VETRO

VETRO (XXXV, p. 260; App. II, 11, p. 1106; III, 11, p. 1086)

Forse pochi altri materiali come il v. hanno stimolato l'interesse della scienza negli ultimi decenni e in particolare negli ultimi venti anni. Il risultato è una migliore conoscenza della sua struttura e delle sue proprietà che si traduce in un'ampia gamma di nuovi v. che offrono sofisticate soluzioni ai più disparati problemi tecnologici.

Costituzione. - Da un punto di vista termodinamico si tende sempre più a ricondurre la possibilità di formazione dello stato vetroso da un liquido al valore del rapporto T_M/h_M dove T_M è la temperatura di fusione o meglio di liquidus e h _M il calore di evaporazione del liquido alla stessa temperatura, nel senso che più bassa è la temperatura di fusione rispetto all'energia di legame di cui h_M è testimonianza, più difficile è l'organizzazione dello stato cristallino nel raffreddamento.

Da un punto di vista strutturale notevoli passi avanti sono stati fatti nella conoscenza dei v. a base di borati e dei v. non costituiti da ossidi, per es. del tipo calcogeniuri, come pure dell'influenza sulle proprietà per la presenza di costituenti minori e per la loro sistemazione nella struttura. Si può dire che solo negli ultimi venti anni si è avuta una migliore impostazione della struttura elettronica dei v. individuando nella sovrapposizione tra le bande di conduzione e di valenza l'origine delle possibilità d'impiego di v. semiconduttori con effetti di switching e di memoria. I v. più promettenti in questo settore sono a base di tellururi e di arseniuri.

Nel campo dei v. per ottica l'assorbimento della luce, il colore, i fenomeni di fluorescenza sono stati ben descritti valutando quantitativamente l'influenza del campo circostante su ogni transizione di tipo elettronico.

I mutamenti di proprietà indotti nei v. da radiazioni di alta energia li rendono disponibili come dosimetri delle radiazioni stesse e fanno pensare a nuovi materiali che potrebbero fra breve rappresentare più che semplici curiosità.

Il concetto che lo stato vetroso sia raggiungibile solo per rapido raffreddamento di un liquido trova sempre più frequentemente smentita e si mettono a punto oggi v. ottenuti per deposizione da fase vapore oppure da geli ricavati da composti metallorganici che raggiungono lo stato vetroso senza passare attraverso lo stato fuso.

Processi di fabbricazione. - Anche se praticamente non si sono avute grosse novità nel processo di fabbricazione del v., che nelle sue linee essenziali ricalca ancora quello di duemila anni fa, sensibili progressi sono stati fatti nel dosaggio e nella ottimizzazione delle miscele vetrificabili grazie anche alla disponibilità dei calcolatori il cui intervento si è dimostrato utilissimo nella progettazione e nella razionalizzazione dei forni.

Se, per es., per un forno da v. cavo nel 1920 il consumo di combustibile equivalente per avere un kg di v. era di 400 g di olio pesante e nel 1940 di 250 g, oggi è appena di 130 g. Nel contempo la capacità di fusione, espressa in tonnellate di v. per m² e per giorno, è salita da 0,5 a 2,5.

Il gas naturale ha pressoché sostituito l'olio combustibile nei grossi impianti. Nel 1975 il consumo medio di v. per abitante di tutto il mondo è stato di 20 kg, il che comporta un consumo globale di energia necessaria per la produzione, espresso convenzionalmente in carbone, pari a 70 milioni di tonnellate. La crisi del petrolio rende sempre più competitivi i forni elettrici verso i quali, ove possibile, ci si va orientando mettendo a fuoco i problemi di refrattari e di elettrodi che vi sono connessi. Si tende parimenti a studiare delle soluzioni per aumentare il rendimento termico di forni da v. che oggi è ancora piuttosto basso e oscillante tra il 5 e il 30%. L'impiego di aria arricchita in ossigeno o addirittura di ossigeno puro come comburente, il ricorso a una preventiva pellettizzazione delle materie prime o un loro preriscaldamento sono ancora nella fase di ricerca.

Pur se l'industria del v. non è considerata tra le più inquinanti, i nuovi impianti sono dotati di sistemi per l'abbattimento dei prodotti nocivi, in particolare nel caso dei v. al fluoro e al piombo.

Tipi di vetro. - Nel campo del v. piano gli ultimi anni hanno visto la decisiva affermazione del processo float (App. III, 11, p. 1088). Nel 1976 esistevano nel mondo già 60 impianti di questo tipo e il loro numero è in continuo aumento.

La possibilità di ottenere delle lastre anche in spessori sottili (fino a 2 mm) direttamente dal forno, con superfici piane parallele e perfettamente pulite per effetto del contatto al momento della genesi della superficie con la specularità di un bagno metallico fuso, elimina infatti ogni ulteriore oneroso processo di lucidatura e rende più agile la produzione. Le lastre di v. vengono oggi prodotte in un'ampia gamma di colori, ma il dosaggio tra energia trasmessa, assorbita e riflessa alle varie lunghezze d'onda viene per lo più realizzato per deposito di film sottili di ossidi metallici che consentono la disponibilità di prodotti per le costruzioni con caratteristiche, per es., d'isolamento termico prima insospettate.

Le legislazioni di tutto il mondo raccomandano sempre più il ricorso a v. di sicurezza nei veicoli e nell'edilizia. V. di sicurezza sono il v. temprato termicamente (XXXV, p. 269) o chimicamente (si realizza in superficie uno scambio ionico tra il sodio presente nel v. e il potassio di un bagno di sali fusi mettendo così la superficie in compressione), il v. stratificato ottenuto accoppiando più lastre con interposti fogli di polivinilbutirrale (si possono avere così vetrate anche antiproiettile e antieffrazione) e, in una certa misura, il v. retinato consigliato soprattutto dalle norme antincendi.

È aumentata fortemente negli ultimi anni la produzione dei contenitori di vetro. Si valuta che nei diversi paesi del mondo si producano 200 milioni di contenitori di v. al giorno di cui circa 7 milioni in Italia. Il motivo di tale sviluppo è da ricercarsi nell'incremento dei prodotti preconfezionati, nell'inalterabilità chimica del v., soprattutto nel confronto dei prodotti alimentari e nei progressi che sono stati fatti migiorando le caratteristiche meccaniche e diminuendo il peso dei contenitori. Una bottiglia da litro, che pesava 850 g nel 1945, si può avere con 600 g oggi o anche con 380 g se se ne prevede un solo impiego (bottiglie a perdere, o one way). È aumentata anche la velocità di produzione. Vi sono oggi macchine a doppia o anche a tripla goccia che riescono a produrre fino a quasi 300.000 contenitori nelle 24 ore.

Fra i prodotti vetrari che hanno avuto recentemente un forte impulso sono le fibre di v., sia negl'impieghi tradizionali, come isolante termico o acustico, sia soprattutto in accoppiamento ad altri materiali per la realizzazione dei compositi. Oltre che nelle vetroresine, le fibre di v. sono impiegate come materiali di rinforzo nella carta, nella gomma e recentemente con composizioni particolari anche nel cemento. Le cosiddette fibre ottiche, che consentono la trasmissione della luce anche per linee curve sfruttando una serie di riflessioni multiple che si hanno in fibre di pochi μm di diametro, annegate in v. d'indice di rifrazione molto inferiore, sembrano estremamente promettenti per la trasmissione delle informazioni a distanza su frequenze fino a 10¹⁵ Hz. Si tratta in questa ultima versione di fibre ottenute da silice estremamente pura e quindi ancora di non facile realizzazione. Una fibra ottica di 50 μm di diametro offre una capacità pari a quella di 100 milioni di canali telefonici.

Negli ultimi anni, grazie anche a più raffinati sistemi d'indagine a disposizione, si è sempre più evidenziata la microeterogeneità strutturale di alcuni v. anche in vista di una migliore comprensione di fenomeni di devetrificazione per l'ottenimento di vetroceramiche (App. III, 11, p. 1087). Sono state messe a punto nuove composizioni suscettibili di smistamenti di fase per trattamento termico sì da ottenere, per riscaldamento dei v., prodotti quasi completamente ceramizzati. Le applicazioni più interessanti di tali prodotti si hanno nel campo dell'elettronica, dei materiali sottoposti a forti sbalzi termici in quanto il coefficiente di dilatazione è molto basso o addirittura negativo e soprattutto nel settore dei materiali per impieghi ad alte temperature laddove anche le superleghe di nichel denunciano dei limiti di applicabilità. La migliore conoscenza della microstruttura dei v. ha permesso anche di ottenere dei prodotti a microporosità controllata di cui si possono prevedere interessanti e nuove applicazioni come membrane per dissalazione, filtri antivirus di precisione quasi molecolare, matrici enzimatiche per la denaturazione delle proteine nell'industria alimentare, separatori cromatografici. Su scala più macroscopica, v. porosi detti anche "vetri schiuma", ottenuti realizzando una forte presenza di gas al momento della loro formazione, trovano sempre più largo impiego come isolanti nell'edilizia.

Bibl.: R. W. Douglas, B. Ellis, Amorphous materials, Londra 1970; R. Doremus, Glass science, ivi 1970; Semiconductors effects in amorphous solids, Amsterdam 1970; G. B. Ruthenberg, Introduction to glass science, New York 1972; Relaxation processes in glasses, Amsterdam 1973; Union scientifique continental du verre, Symposium sur la fusion et affinage du verre (Madrid 1972), Charleroi 1973; F. V. Tooley, The handbook of glass manufacture, New York 1975; F. Kerkhof, Glass surface, Amsterdam 1975; W. Eitel, Silicate science, New York 1976; G. B. Rothenberg, Glass technology recent developments, New Jersey 1976. Le pubblicazioni della Commissione internazionale del vetro, tra cui i resoconti del IX Congresso internazionale del vetro (Versailles), del X (Kyōto) e dell'XI (Praga).