Le caratteristiche e proprietà del vetro - Fabbricazione del vetro

Le caratteristiche e proprietà del vetro

Il vetro è un ,materiale di notevole durezza e, in generale, trasparente, caratterizzato da una struttura molecolare amorfa, simile a un liquido solidificato. Viene ottenuto dalla fusione di una miscela di sabbia silicea o quarzo, che fornisce la massa vetrosa di base; carbonati di calcio e potassio, che abbassano il punto di fusione e facilitano la lavorazione; carbonati e ossidi di magnesio, bario, zinco e alluminio. A questa miscela possono essere aggiunte sostanze decoloranti, affinanti e coloranti.

Caratteristiche

Bassi valori di elasticità con conseguente notevole fragilità;

Elevata trasparenza (la trasmissione della luce dipendente in modo sensibile dalla lunghezza dell'onda incidente) e durezza (5-7 nella scala di Mohs);

Resistenza agli agenti chimici con l'esclusione dell'acido fluoridrico che aggredisce la silice( la corrosione in presenza di acidi è di 0,05 mm/anno e di 0,3 in presenza di basi);

Indice di rifrazione1,5-l,8 con specifici valori per ogni tipo di vetro;

Sopporta riscaldamenti uniformi e graduali;

Presenta caratteristiche di bassa conducibilità elettrica e termica;

È un buon isolante e, nel vetro in silice, la conducibilità termica è di 1,3 W/m C°;

Nei vetri normali non avviene alcuna deformazione prima della frattura;

La densità è in funzione della composizione: da 2,2 g/cm3 per i vetri al silice a 4,8 per quelli al piombo.

Proprietà

Analisi componenti iniziali della miscela pre-fusione: sabbia silicea la cui purezza è in funzione del vetro da ottenere. Nei vetri per l'ottica essa raggiunge valori molto alti (99,7% e con tenori di ferro inferiori all'1%), nei vetr4i comuni e colorati si attestano al 95%. Gli affinati hanno in sé composti che, una volta raggiunta la temperatura di fusione, sviluppano gas in forte quantità vaporizzando o decomponendosi in elementi gassosi che agevolano l'eliminazione dei difetti. I coloranti più impiegati variano a seconda del colore finale che si vuole ottenere: FeO per avere tonalità verde-azzurra, Fe2O3 per verde bottiglia, Cu2O per il rosso, CuO per blu-verde, Cr2O3 per verde-giallo, CoO per blu scuro, Au C13 per il rosso rubino. Gli opacizzanti sono formati da fosfati o fluoruri di Na o Ca, o da talco o da ossido di stagno o da solfuri di Cf che persistono nella massa vetrosa sotto forma cristallina diminuendone la trasparenza, in quanto la riflessione della luce avviene all'interno del vetro stesso, a causa del diverso indice di rifrazione delle sostanze opacizzanti cristalline. Prima della fusione, alla miscela complessiva, i cui componenti, che devono avere una granulometria fine compresa tra 0,1 e 0,6 mm, vengono ridotti in pezzatura di 0,2-0,5 mm, sono aggiunti rottami di vetro nella misura del 25-40% per facilitare l a fusione stessa, per ragioni economi9che e per un perfetto riciclaggio. Percentuali componenti: sabbia quarzifera 60%, carbonato di Na 18%, dolomite 17%, calce 4%, solfato 1%

Fabbricazione del vetro

Il vetro è un materiale costituito da una miscela omogenea di varie sostanze, che assume una consistenza pastosa se riscaldata a una temperatura variabile fra i 1300 e 1400 C° e diventa lavorabile intorno ai 1500C°. Componente essenziale della miscela è la silice, impiegata nella forma di sabbia silicea, mentre le altre sostanze vengono aggiunte per facilitare la fusione, per rendere stabile la struttura del vetro, cioè per impedire la vetrificazione e per conferire particolari caratteristiche al materiale stesso, allo scopo di facilitare l'avvio del processo di fusione si aggiungono anche rottami di vetro.

L'ossido di sodio, nella forma di carbonato (Soda) è il fondente usato per il vetro comune, mentre per quelli di maggior pregio, più brillanti, si usa il carbonato di potassio, anch'esso nella forma di carbonato (potassa). Per ottenere il vetro al piombo, particolarmente brillante e adatto alla produzione artistica, al carbonato di potassio si aggiunge ossido di piombo, nella forma di litargirio o di minio. Come stabilizzanti si usano ossidi di alluminio, di bario e di calcio.

Se tutti i componenti della miscela fossero puri, il vetro sarebbe incolore e trasparente, ma normalmente alcuni di essi, specialmente gli ossidi, contengono impurità, costituite spesso da ossidi di ferro, che conferiscono un caratteristico colore verde più o meno intenso, per attenuare il quale alla miscela si aggiunge un decolorante. L'aggiunta di quantità minime dei talune sostanze alla miscela conferisce un colore omogeneo a tutta la massa vetrosa.

Nella formazione del vetro, elemento che non presenta un punto di fusione netto, si lavora in un range di temperatura in cui esso è allo stato plastico. I limiti di tale intervallo oscillano tra picchi massimi detti punti di aggregazione ,in cui la temperatura è di 1100 C° circa, e livelli minimi punti di trasformazione, in cui la temperatura è intorno a 800 C°.

La fabbricazione del vetro si articolano in quattro fasi: fusione, formatura, ricottura e finitura.

La fusione è la fase iniziale, durante la quale, la carica, formata da componenti diversi tra loro, viene polverizzata e mescolata a rottami di vetro che agiscono da fondente. Durante la fusione, si verificano l'eliminazione dell'acqua presente nei componenti di partenza, la dissociazione dei carbonati e dei solfati con sviluppo di anidride carbonica o solforosa, la formazione di una massa fusa il più possibile omogenea.

L'affinazione è l'operazione con cui la massa fusa viene privata di tutte le bollicine di gas presente, che potrebbero dare origine a difetti nei manufatti preparati. In questa fase, si assiste alla deposizione sul fondo del forno delle parti non fuse e all'arrivo in superficie delle bolle di gas formatesi durante la fusione. Tali bolle sono originate dalla decomposizione dei carbonati e dei solfati iniziali in ossidi e anidride carbonica o solforica.

L'affinazione viene realizzata aggiungendo alla massa fusa piccole percentuali di agenti affinati. Questi facilitano notevolmente  l'operazione, in quanto fanno aumentare il volume delle bolle e ne provocano l'espulsione, oppure permettono la diminuzione della solubilità dei gas nel vetro. Conclusa questa fase, il vetro fuso è una massa avente in tutti i punti uguale composizione chimica e, conseguentemente, le medesime proprietà fisiche. È possibile, a questo punto, operare una decorazione del vetro, tramite l'ossidazione di sali di ferro. La fusione si conclude con al fase di riposo o di condizionamento, durante la quale la massa fusa viene raffreddata gradualmente fino alla temperatura di formatura.

La fase seguente è la formatura, eseguita in diverse modalità, quando il vetro è ancora fluido e si trova in un campo di temperatura nel quale assume viscosità tale da poter essere lavorato e da conservare la forma impartita, senza alterazioni.

La ricottura consiste in un riscaldamento del vetro fino alla temperatura superiore di ricottura e serve ad eliminare le torsioni che si generano durante la formatura e che rendono difficile le operazioni di finitura come, ad esempio, il taglio. È una fase essenziale per eliminare le tensioni interne formatesi per irregolarità di riscaldamento o raffreddamento.

La scelta della temperatura e della velocità di raffreddamento sono in funzione del tipo di vetro e del suo spessore. Dopo aver raggiunto la temperatura dovuta, l'oggetto viene mantenuto in tale stato per un periodo sufficiente ad assicurare il raggiungimento dell'uniformità termica in ogni suo punto; quindi viene raffreddato lentamente fino a una temperatura inferiore di 50 C° a quella di ricottura, ed infine viene portato rapidamente a temperatura ambiente. Trattamenti speciali sono la siliconatura e la solforazione. La prima, utilizzata soprattutto per i contenitori, avviene nel forno di ricottura. La seconda necessita di una ricottura del vetro in ambiente SO 2. Quest'ultimo determina la formazione di silicati alcalini solubili e quindi un depauperamento superficiale di alcali, con conseguentemente maggiore resistenza chimica.

La tempra, è una fase in cui l'impasto vitreo, in seguito al riscaldamento fino a circa 700 C° viene bruscamente raffreddato con getti di aria fredda, acquisendo un'altra resistenza meccanica superficiale. La tecnica determina la creazione di tensioni permanenti di compressione sulla superficie del vetro, bilanciate all'interno da equivalenti tensioni di trazione. La tempra è effettuata in impianti costituiti da un forno nel quale si ha una variazione di temperatura da +3 C° a -3 C°, così che la resistenza meccanica del vetro alla trazione, all'urto ed allo sbalzo termico, viene aumentata da 3 a 5 volte.

La tempra chimica, utilizzando lo scambio ionico, consente la produzione di vetri con proprietà di resistenza alla flessione fino a 7000 Kgp/cm2.

Classificazione in base al processo di produzione

Un particolare tipo di vetro è il vetro cavo. Il vetro cavo è quello tipico di tutti i contenitori, e in particolar modo, delle bottiglie. La formatura del vetro cavo avviene per soffiatura, pressatura o centrifugazione.

La soffiatura è il metodo più antico in cui l'operaio immerge una canna da soffio nel crogiolo contenete il vetro fuso e, soffiando, trasforma il vetro in globo al quale far assumere spessore e forma diversa, avvalendosi di appropriati movimenti e di utensili come pinze e spatole. Talvolta, l'operatore, per ottenere oggetti di uguale dimensione, soffia il vetro prelevato con la canna di stamgio, può essere eseguita in maniera automatica e continua, utilizzando macchinari di elevata produttività.

La pressatura è il metodo di formatura consistente nell'immissione del vetro, allo stato di sufficiente plasticità, in uno stampo metallico caldo nel quale è poi abbassato un controstampo. Quest'ultimo spinge il vetro ad occupare lo spazio dello stampo e controstampo, determinando così lo spessore e la forma dell'oggetto. Talvolta si adottano sistemi di pressatura e soffiatura: con il primo metodo si ottiene un semilavorato che viene finito per soffiatura dopo il trasferimento in uno stampo fatto ruotare velocemente. È adatto per oggetti con forma particolare ed uniformità di spessore.

Lavorazione della bottiglia

Durante la fase di preparazione, il vetro passa dal bacino di fusione a una camera in refrattario nella quale viene mantenuto a temperatura costante e da cui cadono per gravità gocce calibrate che vengono poi soffiate e pressate. Nel processo Hartford la goccia cade in uno stampo sbozzatore e da qui passa a quello finitore in cui viene soffiato alla forma finale. Nella macchina Owens lo stampo viene riempito per aspirazione e la formatura avviene con due successive fasi di soffiatura.

Un altro tipo di vetro è il vetro piano. Esso è costituito dall'insieme delle lastre piane, ed è utilizzato nei mezzi di trasporto e nell'edilizia. La formatura del vetro piano avviene per stiratura verticale oppure con il sistema float. La stiratura verticale consiste nel sollevare da una massa fusa un velo di vetro di sufficiente plasticità da poter essere innalzato evitando il restringimento laterale.- Il vetro, ridotto a forma di nastro continuo, viene spinto a sollevarsi attraverso una fessura orizzontale, ricavata in un blocco refrattario mantenuto sommerso nel vetro fuso, e quindi viene fatto passare attraverso due serie di rulli.

Un altro tipo di vetro è il vetro tecnico. Esso include le fibre per il rinforzo di materiali e per l'isolamento termoacustico. Può essere inserita nella cosidetta categoria lana di vetro q fibra corta, e la fibra di vetro a fibra lunga , utilizzata maggiormente nei laminati plastici. Quest'ultima è suddivisa in tre tipi diversi: con indice a gradini, a gradienti e monomode.

I tipi di vetro

Con riferimento a vetri ottenuti con sostanze particolarmente pure e speciale metodi di lavorazione, e quindi dotati di particolari proprietà di leggerezza, trasparenza ed elasticità, si usa comunemente il termine cristallo, che è invece da attribuirsi a un vetro contenente ossido di piombo; col nome di cristalli sono inoltre indicate lastre di vetro di buona qualità contenenti anche alluminio e ferro, le cui superfici sono state sottoposte a levigatura.

Il vetro comune: viene invece detto il vetro calcico -alcalino, incolore o poco colorato, utilizzato per oggetti di uso corrente, lastre di finestra ecc.: da esso per aggiunta di particolari sostanze, si ottengono i vetri: colorati, con lavorazioni meccaniche i vetri stampati, che diffondono la luce ma non sono trasparenti, mediante trattamenti superficie con sostanze corrosive o getti di sostanze abrasive i vetri smerigliati.

Il vetro Murano è sodico-calcico adoperato appunto nelle vetrerie di Murano per oggetti artistici e vetreria di laboratorio. Tra le denominazioni più comuni di altri vari tipi di vetri, distinti in base alla composizione, lavorazione, proprietà, usi, viene detto temperato quello ottenuto da lastre riscaldate fin quasi