Comprensione del vetro: tipi, proprietà e fabbricazione

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Dal Pyrex resistente al calore ai parabrezza di sicurezza laminati PVB, il vetro è disponibile in molte forme. Alcuni dei materiali comunemente indicati come bicchieri sono in realtà plastica o miscele plastica-vetro, sebbene il termine vetro non indichi esplicitamente una particolare composizione chimica. Il termine può descrivere un numero qualsiasi di solidi duri, amorfi, inorganici e uniformi prodotti quando i materiali fusi fusi vengono raffreddati abbastanza velocemente da impedire la cristallizzazione. Tuttavia, le sostanze tipiche utilizzate nella lavorazione del vetro sono silicati, borati e fosfati.

Il vetro è un materiale inflessibile che si forma riscaldando una miscela di materiali solidi secchi fino a raggiungere uno stato semisolido, quindi raffreddando rapidamente la miscela per evitare che formi la struttura cristallina che hanno la maggior parte dei materiali solidi. Quando il vetro si raffredda, gli atomi si bloccano in uno stato disordinato simile a quello di un liquido prima che possano formare lo stato cristallino di un solido. Poiché il vetro non è né un liquido né un solido, ma ha le qualità di entrambi, il vetro esiste come tipo separato di materia.

Grazie alla sua forza e versatilità, il vetro ha applicazioni quasi illimitate. È ampiamente utilizzato nelle costruzioni, fornendo rivestimento per la maggior parte degli edifici moderni e normali caratteristiche architettoniche in vetro per la maggior parte delle altre strutture abitabili. Trova diversi usi in casa, sia come pentole, schermi televisivi o lampadine. È probabilmente l’unico materiale più importante in astronomia, originariamente reso possibile dall’uso di diverse lenti di vetro. Oltre ai suoi ovvi usi nei laboratori biologici, chimici e medici (provette, bicchieri, microscopi), il vetro fornisce anche parte dell’involucro per la maggior parte della strumentazione. Sebbene le lenti in policarbonato abbiano ampiamente sostituito il vetro negli occhiali, le lenti in vetro erano, storicamente, l’unico mezzo per migliorare la vista. Anche l’arte deve molto al vetro, poiché le vetrate e molti oggetti decorativi in vetro dell’antichità sono sopravvissuti e hanno fornito ispirazione agli artisti per più di mille anni.

Nell’industria moderna, il vetro svolge molte funzioni biomediche e ottiche. È anche un componente necessario in numerosi dispositivi aerospaziali e avionici, nonché una sostanza utile nella tecnologia dei semiconduttori e nell’elettronica. A causa delle sue proprietà uniche, alcuni tipi di vetro vengono utilizzati nei circuiti integrati. Fornisce anche un materiale di rinforzo per la plastica laminata. Le perle di vetro sono utilizzate nella sabbiatura e le lastre di vetro sono un prerequisito per la maggior parte dei produttori di specchi.

Questo articolo fornisce una comprensione delle proprietà uniche del vetro, spiegando i diversi tipi di vetro e la loro composizione. Inoltre, viene esplorato il modo in cui il vetro viene fabbricato, insieme ad alcuni dei vari modi in cui il vetro può essere trattato o rifinito dopo la fabbricazione.

Proprietà

Mentre ci sono molti tipi diversi di vetro e le loro proprietà variano con la loro composizione chimica, ci sono alcune caratteristiche che la maggior parte dei tipi di vetro hanno in comune. Nonostante la sua fragile reputazione, il vetro è meccanicamente resistente. Le imperfezioni della superficie indeboliscono il vetro, ma ci sono processi per minimizzare i difetti e rafforzarlo. Il vetro è un materiale duro che resiste a graffi e abrasioni a un certo livello. Il vetro è generalmente chimicamente resistente alla maggior parte degli acidi industriali e alimentari e la sua resistenza ad altre sostanze chimiche varia. È elastico e cede sotto sforzo prima di tornare alla sua forma originale. Naturalmente il vetro ha un punto di rottura che varia a seconda del tipo.

Il vetro è resistente agli shock termici, il che significa che può sopportare bene gli sbalzi di temperatura ed è in grado di sopportare il caldo e il freddo intensi, a vari livelli. Assorbe il calore, trattiene il calore invece di condurlo e assorbe il calore meglio del metallo. Il vetro può riflettere, piegare, trasmettere e assorbire la luce con grande precisione ed è molto apprezzato per le sue proprietà ottiche. Resiste fortemente alla corrente elettrica e immagazzina bene l’elettricità.

Tipi di vetro

Il vetro è diviso in tipi in base alla sua composizione chimica. Questi sono alcuni dei tipi più comuni.

Vetro soda-calcico

Il vetro soda-calcico, noto anche come vetro soda-calce-silice o vetro per finestre, è il tipo di vetro più comune e meno costoso. Contiene circa il 70% di silice, insieme a soda, lime e piccole quantità di altri composti. La soda abbassa la temperatura alla quale la silice si scioglie, mentre la calce stabilizza la silice. Circa il 90% del vetro prodotto è calce sodata. È chimicamente stabile, spesso poco costoso ed è molto lavorabile perché può essere ammorbidito più volte durante la fabbricazione di un prodotto. È un vetro più morbido, che è un vantaggio per la fabbricazione tramite taglio, ma ciò significa che è meno resistente ai graffi rispetto ad altri tipi di vetro, come il borosilicato e il quarzo fuso.

Il vetro soda-calcico viene spesso rinforzato chimicamente per aumentarne la resistenza, oppure può essere temperato per aumentarne la resistenza e la forza agli shock termici. Come suggerisce il suo soprannome, è comunemente usato in Windows. Viene anche utilizzato per i contenitori di vetro per la casa. La calce sodata ha una vasta gamma di applicazioni.

Vetro al piombo

Il vetro al piombo, chiamato anche vetro all’ossido di piombo o cristallo al piombo, contiene almeno il 20% di ossido di piombo. È stato anche chiamato vetro selce poiché la formula originale del 1600 utilizzava la selce calcinata come fonte di silice, ma ora la selce non viene più utilizzata nella sua creazione. È un vetro più morbido, il che rende più facile tagliare i disegni che mostrano il suo alto indice di rifrazione. Non può sopportare temperature elevate o sbalzi di temperatura.

Poiché il vetro al piombo è rifrangente e più costoso del vetro soda-calcico, era comunemente usato per stoviglie in vetro decorativo. Tuttavia, poiché i pericoli dell’ingestione di piombo sono ormai ben noti, oggi il vetro al piombo viene utilizzato principalmente per applicazioni elettriche a causa delle sue proprietà di isolamento elettrico e della temperatura di fusione inferiore. La bassa temperatura di fusione è desiderabile per la termosaldatura in modo che possa essere sigillata attorno all’elettronica sensibile a temperature più elevate. Viene anche utilizzato per applicazioni di schermatura per la protezione dai raggi X e raggi gamma in lavori medici, tecnici e di ricerca e per vetri ottici grazie al suo indice di rifrazione.

borosilicato

Il vetro borosilicato è composto per almeno il 5% da ossido borico. Durevole e resistente al calore, il vetro borosilicato è il materiale preferito per un’ampia gamma di applicazioni, dalle pentole all’uso in laboratorio.

La creazione del vetro borosilicato richiede temperature più elevate di quelle necessarie per la produzione del vetro normale, anche se questo spiega anche la sua maggiore resistenza al calore. Inoltre, è sottoposto a sollecitazioni del materiale molto inferiori rispetto al vetro normale grazie al suo coefficiente di espansione termica inferiore, che si aggiunge anche alle sue eccezionali prestazioni alle alte temperature. Inoltre, il vetro borosilicato è molto più durevole del vetro tradizionale e può resistere a incidenti che potrebbero rompere altri articoli in vetro. Anche quando si rompe, in genere si comporta meglio, poiché raramente si rompe.

Il vetro borosilicato è spesso utilizzato per i laboratori scientifici e medici poiché offre un’eccellente resistenza chimica oltre alle sue altre utili qualità. Tutto, dalle provette, bacchette e becher ai cilindri graduati, pipette e accessori per tappi, è prodotto da borosilicato e utilizzato nei laboratori di tutto il mondo. Sebbene il vetro borosilicato offra un’eccezionale resistenza agli acidi, è meno resistente a una gamma di alcali e occasionalmente dovrebbero essere presi in considerazione altri materiali. Il vetro borosilicato viene utilizzato anche in alcune ottiche come gli specchi perché mantiene bene la forma durante le variazioni di temperatura. Altri usi includono il rafforzamento di vari composti plastici e in vari calibri e superfici di vetro protettive.

La principale distinzione del vetro borosilicato dal vetro tradizionale è la sostituzione dell’ossido di boro con la soda e la calce nel processo di fabbricazione. Il vetro borosilicato deve contenere almeno il cinque percento di ossido di boro, che aiuta a legare il silicato e l’ossido di alluminio e l’ossido di sodio.

Silicato di alluminio

Il vetro alluminosilicato contiene ossido di alluminio. La composizione varia ma di solito contiene tra il 20% e il 40% di ossido di alluminio. Ha proprietà paragonabili al vetro borosilicato ma è più resistente al calore, tollera temperature fino a 800 ^° C e ha una migliore resistenza chimica. A causa di questa resistenza al calore, è molto più difficile da fondere e quindi da fabbricare rispetto al vetro borosilicato. I due tipi principali di vetro alluminosilicato sono il vetro alluminosilicato alcalino terroso e il vetro alluminosilicato alcalino. I vetri in alluminosilicato alcalino terroso hanno un punto di rammollimento molto elevato e sono tipicamente utilizzati per lampadine di vetro per lampade alogene, termometri per alte temperature e possono essere rivestiti con una pellicola elettricamente conduttiva e utilizzati per resistori nei circuiti elettronici. L’alto contenuto di alcali dei vetri alluminosilicati alcalini migliora la loro resistenza alla compressione superficiale. Sono anche molto duri e resistenti ai graffi. Sono comunemente usati per i display touch, come gli schermi degli smartphone, e per il vetro di copertura delle celle solari e il vetro stratificato di sicurezza.

Vetro ad alto contenuto di silice

Il vetro ad alto contenuto di silice viene creato fondendo il vetro per rimuovere quasi tutti gli elementi non silicati da esso. Questo processo può comportare una composizione dal 95 al 99% di silice. A causa della mancanza di agenti fondenti, il vetro ad alto contenuto di silice è estremamente difficile da fondere, con una temperatura di deformazione fino a 1.700 ºC, il che significa che può essere utilizzato a temperature così elevate come circa 1.000^o C. Il vetro ad alto contenuto di silice ha un’espansione termica molto bassa, un’ottima durabilità chimica, proprietà ottiche e meccaniche, ma le temperature di lavorazione estremamente elevate sono un fattore limitante nella produzione e nell’applicazione su scala più ampia.

Con il miglioramento della tecnologia, è migliorata la capacità di raggiungere una maggiore purezza del vetro ad alto contenuto di silice, rendendo possibile la fabbricazione di qualità sempre più elevate di vetro. Il vetro ad alto contenuto di silice viene spesso utilizzato nell’industria dei semiconduttori poiché la silice non contamina i wafer di silicio e per fibre ottiche, tubi per lampade trasmissibili ai raggi UV, ottica di precisione, tubi refrattari e come rinforzo in fibra nei compositi.

Quarzo fuso

Il vetro di quarzo fuso, chiamato anche vetro di silice fusa o vetro di silice vetrosa, viene fabbricato purificando e fondendo la silice cristallina presente in natura, che si trova nella sabbia o nel cristallo di rocca, con fusione elettrica o a fiamma. Il vetro risultante è altamente trasparente, anche alla luce ultravioletta e infrarossa, e resistente agli agenti atmosferici e agli urti. È molto difficile da fabbricare, poiché la fusione avviene a circa 1650 ^° C, quindi è molto costoso. Tuttavia, questa elevata temperatura di fusione significa anche che può sopportare temperature fino a 1400°C per brevi periodi, rendendolo in grado di resistere alle più alte temperature di qualsiasi vetro. A causa di questa resistenza, il vetro al quarzo fuso viene spesso utilizzato per applicazioni aerospaziali, in particolare le finestre dei veicoli spaziali con equipaggio.

Fabbricazione e finitura del vetro

Sebbene esistano alcune variazioni di fabbricazione nella creazione di diversi tipi di vetro, quanto segue delinea il processo di base utilizzato per creare i tipi più comuni di vetro, come la calce sodata.

Fabbricazione

Gli ingredienti che compongono il vetro variano a seconda del tipo di vetro. Il componente principale del vetro, chiamato ex, deve essere riscaldato a una temperatura molto elevata per diventare viscoso. Il più comune è il biossido di silicio, che si trova nella sabbia. Il primo viene miscelato con un fondente, che lo aiuta a sciogliersi a una temperatura più bassa. I flussi comuni sono carbonato di sodio e potassio. Uno stabilizzante viene utilizzato anche per evitare che il vetro si dissolva o formi impurità cristalline indesiderate. Uno stabilizzante comune è l’ossido di calcio, dal calcare. Questi ingredienti secchi vengono mescolati insieme in un lotto. Un forno fonde il lotto per formare un composto liquido. Il rottame, che è composto da vetro rotto, viene aggiunto al lotto per aiutarlo a sciogliersi.

Se viene fabbricato vetro colorato, al lotto viene aggiunto un ossido metallico. Il ferro colora il verde vetro, il rame lo tinge di azzurro, il cobalto un blu scuro, l’oro un rosso intenso. Il vetro a basso contenuto di ferro è consigliato quando si colora il vetro di qualsiasi colore oltre al verde. In piccole quantità, il biossido di manganese viene utilizzato per decolorare il vetro, ma in grandi quantità colora il vetro viola o, in quantità maggiore, nero.

Dopo essere stato fuso, il vetro viscoso viene quindi versato in un bagno di stagno fuso, quindi formato a nastro e raffreddato. Il processo di raffreddamento lento e uniforme è chiamato ricottura. Il vetro deve essere raffreddato in modo uniforme, perché se una zona rimane calda più a lungo diventa più spessa e i diversi livelli di spessore provocano stress sul pezzo di vetro. È più probabile che un pezzo di vetro ricotto in modo improprio si spezzi.

Taglio

Successivamente, il vetro ricotto viene ridotto alle dimensioni desiderate. Questo di solito viene fatto con macchine a controllo numerico computerizzato, o macchine a controllo numerico, che sono in grado di eseguire operazioni estremamente precise. Le macchine CNC funzionano secondo specifici programmi software CAM e CAD, che consentono loro di lavorare un numero qualsiasi di pezzi con la stessa precisione. Sono inoltre in grado di eseguire un’ampia gamma di attività di lavorazione normalmente eseguite da attrezzature specializzate: possono tagliare curve e linee rette, praticare fori e rettificare scanalature. Le macchine CNC utilizzate nella fabbricazione del vetro utilizzano utensili distintivi, inclusi utensili abrasivi diamantati, punte diamantate e mole in metallo duro, per ottenere una migliore precisione e capacità di lavorazione del vetro.

Dopo che il vetro è stato tagliato e modellato, i produttori di solito eseguono alcuni servizi di lucidatura, laminazione e altri servizi di finitura del vetro. Gli specchi e le lenti lucidati costituiscono una parte significativa del mercato della fabbricazione del vetro. Questi articoli richiedono generalmente un’estrema precisione e le tolleranze della superficie devono essere esatte affinché i componenti funzionino come desiderato. Questi componenti di precisione sono utilizzati in telescopi, prismi, lenti e specchi laser e altre ottiche, tutti fortemente influenzati da imperfezioni e imprecisioni.

Tempra

La tempera è un trattamento termico che rafforza il vetro fino a circa quattro volte la resistenza del vetro non temperato. Se il vetro temperato si rompe, si rompe in piccoli pezzi arrotondati invece di frammenti frastagliati.

Il processo di tempera inizia con il vetro tagliato e lavato che passa attraverso un forno di tempera, sia in batch che in alimentazione continua. Il vetro viene riscaldato a più di 600 ^° C prima di passare al processo di raffreddamento, la tempra. Durante la tempra, l’aria ad alta pressione fa esplodere il vetro dagli ugelli in molte posizioni diverse. La superficie esterna del vetro si raffredda molto più rapidamente rispetto al centro, il che porta al centro del vetro cercando di ritirarsi dalla superficie esterna. Il risultato è che il centro rimane in tensione e l’esterno va in compressione, conferendo al vetro temperato la sua forza.

Il vetro può anche essere temperato chimicamente. Il vetro viene immerso in un bagno di sale di potassio fuso che provoca la sostituzione degli ioni sodio nel vetro con ioni potassion più grandi. Gli ioni potassio più grandi riempiono gli spazi vuoti lasciati dagli ioni sodio, creando uno stato di compressione sulla superficie esterna del vetro. Questo metodo è più costoso rispetto all’utilizzo di un forno di tempera, quindi non è così ampiamente utilizzato.

Uno svantaggio del vetro temperato è che non può essere rilavorato una volta temperato, quindi deve essere modellato completamente prima del processo. Inoltre, a causa dello stress equilibrato del vetro temperato, se una qualsiasi parte di esso viene danneggiata, è probabile che l’intero pezzo di vetro si rompa.

Il vetro temperato è un tipo di vetro di sicurezza, utilizzato per i finestrini delle auto, le porte d’ingresso e altre applicazioni in cui la rottura del vetro può mettere in pericolo l’uomo.

Laminazione

La laminazione è un altro modo per creare un vetro di sicurezza. La laminazione prevede il rafforzamento del vetro con uno strato intermedio di materiale plastico. L’interstrato non solo rafforza il vetro, ma tiene insieme anche i pezzi di vetro in caso di rottura, impedendogli di frantumarsi.

Ci sono alcune procedure di laminazione. Due o più pezzi di vetro vengono incollati, mediante calore e pressione, tra uno o più strati di adesivi, solitamente polivinilbutirrale (PVB) o etilene-vinilacetato (EVA). Un altro metodo consiste nell’incollare due o più pezzi di vetro con uno strato intermedio di uretano alifatico o EVA, utilizzando calore e pressione. Il vetro può anche essere intrecciato con una resina polimerizzata o con EVA.

Il vetro laminato è difficile da tagliare a causa dei suoi strati di plastica, ma non impossibile. Quando il vetro stratificato è danneggiato, di solito si rompe a ragnatela invece di frantumarsi in più pezzi pericolosi.

Riepilogo

Questo articolo ha presentato una comprensione del vetro, delle sue proprietà, di come è fatto e dei diversi tipi di vetro. Per ulteriori informazioni sui prodotti correlati, consultare le nostre altre guide o visitare la Thomas Supplier Discovery Platform per individuare potenziali fonti di approvvigionamento o visualizzare i dettagli su prodotti specifici.

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