PREPARAZIONE E CARATTERIZZAZIONE
DEI VETRI COLORATI
Università degli studi di Milano-Bicocca
Dipartimento di Scienza dei Materiali
Cos’è un vetro?
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COS’È UN VETRO?
•SOLIDO?
•LIQUIDO?
•ALTRO?
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GLI STATI DELLA MATERIA
Volume specifico
Liquido
Vetro
Tg
CAMBIAMENTO DI VOLUME
Tf
Tf =TEMPERATURA DI FUSIONE
Tg =TEMPERATURA DI TRANSIZIONE
VETROSA
Cristallo
TEMPERATURA
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DEFINIZIONE DI “VETRO ”
LO STATO VETROSO È
QUELLO DI UN SOLIDO
BLOCCATO NELLA
STRUTTURA DISORDINATA
DI UN LIQUIDO (FASE AMORFA)
SOLIDO:ORDINE A LUNGO RAGGIO
AMORFO:ASSENZA DI ORDINE
A LUNGO RAGGIO
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DEFINIZIONE DI “VETRO ”
“il vetro è uno stato della materia che mantiene l’energia,
il volume e l’arrangiamento atomico di un liquido, ma
per la quale i cambiamenti di energia e volume con la
temperatura e pressione sono simili in grandezza a
quelli di un solido cristallino….”
Nota: In questa categoria di composti sono compresi,
quindi, non solo i vetri di ossidi inorganici, tipicamente a
base di silice, sui quali è basata l’esperienza, ma anche
polimeri organici, resine e vetri metallici.
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Con quali elementi
chimici realizziamo
un vetro colorato?
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I TRE ELEMENTI BASE
• Vetrificanti
• Fondenti
• Stabilizzanti
• Coloranti
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PERCHÉ TRE ELEMENTI?
• VETRIFICANTI -
Rappresentano l’elemento essenziale dello stato
vetroso che compone il reticolo amorfo del vetro
– SiO2 (ossido di Silicio - SIlice) Tf = 1713
1713°
°C
– B2O3 (ossido di boro- Borace)
• FONDENTI
-
Aiutano il processo di fusione abbassandone la
temperatura
– Na2O (Soda – tipicamente si usa Na2CO3)
• (75%SiO2 – 25% Na2O → Tf = 793
793°
°C)
• STABILIZZANTI
– Conferiscono
maggiore stabilità e resistenza
fisica e chimica al vetro
– CaO (Marmo) – MgO (Magnesia) – Al2O3 (Allumina) – BaO – PbO
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LA STRUTTURA CRISTALLINA
Tf = 1713°
1713°C
Silice
fusa
Quarzo
Silice
amorfa
ECCESIVO DISPENDIO ENERGETICO PER LA FUSIONE
(Rottura degli energetici legami covalenti SiSi-O-Si)
+
Na2CO3
>1000°C
Lenta
o
Veloce
Tf =793°
=793°C
I legami ionici tra O- e Na+ abbassano il punto i fusione
ma genero VETRO IDROSOLUBILE
necessita uso STABILIZZANTI CaO – MgO – Al2O3 –PbO
VARIE TIPOLOGIE DI VETRI
1. Soda-Lime-Silica (Tipico vetro commerciale per bottiglie, barattoli, ecc.)
2. Vetro borosilicato (Pyrex = basso coefficiente di espansione termica)
3. Cristallo (Vetro al piombo; particolari proprietà ottiche a seguito della sua alta densita)
4. Vetro di Silice (alta temperatura)
5. Soda-Lime-Silica antico di produzione Romana
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I COLORANTI
Tipicamente sono ossidi di metalli di transizione
Colorante
Condizioni
Ossidanti
Condizioni
Riducenti
Biossido di Manganese
Ametista
Nessuna
Ossido di Rame(II)
Verde –Blu
Verde -Blu
Ossido di Ferro(III)
Verde Oliva
Verde – Blu
Ossido di Cerio
Giallo
Giallo
Ossido di Nichel
Violetto
Violetto
Ossido di Neodimio
Violetto
Violetto
Cloruro di Oro
Rosso rubino
Nessuna
Uranio
Giallo Fluorescente
Verde Fluorescente
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FASI DELLA
LAVORAZIONE DEL
VETRO
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FASI DELLA LAVORAZIONE
Fase 1 : Miscelazione materie prime
Analisi della purezza (in vetri per ottica si usa SiO2 pura al 99,7%) e della
granulometria delle materie prime (0,2-0,5mm + vetri riciclati+ colorante)
Fase 2 :
Fusione
Durante la fusione, si verificano l'eliminazione dell'acqua presente nei
componenti di partenza, la dissociazione dei carbonati e dei solfati
con sviluppo di anidride carbonica o solforosa, la formazione di una
massa fusa il più possibile omogenea
Fase di fusione: a 1500 °C: Durata di 6 ore
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FASI DELLA LAVORAZIONE
Fase 3: Affinaggio (2(2°° momento della fusione)
L'operazione con cui la massa fusa viene privata di tutte le bollicine di gas
presente, che potrebbero dare origine a difetti nei manufatti preparati.
Conclusa questa fase, il vetro fuso è una massa avente in tutti i punti uguale
composizione chimica e, conseguentemente, le medesime proprietà fisiche.
La fusione si conclude con la fase di riposo o di condizionamento, durante la
quale la massa fusa viene raffreddata gradualmente(1200°C) fino alla
temperatura di formatura.
1°fase di affinaggio: a 1300 °C. Durata 6 ore
2°fase di affinaggio: a 1200 °C. Durata 6 ore
Fase 4:
Formatura
eseguita in diverse modalità*, quando il vetro è ancora fluido e si trova in un
campo di temperatura nel quale assume viscosità tale da poter essere
lavorato e da conservare la forma impartita, senza alterazioni.
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FASI DELLA LAVORAZIONE
Fase 5: Ricottura
consiste in un riscaldamento del vetro ad una temperatura leggeremente
inferiore al valore di Tg e serve ad eliminare le torsioni che si generano
durante la formatura e che rendono difficile le operazioni di finitura come, ad
esempio, il taglio.
E' una fase essenziale per eliminare le tensioni interne formatesi per
irregolarità di riscaldamento o raffreddamento.
raffreddamento.
La scelta della temperatura e della velocità di raffreddamento sono in
funzione del tipo di vetro e del suo spessore.
Varie modalità* di formatura
• Colata e stampaggio
• Soffiatura
• Laminazione
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IL COLORE
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COME AGISCE IL COLORANTE?
Colorati →Atomi di metalli di transizione dispersi nella matrice vetrosa
Energia
Ogni specie chimica (atomo, molecola, ione) ha una serie
caratteristica di livelli energetici (elettronici, vibrazionali,
rotazionali). Generalmente gli stati ad energia inferiore (Stato
Stato
fondamentale = E’ ) sono occupati mentre gli altri sono occupati,
mentre gli stati a alta energia sono vuoti (Stato
Stato eccitato = E’’ ).
E’’ = Stato non occupato
LUCE
LUCE
Componente con energia opportuna per
compiere transizione E’E’-E’’
E’ = Stato occupato
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COS’È IL COLORE?
Nel processo di assorbimento
assorbimento, l’energia della radiazione assorbita è
uguale alla differenza tra i due livelli energetici E’ - E’’
La radiazione non assorbita passa attraverso il campione e può essere
misurato da uno strumento ( o dall’occhio umano).
IL COLORE DEL CAMPIONE È IL COLORE COMPLEMENTARE
DELLA RADIAZIONE ASSORBITA
LUCE ASSORBITA
ROSSA
Energia
Es:
LUCE BIANCA
(costituita da tutte le lunghezze d’onda)
E’’
LUCE TRASMESSA
BLU--VERDE
BLU
E’
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(transizioni elettroniche)
RANGE VISIBILE
I COLORI COMPLEMENTARI
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MISURE SPETTROFOTOMETRICHE
L’insieme degli assorbimenti di radiazione al variare della
lunghezza d’onda viene tipicamente chiamato spettro di
assorbimento. L'intensità della radiazione monocromatica
assorbita è proporzionale alla concentrazione della specie in
esame e allo spessore del campione. Gli strumenti impiegati
per misurare l'assorbimento delle radiazioni da parte di una
soluzione sono chiamati SPETTROFOTOMETRI.
La registrazione dell'assorbimento di un determinato
campione richiede una sorgente di radiazioni (LAMPADA),
un dispositivo in grado di selezionare le lunghezze d'onda
più opportune (MONOCROMATORE) e, a valle del
compartimento celle dove si mette il campione, un altro
dispositivo in grado di misurare l'intensità della radiazione
uscente cioè un rivelatore. Infine, un opportuno indicatore
fornisce i valori di assorbimento misurati.
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!!!! NOTE PER LA SICUREZZA NEI
LABORATORI !!!!
Per una sicura e corretta permanenza di tutto il
personale nei laboratori si fa obbligatorio:
• L’uso continuativo di camice, occhiali protettivi
• In caso di utilizzo di sostanze chimiche si prevede l’utilizzo di
guanti di lattice e mascherina protettiva (utilizzo di polveri)
• Non introdurre cibi e bevande in laboratorio
• Attenersi alle indicazioni dell’esercitatore durante tutte fasi
dell’esperienza in laboratorio a seguito di pericoli non
espressamente evidenti ai non addetti ai lavori
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I LEGAMI CHIMICI
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VISCOSITÁ
FLUSSO DELLA MATERIA
TRAZIONE
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FLUSSO DELLA MATERIA
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