SCIENZE - MATERIALI NON METALLICI - IL VETRO

PRESENTAZIONE

Il vetro è una sostanza rigida non cristallina, che si ottiene da alcune sostanze capaci di passare dallo stato liquido a quello solido senza lasciar separare i singoli costituenti sotto forma cristallina. Tra le numerose sostanze esistenti allo stato vetroso, le più importanti sono la silice, l'anidride borica, l'anidride fosforica, il selenio, il glucosio, le resine naturali ed artificiali, ecc.
Tutte queste sostanze, allo stato fuso, sono dei liquidi molto viscosi che, per raffreddamento, diminuiscono in modo notevole la propria viscosità finché le molecole che le costituiscono vengono a perdere ogni mobilità, conservando però la stessa disposizione caotica che possedevano allo stato liquido. Perciò, a temperatura ordinaria, il vetro ha la stessa distribuzione molecolare che aveva allo stato fuso ed è pertanto detto "isotropo"; inoltre, non ha un netto punto di fusione ma, riscaldato a poco a poco, diminuisce di consistenza e fonde gradualmente.
I vetri possono essere di natura molto diversa a seconda della composizione e pertanto posseggono anche proprietà diverse, sia per quanto riguarda le caratteristiche ottiche (trasparenza, colore, indice di rifrazione, ecc.) sia per le caratteristiche meccaniche e termiche. In base alla loro costituzione i vetri si distinguono in: a) vetro comune, impiegato per la preparazione di lastre, specchi, bicchieri, ecc.; b) vetro per bottiglie, di costituzione simile al precedente, ma più ricco di ossido di ferro che fornisce la classica colorazione verde; per prepararlo si impiegano materie meno pregiate di quelle adoperate per il vetro comune; c) cristallo, caratterizzato da un alto indice di rifrazione che gli conferisce una particolare brillantezza; d) vetri speciali (vetro di Jena, di Turingia, Pyrex, ecc.) per apparecchi di chimica, termometri, fiale per iniezioni (vetri neutri) ecc.; e) vetri di ottica; f) vetri colorati e vetri lattei; g) vetro di quarzo o quarzo fuso, costituito da silice pura.

IL VETRO NELL'ANTICHITĄ

In tempi remoti il vetro fu usato dapprima per "invetriare", ossia rivestire con uno strato di vetro, altri oggetti. Il vetro era generalmente ottenuto riscaldando una miscela di soda, calce e sabbia (o silice macinata) finché si fondeva in un fluido, che doveva essere lentamente raffreddato o temperato per impedire screpolature o cristallizzazioni. La storia del vetro è simile a quella di altri materiali tecnologici, come il cuoio e la ceramica, poiché i migliori procedimenti e prodotti dell'antichità non furono sostanzialmente migliorati fino a tempi piuttosto recenti.
L'invetriatura di perline di steatite risale in Egitto a circa il 4000 a.C. e la fabbricazione di piccoli oggetti di vetro, che possono essere considerati imitazioni di pietre preziose, risale a circa il 2500 a.C. sia in Egitto sia in Mesopotamia.
Vasi di vetro, tuttavia, non apparvero prima del 1500 a.C. Già verso il 1350 a.C. l'Egitto disponeva di fabbriche che producevano vetro in grande quantità; l'arte si diffuse poi soprattutto nel vicino Oriente, ma non ha lasciato tracce a nord o a occidente della Grecia. Dopo un'interruzione durata circa quattrocento anni, vasi di vetro divennero di nuovo comuni nell'ottavo e nel settimo secolo a.C., quando furono portati dai mercanti fenici fino alla costa atlantica, mentre la produzione di perline di vetro si estese attraverso l'Europa fino in Britannia. Una svolta decisiva nella lavorazione del vetro si ebbe con l'invenzione della soffiatura, una tecnica nuova che si fa risalire al I secolo a.C. e che allargò notevolmente il campo delle applicazioni. Alla fine del Medioevo la manifattura italiana del vetro, i cui principali centri erano il sobborgo veneziano di Murano e Altare, vicino a Savona, dovette la sua fama all'uso di miscele prodotte con sabbie di terre lontane e a una tecnica raffinatissima. Praticamente, il vetro da bottiglie e da finestre dei nostri giorni è ancora preparato con la stessa miscela che gli italiani usavano per il loro vetro fin dal Medioevo.
La più importante richiesta commerciale durante i secoli successivi riguardò la fornitura di cristallo in lastre di grandi dimensioni, che poteva essere ottenuto solo mediante fusione. Colbert, ministro di Luigi XIV, chiamò in Francia operai italiani per soffiare il vetro e per fabbricare gli specchi, come quelli che si possono vedere a Versailles, costituiti da piccole sezioni e non privi di deformazioni.
Il metodo per fondere i cristalli in lastre, benché conosciuto dai Veneziani, fu sviluppato per la prima volta dai vetrai di Normandia sotto il patronato del re.
Nella fabbricazione degli specchi, che avevano acquistato un'importanza pratica notevole per il loro uso in strumenti di rilevamento e di navigazione, oltre che per ornamento e per toeletta, tra le varie difficoltà vi era quella di produrre lastre di vetro con superficie assolutamente piana, necessaria per non avere un'immagine deformata. Poiché l'argentatura - l'applicazione di un sottile strato d'argento con metodi chimici - non fu attuata in pratica prima della metà del diciannovesimo secolo, la superficie riflettente dietro lo specchio si otteneva con lo stagno.

LE LENTI

Quantunque la natura della luce fosse poco conosciuta fino a tempi piuttosto recenti, lo studio dell'ottica risale all'antichità. La legge della riflessione era certamente nota fin dal quarto secolo a.C. e nel secondo secolo Tolomeo riconobbe che la rifrazione era regolata da una legge fissa, benché la sua formula esatta rimanesse sconosciuta per altri 1500 anni. Nel decimo secolo gli Arabi conoscevano le proprietà non solo delle lenti e degli specchi piani, ma anche degli specchi sferici e parabolici. Questa scienza arrivò in Occidente attraverso le traduzioni latine. Si sa che nel XIII secolo Ruggero Bacone compi esperimenti sull'uso di lenti convesse per correggere difetti di vista, ma non si conosce l'inventore degli occhiali. L'invenzione probabilmente avvenne verso la fine del XIII secolo e già ai primi del quattordicesimo secolo la lavorazione delle lenti era ben affermata a Venezia. Le prime lenti erano tutte convesse e quindi potevano servire solo per i presbiti; le lenti concave necessarie ai miopi vennero in uso quasi due secoli più tardi. Dall'impiego di lenti per correggere difetti di vista furono sviluppati strumenti intesi ad aumentare il potere visivo anche di una vista perfetta. L'origine del telescopio è oscura: sebbene sia stato certamente Galileo a farne nel 1609 uno strumento scientifico, non vi è dubbio che fu in precedenza inventato dagli Olandesi. Anche il moderno microscopio composto proviene dagli studi di Galileo; ma anche in questo campo egli potrebbe essere stato preceduto da altri. L'ottica teorica si sviluppò rapidamente e le cause dei due maggiori difetti delle lenti furono presto scoperte. Nel 1637 Descartes dimostrò che l'aberrazione sferica (incapacità delle lenti di dare un'immagine rettilinea) poteva essere superata, molando lenti con superfici paraboliche; nel 1671 gli esperimenti di Newton con il prisma rivelarono la causa dell'aberrazione cromatica (luci di differenti colori che s'incontrano in fuochi differenti).
Questi sviluppi portarono nuove richieste alla tecnologia del vetro. Anzitutto fu necessario togliere ogni traccia di nebulosità al vetro usato per scopi ottici; secondariamente, una gran cura dovette essere posta per eliminare difetti e bolle. Galileo e il suo allievo Torricelli fecero compiere grandi progressi alla tecnica della molatura delle lenti a superfici sferiche, per mezzo di molatura e levigatura a mano, ma le superfici paraboliche non furono ottenute fino al diciottesimo secolo. Neanche la correzione dell'aberrazione cromatica, con l'uso di lenti composte, costituite da due differenti tipi di vetro, fu possibile prima del 1700; ma nel frattempo si era scoperta la strada per eliminare questo inconveniente negli strumenti ottici, adoperando specchi - che riflettono la luce di tutti i colori nel medesimo modo - invece di lenti. Macchine per molare le lenti erano in uso dalla metà del Seicento. Metodi migliori per la produzione del vetro ottico furono oggetto di ricerche non solo da parte di fabbricanti ma anche di scienziati, come Herschel e Faraday, che assunsero nel 1824 la direzione delle ricerche in questo campo alla Royal Society, la società inglese di ricerche scientifiche.

IL VETRO NEI TEMPI MODERNI

Per molti secoli non ci furono innovazioni significative: le caratteristiche stesse del materiale resero ancora più lento il processo di trasformazione da artigianato a industria meccanizzata, processo che era ben lungi dall'essere completato perfino nel 1900. Lo sviluppo fu anche lento perché non v'era inizialmente sul mercato una richiesta di massa, né più tardi gli usi del vetro nell'attrezzatura industriale furono così numerosi come quelli di altri materiali. Nello sviluppo edilizio, tuttavia, il vetro era importante quanto i mattoni e le tegole, e il fabbricante di vetro in lastre doveva risolvere in particolare il problema dell'aumento di dimensioni del suo prodotto in relazione ai nuovi tipi di finestre. Solo agli inizi del secolo scorso si riuscģ in Inghilterra a produrre lastre di vetro secondo una nuova tecnica, con dimensioni fino a 4x2 metri, un risultato eccezionale per l'epoca. Poiché il numero totale dei nuovi edifici all'incirca raddoppiò ogni anno in Inghilterra fra il 1821 e il 1825, la domanda di vetro per finestre sali in proporzione. Infine possiamo rilevare gli importanti progressi nella colorazione del vetro tra il 1750 e il 1850. Le bottiglie erano ancora di colore nero o verde scuro a causa del ferro e di altre impurità dei materiali grezzi. Il vetro per servizi da tavola di qualità corrente, d'altra parte, era fatto di sostanze più pure per poter risultare incolore. Ma i colori artificiali erano sempre più richiesti per molti usi che andavano dai vetri colorati per finestre agli oggetti minuti. Nel decennio 1830-40 importanti scoperte nel campo della chimica dei composti e progressi nella costruzione e regolazione degli altiforni permisero di raffinare e variare ulteriormente i prodotti.
I forni in uso fino al 1850 erano a riscaldamento diretto e consumavano molto combustibile, ma dopo il 1860 furono adottati i nuovi forni Siemens a ricupero di calore, riscaldati a gas, che raggiungevano temperature più alte con consumi inferiori. Questo sistema, già introdotto in Inghilterra nel 1872, non venne adottato prima del 1888 in America, dove il combustibile era in genere meno costoso e gli stabilimenti per la fabbricazione del vetro più piccoli.
Schema: fasi della lavorazione industriale del vetro

LA FIBRA DI VETRO

Negli ultimi decenni il vetro, o meglio la fibra di vetro, ha trovato applicazioni anche nelle costruzioni meccaniche.
Il nome fibra ricorda un vero e proprio materiale tessile: infatti il vetro filato possiede doti di resistenza, elasticità e leggerezza notevoli, assumendo l'aspetto di un tessuto. Per ottenerla, un sottile getto di vetro fuso viene diretto sulla superficie di un grande piatto metallico rotante ad altissima velocità: la forza centrifuga spargerà intorno sottilissimi fili di vetro che il contatto con l'aria avrà raffreddato: in pratica, il procedimento è quasi lo stesso dello zucchero filato. Pressando o tessendo la fibra di vetro si ottengono feltri e tessuti.
Inzuppando di particolari resine plastiche i tessuti di vetro si ottiene la vetroresina materiale composto usato nella fabbricazione di piccole barche, carrozzerie d'automobili, parti d'aereo ecc. Prima di tutto si deve fare uno stampo dell'oggetto da ottenere; poi si stende uno strato di una resina plastica speciale di cui il tessuto di vetro deve impregnarsi alla perfezione. Quando il primo strato è indurito se ne stende un secondo e si aspetta che anch'esso si sia polimerizzato prima di separare il manufatto dallo stampo.

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