Scienza del vetro e dei substrati
Riconoscere il tipo di vetro in accettazione: densità, indice di rifrazione e controllo UV
Vetro sodico-calcico, borosilicato, alluminosilicato alcalino e vetro di quarzo hanno un aspetto quasi identico. L’articolo propone un metodo rapido di identificazione basato su densità di Archimede, indice di rifrazione e osservazione UV, calcola la precisione di misura necessaria per separare tipi vicini e spiega perché sodico-calcico e alluminosilicato alcalino si distinguono solo combinando l’indice di rifrazione.
L’etichetta del materiale in ingresso dice «borosilicato»: lo è davvero, una volta tagliato? I quattro substrati più comuni sono praticamente indistinguibili a vista: i pezzi spessi sono trasparenti con il bordo leggermente verdastro, e dopo la cromatura delle linee la differenza si vede ancora meno. Densità, indice di rifrazione e assorbimento UV però differiscono, e con pochi passi di misura al banco si può verificare il tipo di base. La difficoltà è che l’errore di misura deve essere inferiore alla distanza tra i tipi, e le distribuzioni tra lotti di tipi vicini possono già sovrapporsi di per sé.
L’«impronta digitale» dei quattro tipi
La tabella riporta valori tipici (esempi, non riferiti ad alcun marchio; variano da produttore a produttore):
| Tipo | Densità ρ (g/cm³) | Indice di rifrazione n_d | Bordo di assorbimento UV (ordine di grandezza) |
|---|---|---|---|
| Silice fusa | circa 2,20 | circa 1,458 | sotto 200–250 nm, trasmette a 254 nm |
| Borosilicato tipo 3.3 | circa 2,23 | circa 1,473 | circa 280–310 nm, a 254 nm quasi opaco |
| Alluminosilicato alcalino | 2,4–2,5 | circa 1,50–1,51 | circa 280–340 nm, opaco a 254 nm |
| Sodico-calcico | circa 2,50 | circa 1,52 | circa 310–340 nm (contenente ferro), opaco a 254 nm |
Silice e borosilicato differiscono di 0,027 in densità e di 0,0145 in indice di rifrazione: distanza ampia. Sodico-calcico e alluminosilicato alcalino si sovrappongono in densità e differiscono di 0,014 in indice: è la coppia più difficile da separare.
Metodo di Archimede: quante cifre di densità
Si pesa il provino in aria (m_a) e immerso in acqua (m_w); allora
ρ = ρ_w·m_a / (m_a − m_w)
dove ρ_w è la densità dell’acqua (circa 0,9982 g/cm³ a 20 ℃, circa 0,9971 a 25 ℃), seguita da una correzione per la spinta dell’aria di circa 0,0012 g/cm³. Gli errori vengono da tre fonti: lettura della bilancia, temperatura dell’acqua, tensione superficiale sul filo di sospensione. Per un provino con ρ = 2,5 g/cm³:
- Bilancia 0,1 mg: un provino da 20 g sposta 8 g d’acqua, errore relativo circa 10⁻⁵, trascurabile.
- Temperatura dell’acqua ±0,5 K: la densità dell’acqua varia di 2,1×10⁻⁴ g/cm³ per K, con effetto su ρ di circa 0,0003 g/cm³.
- Filo di sospensione: un filo da φ0,1 mm che attraversa la superficie dell’acqua subisce la forza di tensione superficiale F = π·d·γ ≈ 2,3×10⁻⁵ N, pari a circa 2,3 mg, con l’effetto maggiore sui provini piccoli.
| Massa del provino | 2 g | 5 g | 10 g | 20 g | 50 g |
|---|---|---|---|---|---|
| δρ (g/cm³) | 0,007 | 0,003 | 0,0015 | 0,0008 | 0,0004 |
Il provino deve quindi pesare almeno 10 g, oppure si usa un filo più sottile con una traccia di tensioattivo, insieme ad acqua termostatata ed eliminazione delle bolle.
Identificazione combinata: quanta precisione serve
Siano σ₁ e σ₂ le deviazioni standard delle distribuzioni tra lotti dei due tipi (valori di esempio: silice 0,003 / 0,0003, borosilicato 0,004 / 0,001, alluminosilicato alcalino 0,025 / 0,004, sodico-calcico 0,010 / 0,002; il primo per ρ, il secondo per n). Richiedendo che la distanza Δ raggiunga 3 volte la deviazione standard combinata, la massima deviazione standard di misura ammessa è
σ_m = √[(Δ/3)² − σ₁² − σ₂²]
| Coppia di tipi | Limite σ_m densità | Limite σ_m indice di rifrazione |
|---|---|---|
| Silice / borosilicato | 0,0075 g/cm³ | 0,0047 |
| Sodico-calcico / alluminosilicato alcalino | nessuna soluzione (i lotti già si sovrappongono) | 0,0013 |
Silice e borosilicato si separano con la densità di Archimede a ±0,003, e per l’indice di rifrazione il metodo dell’angolo di Brewster è quasi sufficiente: tanθ_B = n, δn = (1+n²)·δθ; con lettura dell’angolo a ±0,1° si ha δn ≈ 0,0057, poco sopra il limite di 0,0047. Per sodico-calcico e alluminosilicato alcalino la sola densità non basta: a causa delle deviazioni standard tra lotti, il valore z delle due distribuzioni di densità è solo 1,9. L’indice di rifrazione deve stare entro ±0,0013; il metodo a immersione (esempio ±0,002) non basta, solo il rifrattometro di Abbe (esempio ±0,0005) è affidabile (Figura 3). Il valore z combinato delle due grandezze è circa 3,6; il campione della Figura 1 viene classificato come alluminosilicato alcalino solo quando la precisione sull’indice di rifrazione rientra in ±0,0005.
L’osservazione UV serve da complemento, non da criterio quantitativo. Sotto una lampada a 254 nm (indossare occhiali di protezione UV) solo la silice trasmette, gli altri tre tipi no. Colore e intensità della fluorescenza della silice variano con il metodo di fusione e con le impurità: confrontare con campioni noti e non usarla come criterio assoluto. Il lato stagno del vetro float contenente stagno è fluorescente; vedi l’articolo sul lato stagno in questa biblioteca.
Procedura di controllo in ingresso
- Aspetto e UV a 254 nm: separare prima la silice dagli altri tre tipi.
- Densità di Archimede (provino ≥ 10 g, temperatura dell’acqua ±0,5 K): distinguere 2,20 e 2,23 dal gruppo a 2,4 e oltre.
- Rifrattometro o immersione: separare sodico-calcico e alluminosilicato alcalino; precisione migliore di ±0,0013.
- Se restano dubbi, ricorrere all’analisi della composizione o al coefficiente di dilatazione (vedi l’articolo dedicato in questa biblioteca).
Indicazioni pratiche
- Chiedersi prima quale coppia va separata: silice/borosilicato con densità più indice di rifrazione; sodico-calcico/alluminosilicato alcalino richiede un indice di rifrazione entro ±0,0013.
- Provini per il metodo di Archimede non inferiori a 10 g; usare acqua termostatata, filo sottile con tensioattivo e applicare la correzione per la spinta dell’aria.
- Il metodo dell’angolo di Brewster con lettura a ±0,1° dà solo ±0,0057 su δn: adatto a un controllo grossolano, non a separare i vicini sodico-calcico e alluminosilicato alcalino.
- Riportare i valori misurati con la loro incertezza e confrontarli con la distribuzione tra lotti del fornitore, invece di controllare solo se cadono sul valore nominale.
- Usare la lampada UV solo come ausilio; una lampada a 254 nm può danneggiare gli occhi, gli occhiali di protezione sono obbligatori.
- Conservare campioni di ogni lotto e costruire una propria distribuzione densità–indice di rifrazione: è più affidabile che citare valori da manuale.
Conclusioni
Il tipo di vetro si verifica combinando densità, indice di rifrazione e assorbimento UV. Silice e borosilicato sono lontani e si separano con la densità di Archimede a ±0,003 g/cm³; sodico-calcico e alluminosilicato alcalino si sovrappongono in densità, quindi la precisione sull’indice di rifrazione deve essere migliore di ±0,0013. Scegliere il metodo in base a questo budget è più affidabile che andare «a sensazione e a marchio».
Traduzione dell’articolo originale cinese (0566). ENC7 – produttore di dischi encoder (richiesta) · Articoli tecnici · https://enc7.com
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