío de vidrio utilizan una unión de vidrio esmerilado plana para sellar sus tapas anchas.
Las conexiones roscadas en espiral ligeramente redondeadas son posibles en los extremos tubulares de los artículos de vidrio. Este tipo de roscado de vidrio se emplea con mayor facilidad y frecuencia en el exterior, pero también puede estar orientado hacia el interior. En uso, el roscado de vidrio se enrosca en o sobre material roscado que no sea de vidrio, como el plástico. Las roscas se crean generalmente moldeando el vidrio mientras está caliente, lo que da como resultado un acabado suave. Los viales de vidrio suelen tener aberturas de vidrio roscadas externas sobre las que se pueden enroscar las tapas. Las botellas y frascos en los que se venden, transportan y almacenan productos químicos suelen tener aberturas roscadas orientadas hacia el exterior y tapas o tapones que no sean de vidrio a juego. Las juntas cónicas pueden incluir una rosca externa para una tuerca de plástico con una junta tórica para sellar la junta; las juntas Rodaviss también incluyen un anillo partido que permite utilizar la tuerca para separar la junta. [8]
Los recipientes de vidrio para laboratorio , como los matraces Buchner y los condensadores Liebig, pueden tener puntas de vidrio tubulares destinadas a insertarse en una manguera, a menudo con púas para sujetar la manguera, y pueden estar ahusados para aceptar una gama más amplia de diámetros de manguera. Estos son típicos para la conexión de agua de refrigeración, líneas de vacío, transporte de gas o desagües. Se puede colocar un clip especial alrededor de la manguera acoplada para evitar que se deslice fuera del conector.
Varias marcas, incluida Quickfit , han comenzado a utilizar conexiones roscadas para las espigas de las mangueras. Esto permite desenroscar la espiga del material de vidrio, colocar la manguera y volver a atornillar el conjunto. Esto ayuda a evitar romper el vidrio accidentalmente y causar daños graves al químico, como sucede a veces cuando se colocan las mangueras directamente sobre el vidrio.
Tanto para las juntas cónicas estándar como para las juntas esféricas, se fabrican juntas internas y externas con los mismos números para que encajen entre sí. Cuando los tamaños de las juntas son diferentes, se pueden conseguir (o fabricar) adaptadores de vidrio esmerilado para colocarlos entre ellas y conectarlas. Se pueden colocar clips especiales o abrazaderas de presión alrededor de las juntas para mantenerlas en su lugar.
Los matraces de fondo redondo suelen tener una o más aberturas de unión de vidrio esmerilado cónicamente cónicas, o cuellos . Convencionalmente, estas juntas en los cuellos del matraz son juntas externas. Otros adaptadores, como cabezales de destilación y adaptadores de vacío, se fabrican con juntas que se ajustan a esta convención. Si un matraz u otro recipiente tiene una junta de vidrio esmerilado exterior adicional, que debe cerrarse para un experimento, a menudo hay tapones de vidrio esmerilado interior cónicamente cónicos para ese propósito. En algunos casos, se pueden fusionar pequeñas protuberancias de vidrio en forma de gancho sobre el resto del elemento de vidrio cerca de una junta para permitir que se adhiera un bucle final de un pequeño resorte, de modo que el resorte ayude a mantener juntas las juntas temporalmente. El uso de un tamaño especial muy pequeño de accesorio cónico cónico para piezas de vidrio, plástico o metal llamado accesorio o adaptador Luer se ha generalizado. Originalmente, los accesorios Luer se usaban para conectar el eje de una aguja a una jeringa . Cuando el uso de vidrio esmerilado presenta un problema, como en la producción o destilación de diazometano (que puede explotar al entrar en contacto con superficies más rugosas), se pueden utilizar equipos con juntas de vidrio lisas.
Para evitar que una junta se separe durante un proceso de reacción, se pueden utilizar distintos tipos de clips o resortes de plástico o metal para asegurar los dos lados. Están disponibles en una variedad de materiales para diferentes temperaturas y entornos químicos.
Patentados en 1984 por Hermann Keck , [9] los clips de unión de plástico suelen estar hechos de poliacetal y se colorean según los tamaños de la junta. El poliacetal se funde a una temperatura razonablemente baja (alrededor de 175 °C) y comienza a ablandarse alrededor de los 140 °C. Como se recomiendan temperaturas de cristalería de hasta 250 °C, se debe tener cuidado de que no se utilicen clips hechos de este material para mantener unido el vidrio que se calentará tanto. Las áreas problemáticas típicas incluyen un matraz sobre la placa (que puede caerse del extremo de la columna a medida que se calienta) y la conexión que hace el condensador con el cabezal del alambique (que alcanzará altas temperaturas y puede permitir que el condensador se caiga). Como tal, se deben usar diferentes clips en estos puntos o se debe sujetar la cristalería de modo que estos elementos no puedan deslizarse o no necesiten el clip. Los clips de poliacetal tienen otro problema: el material se ve fuertemente afectado por los gases corrosivos. Este efecto puede ser tan dramático que el clip se deshará en cuestión de minutos si se expone a cantidades mínimas de material que se filtran a través de los conos engrasados y pulidos. Es importante destacar que este modo de falla es repentino y sin previo aviso.
En ocasiones se utilizan clips de unión de PTFE, ya que su pico de temperatura recomendado coincide con el de la mayoría de los trabajos de química prácticos. Su naturaleza altamente inerte también lo hace inmune a la degradación en torno a los gases corrosivos. Sin embargo, es caro y comenzará a producir perfluoroisobutileno si se calienta más allá de su temperatura especificada. Se debe tener cuidado para evitar esto, dado el nivel de riesgo que presenta el resultado. Lo mismo ocurre con el uso de Krytox y aceites y grasas Molykote (PTFE espesado, a base de flúor) resistentes a los productos químicos para los sellos de los artículos de vidrio . Un clip de unión de acero inoxidable de alta calidad es una opción final. Naturalmente, este puede soportar todo el espectro de temperatura del vidrio de borosilicato y es razonablemente inerte. Los grados inferiores de acero inoxidable aún son atacados rápidamente en presencia de los gases corrosivos y los clips en sí mismos suelen ser tan caros como el PTFE.
Algunas piezas de cristal tienen púas (cuernos del diablo, cascos vikingos) que sobresalen de los lados de los conos. En estas piezas se utilizan pequeños resortes de acero inoxidable para mantener unidas las uniones. El uso de resortes es beneficioso cuando se trabaja con presiones positivas, ya que aplican suficiente fuerza para que el vidrio funcione, pero abrirán el cono si se produce una desviación inesperada. Este método se considera bastante anticuado, pero todavía se utiliza en algunas de las piezas de cristalería más conocidas y de alta gama disponibles.
En situaciones en las que la acción simple de resorte de los alambres de metal o plástico no es lo suficientemente fuerte o no resulta conveniente por otras razones, se pueden utilizar abrazaderas atornilladas para mantener juntas las uniones. Los collares de plástico [10] se utilizan a menudo en equipos a microescala.
Generalmente se aplica una fina capa de material de PTFE o grasa a las superficies de vidrio esmerilado que se van a conectar, y la junta interna se inserta en la junta externa de manera que las superficies de vidrio esmerilado de cada una estén una al lado de la otra. Esto ayuda a proporcionar un buen sellado y evita que la junta se agarrote, lo que permite desmontar las piezas fácilmente. Aunque normalmente se supone que la grasa de silicona utilizada como sellador y lubricante para interconectar juntas de vidrio esmerilado es químicamente inerte, algunos compuestos han resultado de reacciones no deseadas con siliconas. [11] [12]
A veces, las juntas cónicas de vidrio esmerilado pueden trabarse entre sí, impidiendo que el usuario las gire. Esto se conoce como congelamiento o bloqueo y puede ocurrir por diversas razones:
Las juntas congeladas se pueden eliminar introduciendo disolvente en la junta mientras se balancea el tapón, calentando la junta exterior [14] [15] o enfriando el tapón interior. Los dos últimos métodos emplean la propiedad de expansión térmica para crear un pequeño espacio entre las dos superficies. También existen herramientas especializadas de soplado de vidrio para descongelar la junta. [15]
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