Vetro - PIANETA INGEGNERE

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prof. Adolfo F. L. Baratta
Percorsi Abilitanti Speciali
Classe A016
Costruzioni, Tecnologia delle costruzioni e Disegno Tecnico
Vetro
Roma, 11 aprile 2014
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Percorsi Abilitanti Speciali – Classe A016
Vetro
Da un punto di vista chimico-fisico il vetro è un solido amorfo
o liquido ad alta viscosità, che viene prodotto dal rapido
raffreddamento di materiale siliceo allo stato fuso.
Per vetro si intende un prodotto, ad elevata trasparenza,
ottenuto per fusione ad alta temperatura di una miscela di:
- silice (72%);
- carbonato di sodio (la cosiddetta soda, 13,6%);
- carbonato di calcio (10,8%);
- ossido di magnesio (la cosiddetta magnesia, 2,6%);
- ossido di alluminio (la cosiddetta allumina, 0,7%);
e raffreddata gradualmente fino al suo completo
indurimento: mentre la silice (diossido di silice SiO2) allo
stato puro ha un punto di fusione a 2.000°C, la miscela
abbassa la temperatura di fusione fino a 1.400 °C circa.
La produzione del vetro in due immagini storiche.
02
Vetro
I principali componenti usati per la fabbricazione del vetro sono quindi un vetrificante (sabbia
silicea), uno stabilizzante (il carbonato di calcio stabilizza la miscela alla solubilità in presenza
di acqua) e un fondente (il solfato di sodio abbassa sensibilmente il punto di fusione): a questi
componenti viene solitamente aggiunto del vetro riciclato per diminuire il consumo di
combustibile e di materia prima.
La silice, diossido di silicio ovvero SiO2, in forma di sabbia silicia può contenere altri minerali,
argille ed impurezze dovute a ossidi di ferro e cromo per una percentuale variabile tra il 30% e il
40%.
Sabbia silicea in Egitto.
03
Vetro
I solidi cristallini presentano una disposizione
ordinata delle particelle (atomi, molecole, ioni)
che si ripetono periodicamente nello spazio
costituendo un reticolo tridimensionale. Tale
regolarità, ha conseguenze anche su scala
macroscopica, determinando l’abito dei cristalli e
influenzando le proprietà fisiche.
In una sostanza vetrosa vi è una disposizione
disordinata e casuale delle particelle che la
costituiscono. Lo stato amorfo è paragonabile a
quello di un solido bloccato nella struttura
disordinata del liquido. Sostanze amorfe sono i
vetri, la gomma naturale e molte materie
plastiche.
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Cenni storici
Plinio il vecchio (Como, 23 d.C.-Castellammare di Stabia 79 d.C.) racconta che il vetro sarebbe
nato casualmente nel III Millennio a.C. sulle coste della Fenicia.
Nella Naturalis Historia narra infatti di alcuni mercanti fenici che accesero un fuoco sulle rive
del fiume Belo in Siria, ed usarono accidentalmente come supporti per cucinare, blocchi di soda
naturale: questi si fusero per il calore mescolandosi alla sabbia della spiaggia, e diedero origine
al primo materiale vetroso.
Anche le prime suppellettili in vetro, che nella forma primitiva erano quasi totalmente prive di
trasparenza, furono rinvenute nelle regioni centrali della Mesopotamia, quindi nella stessa area
geografica dove furono poi definite le prime tecniche di lavorazione.
Nella metà del I secolo a.C. circa fu sviluppata la tecnica del soffiaggio.
Coppa diatreta di epoca romana del IV secolo a.C.
Il termine diatreta si riferisce alla particolare tecnica di
lavorazione dell’oggetto, che consisteva nella soffiatura di un vaso
grezzo di spessore notevole, sul quale veniva intagliata una
lavorazione a reticolo
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Cenni storici
Dal soffiaggio di sfere e cilindri nel ‘600 si è passati alla produzione di lastre di vetro per
colaggio, come si fa con i metalli, e nel ‘900 si è dato inizio alla produzione del vetro tirato e
poi laminato fra due rulli.
Nel 1959 l’inglese Alastair Pilkington mette a punto la produzione per colatura in continuo su un
bagno di stagno fuso: il sistema è stato brevettato e avviato alla produzione dalla Saint Gobain
nel 1972.
Il vetro così prodotto, che rappresenta più del 90% del vetro prodotto a livello mondiale, è detto
float-glas (dall’inglese to float ovvero galleggiare) perché a un determinato punto del processo
produttivo il nastro di vetro si trova a galleggiare sullo strato di stagno liquido.
Manifattura artigianale e attrezzi per la
lavorazione del vetro (1850 circa).
Soffiaggio
del vetro
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Produzione del vetro
Approvvigionamento
Macinazione
Miscelazione
Fusione
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Approvvigionamento, macinazione e miscelazione
Le prime tre fasi si articolano nelle seguenti operazioni:
- una volta fornite le materie prime si procede con
l’analisi della purezza delle sostanze. Per i vetri
ottici ad esempio, si usa il diossido di silice puro al
99,7%;
- le materie prime scelte vengono ridotte in polvere di
0,2-0,5 mm di diametro;
- le polveri vengono miscelate con rottami di vetro che
fungono da fondente.
Processo produttivo del vetro.
Raffinamento
Ricottura
Riposo e condizionamento
Formatura
Fusione
Durante la fusione, che avviene a temperature comprese tra i 1.100°C e i 1.500°C, viene
eliminata l’acqua presente nei componenti di partenza; allo stesso tempo vengono dissociati i
carbonati dai solfati con il conseguente sviluppo di anidride carbonica o solforosa e la
formazione di una massa fusa omogenea.
In particolare, i carbonati si decompongono negli ossidi che a loro volta reagiscono con la silice
per dare corrispondenti metasilicati di sodio e di calcio:
Ossido di sodio Na2O + Diossido di silice SiO2
Ossido di calcio CaO + Diossido di silice SiO2
Silicato di sodio Na2SiO3
Metasilicato di calcio CaSiO3
che formano il solido amorfo.
Il metasilicato di calcio è detto anche Wollastonite dal nome dal chimico inglese William Hyde
Wollaston (1766-1828).
La massa fusa omogenea di vetro.
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Raffinamento
Il raffinamento è l’operazione attraverso la quale vengono eliminati i gas che potrebbero
originare difetti nei manufatti preparati. In questa fase le parti non fuse si depositano sul fondo
del forno e le bolle di gas formatesi durante la fusione migrano in superficie.
Tale fenomeno è ottenuto aggiungendo alla massa fusa piccole percentuali di agenti raffinanti
che facilitano l’espulsione perché contribuiscono ad aumentare il volume delle bolle.
Siccome le temperature raggiunte sono molto alte, ovvero fino a 1.600 °C, i materiali refrattari
convenzionali non possono essere utilizzati, in quanto sarebbero danneggiati dal calore, e
quindi contaminerebbero il vetro con impurità ovvero come coloranti: per tale motivo viene
utilizzato il platino, un materiale inalterabile dal vetro fuso.
Al termine di questa fase il vetro fuso presenta in tutti i punti uguale composizione chimica e le
stesse proprietà fisiche.
L’espulsione delle
raffinamento.
09
bolle
in
fase
di
Riposo o condizionamento
La fusione si conclude con la fase di riposo o condizionamento,
durante la quale la massa viene raffreddata poco a poco fino
alla temperatura di formatura (1.200°C).
Formatura
Il vetro, ancora fluido, si trova ad una temperatura nella quale
assume una viscosità tale da poter essere lavorato e da
conservare la forma impartita senza alterazioni. La formatura
può essere ottenuta con le seguenti modalità:
- colata e stampaggio, per la produzione di vetro cavo
(bicchieri, bottiglie, etc.);
- soffiatura, a bocca o con ugelli immette nell’impasto aria
compressa per creare vetri di laboratorio o opere d’arte;
- laminazione, è adottata per la produzione di vetro piano;
- stiratura, consiste nella produzione di fogli continui con
spessore 0,1-1,0 mm e larghezza di 2,5 m, attraverso una
serie di rulli posizionati verticalmente.
La formatura del vetro.
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Ricottura
La ricottura consiste in un riscaldamento del vetro e serve essenzialmente per eliminare le
tensioni interne formatesi in fase produttiva per irregolarità di riscaldamento o raffreddamento.
La scelta della temperatura e della velocità di raffreddamento sono in funzione del tipo di vetro
e del suo spessore.
Dopo aver raggiunto la temperatura dovuta, l’oggetto viene mantenuto in tale stato per un
periodo sufficiente ad assicurare il raggiungimento dell’uniformità termica in ogni suo punto;
quindi viene raffreddato lentamente, fino a una temperatura inferiore di 50 °C a quella di
ricottura, ed infine viene portato rapidamente a temperatura ambiente.
Il forno per la ricottura.
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Caratteristiche
Oltre a trasparenza, brillantezza e lucidità della superficie, il vetro presenta una scarsa
resistenza a trazione e un’elevata fragilità, che produce una rottura brusca senza che avvengano
precedentemente deformazioni e snervamenti: queste caratteristiche negative possono essere
eliminate dal trattamento a tempera (vetro temperato) o con l’unione con altri materiali.
Il vetro, inoltre, ha una durezza elevatissima, un alto coefficiente di dilatazione, una notevole
omogeneità e una ottima resistenza all’attacco della maggior parte degli acidi, ad eccezione
dell’acido fluoridrico.
Materiali quali vetro, ghisa
e alcuni polimeri che non
sono dotati di plasticità,
ovvero che arrivano a
rottura in assenza di una
deformazione
plastica
permanente,
vengono
definiti fragili.
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Tipologie di vetro
In commercio esistono diversi tipi di vetro quali:
1. greggio, colato e laminato è generalmente incolore;
2. retinato, colato e traslucido è un vetro greggio con incorporata una rete metallica a maglia
quadrata (12,5 mm);
3. lucido, ottenuto per tiratura meccanica della massa fusa, presenta sulle due facce,
naturalmente lucide, ondulazioni più o meno accentuate non avendo subito lavorazioni
superficiali;
4. trasparente, chiaro o colorato è ottenuto per colata mediante galleggiamento su un bagno
di metallo fuso;
5. specchio, detto anche vetro argentato, è una lastra
di vetro con una faccia rivestita di alluminio o
argento (tecnica ideata da Justus von Liebig nel
1835), che produce una immagine per riflessione
degli oggetti che gli stanno davanti. Gli specchi
usati sino al Medioevo erano dei semplici dischi di
metallo (bronzo, stagno o argento) leggermente
convessi e lucidati. Negli specchi usati per gli
strumenti ottici, il metallo riflettente viene fatto
depositare sulla superficie anteriore del vetro
anziché su quella posteriore, in modo da evitare le
deboli riflessioni prodotte dal vetro stesso;
Fase di lavorazione del vetro.
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Monica Bonvicini, Mirror Public Toilet, London (UK) 2004
L’artista Monica Bonvicini (Venezia 1965) ha
realizzato un’installazione costituita da un
servizio igienico rivestito di vetro specchiante.
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Monica Bonvicini, Mirror Public Toilet, London (UK) 2004
L’opera ha l’eloquente titolo Don’t Miss A Sec.
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Tipologie di vetro
6.
7.
temperato, trattato termicamente o chimicamente consente di aumentare notevolmente
(fino a 4-5 volte) le caratteristiche di resistenza meccanica e di resistenza allo shock
termico. Consiste nel portare la lastra di vetro, in un apposito forno, alla temperatura di
circa 700°C e poi di raffreddarla bruscamente; questo procedimento genera, all’interno
della lastra, delle tensioni che si oppongono alle forze esterne di flessione. In caso di
rottura, le tensioni interne vengono liberate istantaneamente causando lo sbriciolamento
del vetro in minuscoli frammenti inoffensivi: per questo suo comportamento, il vetro
temperato è considerato prodotto di sicurezza verso le persone. Un esempio tipico di
applicazione dei vetri temperati sono finestrini delle autovetture, box doccia, piani di tavoli
e mobili per arredo). Anche se soltanto raramente, a causa delle tensioni il vetro temprato
può presentare il problema della rottura spontanea;
satinato, è un vetro sottoposto ad una lavorazione
che ne rende la superficie opaca;
Dettaglio della connessione di una maniglia in metallo su
una porta costituita da una lastra di vetro temprato.
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Tipologie di vetro
8.
stratificato, detto anche vetro laminato, formato da due o più lastre di vetro e da uno o più
strati interposti di materia plastica (polivinilbutirrale) che incollano tra loro le lastre di
vetro. Solitamente il PVB usato è incolore e perfettamente trasparente; esistono anche
versioni di PVB colorato (però in una gamma limitata di colori) oppure “bianco latte” o
“acidato” per creare vetri stratificati traslucidi, cioè trasparenti alla luce ma non alle
immagini. In caso di rottura di una o di entrambe le lastre di un vetro stratificato, tutti i
frammenti di vetro restano attaccati al foglio di PVB (o allo strato di resina indurita o al
plastico) impedendo così il ferimento di persone (vetro di sicurezza anti-infortunio):
aumentando lo spessore delle lastre di un vetro stratificato e/o il numero di lastre di vetro
che lo compongono, si ottengono vetri anti-intrusione, vetri anti-sfondamento, vetri
calpestabili (per gradini di scale, pavimenti sospesi, lucernari, etc.) e vetri anti-proiettile.
Per ottenere effetti cromatici particolari è possibile inserire tessuti (seta, cotone, fibre
artificiali, etc.) trasparenti, semi-trasparenti o coprenti tra le lastre.
Vetro Float acidato (4,0 mm)
Polivinilbutirrale (1,0 mm)
Specchio (3,0 mm)
Vetro stratificato con spessore complessivo di 8,0 mm.
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Tipologie di vetro
9.
acidato, è un vetro con una superficie di tipo granuloso, che viene ottenuto per mezzo di un
trattamento chimico basato sull’impiego di acido fluoridrico, che presenta caratteristiche
chimico-fisiche tali da intaccare il vetro e conferire la granulosità superficiali;
10. vetrocamera, formato da lastre di vetro unite al perimetro, con interposto un distanziatore,
a mezzo di adesivi o altro, in modo da formare una o più intercapedini contenenti aria
secca o gas nobili (argon, krypton, xenon, etc.);
11. basso emissivo, è un vetro su cui è stata posata una pellicola (couche) di uno specifico
materiale (ossidi di metallo), che ne migliora notevolmente le prestazioni di isolamento
termico, senza modificarne sostanzialmente le prestazioni di trasmissione della luce. I più
comuni sono 4 mm 3/3 oppure 4/4. Possono risultare leggermente colorati per effetto del
trattamento superficiale;
12. selettivo, è un vetro basso emissivo che svolge
un'azione di filtro nei confronti del fattore solare,
scoraggiando la trasmissione del calore per
irraggiamento. È generalmente prodotto con
l’impiego di lastre colorate ed è solitamente
confezionato in vetrocamera in modo da raggiungere
il doppio obiettivo ovvero isolare termicamente e
filtrare i raggi solari. È impiegato nella realizzazione
di grandi vetrate o facciate continue pluripiano.
Parete interna in vetro acidato.
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Tipologie di vetro
I vetri possono subire seconde lavorazioni quali la molatura dei bordi, la foratura, l’incisione, la
curvatura e la smaltatura.
Le lastre di vetro sono realizzate con spessori standard di 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 19, 22 e 25
mm.
Per
ottenere
effetti
cromatici
particolari è possibile inserire tessuti
(seta, cotone, fibre artificiali, ecc.)
trasparenti,
semi-trasparenti
o
coprenti tra i due o i tre vetri.
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Controllo solare con vetro trasparente
Un normale vetro viene attraversato dall’85% delle radiazioni solari.
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Controllo solare con vetro assorbente
Sono ottenuti tramite rivestimento
magnetronico (ossidi metallici di
ferro o rame depositati sotto vuoto
mediante
processo
elettromagnetico)
o
pirolitico
(ossidi metallici depositati tramite
pirolisi all’uscita del forno e ad
alte temperature).
Un vetro assorbente riesce a ridurre l’attraversamento delle radiazioni solari fino al 56%.
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Controllo solare con vetro riflettente
Come per il vetro assorbente
anche il vetro riflettente viene
rivestito da ossidi metallici. I
vetri
riflettenti
sono
fortemente tinti e quando si
surriscaldano presentano un
elevato rischio di frattura.
Un vetro riflettente riesce a ridurre l’attraversamento delle radiazioni solari fino al 21%.
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Vetro colorato
Per realizzare il vetro colorato è necessario aggiungere alle sostanze di base dei costituenti
secondari, quali ossidi metallici in quantità molto ridotta ovvero in concentrazione anche minore
del 5% della massa totale.
Frequentemente in architettura i vetri colorati sono ottenuti dall’inserimento di intercalari in
polivinilbutirale all’interno delle lastre in vetro stratificato: gli intercalari sono singoli o multipli
per ottenere diversi effetti cromatici.
Colorante
Colore
Ossido di Cerio (CeO)
Giallo
Ossido di Ferro (FE2O3)
Verde
Ossido di Nichel (NiO)
Violetto
Ossido di Rame (CuO)
Verde-Blu
Alcune delle
colorante.
sostanze
utilizzate
come
Vetro colorato.
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Tatano, V. (a cura di) Oltre la trasparenza. Riflessioni sull’impiego del vetro in architettura, Officina, Roma 2008.
Riciclabilità
È importante sottolineare come il vetro contribuisca alla salvaguardia dell’ambiente per effetto
della sua caratteristica di essere completamente riciclabile: anche per questo motivo, oltre che
per la sua longevità, la sua inerzia ambientale (non emette gas o sostanze tossiche), il vetro
risulta essere un materiale con basso impatto ambientale.
Il Consorzio Recupero Vetro (CO.RE.VE.) è stato costituito nel 1997 dai principali gruppi vetrari
in ottemperanza agli art. 38 e 40 del D.lgs. 22/1997. In particolare, il Consorzio organizza il
ritiro dei rifiuti, l’informazione degli utenti, l’avvio a riciclo dei rifiuti in vetro.
Il vetro ha un ciclo praticamente
infinito.
24
Riciclabilità
Polvere di vetro riciclato per intonaci.
Isolante termico in fibre di vetro riciclato.
Pavimenti e rivestimenti in lastre e tessere di vetro riciclato.
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