Il termine 'vetro' è comunemente usato per materiali amorfi formati come risultato del rapido raffreddamento di un liquido, bypassando la fase di cristallizzazione. Dal punto di vista strutturale, il vetro è un solido con un reticolo di atomi non periodico. Gli ossidi di silicio, boro e fosforo, ovvero SiO 2 , B 2 O 3 e P 4 O 10 , e le loro leghe con altri ossidi, ad esempio metalli alcalini e metalli alcalino terrosi, hanno la capacità di formare il vetro (mediante solidificazione in una massa amorfa) . Come elemento primario, selenio, zolfo, carbonio, silicio, tellurio, arsenico, germanio, boro e fosforo hanno proprietà vetrose. Oltre alle sostanze precedentemente menzionate, le stesse proprietà si osservano in alcune sostanze organiche altamente polimerizzate, come il polistirene e composti con un gruppo ossidrile, come la glicerina.
Le proprietà del vetro
A differenza dei corpi cristallini anisotropi, i vetri hanno proprietà isotrope. Man mano che il materiale viene riscaldato, si ammorbidisce gradualmente e passa continuamente da uno stato solido a uno stato in cui può essere descritto come un liquido super raffreddato e altamente viscoso. L’intervallo di temperatura in cui si osserva questa trasformazione è relativamente ristretto ed è noto come intervallo di trasformazione del vetro. Si possono osservare diversi cambiamenti significativi: c’è un rapido cambiamento nel calore specifico, nell’indice di rifrazione, nel coefficiente di dilatazione termica e nella permittività. A temperature inferiori all’intervallo di trasformazione, il vetro è duro e fragile. All’aumentare della temperatura diventa sempre più plastico fino a trasformarsi in un liquido più mobile. L’intervallo di trasformazione del vetro al quarzo è di circa 1500 K, mentre per i vetri ai silicati le temperature sono leggermente inferiori, intorno agli 800-1000 K, a seconda dell’esatta composizione del materiale.
Le proprietà del vetro
Sia il vetro al quarzo che quello ai silicati hanno una struttura che ricorda i silicati cristallini. È composto da gruppi tetraedrici SiO 4 che si collegano per formare una rigida struttura tridimensionale. La differenza, però, è la loro disposizione, perché a differenza dei corpi cristallini con un reticolo cristallino ordinato, i gruppi presenti nel vetro sono interconnessi in modo disordinato. Il sistema vetroso è descritto come apparentemente stabile, il che significa che non raggiunge un equilibrio, ma tende allo stato cristallino. In condizioni normali, questo processo è così lento da essere impercettibile. Può essere osservato solo su occhiali molto vecchi. Tuttavia, la velocità del processo può essere aumentata da temperature più elevate di 1200-1400 K, a seconda del grado del vetro. Un notevole cambiamento post-cristallizzazione è una caratteristica torbidezza e una maggiore fragilità del vetro. La plasticità della massa di vetro può essere modificata liberamente utilizzando la temperatura di lavorazione appropriata e può essere formata mediante soffiatura, pressatura, ecc.
Esempi di materiali vetrosi
- Vetro sodico-calcico 12,9%Na 2 O (soda), 11,6%CaO (calce, carbonato di calcio), 75,5%SiO 2 (sabbia di vetro).
- Vetro potassico-calcico, dove Na 2 O è stato sostituito da K 2
- Vetro sodico-potassico-calcico, che contiene sia ossidi di sodio che di potassio.
- Vetro Jena 74,5%SiO 2 , 8,5%Al 2 O 3 , 4,6%B 2 O 3 , 7,7%Na 2 O, 3,9%BaO, 0,8%CaO, 0,1%MgO.
Vetro silicato
Il vetro silicato è il tipo di vetro più comunemente usato, che viene prodotto fondendo sabbia di quarzo con soda Na 2 CO 3 e calcare CaCO 3 a una temperatura di ca. 1800 K. Grazie a tali condizioni è possibile introdurre nella massa ossidi di silicio, sodio e calcio (SiO 2 , Na 2 O i CaO). L’ossido di base che forma il vetro nella sua composizione è SiO 2 , e il suo reticolo è il cosiddetto legame silicio-ossigeno che contiene sostituzioni ioniche intermedie con ioni modificatori interposti. Provengono da ulteriori ossidi introdotti, che è quello di modificare le proprietà del vetro.
Colorazione del vetro
Gli additivi di ossido di metallo di transizione vengono utilizzati per macchiare il vetro. Gli ossidi di cobalto danno un colore viola-blu, il triossido di dicromo dà un colore verde e gli ossidi di ferro, a seconda delle condizioni nel forno, danno un colore verde in atmosfera riducente e marrone in atmosfera ossidante. La colorazione del vetro in un colore rosso rubino viene eseguita utilizzando oro disperso colloidale: la massa di vetro viene sciolta e durante la decomposizione viene rilasciato oro nella frammentazione atomica. Inizialmente è incolore, ma dopo il riscaldamento ad una temperatura di ca. 800-900 K e raffreddamento lento, diventa rosso rubino. Un meccanismo simile viene utilizzato per produrre il vetro giallo, ma al posto dell’oro viene utilizzato l’argento colloidale. 
Rinforzo in vetro
È possibile migliorare la qualità della superficie del vetro e modificarla in modo che non vi siano crepe o il loro spostamento. Esistono tre tipi principali di processi di rinforzo del vetro:
- Tempra , in cui il materiale viene riscaldato ad alte temperature e poi raffreddato in aria o olio. Poiché la superficie si raffredda più velocemente dello strato interno, le sue dimensioni non possono corrispondere. L’interno è teso dalla superficie e la superficie è compressa dall’interno.
- L’indurimento chimico consente di ottenere effetti simili alla tempra. Il vetro viene posto in un sale fuso contenente cationi di potassio, ad esempio in KNO 3 riscaldato per 12 ore a 500 o C. La diffusione provoca lo scambio di ioni da Na + a K + mentre allungano la superficie esterna.
- La laminazione del vetro è un metodo per posizionare uno strato di polimero tra un minimo di due strati di vetro. Ciò è possibile in due modi: il vetro può essere pressato con un polimero o un polimero liquido può essere versato su strati di vetro.
Materie prime
La maggior parte delle sostanze necessarie alla produzione del vetro sono di origine minerale. Questi includono: sabbia, calcare, dolomite, anidrite. Vengono però utilizzate anche sostanze che sono prodotti dell’industria chimica , come la soda . Attualmente, sempre più importanza viene data anche alle materie prime secondarie, cioè il rottame . Il rottame è classificato in due categorie: rottame formato nel processo di produzione, che, dopo la macinazione. è idoneo alla rilavorazione, e rottame estraneo, cioè materiale post-consumo che deve essere pulito e raffinato per poter essere riutilizzato.
Riciclo del vetro
L’aspetto fondamentale è capire che non tutto il vetro è riciclabile. Il rottame è una materia prima secondaria molto importante, ma materiali come contenitori collegati in modo permanente con altre materie prime, ceramica, lenti di occhiali, vetri resistenti al calore, lampadine, siringhe, ecc. non sono adatti per il ritrattamento. Il riciclaggio del vetro è un processo in più fasi e la prima fase è la corretta raccolta differenziata dei rifiuti . Presso l’impianto di riciclaggio, i rifiuti vengono pesati e controllati per verificarne l’idoneità al ritrattamento. La fase successiva è la frantumazione e la rimozione di etichette e sporco minore dai materiali precedentemente separati. Dopo la pulizia iniziale, i rifiuti vengono suddivisi in base al colore e trasportati alla vetreria. In tali impianti i rifiuti di vetro vengono fusi a 1200 o C in una massa di vetro, da cui poi si formano nuovi prodotti. È interessante notare che la lavorazione del vetro, a differenza della carta o della plastica, è praticamente infinita. Dopo la rifusione, le proprietà del vetro non cambiano.
