PREPARAZIONE E CARATTERIZZAZIONE DEI VETRI COLORATI

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1 PREPARAZIONE E CARATTERIZZAZIONE DEI VETRI COLORATI

2 Cos è un vetro?

3 COS È UN VETRO? SOLIDO? LIQUIDO? ALTRO?

4 GLI STATI DELLA MATERIA Volume specifico Liquido Vetro Tg CAMBIAMENTO DI VOLUME Tf Tf =TEMPERATURA DI FUSIONE Tg =TEMPERATURA DI TRANSIZIONE VETROSA Cristallo TEMPERATURA

5 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

6 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.

7 Con quali elementi chimici realizziamo un vetro colorato?

8 I TRE ELEMENTI BASE Vetrificanti Fondenti Stabilizzanti Coloranti

9 PERCHÉ TRE ELEMENTI? VETRIFICANTI - Rappresentano l elemento essenziale dello stato vetroso che compone il reticolo amorfo del vetro SiO2 (ossido di Silicio - SIlice) Tf = 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 = C) STABILIZZANTI Conferiscono maggiore stabilità e resistenza fisica e chimica al vetro CaO (Marmo) MgO (Magnesia) Al2O3 (Allumina) BaO PbO

10 LA STRUTTURA CRISTALLINA Tf = 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

11 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

12 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

13 FASI DELLA LAVORAZIONE DEL VETRO

14 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

15 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.

16 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

17 IL COLORE

18 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

19 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

20 (transizioni elettroniche) RANGE VISIBILE I COLORI COMPLEMENTARI

21 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.

22 !!!! 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

23 I LEGAMI CHIMICI

24 VISCOSITÁ FLUSSO DELLA MATERIA TRAZIONE TRAZIONE FLUSSO DELLA MATERIA

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