Juntas esmeriladas de vidrio

Las juntas esmeriladas de vidrio se utilizan en los laboratorios para encajar rápida y fácilmente los aparatos estancos entre sí a partir de las piezas más comunes.

Por ejemplo, un matraz de fondo redondo, un condensador Liebig y un burbujeador de aceite con juntas de vidrio esmerilado pueden unirse rápidamente para refluir una mezcla de reacción.

Ejemplo unión esmerilada
Ejemplo de una conexión de unión esmerilada

Esta es una gran mejora en comparación con los métodos más antiguos de la cristalería hecha a medida, que consumía mucho tiempo y era costosa, o el uso de tapones de corcho o tapones de goma y tubos de vidrio menos resistentes a los productos químicos y al calor como uniones, que también requería tiempo para su preparación.

Para conectar los espacios interiores huecos de los componentes de cristalería, las juntas de cristal esmeriladas son huecas en el interior y abiertas en los extremos, excepto en los tapones de vidrio.

Historia de las juntas esmeriladas

La necesidad de conexión entre diversos instrumentos de laboratorio se remonta al desarrollo de los primeros instrumentos de laboratorio. Los primeros aparatos de laboratorio se elaboraron en materiales como metal, madera, piedra y vidrio por los alquimistas que desarrollaron las primeras técnicas químicas.

Pero fue solamente a partir del siglo XIV cuando se desarrollaron de manera sistemática aparatos e instrumentos de laboratorio como por ejemplo los desarrollados por Karl Friedrich Mohr. Estos primeros aparatos se conectaban y fijaban entre si empleando una pasta hecha a partir de cera vegetal y otros ingredientes que se endurecía y evitaba el escape de vapores o la entrada de aire al sistema.

El siguiente paso fue la adopción de tapones de corcho de diferentes tamaños y que se adoptaban para la conexión de diversos elementos haciendo agujeros en ellos empleando “sacabocados”. El corcho, al ser un material de origen vegetal, es susceptible de ser atacado por agentes químicos, por lo que posteriormente fueron reemplazados por tapones de goma más resistentes, y que eran perforados al igual que los de corcho.

Nacimiento de los estándares

Con la expansión de la investigación e industrialización de las ciencias químicas, nacieron las primeras empresas de soplado de vidrio científico para satisfacer la demanda de este tipo de material para laboratorios de investigación, educación e industria, sin embargo, cada empresa tenía sus propias medidas y características.

No fue sino hasta el año de 1929 cuando se hizo patente la necesidad de estandarizar las medidas de bocas, uniones y tapones para facilitar el uso del instrumental científico, y en diciembre de ese mismo año se promulgó el primer documento standard para la industria de vidrio científico. Dicho estándar ha sido actualizado y reformulado en diversas ocasiones y actualmente es aceptado globalmente.

Características de las juntas esmeriladas

Las juntas esmeriladas de vidrio están hechas para unir dos piezas de cristalería. Uno de los instrumentos de cristalería que se unirían tendría un empalme interno (o masculino) con la superficie de vidrio esmerilado hacia fuera y el otro tendría un empalme externo (o femenino) de empalme externo ajustado con la superficie de vidrio esmerilado dirigido hacia adentro.

Tipos de juntas esmeriladas de vidrio

Dos tipos de juntas de vidrio esmeriladas se utilizan con bastante frecuencia: juntas ligeramente cónicas, juntas de rótula (a veces llamadas juntas esféricas) y uniones planas.

Juntas esmeriladas de vidrio cónicas
Juntas de vidrio esmerilado cónicas. La junta (cono) interior (macho) se muestra a la izquierda y la junta (hembra) exterior (hembra) se muestra a la derecha. Las superficies de vidrio esmeriladas se muestran con sombreado gris. Al ensamblarlas en la dirección de las flechas, se pueden unir.

Las juntas esmeriladas cónicas suelen tener una conicidad de 1:10 (correspondiente a un semiángulo α de la superficie cónica esmerilada de 2º 51′ 45″ con una tolerancia de ±2′) y a menudo están marcadas con el símbolo ST, que consiste en una T mayúscula sobre una S mayúscula, que significa “conicidad estándar”.

Símbolo Standard Taper
Símbolo Standard Taper para juntas de vidrio esmeriladas

Este símbolo va seguido de un número, una barra y otro número. El primer número representa el diámetro exterior (DO) en milímetros en el punto más ancho de la articulación interna (macho). El segundo número representa la longitud del vidrio esmerilado de la junta en milímetros.

Dimensiones Juntas esmeriladas
Ejemplo de dimensiones de juntas esmeriladas en un codo de destilación

Internacionalmente los tamaños ISO que más se utilizan son 14/23, 19/26 y 24/29, muy comunes en los laboratorios de investigación, siendo 24/29 los más comunes. En los EE. UU. se utilizan los tamaños ASTM (iguales a la ya obsoleta Norma Comercial 21), siendo los tamaños más comunes son 14/20, 19/22, 24/40 y algo 29/42. En los EE. UU. el más expandido es el tamaño es 24/40.

Juntas de rótula o esféricas

En el caso de las juntas esféricas, la junta interna es una rótula y la junta externa es un zócalo, ambas con orificios que conducen al interior de sus respectivos extremos de tubo, a los que están unidas.

La punta esférica es un hemisferio con una superficie de vidrio esmerilado en el exterior, que encaja dentro del zócalo, donde la superficie de vidrio esmerilado está en el interior.

Las juntas de rótula están etiquetadas con un código de tamaño que consiste en 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 encaje, en ambos casos donde los diámetros son los máximos en las articulaciones.

El segundo número representa el diámetro interior del agujero en el centro de la bola o del zócalo, que conduce al diámetro interior del tubo unido con la articulación.

Rótula esmerilada
Rótula esmerilada (izquierda) y zócalo (derecha). Las superficies esmeriladas del vidrio se muestran con mayor sombreado. Poniéndolos juntos en la dirección de las flechas, se pueden unir, con un poco de grasa aplicada a las superficies de vidrio esmerilado.

Si el ángulo que los accesorios cónicos estándar hacen con la cristalería no está perfectamente ajustado, el vidrio es extremadamente rígido y quebradizo, lo que presenta un riesgo de rotura en algunos montajes.

El método de unión con rótula permite cierta flexibilidad en los ángulos de acoplamiento de las piezas que se unen, lo que puede ser particularmente importante en el caso de matraces pesados o piezas largas de cristalería que, de otro modo, serían difíciles de soportar y podrían romperse bajo cargas de flexión.

Un ejemplo común de esto es el frasco de recolección en un evaporador rotativo, cuyo peso aumenta significativamente a medida que se llena. Una bola y un zócalo permiten que el matraz se acomode a sí mismo sin colocar una carga de flexión en la junta.

Dicha conexión también puede ser usada en una destilación más grande, pero más típica, en el cabezal y antes del condensador. Esto permite alargar la vida útil del condensador y que el ángulo no perfecto del codo de recepción y el matraz de llenado se soporten más fácilmente, ya que su ángulo con el cabezal del alambique tiene unos pocos grados de libertad de posicionamiento.

También se pueden encontrar en los cuellos de los frascos de producción de las plantas piloto, donde hay grandes volúmenes y masas, y en algunas líneas de Schlenk, donde los grandes tubos de vidrio fino se benefician de una pequeña flexibilidad entre las piezas. Generalmente, al considerar la cristalería más pequeña, la bola y los zócalos son superados en número por las conexiones estándar de tipo cónico.

Uniones planas

Las uniones planas se usan cuando cambios de temperatura bruscos puede hacer que los anteriores tipos de uniones queden encajados o sufran riesgo de rotura. En las uniones planas, ambas piezas acaban en un disco plano soldado al extremo de cada tubo. Estas juntas no tienen flexibilidad y requieren grasa para evitar fugas y una pinza de sujeción. ​

Tipos de juntas esmeriladas más comunes en el material de laboratorio

Los balones de fondo redondo a menudo tienen una o más aberturas, cuellos o bocas con juntas de vidrio esmerilado de tipo cónico. Convencionalmente, estas articulaciones en el cuello del balón son de tipo exterior, con la parte esmerilada hacia dentro.

Otros adaptadores, como los cabezales de destilación y los adaptadores de vacío, se hacen con las piezas de conexión internas que ajustan con la boca del balón.

Si un frasco u otro recipiente tiene una abertura extra con junta de vidrio esmerilado que debe ser cerrada para un experimento, a menudo hay tapones interiores de vidrio esmerilado de forma cónica, para tal fin.

En algunos casos, unas pequeñas protuberancias en forma de ganchitos de vidrio aparecen en los elementos de vidrio cerca de la unión para permitir enganchar un pequeño muelle o resorte que se adjunta para mantener las dos piezas temporalmente unidas. Se ha extendido el uso de un tamaño especial muy pequeño de la unión cónica-cónica para el vidrio, plástico, o partes de metal llamado ajuste Luer o acoplamiento Luer.

Originalmente, los ajustes Luer se utilizaban para conectar una aguja a una jeringa evitando cualquier fuga. Cuando el uso de vidrio esmerilado supone un problema, como en la producción o la destilación de diazometano (que puede explotar en contacto con superficies ásperas), se puede utilizar un equipo con juntas de cristal liso.

Conexiones y accesorios

Conexiones roscadas

En los extremos tubulares de los elementos de vidrio se pueden realizar conexiones roscadas redondas ligeramente en espiral.

Ejemplo de union roscada esmerilada
Ejemplo de unión roscada esmerilada

Este tipo de rosca de vidrio puede estar orientada hacia el interior o hacia el exterior. Durante el uso, la rosca de vidrio se atornilla en o sobre materiales que no son de vidrio, como el plástico. Los viales de vidrio suelen tener aberturas exteriores de vidrio roscado en las que se pueden atornillar las tapas. Las botellas y frascos en los que se venden, transportan y almacenan productos químicos generalmente tienen aberturas roscadas hacia el exterior y tapas o tapas que no son de vidrio.

Conexiones de manguera

En algunos equipos de laboratorio, como los frascos Buchner y los condensadores Liebig, pueden tener puntas tubulares de vidrio que sirven como conectores de manguera donde pueden ajustarse varios centímetros de manguera alrededor del diámetro cerca de la punta.

Adaptador 24/40 de vidrio con unión para manguera
Adaptador 24/40 de vidrio con unión para manguera

Esto se hace de modo que las puntas puedan tener el extremo de un tubo de goma o plástico montado sobre ellas para conectar el equipo de vidrio a otro sistema tal como una aspiradora o fuente de vacío, un suministro de agua o un desagüe. Se puede colocar un clip especial en el extremo del tubo flexible que rodea la punta del conector para evitar que la manguera se salga del conector.

Varias marcas, entre ellas Quickfit, han comenzado a utilizar conexiones roscadas para puntas de manguera. Esto permite desatornillar la lengüeta del equipo, empujar la manguera y volver a atornillar la configuración. Esto ayuda a evitar la rotura accidental del vidrio y la posibilidad de causar graves daños al operador, como ocurre a veces cuando se empujan las mangueras directamente sobre el vidrio.

Adaptadores

Adaptador 29/32 - 60/46
Adaptador de vidrio esmerilado 29/32 a 60/46

Tanto para juntas cónicas estándar como para juntas esféricas, las juntas interiores y exteriores con los mismos números están hechas para encajar. Cuando los tamaños de las juntas son diferentes, puede haber adaptadores de vidrio esmerilado disponibles (o fabricados) para colocarlos entre ellos y conectarlos. Se pueden colocar grapas o pinzas especiales alrededor de las articulaciones para mantenerlas en su lugar.

Pinzas de unión

Para evitar que una junta se separe durante un proceso de reacción o extracción, se pueden utilizar varios tipos de clips, pinzas o resortes de plástico o metal para asegurar los dos lados juntos. Están disponibles en una variedad de materiales para diferentes temperaturas y ambientes químicos.

Pinza Metálica laboratorio
Ejemplo de una pinza de unión de uso en el laboratorio

Pinzas plásticas o pinzas Keck

Patentado en 1984 por Hermann Keck, los clips de plástico para juntas suelen ser de poliacetal, y están coloreados según el tamaño de las juntas.

El poliacetal se funde a una temperatura razonablemente baja (alrededor de 175 °C) y comienza a ablandarse alrededor de 140 °C. Como la temperatura de trabajo de la cristalería va hasta 250 °C, hay que tener cuidado de que los clips hechos de este material no se usen para mantener el vidrio unido en un proceso de calentamiento fuerte.

Ejemplos problemáticos típicos incluyen un balón sobre placa de calentamiento (que puede caer del extremo de la columna a medida que se calienta) y la conexión que el condensador hace con el cabezal del balón de destilación (que alcanzará altas temperaturas y puede permitir que el condensador se desprenda o caiga).

En dichos casos se deben utilizar diferentes clips en estos puntos o se debe sujetar los elementos de vidrio de tal manera que estos elementos no se puedan separar o no necesiten el clip.

Ejemplos de clips Keck y metalicos afectados por corrosión
Ejemplos de clips Keck y metalicos afectados por corrosión

Los clips de poliacetal sufren otro problema, ya que el material se ve muy afectado por los gases corrosivos. Este efecto puede ser tan dramático que el clip se romperá en minutos de exposición a cantidades diminutas que se filtran a través de conos rectificados y engrasados. Es importante destacar que este tipo de fallo es repentino y sin previo aviso.

Pinzas Keck de PTFE

A veces se utilizan clips de unión de PTFE, ya que su punto máximo de temperatura recomendado coincide con el de la mayoría de los trabajos prácticos de química. Su naturaleza altamente inerte también lo hace inmune a la degradación alrededor de los gases corrosivos.

Sin embargo, es caro y comenzará a producir perfluoroisobutileno si se calienta más allá de su temperatura especificada; por lo tanto, se debe tener cuidado para evitar esto, dado el nivel de riesgo que presenta el producto. Lo mismo ocurre con el uso de aceites y grasas Krytox y Molykote (PTFE espesado, a base de fluoruro) químicamente resistentes para sellos de vidrio.

Pinzas metálicas

El clip pinza de unión de acero inoxidable de alto grado es una opción final. Naturalmente, este puede soportar todo el espectro de temperatura del vidrio borosilicato y es razonablemente inerte. Sin embargo, los grados más bajos de acero inoxidable son atacados rápidamente en presencia de gases corrosivos y los clips en sí mismos son a menudo tan caros como los de PTFE.

Pinzas Keck de plástico y pinza metálica dañadas debido a la exposición a la corrosión y a la temperatura

Resortes de soporte

Algunas piezas de vidrio tienen púas (cuernos de diablo, casco vikingo) que sobresalen de los lados de las conos. Se utilizan pequeños resortes de acero inoxidable para mantener unida la junta.

El uso de resortes es particularmente beneficioso cuando se trata de presiones positivas, ya que aplican suficiente fuerza para que el vidrio mantenga su posición, pero se abren si ocurre una expulsión inesperada. Este método se considera bastante anticuado, pero todavía se utiliza en cristalería de laboratorio de gama alta y altamente especifica.

Balón de vidrio de 100 ml con cuernos y resortes de soporte
Balón de vidrio de 100 ml con cuernos y resortes de soporte

Para situaciones en las que la simple acción del resorte de alambres metálicos o de plástico no es lo suficientemente fuerte o no es conveniente por otras razones, se pueden utilizar tornillos de unión para mantener juntas. Los collares de plástico se utilizan a menudo en equipos de microescala.

Sellado hermético

Una capa delgada de material de PTFE o grasa se aplica generalmente a las superficies de vidrio esmerilado a conectar, y la junta interna se inserta en la junta externa de tal manera que las superficies de vidrio esmerilado de cada una estén juntas para hacer la conexión y se produzca un cierre hermético.

El uso de esto ayuda a proporcionar un buen sellado y evita que la junta se atasque, permitiendo que las piezas se desmonten 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 pueden generar reacciones no deseadas con las siliconas.

Juntas congeladas o atascadas

Instrumento para desatascar uniones
Instrumento para desatascar uniones de vidrio esmeriladas

A veces, las juntas esmeriladas cónicas pueden bloquearse entre sí, impidiendo que el usuario las gire, lo que se conoce como congelación o atasco. Las articulaciones de tipo esférico son mucho menos susceptibles ya que tienen más grados de rotación que las cónicas. Esto puede suceder por una variedad de razones:

  • Falta de lubricación entre las dos superficies de vidrio. Si los disolventes orgánicos entran en contacto con la junta, pueden disolver lentamente la grasa, dejando una superficie de vidrio-vidrio seca.
  • La exposición a una base fuerte (hidróxido, fosfato, etc.) puede disolver parte de la superficie de SiO2, generando ácido silícico (H4SiO4 / Si(OH)4).
  • Productos solidos de mezclas de reacción que se depositan en las juntas
  • Permitir que los recipientes sellados se enfríen, lo que crea una diferencia de presión a través de la junta.

Las juntas congeladas pueden destrabarse aplicando solvente en la junta mientras se balancea el tapón, se calienta la junta exterior o se enfría el tapón interior. Los dos últimos métodos emplean la propiedad de la expansión térmica para crear un pequeño espacio entre las dos superficies. También hay herramientas especializadas de soplado de vidrio para descongelar la junta.

Para más información Ground Glass Joints