Cosa è il vetro

Lo stato vetroso della materia
Tra le molte definizioni che descrivono lo stato vetroso probabilmente la più suggestiva e forse la più aderente alla percezione visiva di un osservatore è quella che definisce il vetro come un liquido sottoraffreddato (metastabile). Quando un solido allo stato fuso viene raffreddato, il suo volume diminuisce progressivamente sino alla temperatura di solidificazione, alla quale si completa un processo di riorganizzazione strutturale che attraverso opportuni riarrangiamenti interni porta alla creazione di una struttura ordinata, geometricamente ben definita. A questa temperatura il volume diminuisce bruscamente e se il raffreddamento non è troppo rapido il fuso ha tutto il tempo necessario per raggiungere la sua configurazione cristallina. Esistono altri liquidi che in prossimità del punto di solidificazione sono dotati di altissima viscosità e che non hanno quindi il tempo di cristallizzare secondo percorsi geometrici definiti. Le molecole che li compongono non hanno infatti la mobilità sufficiente per realizzare quegli spostamenti relativi, necessari al raggiungimento di una configurazione cristallina, e danno così origine ad uno stato metastabile intermedio detto stato vetroso. La silice può esistere in natura sia sotto forma cristallina (quarzo, tridimite, cristobalite) sia sotto forma vetrosa.

Mentre nel settore degli alimenti, delle bevande e della cosmetica vengono impiegati contenitori stampati in vetro sodico-calcico, nel confezionamento dei farmaci è previsto l'utilizzo non solo di flaconi, nello stesso tipo di vetro ma di stabilità chimica superiore, per iniettabili a preparazione estemporanea e per bevibili, ma anche contenitori sia stampati che ottenuti da tubo di vetro (fiale e flaconi) in vetro borosilicato di elevata resistenza chimica, noto come "vetro neutro" per prodotti iniettabili liquidi.
Una citazione particolare deve essere riservata al confezionamento di iniettabili liquidi di maggior volume (soluzioni fisiologiche e glucosate di dosaggio da 50 a 500 ml.), per i quali è stato studiato un apposito trattamento della superficie interna del contenitore che ne incrementa la resistenza chimica al livello di quella del vetro neutro.
Questa applicazione tecnica di miglioramento della resistenza idrolitica superficiale di un contenitore in normale vetro sodico-calcico ha consentito di fornire all'industria farmaceutica, ad un costo ragionevole (inferiore a quello di un recipiente in vetro borosilicato), un "imballaggio" di grande valore, che ha consentito la notevole diffusione della metodologia terapeutica di somministrazione parentale dei farmaci sotto forma di cocktail di principi attivi e soluzioni fisiologiche, con buona "compliance" da parte di pazienti.

Nel primo caso si realizza una struttura ordinata regolare costituita da tetraedri collegati tra loro in modo da costituire un reticolo esagonale regolare (vd Fig.1).







Nel secondo caso l'unità fondamentale è pur sempre costituita da un tetraedro (un atomo di silicio al centro e 4 ossigeni ai vertici) ma questi sono collegati in modo disordinato ma continuo, secondo una casualità tipica dei liquidi (vd.Fig.2)






I vetri sodico-calcici si ottengono dalla fusione di miscele che oltre alla sabbia silicea (silice) contengono prevalentemente carbonato di calcio e soda. Gli ossidi di sodio e di calcio che rimangono nel fuso dopo la fusione della miscela si accomodano all'interno della struttura vetrosa generata dalla silice interrompendo la continuità, seppur disordinata, del reticolo e creando degli atomi di ossigeno che non hanno funzione "pontante" verso altri tetraedri. Si creano così delle cavità all'interno delle quali trovano posto gli ioni di sodio e calcio che neutralizzano con le loro cariche positive le cariche negative degli ossigeni "non-pontanti"(vd. Fig.3).



Si realizzano in tal modo strutture vetrose che saranno tanto più aperte e composite quanto maggiore sarà il numero e la quantità relativa degli atomi modificatori. Dal momento che ciascun elemento contribuisce addittivamente a conferire al vetro delle proprietà peculiari (resistenza chimica, densità, brillantezza, colore, etc.), è pertanto possibile realizzare vetri aventi le proprietà chimico- fisiche desiderate preparando una opportuna miscela vetrificabile. Ecco quindi che si possono ottenere vetri in una vasta gamma di composizioni da impiegare per scopi profondamente diversi : contenitori per alimenti e per la industria farmaceutica, vetri per edilizia e per illuminazione, vetri per l'inglobamento di scorie radioattive o per la inertizzazione di rifiuti tossici, biovetri per impianti ossei e dentali, fibre per isolamento o per rinforzo di materiali compositi, vetri intelligenti e display a cristalli liquidi, vetri elettrocromici e vetri per la saldatura di microcircuiti elettronici. Il fatto poi che lo stato vetroso sia definito come "liquido metastabile" sta semplicemente a significare che tende per sua natura a raggiungere quello stato di ordine e di equilibrio tipico dei cristalli che a temperatura ordinaria gli è impedito: nessun pericolo pertanto che nel tempo una struttura o un prodotto possano "muoversi" in modo percettibile.

PROPRIETÀ MECCANICHE

DENSITÀ - MASSA VOLUMICA
Il vetro ha densità pari a 2,5, che corrisponde, nel caso dei vetri piani, ad una massa di 2,5 kg per ogni m² e per ogni mm di spessore.
RESISTENZA ALLA COMPRESSIONE
Il vetro offre un'elevatissima resistenza alla compressione (1.000 N/mm² = 1.000 MPa).
Ciò vuol dire che, per rompere un cubo di vetro di 1 cm di lato, occorre un carico dell'ordine di 10 tonnellate.
RESISTENZA ALLA FLESSIONE
Un vetro sollecitato a flessione presenta una faccia in compressione ed una in trazione. Il valore di resistenza alla rottura di un vetro flesso è dell'ordine di: . 40 MPa (N/mm²) per vetri levigati ricotti,
. 120 a 200 MPa (N/mm²) per vetri temprati (variabile secondo lo spessore, la molatura dei bordi e il tipo lavorazione).
Il valore elevato di resistenza del vetro temprato è dovuto al fatto che il processo di tempra ha l'effetto di mettere le facce della lastra trattata in condizioni di forte compressione.
ELASTICITÀ
Il vetro è un materiale estremamente elastico, che non presenta mai deformazioni permanenti.
Esso presenta tuttavia caratteristiche di fragilità ovvero, quando è sottoposto ad un carico crescente a flessione, si rompe senza alcun segno di preavviso.
Modulo di Young, E
Questo modulo esprime la forza di trazione che bisognerebbe teoricamente applicare ad una provetta di vetro per conferirle un allungamento pari alla sua lunghezza iniziale.
Esso si esprime in forza per unità di superficie. Per il vetro, secondo le norme europee:
E = 7 x 10¹⁰ Pa = 70 GPa
Coefficiente di Poisson, m ( o coefficiente di contrazione laterale)
Quando una provetta subisce un allungamento in conseguenza di uno sforzo meccanico, si osserva un restringimento della sua sezione. Il coefficiente di Poisson (µ) è il rapporto tra il restringimento unitario in direzione perpendicolare al senso dello sforzo e l'allungamento unitario nella direzione dello sforzo.
A titolo esemplificativo, per i vetri utilizzati nell'edilizia, il coefficiente µ è pari a 0,22.

COMPORTAMENTO TERMICO

DILATAZIONE LINEARE
La dilatazione lineare è espressa da un coefficiente che misura l'allungamento dell'unità di lunghezza per una variazione di temperatura pari a 1°C. Il coefficiente si riferisce generalmente ad un intervallo di temperature compreso tra 20 e 300°C.
Il coefficiente di dilatazione lineare del vetro è pari a 9 × 10-6.
SOLLECITAZIONI DI ORIGINE TERMICA
Data la scarsa conduttività termica del vetro, il riscaldamento o il raffreddamento parziale di una vetrata determina in questa delle sollecitazioni che possono provocare rotture cosiddette termiche. L'esempio più comune di rischio di rottura termica è quello rappresentato dai bordi coperti di un vetro ad elevato assorbimento energetico, che in presenza di forte irraggiamento solare si riscalderanno più lentamente della superficie esposta. Nei casi in cui le condizioni di utilizzo o di posa in opera rischiano di determinare in un vetro considerevoli differenze di temperatura, sarà necessario adottare delle precauzioni in fase di posa o di lavorazione. Con un trattamento termico complementare, come la tempra, si consente al vetro di sopportare delle differenze di temperatura sino ai 200°C.