Μ-Raman spectroscopy characterisation of glass/refractory interfaces: a tool to improve the quality of the industrial glass production Pietro Galinetto,

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1 µ-Raman spectroscopy characterisation of glass/refractory interfaces: a tool to improve the quality of the industrial glass production Pietro Galinetto, Dipartimento di Fisica “A. Volta”, Università di Pavia, via Bassi 6, 27100, Pavia Roberto Falcone, Marco Verità Stazione Sperimentale del Vetro, v. Briati 10, 30141, Murano- Venezia, Italy Elisabetta Negri Department of Earth Science, University of Pavia, v. Ferrata 1, 27100, Pavia, Italy

2 Poiché i prodotti di reazione si estendono per lo più per decine o centinaia di microns è evidente l’importanza di utilizzare tecniche microscopiche per la loro caratterizzazione Gli infusi sono inclusioni cristalline presenti nel vetro industriale come difetti molto pericolosi perché provocando regioni ad alto stress meccanico, riducono la resistenza e in generale la qualità del vetro. P. Galinetto - dip. Fisica “A. Volta” – UNIPV Catania, XX Congresso GNSR 28 Giugno 2007 produzione di vetro cavo  vetro silico-sodico-calcico (~ 70%SiO 2, ~ 12% CaO e Na 2 O) + (1-3% Al 2 O 3, MgO, K 2 O) + impurezze

3 P. Galinetto - dip. Fisica “A. Volta” – UNIPV Catania, XX Congresso GNSR 28 Giugno 2007 Infusi da rottame esterno (riciclaggio, prevalentemente da ceramica) Contaminazione ceramica: in dettaglio cristalli di corindone (Al 2 O 3 ) e mullite (Al 6 Si 2 O 13 ) Infusi da contaminazione accidentale di bauxite Contaminazione accidentale di bauxite.

4 P. Galinetto - dip. Fisica “A. Volta” – UNIPV Catania, XX Congresso GNSR 28 Giugno 2007 Infusi da refrattario Presenza di zirconia (ZrO 2 ) e nefelina (NaAlSi 3 O 8 ) Infusi da malte per riparazioni Malta: in dettaglio fasi globulari a nefelina

5 P. Galinetto - dip. Fisica “A. Volta” – UNIPV Catania, XX Congresso GNSR 28 Giugno 2007 Processi industriali comprendere le dinamiche di formazione di tali infusi controllarli ed eventualmente impedirne la formazione Prove di laboratorio realizzate riproducendo le medesime condizioni del processo industriale e variando rapporto sodio-potassio fasi secondari diverse Utilizzo della microscopia a scansione elettronica (SEM-EDS) e XRF info morfologiche e composizionali qualitative e semi quantitative; info microstrutturali qualitative Caratterizzazione strutturale soprattutto in zone eterogenee caratterizzate da un’ egual composizione chimica ma diversa struttura cristallina Raman

6 SiO 2 Al 2 O 3 Na 2 OK2OK2OCaOBaO Core (C)35.059.02.53.0 Rim 136.048.06.75.20.73.5 Rim 236.045.210.54.80.82.6 Rim 342.634.414.26.80.41.6 Glassy phase (GP)61.217.69.07.71.92.6 Glass (G)71.51.19.45.47.45.3 Chemical analyses in wt% of oxides of phases identified in SEM micrograph 1b1a Core 1 2 3 Glass GP SEM-BSE micrograph of an industrial Al-rich refractory industrial stone P. Galinetto - dip. Fisica “A. Volta” – UNIPV Catania, XX Congresso GNSR 28 Giugno 2007

7 Logica dell’approccio sperimentale 1)Misure su campioni di minerali standard. 2)Misure su campioni di laboratorio: In particolare ci interessa andare a studiare la zona compresa tra la fase vetrosa e il refrattario vetrorefrattario 3) Analisi dei risultati P. Galinetto - dip. Fisica “A. Volta” – UNIPV Catania, XX Congresso GNSR 28 Giugno 2007 Misure  Raman Labram H10 = 632.8 nm

8 Fasi cristalline di riferimento (standard): Nefelina NaAlSiO 4 Calsilite KAlSiO 4 Microclino KAlSi 3 O 8 Sanidino (K,Na)AlSi 3 O 8 Albite NaAlSi 3 O 8 Leucite KAlSi 2 O 6 Mullite Al 6 Si 2 O 13 Quarzo SiO 2 Zirconia ZrO 2 Zircone ZrSiO 4 P. Galinetto - dip. Fisica “A. Volta” – UNIPV Catania, XX Congresso GNSR 28 Giugno 2007 Crystalline tectosilicates consist of three-dimensional framework structures containing fully polymerized TO 4 tetrahedra (T = Si 4+,Al 3+ ). Such frameworks generally consist of rings of TO 4 tetrahedra enclosing void spaces in which non-tetrahedrally coordinated cations may reside.

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10 The chemical and microtexturals features of the laboratory samples SampleRIM 1RIM 2 Glassy Phase R/K Leucite matrix + randomly oriented corundum needles Thin layer of leucite crystals (over- growth on glassy phase) wide R/N Nepheline matrix + randomly riented corundum needles Dendritic nepheline within the glassy ground mass thick R/NK1 Alkali rich matrix + randomly oriented corundum needles Complex of three different phases wide R/NK6 Alkali rich matrix + w idely developed corundum needles often with a fascicular bundle Comb-shaped nepheline nucleated at the boundary of the RIM1 scant Laboratory test samples To investigate glass/refractory interfaces four soda-potash-lime silica glasses were melted. Refractory bars were dipped into the glass melt for 72 hours at 1300°C, followed by 12 hours at 1150°C. Cross-sections of the bars were embedded in acrylic resin and polished down to 3 µm grain size. The samples were labelled R/N (refractory in contact with N glass), R/K,… etc. The same sets of sample were used for both SEM-EDX and μ-Raman measurements. P. Galinetto - dip. Fisica “A. Volta” – UNIPV Catania, XX Congresso GNSR 28 Giugno 2007

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12 STUDIO DEL CAMPIONE RNK1 Foto SEM del campione nella zona di interesse, ossia tra il bordo del refrattario e il bordo della matrice vetrosa dove son distinguibili 3 zone diverse: In alto a destra: il refrattario e il bordo con cristalli di corindone Al centro: fasi secondarie globulari grigie e bianche ben distinte o miste In basso a sinistra: la fase vetrosa e il vetro A B C P. Galinetto - dip. Fisica “A. Volta” – UNIPV Catania, XX Congresso GNSR 28 Giugno 2007

13 A C B luminescenza del Cr 3+ in Al 2 O 3 o struttura cristallina ad alta simmetria Tables SiO 2 Al 2 O 3 Na 2 OK2OK2OCaOFe 2 O 3 Cr 2 O 3 TiO 2 N71.015.014.0 K65.021.014.0 NK167.08.011.014.0 NK669.013.02.015.0 R29.568.00.800.0181.5

14 CAMPIONE RNK1 Rim1 Rim2

15 P. Galinetto - dip. Fisica “A. Volta” – UNIPV Catania, XX Congresso GNSR 28 Giugno 2007 a)b)

16 200 -200 Ref G Energy (cm -1 ) P. Galinetto - dip. Fisica “A. Volta” – UNIPV Catania, XX Congresso GNSR 28 Giugno 2007

17 Efficacia della spettroscopia μ-Raman nello studio di infusi cristallini Evidenza di formazione di infusi cristallini differenti a seconda del rapporto relativo Na-K. In particolare: campione RNK1 leucite campione RNK6 formazione di microstrutture di nefelina. Mappatura dei segnali (RAMAN + PL) permette la comprensione delle cinetiche di reazione c’è ancora parecchio da fare… (polarizzazione, larghezza di riga, shift energia…) P. Galinetto - dip. Fisica “A. Volta” – UNIPV Catania, XX Congresso GNSR 28 Giugno 2007 Conclusioni

18 P. Galinetto - dip. Fisica “A. Volta” – UNIPV Catania, XX Congresso GNSR 28 Giugno 2007 I primi studi con tecniche di spettroscopia Raman avvenuti presso l’Università di Pavia furono eseguiti dal Prof. Luigi Giulotto (Mantova 1911-Pavia 1986) a partire dalla prima metà degli anni trenta circa, con uno spettrografo del tipo Littrow, chiamato familiarmente “coccodrillo” per la sua forma allungata.

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20 Questo strumento fu costruito a Londra dalla ditta Adam Hilger, come indica l’incisione, ed è tuttora presente al Dipartimento di Fisica “A. Volta” dell’Università degli Studi di Pavia.

21 Grazie per l’attenzione!

22 Spettri Raman in diverse zone dell’area interessata: I termini 1 e 2 si riferiscono a zone grigie nella prima zona di formazione di fasi secondarie mentre gli spettri nominati ’’ bianco, bianco1 e 2’’ si riferiscono per l’appunto alle fasi bianche. Si noti per le fasi bianche (vetrose senza alcuna evidenza di microstrutture cristalline) un segnale di luminescenza molto intenso e l’assenza di un segnale Raman strutturato mentre per le fasi grigie una perfetta coincidenza tra i picchi standard della leucite e quelli riscontrati sperimentalmente nella zona intorno ai 500 cm -1.