Cos’è il vetro e tipi di vetri usati in edilizia
Vetro naturale
L’ossidiana è una roccia vulcaniche effusiva considerata vetro naturale.
Il Vetro artificiale
La materia prima del vetro artificiale è la sabbia di quarzo, cioè silice SiO2, cristallizza in tetraedri regolari.
La silice pura SiO2 è stabile fino a 867°C, ma scaldandola, i legami si rompono e si riformano strutture cristalline diverse: la tridimite (SiO2) nell’intervallo 867 – 1470°C e la cristobalite (SiO2) nell’intervallo 1470°C – 1720°C. Finalmente a 1720°C avviene la fusione, in cui i tetraedri sono orientati casualmente.
A 1720 °C la silice è molto viscosa: 10^6 Pa·s (il pascal secondo è l’indice di viscosità), mentre l’acqua a temperatura ambiente è circa 10^-3 Pa·s.
Additivi di fusione del vetro: Fondenti, Stabilizzanti, Affinanti, Coloranti…sono tutti ossidi.
Fondenti
I Fondenti sono modificatori di reticolo, sono ossidi dei metalli alcalini: Li2O, Na2O, K2O. Li-Na-K appartengono al 1° gruppo della tavola periodica.
La fusione del silicato avviene a 1720°C, per abbassare il punto di fusione si aggiungono ossidi dei metalli alcalini: 13% di ossido di sodio Na2O, che si può sostituire in tutto o in parte con l’ossido di potassio K2O, e l’ossido di litio Li2O. Quest’ultimo va in piccole quantità, perché devetrifica. A 1.300-1.500 il vetro fonde, ma si tende a portarlo a 1.550 per rendere la massa vetrosa più omogenea.
Stabilizzanti
Gli Stabilizzanti sono ossidi degli alcalino-terrosi (2° gruppo) MgO (2%), CaO (12-13%), BaO e altri: ZnO, Al2O3.
Si sostituiscono a una parte della soda (Na2O) e rinforzano il reticolo vetroso.
Fluidificanti
Per abbassare la temperatura di solidificazione si sostituisce in tutto o in parte l’allumina Al2O3 con ossidi di gallio Ga2O3 e 0-10% ossidi del boro B2O3. Il boro può essere sostituito dal fosforo P2O5.
Il fosforo tempera chimicamente il vetro, lo rinforza, creando legami con l’alluminio e il boro già presenti nel vetro (AlPO4) (BPO4).
Affinanti
Gli Affinanti sono nitrati, solfati e anidride arseniosa. Liberano la massa fusa dalle bolle di ossigeno.
Coloranti
I Coloranti sono ossidi di metalli. Il biossido di manganese è il più importante decolorante.
Vetrificazione
La viscosità ostacola l’organizzazione regolare della struttura cristallina, il raffreddamento veloce dà la certezza che non si formino cristalli, ma una struttura amorfa, senza una forma. Gli atomi in un solido amorfo si dispongono come fossero un liquido, quindi il vetro non è molto stabile, cioè si rompe facilmente: è fragile.
Affinazione
E’ l’eliminazione delle impurità intrappolate nella massa vetrosa. In superficie emergono bollicine di gas di anidride carbonica o solforica derivanti dalla ossidazione dei carbonati e dei solfati iniziali (stabilizzanti). A fondo precipita quel che non fonde.
Formatura
La miscela silicea esce dal forno allo stato fuso di 1.100°C, diventa vetro scorrendo-galleggiando (float) su un letto di stagno fuso, in cui il vetro diventa perfettamente piano. La miscela fusa incomincia a diventare rigida a 600-500°C. Si ottengono lastre spesse 1-24 mm.
Laminatura e filatura
La laminatura consente di rendere ancora più sottili le lastre fino 0,1 mm. Con altri processi fino a 30 µm (micron: 1 µm = 1×10−6 m).
La filatura produce fibre di vetro del diametro fra 1 e 8 micron.
Vetro retinato
Prima della laminazione si può introdurre una rete metallica inossidabile, che aumenta la resistenza allo sfondamento.
Vetro float ricotto
Per ridurre le tensioni interne al vetro si alternano varie fasi di riscaldamento (ricottura) e raffreddamento, fino ad arrivare a 450°C, per poi scendere a temperatura ambiente.
Ora il vetro float (galleggiante) viene squadrato per farne lastre che vengono sagomate cioè tagliate per l’uso specifico, curvate, forate e molati ai bordi.
Tempra
Il vetro è chimicamente inerte, duro (5-7 Mohrs), ma fragile:
per renderlo meno fragile si fa un ultimo trattamento termico e chimico: la tempra.
Tempra termica
Il vetro float viene nuovamente riscaldato a 650°C-750°C. Poi viene velocemente raffreddato fino a temperatura ambiente con getti di aria fredda.
Tempra chimica
La tempra chimica si applica su vetri ricchi di sodio, sottili, curvati, immergendoli in soluzioni di potassio cloruro (KCl) o potassio nitrato (KNO3) scaldate fino a 350°C. In superficie il potassio si sostituisce al sodio. Non dà distorsioni ottiche.
La tempra chimica si realizza anche con il fosforo che si lega ad alluminio e boro.
Il vetro temprato è circa sei volte più resistente del vetro float.
In caso di rottura, la tempra rompe in mille pezzi il vetro, riducendo il rischio di farsi male.
Vetri stratificati
Vetri multistrato sono costituiti da più lastre di vetro, incollate con plastiche: polivinilbutirrale (PVB), o
policarbonato (PC). Il PC è tenace, ma è un distorcente ottico. Il vetro multistrato è un isolante acustico.
Indurimento
Dopo la tempra si riscalda il vetro nuovamente a temperature di 10-20 gradi inferiori alla tempra, lasciando però raffreddare lentamente.
Vetro temprato ed indurito non possono più essere tagliati o forati.
Tipi di vetro
Il vetro sodico – calcico (soda-lime): 71% SiO2, 13% Na2O e 13% CaO, 2% MgO. E’ il più diffuso ed economico per finestre, lampadine e altre applicazioni comuni.
Il vetro borosilicato o Pyrex è composto dall’80% SiO2 , 13% B2O3. E’ il vetro dei laboratorio e termometri.
Il vetro allumino-silicato: 57% SiO2 , 20% Al2O3 , 12% MgO. L’allumino-silicato ha la massima resistenza alla flessione, perché sull’alluminio si possono posare i ponti di ossigeno. E’ più resistente del Pirex, è più difficile da lavorare, è caro.
Il cristallo o vetro al piombo: 63% di SiO2; 7,1% Na2O; 7% K2O; 21% PbO. E’ brillante. Quando il piombo va oltre il 60%, il vetro ottenuto va nei condensatori, tubi elettronici e schermi per radiazioni raggi X.
Il Vycor glass: 96% SiO2, anidride borica e ossido di sodio. Ha elevata resistenza agli sbalzi termici e alle alte temperature: fino a 900°C.
Caratteri del vetro
La densità a temperatura ambiente è 2,2 g/cm3.
La durezza diminuisce man mano si aggiunge al silicio (6 GPa) la soda (5,5 GPa) e poi l’alluminio (4,5 GPa).
L’elasticità o resistenza alla flessione è massima con l’alluminio.
La conducibilità termica è bassa. Se la differenza di temperatura interno-esterno è alta il vetro può rompersi. Gli ioni alcalini (Li, Na, K, Mg, Ca) aumentano il coefficiente di dilatazione da 5 a 100.
La conducibilità termica è nulla, ma se viene scaldato a 800°C diventa un conduttore.
La conducibilità elettrica è quasi nulla, infatti la resistività della vetro è 10 alla 16°. La conduzione non è elettronica come nei metalli ma ionica, per cui è favorita da Li+, Na+, K+.
La solubilità del vetro in acqua è dovuta agli ioni alcalini Na+ e K+, ma viene efficacemente contrastata dagli ioni di Ca++, Mg++, Ba++ e Al+++.
Il vetro è trasparente perché l’assenza di cristalli permette il passaggio dei fotoni luminosi e la luce è uguale in tutte le direzioni (isotropia), ciò lo rende utile per applicazioni ottiche. L’aggiunta della soda filtra (trattiene) i raggi ultravioletti (lunghezze d’onda < 400 nm).
In edilizia si usa vetro temperato per porte e finestre che in caso di rottura si rompe in mille pezzi, riducendo il rischio di farsi male.
Per le facciate si usa un vetro strutturale molto resistente, fa passare la luce con ridotta dispersione termica.
C’è poi il vetro calpestabile che ha una capacità di carico fino a 350 kg/mq.
Il vetro più economico e diffuso è sodo-calcico.
Tesi di Francesca Bertelle
Sostituti del vetro
Polimetilmetacrilato
Polimetilmetacrilato pesa la metà del vetro: densità di 1,19 g/cm³, contro quella del vetro 2,5 g/cm³; ha un punto di rottura superiore al vetro e inferiore al policarbonato; è più tenero ai graffi; è più trasparente del vetro alla luce visibile: 0,93 contro 0,8-0,9 del vetro; il vetro ferma la luce ultravioletta, mentre il Polimetilmetacrilato può essere adattato a tutte le esigenze.