Il Vetro di Silice e le sue Proprietà

Il vetro maggiormente impiegato nelle costruzioni è il vetro silicato sodo- calcico la cui composizione chimica, fissata dalla norma EN 572-1:2004.

Figura 48: Tetraedro silicico.

Nel caso di questa tipologia di vetro la silice è composta da unità fondamentali rappresentate dai tetraedri silicici [SiO4]4-. Sia nella silice cristallina che allo stato

vetroso, i tetraedri sono collegati fra loro tramite i vertici, ovvero tramite gli atomi di ossigeno, che creano un legame misto ionico - covalente con l'atomo di silicio al centro del tetraedro. Ogni atomo di ossigeno è in comproprietà con due diversi tetraedri in modo da formare il collegamento e proprio per questa proprietà vengono denominati "ossigeni pontanti".

Mentre alcune proprietà del vetro di silice come l’isotropia assoluta, che gli conferisce proprietà ottiche, la stabilità chimica, il basso coefficiente di espansione termica e l’elevato modulo elastico (70 GPa) determinato dalla grande rigidità sono eccellenti, altre caratteristiche sono indesiderabili, come la fragilità che influisce sulla

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resistenza, la quale viene abbattuta fino a valori che vanno da 100 a 1000 MPa o le elevate temperature di lavorazione. Si può dunque modificare la composizione dei vetri al fine di migliorarne le proprietà fisiche o per conferire proprietà particolari, utili alle specifiche applicazioni.

Figura 49: Struttura di cristobalite (A) da cui si ottiene la struttura disordinata del vetro (B).

Bisogna specificare che, a causa del carattere ionico dei legami chimici della silice, l'introduzione di atomi di sostanze diverse (e quindi la creazione di difetti puntiformi) è condizionata dalla necessità di conservare la neutralità elettrica. Per questo motivo il vetro si combina principalmente con ossidi.

In base all'effetto prodotto sulla struttura o sulle proprietà del vetro, le sostanze introdotte sono suddivise secondo una serie di categorie. In funzione di come si legano al reticolo, gli ossidi vengono suddivisi in tre categorie:

Ossidi formatori di reticolo

Sono denominati "formatori di reticolo" gli ossidi che obbediscono alle regole definite da Zachariasen (nel 1932) riguardo alla struttura delle sostanze vetrogene:

- uno ione di ossigeno è legato a non più di due cationi;

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- I poliedri di coordinazione condividono angoli, ma non lati o facce; - almeno tre vertici del poliedro sono condivisi.

Le regole sono soddisfatte da SiO2 , GeO2 , P2O5 , B2O3 , As2O3 . Questi ossidi

sono detti formatori di reticolo perché hanno proprietà tali da formare vetri, da soli o in combinazione fra di loro.

Ossidi modificatori di reticolo

Fanno parte dei modificatori di reticolo gli ossidi dei metalli alcalini (Na2O ,

K2O , Li2O) e alcalino - terrosi (MgO, CaO, BaO) e l'ossido di zinco (ZnO). Quando

queste sostanze vengono introdotte in una struttura vetrosa possono modificarla, ma non sono in grado di vetrificare a loro volta, perciò restano incluse nel materiale sotto forma di impurità. Fra i modificatori di reticolo, i cationi monovalenti, essendo legati più debolmente, sono caratterizzati da una maggiore diffusività, mentre i cationi bivalenti, con un legame più forte, diffondono con più difficoltà, a vantaggio della stabilità chimica.

Ossidi intermedi

Vengono denominati "intermedi" gli ossidi che non sono in grado di formare un vetro da soli, ma che in quantità limitate possono entrare a far parte di un reticolo vetroso costituito da ossidi formatori di reticolo. Fanno parte di questa categoria BeO, Al2O3, TiO2, ZrO2 .

La suddivisione in ossidi formatori di reticolo, modificatori e intermedi appena vista non è una suddivisione rigida: il comportamento di alcuni ossidi, ad esempio il piombo può assimilarsi sia ai modificatori che ai formatori del reticolo.

Fondenti

I fondenti sono ossidi modificatori di reticolo aggiunti per abbassare la temperatura di fusione e di rammollimento della silice, al fine di facilitare la lavorazione del vetro. Quando vengono introdotti nel vetro, i fondenti si legano all'ossigeno, che perde la caratteristica "pontante", cioè non è più utilizzabile per connettere i tetraedri silicici. In questo modo la riduzione di ossigeni pontanti

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provoca l'abbassamento della viscosità e di conseguenza l'abbassamento della temperatura di transizione vetrosa, rendendo possibile la lavorazione del vetro a temperature di processo raggiungibili con più facilità. Oltre ad abbassare la temperatura di fusione della silice, i fondenti hanno la proprietà di allungare l'intervallo di temperature entro il quale il vetro solidifica, cioè l'intervallo di lavorazione, rendendo il vetro più "lungo".

I fondenti più comuni sono Na2O e CaO e danno luogo al vetro sodico - calcico,

che è il vetro più diffuso ed economico. Altri fondenti diffusi sono l'ossido di potassio, K2O, che può sostituire in parte o del tutto l'ossido di sodio, e l'ossido di litio, Li2O, che

però va inserito solo in piccole quantità, a causa della tendenza a devetrificare. Stabilizzanti

L'introduzione di ossidi nel vetro di silice può abbassare notevolmente la resistenza chimica.

Gli ossidi di calcio (CaO), magnesio (MgO), bario (BaO), piombo (PbO), zinco (ZnO), l'allumina (Al2O3) e l'anidride borica (B2O3) vengono detti stabilizzanti perché

rendono i vetri meno soggetti ad alterazioni chimiche rispetto a quelli costituiti solamente di silice e di ossidi alcalini, sostituendosi a una parte della soda e rinforzando il reticolo vetroso.

Affinanti

La silice fusa è un fluido viscoso, nel quale si trovano disperse numerose bolle gassose, che si formano in conseguenza alla decomposizione dei carbonati o a causa dell'inclusione di aria e umidità nelle materie prime. Per la maggior parte delle applicazioni del vetro è importante riuscire ad eliminare tutte le porosità, attraverso un processo che prende il nome di "affinazione" del vetro. Per effettuare l'affinazione sono necessari dei composti, detti affinanti, che si decompongono ad alta temperatura (oltre 1200°C), liberando bolle di ossigeno le quali, risalendo nel fuso, assorbono le porosità che incontrano fino a raggiungere la superficie. Una volta aggiunti gli affinanti, si porta il materiale a temperature elevate (1450°C), in questo modo la

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ridotta viscosità permette una rapida eliminazione delle bolle. Gli affinanti più comuni sono nitrati, solfati e anidride arseniosa.

Coloranti

Coloranti (in genere ossidi di metalli), decoloranti e opacizzanti sono composti che vengono inseriti nel vetro per conferire trasparenza, opacità o determinati colori.

Di particolare importanza sono i decoloranti, che attraverso un principio fisico (sovrapposizione di un colore complementare che annulla colorazioni indesiderate, come ad esempio il verde del ferro) o chimico (ossidazione o riduzione dell'elemento colorante, che così mitiga l'intensità del colore) correggono la tonalità del colore assunta dal vetro. Il decolorante più importante è il biossido di manganese.

Tabella 1: Composizioni chimiche percentuali dei vetri commerciali più comuni.