Introduzione
Il vetro come materiale è onnipresente nella nostra vita quotidiana. Che si tratti di vetri per finestre, occhiali da lettura, bicchieri da vino o componenti elettronici dei nostri telefoni cellulari, le aree di applicazione del vetro sono molteplici e versatili. Fondamentalmente, i vetri sono solidi amorfi che non presentano un ordine strutturale atomico a lungo raggio. I vetri più utilizzati sono costituiti principalmente da composti di ossidi inorganici come il biossido di silicio (SiO2) e l'ossido di sodio (Na2O) e da altri additivi [1]. I rapporti di miscelazione - o la purezza dei componenti - determinano le proprietà e quindi il campo di applicazione.
Il vetro di silicato puro, chiamato anche silice fusa, è un tipo speciale di vetro costituito da ossido di silicio altamente puro e privo di impurità significative. Rispetto ad altri vetri inorganici, si distingue per la resistenza alle alte temperature, la bassa espansione termica, la resistenza chimica e la biocompatibilità, oltre che per l'elevata trasparenza ottica, che va dall'ultravioletto all'infrarosso [2]. Questo materiale trova applicazioni in vari campi, tra cui la funzione di occhiali da visione in ambienti ad alta temperatura, il funzionamento come lenti in sistemi laser, il supporto di procedure implantologiche e l'utilizzo in strumenti analitici come i dilatometri.
Misurazione delle proprietà termomeccaniche diVetri mediante DMA
L'analisi dinamico-meccanica (DMA) è un metodo sperimentale per studiare le proprietà viscoelastiche dei materiali. Si tratta di analizzare la risposta del materiale a carichi meccanici periodici per determinare proprietà quali elasticità, viscosità e smorzamento. Il DMA 303 Eplexor® è uno strumento dinamico-meccanico da tavolo che consente livelli di forza totale fino a 50 N. Il sistema presenta un intervallo di temperatura compreso tra -170°C e 800°C, unico nel suo genere tra gli strumenti da banco. Grazie a queste proprietà, è possibile caratterizzare fino a 800°C sia materiali a bassa temperatura, come i polimeri, sia materiali altamente rigidi, come acciai, ceramiche o vetri.
Risultati della misurazione
La Figura 1 confronta la misura DMA su un vetro float convenzionale (curva blu), utilizzato nelle finestre di casa, con quella di silice fusa pura (curva rossa) da 100°C a 800°C. La misura è stata eseguita in flessione a 3 punti con una lunghezza di flessione libera di 20 mm e una frequenza di 1 Hz. I campioni cubici hanno uno spessore di 1 mm e una larghezza di 10 mm, con il contorno esterno lisciato.
Sia il vetro di silice fusa che il vetro di silicato puro hanno un Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo, E', di poco inferiore a 70 GPa a 100°C. Il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo, E', descrive le proprietà elastiche del materiale; in parole povere, la sua rigidità.
Con l'aumentare della temperatura, il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo del vetro di silice fuso diminuisce leggermente e assume un valore di circa 60 GPa a 500°C. A 566°C (inizio estrapolato), si verifica una forte diminuzione del Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo, E', insieme a un aumento significativo di tan δ. Tan δ rappresenta le proprietà di smorzamento di un materiale o la sua dissipazione di energia.
È la caratteristica di transizione vetrosa (Tg) dei solidi amorfi. A temperature inferiori alla Tg, i materiali sono per lo più solidi ed eventualmente fragili. Nella transizione vetrosa, l'energia cinetica degli atomi non strutturati diventa sufficientemente alta da superare i legami intermedi. A questo punto, il vetro diventa più morbido e modellabile. Per questo motivo, non si continua la misurazione una volta raggiunto questo punto, per evitare laTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione del vetro sul portacampioni.
Al contrario, il vetro silicato puro, come mostrato nella figura 1, presenta un comportamento piuttosto atipico per i solidi. Nell'intervallo di temperatura osservato, non si verifica il rammollimento del materiale. Al contrario, il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo, E', aumenta leggermente con l'aumentare della temperatura. Babcock et al. [3] ipotizzano la coesistenza di due strutture atomiche di ordine a corto raggio con forze di legame e densità diverse. Con l'aumento della temperatura, si forma sempre più la struttura con forze di legame atomiche più elevate e il materiale diventa più rigido.
L'esempio dimostra l'uso del vetro silicato puro per applicazioni ad alta temperatura. Sebbene il vetro di silicato puro possa essere utilizzato anche per temperature superiori a 600°C, il vetro di silice fuso tradizionale non garantirebbe più la stabilità strutturale. Inoltre, questo esempio illustra il diverso comportamento che possono avere materiali abbastanza simili sia visivamente che chimicamente, e come l'analisi dinamico-meccanica possa aiutare a indagare su questo aspetto.
Sintesi
L'analisi dinamico-meccanica è un metodo tipicamente utilizzato per determinare la transizione vetrosa di polimeri amorfi e semicristallini. Il DMA 303 Eplexor® consente di analizzare materiali fino a 800°C, un intervallo di temperatura che non ha rivali tra gli strumenti da banco. Ciò consente di caratterizzare e valutare per l'applicazione anche i materiali impiegati nella gamma da medium ad alta temperatura, come metalli, ceramiche o vetri.