Background
Il vetro pyrex è un vetro borosilicato prodotto per la prima volta dalla società Corning Glass Works. È fatto riscaldando materie prime come sabbia di silice e ossido borico a temperature estremamente elevate per lunghi periodi di tempo. Il materiale fuso viene poi trasformato in diversi tipi di oggetti di vetro. Formulato per la prima volta all’inizio del ventesimo secolo, il Pyrex è diventato un materiale importante per una varietà di applicazioni che richiedono resistenza termica e chimica.
Per capire come il Pyrex sia unico è importante capire la natura del vetro stesso. Il vetro è uno stato della materia che ha caratteristiche simili sia ai solidi cristallini che ai liquidi. A livello macroscopico il vetro sembra essere come i solidi. È rigido e rimane in un unico pezzo quando viene rimosso da un contenitore. Tuttavia, a livello molecolare, i vetri sono più simili ai liquidi. Nei solidi cristallini, le molecole sono disposte in modo ordinato. Nei liquidi sono disposte in modo casuale. Questa disposizione casuale è anche una caratteristica del vetro.
Il vetro è tipicamente fatto riscaldando composti cristallini a temperature abbastanza alte da fonderli. La fusione rompe la struttura molecolare ordinata, lasciandola in uno stato disordinato. Quando il materiale fuso viene raffreddato, le molecole vengono bloccate prima che possano riformarsi nella struttura cristallina ordinata. Le proprietà di un vetro specifico come la durezza, la fragilità, la chiarezza e la resistenza chimica e termica dipendono dalla sua composizione chimica.
Quando si stava sviluppando il Pyrex, gli scienziati cercavano di creare una composizione di vetro che avesse un’alta resistenza termica. Ad un certo punto si scoprì che le composizioni di vetro con boro potevano essere riscaldate ad alte temperature senza rompersi. Il boro, che è il quinto elemento della tavola periodica, ha la capacità unica di creare una varietà di legami chimici. Quando è legato all’ossigeno può creare una struttura tridimensionale che è forte. In una composizione di vetro, questa forza extra gli conferisce una resistenza termica e chimica che lo rende utile per applicazioni di cottura, termometri e attrezzature di laboratorio. Pyrex ha anche un basso contenuto di alcali che gli dà un’alta resistenza alla corrosione.
Storia
Mentre la data esatta in cui le persone hanno scoperto che la sabbia poteva essere combinata e fusa con altri materiali per produrre vetro non è nota, la sua scoperta è stata probabilmente accidentale. I processi formali per la fabbricazione del vetro sono noti da oltre 3.000 anni. In Mesopotamia, gli archeologi hanno scoperto tavolette d’argilla che contengono antiche “istruzioni” per fare il vetro nelle fornaci. Nel corso della storia, la tecnologia di produzione del vetro è diventata più sofisticata. La gente scoprì progressivamente le proporzioni migliori per combinare le materie prime e imparò anche pratiche di fabbricazione come la soffiatura del vetro.
Durante l’inizio del ventesimo secolo, le lanterne a cherosene erano ampiamente utilizzate per i lampioni e i dispositivi di segnalazione ferroviaria. Sfortunatamente, il vetro usato per fare queste lanterne era sensibile al calore della fiamma e spesso si rompeva. Gli scienziati iniziarono a cercare formule di vetro che potessero resistere al calore.
I primi esperimenti portarono alla scoperta che quando era presente acido borico nelle materie prime, il vetro era più resistente al calore. Queste prime formule erano però chimicamente deboli, e spesso si rompevano in acqua. Il lavoro proseguì per trovare le giuste proporzioni di sabbia silicea e ossido borico che continuassero ad essere resistenti al calore e chimicamente stabili. Nel 1912, fu trovata una formula adeguata. Questi vetri, chiamati borosilicati, furono poi introdotti nella produzione di lanterne. Uno dei tipi originali di vetro borosilicato introdotto dalla Corning Glass Works Company era chiamato Nonex.
Il potenziale di questo prodotto nel campo della cucina fu scoperto nel 1913 dal dottor Jesse T. Littleton che lavorava alla Corning. Regalò a sua moglie una casseruola fatta di Nonex, il precursore del Pyrex. Funzionò bene come una casseruola di ceramica e una nuova era di utensili da cucina era iniziata. La formula del vetro Nonex fu rivista per rimuovere il piombo, e la pirofila fu data alla Philadelphia Cooking School per ulteriori test. Una serie di test di successo portò all’introduzione del forno Pyrex nel 1915. Questo stesso anno la Corning Glass Works Company brevettò la formula e le diede il nome Pyrex. È stato suggerito che il termine Pyrex fosse un derivato della parola “pie” (riferendosi al suo uso originale) o del greco “pyra”, che significa focolare. In entrambi i casi, il suffisso “ex” è stato usato per dare al marchio una somiglianza con Nonex.
Quando scoppiò la prima guerra mondiale, gli scienziati che si affidavano ai prodotti di vetro tedeschi trovarono che il nuovo materiale Pyrex soddisfaceva le loro esigenze per becher, provette e altri oggetti di vetro da laboratorio. Il vetro borosilicato è stato costantemente reso più resistente alle sostanze chimiche, al calore e agli urti. È stato anche applicato a numerosi prodotti come occhiali, telescopi e componenti elettronici.
Materie prime
Tre classi di materiali sono usate nella fabbricazione del Pyrex: formatori, fondenti e stabilizzatori. I formatori sono gli ingredienti principali in tutta la fabbricazione del vetro. Sono materiali cristallini che, se riscaldati a sufficienza, possono essere fusi e raffreddati per creare il vetro. I fondenti sono composti che aiutano ad abbassare la temperatura necessaria per far fondere i formatori. Gli stabilizzatori sono materiali che aiutano a impedire che il vetro si sbricioli, si rompa o vada in pezzi. Sono necessari perché i fondenti tipicamente destabilizzano le composizioni di vetro.
Eugene G. Sullivan fondò il laboratorio di ricerca della Corning Glass Works nel 1908 e si mise con William C, Taylor a fare un vetro resistente al calore per le lenti delle lanterne ferroviarie. Il problema era che il vetro flint (quello delle bottiglie e delle finestre, fatto fondendo sabbia silicea, soda e calce) ha una dilatazione termica abbastanza alta ma una scarsa conducibilità termica. Entrambi causano la rottura del vetro. Due soluzioni erano possibili: migliorare la conduttività termica o ridurre l’espansione termica. La formulazione che Sullivan e Taylor idearono fu un vetro borosilicato – un vetro di soda-calce con borace che sostituiva la calce – con una piccola quantità di allumina aggiunta. Questo forniva la bassa espansione termica necessaria e aveva anche una buona resistenza agli acidi, portando all’uso per i vasi delle batterie necessari per i sistemi telegrafici ferroviari e altre applicazioni. Il vetro fu commercializzato come “Nonex” (per nonexpansion glass).
Jesse T. Littleton entrò in Corning nel 1913. Fisico, Littleton sapeva che il vetro assorbe bene l’energia radiante, mentre il metallo la riflette principalmente. Littleton portò a casa un barattolo di pile tagliato e chiese a sua moglie di cuocerci una torta. Lo portò in laboratorio il giorno dopo. Littleton sviluppò variazioni sul Nonex e il risultato fu Pyrex, brevettato e marchiato nel maggio del 1915.
La vendita iniziale di Pyrex ebbe luogo al grande magazzino Jordan Marsh di Boston nel 1915. Nel 1919 furono venduti più di 4,5 milioni di pezzi. Nel 1915, il Pyrex fu introdotto in laboratorio. La vetreria da laboratorio veniva dalla Germania, ma la prima guerra mondiale tagliò la fornitura. Corning riempì il vuoto con la vetreria Pyrex, che funzionava così bene che il Pyrex sostituì la maggior parte degli altri articoli. Oggi, la vetreria Corning si trova nei laboratori di tutto il mondo.
I principali formatori usati per fare il Pyrex includono sabbia di silice e acido borico. La sabbia di silice è conosciuta anche come biossido di silicio. È un materiale cristallino ed è stato probabilmente il componente principale del primo vetro usato dall’uomo. In una composizione tipica del vetro Pyrex, il biossido di silicio costituisce circa il 60-80% del peso.
Pyrex ha una struttura di fase a goccia nella matrice. Il biossido di silicio crea la matrice di base. Il materiale borato crea le goccioline all’interno di quella struttura. L’ex borato può provenire da un materiale come il tetraborato di sodio. Prima della produzione, questo composto viene ridotto chimicamente con acido solforico per creare acido borico. Quando l’acido borico viene mescolato con il biossido di silicio e riscaldato, si ossida in ossido borico. L’ossido borico è responsabile della struttura molecolare unica del Pyrex. L’ossido borico costituisce dal 5% al 20% del vetro Pyrex.
Gli ingredienti secondari usati nella produzione del vetro includono i fondenti, gli stabilizzatori e i coloranti. I fondenti sono inclusi nelle miscele di vetro perché riducono la temperatura di fusione del vetro borosilicato. I fondenti che possono essere usati nella produzione includono soda, potassa e carbonato di litio. Costituiscono circa il 5% della composizione di un vetro Pyrex.
Sfortunatamente, i fondenti causano anche una maggiore instabilità chimica del vetro. Per questo motivo sono inclusi stabilizzatori come il carbonato di bario e l’ossido di zinco. Nella fabbricazione del Pyrex, viene aggiunto circa il 2% di ossido di alluminio per rendere il vetro più rigido quando è fuso. Infine, per produrre vetro con colori diversi, si possono aggiungere composti di argento.
Il processo di fabbricazione
Il processo di fabbricazione può essere suddiviso in due fasi. In primo luogo, viene fatto un grande lotto di composizione di vetro fuso. Poi, il vetro viene alimentato in macchine formatrici per creare diversi tipi di oggetti in vetro. Il processo si muove a velocità enormi ed è abbastanza efficiente.
Batching
- 1 Grandi lotti di vetro Pyrex sono prodotti in una specifica area di compounding dello stabilimento di produzione. Qui, i vetrai seguono le istruzioni della formula e aggiungono le materie prime richieste nelle giuste proporzioni in grandi serbatoi. Prima dell’uso, le materie prime vengono polverizzate e granulate fino a raggiungere una dimensione uniforme delle particelle. Sono immagazzinate in torri di dosaggio. I materiali vengono mescolati insieme e riscaldati a temperature superiori a 2.912°F (1.600°C). Questa temperatura elevata fonde gli ingredienti e permette loro di mescolarsi completamente per creare vetro fuso. Tuttavia, la miscela richiede tipicamente un riscaldamento più lungo, fino a 24 ore, per rimuovere le bolle in eccesso che possono portare a una struttura più debole.
Formare
- 2 I serbatoi batch sono progettati in modo che il vetro fuso fluisca lentamente verso l’estremità di lavoro del serbatoio. Questa estremità del serbatoio è collegata a macchine formatrici ad alimentazione continua. Quando il vetro esce dal serbatoio, appare come uno sciroppo denso, rosso-arancione. Le macchine formatrici lavorano il materiale rapidamente perché, raffreddandosi, diventa rigido e non lavorabile. Le tipiche macchine per la lavorazione del vetro lo soffiano, lo pressano, lo disegnano e lo arrotolano in varie forme.
- 3 Il processo di formatura usato dipende dal prodotto finale. La soffiatura del vetro è usata per creare prodotti con pareti sottili come le bottiglie. Una bolla di vetro fuso viene messa dentro uno stampo a due pezzi. L’aria è forzata nello stampo, che preme il vetro contro i suoi lati. Il vetro si raffredda all’interno dello stampo e si conforma alla forma. La pressatura del vetro è usata per creare pezzi di vetro più spessi. Il vetro fuso viene messo in uno stampo e viene abbassato uno stantuffo che costringe il vetro a diffondersi e a riempire lo stampo. La trafilatura è usata per creare tubi o bacchette. In questo processo il vetro fuso è tirato giù su un cono cavo chiamato mandrino. L’aria viene soffiata attraverso di esso per evitare che il tubo collassi fino a quando il vetro diventa rigido. Per le lastre di vetro, come le finestre, viene usato un processo di laminazione.
- 4 Dopo che il prodotto è formato, viene raffreddato e lucidato. Può quindi essere decorato con varie stampe o marcature e dotato di pezzi di plastica se necessario. Il prodotto di vetro viene poi controllato per le imperfezioni, messo in scatole protettive e spedito ai clienti. A seconda delle dimensioni della vasca di dosaggio, si possono produrre fino a 700.000 lb (317.520 kg) di prodotto in vetro in un anno.
Controllo di qualità
Poiché la qualità del vetro dipende dalla purezza delle materie prime, i produttori impiegano chimici del controllo di qualità per testarle. Le caratteristiche fisiche sono controllate per assicurarsi che aderiscano alle specifiche precedentemente determinate. Per esempio, le particelle
La dimensione viene misurata utilizzando schermi a maglie adeguate. La composizione chimica è anche determinata con un IR o un GC. Altri semplici controlli che vengono fatti sulle materie prime includono controlli del colore e valutazioni dell’odore. Durante la produzione di un prodotto in vetro, gli ispettori osservano i prodotti in vetro in punti specifici della linea di produzione per garantire che ogni prodotto abbia un aspetto corretto. Notano cose come crepe, difetti o altre imperfezioni. Per alcuni prodotti, viene misurato lo spessore del vetro.
Sottoprodotti/Rifiuti
Poiché il Pyrex è fatto di composti che diventano ossidi quando vengono riscaldati, l’inquinamento dell’aria è un potenziale problema. Una varietà di sottoprodotti può essere rilasciata durante la produzione, compresi nitrati, solfati e cloro. Queste sostanze chimiche possono reagire con l’acqua per formare acidi. È stato dimostrato che le piogge acide causano danni significativi alle strutture artificiali e agli ecosistemi naturali. Un metodo che i vetrai usano per ridurre l’inquinamento è quello di fare composizioni di vetro che hanno temperature di fusione più basse. Temperature più basse riducono la quantità di volatilizzazione, riducendo così la quantità di inquinanti gassosi. Un altro controllo dell’inquinamento è l’uso di precipitatori che sono installati nei camini. Questi dispositivi aiutano a ridurre l’inquinamento dell’aria filtrando i solidi che persistono nel fumo e nel vapore creati dal processo di fusione. Gli scarichi dei rifiuti sono monitorati per garantire che solo le quantità consentite di rifiuti di fabbrica siano rilasciate nell’ambiente. Questo aiuta a prevenire l’inquinamento delle acque.
Un ulteriore metodo di controllo dell’inquinamento è l’uso di ventilatori. Questi dispositivi sono chiamati anche rigeneratori perché aiutano a recuperare e riciclare l’energia termica consumata durante la produzione. Questo ha il doppio effetto di ridurre l’inquinamento dell’aria e di abbassare i costi di produzione. Altre tecniche di riduzione dei costi e di rispetto dell’ambiente impiegate includono l’uso del calore elettrico al posto di quello a gas e l’incorporazione di vetro riciclato rotto durante la produzione di nuovo vetro.
Il futuro
In futuro, i produttori di vetro borosilicato si concentreranno sull’aumento delle vendite e sul miglioramento del processo produttivo. Per aumentare le vendite, i produttori di vetro saranno coinvolti nella ricerca e nella promozione di nuove applicazioni per i loro prodotti. Questo potrebbe richiedere nuove formulazioni di vetro che abbiano una gamma di caratteristiche che vanno dalla chiarezza, al punto di fusione, alla resistenza alla frantumazione. Dal punto di vista della produzione, i miglioramenti futuri si concentreranno sull’aumento della velocità di produzione, sulla minimizzazione dei rifiuti chimici e sulla riduzione dei costi complessivi.
Dove saperne di più
Libri
Bansal, N. P., e R. H. Doremus. Manuale delle proprietà del vetro. New York: Academic Press, Inc., 1986.
Kirk-Othmer Enciclopedia della tecnologia chimica. Vol. 12. New York: John Wiley & Sons, 1994.
Mazurin, 0. V. Handbook of Glass Data. New York: Elsevier Science Publishing Co., 1991.
Rogove, S. T., e M. B. Steinhauer. Pyrex di Corning: A Collector’s Guide. New York: Antique Publications, 1993.
Altro
Corning Museum of Glass Web Page. 1 ottobre 2001. <http://www.cmog.org>.
Brevetto degli Stati Uniti 4,075,024. Occhiali colorati e metodo. 1976.
Perry Romanowski
0 commenti