Le proprietà termiche degli articoli in vetro così come il comportamento in temperatura del fuso sono di grande importanza per la corretta modellizzazione CFD e per la corretta gestione del processo produttivo del vetro (gestione del boosting, temperatura di goccia, curva di ricottura).
Stazione Sperimentale del Vetro è un centro di eccellenza riconosciuto a livello internazionale per la misura delle proprietà termofisiche del vetro, ed è uno dei pochi al mondo ad essere dotato della strumentazione scientifica e della competenza necessaria per una caratterizzazione integrata e completa di tali proprietà: viscosità, densità e resistività elettrica ad alta temperatura (fino a 1650°C), curve di dilatazione termica, determinazione del punto di softening e annealing, sono solo alcuni esempi di servizi analitici che SSV può fornire ai produttori di vetro per supportarli nelle loro esigenze di definizione e controllo del processo produttivo.
L’andamento della viscosità alle alte temperature è di fondamentale importanza per aspetti cruciali del processo produttivo del vetro quali la fusione, l’affinaggio e la formatura.
La viscosità ad alta temperatura viene misurata mediante principio del reometro rotante all’interno di un forno calibrato: un rotore in platino viene immerso nel vetro fuso (contenuto in un crogiolo di Pt) ad una determinata temperatura, e viene misurata la coppia necessaria a mantenere in rotazione il rotore a velocità costante, che è funzione della viscosità del fuso.
La tensione superficiale ad alta temperatura del vetro è un parametro cruciale per valutarne il comportamento aggressivo nei confronti dei materiali refrattari della palizzata, in particolare poiché determina se il vetro produrrà una corrosione generalizzata e congruente, oppure una corrosione localizzata lungo la metal line (punto triplo, effetto Marangoni), con formazione del caratteristico coup de sabre.
Inoltre, la tensione superficiale è una proprietà di capitale importanza nel caso della produzione di fibre di vetro, in quanto ha un impatto fondamentale sulle regolazioni operative della filiera, sulla possibilità e modalità di filare il fuso, ecc.
La determinazione della tensione superficiale ad alta temperatura viene effettuata seguendo un metodo appositamente ottimizzato internamente da SSV.
Il softening point o punto di rammollimento di Littleton è la temperatura a cui la viscosità del vetro è pari a 10^7.6 poise, e rappresenta il punto in cui il vetro comincia a perdere la propria forma sotto l’effetto del proprio peso.
La determinazione del softening point viene effettuata seguendo i dettami della norma ASTM-C 338-93 misurando l’elongazione sotto il proprio peso di una fibra di dimensioni standard ottenuta a partire dal vetro campione.
L’Annealing e lo Strain point sono definiti come le temperature per cui le tensioni residue nel vetro vengono completamente rilassate in tempi dell’ordine rispettivamente delle ore oppure dei giorni, e rappresentano due parametri di fondamentale importanza nella definizione del ciclo di ricottura degli articoli vetrosi.
La loro determinazione viene effettuata secondo la norma ASTM-C 336-71 in modo molto simile al softening point, misurando l’elongazione di una fibra di dimensioni standard sotto l’azione di trazione di un peso calibrato.
La temperatura di transizione vetrosa indica l’intervallo di T in corrispondenza del quale il comportamento del vetro muta da viscoelastico (plastico e tenace) a puramente elastico (rigido e fragile). La sua determinazione si effettua sulla base della misura dell’elongazione di un provino di dimensioni standard in funzione della temperatura, e corrisponde all’intervallo di T per cui la curva risultante ha un caratteristico cambio di pendenza.
La conducibilità elettrica del vetro è un parametro di cruciale importanza per l’ottimizzazione del boosting elettrico o per il settaggio dei forni elettrici. Essa viene misurata in un forno calibrato usando una coppia di elettrodi di Pt di forma opportuna, costituiti da una coppetta semisferica contenente il vetro fuso e un bulbo semisferico che viene immerso all’interno di quest’ultimo durante la misura. La resistività del vetro viene misurata per temperature comprese tra 600 e 1600°C al passaggio di correnti alternate a varie frequenze.
La determinazione della dipendenza funzionale della densità del vetro dalla temperatura è importante per le simulazioni fluidodinamiche (CFD) del processo di fusione del vetro, e viene effettuata sfruttando il principio di Archimede: il peso di una sfera di platino immersa nel vetro fuso in un forno calibrato viene determinato a varie temperature (tipicamente comprese tra 1000 e 1600°C).
Inoltre, se la misura viene effettuata in condizioni dinamiche (T crescenti), è possibile individuare la temperatura per cui cominciano a svilupparsi bolle legate alla saturazione della solubilità dei gas nel vetro (reboil).
La conducibilità termica di tipo fononico del vetro viene valutata da temperatura ambiente sino a 180°C mediante il metodo dell’hot disk.
Questa analisi consiste nella determinazione dei tempi caratteristici di rilassamento in funzione della temperatura di una fibra di vetro sottoposta a uno stress torsionale.
La determinazione della curva di devetrificazione di un dato vetro permette di valutarne il grado di instabilità e di individuarne le temperature critiche per la nucleazione e accrescimento di cristalli, pertanto è di cruciale importanza per es. nel settore delle vetroceramiche, o in caso di crisi di difetti nei prodotti finiti.
La prova viene effettuata con l’ausilio di un forno a gradiente appositamente calibrato, ed il metodo di valutazione è stato ottimizzato internamente da SSV seguendo le indicazioni della norma ISO di riferimento; il test può essere inoltre affiancato dall’analisi mineralogica XRD, finalizzata all’identificazione delle fasi cristalline eventualmente nucelate.
Questa proprietà è importante quando il vetro deve essere accoppiato ad un altro materiale, oppure per valutare la sua resistenza agli shock termici; il CTE medio viene determinato misurando l’elongazione di un campione standard di vetro tra temperatura ambiente e un’altra tempeartura prefissata (es. 200°C, 300°C o 400°C).