La struttura

Il vetro è un solido amorfo che si forma per progressiva solidificazione di un composto fuso ottenuto dalla miscela di diversi minerali con proprietà vetrificanti.

Su breve raggio presenta un ordine reticolare tipico dei solidi cristallini, mentre su più larga scala la struttura molecolare si fa irregolare e molto simile a quella dei liquidi (Stiaffini 1999).

Si può dunque pensare al vetro come ad un liquido altamente viscoso che si ottiene dal progressivo addensamento di un fluido che durante il raffreddamento non cristallizza.

Per ottenere prodotti vitrei di buona qualità la velocità con cui il fuso raffredda è un punto cruciale del processo produttivo, in quanto influenza notevolmente le caratteristiche del prodotto finito. Un raffreddamento troppo lento, per esempio, porta alla formazione di minerali cristallini (silicati) che rendono fragile l’oggetto finito. Questo processo, detto denitrificazione, causa la perdita di alcune caratteristiche proprietà del vetro, come la trasparenza.

Un altro parametro fondamentale per la buona riuscita del processo produttivo è quello che viene definito come temperatura di transizione vetrosa: punto sulla curva di raffreddamento dove si verifica un rallentamento nella riorganizzazione della struttura molecolare del vetro fuso con brusco cambiamento delle sue proprietà chimico-fisiche (volume, conducibilità elettrica , conducibilità termica ecc.) (Henderson 2000).

La singolare struttura del vetro gli conferisce particolari proprietà che ne fanno un materiale molto usato e ricercato.

Le proprietà

Una delle caratteristiche più evidenti del vetro è la trasparenza alla luce visibile, ma non ai raggi ultravioletti con lunghezze d’onda minori di 400 nm. Solo i vetri di silice pura non assorbomo UV.

A seconda della sua composizione e della sua storia termica, il vetro può essere trasparente, traslucido o opaco, incolore o colorato.

Il vetro ha densità variabili a seconda della sua composizione (es: 2,5 g/cm3 per vetri sodico-calicici o 4,8 g/cm3 nei vetri al piombo); a temperatura ambiente è durissimo (durezza 5-7 nella scala Mohs); non è poroso; ha forte lucentezza e presenta un indice di rifrazione compreso tra 1,5-1,8, con specifici valori per ogni tipo di vetro (Verità 1995).

Il vetro è un materiale estremamente elastico, che non presenta mai deformazioni permanenti, tuttavia presenta caratteristiche di fragilità quando è sottoposto ad un carico crescente a flessione e si rompe senza alcun segno di preavviso: offre quindi un’elevatissima resistenza alla compressione (1.000 N/mm2 = 1.000 MPa), ma il valore di resistenza alla rottura di un vetro flesso è nell’ordine dei 40 MPa (N/mm2).

Il basso coefficiente di dilatazione lineare (9 × 10-6, vd. riquadro), la bassa conduttività termica (1,3 W/m°C), la bassa conduttività elettrica e l’alta resistività elettrica superficiale (fino a 10 alla 17 ohm/cm2) ne fanno un ottimo prodotto isolante.

Non si scioglie in acqua e nemmeno in acidi (eccettuato l’acido fluoridrico) anche se concentrati, ma cede loro, in minima misura e maggiormente a caldo, ioni modificatori dalla propria superficie. Si scioglie invece nelle soluzioni basiche (Festa e Guadagnino 1995).

Il vetro non ha punto di fusione netto: sottoposto a riscaldamento un vetro alla soda rammollisce gradualmente fino a formare una massa fluida ad una temperatura di circa 1000°C. (Singer et al. 1961). Sotto l’azione di forte calore passa attraverso vari stati di viscosità: all’incandescenza bianca è fluido, alla rossa è molle e pastoso. E’ in quest’ultimo stato di viscosità che il vetro può essere modellato.

La composizione

Un aspetto da evidenziare è che i vetri, a differenza dei cristalli (es. quarzo), non hanno una stechiometria fissa, il che vuol dire che è possibile variare le proprietà chimico-fisiche semplicemente cambiando anche di poco la loro composizione. Si può quindi preparare un vetro adattandon e la composizione in modo che abbia proprietà prefissate. Ai giorni nostri si posso identificare principalmente le seguenti classi composizionali (AA.VV. 1980):

Vetro di silice pura
E’ vetro formato solamente da silice dalle caratteristiche chimiche e fisiche ideali: grazie al basso coefficiente di dilatazione può sopportare bruschi sbalzi di temperatura, è permeabile alle radiazioni ultraviolette e rammollisce poco a temperature elevate. Il vetro di silice (o vetro al quarzo) è quindi di difficile lavorazione ed è usato principalmente per la fabbricazione di manufatti da laboratorio chimico. La sua produzione è molto costosa a causa delle difficoltà dovute al suo altissimo punto di fusione (oltre 1700°C).

Silicato sodico o vetro solubile
Il silicato sodico (vetro solubile), è un prodotto trasparente e facilmente solubile nell’acqua e trova larga applicazione nel campo industriale e nell’edilizia, nella fabbricazione di adesivi, di smalti, di fiammiferi ecc. e talvolta, miscelato in opportuni impasti, nella produzione di pietre d’arte artificiali. Inoltre viene anche utilizzato come detersivo per lavastoviglie e come mezzo sbiancante nelle tintorie.

Il vetro silico-sodico-calcico
Al gruppo del vetro silico-sodico-calcico (vetro comune), appartiene la più vasta produzione vetraria di uso quotidiano ed industriale. I componenti principale di questa tipologia di vetro sono: silice (vetrificante), sodio (fondente) e calcio (stabilizzante) in forma di ossidi. All’interno della miscela possono essere aggiunti altri elementi, in base alle caratteristiche che si desiderano ottenere nel prodotto finito. Commercialmente viene diviso in base al colore in tre categorie: bianco (perfettamente decolorato), mezzo bianco e colorato (verde, ambra ecc.).

Quando si vuole ottenere un vetro con particolari proprietà chimico-fisiche, l’ossido di calcio (12-13% in peso della miscela) può essere sostituito in parte da altri ossidi bivalenti quali: ossido di magnesio, ossido si bario, ossido di zinco e allumina.

L’ossido di magnesio (MgO) che oltre a migliorare la fusibilità e la lavorabilità del vetro, riduce anche la tendenza alla denitrificazione.
L’ossido di bario (BaO) migliora la lavorabilità, impartisce brillantezza e soprattutto influisce sulle caratteristiche dielettriche, modificando la resistenza elettrica del vetro.
L’ossido di zinco (ZnO) riduce il coefficiente di dilatazione e migliora la resistenza chimica dei vetri.
L’ossido d’alluminio (Al2O3) o allumina influisce sulla viscosità, sul coefficiente di dilatazione e sulla resistenza meccanica e chimica del vetro.

Il vetro borosilicatico
Il boro è aggiunto per migliorare le caratteristiche termiche ed elettriche. Sono vetri di elevata resistenza chimica che contengono in genere quantità relativamente elevate di allumina (Al2O3) e triossido di boro (B2O3). Presentano una dilatazione termica piuttosto bassa e sono quindi resistenti al calore e spesso utilizzati per costruire oggetti da forno (vetro Pyrex). Trovano anche un ampi applicazione nella fabbricazione di contenitori per medicinali (flaconi e fiale) e di particolari parti di apparecchiature per laboratori chimici.

Vetri al piombo
Con questo termine si indicano quei vetri di elevata lucentezza (alto indice di rifrazione), trasparenza e purezza, con quantità di ossido di piombo superiori al 24% . Questi tendono ad imitare il cristallo di rocca e sono largamente usati nel settore artistico. A causa dei problemi ecologici causati dal piombo, negli ultimi anni si sono studiati vetri con proprietà ottiche analoghe a quelli al piombo, ma contenenti al suo posto potassio, bario, zinco e zirconio. E’ bene sottolineare che il termine cristallo è riferibile anche a vetri silico-sodico-calcici (cristallo veneziano, inventato nel XV secolo) e potassico-calcici (cristallo di Boemia).

Questa è solo una divisione sommaria in quanto vi sono un’infinità di vetri con composizioni diverse, usati per le più svariate applicazioni. Per esempio i vetri per ottica hanno composizione molto varia a seconda delle prestazioni necessarie. Altri tipi di vetri sono: gli allumino-silicatici (vetro per fibre, manufatti da sottoporre a tempra chimica), vetri fosfatici (vetri privi di silice dove il vetrificante è l’anidride fosforica, usati per i biovetri ed i vetri fertilizzanti), vetri privi di ossigeno che trovano impiego in elettronica ed i vetri alogenuri utilizzati per speciali fibre ottiche che trasmettono nell’infrarosso, ecc.