Definizione

Il vetro è un materiale solido amorfo formatosi per progressiva solidificazione di un liquido viscoso, ottenuto per fusione di minerali cristallini.
La silice (sabbia) fonde a temperatura elevata (1723°C) e dà luogo, per raffreddamento rapido ad un solido amorfo (vetro silice). Il vetro di sola silice rammollisce a temperatura molto alta , quindi le molecole scorrono con estrema difficoltà le une sulle altre.
Per abbassare la temperatura di rammollimento e quindi la temperatura di lavorazione, si devono rompere alcuni collegamenti tra le molecole di silice. Ciò si ottiene introducendo nel reticolo atomi che lo modificano come ad esempio il sodio. In tal modo il vetro diventa più facilmente liquido a temperatura più bassa. Questi atomi vengono chiamati fondenti o modificatori di reticolo. Si può così già notare che il vetro è composto da formatori di reticolo o vetrificanti (come la silice si comportano anche altri ossidi quali il boro, l’allumina, ecc.) e modificatori di reticolo (comportamento analogo a quello del sodio si riscontra anche con l'ossido di calcio, potassio, il bario, il piombo, il magnesio ecc.).

Natura

La transizione di stato: solido <- -> liquido in un solido cristallino avviene istantaneamente ad una temperatura ben precisa (Tf di fusione). In un vetro avviene in modo graduale e continuo per una progressiva variazione di viscosità in un intervallo di temperature nel quale si individua la Tg temperatura di transizione vetrosa . Per questo motivo, la 'storia tecnica' (durata e intensità della fusione, durata e curva termica del raffreddamento) ha una notevole influenza sulle qualità fisiche e chimiche del vetro risultante.
Secondo la sua composizione e la sua storia termica, il vetro può essere trasparente, translucido o opaco, incolore o colorato. A temperatura ambiente è durissimo (ha durezza 5-6 nella scala Mohs) e fragile, non è poroso, di forte caratteristica lucentezza, rifrange in modo notevole i raggi luminosi, dilata solo leggermente al calore, di cui è un cattivo conduttore; non si scioglie nell'acqua e negli acidi, anche se concentrati, eccettuato l'acido fluoridrico, pur cedendo loro, in minima misura, e maggiormente a caldo, ioni modificatori dalla propria superficie. Si scioglie invece nelle soluzioni basiche. Non brucia, non si lascia calcinare; 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.

Miscela vetrificabile

Il vetro si ottiene per fusione in un forno ad alta temperatura di una miscela omogenea di minerali (miscela vetrificabile), detti materie prime, mescolati in opportune proporzioni in peso, e di rottame di vetro. Le aggiunte delle materie prime sono calcolate in peso, facendo riferimento a 100 Kg di sabbia. Tutti i componenti la miscela sono in polvere e le dimensioni dei grani hanno una grande importanza per la riuscita della fusione. Se le polveri sono troppo fini vi sono problemi di spolverio, cioè di dispersione del prodotto nella camera fusoria e nell'ambiente attraverso i fumi, prima che abbia avuto il tempo per reagire. Se, invece, sono troppo grossolane, vi sono problemi di omogeneità della miscela; la silice, la materia prima più altofondente, è la più delicata da questo punto di vista. Grani troppo grossi non riuscirebbero a fondere; grani troppo fini si possono segregare (impaccare) e, non miscelandosi omogeneamente con le altre materie prime, risulterebbero anch'essi infusibili. L'omogeneità della miscela è importantissima e, per favorirla, oltre alla dimensione dei grani delle singole materie prime (granulometria), è fondamentale la buona la qualità della miscelazione e l'aggiunta di piccole quantità di acqua (2-4%) che impedisce la separazione tra le fasi. Fino alla fine del XVIII secolo, le ceneri vegetali, la silice e pochi altri composti erano praticamente gli unici componenti della miscela. Ma, da quando la scienza ha sviluppato la chimica moderna, anche l'industria vetraria ha fatto rapidi progressi ed i suoi prodotti hanno raggiunto già verso la fine del XIX secolo un alto grado di diversificazione e perfezione. Da una parte, lo sviluppo della teoria del calore ha dato alle vetrerie la possibilità di usare combustibili diversi dal legno, d'altra parte, l'industria chimica ha creato nuovi materiali refrattari in grado di resistere a più alte temperature e nuove materie prime più economiche. Fra queste i più importanti sono sicuramente i composti alcalini di sintesi, indispensabili per fondere la silice.

Le origini

Già nella preistoria l'uomo conosceva l'ossidiana, una pietra vetrosa di origine vulcanica, originata per rapido raffreddamento della lava. Con l'ossidiana venivano fabbricati armi e utensili. Essa aveva un aspetto traslucido, di color nero o verde scuro, quasi mai trasparente. Le ipotesi sull'origine del vetro artificiale sono molteplici e comunque non sufficientemente suffragate da prove pervenute ai giorni nostri ma da notizie tramandate. Le prime notizie quasi certe sulla sua fabbricazione si fanno risalire intorno al 3000 a.C. Probabilmente i primi manufatti in nuclei cristallini coperti da un sottile strato vetroso di colore azzurro ed azzurro-verde furono prodotti in Mesopotamia per imitare le pietre dure.
Secondo Plinio il Vecchio (nel suo trattato Naturalis Historia), il primo utilizzo del vetro risale al III millennio a.C. in Fenicia. Nel 2000 a.C. il vetro veniva impiegato in Egitto per produrre stoviglie, altri utensili e monili (detti perle di vetro). Intorno al 1000-500 a.C. risalgono piccoli vasi in vetro ritrovati in India e Cina.
Nella metà del I secolo a.C. circa fu sviluppata la tecnica del soffiaggio, che ha permesso che oggetti prima rari e costosi divenissero molto più comuni. Durante l'Impero Romano il vetro fu plasmato in molte forme, principalmente vasi e bottiglie. I primi vetri erano di colore verde a causa della presenza di impurità di ferro nella sabbia utilizzata.
Nel V-VII secolo d.C. si sviluppa l'uso del mosaico in vetro nell'arte bizantina. Oggetti in vetro risalenti ai secoli VII e VIII sono stati rinvenuti sull'isola di Torcello, vicino a Venezia.
Una svolta nella tecnica produttiva si è avuta intorno all'anno 1000, quando nel nord Europa la soda fu sostituita con la potassa, più facilmente ottenibile dalla cenere di legno. Da questo momento i vetri del nord differirono significativamente da quelli originari dell'area mediterranea, dove si è mantenuto l'impiego della soda.
L'XI secolo vide l'emergere, in Germania, di una nuova tecnica per la produzione di lastre di vetro per soffiatura, stirando le sfere in cilindri, tagliando questi ancora caldi e appiattendoli quindi in fogli. Questa tecnica fu poi perfezionata nel XIII secolo a Venezia (centro di produzione vetraria del XIV secolo), dove furono sviluppate nuove tecnologie e un fiorente commercio di stoviglie, specchi ed altri oggetti di lusso. Alcuni vetrai veneziani si spostarono in altre aree d'Europa diffondendo così l'industria del vetro.
Fino al XII secolo il vetro drogato (cioè con impurità coloranti come metalli) non fu impiegato.
Nel 1271 lo statuto chiamato Capitolare di Venezia tutelava la manifattura del vetro veneziano, proibendo che venissero importati vetri dall'estero e negando ai vetrai stranieri la possibilità di operare a Venezia.[10] Nel 1291 viene decretato il trasferimento delle vetrerie da Venezia all'isola di Murano, in modo da confinare eventuali incendi.
In Venezia alla fine del XIII secolo, si fa risalire l'invenzione degli occhiali con lenti in vetro quando i "cristalleri" della Serenissima, per le lenti da vista, iniziarono a sostituire il berillo, utilizzato fino ad allora, con il vetro.
Al 1369 risale la produzione di specchi a Murano.
Nel 1450 Angelo Barovier inventa il "cristallo" a Murano, ottenendolo a partire dal vetro con l'aggiunta di sodio e manganese.
Manifattura artigianale del vetro (1850 circa)
Il processo di produzione Crown fu impiegato a partire dalla metà del XIV secolo fino al XIX secolo. In questo processo, il soffiatore fa ruotare circa 4 kg di massa vetrosa fusa all'estremità di una barra fino ad appiattirla in un disco di circa 1,5 metri di diametro. Il disco viene quindi tagliato in lastre. Nel XVII-XVIII secolo nasce il cristallo di Boemia.
Il vetro veneziano ebbe un costo elevato tra i secoli X e XIV, fino a che gli artigiani riuscirono a mantenere segreta la tecnica. Ma intorno al 1688 un nuovo processo di fusione fu sviluppato, ed il vetro divenne un materiale molto più comune. L'invenzione della pressa per vetro nel 1827 diede inizio alla produzione di massa di questo materiale.
La tecnica a cilindri fu inventata da William J. Blenko all'inizio del XX secolo. Risale al 1903 la prima macchina per la realizzazione delle bottiglie su scala industriale.
Nel 1913 viene messo a punto il procedimento Fourcault per la realizzazione del vetro tirato, seguito nel 1916 dal metodo Libbey-Owens e nel 1925 dal metodo Pittsburg.
Le decorazioni sono incise sul vetro per mezzo di acidi o sostanze caustiche, che corrodono il materiale. Tradizionalmente l'operazione è svolta da artigiani esperti dopo che il vetro è stato soffiato o colato. Nel 1920 fu sviluppato un nuovo metodo consistente nello stampaggio diretto delle decorazioni sul vetro fuso. Questo ha permesso di abbattere i costi di produzione e assieme alla diffusione dell'uso di vetri colorati, portò ad un uso più diffuso delle stoviglie in vetro intorno al 1930. Intorno al 1928 risale la nascita del vetro di sicurezza.
Nel 1936 vengono realizzate le prime fibre di vetro.
Negli anni sessanta viene messo a punto il processo float per la produzione di vetri piani.

Composizione

Il vetro è composto da una miscela omogenea di ossidi in proporzioni variabili, distinti in formatori e modificatori del reticolo vetroso. I principali formatori di reticolo (per questo detti anche vetrificanti) sono la silice (SiO2) e l'anidride borica (B2O3), ma numerosi altri ossidi tri o tetravalenti (di fosforo, germanio, ecc.) hanno queste caratteristiche. I modificatori si distinguono in fondenti (ossidi alcalini, principalmente di sodio e potassio) e stabilizzanti (ossidi alcalino-terrosi di calcio, magnesio, bario, ..). Gli ossidi di alcuni elementi come il piombo possono essere sia formatori che modificatori del reticolo. I vetri silicatici, i più numerosi, sono costituiti da un reticolo nel quale atomi di silicio e di ossigeno sono legati tra loro da forti legami chimici covalenti. Altri elementi interrompono la continuità del reticolo ( per questo sono detti modificatori ) creando legami di tipo ionico.

In forma pura, il vetro è trasparente, duro, pressoché inerte dal punto di vista chimico e biologico, e presenta una superficie molto liscia. Queste caratteristiche ne fanno un materiale utilizzato in molti settori; allo stesso tempo il vetro è fragile e tende a rompersi in frammenti taglienti. Questi svantaggi possono essere ovviati (in parte o interamente) con l'aggiunta di altri elementi chimici o per mezzo di trattamenti termici.
Una delle caratteristiche più evidenti del vetro ordinario è la trasparenza alla luce visibile. La trasparenza è dovuta all'assenza di stati di transizione elettronici nell'intervallo energetico della luce visibile e al fatto che il vetro non ha disomogeneità di grandezza confrontabile o superiore alla lunghezza d'onda della luce, che provocherebbero scattering, come avviene di solito con i bordi di grano dei materiali policristallini.
Il vetro comune non è invece trasparente alle lunghezze d'onda minori di 400 nm (ovvero il campo ultravioletto), a causa dell'aggiunta della soda. La silice pura (come il quarzo puro, piuttosto costosa) non assorbe invece gli ultravioletti e viene perciò impiegata nei settori dove occorre questa caratteristica.
Il vetro può essere prodotto in forma così pura da permettere il passaggio della luce nella regione dell'infrarosso per centinaia di chilometri nelle fibre ottiche.

Aggiunte di elementi chimici nei vetri

Il vetro comune è detto anche "vetro siliceo", in quanto costituito quasi esclusivamente da diossido di silicio (SiO2). Il diossido di silicio ha un punto di fusione di circa 1800 °C, ma spesso durante la produzione del vetro vengono aggiunte altre sostanze (dette "fondenti"), che abbassano il punto di fusione anche al disotto dei 1000 °C, quali ad esempio:

la soda (carbonato di sodio Na2CO3)

la potassa (carbonato di potassio)

Fondenti usati spesso nell'industria vetraria sono i borati e i nitrati. Poiché la presenza di soda rende il vetro solubile in acqua (caratteristica non desiderabile), viene aggiunta anche calce (CaO) per ripristinare l'insolubilità. Altre sostanze possono essere aggiunte per ottenere diverse proprietà. A seconda dell'azione sul reticolo cristallino, gli ossidi aggiunti nei vetri possono essere classificati in:

ossidi formatori di reticolo: ossido di silicio, ossido di boro e ossido di fosforo.

ossidi modificatori di reticolo: ossidi di metalli monovalenti e bivalenti (tra cui: sodio, potassio, calcio e magnesio)

ossidi intermediari: ossido di alluminio e ossido di piombo.

Le sostanze aggiunte al vetro possono inoltre essere classificati in base alla loro funzione:

fondenti: abbassano la temperatura di fusione e migliorano la fluidità del vetro durante la sua produzione (ossidi di sodio e potassio);

stabilizzanti: migliorano le proprietà chimiche e meccaniche del vetro prodotto (ossidi di calcio, bario, magnesio e zinco);

affinanti: agevolano l'eliminazione di difetti (triossido d'arsenico, nitrati alcalini e nitrati d'ammonio);

coloranti: modificano l'aspetto cromatico del vetro prodotto (ossidi di ferro, rame, cromo e cobalto);

decoloranti: neutralizzano il colore impartito da altre sostanze (biossido di manganese);

opacizzanti: per la produzione del vetro opalino (fosfati di sodio, cloruri di sodio, fosfati di calcio, cloruri di calcio, ossido di stagno e talco).

I vetri si possono classificare a seconda del loro impiego:

Vetro comune è trasparente ed è usato per finestre, specchi e servizi da tavola. Il vetro per bottiglie viene spesso colorato con ossidi di ferro o altre sostanze.

Vetro neutro viene impiegato nell’industria farmaceutica.

Vetro atermico o pyrex è resistente al calore, viene impiegato nella vetreria domestica e per recipienti usati nei laboratori chimici.

Vetro ottico limpidissimo e trasparente, totale mancanza di difetti, viene usato per lenti, occhiali, apparecchi scientifici.

Vetro fotocromatico contiene sali d’argento. Se colpito da una forte intensità luminosa diventa scuro.

Cristallo è formato da silicati di piombo e di potassio ed è caratterizzato da una notevole brillantezza e sonorità metallica. Si presta per la molatura e l’incisione.

Vetro temperato ha grande resistenza e durezza date dalla tempra, sistema di raffreddamento rapido. Se si rompe si riduce in piccoli frammenti arrotondati.

Specchio per fabbricare gli specchi si parte da lastre di vetro perfettamente parallele, senza difetti. Per ottenere la superficie riflettente si fa depositare sul vetro uno strato sottile di argento per gli specchi pregiati, di stagno e alluminio per gli specchi comuni, di piombo per gli specchi scuri. Gli strati metallici vengono poi protetti con vernici.