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Come si produce il vetro di cristallo

Vetro al piombo

Varietà di vetro in cui il piombo sostituisce il contenuto di calcio

Vedi anche: vetro al piombo (disambigua)

Il vetro al piombo,

comunemente chiamato cristallo , è una varietà di vetro in cui il piombo sostituisce il contenuto di calcio di un tipico bicchiere di potassio. [1] Il vetro al piombo contiene tipicamente il 18-40% (in massa) di ossido di piombo (II) (PbO), mentre il moderno cristallo al piombo , storicamente noto anche come vetro flint a causa della fonte originale di silice, contiene un minimo del 24% di PbO. [2] Il vetro al piombo è spesso desiderabile per una varietà di usi grazie alla sua chiarezza. [3] In termini di marketing viene spesso chiamato vetro di cristallo .

Il termine cristallo al piombo non è, tecnicamente, un termine accurato per descrivere il vetro al piombo, perché il vetro manca di una struttura cristallina ed è invece un solido amorfo. L'uso di Il termine rimane popolare per ragioni storiche e commerciali, ma a volte viene cambiato in semplicemente cristallo a causa della reputazione del piombo come sostanza tossica. Si ritrae la parola veneziana cristallo per descrivere il cristallo di rocca (quarzo) imitato dai vetrai di Murano. Questa convenzione di denominazione è stata mantenuta fino ai giorni nostri per descrivere l'holloware decorativo. [4]

I bicchieri in cristallo di piombo erano precedentemente utilizzati per conservare e servire le bevande, ma a causa dei rischi per la salute del piombo, questo è diventato raro. Un materiale alternativo è il moderno cristallo, in cui l'ossido di bario, l'ossido di zinco o l'ossido di potassio sono impiegati al posto dell'ossido di piombo.

Nell'Unione Europea, l'etichettatura dei prodotti "cristallo" è regolata dalla Direttiva 69/493/CEE del Consiglio, che definisce quattro categorie, a seconda della composizione chimica e delle proprietà del materiale. Solo prodotti in vetro contenenti almeno il 24% di L'ossido di piombo può essere indicato come "cristallo di piombo". I prodotti con meno ossido di piombo o i prodotti in vetro con altri ossidi metallici utilizzati al posto dell'ossido di piombo devono essere etichettati come "cristallino" o "cristallo". [5]

Proprietà

L'aggiunta di ossido di piombo al vetro ne aumenta l'indice di rifrazione e ne abbassa la temperatura di esercizio e la viscosità. Le interessanti proprietà ottiche del vetro al piombo derivano dall'alto contenuto di piombo, metallo pesante. Il piombo aumenta anche la densità del vetro, essendo oltre 7 volte più denso del calcio. La densità del vetro soda è di 2,4 g/cm 3 (1,4 oz/cu in) o inferiore, mentre il tipico cristallo al piombo ha una densità di circa 3,1 g/cm 3 (1,8 oz/cu in) e il vetro ad alto contenuto di piombo può essere superiore a 4,0 g/cm 3 (2,3 oz/cu in) o anche fino a 5,9 g/cm 3 (3,4 oz/cu in). [1]

Le La brillantezza del cristallo di piombo si basa sull'alto indice di rifrazione causato dal contenuto di piombo. Il vetro ordinario ha una rifrazione ( n ) di 1,5, mentre l'aggiunta di piombo produce un intervallo fino a 1,7 [1] o 1,8. [6] Questo indice di rifrazione elevato è anche correlato a una maggiore dispersione, che misura il grado in cui un mezzo separa la luce nelle sue lunghezze d'onda componenti, producendo così uno spettro, proprio come fa un prisma. Le tecniche di taglio del cristallo sfruttano queste proprietà per creare un effetto brillante e scintillante poiché ogni sfaccettatura tagliata nel vetro tagliato riflette e trasmette la luce attraverso l'oggetto. L'alto indice di rifrazione è utile per la realizzazione di lenti, poiché una determinata lunghezza focale può essere raggiunta con una lente più sottile. Tuttavia, la dispersione deve essere corretta da altri componenti del sistema di lenti se deve essere acromatica.

L'aggiunta di ossido di piombo al vetro di potassio ne riduce anche la viscosità, rendendolo più fluido del normale vetro soda al di sopra della temperatura di rammollimento (circa 600 °C o 1.112 °F), con un punto di lavoro di 800 °C (1.470 °F). La viscosità del vetro varia radicalmente con la temperatura, ma quella del vetro al piombo è circa due ordini di grandezza inferiore a quella dei normali bicchieri di soda in intervalli di temperatura di lavoro (fino a 1.100 °C o 2.010 °F). [7] Dal punto di vista del vetraio, questo si traduce in due sviluppi pratici. In primo luogo, il vetro al piombo può essere lavorato a una temperatura più bassa, portando al suo utilizzo nella smaltatura, e in secondo luogo, i recipienti trasparenti possono essere realizzati senza bolle d'aria intrappolate con meno difficoltà rispetto ai normali vetri, consentendo la produzione di oggetti perfettamente trasparenti e impeccabili.

Quando viene toccato, il cristallo al piombo emette un suono squillante, a differenza dei normali occhiali. I bicchieri da vino sono sempre stati apprezzati anche per il loro "anello" costituito dai bicchieri tintinnanti. Il suono era meglio quando una grande quantità di ossido di piombo era presente nel materiale per la produzione del vetro, come nei bicchieri da vino britannici e irlandesi del XVII-XIX secolo con le loro "ricche note campanule di Fa e Sol diesis". I consumatori si affidano ancora a questa proprietà per distinguerla dagli occhiali più economici. Emil Deeg aveva pubblicato un importante studio sul suono del cristallo di piombo nel 1958. Poiché gli ioni potassio sono legati più strettamente in una matrice di piombo-silice che in un vetro soda-calcico, il primo assorbe più energia quando viene colpito [ dubbio - discutere ] . Questo fa oscillare il cristallo di piombo, producendo così il suo suono caratteristico. [1] Il piombo aumenta anche la solubilità di stagno, rame e antimonio, portando al suo utilizzo in smalti colorati e smalti. La bassa viscosità del vetro fuso al piombo è la ragione del contenuto tipicamente elevato di ossido di piombo nelle saldature di vetro.

La presenza di il piombo è utilizzato nei vetri che assorbono le radiazioni gamma e i raggi X, utilizzato nella schermatura dalle radiazioni come forma di schermatura del piombo (ad esempio nei tubi a raggi catodici, riducendo così l'esposizione dell'osservatore ai raggi X morbidi). In fisica delle particelle, la combinazione della bassa lunghezza della radiazione risultante dall'alta densità e presenza di nuclei pesanti con l'alto indice di rifrazione che porta sia alla pronunciata radiazione Cherenkov che al contenimento della luce Cherenkov per riflessione interna totale rende il vetro al piombo uno degli strumenti principali per la rivelazione di fotoni per mezzo di piogge elettromagnetiche.

L'elevato raggio ionico dello ione Pb 2+ lo rende altamente immobile nella matrice e ostacola il movimento di altri ioni; i vetri di piombo hanno quindi un'elevata resistenza elettrica, circa due ordini di grandezza superiore al vetro soda-calcico (10 8,5 vs 10 6,5 ohm·cm, CC a 250 °C o 482 °F). Il vetro contenente piombo è spesso utilizzato negli apparecchi di illuminazione.

Storia

Il piombo può essere introdotto nel vetro come ingrediente della fusione primaria o aggiunto al vetro preformato senza piombo o alla fritta. L'ossido di piombo utilizzato nel vetro al piombo potrebbe essere ottenuto da una varietà di fonti. In Europa era ampiamente disponibile la galena, solfuro di piombo, che poteva essere fusa per produrre piombo metallico. Il piombo metallico verrebbe calcinato per formare ossido di piombo arrostendolo e raschiando via il litargirio. Nel periodo medievale il piombo metallico poteva essere ottenuto attraverso il riciclaggio da siti romani abbandonati e impianti idraulici, anche dai tetti delle chiese. Il piombo metallico era richiesto in quantità per la coppellazione d'argento e il litargirio risultante poteva essere utilizzato direttamente dai vetrai. Il piombo veniva utilizzato anche per gli smalti ceramici al piombo. Questa interdipendenza materiale suggerisce uno stretto rapporto di lavoro tra ceramisti, vetrai e metalmeccanici. [12]

I vetri con contenuto di ossido di piombo apparvero per la prima volta in Mesopotamia, il luogo di nascita dell'industria del vetro. [4] Il primo esempio conosciuto è un frammento di vetro blu di Nippur datato al 1400 a.C. contenente il 3,66% di PbO. Il vetro è menzionato in tavolette d'argilla del regno di Assurbanipal (668-631 a.C.), e una ricetta per lo smalto al piombo appare in una tavoletta babilonese del 1700 a.C. [13] Una torta di ceralacca rossa trovata nel Palazzo Bruciato di Nimrud, risalente all'inizio del VI secolo a.C., contiene il 10% di PbO. Questi bassi valori suggeriscono che l'ossido di piombo potrebbe non essere stato aggiunto consapevolmente e certamente non è stato utilizzato come agente fondente primario nei vetri antichi.

Il vetro al piombo si trova anche nella Cina del periodo Han (206 a.C. – 220 d.C.). Lì, veniva fusa per imitare la giada, sia per oggetti rituali come figure grandi e piccole, sia per gioielli e una gamma limitata di vasi. Poiché il vetro si presenta per la prima volta in una data così tarda in Cina, si pensa che la tecnologia sia stata portata lungo la Via della Seta dai vetrai del Medio Oriente. [4] La fondamentale differenza compositiva tra il vetro di silice-natron occidentale e l'unico vetro al piombo cinese, tuttavia, può indicare uno sviluppo autonomo.

Nell'Europa medievale e all'inizio dell'età moderna, il vetro al piombo era usato come base in vetri colorati, in particolare nelle tessere di mosaico, negli smalti, nella pittura su vetrate e nella bigiotteria , dove veniva utilizzato per imitare le pietre preziose. Sopravvivono diverse fonti testuali che descrivono il vetro al piombo. Tra la fine dell'XI e l'inizio del XII secolo, la Schedula Diversarum Artium (Elenco dei vari mestieri ), l'autore noto come "Theophilus Presbyter" descrive il suo uso come imitazione della pietra preziosa, e il titolo di un capitolo perduto dell'opera menziona l'uso del piombo nel vetro. Lo pseudonimo "Heraclius" del XII-XIII secolo descrive in dettaglio la produzione dello smalto al piombo e il suo uso per pittura di finestre nel suo De coloribus et artibus Romanorum (Dei colori e dei mestieri dei Romani ). Questo si riferisce al vetro al piombo come "vetro ebraico", forse indicando la sua trasmissione in Europa. [13] Un manoscritto conservato alla Biblioteca Marciana di Venezia descrive l'uso dell'ossido di piombo negli smalti e include ricette per calcinare il piombo per formare l'ossido. Il vetro al piombo era ideale per la smaltatura di recipienti e finestre grazie alla sua temperatura di lavoro inferiore rispetto al vetro forestale del corpo.

Antonio Neri dedicò al vetro al piombo il quarto libro de L'Arte Vetraria (1612). In questo primo trattato sistematico sul vetro, si riferisce nuovamente all'uso del vetro al piombo negli smalti, negli oggetti di vetro e per l'imitazione delle pietre preziose. Christopher Merrett lo tradusse in inglese nel 1662 (The Art of Glass ), aprendo la strada alla produzione di vetro cristallo al piombo inglese di George Ravenscroft.

George Ravenscroft (1618-1681) fu il primo a produrre oggetti in cristallo al piombo trasparente su scala industriale. Figlio di un mercante legato a Venezia, Ravenscroft disponeva delle risorse culturali e finanziarie necessarie per rivoluzionare il commercio del vetro, ponendo le basi da cui l'Inghilterra superò Venezia e la Boemia come centro dell'industria vetraria nel Settecento e nell'Ottocento. Con l'aiuto dei vetrai veneziani, in particolare da Costa, e sotto gli auspici della Worshipful Company of Glass Sellers di Londra, Ravenscroft cercò di trovare un'alternativa al cristallo veneziano. Il suo uso della selce come fonte di silice ha portato al termine vetro di selce per descrivere questi vetri di cristallo, nonostante il suo successivo passaggio alla sabbia. [2] All'inizio, i suoi occhiali tendevano a scricchiolare, sviluppando una rete di piccole crepe che ne distruggevano la trasparenza, che alla fine è stata superata sostituendo alcuni del flusso di potassio con ossido di piombo alla fusione, fino al 30%. Il crizzling deriva dalla distruzione della rete di vetro a causa di un eccesso di alcali e può essere causato da un eccesso di umidità e da difetti intrinseci nella composizione del vetro. [1] Gli fu concesso un brevetto protettivo nel 1673, dove la produzione si spostò dalla sua serra nel distretto dei Savoy, a Londra, alla solitudine di Henley-on-Thames. [14] Nel 1676, dopo aver apparentemente superato il problema del crepuscolo, a Ravenscroft fu concesso l'uso di un sigillo con la testa di corvo come garanzia di qualità. Nel 1681, l'anno della sua morte, il brevetto scadde e le operazioni si svilupparono rapidamente tra diverse aziende, dove nel 1696 ventisette delle ottantotto serre in Inghilterra, specialmente a Londra e Bristol, producevano vetro flint contenente il 30-35% di PbO. [2]

In questo periodo il vetro veniva venduto a peso, e le forme tipiche erano piuttosto Pesante e solido con decorazioni minime. Tale fu il suo successo sul mercato internazionale, tuttavia, che nel 1746 il governo britannico impose una lucrativa tassa sul peso. Piuttosto che ridurre drasticamente il contenuto di piombo del loro vetro, i produttori risposero creando forme altamente decorate, più piccole e più delicate, spesso con steli cavi, note ai collezionisti di oggi come bicchieri per accise . [2] Nel 1780, il governo concesse all'Irlanda il libero commercio del vetro senza tassazione. La manodopera e il capitale inglesi si spostarono poi a Dublino e Belfast, e nuove vetrerie specializzate nel vetro intagliato furono installate a Cork e Waterford. Nel 1825 la tassa fu rinnovata e gradualmente l'industria declinò fino alla metà del XIX secolo, quando la tassa fu finalmente abrogata. [4]

A partire dal XVIII secolo, il vetro al piombo inglese divenne popolare in tutta Europa ed era ideale per il nuovo gusto per il taglio a ruota decorazione del vetro perfezionata sul continente grazie alle sue proprietà relativamente morbide. In Olanda, maestri incisori locali come David Wolff e Frans Greenwood punteggiarono oggetti in vetro inglesi importati, uno stile che rimase popolare fino al XVIII secolo. [4] La sua popolarità in Olanda era tale che la prima produzione continentale di vetro cristallo al piombo iniziò lì, probabilmente come risultato di lavoratori inglesi importati. [13] L'imitazione del cristallo al piombo alla façon d'Angleterre presentava difficoltà tecniche, in quanto i migliori risultati si ottenevano con pentole coperte in una fornace a carbone, un processo particolarmente inglese che richiedeva forni a cono specializzati. [2] Verso la fine del XVIII secolo, il vetro cristallo al piombo veniva prodotto in Francia, Ungheria, Germania e Norvegia. [13] [15] Nel 1800, il cristallo al piombo irlandese aveva superato i vetri di calce e potassa sul continente, e i tradizionali centri di produzione del vetro in Boemia iniziarono a concentrarsi sui vetri colorati piuttosto che competere direttamente con essi.

Lo sviluppo del vetro al piombo continuò per tutto il XX secolo, quando nel 1932 gli scienziati della Corning Glassworks, nello Stato di New York, svilupparono un nuovo vetro al piombo di elevata chiarezza ottica. Questo divenne il fulcro di Steuben Glass Works, una divisione di Corning, che produceva vasi decorativi, ciotole e bicchieri in stile Art Déco. Il cristallo al piombo continua ad essere utilizzato in applicazioni industriali e decorative.

Smalti al piombo

Le proprietà di flussaggio e rifrazione apprezzate per il vetro al piombo lo rendono attraente anche come smalto per ceramica o ceramica. Gli smalti al piombo appaiono per la prima volta nel I secolo a.C. e nel I secolo d.C. e si trovano quasi contemporaneamente in Cina. Erano molto ricchi di piombo, 45-60% di PbO, con un contenuto di alcali molto basso, inferiore al 2%. [16] Dal periodo romano, rimasero popolari attraverso il periodo bizantino e islamico nel Vicino Oriente, su vasi di ceramica e piastrelle in tutta l'Europa medievale, e fino ai giorni nostri. In Cina, smalti simili furono usati a partire dal XII secolo per smalti colorati su gres e su porcellana dal XIV secolo. Questi potrebbero essere applicati in tre modi diversi. Il piombo poteva essere aggiunto direttamente a un corpo ceramico sotto forma di un composto di piombo in sospensione, sia dalla galena (PbS), dal piombo rosso (Pb 3 O 4 ), dal piombo bianco (2PbCO 3 · Pb(OH) 2 ), o ossido di piombo (PbO). Il secondo metodo prevede la miscelazione del composto di piombo con la silice, che viene poi posta in sospensione e applicata direttamente. Il terzo metodo prevede la frittura del composto di piombo con silice, la polverizzazione della miscela, la sospensione e l'applicazione. [16] Il metodo utilizzato su una determinata imbarcazione può essere dedotto analizzando al microscopio lo strato di interazione tra lo smalto e l'impasto ceramico.

Gli smalti opacizzati allo stagno apparvero in Iraq nell'VIII secolo d.C. Originariamente contenenti l'1-2% di PbO, nell'XI secolo si erano sviluppati smalti ad alto contenuto di piombo, contenenti tipicamente il 20-40% di PbO e il 5-12% di alcali. Questi sono stati utilizzati in tutta Europa e nel Vicino Oriente, in particolare nella ceramica di Iznik, e continuano ad essere utilizzati oggi. Le glasse con un contenuto di piombo ancora più elevato si trovano nella maiolica spagnola e italiana, con un massimo del 55% di PbO e un minimo del 3% di alcali. [16] L'aggiunta di piombo alla massa fusa consente la formazione di ossido di stagno più facilmente rispetto a uno smalto alcalino: l'ossido di stagno precipita in cristalli nello smalto mentre si raffredda, creando la sua opacità.

L'uso dello smalto al piombo presenta diversi vantaggi rispetto agli smalti alcalini oltre alla loro maggiore rifrangenza ottica. I composti di piombo in sospensione possono essere aggiunti direttamente al corpo ceramico. Alcali Gli smalti devono essere prima mescolati con silice e fritti prima dell'uso, poiché sono solubili in acqua, richiedendo ulteriore manodopera. Uno smalto riuscito non deve strisciare o staccarsi dalla superficie della ceramica durante il raffreddamento, lasciando aree di ceramica non smaltata. Il piombo riduce questo rischio riducendo la tensione superficiale dello smalto. Non deve deformarsi, formando una rete di crepe, causate quando la contrazione termica dello smalto e dell'impasto ceramico non combaciano correttamente. Idealmente, la contrazione dello smalto dovrebbe essere del 5-15% inferiore alla contrazione del corpo, poiché gli smalti sono più forti sotto compressione che sotto tensione. Uno smalto ad alto contenuto di piombo ha un coefficiente di dilatazione lineare compreso tra 5 e 7×10 −6 /°C, rispetto a 9-10×10 −6 /°C per gli smalti alcalini. Quelle delle ceramiche di terracotta variano tra 3 e 5×10 −6 /°C per le impasti non calcaree e tra 5 e 7×10 −6 /°C per le argille calcaree, o quelle contenenti il 15-25% CaO. [16] Pertanto, la contrazione termica dello smalto al piombo corrisponde più da vicino a quella della ceramica rispetto a uno smalto alcalino, rendendola meno soggetta a screpolature. Uno smalto dovrebbe anche avere una viscosità sufficientemente bassa da prevenire la formazione di fori di spillo quando i gas intrappolati fuoriescono durante la cottura, in genere tra 900 e 1100 °C, ma non così bassa da defluire. La viscosità relativamente bassa dello smalto al piombo mitiga questo problema. Potrebbe anche essere stato più economico da produrre rispetto agli smalti alcalini. [16] Il vetro al piombo e gli smalti hanno una storia lunga e complessa e continuano a svolgere nuovi ruoli nell'industria e nella tecnologia di oggi.

L'ossido

di piombo aggiunto al vetro fuso conferisce al cristallo di piombo un indice di rifrazione molto più elevato rispetto al vetro normale, e di conseguenza una "brillantezza" molto maggiore aumentando la riflessione speculare e la gamma di angoli di riflessione interna totale. Ordinario il vetro ha un indice di rifrazione di n = 1,5; L'aggiunta di piombo produce un indice di rifrazione fino a 1,7. [1] Questo indice di rifrazione più elevato aumenta anche la dispersione correlata, il grado in cui il vetro separa la luce nei suoi colori, come in un prisma. L'aumento dell'indice di rifrazione e della dispersione aumenta notevolmente la quantità di luce riflessa e quindi il "fuoco" nel vetro.

Nel vetro tagliato, che è stato tagliato a mano o a macchina con sfaccettature, la presenza di piombo rende anche il vetro più morbido e facile da tagliare. Il cristallo può essere composto fino al 35% di piombo, a quel punto ha la massima brillantezza. [1]

Diversi

studi hanno dimostrato che servire cibo o bevande in bicchieri contenenti ossido di piombo può causare la lisciviazione del piombo nel contenuto, anche quando la vetreria non è stata utilizzata per la conservazione. Dovuto a all'incapacità di "indicare una soglia per gli effetti chiave del piombo", un comitato dell'Organizzazione Mondiale della Sanità del 2011 sugli additivi alimentari "ha concluso che non era possibile stabilire un nuovo PTWI (dose giornaliera tollerabile provvisoria) che sarebbe considerato protettivo per la salute". [19] [20]

La quantità di piombo rilasciata dal vetro di piombo aumenta con l'acidità della sostanza che viene servita. L'aceto, ad esempio, ha dimostrato di causare una lisciviazione più rapida rispetto al vino bianco, poiché l'aceto è più acido. [21] I succhi di agrumi e altre bevande acide rilasciano il piombo dal cristallo con la stessa efficacia delle bevande alcoliche. [20] [22] È stato riscontrato che l'uso quotidiano di cristalleria al piombo (senza conservazione a lungo termine) aggiunge fino a 14,5 μg di piombo dal consumo di una bevanda a base di cola da 350 ml. [20]

La quantità di piombo rilasciata in un alimento o in una bevanda aumenta con il tempo di permanenza nel recipiente. In uno studio condotto presso la North Carolina State University, la quantità di migrazione del piombo è stata misurata per il vino porto conservato in decanter a cristallo di piombo. [23] Dopo due giorni, i livelli di piombo erano di 89 μg/L (microgrammi per litro). Dopo quattro mesi, i livelli di piombo erano compresi tra 2.000 e 5.000 μg/L. Il vino bianco ha raddoppiato il suo contenuto di piombo entro un'ora dalla conservazione e lo ha triplicato entro quattro ore. Alcuni brandy conservati in cristallo di piombo per oltre cinque anni avevano livelli di piombo intorno ai 20.000 μg/L. [24]

La lisciviazione del piombo dallo stesso decanter diminuisce con l'uso ripetuto. Questa scoperta è "coerente con la teoria della chimica ceramica, che prevede che la lisciviazione del piombo dal cristallo sia autolimitante in modo esponenziale in funzione dell'aumento della distanza dall'interfaccia cristallo-liquido". [22]

E' stato proposto che lo storico l'associazione della gotta con le classi superiori in Europa e in America era, in parte, causata dall'uso estensivo di decanter in cristallo di piombo per conservare vini e whisky fortificati. [25] Sono state pubblicate prove statistiche che collegano la gotta all'avvelenamento da piombo. [26]

Vedi anche

Riferimenti

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  2. ^ a b c d e Hurst-Vose, Ruth (1980). Vetro . Archeologia di Collins. Londra: Collins. CODICE ISBN.
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  6. ^ Tutorial sulla rifrazione dei media. physics.info
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Fonti

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