Il vetro: produzione e lavorazioneAntonio Licciulli

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Dal liquido viscoso al vetro

Il vetro si comporta da liquido viscoso (sottoraffreddato) al di sopra della temperatura di transizione vetrosa

Se una forza è applicata, si verifica la deformazione permanente del vetro

Lo scorrimento viscoso aumenta all’aumentare della temperatura al di sopra della transizione vetrosa, seguendo una legge di tipo Arrhenius:

€

η =η0 exp Q /RT( )

Proprietà reologiche dei vetriSi definiscono le seguenti temperature di riferimento (normativa ASTM C338, ISO 7884-3):

Working point ⇒ Temperatura in cui la viscosità del vetro è η≈103Pa*sIl vetro è sufficientemente fluido per la maggior parte dei processi di formatura

Upper end ⇒ Temperatura alla quale il vetro è pronto per essere lavoratoLower end ⇒Teperatura alla quale la viscosità viscosità è η > 103Pa*s

il vetro è suffcientemente viscoso da conservare la formaSoftening point ⇒ Temperatura corrispondente alla viscosità η≈106,6Pa*s (densità 2,5g/cm, Tensione sup. 0,3N/m), il vetro scorre per effetto del suo pesoAnnealing point ⇒Temperatura alla quale gli stress interni sono ridotti al valore di 1,7MPa in 15 minuti, viscosità η≈1012 Pa*sStrain point ⇒ Temperatura alla quale gli stress sono rilasciati in 4h, viscosità η≈1013.5 Pa*s

Temperatura di transizione da comportamento viscoelastico a comportamento fragile

Upper use temperature ⇒ Coincidente approx. Con lo strain point, il punto al di sotto del quale il vetro è rigido

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Temperatura, viscosità e lavorabilità dei vetri

Working range

Annealing range

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Viscosità nei tipi di vetro comune

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Materie prime e composizione del batch

Gli “ingredienti principali per un bagno di fusione sono tre: un vetrificante silice introdotta sotto

forma di sabbia un fondente soda o potassa sotto forma

di solfato o carbonato uno stabilizzante che conferisce al vetro

insolubilità in acqua Il vetro riciclato è la materia più costosa,

serve per facilitare la fusione degli altri elementi, ridurre la temperatura di fusione, l’energia di fusione (-25%), la polvere

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Vetri più comunivetro SiO2 Na2O K2O CaO B2O3 Al2O3 altri proprietà

1 silicico 99.5+ Difficile da lavorare, ottime resistenza shock termici

2 96% silice 96.3 <0.2 <0.2 2.9 0.4

3 sodico-calcico 71-73 12-14 10-12 0.5-1.5 MgO, 1-4 Facile da lavorare

4 silicato di piombo 63 7.6 6 0.3 0.2 0.6PbO, 21MgO, 0.2 Facile da fondere e fabbricare

5 alto piombo 35 7.2 PbO, 58

Facile da fondere e fabbricare

6 borosilicato 80.5 3.8 0.4 12.9 2.2 Bassa espansione e buona resistenza shock termici

7 bassa perdita elettrica 70 0.5 28 1.1 PbO, 1.2

8 alluminoborosilicato 74.7 6.4 0.5 0.9 9.6 5.6 B2O, 2.2 Durabilità chimica

9 bassi alcali (vetro E) 54.5 0.5 22 8.5 14.5 Compositi a fibre di vetro

10 alluminosilicato 57 1 5.5 4 20.5 MgO, 12

11 vetro-ceramica 40-70 10-35MgO, 10-30TiO2, 7-15

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• Principali materie prime dell’industria del vetro

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Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali

Reazioni chimiche in un forno fusorio

Fusione: la dissoluzione degli elementi più refrattari (SiO2) da parte dei fondenti può essere così schematizzata:

550°C sui grani di SiO2:

Na2CO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO3700°C:

Na2SiO3 + SiO2 → Na2Si2O5 780°C:

3Na2SiO3 + SiO2 → eutettico fuso

Fining operazione fisico chimica di rimozione delle bolle, l’evoluzione dei gas risulta dalla decomposizione di carbonati solfati, aria e acqua intrappolate, variazione negli stati di ossidazione. Fining agents sono quegli elementi che evolvono bolle con facilità (solfati, nitrati), queste durante la risalita intrappolano le bolle più piccole

Reazioni in una miscela a 4 componenti

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I forni a rigenerazione (Martin-Siemens)

Questi forni sono in grado di recuperare in circolo il calore prodotto.

L’efficienza di produzione è pari a 2t/m2 e un consumo pari a 10.000KJ/Kg, efficienza 30%, produzioni giornaliere fino 700t/giorno, temperatura di fusione di 1400°C.

A e B: Feeder e tramoggia per l’immissione delle polveri dei precusoriC: bruciatoriD: fuso E: setto di separazioneF: fuso separato L: uscita gas esausti ai recuperatori

CL

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Sezione del forno Martin Siemens

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Profili di temperatura

• Profilo trasversale

• Profilo longitudinale

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Schema del forno Siemens

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I forni elettrici (Cold crown)

Utilizzano contenitori in Molibdeno, elettroni in Mo, grafite o SnO2, consumo pari a 3.000KJ/Kg, produzioni tipiche 4t/giorno, massime 120t/giorno.

Sono meno inquinanti in quanto i fumi vengono abbattuti in scrubbers

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Tecniche di formatura: pressatura

Viscosità di formatura del fuso 200-400Pa*s, Pressione 0,5-0.8MPa, Rilascio dallo stampo a 105-108Pa*s

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Il colaggio su centrifuga (centrifugal casting)

Il fuso viene colato in uno stampo ruotante. Per effetto della forza centrifuga il fuso risale per le pareti dello stampo producendo pareti a sapessore uniforme

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Tecniche di formatura: le fibre di vetro

Le fibre di vetro possono essere lunghe e continue o corte

Le fibre corte si ottengono colando il fuso in uno spinner perforato rotante ad alta velocità (2.000-3.000rpm). Le fibre sono rivestite da resine e formate in “mat”

Fibre lunghe Le fibre lunghe si ottengono per tiraggio meccanico dal fuso attraverso filiere in platino.

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Vetro soffiato

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Impianto industriale per vetro cavo

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Utensili del vetraio-a:Canna. Tubo di metallo con una estremità svasata con cui si preleva la pasta vitrea dal crogiolo.-d:Ferrabate. Strumento con il quale il maestro vetraio tocca il vetro incandescente per facilitarne l'arrotondamento, mentre con la canna la gira sul marmo.-c:Forbici. Con le forbici il soffiatore taglia per esempio a giusta misura il piede dei calici, che realizza unendo due parti (coppa e piede).-b:Pinze in metallo e con il manico in legno. Usi di vario tipo.

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La lavorazione millefiori

Ciotola soffiata, Ciotola pressata a stampo e molata e piatto “millefiori” pressato a stampo, I sec. a. C.- I sec. d. C.Murano, Museo del Vetro

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Il vetro Lattimo Il vetro lattimo fu sviluppato dai veneziani come imitazione delle porcelllane cinesi

Boccale in vetro lattimo con decorazione dipinta. XVIII secolo.

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Vetro veneziano nel 500 In questo secolo i vetrai muranesi prediligono il vetro puro e trasparente sul quale intervengono con differenti tecniche decorative.

Il ritorno alla decorazione pittorica è connotato dalla stesura, a freddo, del colore applicato sul rovescio degli oggetti in modo da sfruttare la trasparenza del vetro.

Brocca in filigrana "a reticello"(secolo XVI)Murano, Museo del Vetro

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Vetro di Boemia Nel XVII secolo in Boemia si ricominciò a produrre un vetro-cristallo trasparente ottenuto con il potassio al posto della soda e con abbondante carbonato di calcio come stabilizzante.

Il materiale, ottimo per l'incisione, sarà il punto di partenza della grande fioritura dell'arte vetraria locale nei successivi cinquant'anni.

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Art noveau I vetri di Gallè

Vetro decorato a intaglio

Vetro tiffany

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Il Raku

Termine giapponese che indica la ceramica utilizzata per versare e bere il te. I primi RAKU prodotti a Kyoto nel XVI secolo

La cottura raku si effettua in forni a muffola.

La creazione di una atmosfera riducente (e.g. con l’aggiunta di carta o segatura che consuma l’ossigeno) riduce gli ossidi metallici creando l’effetto lustro

Il forno deve consentire la rimozione dei pezzi e la loro immersione in acqua

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Frittaggio

Consiste nel raffreddare un fuso in maniera molto veloce in modo da indurre stress termici in grado di frammentare il vetro in parti molto fini.

Si ottiene principalmente in due modi:

colando il fuso direttamente in acquacolando il fuso tra due rulli metallici raffreddati internamente ad acqua

Il vetro così frantumato viene ulteriormente polverizzato in mulini a palle per raggiungere granulometrie <50µm

Smaltatura di un piatto di ceramica mediante immersione in una

sospensione acquosa contenente fritte vetrose

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Vetro piano per soffiatura

Lavorazione a cilindro tipica della Lorena

Una quantità di pasta tra 9Kg e 19 Kg viene soffiata e fatta roteare a formare un cilindro di 50cm di diametro e 1,25-2m di lunghezza

Le estremità vengono tagliate e il cilindro viene inciso nella sua lunghezza con una punta di diamante

Il cilindro viene posto nel forno di annealing e aperto a formare una lastra

Il vetro nelle chiese medioevaliNel IX secolo compare la vetrata composta da tasselli di vetro improgionati in una fitta trama di piombi

La colorazione e il disegno avvenivano attraverso il metodo delle grisaglie

Sul vetro colorato veniva steso un impasto di vetro macinato, ossido di ferro o rame, vino o urina per graduare la trasparenza e disegnare le forme

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Lavorazione per colata Procedimento sviluppato nella francia del XVII secolo

(vetrerie Saint Gobain, Piccardia)

Il vetro fuso viene colato su un piano metallico, steso con un rullo metallico, ricotto molato e lucidato

Spessori massimi 4x2m

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Vetro piano per tiraggio

Processo Forcault (1913)

PPG industries

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Il processo Pilkington Float

Introdotto nel 1959 ha soppiantato tutti gli altri metodi di formatura di vetro piano.

Il forno di fusione misura 9m di larghezza x 45m di lunghezza contiene oltre 1200t di vetro.

Il vetro fuso viene fatto scorrere su un bagno di stagno fuso ampio 3-4m e lungo 50m, spesso 6cm.

Si usa lo stagno per la sua tensione superficiale la sua densità e il suo basso punto di fusione.

Un impianto float può produrre 400t /giorno con una forza lavoro di 4 persone per turno

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Il processo Pilkington Float

Vetrofusione e vetro curvo

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Tempra termica

Il vetro temprato viene ottenuto raffreddando molto rapidamente il vetro dopo che è stato scaldato al di sopra della Tg

La superficie si raffredda per prima e solidifica Il cuore si raffredda dopo, e la sua contrazione è ostacolata dallo

scheletro già formatosi (superficie rigida) L’interno dello strato resta quindi sollecitato a trazione e la

superficie in compressione Il processo funziona perché il vetro resiste meglio a compressione

che a trazione Se si applica uno sforzo di trazione, esso deve superare la

precompressione e la resistenza a trazione prima che la lastra si rompa

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Forno per tempra termica

Schema costruttivo di un forno per tempra termica

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Tempra chimica

E’ un processo di scambio ionico che aumenta la resistenza del vetro.

Tipiche condizioni di lavoro: bagno di nitrato di potassio fuso ad una temperatura inferiore di 50°C rispetto allo strain point (ca 500°C), durata del processo 6-10h.

Lo ione Na+ si scambia con il più ingombrante ione K inducendo nei primi 10µm di spessore uno stress compressivo di 450MPa

La tempra chimica è più efficace ad aumentare la resistenza in lastre sottili rispetto alla tempra termica,

Lo spessore sottile interessato determina un notevole infragilimento per abrasione

Si applica alle lenti da vista, ai finestrini degli aerei ….Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Confronto tra tempra termica a chimica

• Profilo degli stress lungo lo spessore in un vetro temprato termicamente

• Profilo degli stress lungo lo spessore in un vetro temprato chimicamente

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Vetro stratificato Vetro stratificato intercalato da

polivinilbutirrale PVB

Il procedimento di fabbricazione consiste nel sottoporre il sandwich "Vetro - PVB - Vetro" all'azione combinata divuoto, pressione e temperatura,, all'interno di una autoclave

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Rottura del vetro temprato A causa del rilascio istantaneo e distruttivo delle tensioni immagazzinate il vetro temprato si riduce in centinaia di frammenti dopo un urto distruttivo

Il vetro temprato e laminato assorbe in maniera tenace gli urti grazie ad uno strato di un tecnopolimero polivinilbutirrale

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I vetri di sicurezza I vetri di sicurezza si suddividono in:

sicurezza per la protezione delle persone, adatti ad evitare qualsiasi rischio di ferite gravi in caso di impatto o di caduta accidentali,

sicurezza per la protezione dei beni, che riducono gli effetti dei tentativi di effrazione o di vandalismo.

La normativa UNI 7697 oltre a fornire la lista delle applicazioni, indica anche il livello prestazionale minimo imposto dei vetri stratificati di sicurezza.

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I vetri di sicurezza per la protezione delle persone

In ambienti aperti al pubblico e/o adibiti ad attività sportive e/o frequentati da giovani, indipendentemente dall’altezza del suolo” si possono impiegare solo vetri di sicurezza e/o stratificati

Decreto Ministeriale n. 115 del 17/3/95 recepisce la direttiva 92/59 CEE punto 7.2.1

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Vetri antiproiettile Il vetro antiproiettile si ottiene accoppiando fra di

loro due o più lastre di vetro di spessore variabile da 6 a 10 millimetri, tra le quali viene interposto e incollato uno strato di elastomeri, come poliuretano o polivinilbutirrale, sostanze che hanno una grande elasticità e una grande resistenza alla trazione, ma sono perfettamente trasparenti.

Criterio di classificazione: Un vetro della misura di 50x50 cm viene colpito più volte da differenti proiettili d’arma da fuoco con differenti velocità d’impatto. Il vetro, dopo i colpi sparati dall’arma e con il munizionamento previsto dalla classe di resistenza, non deve essere trapassato da nessun proiettile.

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