Quarzo – Informazioni generali

Che cos’è il quarzo?

• Il quarzo è un cristallo diffuso abbondantemente sulla crosta terrestre.
• Composizione chimica = SiO₂ (Biossido di silicio)
• Il quarzo quando si fonde diventa amorfo (non cristallino) ed è comunemente noto come vetro o, scientificamente, come quarzo fuso.
• È possibile abbassare la sua temperatura di fusione e renderlo lavorabile a temperature più basse, con l’aggiunta di certi additivi;_{per esempio,aggiungendo soda e calce alla silice si ottiene} il vetro sodo-calcico, che è una delle forme più comuni di vetro utilizzate nella vita quotidiana
• Il vetro di quarzo fuso è la forma con purezza più elevata, non contiene additivi per abbassare la temperatura, allo scopo principale di avere solo SiO₂ senza altre “impurità”.

Perché è importante la purezza del vetro di quarzo?

• Resistenza alle alte temperature. Si usa comunemente sopra i 1200 °C, resiste ai cambiamenti ampi e rapidi di temperatura, basso coefficiente di dilatazione termica, non si espande o ritira molto con ampie variazioni di temperatura.
• Buona trasmissione delle lunghezze d’onda UV e IR.È il solo a essere utilizzato per le lampade a ultravioletti (UV) e a infrarossi (IR) dove il vetro di quarzo è necessario per creare un ambiente protettivo per le lampade, pur riuscendo a trasmettere alti livelli di luce UV o IR (superiore all’80%).
• Bassa reattività con altri elementi. Rischio minore di contaminazione del prodotto, cosa che rende il vetro di quarzo la soluzione adatta per applicazioni sensibili, nelle quali la contaminazione incrociata tra il materiale “vettore” (in questo caso vetro di quarzo) e il materiale in esame o di parti in lavorazione deve essere quanto più bassa possibile.

La differenza tra quarzo cristallino e fuso sta nella loro microstruttura. Il quarzo cristallino ha una struttura molto ordinata con anelli regolari, mentre il quarzo fuso è meno ordinato. Nel quarzo fuso gli anelli sono di varie dimensioni, possono avere legami liberi e i legami tra gli ioni corrispondenti possono essere forzati.

Le proprietà uniche del quarzo fuso sono determinate sia dalla composizione chimica (legame Si-O) che dalla sua microstruttura:

• l’ampio intervallo di stabilità termica, l’elevata trasmissione ottica e l’alta resistenza chimica sono il risultato del forte legame Si-O;
• la struttura amorfa è la causa della bassa dilatazione termica, dell’eccellente resistenza agli sbalzi termici e dell’elevata omogeneità del vetro di quarzo.

Quali sono gli aspetti fondamentali per la resistenza del quarzo alle alte temperature?

• Il quarzo cede al proprio peso in funzione del tempo e della temperatura.
• Punto di rammollimento: 1683 °C, nel quale il vetro si deforma sotto il proprio peso.
• Punto di ricottura: 1215 °C, nel quale la tensione interna viene notevolmente ridotta nel giro di 15 minuti.
• Punto di deformazione: 1120 °C, nel quale la tensione interna si riduce notevolmente nel giro di 4 ore
• Generalmente sotto i 1000 °C, il materiale subisce cambiamenti piccolissimi.
• I tubi di quarzo si deformano più velocemente al crescere del diametro.
• Un maggiore spessore della parete aumenta la durata di un tubo di quarzo (spessore della parete x 2 = abbassamento/3)

Quali sono le qualità fondamentali per una buona trasmissione della luce IR e UV attraverso il quarzo?

• La trasmissione della luce UV e IR attraverso il vetro di quarzo  (ovvero quanta luce passa attraverso il materiale senza essere assorbita) è influenzata direttamente dal livello di impurità che contiene.
• Questo significa anche che è possibile aggiungere deliberatamente diverse sostanze per bloccare lunghezze d’onda specifiche.
• Il grafico seguente mostra i livelli medi di trasmissione dei principali tipi di quarzo disponibili sul mercato, dove:

GE012 = quarzo sintetico, per applicazioni in profondità della luce UV; 
GE214 = quarzo normale fuso elettricamente, per tubi e barre;
GE124 = quarzo normale fuso elettricamente, per lingotti da lavorare con macchine utensili;
GE219 = quarzo drogato con Ti, per il blocco della trasmissione a un livello equivalente a quello dell’ozono.
GE254 = quarzo drogato con Ce, per bloccare la luce UV.

• Si noti che i livelli di trasmissione del vetro di quarzo sono influenzati anche dalla finitura superficiale.

Quali sono gli aspetti fondamentali della reattività del quarzo?

• Il vetro di quarzo è generalmente reattivo con altri elementi solo al di sopra di una temperatura relativamente elevata.
• Il sodio (Na) causa un’alterazione di questa proprietà, quindi è importante garantire che il quarzo non sia maneggiato con le mani nude, ma con guanti protettivi, perché il sale contenuto nel sudore ha un effetto nocivo.
• Prima di operare ad alte temperature, è consigliato  un lavaggio accurato con alcool, per esempio, l’isopropanolo.

Come si produce il quarzo?

• Fase 1: È necessario trovare una montagna con cristalli di quarzo molto puri naturalmente. Vedi il collegamento web: Articolo della BBC su UNIMIN
• Passo 2: Cavare la roccia con i cristalli di quarzo e separarli dalle altre rocce e minerali.
• Fase 3: Ridurre i cristalli di rocca in sabbia silicea di alta purezza.
• Fase 4: Rimuovere quanto più contaminanti possibili attraverso vari metodi di raffinazione e purificazione.
• Fase 5: Pulire e cuocere sotto vuoto, ad alta temperatura la sabbia, per eliminare l’umidità.
• Passo 6: Fondere la sabbia ad altissima temperatura in un ambiente altamente controllato. I metodi sono diversi: riscaldamento elettrico, riscaldamento a induzione, fusione alla fiamma, plasma.
• Passo 7: Modellare la sabbia fusa secondo le forme finite desiderate, le più diffuse sono: tubi, barre, crogioli o lingotti.
• Fase 8: Distribuire questi semilavorati alle migliaia di clienti in tutto il mondo, come ad esempio i costruttori come Enterprise Q, che trasformano i pezzi grezzi in prodotti finiti.

La complessità del processo sta in: 1) ottenere silice pura dalla _{sabbia silicea di partenza} e 2) nella gestione della zona calda della torre di stiratura per controllare i parametri critici e garantire la costanza della qualità.

Il vetro di quarzo si distingue in base al materiale di partenza. Se si usa materia prima naturale, per esempio, sabbia quarzifera o cristallo di quarzo, si chiama quarzo fuso. Se si utilizzano precursori chimici, come ad esempio, SiCl_4,viene chiamato silicio fuso.

Oltre che in base alla materia prima, il vetro di quarzo si distingue pure secondo il metodo di produzione. Ci sono tre gruppi di processi consolidati che definiscono ulteriormente le proprietà del vetro al quarzo:

• Quarzo fuso elettricamente, il più comunemente usato e con il costo di gestione più basso.
• Quarzo fuso alla fiamma, metodo tradizionale, con migliori proprietà di solarizzazione e omogeneità.
• Silicio fuso sintetico, di purezza eccezionale e con le migliori proprietà di trasmissione.

Infine, per la produzione di tubi di quarzo, vengono utilizzati due metodi principali:

• A ciclo unico: Tolleranze strette, più economico, ma richiede volumi di produzione elevati per giustificare un ciclo di produzione e permette di produrre solo una gamma limitata di diametri per ciclo.
• In più cicli: Si utilizza un cilindro preformato da rimodellare in tubi finiti; ha un più basso contenuto di bolle, offre ampia disponibilità di formati finiti, è lavorabile in piccoli lotti.

Per altre informazioni sulle proprietà generali del quarzo, ulteriori dettagli tecnici e alcuni strumenti utili, potete consultare i seguenti siti web: