UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE TESI DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA E MECCATRONICA VETRI DI SICUREZZA Relatore: Ing. Enrico Bernardo Laureando: Daniele Rossi IM ANNO ACCADEMICO

2 SOMMARIO La tesi discute le proprietà e i processi di fabbricazione dei principali vetri di sicurezza. E divisa in quattro capitoli: nel primo sono state trattate le proprietà dei vetri, le principali composizioni e i processi di fabbricazione. Nel secondo capitolo sono stati studiati i principali metodi di rinforzo dei vetri, soffermandosi in modo dettagliato sulle nuove frontiere dei vetri ESP che costituiscono l ultima frontiera dei processi di rinforzo dei vetri. Nel terzo capitolo si sono esaminate le principali tipologie di vetrature utilizzate in campo architettonico esaminando le normative vigenti e i principali tipi di vetri di stratificati di sicurezza (anticrimine, antivandalismo, antiproiettile). L ultimo capitolo descrive le principali tipologie di produzione dei vetri in campo automotive, le principali tecniche di deposizione di film sottili e i principali sostituti del vetro minerale.

3 INDICE CAPITOLO 1:NOZIONI GENERALI SUL VETRO Introduzione al vetro e alle sue proprietà Ottenimento dello stato vetroso Struttura del vetro Formatori di reticolo Silice, SiO Anidride borica, B2O Fondenti Ossido di sodio, Na 2 O Ossido di potassio, K 2 O Ossido di litio, Li 2 O Stabilizzanti Ossido di calcio, CaO Ossido di Magnesio, MgO Ossido di bario, BaO Ossido di zinco, ZnO Allumina, Al 2 O Ossido di piombo, PbO-Pb 3 O Coloranti Proprietà del vetro Proprietà termiche Viscosità Resistività elettrica ad alta temperatura Proprietà chimiche Proprietà ottiche Classificazione...17

4 1.5.1.Vetri di silice Vetri di borosilicati Vetro sodico calcico Vetro allumino-boro-silicati Vetro al piombo Vetri alluminosilicati Vetro Vycor La lavorazione del vetro Fusione Affinaggio o affinazione La formatura Colata e stampaggio La soffiatura Pressatura Centrifugazione Forgiatura Filatura Tiraggio meccanico ad alta velocità Soffiatura con aria e vapore La produzione di vetro piano Formatura per stiro Formatura per laminazione (float) La ricottura I forni fusori Forni a Crogiolo e a Vasca Forni a Bacino I forni di ricottura Forni a Muffola.26

5 Forni a Tunnel I difetti del vetro Bibliografia capitolo 1 27 CAPITOLO 2:I VETRI DI SICUREZZA Introduzione ai vetri di sicurezza e alle loro proprietà I vetri stratificati I vetri temprati Tempra termica Tempra termica di vetri sottili per mezzo di onde radio Tempra chimica Tempra chimica a singolo scambio ionico Tempra chimica a doppio processo di scambio ionico( ESP) Studio di vetri SLS con profilo ESP Analisi frattografica di vetri ESP Bibliografia capitolo CAPITOLO 3:I VETRI DI SICUREZZA IN EDILIZIA Introduzione ai vetri di sicurezza in edilizia Normativa Norma UNI EN 12600,prove e classificazione della resistenza all impatto Norma UNI EN 356 prove e classificazione della resistenza all attacco manuale Norma UNI EN 1063 prove di classificazione della resistenza ai proiettili Utilizzo di vetro temprato in edilizia Utilizzo del vetro stratificato in edilizia Prova ad alta temperatura Prova all umidità Prova di irraggiamento Classificazione dei vetri stratificati di sicurezza....68

6 Vetri antieffrazione, vetri antivandalismo Vetri stratificati antiesplosione Vetro stratificato antiuragano Vetrate strutturali Vetri speciali Bibliografia capitolo CAPITOLO 4:VETRI DI SICUREZZA IN CAMPO AUTOMOTIVE Introduzione ai vetri di sicurezza in campo automotive Formatura delle vetrature per autoveicoli Caratterizzazione termica di processi per la formatura di componenti vetrati per autoveicoli mediante metodi numerici Processo di formatura per via gravimetrica Processo di formatura per stampaggio Modello numerico a.Modello numerico del processo di formatura per via gravimetrica b.Modello numerico del processo di formatura per stampaggio Risultati del modello numerico a.Risultati del modello numerico del processo di formatura per via gravimetrica b. Risultati del modello numerico del processo di formatura per stampaggio Implementazione di tecniche di visione macchina per la formatura di componenti vetrati per autoveicoli Studio degli stampi di fabbricazione per mezzo di software di simulazione numerica Ultime innovazioni nel campo dei vetri automotive Proprietà dei rivestimenti per i vetri delle auto Principali sostituti del vetro minerale Policarbonato (PC)..89

7 Il polimetilmetacrilato (PMMA) Potenziale di nuovi sviluppi Processi e tecnologie di produzione per la deposizione di film sottili Processi con l utilizzo di plasma Bibliografia capitolo 4 97 CONCLUSIONI...99 BIBLIOGRAFIA...100

8 CAPITOLO 1 NOZIONI GENERALI SUL VETRO 1.1.Introduzione al vetro e alle sue proprietà Si dice vetro ogni sostanza allo stato vetroso, cioè un solido a struttura amorfa. Con solido si definisce un materiale la cui viscosità a temperatura ambiente è così elevata da poterlo considerare rigido a tutti gli effetti, per amorfo invece s indica un organizzazione spaziale delle unite strutturali priva dell ordine geometrico caratteristico dello stato cristallino. La struttura disordinata è tipica dei liquidi, da cui i solidi amorfi si differenziano per l altissima viscosità. I vetri tradizionali sono costituiti da ossidi inorganici e sono materiali amorfi ottenuti per progressivo irrigidimento di un liquido che non ha cristallizzato durante il raffreddamento. I liquidi vetrogeni, capaci cioè di dar luogo a vetri in condizioni normali di raffreddamento, sono sempre caratterizzati da un elevatissima viscosità in prossimità del loro punto di fusione, essa è dovuta alla grande complessità o all elevato sviluppo delle unita strutturali che ne inibisce o rallenta fortemente la riorganizzazione in disposizioni ordinate tipiche della struttura cristallina. Nelle usuali condizioni di raffreddamento manca il tempo affinché il solido cristallizzi, ottenendo la forma in cui l energia libera sarebbe minima, cioè nella reale forma d equilibrio del materiale, si ottiene invece la forma vetrosa che a temperatura ambiente permane indefinitamente nonostante non sia in equilibrio termodinamico, a causa dell impossibilità pratica di riordinamento strutturale in tali condizioni (viscosità della silice fusa a 1720 C 10 6 Pa*s contro la viscosità dell acqua a temperatura ambiente che è pari a 10-3 Pa*s). Si può dunque affermare che per realizzare lo stato vetroso partendo da quello liquido occorre che la velocità di raffreddamento della sostanza considerata sia, al di sotto della temperatura di fusione, maggiore della sua velocità di cristallizzazione. 1.2.Ottenimento dello stato vetroso Raffreddando molto lentamente una sostanza dallo stato liquido, il suo volume diminuisce progressivamente fino alla temperatura di solidificazione T f, alla quale si ha la cristallizzazione con diminuzione discontinua di volume dovuta al passaggio da una struttura disordinata a una ordinata. Diminuendo ulteriormente la temperatura, il volume cala nuovamente con continuità ma in misura minore che allo stato liquido in quanto allo stato cristallino la contrazione di volume e puramente termica, cioè determinata unicamente dalla diminuzione dell ampiezza di vibrazione degli atomi e non più al progressivo impaccamento degli stessi. Variazione del volume specifico con la temperatura per un materiale amorfo, semicristallino e cristallino. Sono indicate la temperatura di fusione (Tm e Tm') e la temperatura di transizione vetrosa (Tg).Autore: Aushulz. 1

9 Nel caso in cui il liquido venga raffreddato con una velocità tale da inibirne la cristallizzazione, in corrispondenza di T f il volume specifico non presenta nessuna discontinuità e si ottiene un liquido sottoraffreddato ancora in equilibrio termodinamico ma metastabile. L evoluzione strutturale di questo liquido diventa sempre più impedita dal rapido aumento di viscosità fino a bloccarsi completamente in corrispondenza di T g (temperatura di trasformazione) alla quale il liquido non riesce più a cambiare la sua configurazione. Tale temperatura segna il passaggio da liquido sottoraffreddato a vetro ed è perciò detta temperatura di transizione vetrosa. Poiché al di sotto di T g l evoluzione strutturale non avviene più per stati di equilibrio, è evidente che lo stato vetroso non è una forma d equilibrio. La transizione vetrosa è spiegabile in base ad un meccanismo di rilassamento viscoso, la velocità di variazione configurazionale, elevata a temperature elevate, diminuisce fortemente al diminuire della temperatura fino a diventare praticamente comparabile con la velocità di raffreddamento: più è elevata più la struttura sarà aperta e avrà una T g elevata, altrimenti la struttura sarà più compatta. 1.3.Struttura del vetro Analogamente allo stato liquido, quello vetroso è caratterizzato dall assenza di ordine a lungo raggio ma possiede ordine a corto raggio, nelle immediate vicinanze di qualunque atomo. Tale ordine è dovuto, nel caso della silice vetrosa, alla conservazione dell unita strutturale fondamentale, il tetraedro silicico [SiO 4 ] 4- caratteristico della silice cristallina. Sia nella forma cristallina che in quella vetrosa i tetraedri silicici sono collegati per i vetrici, cioè ogni atomo di ossigeno è comune a due tetraedri contigui. Nella struttura vetrosa, l angolo di contatto tra due tetraedri non è fisso e ciò da vita a maglie irregolari, costituite da un minimo di 4 e un massimo di 8 cationi. La variabilità degli angoli di legame tra i vari tetraedri comporta che i legami interatomici siano di forza diversa da punto a punto della struttura e ciò spiega l assenza di un netto punto di fusione e il passaggio graduale allo stato liquido attraverso una progressiva diminuzione di viscosità. Le considerazioni fatte per il vetro di silice sono valide anche per i vetri a base di ossidi che rispondano alle regole di Zachariasen che individua gli atomi inclini a formare strutture di ossidi vetrosi tramite 4 regole: Tetraedro silicico. Fonte: Wikipedia 2

10 1) L ossigeno può legarsi al massimo due atomi formatori di reticolo. 2) Il numero di coordinazione dell atomo formatore di reticolo deve essere piccolo ( 4.) 3) I poliedri di coordinazione formati dagli atomi di ossigeno devono condividere gli angoli ma non lati o facce. 4) I poliedri legati devono formare una struttura tridimensionale. Gli ossidi che rispondono a queste regole sono: SiO 2, GeO 2, P 2 O 5, B 2 O 5, As 2 O 3. [da Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali ]. I primi tre hanno una struttura formata da tetraedri mentre gli ultimi due da triangoli e sono chiamati formatori di reticolo. Se a uno o più ossidi vetrificanti vengono aggiunti altri ossidi è ancora possibile ottenere un vetro purché la percentuale di formatori di reticolo sia sufficientemente elevata. Gli ossidi introdotti hanno un influenza pesante sulle proprietà del vetro perché interrompono la continuità del reticolo. Gli atomi di ossigeno collegati a due atomi di ossido vetrificante son chiamati pontanti, gli altri sono non pontanti. Quest ultimi apportano cariche negative che vengono compensate dalle cariche positive dei cationi degli ossidi introdotti. La rottura in più punti della continuità del reticolo ne causa l indebolimento e quindi determina importanti cambiamenti nelle proprietà del vetro come la drastica riduzione della viscosità ad alta temperatura che permette di ottenere un vetro affinabile e lavorabile a temperature molto inferiori. Gli ossidi che entrano nella struttura del vetro modificandola, ma che di per se non sono in grado di vetrificare sono detti modificatori di reticolo e sono costituiti principalmente dagli ossidi dei metalli alcalini come Na 2 O, K 2 O, Li 2 O; e alcalino terrosi come MgO, CaO, BaO e dall ossido di zinco ZnO. Gli elementi modificatori, essendo più debolmente legati sono relativamente liberi di diffondere attraverso la struttura del vetro e ciò vale soprattutto per i cationi movalenti. Ossidi come BeO, Al 2 O 3, TiO 2,ZrO 2, sono detti ossidi intermedi in quanto pur non potendo dar vita ad un vetro, in quantità limitata possono entrare a far parte del reticolo vetroso formato da un altro ossido. Il vetro comune è detto anche "vetro siliceo", in quanto costituito quasi esclusivamente da diossido di silicio (SiO 2 ). Il diossido di silicio ha un punto di fusione di circa 1800 C, ma spesso durante la produzione del vetro vengono aggiunte altre sostanze (dette "fondenti"), che abbassano il punto di fusione anche al disotto dei 1000 C. Fondenti usati spesso nell'industria vetraria sono i borati e i nitrati. Poiché la presenza di soda rende il vetro solubile in acqua (caratteristica non desiderabile), viene aggiunta anche calce (CaO) per ripristinare l'insolubilità. Il vetro silico-sodico o silico-potassico non è stabile, infatti basta l'umidità atmosferica per rovinarne la superficie, formando strati biancastri e corrosi. In acqua, questi vetri sono perfettamente solubili e sono usati oggi come detersivi per lavastoviglie. Per avere un vetro stabile si sostituisce parte della soda con altri composti che rinforzano il reticolo vetroso, migliorandone le proprietà chimiche. Questo effetto lo esercitano gli ossidi bivalenti di calcio, magnesio, bario, piombo, zinco ed alluminio che vengono detti stabilizzanti perché rendono i vetri meno soggetti ad alterazioni rispetto a quelli costituiti solamente di silice e di ossidi alcalini. Il fuso è un fluido viscoso nel quale si trovano disperse numerose bolle gassose formatesi per decomposizione dei carbonati o per altra origine. Per eliminarle, vengono aggiunti dei composti detti affinanti, come gli ossidi di arsenico (As2O5) e di antimonio (Sb2O3) associati a nitrati. Fino all'era industriale era usato quasi esclusivamente il 3

11 biossido di manganese (MnO2). Nei moderni forni continui l'affinante principale sono i solfati associati a piccole quantità di composti riducenti (carbone, loppa d'altoforno,...), questi composti si decompongono ad alta temperatura (oltre 1200 C) liberando bolle di ossigeno che, risalendo nel fuso, assorbono le bollicine che incontrano fino a raggiungere la superficie. Attraversando le stratificazioni di vetro a diversa densità, le bolle svolgono anche una azione di omogeneizzazione del fuso. Il vetro così ottenuto, non è ancora trasparente ed incolore o colorato come nelle vetrerie artistiche, non basta infatti usare materie prime di sintesi o scegliere quelle più pure, alcuni elementi, come il ferro ed il cromo, sono sempre presenti anche se in piccolissima quantità, comunque sufficiente a colorare leggermente. Si deve aggiungere un altro componente alla miscela: un decolorante. Si tratta di alcuni elementi che in piccola quantità correggono la tonalità di colore secondo un principio fisico (sovrapposizione di un colore complementare che annulla quello del composto inquinante) o chimico (ossidazione o riduzione dell'elemento colorante; il ferro, per esempio, a parità di concentrazione nel vetro, colora molto più intensamente se si trova allo stato ridotto che non allo stato ossidato).il decolorante più noto, che agisce in tutti e due i modi, è il biossido di manganese che, per questa sua proprietà, era chiamato il sapone dei vetrai. Tuttavia il manganese, fissato nel vetro, ha ancora la capacità di catturare l'energia della luce solare e quindi di ossidarsi, dando al vetro una colorazione gialloviola. Ne sono un esempio i lampioni che illuminano piazza San Marco a Venezia. Inizialmente incolori, a causa del manganese sono diventati viola, liberando così una luce soffusa che è divenuta una caratteristica della piazza di sera. Per questa sua instabilità oggi il manganese è sostituito da una miscela di elementi come il selenio, il cobalto e terre rare che, dosate singolarmente, danno un risultato più completo e stabile. Per la produzione di vetri colorati si ricorre all'impiego nella miscela vetrificabile di opportune sostanze. L'intensità della colorazione dipende dalla quantità di colorante introdotto nella composizione del vetro, dalla presenza o meno di sostanze ossidanti o riducenti nell'atmosfera del forno, dalla conduzione termica della fusione e dal tipo di colorazione (ionica o colloidale) Formatori di reticolo Silice, SiO 2 La sabbia quarzifera viene utilizzata quale apportatrice di silice, SiO2, nella miscela. Questa può contenere altri minerali quali feldspati, argille ed impurezze dovute a ossidi di ferro e cromo ed è soggetta a processi di lavaggio con acqua e purificazione con altri mezzi chimico-fisici. Le sabbie si distinguono per il loro contenuto in ossido di ferro, Fe 2 O 3. Per produttori di vetro incolore di alta qualità (vetro al piombo, vetro da tavola) sono disponibili sabbie contenenti lo 0.008% in Fe 2 O 3 e lo di ossido di cromo, Cr 2 O 3. In generale è bene che la concentrazione di Cr 2 O 3 non superi lo %. Per vetri colorati il contenuto in ferro non è critico e può essere sufficiente una sabbia con un contenuto in ossido di ferro dello 0.25%. Per quanto riguarda la granulometria, nei forni a bacino vengono utilizzate sabbie con grani di diametro mm, mentre nei forni a crogioli si fa uso di sabbia con granulometria tra mm. Le frazioni 4

12 granulometriche più grossolane e quelle fini, inferiori a 0.1 mm, vengono di norma eliminate perché causa di disturbo nella fusione e per l alto contenuto di impurezze Anidride borica, B 2 O 3 Può essere introdotta come borace anidro, Na 2 B 4 O 7, penta e decaidrato, o acido borico H 3 BO 3. E presente come componente essenziale nei vetri resistenti agli sbalzi termici e nella composizione degli smalti. La presenza di piccole quantità di anidride borica nei vetro sodo-calcici ( %) impartisce brillantezza, migliora la resistenza chimica e riduce il coefficiente di dilatazione, facilita la fusione e l affinaggio. La sostituzione di SiO 2 con di B 2 O 3 è sostanzialmente neutra. A parità di silice, la sua introduzione comporta di solito una diminuzione degli alcali per cui l effetto globale comporta un miglioramento complessivo della resistenza idrolitica. Peggiora la viscosità e aumenta il coefficiente di dilatazione termica Fondenti Ossido di sodio, Na 2 O L ossido di sodio è il fondente più usato, fornisce un apporto indispensabile per assicurare la fusibilità del vetro. Ha un forte effetto sulle proprietà di viscosità, densità, dilatazione, resistenza chimica e meccanica del vetro. Come materia prima si utilizza il carbonato sodico di provenienza industriale, merceologicamente distinto in soda leggera, soda densa e soda granulare a seconda del peso specifico.in alternativa può essere usato il feldspato di sodio. Il nitrato sodico (NaNO 3 ) viene utilizzato per le capacità ossidanti e come coadiuvante nel processo di affinaggio. La soda, a circa 800, si decompone in anidride carbonica (gas) ed ossido di sodio. Quest'ultimo ha la capacità di reagire, allo stato solido, con la silice trasformando il quarzo in silicati di sodio che fondono a più bassa temperatura. Esso permette di ossidare le sostanze organiche presenti, di prevenire la riduzione di qualche componente della miscela, aiuta a mantenere la colorazione del vetro. In questo senso viene tipicamente usato per assicurare il colore ametista dei vetri al manganese e per prevenire la riduzione nei vetri al piombo. Il solfato sodico (Na 2 SO 4 ) viene utilizzato per il suo contributo nei processi di omogeneizzazione ed affinaggio (concentrazione: % circa). Peggiora la durabilità e la viscosità aumentando la dilatazione e abbassando la resistività Ossido di potassio, K 2 O Viene utilizzato al posto dell ossido di sodio, sostituendolo in tutto (vetri al piombo) o in parte. La sostituzione sodio-potassio comporta un aumento della viscosità, della densità e della brillantezza, ma conferisce minore durezza. Chimicamente un vetro potassico è meno resistente di un vetro esclusivamente sodico, ma la sostituzione equimolare del sodio con il potassio dà luogo ad un effetto migliorativo sulla resistenza chimica noto come effetto alcali misti. Il suo costo superiore ne limita necessariamente l impiego. Il rendimento dei coloranti è superiore in un vetro potassico, in particolare in relazione all uso di manganese, nichel e selenio, che in qualche caso possono portare a colorazioni diverse da quelle attese. Viene introdotto 5

13 come potassio carbonato, potassio nitrato (entrambi prodotti industriali) o come feldspato. Il potassio nitrato, KNO 3, è noto per il suo elevato potere ossidante.. Oltre a rendere più fusibile la silice, la soda (o potassa) ha la proprietà di allungare l'intervallo di temperature entro il quale il vetro solidifica (intervallo di lavorazione), e rende, come si dice in gergo, il vetro più lungo Ossido di litio, Li 2 O Per la sua tendenza a dar luogo a vetri che tendono a devetrificare l ossido di litio viene utilizzato in quantità molto limitate. Viene usato sia come coadiuvante nei processi di fusione sia come modificatore della viscosità per assicurare la necessaria fluidità in fase di lavorazione senza sacrificare le altre caratteristiche chimico-fisiche del vetro. E utilizzato nei vetri elettricamente resistenti e nei vetri trasparenti ai raggi UV. I vetri contenenti litio sono molto più fluidi di quelli contenenti solo soda o potassa. Come materia prima si usano prodotti di provenienza industriale quale ad esempio il carbonato o di origine minerale come lo spodumene, un alluminosilicato contenente il 5-6% in ossido di litio Stabilizzanti Ossido di calcio, CaO E uno dei costituenti principali perché rende i vetri più resistenti sia meccanicamente sia chimicamente. Influisce sulla viscosità alle alte temperature e sull intervallo di lavorazione del vetro. Partecipa alla composizione in percentuale variabile, ma generalmente non superiore al 12-13% in peso in quanto oltre a tale limite il vetro risulta di difficile fusione. Come materie prime si usano carbonato di calcio (CaO > 55%, Fe 2 O 3 < 0.035%). Quando sia previsto l uso di ossido di magnesio, si può utilizzare dolomite. Le impurezze coloranti sono più tollerabili rispetto a quelle contenute nella sabbia dato il diverso apporto delle materie prime alla miscela, ma il loro livello deve essere attentamente valutato. Se si usa solfato di calcio, questo sostituisce il solfato sodico come mezzo affinante ed antischiuma nel bagno Ossido di Magnesio, MgO L ossido di magnesio è comunemente usato per sostituire parte dell ossido di calcio e questa sostituzione diminuisce la tendenza del vetro a devetrificare (formazione di strutture cristalline). Riduce altresì la viscosità ad una data temperatura permettendo una riduzione degli ossidi alcalini. Migliora la resistenza idrolitica, ha un potere fluidificante e permette un più rapido affinaggio rispetto ad un vetro costituito di solo ossido di calcio. Consente un temperatura di ricottura più bassa e migliore in linea generale la lavorabilità del vetro. Viene introdotto come carbonato puro o come carbonato doppio di calcio e magnesio (dolomite) Ossido di bario, BaO Tale ossido migliora la lavorabilità, impartisce brillantezza ed interviene sulle caratteristiche dielettriche e di resistenza elettrica del vetro. Oltre alla produzione di 6

14 vetri per ottica, trova impiego in un vasto settore nella produzione di vetri commerciali per l apporto di proprietà che sono intermedie fra quelle impartite al vetro dall ossido di calcio e dall ossido di piombo. Per impartire brillantezza ai vetri sodico-calcici si usa impiegare BaO in concentrazione variabile tra %. Viene di norma introdotto come carbonato di bario, BaCO 3. La barite è un solfato di bario di origine minerale che viene usato come affinante indicativamente in quantità pari allo % nei vetri sodo-calcici commerciali. In qualche caso la barite contiene ferro, pertanto deve esserne valutato attentamente l apporto al fine di dosare opportunamente il decolorante Ossido di zinco, ZnO L ossido di zinco aumenta il coefficiente di dilatazione e migliora la stabilità chimica del vetro. Viene quindi usato per vetri da laboratorio che devono subire importanti sbalzi termici ed essere chimicamente resistenti. Lo ZnO viene usato nei vetri ottici al bario per ridurre la loro tendenza alla devetrificazione. L aggiunta di 1% ZnO abbassa la temperatura di devetrificazione mantenendo un buon intervallo di lavorazione. Viene utilizzato per aumentare l opacità nei vetri opali al fluoro e nei vetri colorati al solfoseleniuro di cadmio ove esplica una azione determinante per lo sviluppo del colore rosso. Viene introdotto come tale o come carbonato, ZnCO Allumina, Al 2 O 3 L allumina è considerata lo stabilizzante per eccellenza dal punto di vista della resistenza chimica. Nei contenitori in vetro sodico-calcico ad uso alimentare viene usata in concentrazione compresa tra 1 e 3% in peso. La pratica vetraria riporta che in un vetro chimicamente resistente il rapporto tra Na 2 O e la somma di (Al 2 O 3 +CaO+MgO) debba essere circa uguale ad 1 (uno). Diminuisce la tendenza alla devetrificazione mentre esercita una forte influenza sulla viscosità. Rende il vetro più resistente migliorandone la resistenza a trazione, in combinazione con il boro riduce fortemente il coefficiente di dilatazione migliorando la resistenza allo sbalzo termico. Come costituente dei vetri sodico-calcici essa viene introdotta come feldspato, nefelina, allumina idrata ed allumina calcinata. Per motivi di costanza ed uniformità analitica, ai prodotti di origine minerale soggetti a fluttuazioni di composizione vengono preferiti prodotti industriali quali la allumina idrata Ossido di piombo, PbO-Pb 3 O 4 L ossido di piombo contribuisce all aumento della densità, indice di rifrazione, e della brillantezza. Viene pertanto usato nella produzione di prodotti di pregio quali vetri ottici, elettrici, vetro cristallo ed in certe proporzioni nei vetri da tavola. Grazie alla minore durezza si presta ad essere lavorato per intaglio. Non migliora la resistenza idrolitica e resiste meno all azione degli acidi ed alle condizioni ambientali. Viene introdotto come litargirio giallo (PbO) oppure come minio rosso (Pb3O4), ottenuto per ossidazione del litargirio. Il piombo rosso, costituito da una miscela di PbO 2 (75%) e di PbO (25%), è preferito al litargirio perché l apporto intrinseco di ossigeno contribuisce a prevenire la riduzione della miscela e con essa la possibile formazione di Pb metallico. Per 7

15 prevenire perdite da spolverio viene indicato il silicato di piombo, ottenuto mediante pre-fusione della silice con ossido di piombo (85% PbO, 15 % SiO 2 ) Coloranti Nella seguente tabella vengono elencati alcuni dei principali elementi e composti coloranti con i relativi effetti a seconda delle condizioni ossidanti o riducenti. Elemento/composto Colorazione prodotta Colorati ionici Condizioni ossidanti Condizioni riducenti Cobalto ossido Blu Blu Rame ossido Acquamarina Verde Manganese Viola Cobalto-Manganese Ametista, nero Ametista, nero Ferro Giallo Verde-blu Zolfo-Ferro Giallo-Ambra Coloranti colloidali Condizioni ossidanti Condizioni riducenti Zolfo-Cadmio Giallo Zolfo-Cadmio-Selenio Rosso Rame Rosso rubino Oro Rosso rubino Argento Giallo Aggiunte di carbonato di bario (BaCO 3 ) aumentano ugualmente l'indice di rifrazione del vetro, mentre aggiunte di ossido di torio producono un elevatissimo indice di rifrazione ed i vetri così ottenuti sono usati per produrre lenti di alta qualità. Il boro è aggiunto sotto forma di borace (Na 2 B 4 O 7 ) o acido borico (H 3 BO 3 ) per migliorare le caratteristiche 8

16 termiche ed elettriche (come nel caso del vetro Pyrex). L'aggiunta di alte quantità di ferro provoca l'assorbimento della radiazione infrarossa, come nei filtri per l'assorbimento di calore nei proiettori cinematografici. Con il cerio si ottiene un forte assorbimento delle radiazioni ultraviolette, ottenendo vetri in grado di offrire protezione dalla radiazioni ultraviolette ionizzanti. Metalli e ossidi metallici vengono aggiunti nella produzione del vetro per dare o alterare il colore. Il manganese in piccole quantità neutralizza il verde causato dalla presenza di ferro, mentre in quantità elevate dà il colore ametista. Similmente il selenio in piccole dosi è usato per decolorare, mentre in quantità elevate dona colore rosso. Piccole concentrazioni di cobalto (0,025-0,1%) danno colore blu. Ossido di stagno con ossidi di arsenico e antimonio danno un vetro bianco opaco, usato nei laboratori di Venezia per imitare la porcellana. Aggiunte dal 2 al 3% di ossido di rame producono un colore turchese, mentre il rame metallico dà un rosso opaco, e viene impiegato come surrogato del rubino rosso. Il nichel, dipendentemente dalla concentrazione, induce blu, violetto o anche nero. L'aggiunta di titanio dà un vetro giallo-marrone. L'oro in concentrazioni minime (0,001%) produce un vivace colore rosso rubino, mentre una quantità ancora minore dà sfumature meno intense di rosso, commercializzate con il nome di "vetro cranberry" (lampone). L'uranio (0,1-2%) può essere aggiunto per dare un colore giallo o verde fluorescente. Il vetro all'uranio solitamente non è sufficientemente radioattivo da essere pericoloso ma, se polverizzato (per esempio mediante lucidatura con carta vetrata) ed inalato, si suppone possa essere cancerogeno. I composti dell'argento, in particolare il nitrato, producono una gamma di colorazioni comprese tra il rosso arancio ed il giallo. La tabella seguente mostra le percentuali in peso tipiche di alcuni ossidi nei vetri: Intervalli di composizione tipici dei vetri comuni Componente % minima % massima SiO 2 68,0 74,5 Al 2 O 3 0,0 4,0 Fe 2 O 3 0,0 0,45 CaO 9,0 14,0 MgO 0,0 4,0 Na 2 O 10,0 16,0 K 2 O 0,0 4,0 SO 3 0,0 0,3 9

17 1.4.Proprietà del vetro A temperature inferiori alla temperatura di trasformazione, il vetro si comporta come un materiale tipicamente elastico e come tale soddisfa la legge di Hooke con modulo di Young che vale: vetri al piombo e borosilicati = 61 GPa vetri alluminosilicati = 91 GPa vetri per lastre =74 GPa La durezza del vetro e pari a 7 nella scala Mohs ( resistenza alla scalfittura) e non dipende sensibilmente dalla composizione, mentre la resistenza all abrasione dipende soprattutto dalla struttura superficiale ed è meno facilmente quantificabile. Il vetro è un tipico materiale a frattura fragile, ovvero con assenza di deformazione plastica, la frattura nasce da cricche microscopiche, dell ordine dei micron, note come cricche di Griffith. Tali cricche si creano inevitabilmente all atto della formatura del vetro e in tutte le operazioni in cui esso viene maneggiato. Stime della resistenza teorica alla rottura dei vetri silicati, dedotta dall energia necessaria per creare una separazione permanente dei piani atomici contigui, portano a valori elevatissimi, dell ordine dei GPa mentre la resistenza reale è dell ordine dei 100 MPa per i prodotti usuali e 1000 MPa per prodotti in cui e stata prestata una cura particolare per la creazione di una superficie pristina(esente da difetti). Le cricche abbassano la resistenza del vetro dai valori teorici a quelli reali in quanto in prossimità del loro apice si ha un enorme intensificazione degli sforzi, di 2 3 ordini di grandezza dello sforzo applicato al materiale. Se si induce una precompressione negli strati superficiali si può ottenere un aumento di resistenza anche di 2 3 volte, tale precompressione si può ottenere per tempra fisica o chimica. Griffith dimostrò che la resistenza a trazione di un vetro era tanto minore quanto maggiore era la lunghezza di un eventuale cricca presente al suo interno, da questo risulta l elevata fascia di distribuzione dei valori dei carichi di rottura eseguiti su provini apparentemente identici. Lo sforzo di rottura dipende dalla dimensione massima di cricca seconda la: σ f = [(2ϒE)/(πc)] = K/ c E= modulo di Young ϒ= energia superficiale della cricca C= semilunghezza della cricca Con E, ϒ costanti per un dato vetro. La resistenza meccanica di un vetro sottoposto ad uno sforzo superiore ad un valore minimo, diminuisce nel tempo a causa di un particolare fenomeno noto come fatica statica, si può quindi arrivare a rottura di un manufatto anche dopo un tempo molto lungo di applicazione della sollecitazione. Sembra che la fatica statica sia dovuta ad un effetto di tensocorrosione provocata dalla diffusione del vapore d acqua costituente l umidità atmosferica verso l apice delle micro fessure. L effetto della composizione sulla resistenza dei vetri silicatici è quasi 10

18 completamente ignoto in quanto l effetto di dispersione dei dati delle prove maschera l effetto degli ossidi. Il vetro di silice pura è il più resistente e le sue fibre possono raggiungere valori di resistenza fino a 2500 MPa in quanto le cricche non possono che essere di piccole dimensioni Proprietà termiche La conducibilità termica nei vetri, data l impossibilità di movimento degli elettroni, è dovuta interamente alle vibrazioni termiche del reticolo, che danno luogo a onde termoelastiche, ovvero quanti di energia vibrazionale detti fononi, che si propagano dalle zone più calde a quelle più fredde. Nei cristalli perfetti la conducibilità è alta ma diminuisce con la concentrazione di eventuali difetti ed anche al crescere della temperatura. I vetri sono cattivi conduttori in quanto si possono considerare come solidi ad altissimo disordine strutturale, in cui quindi il cammino libero medio dei fononi e molto breve. La conducibilità termica di un vetro non varia molto con la composizione e vale circa 1,7 W/mK e aumenta lievemente con la temperatura. Ad alta temperatura si ha conduzione soprattutto per radiazione e questo è molto importante soprattutto nei forni per la produzione di vetro. La dilatazione termica di un vetro solido è pressoché uguale a quello del solido cristallino ed e molto basso, nel vetro liquido, invece α è molto elevato e viene utilizzato per la determinazione di T g. Tipici coefficienti di dilatazione sono: α x10-7 C -1 Vetro di silice 5.5 Silice 96% (Vycor glass) 8 Borosilicati (per uso domestico o di laboratorio) 33 Borosilicati (per uso elettrico) Sodo calcico (piano e contenitori) Sodo-calcico (elettrico) 92 Vetri ottici al piombo Vetro artistico

19 Essendo il vetro un cattivo conduttore di calore, uno sbalzo termico provocherà in esso tensioni meccaniche di segno opposto sulle due facce, trazione/compressione, tanto più rilevanti quanto è maggiore il suo coefficiente di dilatazione, con pericolo di rottura se esse superano la resistenza meccanica del vetro. In linea generale, l introduzione di ioni alcalini causa un forte aumento del coefficiente di dilatazione. Una forte influenza è esercitata anche dagli ioni alcalino terrosi, quali il calcio e magnesio, e in minor misura dall ossido di piombo. L aggiunta di anidride borica abbassa il coefficiente di dilatazione, ma con una anomalia. Il valore minimo di dilatazione in un vetro si realizza in corrispondenza ad una ben definita concentrazione di alcali: ulteriori aggiunte di boro, provocano una inversione delle proprietà con conseguente peggioramento del valore del coefficiente di dilatazione. Un tipico esempio è costituito dal vetro Pyrex ( a = 33x10-7 C -1 ), per il quale concentrazioni di B 2 O 3 superiori al 13% causano un progressivo incremento del coefficiente di dilatazione. Il coefficiente di dilatazione tra 20 C e la temperatura di trasformazione non è costante ma varia con la temperatura; una equazione che approssima abbastanza bene i valori sperimentali è la seguente: a = a + b x T 0.5 a, e b sono due costanti e T è la temperatura. Normalmente in laboratorio viene misurato il coefficiente di dilatazione medio fra 20 e 300 C ed il coefficiente di dilatazione determinato mediante il calcolo proposto fa riferimento a questo valore Viscosità La viscosità è probabilmente la più importante proprietà di un vetro. La stessa formazione dello stato vetroso dipende dal fatto di possedere una certa viscosità ad una determinata temperatura, così come la capacità di dare forma ad una massa vetrosa e di poterla lavorare convenientemente dipendono esclusivamente dalla viscosità e dalla temperatura in quel momento. La viscosità dinamica, ŋ, è una grandezza che descrive la resistenza opposta da un liquido allo scorrimento sotto l azione di una forza e varia in un intervallo molto ampio in funzione della temperatura. La sua unità di misura è il dpa x s o poise e la legge che lega la viscosità alla temperatura è: dove A, B e T 0 sono delle costanti e T è la temperatura. Dal punto di vista pratico, la viscosità è importante in tutte le fasi della produzione di vetro. Durante la fase di fusione è essenziale omogeneizzare il fuso e permettere l eliminazione delle bolle (affinaggio) formatesi per decomposizione della miscela. L efficienza di entrambi i processi (omogeneizzazione ed affinaggio) aumenta al diminuire della viscosità ed è pertanto consuetudine fondere il vetro in un range di viscosità attorno ai 100 poises (punto di fusione, log ŋ = 2). Per la grande maggioranza dei vetri commerciali sodicocalcici a questa viscosità corrisponde una temperatura di C, ma per vetri con elevati tenori in silice, quali i vetri borosilicati, può essere necessario fondere a 12

20 temperature prossime a 1700 C. Nella produzione di articoli in vetro, in particolare per la produzione in automatico, si deve convertire il vetro fuso in articolo finito nel più breve tempo possibile. Per un vetro sodico-calcico ciò significa introdurre vetro nella macchina formatrice a temperature attorno ai 1200 C e rilasciare l articolo finito attorno ai 700 C, temperatura alla quale il vetro non si deformi sotto il proprio peso. Nell intervallo di lavorazione il valore iniziale della viscosità dipende dalle dimensioni dell oggetto e dal tipo di lavorazione: si va da log ŋ = 3 per oggetti prodotti automaticamente a log ŋ = 4 per quelli formati manualmente. Alla temperatura inferiore dell intervallo di lavorazione, alla quale, come detto, il vetro non rammollisce sotto il proprio peso, la viscosità è pari log ŋ = 7.6. L oggetto di vetro deve infine essere raffreddato molto lentamente, da una temperatura alla quale l oggetto, pur non deformandosi possiede una viscosità tale da consentire il rilascio delle tensioni (log ŋ = 13.4, punto di ricottura) sino ad una temperatura al di sotto della quale il vetro può essere considerato completamente elastico (log ŋ = 14.5, punto di tensione). In figura sono riportate le curve di viscosità in funzione della temperatura per varie tipologie di vetri. [Da Glass science, R.H. Doremus, J. Wiley & Sons, 1994, Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook,vol 4 ASM international, USa, 2000] 13

21 Resistività elettrica ad alta temperatura Il vetro a temperatura ambiente è un isolante elettrico ma se viene riscaldato a temperature superiori a 800 C diventa conduttore. Non si tratta di una conduzione elettronica come per i metalli ma di tipo ionico: in particolare sono responsabili della conduzione gli ioni alcalini litio, sodio e potassio; per cui all aumentare della concentrazione degli ioni alcalini la resistività elettrica si riduce. Anche la viscosità della struttura vetrosa dà il suo contributo per cui la legge che lega la resistività elettrica in Ohm cm alla temperatura è simile a quella della viscosità: Questa proprietà viene sfruttata per fondere il vetro in forni interamente elettrici. Il vantaggio della fusione elettrica è quello di ridurre moltissimo le emissioni inquinanti in ambiente e per questo motivo il forno elettrico è definito per legge a ridotto impatto ambientale. Si usa corrente alternata e la conoscenza della resistività elettrica è fondamentale per realizzare un opportuno dimensionamento dei forni elettrici: nel caso di elettrodi di molibdeno, per ottenere un vetro di elevata qualità è necessario che la densità di corrente non sia superiore a 0,7 A/cm Proprietà chimiche Per resistenza chimica si intende la capacità di un vetro a resistere alla corrosione indotta dal contatto con soluzioni acide o basiche. Il vetro, per sua natura, resiste benissimo al contatto con soluzioni acide a parte con l acido fluoridrico che aggredisce il tetraedro silicico, con la formazione di tetrafloruro di silicio gassoso. L attacco degli altri acidi consiste in un puro scambio ionico tra gli ioni alcalini del vetro e gli ioni H + dell acido. In conseguenza di tale scambio si forma uno strato superficiale pressoché totalmente privo di alcali e l attacco può proseguire solo se altri ioni alcalini migrano verso la superfice. L introduzione nel vetro di ioni alcalino terrosi porta a un forte aumento di stabilità chimica in quanto riducono drasticamente la mobilità degli ioni Na + e K +. Le soluzioni basiche possono produrre una corrosione e/o dissoluzione del reticolo più o meno accentuata in funzione del ph della soluzione e a seconda della composizione del vetro. La resistenza idrolitica rappresenta invece la resistenza offerta dal vetro al contatto con acqua. In questo caso, a seconda del tempo, della temperatura e del rapporto tra la superficie esposta ed il volume della soluzione di contatto, si realizza una estrazione di alcali (formazione di idrati di sodio, potassio e calcio) che incrementa progressivamente il ph della soluzione, rendendola via via più basica e quindi aggressiva. Al procedere dell attacco si formano anioni silicatici solubili, di basso peso molecolare, con distruzione totale del reticolo. Il vetro depolimerizzato è più solubile in quanto ha più ossigeni non pontanti. La quantità di vetro portata in soluzione cresce esponenzialmente con l alcalinità del mezzo e dipende linearmente dal tempo. L attacco da parte dell acqua pura sul vetro avviene inizialmente secondo un meccanismo di scambio tra gli ioni H + dell acqua e gli ioni alcalini del vetro; 14

22 successivamente, allorché il ph dell acqua aumenta per la diminuzioni degli ioni H +, l attacco diventa di tipo alcalino, il che presupporrebbe che l acqua ristagni sul vetro, cosa che non succede nel caso di pioggia su vetrate. Per resistenza idrolitica del vetro si intende anche la resistenza offerta da un vetro all umidità ambientale e alle condizioni di evaporazione/ricondensazione tipiche di oggetti che siano esposti a condizioni climatiche più o meno estreme (improvvisi sbalzi di temperatura in ambienti umidi, lavaggio in lavastoviglie, etc.). La resistenza idrolitica di un vetro viene misurata secondo la procedura definita dalla norma DIN12111, attualmente unificata come DIN ISO 719. Tale prova si esegue su una frazione di vetro pesto a granulometria definita immerso in acqua distillata per un ora alla temperatura di 98 C. In base ai risultati vengono definite 5 classi alle quali corrispondono le seguenti tipologie di vetro: Classificazione Valori limite (ml HCl 0.01N) Tipologia di vetri Classe 1 Sino a 0.1 Neutro farmaceutico Classe 2 Da 0.1 a 0.2 Termometri Classe 3 Da 0.2 a 0.85 Contenitori Classe 4 Da 0.85 a 2 Artistico Classe 5 Da 2.0 a 3.5 Mosaico Ne risulta che l appartenenza di un vetro ad una determinata classe ne definisce l uso consigliato. Ad esempio, se un vaso o un lampadario lavorato a mano possono convenientemente appartenere alla classe 4, un bicchiere lavorato a mano dovrà preferibilmente rientrare nella classe 3 per non avere problemi di cessioni idrolitiche troppo elevate e opalescenza in condizioni d uso. La resistenza chimica dipende dalla composizione chimica del vetro e dalla combinazione degli ossidi introdotti. Vetri ad elevata resistenza chimica, noti come vetri neutri, si possono ottenere riducendo al minimo la presenza di alcali nel vetro ma aggiungendo B 2 O 3 che permette di ottenere un vetro borosilicato lavorabile a temperature molto inferiori di uno di silice pura. In linea generale la resistenza chimica aumenta a seguito dell introduzione di allumina, ossido di calcio, ossido di zinco ed ossido di bario e diminuisce a seguito dell introduzione di ossidi alcalini. I vetri borosilicati (classi 1-2) contengono generalmente SiO %, B 2 O %, ossidi alcalini 4-6%, Al 2 O 3 2-7% e sono caratterizzati da elevatissima resistenza chimica e basso coefficiente di dilatazione per l effetto combinato dell anidride borica e dell allumina. Nei vetri borosilicati ad uso farmaceutico la concentrazione di B 2 O 3 si colloca tra il 7-11% a fronte di una concentrazione di allumina tra il 7-10%. Nel vetro Pyrex, caratterizzato da una elevata resistenza chimica, la concentrazione di B 2 O 3 è del 13%. La maggior parte dei vetri per contenitori (classe 3) sono vetri sodico-calcici con una quantità di ossidi alcalini attorno al 14% ed una quantità di Al 2 O 3 prossima al 2%. L aggiunta di allumina conferisce 15

23 ottime caratteristiche di resistenza chimica ma produce un aumento della viscosità del fuso, per cui ulteriori incrementi in Al 2 O 3 rendono necessario, analogamente ai vetri borosilicati, un incremento della quantità di B 2 O 3 che agisce da fluidificante. L aggiunta di ossidi alcalini (Na 2 O e K 2 O) in concentrazioni superiori al 14-15% tende a destabilizzare il vetro, riducendone la resistenza idrolitica. Valori di Na 2 O prossimi al 17% in assenza di stabilizzanti portano il vetro al limite delle classi 4/5 causando un forte peggioramento delle caratteristiche idrolitiche. L introduzione di alcali in concentrazioni superiori al 20-21% rendono il vetro estremamente instabile, con forte tendenza a dare opalescenza e con cessioni alcaline elevatissime, al di fuori dei criteri di classificazione previsti dalla norma. Un artificio comunemente usato per mantenere invariata la viscosità senza sacrificare troppo la resistenza idrolitica è quello di introdurre quantità equimolari di ossido di sodio ed ossido di potassio favorendo il cosiddetto effetto alcali misti che ha una benefica influenza sulla resistenza idrolitica Proprietà ottiche La più importante proprietà dei vetri è la loro trasparenza, ossia la capacità di trasmettere le radiazioni visibili con lunghezza d onda λ tra 0,39 e 0,80μm. TL Trasmissione Luminosa = permeabilità alla luce esprime la percentuale della radiazione visibile lasciata passare direttamente nel campo compreso da 380 e 780 nm Fattore di Riflessione Luminosa = esprime la percentuale di radiazione, appartenente allo spettro del visibile, riflessa dalla lastra vetrata. Per essere trasparente e incolore il vetro deve essere omogeneo, almeno entro una scala confrontabile con la lunghezza d onda della luce, ed avere un basso assorbimento nei confronti di tutte le lunghezze d onda della luce. Per quanto riguarda l omogeneità, se il vetro contiene particelle con diverso indice di rifrazione, in quanto di composizione diversa, quando la radiazione arriva in corrispondenza ad esse sarà riflessa o rifratta e il vetro prederà trasparenza diventando opaco, oppure traslucido se il vetro è sottile con poche particelle. Su questo principio si basano i vetri lattei che contengono al loro interno fluoruro di calcio o biossido di stagno. Per quanto riguarda l assorbimento, nei vetri i legami con gli elettroni sono molto forti, perciò l energia da fornire dovrà essere elevata, si avrà perciò un forte assorbimento nel campo delle radiazioni ultraviolette e non nel campo del visibile. La presenza nella composizione di ioni dei metalli di transizione (Fe, Co, Ni, Cu, V, Cr, Mn) da luogo ad assorbimento selettivo nei confronti di determinate lunghezze d onda: in tal caso si otterrà un vetro colorato del colore complementare a quello corrispondente la radiazione assorbita. Un altra importante proprietà dei vetri è la loro rifrazione della luce, la quale entrando nell aria, o da un altro mezzo, nel vetro, cambia la sua direzione di propagazione. Ciò è dovuto al fatto che la velocità di propagazione di ogni radiazione è diversa in mezzi diversi. Si definisce indice di rifrazione n il rapporto c/v tra la velocità della luce nel vuoto e quella nel materiale considerato. Per un vetro comune sodico calcico n=1,51. L indice di rifrazione viene misurato dal rapporto sinθ 1 / sinθ 2 dove gli angoli θ 1, θ 2 sono quelli formati dal raggio incidente e dal raggio rifratto con la normale alla superficie di separazione tra i due mezzi. I solidi o i liquidi a più alto impaccamento di atomi hanno indici di rifrazione più elevati. 16

24 1.5.Classificazione Vetri di silice Caratterizzati da una percentuale di silice del 99,5% si ottengono per fusione di quarzo purissimo a temperature superiori ai 2000 C. I vetri in pura silice presentano le seguenti caratteristiche: elevata resistenza alla temperatura, sono infatti utilizzabili fino a 1000 C, resistività elettrica e chimica, bassissimo coefficiente di dilatazione termica e quindi un ottima resistenza agli sbalzi termici, è trasparente alle radiazioni UV e IR molto più degli altri vetri. Vengono impiegati per particolari produzioni chimiche e ottiche, per materiali elettrici isolanti nei forni o in elementi elettrici riscaldanti. A causa delle difficoltà di lavorazione e di formatura della silice che presenta elevati valori di viscosità e di temperatura di fusione. La viscosità può essere ridotta con l'impiego di un flussante (es: Na 2 O) che determina la rottura di alcuni legami Si-O e l'ottenimento di vetri siliceo-alcalini. I vetri in silice pura sono prodotti per vaporizzazione di SiCl 4, successivamente idrolizzato a SiO 2, o iniziando da borosilicati e separando con acido una fase costituita da borati alcalini: lo scheletro siliceo risultante assume per riscaldamento la compattezza voluta Vetri di borosilicati Hanno composizione chimica pari a: SiO 2 =80%, B 2 O 3 =13% e sono noti anche come vetri Pyrex. La quasi totale eliminazione degli alcali e l introduzione di anidride borica lo rendono un vetro con eccellenti doti di resistenza agli sbalzi termici (α=32 *10-7 m/k ), elevata resistenza chimica e alta resistività elettrica. I borosilicati, benché piuttosto costosi, hanno importanti applicazioni per vetreria da laboratorio, termometri e tubi calibrati, attrezzature e tubazioni di industrie chimiche farmaceutiche, isolamento elettrico, etc. Questi tipi di vetro rappresentano il mezzo più sicuro di smaltimento dei rifiuti radioattivi, grazie alla capacità di resistenza alla corrosione ed al valore particolarmente basso del coefficiente di diffusione degli ioni radioattivi.i vetri microporosi, usati in biotecnologia ed in cromatografia, sono ricavati da alcuni tipi di vetri sodio-borosilicati. A causa della loro inerzia chimica sono noti anche come vetri neutri, nel senso che non danno prodotti apprezzabili di reazione con moltissime sostanze Vetro sodico calcico La sua miscela ( SiO 2 = 71 73%; Na 2 O=12 14%; CaO=10 12%; MgO=1 4%) è caratterizzata dalla presenza di ossido di calcio che diminuisce il limite di cristallizzazione del vetro, aumentandone la persistenza nel tempo. Il vetro sodicocalcico è quello di gran lunga più prodotto in quanto di basso costo, di facile fabbricazione e lavorazione, presenta buona resistenza alla devetrificazione e buona stabilità all acqua. La resistenza e la durabilità all acqua possono venir migliorate con l aggiunta di una piccola percentuale di allumina. A questa classe appartengono i vetri comuni quali, ad esempio, quelli da finestre o per vetrature d auto, per contenitori e per bulbi di lampadine. Questo tipo di vetro può essere incolore oppure colorato per la presenza di piccole percentuali di sali di ferro, come nel caso dei vetri per bottiglie. I 17

25 vetri sodico-calcici son comunque caratterizzati da bassa resistenza al calore e agli sbalzi termici e la loro resistenza chimica è solo discreta Vetro allumino-boro-silicati Gli allumino-boro-silicati, in cui si introduce un 6% di allumina e si diminuisce il tenore di anidride borica al 9% sono vetri a resistenza chimica ancora superiore, ideali per flaconi di farmaci, liofilizzati, profumi, siringhe provette etc Vetro al piombo Il vetro al piombo, noto anche come cristallo o vetro Flint, (SiO 2 =63%; Na 2 O=7,1%; K 2 O=7%;PbO=21%) si ottiene aggiungendo ossido di piombo, sotto forma di litargirio giallo (PbO) o minio rosso (Pb 3 O 4 ), ed ha un indice di rifrazione maggiore di quello del vetro comune, con l'effetto di apparire più brillante. Sono vetri ben lavorabili a caldo e vengono usati per la cristalleria da tavola, mentre in campo ottico si usano per le lenti acromatiche. Qual ora il tenore di piombo venga portato al 60% si ottengono i vetri ad alto tenore di piombo, la cui costante dielettrica è la più elevata per un vetro e con basse perdite, vengono perciò usati per condensatori, tubi elettronici e come schermi per radiazioni Vetri alluminosilicati I vetri alluminosilicati sono ottenuti con l aggiunta di allumino che ne determina un aumento di densità (SiO 2 =57%; Al 2 O 3 =20,5%; MgO=12%) hanno comportamento simile ai borosilicati ma possono sopportare temperature d esercizio maggiori. Il loro relativamente basso coefficiente di dilatazione li rende resistenti agli sbalzi termici. Sono tuttavia più costosi e difficili da lavorare dei borosilicati Vetro Vycor E un vetro che contiene SiO 2 al 96%, si parte dalla preparazione di un fuso con composizione di un vetro borosilicato: Na 2 O 10%, B 2 O 30%, SiO 2 60%. Durante il processo di manifattura il liquido sottoraffreddato entra in un dominio di immiscibilità ed il vetro conseguentemente ottenuto si compone di due fasi intimamente interconnesse. La parte ricca in alcali viene attaccata e digerita con acidi e il risultante materiale poroso viene trattato a 1000 C dove i pori collassano per coalescenza e parziale fusione dando vita a un 18

26 preparato trasparente, adatto a svariati impieghi, dai bulbi delle lampade per radiazioni ultraviolette agli oggetti da laboratorio. E un vetro costoso, messo a punto per ovviare alle difficoltà di fusione della silice pura, viene utilizzato quando è richiesta una resistenza superiore agli sbalzi termici e a temperature superiori i 900 C. 1.6.La lavorazione del vetro Nella formazione del vetro, elemento che non presenta un punto di fusione netto, si lavora in un range di temperatura in cui esso è allo stato plastico. I limiti di tale intervallo oscillano tra picchi massimi detti "punti di aggregazione", in cui la temperatura è di 1100 C circa, e livelli minimi, detti "punti di trasformazione", in cui la temperatura si aggira intorno a 800 C. La fabbricazione e la lavorazione del vetro si articolano in quattro fasi: fusione, formatura, ricottura e finitura Fusione La fusione è la fase iniziale, durante la quale, la carica, formata da componenti diversi tra loro, viene polverizzata e mescolata a rottami di vetro che agiscono da fondente. La miscela pre-fusione è costituita da sabbia silicea la cui purezza è in funzione del vetro da ottenere. Nei vetri per l'ottica essa raggiunge valori molto alti (99,7% e con tenori di ferro inferiori all'1%), nei vetri comuni e colorati i valori si attestano al 95%. Prima della fusione, alla miscela complessiva, i cui componenti, che devono avere una granulometria fine compresa tra 0,1 e 0,6 mm, vengono ridotti in pezzatura di 0,2-0,5mm, sono aggiunti rottami di vetro nella misura del 25-40% per facilitare la fusione stessa, per ragioni economiche e per un perfetto riciclaggio. Le dimensioni dei grani hanno una grande importanza per la riuscita della fusione. Se le polveri sono troppo fini vi sono problemi di spolverio, cioè di dispersione del prodotto nella camera fusoria e nell'ambiente attraverso i fumi, prima che abbia avuto il tempo per reagire. Se, invece, sono troppo grossolane, vi sono problemi di omogeneità della miscela. La silice, la materia prima più altofondente, è la più delicata da questo punto di vista. Grani troppo grossi non riuscirebbero a fondere; grani troppo fini si possono segregare (impaccare) e, non miscelandosi omogeneamente con le altre materie prime, risulterebbero anch'essi infusibili. L'omogeneità della miscela è importantissima e per favorirla, oltre alla dimensione dei grani delle singole materie prime (granulometria), è fondamentale la buona la qualità della miscelazione e l'aggiunta di piccole quantità di acqua (2-4%) che impedisce la separazione tra le fasi. Percentuali componenti: sabbia quarzifera 60%, carbonato di Na 18%, dolomite 17%, calce 4%, solfato 1%. Durante la fusione, si verificano l'eliminazione dell'acqua presente nei componenti di partenza, la dissociazione dei carbonati e dei solfati con sviluppo di anidride carbonica o solforosa, la formazione di una massa fusa il più possibile omogenea. L innalzamento di temperatura è progressivo (grazie all'utilizzo gas metano come combustibile che permette di raggiungere alte temperatura) e della durata di 6 ore fino ad arrivare alla temperatura di fusione, attorno ai 1500 gradi, la durata della fusione è approssimativamente di sei ore. 19

27 1.6.2.Affinaggio o affinazione L affinaggio è l'operazione con cui la massa fusa viene privata di tutte le bollicine di gas presente, che potrebbero dare origine a difetti nei manufatti preparati. In questa fase, si assiste alla deposizione sul fondo del forno delle parti non fuse e all'arrivo in superficie delle bolle di gas formatesi durante la fusione. Tali bolle sono originate dalla decomposizione dei carbonati e dei solfati iniziali in ossidi e anidride carbonica o solforica. L'affinazione viene realizzata aggiungendo alla massa fusa piccole percentuali di agenti affinati. Questi facilitano notevolmente l'operazione, in quanto fanno aumentare il volume delle bolle e ne provocano l'espulsione, oppure permettono la diminuzione della solubilità dei gas nel vetro. Conclusa questa fase, il vetro fuso è una massa avente in tutti i punti uguale composizione chimica e, conseguentemente, le medesime proprietà fisiche. E' possibile, a questo punto, operare una decolorazione del vetro, tramite l'ossidazione di sali di ferro. La fusione si conclude con la fase di riposo o di condizionamento, durante la quale la massa fusa viene raffreddata gradualmente fino alla temperatura di foggiatura o di formatura La formatura La formatura è eseguita in diverse modalità, durante il campo di temperatura nel quale assume viscosità tale da poter essere lavorato e da conservare la forma impartita, senza alterazioni. Le tecniche che riguardano la produzione di vetro cavo e, in particolar modo, di bicchieri e di bottiglie sono colata e stampaggio per compressione, oppure per soffiatura e la centrifugazione Colata e stampaggio La colata e lo stampaggio sono un tipo di lavorazione in cui gli stampi, che possono essere di gesso, di refrattario o di ghisa, sono riempiti tramite gravità ed eventuale rotazione centrifuga attorno all'asse di rivoluzione, in modo da agevolare l'adesione della massa vetrosa allo stampo La soffiatura La soffiatura è un metodo antico in cui l'operaio immerge una canna da soffio nel crogiolo contenente il vetro fuso e, soffiando, trasforma il vetro in globo al quale far assumere spessore e forma diversi, avvalendosi di appropriati movimenti e di utensili come pinze e spatole. Talvolta, l'operatore, per ottenere oggetti di uguale dimensione, soffia il vetro prelevato con la canna in uno stampo apribile di legno o metallo. Tale operazione, detta di stampaggio, può essere eseguita in maniera automatica e continua, utilizzando macchinari di elevata produttività, capaci di lavorare fino a 70 t. di vetro in 24 ore Pressatura Lo stampaggio per compressione o pressatura è metodo di formatura consistente nell'immissione del vetro, allo stato di sufficiente plasticità, in uno stampo metallico caldo nel quale è poi abbassato un controstampo. Quest'ultimo spinge il vetro ad 20

28 occupare lo spazio fra stampo e controstampo, determinando così lo spessore e la forma dell'oggetto. Talvolta si adottano sistemi combinati di pressatura e soffiatura: con il primo metodo si ottiene un semilavorato che viene finito per soffiatura dopo il trasferimento in uno stampo caldo Centrifugazione La centrifugazione è tipo particolare di stampaggio consistente nel versare il vetro fuso in uno stampo fatto ruotare velocemente. E' adatto per oggetti con forma particolare ed uniformità di spessore Forgiatura La forgiatura è una tecnica di modellazione del vetro ad altissime temperature che trova il suo impiego negli arredi d'interni, nei bagni e nell'oggettistica. Può essere realizzata su vetri monolitici di spessore compreso tra 4-19 mm, su float chiaro o stampato. Il rilievo della superficie forgiata è variabile a seconda delle esigenze. E' possibile l'applicazione della finitura colorglass al vetro forgiato Filatura La filatura consiste nella produzione di fibre di vetro di diametro compreso tra 1 e 8 micrometri, con resistenza alla trazione da 8500 a kgp/cmquadro. Tali fibre si ottengono attraverso tiraggio meccanico e soffiatura Tiraggio meccanico ad alta velocità Il tiraggio meccanico ad elevata velocità è un metodo secondo il quale il fuso viene fatto passare in una filiera di platino, in modo da ottenere il raggruppamento in un plurifilamento. I filamenti ottenuti sono trattati successivamente con un appretto (amido o acetato di polivinile) e quindi sono avvolti su un tamburo rotante a giri/min che ne determina il diametro. Essi sono impiegati come rinforzanti di poliesteri (scafi delle barche) Soffiatura con aria e vapore La soffiatura con aria e vapore consiste nell'utilizzo di getti di vapore o di aria compressa sui filamenti uscenti dalla filiera, in modo da determinarne la trasformazione in fibre discontinue sottili. Queste sono usate come materiale isolante termico o acustico La produzione di vetro piano La produzione di vetro piano e invece ottenuta per laminazione o stiro. In questo tipo di tecniche, il vetro fuso scorre attraverso rulli di acciaio internamente raffreddati, dando luogo ad un nastro continuo della larghezza massima di 4 m e dello spessore minimo di 1mm. La finitura è realizzata in superficie, dopo il raffreddamento della massa, tramite mole abrasive che levigano ambedue le facce. 21

29 Formatura per stiro La formatura per stiro consente di produrre fogli continui con spessore 0,1-1mm e larghezza di 2,5 m. Consiste nel sollevare da una massa fusa un velo di vetro di sufficiente plasticità da poter essere innalzato evitando il restringimento laterale. Il vetro, ridotto a forma di nastro continuo, viene spinto a sollevarsi attraverso una fessura orizzontale, ricavata in un blocco refrattario mantenuto sommerso nel vetro fuso, e quindi viene fatto passare attraverso due serie di rulli. Generalmente, oggi, il vetro da lastre si ottiene a ciclo continuo in bacino, secondo i seguenti procedimenti. Fourcault: utilizza una macchina dell'altezza di 12 m, la cui base, dotata di una fessura centrale, viene immersa nel vetro fuso. Questo viene in tal modo tirato verso l'alto e si raffredda progressivamente. Libbey Owens: la lastra viene tirata verticalmente dal forno per circa 1 m e, con un cilindro, viene fatta proseguire orizzontalmente, fino al forno di cottura. Pittsburgh: prevede un'estrazione come il secondo processo e un avanzamento come il primo Formatura per laminazione (float) Per quanto concerne la produzione di vetro piano, a partire dalla fine degli anni Cinquanta è stato introdotto il processo float (Pilkington) in sostituzione dei precedenti metodi di tiratura. Il prodotto che si ottiene (float glass) ha sostituito il cristallo ottenuto da molatura di vetro greggio tirato. Nel processo denominato float glass, la pasta vitrea, proveniente dal crogiolo alla temperatura di 1100 C, assume forma perfettamente piana in un forno a tunnel la cui base è formata da un letto di 7cm di stagno fuso. Questo è posto in atmosfera condizionata debolmente riducente, contenente azoto e idrogeno, in modo da non essere ossidato. Lo stagno leviga la superficie inferiore del vetro per diretto contatto, mentre la parte superiore si appiattisce per gravità essendo ancora allo stato semifuso. Nella produzione del vetro piano, il processo float sta sostituendo le tradizionali tecniche di laminatura e tiratura. Lo spessore del nastro di vetro float è dato dalla velocità di rotazione dei rulli, detti top, situati ai bordi della vasca. Un rallentamento dei top determina una stesura del vetro liquido a minore velocità e la formazione di un nastro di vetro di maggiore consistenza. Si ha la situazione inversa se si verifica un'accelerazione dei rulli ed un aumento della pressione delle saracinesche poste all'inizio del bagno. Alla fine di quest'ultima fase, il vetro ha raggiunto la temperatura di 600 C ed è ormai allo stato solido: viene quindi sollevato e posto in un tunnel di raffreddamento. Segue la fase di taglio trasversale del vetro in lastre (in genere di 6m di lunghezza) e un ulteriore taglio longitudinale per rimuovere le tracce dei rulli. Con il vetro float è divenuta superflua la fase di lucidatura, generalmente effettuata con abrasivi sottili, quali ossido di cerio o Fe, al fine di eliminare ogni distorsione ottica superficiale, dovuta a un non perfetto parallelismo delle lastre. Il metodo Colorglass è un trattamento con colori che vengono fissati sulla superficie del vetro float. E' possibile attuare sul prodotto ulteriori lavorazioni (taglio, incisione, molatura, foratura, argentatura). 22

30 [Da Catalano F., Schibuola F. Scienza e Tecnologia dei materiali - AA 2009-'10] La ricottura La ricottura consiste in un riscaldamento del vetro fino alla temperatura superiore di ricottura e serve ad eliminare le torsioni che si generano durante la formatura e che rendono difficile le operazioni di finitura come, ad esempio, il taglio. E' una fase essenziale per eliminare le tensioni interne formatesi 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. Trattamenti speciali sono la siliconatura e la solforazione. La prima, utilizzata soprattutto per i contenitori, avviene nel forno di ricottura. La seconda necessita di una ricottura del vetro in ambiente SO 2. Quest'ultimo determina la formazione di silicati alcalini solubili e quindi un depauperamento superficiale di alcali, con conseguente maggiore resistenza chimica I forni fusori Poco o nulla sappiamo dei forni fusori per vetro fino all'invenzione della canna da soffio nel I secolo a.c. Da quel momento e fino al VII-VIII secolo, la produzione vetraria crebbe in modo quasi industriale. Furono utilizzati grandi forni a vasca (i resti di alcune strutture sono state trovate in Palestina ed Egitto) in grado di produrre fino a 10 tonnellate di vetro. Terminata la fusione, che doveva durare diversi giorni se non settimane, il forno veniva spento, demolito, e la grande lastra di vetro grezzo (raggiungeva lo spessore di alcune decine di cm) era rotta in blocchi. Questi ultimi venivano trasportati verso i centri secondari dove il vetro era rifuso in crogioli posti in piccoli forni per essere modellato. Nel medioevo e fino all'avvento dell'era industriale, la miscela veniva preventivamente calcinata a circa 800 C in forni a riverbero, trasformata in fritta che era quindi fusa in forni a crogiolo. 23

31 Forni a Crogiolo e a Vasca Nei forni a crogiolo si trovano uno o più contenitori in materiale refrattario (argilla e sabbia silicea, ma anche pietra ollare in epoca romana) nei quali, alla fusione della miscela (o della fritta o del vetro grezzo) segue la lavorazione del vetro e quindi nuovamente il caricamento (processo discontinuo). Ancora oggi, nella produzione del vetro artistico, il forno a crogioli è costruito con mattoni resistenti al calore, in materiale silico-alluminoso (le pareti) o di silice (la volta). I crogioli hanno la forma di un cilindro aperto nella parte superiore oppure ellittica i più piccoli. Hanno capacità variabile da qualche decina di kg ad oltre una tonnellata di vetro. Il crogiolo è posto al centro del forno, sostenuto da appositi mattoni appoggiati sul banco, in modo che la fiamma del bruciatore lo riscaldi uniformemente. Una volta posto nel forno, il crogiolo deve essere riscaldato lentamente fino a raggiungere la temperatura di esercizio di oltre 1000 C nel giro di diversi giorni, per evitare che si fessuri a causa della dilatazione troppo rapida dei materiali cristallini che lo costituiscono. Una volta a regime, il crogiolo può continuare ad essere usato per diversi mesi prima di essere sostituito. Il forno rimane sempre acceso e la temperatura oscilla tra i 1400 C (fusione) e 1000 C (lavorazione). Nelle vetrerie artigianali più grandi si usano anche vasche, forni senza crogiolo con le pareti ricoperte da parallelepipedi perfettamente squadrati (per evitare l'infiltrazione di vetro tra i giunti) di materiale refrattario elettrofuso a base di silice-allumina-zirconio, molto resistenti alla corrosione. Nelle vasche, che hanno una capacità anche di alcune tonnellate, la fiamma riscalda il vetro per irraggiamento, passando sopra il bagno fuso. La fiamma è alimentata da metano (il combustibile meno inquinante), o olio combustibile ed aria. Per ridurre il consumo di energia, quest'ultima viene preriscaldata in un recuperatore di calore (tubo metallico riscaldato dai fumi in uscita dal forno). Forno a crogiolo a gas da L'impiego del metano non è sufficiente a ridurre l'inquinamento entro i limiti richiesti dalle norme antinquinamento europee per la presenza nella fiamma di ossidi di azoto in quantità superiore a quanto consentito. Per questo in futuro si dovrà ricorrere all'ossicombustione (l'ossigeno sostituisce l'aria nelle fiamma) oppure ai forni elettrici. Questi ultimi sono già oggi diffusi nei paesi in cui è basso il costo dell'energia elettrica o sono utilizzati nella fusione delle miscele più inquinanti (come quelle contenenti composti del piombo o del fluoro). Vi sono due sistemi per fondere elettricamente: 24

32 irradiare il crogiolo con resistenze fissate alle pareti del forno o fondere la miscela in vasche dove viene riscaldata da elettrodi di molibdeno immersi direttamente nel vetro Forni a Bacino I forni a bacino sono di realizzazione ed impiego piuttosto recenti: è alla fine del XIX secolo, con l'avvento delle macchine formatrici in sostituzione della fabbricazione manuale, che il bacino ha fatto la sua prima comparsa. Questo forno è realizzato per la produzione continua di vetro; le varie fasi che nel forno a crogioli avvengono nel tempo, qui avvengono nello spazio. Il caricamento della miscela avviene in continuo ad un estremo di una grande vasca rettangolare, la cui superficie varia da pochi m 2 fino a quasi un centinaio di m 2, nel caso di forni per lastre float e lo spessore del bagno di vetro fuso da 80 a oltre 150 cm. Avanzando verso l'estremo opposto, la miscela fonde formano un liquido che si affina ed omogeneizza e quindi esce dalla vasca attraverso un foro sommerso (gola) per raggiungere la zona di lavorazione. Questi forni producono da 100 fino 1000 tonnellate di vetro al giorno. Un forno per bottiglie può produrre un milione di pezzi al giorno! Ed un forno float produce lastre sufficienti a ricoprire una superficie uguale a dieci campi da calcio! Tutto il processo, dalla pesata e miscelazione delle materie prime fino all'imballaggio del prodotto finito, è completamente automatizzato. I forni a bacino sono costruiti con blocchi di materiale refrattario di varia natura. Si tratta in genere di composti a base di allumina ed ossido di zirconio. Nelle zone a contatto del fuso, si usano blocchi di tipo elettrofuso particolarmente resistente alla corrosione essendo compatti e privi di porosità. La volta è in refrattari di silice (elettrofuso per la produzione di vetri fusibili ad alta temperatura) e le pareti in genere in materiale silico-alluminoso. L'energia necessaria per raggiungere la temperatura di fusione, è fornita, generalmente, da bruciatori a gas o olio combustibile ed il riscaldamento avviene per irraggiamento. Si vanno però sempre più affermando i forni a bacino misti, in cui parte dell'energia viene fornita attraverso elettrodi immersi nel fuso (boosting elettrico). L'attivazione di questi elettrodi avviene solo in particolari momenti per aumentare la quantità di vetro prodotta. In relazione alla disposizione dei bruciatori, i forni a bacino possono essere così suddivisi: forni a fiamma ad U o a ferro di cavallo (di piccole dimensioni, con produzioni inferiori a 200 tonnellate al giorno). In questi forni l'energia viene recuperata preriscaldando l'aria in recuperatori metallici riscaldati dai fumi in uscita. 25

33 forni a fiamma trasversale (i più grandi, alimentati da 4-6 bruciatori per lato, regolabili indipendentemente in modo da ottenere, lungo l'asse del forno, la distribuzione voluta di temperatura ). Il recupero del calore avviene mediante rigeneratori, impilaggi di mattoni refrattari posti ai lati del forno, riscaldati alternativamente dai fumi. A seconda del tipo di produzione i forni possono essere a vasca unica (forno cosiddetto aperto) di forma rettangolare, allungata nel senso dello scorrimento del vetro, oppure a due vasche: nella prima più grande avviene la fusione e l'affinaggio, dalla seconda, detta di lavorazione, si dipartono i canali (feeders) che portano alle macchine di formatura (bottiglie, vasi, bicchieri). Le due vasche sono collegate tra di loro dalla gola I forni di ricottura Il vetro formato (soffiato, stampato, ecc.) conserva ancora una elevata temperatura ( C) e non potrebbe resistere ad un rapido raffreddamento spontaneo. Essendo un cattivo conduttore termico, la superficie si raffredderebbe rapidamente a differenza della massa e l'insorgere delle tensioni interne determinerebbe la rottura dell'oggetto. Si procede perciò ad un lento raffreddamento, chiamato impropriamente tempera o ricottura con speciali forni che si distinguono in due tipologie: i forni amuffola e i forni a tunnel Forni a Muffola Sono ormai poco usati e solo per piccole produzioni: sono delle camere rettangolari costruite con blocchi di materiale refrattario. I manufatti di vetro appena formati, si introducono in questi forni riscaldati circa 550 C. Terminata la produzione, il forno viene chiuso, si spegne il riscaldamento e si lascia raffreddare spontaneamente fino al giorno successivo quando viene aperto, vuotato e riacceso per ricevere la nuova produzione Forni a Tunnel E' una specie di galleria a temperatura degradante da 550 C fino a temperatura ambiente; gli oggetti appena formati vengono appoggiati all'estremità calda, su un nastro metallico che avanza lentamente attraversando tutta la galleria, con velocità variabili a seconda delle dimensioni dei manufatti. Nei forni da lastra, quest'ultima avanza su dei rulli a velocità variabile a seconda dello spessore e, all'uscita, viene tagliata in lastre di circa 4 metri di lunghezza. Alla fine del tunnel di ricottura sono posti vari sistemi automatici per il controllo della qualità dei prodotti I difetti del vetro I difetti del vetro possono essere originati da varie cause: insufficiente omogeneizzazione delle materie prime, temperatura di fusione troppo bassa, presenza di impurezze o insufficiente permanenza della massa nelle fasi di fusione e di omogeneizzazione. Tali difetti possono essere distinti in tre gruppi. 26

34 Soffiature: sono dovute a bollicine gassose non eliminate dalla massa fusa. Corde: sono zone di differente composizione o che hanno subito un diverso trattamento termico. Cristalli: derivano da insufficiente miscelazione delle materie prime o dalla presenza di sostanze che agiscono da germi di cristallizzazione. 1.7.Bibliografia capitolo 1 Da libri: Scarinci G.,Colombo P. Il vetro in edilizia - Padova : Libreria Progetto, Da Catalano F., Schibuola F. Scienza e Tecnologia dei materiali - AA Da siti internet: di consultazione: 04/01/ di consultazione: 17/01/ data di consultazione: 15/02/ data di consultazione: 20/12/

35 CAPITOLO 2 I VETRI DI SICUREZZA Introduzione ai vetri di sicurezza e alle loro proprietà Per vetro di sicurezza s intende un vetro con caratteristiche meccaniche superiori, meno soggette a fratture e con probabilità minore di costituire una minaccia in caso di rottura. I principali vetri di sicurezza sono i vetri temprati, i vetri laminati o stratificati, e i vetri con reti metalliche, noti anche come vetri retinati. Il vetro temprato è ottenuto per mezzo di trattamenti termici o chimici mirati ad aumentarne la resistenza meccanica rispetto al vetro normale. La tempra crea tensioni interne che fanno si che quando il vetro si rompe si sgretola in piccoli pezzi granulari, invece di grandi schegge o frammenti irregolari. I pezzi granulari hanno meno probabilità di causare lesioni. Come risultato della sua sicurezza e resistenza, il vetro temperato viene utilizzato in una varietà di applicazioni particolari come finestrini laterali dei veicoli, porte, docce, vetri architettonici, tavoli, ripiani dei frigoriferi, come componente dei vetri blindati, per maschere subacquee, e vari tipi di piatti e pentole utilizzati per la cottura in forno come ad esempio il vetro Pyrex. Il vetro laminato resta unito anche dopo rottura in quanto i frammenti restano uniti per mezzo di uno strato intermedio, tipicamente di polivinilbutirrale (PVB), intercalato tra i suoi due o più strati di vetro. Lo strato intermedio mantiene gli strati uniti, anche post rottura, e poiché normalmente si usano lastre di vetro temprato termicamente, in caso di rottura gli strati si sgretolano in piccoli frammenti. Il risultato è una caratteristica forma a ragnatela al momento dell'impatto. Il vetro stratificato fu inventato nel 1903 dal chimico francese Edouard Benedictus, che si ispirò ad un incidente di laboratorio. Una fiala di vetro era stata rivestita per errore con del materiale plastico in nitrocellulosa che una volta caduta a terra si frantumò senza dividersi in parti. Benedictus fabbricò un composto di vetro e plastica per ridurre gli infortuni dovuti ad incidenti stradali. La tecnologia non fu immediatamente adottata dai costruttori di automobili, ma ebbe immediato successo nella parte oculare della maschere antigas costruite durante la prima guerra mondiale. Il vetro stratificato è normalmente utilizzato quando vi è la possibilità di impatto con persone o dove i frammenti di vetro potrebbero cadere causando ferite. Tettucci e parabrezza di automobili in genere utilizzano vetro stratificato. Nelle aree geografiche che richiedono resistenza agli uragani, il vetro stratificato viene spesso usato in vetrine, facciate di palazzi e finestre. Il PVB fornisce inoltre un più alto grado di isolamento dai rumori grazie al suo effetto di smorzamento, e blocca fino al 99% della radiazione UV entrante. Il vetro retinato contiene al suo interno un filo sottile, solitamente metallico. Questo tipo di vetro è spesso utilizzato in prigioni e nelle strutture di detenzione. Il filo è visibile, scoraggiando maggiormente tentativi di evasione. Questi tre approcci possono essere combinati, permettendo la creazione di vetro che sia al tempo stesso temperato, stratificato e retinato. 28

36 2.2.I vetri stratificati Il vetro stratificato nella sua versione moderna viene creato unendo due o più strati di vetro float insieme ad uno strato intermedio plastico, in genere di polivinilbutirrale (PVB). Il PVB è infilato tra gli strati di vetro che vengono pressati per rullatura in modo da espellere ogni traccia di sacche d'aria e creare la prima unione tra i due materiali, il tutto viene poi inserito in autoclave dove viene riscaldato a 70 C in un bagno d'olio pressurizzato. Il colore scuro della parte superiore di alcuni parabrezza dipende dal PVB. Tipicamente la struttura di una lastra di vetro stratificato composta da 3 mm di vetro / 0.38 mm di materiale plastico / 3 mm di vetro. Questo prodotto finale viene indicato con il nome di vetro stratificato da Incrementando il numero di strati o lo spessore del vetro, la lastra aumenta la propria resistenza. Ad esempio il vetro antiproiettile è spesso formato da alcuni strati di vetro float, rinforzato con polimetilmetacrilato e può raggiungere lo spessore finale di 100 mm. Un vetro di simile fabbricazione è quello che viene utilizzato per i vetri anteriori degli aeromobili: spesso tre strati di vetro da 6 mm ciascuno e spesse lastre di PVB nel mezzo. Sviluppi recenti hanno aumentato le dimensioni della famiglia di materiali utilizzati per la stratificazione del vetro. A parte il PVB, altri importanti materiali plastici in questo processo sono l'etilene vinil acetato (EVA) ed il poliuretano termoplastico (TPU). Il grado di adesione di PVB, TPU ed EVA non è alto solo nei confronti del vetro, ma anche di eventuali strati di poliestere (PET). Dal 2004 strati di PET metallizzati ed elettroconduttivi sono utilizzati per inserire LED nel vetro. I vetri stratificati possono venir formati unendo due o più lastre di vetro con un intercalare di PVB sfruttando calore e pressione per favorire l unione, altrimenti si possono unire due o più strati di vetro e policarbonato fusi assieme con interstrati di poliuretano alifatico, sempre per mezzo di calore e pressione, si possono altrimenti usare tipi di resine più raffinate. Gli strati plastici rendono il taglio difficoltoso. Una pratica non perfettamente sicura prevede il taglio di entrambi i lati contemporaneamente, con l'inserimento di un liquido infiammabile nel taglio e la sua accensione al fine di fondere la plastica. Metodi più sicuri sono l utilizzo di tavoli da taglio speciali, seghe verticali, lampade o emettitori di aria calda. 2.1.Vetro stratificato [ 29

37 2.3.I vetri temprati I meccanismi di tempra del vetro si dividono essenzialmente in tre tipi: tempra termica, tempra chimica e tempra chimica con doppio scambio ionico che permette l ottenimento dei vetri ESP Tempra termica Vetro temprato termicamente è fisicamente più forte di vetro normale. La contrazione maggiore dello strato interno durante la fabbricazione induce sollecitazioni di compressione sulla superficie del vetro bilanciato da sollecitazioni di trazione nel corpo del vetro. Ci sono due tipi principali di trattamenti termici del vetro, il primo serve a produrre il vetro indurito, mentre il secondo porta a ottenere il vetro temprato in senso stretto. Il vetro indurito termicamente è due volte più forte del vetro ricotto mentre quello temperato è tipicamente da quattro a sei volte più resistente del vetro ricotto e resiste se riscaldato nei forni a microonde. La differenza consiste nella tensione residua indotta nella superficie del vetro. Per vetro temperato, negli Stati Uniti, la tensione residua nominale deve essere superiore ai 65 MPa (9427 psi) mentre per il vetro indurito essa è compresa tra i 40 e 55 MPa (5800 e 8000 psi). Per poter essere considerato di sicurezza, il vetro temprato deve avere una compressione superficiale di almeno 100 MPa. Maggiore è la tensione superficiale, minori sono le dimensioni dei frammenti di vetro in caso di rottura.la sollecitazione di compressione aumenta la resistenza del vetro temperato in quanto eventuali difetti superficiali tendono ad essere bloccati dalle forze di compressione indotte, non potendo cosi propagare, mentre lo strato centrale è relativamente libero dei difetti che potrebbero innescare un eventuale propagazione di cricche. Tuttavia, la superficie dei vetri temperati non è dura come i vetri semplicemente ricotti ed è quindi alquanto più sensibili ai graffi. Per evitare questo, i produttori di vetro 2.2.Profilo di tensioni di un vetro temprato temperato sono soliti applicare vari tipi di rivestimenti alla superficie del vetro. Ogni taglio o rettifica deve essere effettuato prima del trattamento termico. Taglio, molatura, urti violenti e talvolta anche solo i graffi porteranno il vetro temprato Da alla frattura. Non tutti i vetri sono temprabili, in particolare, se presentano forme articolate o numerosi fori vicini tra loro possono rompersi durante il trattamento termico, a causa delle tensioni interne del materiale. Per ottenere il vetro temprato si parte da vetro ricotto, esso è posto su un piano mobile che passa attraverso un forno che lo riscalda fino ad una temperatura prossima al suo punto di rammollimento. Il vetro viene poi raffreddato rapidamente con correnti di aria 32

38 forzata, che fanno indurire la parte superficiale portandola a T g mentre la porzione interna, più calda e relativamente fluida si adatta per scorrimento viscoso alla contrazione esterna. Il cuore della lastra si irrigidisce progressivamente senza instaurare tensioni. Poiché il salto termico dell interno è maggiore di quello che si ha superficialmente, la contrazione è maggiore, ma visto che la lastra è completamente rigida, la superficie oppone resistenza dando vita a un profilo di tensione bilanciato, che vede il cuore in trazione, mentre la superficie, per circa il 20% dello spessore, è posta in compressione. Il brusco raffreddamento a cui la lastra è sottoposta congela una grande quantità di energia nel vetro che in caso di rottura si trasforma in energia superficiale dando origine a 2.3.Forno per la tempra termica devetro Da numerosissimi piccoli frammenti. Gli strati di tensione possono essere visti osservando il vetro in luce polarizzata. D'altro canto queste tensioni hanno degli svantaggi. A causa del bilanciamento degli sforzi, un eventuale danno ad un estremo della lastra causa la frantumazione del vetro in molti piccoli frammenti. Questo è il motivo per cui il taglio deve essere effettuato prima della tempra e nessuna lavorazione può essere fatta dopo. Vetro di sicurezza temperato spesso non cade dalla sua cornice una volta rotto È importante notare che il processo di tempra non cambia la rigidità del vetro. Vetro ricotto flette della stessa quantità del vetro temperato sotto lo stesso carico, ma il vetro temperato potrà sopportare un carico maggiore prima di giungere a rottura. La superficie di un vetro temperato presenta un profilo ondulato causato dal contatto con i rulli. Questa ondulazione è un problema significativo nella produzione di celle solari a film sottile. Il primo brevetto su vetro temperato si è tenuto dal chimico Rudolph A. Seiden, nato nel 1900 in Austria Tempra termica di vetri sottili per mezzo di onde radio Nel processo di tempra tradizionale, il vetro viene riscaldato in un forno e in seguito trasferito in una camera dove 2.4 viene sottoposto a sagomatura (se necessario); infine, il vetro giunge in una camera separata per il processo di raffreddamento. A questo punto, il vetro deve presentare una temperatura minima di 660 C. Tale temperatura, tuttavia, è destinata a calare molto rapidamente (circa 25 g/s nel caso di pannelli con uno spessore inferiore a 3,00 33

39 mm) prima che abbia inizio il processo di raffreddamento nella sezione 4. La soluzione scelta generalmente per ovviare a questo calo di temperatura consiste nel surriscaldare l ultima parte del forno di preriscaldamento, così da aumentare la temperatura di C, e fare passare molto rapidamente il vetro in questa area. Questa procedura sfrutta la proprietà del vetro per cui, in presenza di un rapido aumento della temperatura, esso è in grado di restare allo stato viscoso per un periodo più lungo. Tuttavia, nel caso di vetri con uno spessore inferiore a 3,0 mm, questa soluzione risulta inadeguata. La storia termica del vetro viene descritta in maniera più dettagliata in figura 2.5. Figura Temperature del vetro nel processo tradizionale Nella sezione 1 è rappresentata la fase di preriscaldamento della sequenza di preparazione del vetro per il processo di tempra; nella sezione 2 viene indicato l ulteriore aumento della temperatura, necessario nella sezione di preriscaldamento per compensare la perdita di calore durante il trasferimento verso l area di raffreddamento; nella sezione 3 si può osservare l effettivo calo della temperatura del pannello di vetro prima dell inizio del raffreddamento nella sezione 4. È in corrispondenza delle sezioni 2 e 3, che in figura 2.5 rappresentano l area di trasferimento, che si presentano le difficoltà di tempra. A temperature superiori a 660 C, il calore necessario per l avviamento del processo di raffreddamento nella sezione 4, la viscosità del vetro diminuisce molto rapidamente e il pannello di vetro tende a subire deformazioni in sede di movimentazione. 34 Figura Viscosità espressa in Pascal/secondo su una scala logaritmica in base 10.

40 Questo problema può diventare ancora più grave in presenza di pannelli sottili, ossia con uno spessore inferiore a 3,0 mm. In figura 2.6 vengono riportati i dati estrapolati da un manuale (Alexander Fluegel, 2007) relativi alla diminuzione di viscosità del vetro sodico-calcico nell intervallo di temperatura analizzato nel presente studio. La scala logaritmica mostra che la viscosità cala di più di tre punti a una temperatura compresa tra 600 e 660 C. Proprio questa flessione vertiginosa costituisce un serio problema in sede di lavorazione, dal momento che il vetro molle deve essere trasportato dalla zona di riscaldamento a quella di raffreddamento in maniera tale da evitare l insorgere di difetti ottici. Il nuovo procedimento implica un sistema del tutto innovativo per formare e/o temprare i pannelli di vetro. In questo processo, il vetro viene preriscaldato in un forno tradizionale, fino al raggiungimento di una temperatura che consenta il trasferimento o la sagomatura nella sezione seguente. Il vetro viene quindi portato a una temperatura idonea al di sotto della soglia di rammollimento di 660 C. A circa 650 C il vetro è sufficientemente flessibile da consentire la sagomatura, ma al contempo sufficientemente rigido da resistere alla deformazione provocata dalle normali procedure di movimentazione. Il vetro, che presenta una temperatura relativamente bassa di circa 650 C (preferibilmente tra 620 e 650 C), può quindi essere trasferito nel forno a onde radio. Al suo interno, il vetro deve essere portato alla temperatura di 660 C affinché abbia luogo il processo di raffreddamento. L interno del forno, a temperatura ambiente, integra anche il sistema di raffreddamento; questa procedura ha luogo all interno della camera prima che la temperatura del vetro inizi a calare. Questo passaggio rappresenta la novità del processo qui descritto rispetto ai metodi tradizionali di tempra termica. La figura 5 propone la storia termica di questo nuovo sistema con dovizia di particolari. Figura Temperatura del vetro nel processo di tempra a onde radio Nella sezione 1 è rappresentata la fase di preriscaldamento del vetro in un forno tradizionale; nella sezione 2 viene presentato il processo di formatura del vetro a circa 650 C, mentre nella sezione 3 viene descritta la fase di riscaldamento del vetro fino alla temperatura di raffreddamento di 660 C mediante l energia delle onde radio. In linea di massima, l energia viene applicata a una frequenza di circa 20 MHz. L apparecchio è disponibile sul mercato con questa frequenza e vanta una comprovata sicurezza degli impianti. Esso trova largo impiego, ad esempio, nelle applicazioni per l estrazione dell umidità nella filiera della trasformazione degli alimenti e della carta. Nella sezione 4 è rappresentato il processo di raffreddamento. 35

41 La figura 2.8 presenta la configurazione tipica degli elettrodi all interno della camera a onde radio. I due fasci di elettrodi, positivo e negativo, vengono posizionati accanto al vetro in maniera trasversale per garantire la massima esposizione al campo delle onde radio che viene a formarsi tra i due poli. Sopra e sotto il vetro sono presenti delle ventole, che raffreddano il vetro quando viene raggiunta la temperatura necessaria pari a 660 C. I tempi (nel momento in cui si conclude il riscaldamento e inizia il raffreddamento) vengono regolati con una precisione nell ordine di frazioni di secondo. Il vetro poggia su rulli che comprendono anelli in ceramica realizzati appositamente per le applicazioni che prevedono l impiego di onde radio. Gli anelli e i rulli permettono la libera circolazione dell aria, essenziale per il processo di raffreddamento. Un ulteriore peculiarità di questo sistema viene descritta in figura 2.9. Figura Note sugli assi dei rulli Il vetro, una volta raggiunta una temperatura idonea di circa 630 C (compresa tra 620 e 650 C) viene trasferito dalla sezione di preriscaldamento a una serie di rulli. Questi ultimi sono disposti ad arco, in modo tale da rappresentare il raggio a cui deve aderire il vetro formato e temprato. Ad esempio, i vetri destinati al comparto automotive per la costruzione delle portiere richiedono normalmente un raggio di 30. Una volta che il vetro ha raggiunto questa rulliera, l energia delle onde radio viene attivata ed esse riscaldano il vetro fino a portarlo a circa 660 C, come descritto in precedenza. A questa temperatura, il vetro inizia a incurvarsi seguendo l arco formato dai rulli. Al momento opportuno, viene azionata l aria di raffreddamento per temprare il pannello. (Nota: l autore ha notato che il vetro, riscaldato rapidamente tramite l energia delle onde radio, non tende all incurvamento/abbassamento tipico del vetro portato alla stessa temperatura per mezzo di metodi convenzionali quali irradiazione, convezione e conduzione. Ad esempio, quando il vetro viene riscaldato di 10 C al secondo tramite onde radio, tende a incurvarsi quasi immediatamente quando viene raggiunto il punto di rammollimento. Inoltre, il riscaldamento per mezzo di onde radio provoca verosimilmente lo sviluppo di un elevata sollecitazione dovuta alla tempra, nonostante l attivazione del sistema di raffreddamento ad aria dopo un rapido aumento della temperatura, fino al punto di rammollimento. L autore ritiene che il riscaldamento del vetro per mezzo delle onde 36 Figura Gli elettrodi di piegatura sono disposti lungo il pannello di vetro, il più vicino possibile ai margini

42 radio possa variare la viscosità del corpo del vetro parallelamente all aumento della temperatura anche quando il riscaldamento avviene rapidamente. Questo aspetto sembra contraddire le osservazioni sui metodi tradizionali di riscaldamento). Questo processo può inoltre essere utilizzato per la produzione di vetro appartenente alla categoria vetro sottile, solitamente con uno spessore compreso tra 6,0 e 10,0 mm, destinato alla costruzione di vetrine di grandi dimensioni. Questi pannelli presentano un problema specifico relativo alla tempra, dal momento che viene applicato un elevato gradiente di temperatura lungo il pannello stesso durante il trasferimento dalla camera di preriscaldamento a quella di raffreddamento. La temperatura dell estremità anteriore, infatti, cala rapidamente prima che l estremità posteriore sia fuoriuscita dal forno di preriscaldamento. Tale calo può essere compensato mediante un aumento della temperatura di uscita dal forno di preriscaldamento. Ciò provoca tuttavia la deformazione della superficie. Se si trasferisce il vetro nella camera a onde radio a una temperatura relativamente bassa, pari a 620 C, lo si riscalda a una temperatura uniforme di 660 C tramite onde radio e quindi si avvia il sistema di raffreddamento, è possibile eseguire una tempra uniforme del pannello. Come illustrato in figura 8, ad esempio, gli elettrodi possono essere posizionati in modo tale da riscaldare selettivamente la parte anteriore del vetro più rapidamente rispetto alla parte posteriore. Se si modifica la distanza tra i due elettrodi, varia anche l intensità del campo delle onde radio applicato al vetro. Di conseguenza, la parte anteriore riceve più energia e la sua temperatura si avvicina maggiormente a quella della parte posteriore. Inoltre, è possibile risparmiare energia in corrispondenza della sezione di preriscaldamento. Figura Gli elettrodi di piegatura si trovano più vicini al margine anteriore, al fine di apportare maggiore calore in quest area Uno dei vantaggi più significativi del processo di tempra per mezzo di onde radio consiste nel fatto che esso può essere applicato al vetro sottile. Mentre i sistemi tradizionali possono essere applicati solamente a vetri con spessore pari a 3,0 e 2,9 mm, il processo che sfrutta le onde radio è in grado di temprare i pannelli di vetro con uno spessore pari o inferiore a 2,00 mm. Presso il laboratorio di Vitro Central Glass Technology sono stati temprati pannelli da 300x300 mm (12x12 pollici) di diverso spessore. La figura 9 mostra una fotografia dello schema di rottura di un pannello spesso 2,70 mm, oltre alle dimensioni massime delle particelle. Le figure 10, 11, 12 riportano immagini simili relative a pannelli dallo spessore di 2,00 mm. 37

43 Figura Provino: spessore 2,7 mm; dimensioni 12x12 pollici. Il frammento più grande pesa 1,07 grammi) Figura Provino: spessore 2,5 mm; dimensioni 12x12 pollici. Il frammento più grande pesa 2,09 grammi Figura Provino: spessore 2,3 mm; dimensioni 12x12 pollici. Il frammento più grande pesa 3,71 grammi Figura Provino: spessore 2,0 mm; dimensioni 12x12 pollici. Il frammento più grande pesa 4,2 grammi In conclusione, ricorrendo a sistemi adeguati per esporre il vetro preriscaldato a un elevata densità di flusso di energia di onde radio, è possibile temprare pannelli di vetro molto sottili (con spessore minore o uguale a 2,00 mm). Probabilmente, questo sistema innovativo influirà in maniera significativa sul settore del vetro piano in termini di fabbisogno di materie prime, consumo energetico del forno di fusione, numero di pannelli trasportati in una volta, riduzione del peso dei pannelli temprati ecc. Inoltre, il vetro sottile temprato andrà incontro alle esigenze dell industria delle celle fotovoltaiche, in cerca di pannelli più leggeri e resistenti in grado di offrire una trasparenza superiore. Questo sistema trova inoltre applicazione nella produzione di vetro stratificato dotato di un elevata resistenza all impatto. L aspetto più interessante del processo consiste nel fatto che esso può essere integrato nelle apparecchiature per la tempra e la formatura di pannelli di vetro già esistenti. 38

44 2.3.2.Tempra chimica Un processo di tempra alternativo a quello termico è la tempra chimica, che comporta una compressione dello strato superficiale di vetro, per almeno 0,1 millimetri di spessore, mediante scambio ionico degli ioni sodio della superficie di vetro con gli ioni potassio, del 30% più grandi, attraverso l immersione del vetro in un bagno fuso di nitrato di potassio. Rispetto alla tempera termica, quella chimica può essere applicata a oggetti di forma complessa Tempra chimica a singolo scambio ionico Diversi sono i metodi di rinforzo del vetro basati su processi chimici. Un primo metodo fa riferimento alla creazione di uno strato superficiale con coefficiente di dilatazione inferiore. Ciò può essere ottenuto mediante scambio ionico a temperature superiori alla Tg (per immersione del componente in un sale allo stato fuso) o favorendo la cristallizzazione superficiale (per riscaldamento controllato della superficie del componente). Tali metodi sono però scarsamente utilizzati, poiché con il processo a scambio ionico si verificano possibili distorsioni o perdite della forma, mentre con la cristallizzazione superficiale si ha perdita della trasparenza. Il processo chimico maggiormente utilizzato è quello dello scambio ionico a T<Tg. Tale processo è definito tempra chimica. L oggetto in vetro, contenente uno ione A (per es. Na), è immerso in un sale fuso contenente uno ione B (per es. K), più grande. Lo scambio ionico e il successivo raffreddamento causano la nascita di uno stato di compressione nello strato superficiale (poiché lo ione K + che va a sostituirsi è più grande di quello del Na + ) Processo di scambio ionico a T<T g Il processo (che è diffusivo) è regolato dalla temperatura (migliora con un aumento della temperatura), dalla durata (con il protrarsi nel tempo del trattamento viene favorito lo scambio di ioni in profondità) e 2.16.Cinetica della tempra chimica 39

45 dalla concentrazione degli ioni coinvolti nello scambio. La concentrazione dello ione scambiato varia con il tempo (t) e la profondità (x).il processo di tempra chimica consiste nell immersione degli oggetti in vetro (anche dalle forme più strane!) in una vasca in acciaio inox contenente il sale fuso (KNO3 per il vetro sodico-calcico). Si utilizza una gabbia in acciaio inox (la profondità di penetrazione degli ioni non dipende dalle dimensioni dell oggetto). Finito il trattamento, il tutto viene raffreddato e lavato con acqua Rappresentazione schematica del processo industriale 40

46 Il profilo della concentrazione dello ione scambiato si ripercuote sul profilo dello sforzo di compressione superficiale. Tuttavia, il rilassamento degli sforzi e le variazioni di coefficiente di dilatazione termica con la composizione del vetro determinano profili di sforzo residuo non monotoni (come la concentrazione), soprattutto per durate prolungate della tempra. Figura 2.18 Lo sforzo massimo di compressione ottenibile dipende dalla differenza tra i raggi degli ioni coinvolti nello scambio. In realtà il rilassamento degli sforzi riduce notevolmente la compressione superficiale. Raggi ionici 2.19.Sistemi chimici più utilizzati 41

47 Figura 2.20 Tab 2.21 Quanto rappresentato nel grafico e in tabella, che rappresenta i risultati di tempra chimica ottenuti su un vetro alluminosilicato, dimostra come in realtà non ha senso fare trattamenti esageratamente lunghi in quanto la resistenza non aumenta oltre un certo valore limite. Lo sforzo di compressione superficiale varia in genere tra 100 e 500 MPa e non dipende dallo spessore del componente. Analogamente si hanno valori di resistenza oscillanti tra i 100 e i 600 MPa. Nei vetri sodico calcici la profondità di tempra raggiunge al massimo i 50 μm. Migliore il comportamento dei vetri allumino- 42

48 silicati che, possedendo una Tg superiore e possono essere temprati a temperature più elevate. In tutti i casi il basso sforzo di trazione nel cuore non genera elevata frammentazione al momento della rottura. La tempra chimica, utilizzando lo scambio ionico, consente la produzione di vetri con proprietà di resistenza alla flessione superiori da cinque a dieci volte rispetto a quelle di un vetro temperato termicamente sottoposto a medesima forza si può infatti arrivare a sforzi fino a 7000 kgp /cm2. Ad esempio, un vetro con ossido di litio, immerso in cloruro sodico fuso, provoca uno scambio ionico superficiale con sostituzione fra gli ioni di sodio e quelli di litio, la creazione di uno strato superficiale in compressione e un miglioramento del grado di resistenza meccanica del vetro. Questo particolare processo produttivo aumenta anche la resistenza agli urti: un vetro temperato termicamente ha una resistenza all'urto con sfera d'acciaio, superiore di circa due volte quella di un vetro normale, mentre la resistenza all'urto di un vetro temprato chimicamente arriva a superare di ben cinque volte quella di un vetro normale. Una caratteristica di questo vetro è che non presenta alcun aumento della distorsione ottica rispetto al vetro ricotto, a differenza del vetro temprato termicamente.il campo di applicazione del vetro temprato è molto vasto. Le sue caratteristiche lo rendono spesso indispensabile, se non addirittura obbligatorio. Si possono temperare chimicamente tutti i vetri normali di tipo sodo calcico, quindi anche i vetri colorati in pasta, grigia, bronzo, verde. Il colore verde subirà uno scambio ionico inferiore agli altri. Non sono normalmente temperabili vetri con rivestimenti e vetri con composizione chimica diversa dai tipi di vetro tradizionali. I parametri di processo di tempra chimica possono variare a seconda del tipo di vetro e delle specifiche di tempra richieste. La tempera chimica è necessaria nei seguenti casi: quando lo spessore del vetro da temperare è inferiore a 3 mm (processo di difficile attuazione con la tempera termica); quando è necessaria una resistenza meccanica superiore a quella della tempera termica; 3.quando si ha necessità di mantenere ottimi requisiti ottici; 4.quando si ha necessità di ottenere una resistenza agli urti superiore di quella ottenibile con la tempra termica; quando si desidera ottenere vetri con curvature molto complesse aventi le caratteristiche sopra indicate; quando vogliamo ottenere maggiore resistenza all ossidazione ed una azione anticalcare delle superfici Confronto tra i valori di resistenza a flessione Prova di Flessione UNI EN :2001 Vetro per Edilizia

49 L'industria automobilistica è stata la prima ad usare il temprato per i finestrini laterali, il lunotto posteriore, i tettucci apribili delle automobili; l' industria degli elettrodomestici per le porte dei forni.in edilizia per pareti trasparenti, porte, vetrine, parapetti. Nell'arredamento degli interni per vetrine, mensole, tramezzi, scale, sanitari, porte automatiche. Nell'arredamento urbano per pensiline, cabine telefoniche, pannelli pubblicitari. Altra variante consiste nel formare in superficie uno strato devetrificato a coefficiente di dilatazione inferiore al vetro, con un guadagno in compressione due o tre volte maggiore rispetto alla tempra termica Tempra chimica a doppio processo di scambio ionico( ESP) Al fine di rendere più sicuro l utilizzo del vetro, si e recentemente cominciato a studiare vetri con un profilo di sollecitazione particolare al fine di programmare la frattura dello stesso. Questo vetro ha un'affidabilità molto elevata (modulo Weibull= 60), resistenza 4 5 volte quella del vetro normale, e comportamento insolito in quanto la frattura è multipla: vengono generate crepe prima che avvenga un rottura catastrofica e ciò fa si che si abbia un allarme visivo, inoltre il vetro si frantuma anche in frammenti molto piccoli, meno letali delle schegge di grandi dimensione prodotte da un vetro normale. Le proprietà avanzate sono state ottenute utilizzando un doppio processo di scambio ionico su una composizione di vetri speciali. Profili di stress sono già stati prodotti nei vetri per molti anni usando sia scambio ionico che processi di rinvenimento termici, tuttavia, recenti analisi teoriche mostrano quali tipi di profili di stress produrre per ottenere il comportamento desiderato. Un recente approccio teorico proposto da Tandon e Green ( ) hanno suggerito che la variabilità di resistenza di un vetro temperato termicamente o chimicamente può essere molto strettamente controllata adottando profili di stress che producano la massima sollecitazione di compressione sotto la superficie, piuttosto che in superficie, ciò consente di arrestare la propagazione di una generica cricca riducendo la variabilità di resistenza. Un metodo per ottenere il profilo di sollecitazione desiderato è quello di utilizzare un doppio scambio ionico che permette di ottenere un'elevata sollecitazione di compressione appena sotto la superficie. 44

50 Questo tipo di profilo di sollecitazione ha mostrato una serie di effetti benefici in termini di robustezza, affidabilità e di comportamento a frattura. Il processo di doppio scambio ionico è stato applicato su un vetro speciale (sodio e di alluminio). Nella prima fase, gli ioni potassio sono stati scambiati con ioni di sodio del vetro attraverso un bagno di sali fusi. Nella seconda fase, alcuni degli ioni di potassio introdotti sono stati rimossi dalla superficie attraverso uno scambio con ioni di sodio. La variabilità di resistenza dei vetri ottenuti con questo processo è molto bassa, inoltre il vetro ha una resistenza da quattro a cinque volte superiore a quella del vetro di partenza e valori del modulo di Weibull fino a 60. I vantaggi di un modulo di Weibull maggiore sono mostrati in Figura. La probabilità di sopravvivere o no ad un dato carico aumenta in modo significativo assieme al modulo di Weibull. Per un'applicazione in cui il vetro deve sostenere 80% della media del carico di snervamento, se il vetro è un ESP con un modulo di Weibull 60 ha una probabilità di rottura del %. Al contrario, il vetro ricotto regolare (Weibull modulo = 5) che ha una probabilità di rottura del 30%.Il vetro ESP si rompe in frammenti molto piccoli. Questo è uno dei principali vantaggi dell'impiego di vetro precompresso in applicazioni architettoniche, in quanto piccoli frammenti sono meno letali rispetto alle grandi schegge prodotte durante la rottura di un vetro normale. Inoltre, durante la prova di resistenza, fessure possono essere viste accrescersi sulla superficie del vetro e quindi arrestate, esse riprenderanno Figura 2.25 a propagarsi solo in presenza di un carico maggiore. Le cricche propagano lentamente e poi vengono arrestate, questo processo continua fino a quando non è visibile una matrice di fessure che indicando che la rottura è imminente, in questo modo il materiale mostra un comportamento fail-safe, anche se è un materiale fragile. Tale comportamento, estremamente insolito, può essere sfruttata in molte applicazioni tecnologiche di vetro. Benefici aggiunti nell utilizzo di lastre di elevata resistenza e affidabilità sono che ci sarebbero meno rotture durante l'installazione e che può essere utilizzato vetro più sottile, con conseguente riduzione di 45

51 2.26.Probabilità di guasto vs stress applicate per i vari Moduli Weibull (m) (ESP vetro, con m = 60, ha un notevole aumento della probabilità di errore solo alla media carico di snervamento, a differenza di vetro normale, con m = 5 a 10, che ha un elevato probabilità di guasto alle tensioni sopra e sotto lo stress fallimento caratteristica.) costi e peso. Sono stati fatti studi il cui fine era quello di sviluppare profili ESP in vetri sodalime-silice (SLS) al fine di ottenere alta resistenza, bassa variabilità di resistenza, e controllo di frammentazione. Precedenti ricerca erano focalizzate sulla creazione di profili ESP in vetri soda-alluminosilicato, che avendo un tasso di diffusione più elevato per gli ioni alcalini offrono un più rapido e più profondo scambio. Tuttavia, i vetri alluminosilicati vengono prodotti in quantità relativamente modeste in quanto costosi e il loro utilizzo è limitato ad applicazioni speciali. Le tecniche di doppio scambio ionico devono quindi essere modificate per poter essere utilizzate in vetri SLS a causa dei bassi coefficienti di diffusione degli ioni in questo tipo di vetro. Tecniche come l impiantazione ionica o di scambio ionico assistito potrebbe venire utilizzate per introdurre ioni che non siano facilmente intercambiabili utilizzando un bagno di sali fusi. L'effetto di carico è molto importante e bisogna valutarne sia l intensità che la velocità di applicazione del carico. Poiché le superfici dei vetri di solito contengono numerosi difetti di diverse dimensioni, il loro effetto sul comportamento del vetro e loro interazione con il campo di tensioni residue dovrà essere attentamente studiato. Lo sviluppo di un processo di ESP per vetri SLS, largamente utilizzati, consentirebbe l ingresso nei grandi mercati a costo ridotto, non limitandone cosi l uso per sole applicazioni speciali. L utilizzo di vetri ESP è molto richiesto in diversi campi, come quello automotive in cui è importante che il vetro si rompa in piccoli frammenti. Anche 46

52 l'industria alimentare è interessata a ridurre il peso dei contenitori in vetro senza compromettere la sicurezza del consumatore. Anche in campo architettonico c è un notevole interesse al fine di garantire finestre che resistano anche alle condizioni metereologiche più avverse, o in caso di attacco terroristico. Poter progettare con un materiale di vetro che resiste a condizioni di sforzo specifiche, senza la variabilità tipica del vetro comune, offrirà opportunità di progettazione uniche in numerose applicazioni commerciali Studio di vetri SLS con profilo ESP L interesse suscitato dai vetri ESP ha portato allo studio di processi di doppio scambio ionico anche su vetri SLS, sodalime slice, ovvero vetri commerciali molto più diffusi degli allumino-silicati su cui si erano focalizzati precedentemente gli studi. Il vetro usato negli esperimenti è Starphire, un vetro per finestre architettoniche prodotto da PPG Industries, Inc. con la composizione 73% SiO2, Na2O 15%, 10% CaO, oligoelementi e 2% in peso. I forni usati per gli scambi ionici sono dei Mini 30 e Mini-60 della Kirk Optical Co. All'interno dei forni, i campioni sono stati sostenuti da una rete in acciaio inox in acciaio inox. La temperatura era misurata da termocoppie isolate di tipo K attaccate alle rastrelliere. I campioni (Figura 5) utilizzati in questi esperimenti sono stati tagliati da lastre Starphire SLS ricotte di 3,2 [mm] di spessore, usando una sega diamantata. Sono inoltre stati tagliati dei campioni quadrati, di 25 mm di lato, da utilizzare per le prove di flessione biassiale. Altri 4 campioni di sezione 75 x 6,5mm sono stati tagliati per le prove di flessione. I bordi dei provini sono stati arrotondati su un nastro abrasivo lubrificato Preparazione provini per le prove Studi precedenti hanno dimostrato che la preparazione del campione è molto importante per ottenere buoni risultati con vetro ESP. In particolare, gli angoli delle superfici di trazione devono essere arrotondati al fine di evitare la rottura prematura durante il test. I campioni sono stati collocati in una rete di acciaio inossidabile, essiccati all'aria, e messi in un bagno fuso di nitrato di potassio (KNO 3, purezza 99,9%) a 450 C per 48 ore. La temperatura è stata misurata usando una termocoppia inserita nella rete. Il lavoro precedente (Abrams e Green, non pubblicato) ha dimostrato che in queste condizioni si ha la possibilità di produrre i profili stress desiderati. I campioni sono stati tenuti in aria riscaldata all'interno del 47

53 forno per 15 minuti prima e dopo il trattamento per evitare frattura da shock termico. Dopo il raffreddamento, i campioni sono stati lavati in acqua per rimuovere qualsiasi residuo di sale, quindi essiccati, e poi collocati nel secondo bagno di scambio ionico, con una composizione di 2 parti di KNO 3 per ogni parte di NaNO 3 in massa, ad una temperatura di 400 C per 30 minuti. Questo secondo scambio ionico ha lo scopo di ridurre la concentrazione di potassio dalla superficie del vetro, producendo la caratteristica gobba nel profilo di stress del vetro ESP. Al fine di misurare con precisione la distribuzione delle tensioni nei campioni trattati, è stata utilizzata una tecnica di misurazione del ritardo di rifrazione, in quanto il vetro ESP è birifrangente, e quindi mostra un diverso indice di rifrazione proporzionale allo stress. La sollecitazione può essere determinata misurando la birifrangenza per un campione di lunghezza determinata, usando la tecnica di Beauchamp e Altherr (1971).La birifrangenza causata dalla pressione all'interno del campione modifica la polarizzazione della luce che passa attraverso di essa, permettendo alla luce di essere visto infondo. Il grado di ritardo può essere misurato utilizzando un compensatore Babinet e un insieme di piastre usate come ritardanti ottici Schema del sistema ottico utilizzato per misurare il ritardo ottico nei campioni Poiché lo spessore dello strato di compressione in prossimità della superficie del vetro è relativamente stretto, nell ordine di circa50 micron, è difficile osservare direttamente la birifrangenza. Invece, la birifrangenza a causata delle 48

54 tensione di bilanciamento che nascono al centro del vetro sono facilmente misurabili, e vengono osservate eliminando gli strati esterni mediante acido fluoridrico. Figura 2.29 La resistenza dei provini è stata rilevata attraverso prove di flessione su 4 punti test di flessione biassiale. Nella flessione a 4 punti i campioni non sono stati portati a rottura, ma sono stati caricati a specifici livelli di tensione, quindi scaricati e incisi con acido fluoridrico per far emergere eventuali fessurazioni che si fossero sviluppate prima della frattura finale. Il grafico seguente confronta la resistenza per un vetro sodico calcico nello stato ricotto, dopo un convenzionale scambio ionico, e dopo un doppio scambio ionico (ESP vetro), utilizzando le condizioni di scambio ionico specificati in precedenza. Figura

55 Si noti che il vetro ESP presenta un'elevata resistenza e affidabilità molto buona, con una deviazione standard del 3% circa dal valore medio, ovvero un valore molto basso se confrontato con lo stesso vetro allo stato ricotto e a quello con singolo scambio ionico. La presenza di piccole crepe, che si sviluppano nel vetro mentre si avvicina alla frattura indicano che il vetro è insensibile alle dimensioni dei difetti. Qui di seguito sono presentate le fotografie (figura 9) di un vetro, ESP sollecitato da flessione in 4 punti e poi inciso al fine di rivelare le fessure parallele. Questo effetto cracking inizia a meno 50% della tensione media di frattura e continua all'aumentare dello sforzo applicato, raggiungendo un spaziatura media di 92 micron al 90% della tensione di frattura. Si noti che senza l'incisione le crepe diventano visibili a occhio nudo a 85-95% della tensione di frattura, fornendo un utile avviso di rottura imminente Sviluppo della propagazione di cricche all aumentare del carico La figura 2.32 mostra il profilo di tensione per un campione di vetro ESP, ottenuta utilizzando la tecnica di ritardo di misurazioni ottica. Si noti come la sollecitazione di compressione è crescente con un massimo situato a circa 11 micron di profondità. Figura

56 La figura seguente mostra un profilo di tensioni residue per vetro ESP ottenuto variando il tempo del secondo scambio ionico da 30 a 45. La posizione del picco di compressione è spostato più in profondità (circa 18 µm) sotto la superficie di vetro, come previsto. Il controllo della durata, della temperatura, in ogni fase di scambio fornisce un elevato grado di controllo sulla dimensione del picco, consentendo un'ampia gamma di proprietà utili. Figura 2.33 Precedenti misurazioni della resistenza alla rottura di un vetro sodaalluminosilicato ESP effettuata mostrano aumenti di resistenza al carico inusuale, infatti i campioni hanno mostrato resistenze maggiori per carichi applicati più lentamente. Risultati preliminari con SLS ESP vetro sembrano indicare lo stesso aumento di resistenza. Questo effetto è opposto agli effetti osservati in un vetro convenzionale semplicemente ricotto, temperato, o chimicamente rinforzato (Hagy, 1966) e rappresenta un altro opportunità per studi futuri. I lavori preliminari sulla resistenza all'abrasione di sfere di vetro ESP in un mulino d abrasione tipo ASTM C 158 indicano che il vetro ESP non perde significativamente in resistenza neanche dopo abrasione da parte di particelle di carburo di silicio. Anche se si osservano graffi sulla superficie del vetro, la flessione a 4 punti ha dimostrato che la resistenza resta inalterata. L'interazione tra danni da abrasione in aggiunta alle crepe multiple normalmente sviluppate nel vetro sotto stress elevato è sconosciuto e sarà materia di ulteriori studi Analisi frattografica di vetri ESP Recenti attività di ricerca condotte presso l Università di Trento e la Pennsylvania State University (USA) sono state mirate al fine di studiare il processo di Crack arrest tipico dei vetri ESP In questo lavoro vengono presentati i risultati di un analisi frattografica in situ mirante a identificare le modalità di frattura e a correlare il fenomeno del crack 51

57 arrest con lo stato di sforzo congelato nel materiale e la resistenza meccanica. In questo lavoro, per la produzione di un vetro ESP, si è fatto uso di lastre della Pilkington del tipo CE120. La composizione chimica e la temperatura di transizione vetrosa sono riportate in tabella SiO 2 [%] Na 2 O [%] K 2 O [%] MgO [%] Al 2 O 3 [%] Altro [%] T g [ C] Le lastre dello spessore di 3 mm sono state tagliate in modo da ottenere barrette dalle dimensioni 50 mm x 10 mm. Gli spigoli e i fianchi sono stati quindi lucidati utilizzando carte di carburo di silicio con grana variabile tra i 320 e i 1200 grit. Gli spigoli sono stati ulteriormente smussati con paste diamantate di granulometria decrescente da 15 μm a 3 μm. Al fine di rimuovere eventuali sforzi residui dovuti alla produzione o al taglio, le barrette così ottenute sono state sottoposte a ricottura per 8 h alla temperatura di 510 C utilizzando una velocità di raffreddamento di 40 C/h. Alcuni campioni sono stati direttamente sottoposti alle prove meccaniche, altri sono stati trattati secondo una procedura di doppio scambio ionico per ottenere il vetro ESP. Le barrette sono state sottoposte ad un primo scambio ionico in KNO 3 a 450 C per 24 h e ad un secondo scambio in una soluzione KNO 3 /NaNO 3 (con un rapporto in peso 0.7/0.3) a 400 C. I campioni di vetro ESP così prodotti sono stati innanzitutto caratterizzati dal punto di vista del profilo di sforzo residuo in essi congelato. Per far ciò è stato utilizzato il metodo della misura della curvatura prodotta a seguito di successive asportazioni di materiale mediante soluzione di HF da una delle due facce più larghe. Campioni di vetro ricotto ed ESP sono stati utilizzati in prove meccaniche di flessione in quattro punti (con span di 20 mm e 40 mm) per la misura della resistenza meccanica in ambiente inerte (olio siliconico). Alcuni campioni sono stati sottoposti ad analisi frattografica in situ utilizzando il dispositivo rappresentato schematicamente in Figura. Al di sopra del piano di appoggio di un microscopio Nikon è stato posizionato un apparato in grado di 52 Figura 2.34

58 applicare un carico di flessione ad una barretta mediante l azione di un motore passopasso a limitato avanzamento. Una cella di carico consentiva la registrazione del carico applicato mentre la faccia in trazione della barretta veniva osservata o direttamente dagli oculari del microscopio o attraverso una telecamera. I campioni sono stati così osservati al variare del carico applicato Profilo dello sforzo residuo; in linea tratteggiata è mostrato il profilo ottenuto dopo il primo trattamento. Il profilo di sforzo residuo misurato sul vetro ESP è mostrato in figura. Nella stessa è riportato anche il diagramma dello sforzo residuo generato dal primo processo di scambio ionico. Risulta evidente la presenza di un massimo di compressione ad una certa profondità dalla superficie la quale è invece sostanzialmente scarica per il vetro ESP. Si può peraltro osservare che anche il primo scambio ionico ha generato un massimo di compressione ad una certa profondità seppur decisamente meno marcato rispetto a quanto osservato nel vetro ESP. La misura della resistenza meccanica in ambiente inerte ha dato come risultato il valore medio di 452 MPa con una deviazione standard di 23 MPa pari al 5.1% del valor medio. E questo un dato assai interessante per un materiale tipicamente fragile qual è il vetro. Si pensi che il vetro non trattato chimicamente ha evidenziato una resistenza variabile tra i 60 e i 120 MPa. D altra parte il risultato qui riportato conferma Figura 2.36 quanto osservato in altri vetri ESP. E interessante 53

59 a questo punto confrontare la resistenza a frattura misurata con quella teorica, quale può essere stimata sulla base del materiale (vetro ricotto) e dello sforzo residuo generato nel processo di doppio scambio ionico. Per semplicità si può far riferimento al sistema mostrato nella figura A. Si immagina quindi un componente caratterizzato da difetti superficiali. Il fattore di intensità degli sforzi applicato è dato da Equazione 1 dove a è il carico esterno applicato, x lo sforzo residuo (variabile con x), c la lunghezza del difetto di riferimento, il fattore di forma e g(x) la funzione di Green definita come Equazione 2 La relazione definita nell Eq. (1) può essere linearizzata con la sostituzione di c con c ottenendo: Equazione 3 La propagazione del difetto si ha quando il fattore di intensità degli sforzi applicato uguaglia la tenacità a frattura del materiale ovvero quando K = KC. E possibile a questo punto definire la tenacità a frattura apparente come: Equazione 4 In questo modo il contributo degli sforzi residui viene conglobato con la resistenza intrinseca del materiale (KC). E facile osservare che la presenza di sforzi residui di compressione hanno effetto benefico sulla resistenza a frattura aumentando la tenacità a frattura apparente. L andamento degli sforzi residui di Fig. A può essere utilizzato per calcolare, mediante l eq. (3) la tenacità a frattura apparente del vetro ESP qui considerato. Il risultato è riportato nella figura seguente. 54

60 Figura 2.36 Emerge un andamento della tenacità a frattura apparente crescente con le dimensioni dei difetti almeno fino a lunghezze di circa 25 μm. Si può perciò parlare di un effetto curva-r degli sforzi residui. La figura evidenzia la possibilità della crescita stabile dei difetti a partire da carichi di 337 MPa. Tale dato si riferisce ovviamente ad una situazione ideale in assenza di crescita sub-critica. Analogo discorso per la resistenza ultima, stimata nella figura che è pari a 407 MPa. Questo risultato può essere quindi confrontato con la resistenza a flessione misurata in ambiente inerte. E evidente che il valore stimato è inferiore a quello sperimentale di circa il 10%, molto di più della semplice deviazione standard del risultato empirico. In prima battuta si può affermare che la discrepanza qui evidenziata può dipendere dalle semplificazioni adottate nella definizione del modello di riferimento, bidimensionale e non tridimensionale come è in realtà. I risultati dell analisi frattografica in situ sono mostrati in tabella Al crescere del carico applicato si può osservare un ben preciso fenomeno di frattura. Per il vetro ESP in esame al carico di 100 MPa inizia a formarsi sulla superficie in trazione una schiera di fessure parallele tra loro e ortogonali al carico applicato. All aumentare del carico cresce la densità delle fessure fino a circa 300 MPa, carico cui corrisponde una variazione di luminosità delle fessure. Questo è indice di una diversa riflessione della luce e quindi di una variazione della forma delle cricche in profondità. La distanza media fra le cricche è risultata pari a 110 μm e 54 μm rispettivamente a 100 e 200 MPa. Osservazioni più attente hanno permesso di mettere in luce che inizialmente (tra i 100 e i 300 MPa) le fessure si propagano a partire da un difetto preesistente sugli spigoli delle barrette o sulla loro superficie in trazione ortogonalmente al carico applicato e all interno dei campioni fino ad una profondità di circa 8-10 μm. Sopra i 300 MPa le cricche deviano ortogonalmente propagandosi parallelamente alla superficie delle barrette. La spiegazione di questo peculiare comportamento va ritrovata 55

61 nell andamento del campo di sforzo attorno alle fessure. Gli andamenti degli sforzi generati in una barretta di vetro ESP contenente un difetto superficiale di lunghezza data sottoposta a flessione sono stati calcolati numericamente facendo uso del software ANSYS. In Figura 2.38 sono mostrati alcuni risultati significativi in termini di sforzi assiali agenti parallelamente ( xx ) e ortogonalmente ( yy ) alla superficie. Si può innanzitutto osservare che la presenza della cricca è causa di un rilassamento degli sforzi tensili superficiali xx per una lunghezza paragonabile alla distanza tra le fessure misurata sperimentalmente al variare del carico applicato. Quindi si può dire che la formazione di una cricca riduce la possibilità di un ulteriore difetto nelle sue vicinanze a meno che il carico applicato non venga aumentato. In secondo luogo, di fronte all apice della fessura il valore relativo di xx e yy dipende dalla lunghezza della stessa. Com è evidente in, quando l apice del difetto penetra nella zona di massima compressione residua prevale nettamente lo sforzo ortogonale alla superficie e questo causa la deviazione della cricca. I risultati messi in evidenza dall analisi frattografica possono essere utilizzati per comprendere più approfonditamente il comportamento meccanico dei vetri ESP. Un primo aspetto fondamentale riguarda la molteplicità di fessure che si sviluppano stabilmente prima della rottura finale. In base a tale osservazione il modello di Fig.2.36 va sostituito con uno analogo nel quale siano contemporaneamente presenti più cricche tra loro parallele. Per un tale sistema il fattore di intensità degli sforzi dipende anche dal rapporto tra la distanza media fra le cricche e la loro profondità. In pratica la presenza di più Tabella

62 cricche rende più elastico il sistema e quindi lo preserva maggiormente dalla frattura. Tenuto conto dei valori sperimentali precedentemente misurati per la spaziatura e la di cricca singola). Di conseguenza si quantifica un effetto schermante attorno al 10%. E proprio dello stesso ordine di grandezza è la differenza tra la resistenza a flessione misurata (452 MPa) e calcolata (407 MPa) sulla base delle curve di tenacità a frattura apparente. L analisi frattografica in situ di un vetro ESP ha evidenziato un fenomeno di danneggiamento e di frattura assai particolare. Ad un carico pari a circa il 30% della resistenza a flessione inizia a formarsi sulla superficie in trazione una serie di fessure che si propagano ortogonalmente allo sforzo applicato e in profondità nel materiale per alcuni micron. All aumentare del carico cresce la densità delle cricche fino a quando, a circa l 80% del carico le fessure iniziano a propagarsi parallelamente alla superficie. Tale tipologia di frattura è strettamente legata alla distribuzione degli sforzi (residui e applicati dall esterno) nel vetro ESP in flessione. La stessa è responsabile peraltro di un effetto schermante della superficie, rispetto al carico esterno applicato, che va ad aggiungersi a quello garantito dagli sforzi residui, determinando una resistenza a flessione ancora più elevata di quella prevista teoricamente. Il vetro SLS ESP mostra un alta resistenza con un'eccezionale affidabilità nei test di flessione su 4 punti, con una deviazione standard del 2-3% dalla tensione media di frattura. Questa qualità lo rende utile per applicazioni strutturali e in molti altri campi, riducendo significativamente la probabilità di rottura a basse sollecitazioni e garantendo che la rottura avvenga sopra di un livello di tensione critica. Questa elevata 57 Figura 2.38

63 affidabilità può essere utile per applicazioni di rottura controllata come nelle valvole, dove è necessario che il materiale si rompa ad un livello di sollecitazione particolare. I modelli di cracking visualizzati dal vetro ESP prima della rottura possono fornire un importante preavviso della rottura, una proprietà molto rara in vetri e componenti in ceramica. Sono necessari ulteriori studi per determinare quali parametri controllare come il numero e la profondità delle crepe e il modo in cui queste influenzano le insolite proprietà meccaniche del materiale. I risultati mostrano che cambiando i parametri dello scambio ionico, il profilo di stress indotto può essere attentamente controllato. Teoricamente, portando il picco di compressione più in profondità sotto la superficie, si potrebbe ottenere un eccellente resistenza all'abrasione. Aumentando la sollecitazione massima, si ottiene una maggiore resistenza. Ulteriori studi sono necessari al fine di comprendere meglio la relazione tra tempo di scambio ionico, composizione del bagno e temperatura e le proprietà finali del vetro rinforzato. Le due fasi di scambio ionico garantiscono un ampia flessibilità in termini di ingegnerizzazione del profilo di stress per ottimizzare la resistenza, l'affidabilità, la frammentazione e il comportamento per il vetro differenti composizioni. 2.4.Bibliografia capitolo 2 Da articoli scientifici: Vincenzo M. Sglavo, Andrea Prezzi Analisi frattografica in situ di vetri ESP S. Jill Glass, Matthew Abrams,Rudolph V. Matalucci, 2000, New Glass Technologies for Enhanced Architectural Surety : Engineered Stress Profiles (ESP) in Soda-Lime-Silica Glass Sandia National Laboratories Da siti internet: data di consultazione 03/03/ data di consultazione 03/03/ data di consultazione 03/03/ data di consultazione 10/02/ data di consultazione: 20/12/

64 CAPITOLO 3 VETRI DI SICUREZZA IN EDILIZIA 3.1.Introduzione ai vetri di sicurezza in edilizia Nella moderna architettura, il vetro è onnipresente: trasparenza, riflessi, isolamento, controllo solare, colori, finiture. Una superficie vetrata deve garantire sicurezza, per evitare rischi di effrazione o di ferite in caso di caduta. Nel progettare i vetri in edilizia oltre ad applicare i vari riferimenti normativi in materia di termica, acustica, resistenza ai carichi e sovraccarichi, è necessario attenersi ai principi fondamentali della sicurezza richiamati della normativa UNI Questa normativa fornisce i criteri di scelta dei vetri da impiegare nelle applicazioni siano essi per interni che per esterni, al fine di garantire i requisiti necessari per l incolumità delle persone e per la protezione degli oggetti. Il vetro in molte applicazioni è sempre stato considerato pericoloso, ma la tecnologia vetraria è arrivata a proporre vetri di sicurezza temprati e vetri di sicurezza stratificati. Una scelta dei vetri più idonei in relazione alle loro proprietà permette di prevenire e/o di ridurre al minimo le conseguenze di: incidenti, effrazioni, atti vandalici, incendi. 3.2.Normativa Il Decreto Ministeriale n. 115 del 17/3/95 recepisce la direttiva 92/59 CEE e rende obbligatoria l osservanza della normativa UNI Tale normativa al punto specifica che: 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. Il Decreto Ministeriale n. 626 del 1994 rende obbligatoria l osservanza del titolo II e più precisamente dell articolo n. 7 al punto 6 a pag. 19. Questo riporta chiaramente che i lavoratori non possono entrare in contatto con le pareti né essere feriti qualora esse vadano in frantumi. Questa indicazione è da considerarsi valida per gli studenti. 59

65 Tab3.1. UNI 769 N. d ordine Applicazioni vetrarie (indicativa e non limitativa) Azioni da prendere in preminente considerazione Danni da prendere in preminente considerazione Lastre da utilizzare temprate stratificate temprate Serramenti vetrati in genere (porte, finestre, porte finestre interamente intelaiate) con il lato inferiore della lastra a meno di 90 cm dal piano di calpestio urto da corpo duro e/o molle (5.8 e 5.10) urto da corpo duro e/o molle (5.8 e 5.10) sporgenti quando aperti verso l esterno in ambienti aperti al pubblico e/o adibiti ad attività sportive o ricreative e/o frequentati da giovani, indipendentemente dall altezza del suolo Vetrine interne ed esterne con la base a meno di 90 cm dal piano di calpestio Lastre di vetro di balaustre, parapetti, balconi, rampe di scale, ecc Parti di vetro di cabine telefoniche Parti di vetro di gabbie di ascensori urto da corpo duro e/o molle, sbattimento di ante (5.4, 5.8 e 5.10) urto da corpo duro e/o molle(5.8 e 5.10 ed altri) urto da corpo duro e/o molle (5.8 e 5.10) urto da corpo duro e/o molle (5.8 e 5.10) urto da corpo duro e/o molle (5.8 e 5.10) urto da corpo duro e/o molle (5.8 e 5.10) urto da corpo duro e/o molle (5.8 e 5.10) Lastre di vetro di lucernari, tettoie grandine (5.3) Paradocce di vetro urto da corpo molle (5.10) Lastre di vetro di passaggi grandine, urto da coperti, pensiline su traffico corpo duro (5.3, Porte di vetro senza telaio o parzialmente intelaiate Ripari vetrari per fermate di autobus, ecc. 5.8) urto da corpo duro e/o molle (5.8 e 5.10) urto da corpo duro e/o molle (5.8 e 5.10) danni a persone e/o a cose (6.2) Caduta nel vuoto (6.3) Caduta nel vuoto di spezzoni (6.3) Specifici della particolare vetrazione Specifici della particolare detrazione, esclusa caduta nel vuoto (6.2) Caduta nel vuoto (6.3) Danni alle persone (6.2) Caduta nel vuoto (6.3) Danni alle persone esclusa caduta nel vuoto (6.2) Danni alle persone (6.2) Danni alle persone (6.2) Danni alle persone (6.2) Danni alle persone (6.2) Danni alle persone (6.2) Velari di vetro Danni alle persone (6.2) Vetri posti a protezione di urto da corpo Danni a cose, danni oggetti di valore o duro (5.8) sociali (6.2 e 6.4) socialmente pericolosi in vetrine di gioiellieri, di armaioli, teche, vetrine con sostanze tossiche e/o velenose Vetri posti a profezione di oggetti artistici per musei, chiese, ecc Vetri posti a protezione di persone, banche, cambiavalute Vetri posti in luoghi di detenzione o in ambienti destinati alla cura di malattie mentali urto da corpo duro (5.8) urto da proiettile (5.9) urto da corpo duro e/o molle (5.8 e 5.10) 60 Danni a cose, danni sociali (6.2 e 6.4) Danni a cose, danni sociali (6.2 e 6.4) x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

66 I vetri devono rispondere alle richieste prestazionali date dalle seguenti norme: UNI EN 12543/1/2/3/4/5/6 (definizioni, durabilità) UNI EN (resistenza all impatto) UNI EN 356 (resistenza contro l attacco manuale) UNI EN 1063 (resistenza ai proiettili) UNI EN 7697 (prescrive le tipologie di vetro da adottare nei casi previsti dal Decreto 115 del 1995) Norma UNI EN 12600,prove e classificazione della resistenza all impatto Con l adozione delle nuove norme UNI EN che vanno a sostituire le UNI 7172 la prova da urto da corpo molle viene ridefinita, adottando uno standard europeo. La nuova normativa viene a definire in modo più completo la classificazione dei vetri dividendoli in vetri temprati, vetri armati e laminati; ed all interno della categoria vetri laminati si comprende anche il vetro che ha una pellicola applicata sul retro. La nuova classificazione avverrà con l adozione di una lettera e di una cifra, in cui la lettera indicherà il tipo di vetro e la cifra darà indicazioni sulla classe di resistenza del vetro stesso. Tab3.2. UNI EN Classe 2(B)2: Campi di applicazione Porte interne ed esterne, divisori, verande, tettoie, vetrinette, bacheche, vetrine di negozi, vetrature in ambienti aperti al pubblico e luoghi di lavoro indipendentemente 61

67 dall altezza del suolo. Vetrature interne di asili, scuole (istituti in genere) ed ospedali (luoghi con analoghe finalità), indipendentemente dall altezza del piano di calpestio (punto della norma cogente 7697). Arredi vetrati di luoghi pubblici: teatri, negozi, grandi magazzini, sale per conferenze, bar, ristoranti, scuole, ospedali (punto della norma cogente 7697). Lo spessore dei vetri utilizzati sarà funzione della loro dimensione e calcolato secondo quanto previsto nel decreto dei carichi e sovraccarichi (Circolare n. 156AAGG/STC). Classe 1(B)1:Campi di applicazione Parapetti di balconi, terrazze, scale interne ed esterne, sottofinestre, protezioni per ascensori e montacarichi e tutte quelle applicazioni che prevedono l utilizzo di un vetro a quota inferiore a 100/110 cm dal piano di calpestio e con il pericolo, in caso di rottura, di caduta nel vuoto Norma UNI EN 356 prove e classificazione della resistenza all attacco manuale Descrizione della prova: un vetro della misura di 90x110 cm (posizionato orizzontalmente) viene colpito da 3 biglie da 4,1 kg che cadono in modo da formare, al centro del vetro, un triangolo di 13 cm di lato. La resistenza alle diverse altezze di caduta caratterizza le differenti classi prestazionali e la prova viene superata se il vetro non viene oltrepassato. La norma classifica i vetri in funzione delle loro proprietà antieffrazione. Sono definite otto classi, in ordine crescente di resistenza; le prime 5 classi, da P1A a P5A sono definite dalla prova di caduta, mentre le classi da P6B a P8B sono definite con una prova con l ascia. Nelle prove con l ascia, il provino di 1100mm per 900mm è posizionato verticalmente; in un primo momento, i diversi vetri del provino vengono rotti a martellate (minimo 12 colpi), in seguito si cerca di praticare un apertura al centro del vetro mediante colpi d ascia. La prova è considerata riuscita se la parte (di dimensione 400 mm x 400 mm) colpita con l ascia non si stacca completamente dal resto del provino. Fig 3.3. UNI EN

68 Tab 3.4. UNI EN 356 Campi di applicazione Vetrature di piani bassi (P4A), vetrine d oggetti o animali di un certo valore e/o pericolosi. Sopraluci di vetrine ad elevata sicurezza (P4A), finestre e porte di scuole (P4A), Consolati (P5A). Aeroporti (P3A) Preture (P5A) Uffici Postali (P5A) Uffici Cambio (P5A) e in tutti quegli ambienti potenzialmente presi di mira. Classi di resistenza da P6B a P8B Casse (P6B), centri elaborazione dati (P6B). Sportellerie in genere, guardiole (P7B). Protezione opere d arte (P6B). Porte interbloccate d accesso a banche e uffici finanziari (P6B) Tribunali (P7B), Istituti di pena (P6B). Applicazioni militari quali Caserme (P6B) Comandi (P8B), Centri operativi (P8B) Norma UNI EN 1063 prove di classificazione della resistenza ai proiettili Descrizione della prova: un vetro della misura di 50x50 cm viene colpito più volte da differenti proiettili d arma da fuoco con differenti ve locità 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. La norma distingue la resistenza a due categorie di armi: pistole e fucili (classi BR) e fucili da caccia (classi SG). Il vetro è classificato in base alla categoria di arma provata. La classe è approvata se non lascia passare i proiettili sui tre provini della prova. Inoltre, Fig 3.5. UNI EN

69 nel verbale è indicato se vi sono state schegge (S) oppure no (NS) nella faccia opposto del vetro. Fig.3.6. Munizioni prova UNI EN 1063 Tab.3.7. Classi UNI EN 1063 Campi di applicazione Il livello di protezione da ottenere dipende dall importanza del rischio al quale si va incontro: è legato alla natura, al valore, alla dislocazione dei beni da proteggere. Vetrine d oggetti preziosi. Sportelli di banche, uffici postali, esattorie e ovunque ci sia flusso di denaro o valori, abitazioni private (isolate e particolarmente esposte). Musei ed esposizioni d arte, negozi d armi e d esplosivi. 64

70 3.3.Utilizzo di vetro temprato in edilizia Il vetro temprato termicamente, in caso di rottura si sbriciola in piccoli frammenti inoffensivi così da poter essere considerato in talune situazioni vetro antiferita e viene identificato per la normativa Italiana in una delle seguenti classi: 1(C)1; 1(C)2; 2(C)2. Il vetro temprato è ottenuto tramite un processo di riscaldamento portando il vetro a circa 700 gradi e successivamente effettuando un raffreddamento istantaneo capace di creare una compressione superficiale tale da aumentarne la resistenza meccanica e termica. La qualità di tempra si ottiene utilizzando solo prodotti marchiati UNI o CE, i quali marchi fanno riferimento alla normativa UNI 12150; inoltre è bene richiedere alla ditta produttrice copia dei controlli effettuati in produzione. Un'ulteriore verifica può essere eseguita richiedendo l esecuzione della prova di frammentazione di almeno n 5 vetri temprati aventi la misura 1100 x 360 mm senza la presenza di fori, tacche o intagli. Il vetro temprato deve poggiare su una superficie piana senza alcuna costrizione meccanica e per impedire la proiezi one di frammenti deve essere bloccato perimetralmente. Il vetro deve essere colpito da un utensile di acciaio appuntito in modo da provocare la rottura, in un punto situato a 13 mm dal bordo ed a metà del lato lungo. L esame dei frammenti e la misurazione del frammento più grande devono essere effettuati entro 5 minuti dalla rottura; sono escluse dal conteggio l area sul punto di impatto con raggio di 100 mm ed il bordo perimetrale per una profondità di 25 mm. Il conteggio dei frammenti esenti da fessurazione deve avvenire nella zona di minor frammentazione posizionando sul provino una mascherina di (50 ± 1) mm (50 ± 1) mm. Un frammento di vetro viene considerato "esente da fessurazione" se al suo interno non sono presenti fessurazioni che lo attraversano da un bordo all altro. Nella determinazione numerica, tutti i frammenti interamente contenuti nell area delimitata dalla mascherina contano ciascuno come un frammento, mentre tutti i frammenti contenuti solo in parte nella suddetta area contano ciascuno come mezzo frammento (il frammento più lungo deve essere scelto nel corpo del provino e non deve trovarsi nell area esclusa). Per classificare il prodotto come vetro di silicato sodo-calcico di sicurezza temprato termicamente, il numero dei frammenti di ciascun campione sottoposto a prova non deve essere minore dei valori riportati: Fig.3.8.Rottura di un vetro temprato Tab.3.9 Frammentazione vetri temprati Spessore nominale del vetro in mm Numero minimo di frammenti

71 Lo svantaggio dell impiego del vetro temprato consiste nel vuoto lasciato in caso di rottura dello stesso, si sbriciola in numerosi frammenti. Inoltre, se si posiziona il vetro ad una determinata altezza, in caso di caduta per rottura, pur rompendosi in sicurezza come previsto dalla norma, possono prodursi pezzi di vetro coesi (effetto grappolo) che con il peso acquisito durante la caduta diventano altamente pericolosi. In questi casi occorre valutare se è opportuno applicare esternamente un prodotto vetro stratificato composto da due vetri temprati o induriti. 3.4.Utilizzo del vetro stratificato in edilizia Si definisce vetro stratificato di sicurezza un vetro costituito da una o più lastre di vetro intercalato con fogli di materiale polimerico che in caso di rottura non rilascia frammenti di vetro pericolosi. L intercalare utilizzato per i vetri stratificati serve a trattenere i frammenti di vetro, a limitare le dimensioni dell'apertura riducendo il rischio di ferite da taglio o penetrazione. Quando si parla di vetro stratificato si intende sempre vetro stratificato di sicurezza. Questa definizione non contempla prestazioni di sicurezza, ma nel normale uso comune per vetro stratificato è implicito il concetto di vetro stratificato di sicurezza. I vetri che compongono lo stratificato devono essere conformi ad una o più delle seguenti norme europee: EN per vetro rivestito; EN per vetro float; EN per vetro stampato; EN /2/3/4 per vetro rivestito; EN 1863 per vetro indurito termicamente; EN /2 per vetro di sicurezza temprato termicamente. Il vetro stratificato può essere prodotto assemblando vetri, fogli di plastica ed intercalari in molteplici combinazioni. Lastre di vetro per stratificazione: vetro float chiaro, vetro float colorato, vetro float extrachiaro; tutti questi vetri possono essere coalizzati con trattamenti di controllo termico o/e solare; vetro stampato chiaro o colorato; il vetro di base può essere trasparente, traslucido o opaco, vetro ricotto, indurito termicamente o temprato, vetro trattato in superficie, per esempio sabbiato o lavorato all'acido. Intercalari polimerici da utilizzare: Polivinilbutirrale (PVB); policarbonato(pc); acrilico. I fogli di plastica possono essere chiari, colorati o rivestiti, fogli trasparenti o traslucidi e possono differire per: composizione e tipo di materiale; caratteristiche meccaniche; caratteristiche ottiche. 66

72 Gli intercalari possono essere chiari o colorati, trasparenti, traslucidi, opachi oppure rivestiti. I vetri stratificati possono soddisfare molteplici esigenze e si classificano in: vetri antiferita; vetri anticaduta; vetri antieffrazione - antivandalismo - anticrimine; vetri antiproiettile; vetri antiesplosione; vetri antiuragano. I vetri stratificati sono in grado di assolvere, oltre alla sicurezza, anche le seguenti funzioni con i dovuti abbinamenti vetrati: controllo della visione e della luce; isolamento termico ed isolamento termico rinforzato; protezione solare; isolamento acustico; decorazione; protezione dai raggi ultravioletti. Il vetro stratificato è un pannello composto da due o più lastre di vetro e uno solo o più foglio di PVB dello spessore di 0,38 millimetri. Le prestazioni di durabilità del vetro stratificato richieste dalla norma UNI EN nei prodotti sono le seguenti: Prova ad alta temperatura La prova consiste nel verificare se il vetro stratificato sopporta l'esposizione alle alte temperature per un periodo prolungato di tempo, senza che le sue proprietà vengano sostanzialmente alterate. La variazione delle proprietà viene giudicata dall insorgenza di bolle, delaminazione e opacità (non dalla decolorazione) Prova all umidità La prova consiste nel verificare se il vetro stratificato sopporta l'effetto dell'umidità presente nell'atmosfera per un periodo prolungato di tempo senza che le sue proprietà vengano sostanzialmente alterate. Gli effetti dell'umidità da considerare sono bolle, delaminazione e opacità (non la decolorazione) Prova di irraggiamento La prova consiste nel verificare se il vetro stratificato sopporta la radiazione solare per un periodo prolungato di tempo e produce una variazione apprezzabile delle sue proprietà. La variazione delle proprietà viene giudicata da una variazione di trasmissione luminosa e dall insorgenza di bolle, delaminazione e opacità (non la decolorazione). Fig.3.9.Forno per prova di irraggiamento 67

73 3.4.4.Classificazione dei vetri stratificati di sicurezza Le norme UNI EN 12600, UNI EN 356, UNI EN 1063, UNI EN permettono di classificare i vetri in funzione della loro specifica resistenza; lo spessore dei vetri utilizzati sarà anche in funzione della loro dimensione e calcolato secondo quanto previsto nel decreto dei carichi e sovraccarichi. Nei test di prova eseguiti presso i laboratori, i vetri stratificati sono sempre intelaiati sui quattro lati per misurare l effettiva resistenza del prodotto e la misura del campione risulta essere ed evitare l'eventuale fuoriuscita dal telaio. Le superfici calpestabili sono calcolate per sopportare sovraccarichi di N/m². Le superfici calpestabili in vetro stratificato sono invece calcolate per sostenere carichi di N/ m². In questo modo il vetro stratificato è in grado di sostenere i sovraccarichi previsti anche in caso di rottura di una delle tre lastre costituenti lo stratificato. Il dimensionamento viene calcolato con l'utilizzo della formula di Timoshenko, considerando un appoggio continuo perimetrale ed il carico unitario ammissibile a flessione è di 10 N/mm². e applicando un coefficiente di sicurezza 4. La sigillatura perimetrale con mastici siliconici dovrà essere particolarmente accurata per evitare che infiltrazioni d'acqua o altre sostanze possano danneggiare il PVB. I pavimenti calpestabili, realizzati in vetrocamera, devono essere costruiti con il distanziatore arretrato di quanto necessario affinché l'intero carico gravi esclusivamente sullo stratificato esterno. In presenza d'azioni dinamiche, quali persone che saltano, la superficie delle singole lastre dovrà essere dimezzata. I vetri stratificati sono idonei ad essere utilizzati nelle vetrature di ascensori e dei montacarichi. In questi casi si utilizzano vetri stratificati per le porte ascensore, vetri stratificati per porte di piano e pareti cabina, vetri stratificati per pavimento cabina, vetri per tetto cabina e pareti vano corsa. Per tutti questi usi le vetrate e i vetri stratificati devono essere esaminati al fine di verificare che gli spessori siano adeguati alle dimensioni, alle prescrizioni normative UNI 81-1 UNI 81-2 per poi poter emettere una dichiarazione di conformità come richiesto dalle normative sopra indicate. Le tipologie di vetro stratificato per parapetti e balconi possiedono una specifica funzione anticaduta influenzata dalle modalità di fissaggio del vetro. Recentemente è stato sviluppato un innovativo metodo di fissaggio delle lastre di vetro stratificato senza cornice chiamato sistema Gecko che sfrutta le proprietà meccaniche migliorate di un nuova generazione di Fig Sistema Gecko intercalari polimerici ionoplast. Il vetro 68

74 collegato con questo dispositivo presenta una notevole resistenza e interessanti prestazioni post-rottura. Per ottenere un elevata performance di sicurezza, il punto chiave è quello di collegare l interstrato polimerico direttamente ai sostegni metallici, in modo che lo stesso interstrato agisca come una membrana limitante anche dopo la rottura. Questa tecnologia è possibile solo se l intercalare presenta proprietà meccaniche sufficientemente elevate e aderisce bene sia al vetro che alla struttura metallica. Il sistema Gecko viene presentato in fig Il vetro stratificato antiferita deve essere utilizzato ogni volta che sussiste un rischio per l incolumità delle persone (ma non si presenta il pericolo di caduta nel vuoto). Il vetro stratificato antiferita trova naturalmente una vastissima applicazione negli interni di asili, scuole, istituti, università, ospedali, case di cura, centri ricreativi, palestre, centri benessere, palazzi dello sport, cinema, supermercati e nell ambiente domestico. I vetri antiferita sono utilizzati per la realizzazione di partizioni, paratie, divisorie, bacheche, arredi vetrati e come vetri per serramenti esterni dove previsto dalla normativa UNI L architettura moderna utilizza sempre più i vetri antiferita per ingrandire gli spazi, creando dei pozzi di luce che migliorano il comfort luminoso ed energetico di numerosi locali. I vetri stratificati utilizzati come parapetti devono avere caratteristiche di resistenza superiori ai vetri antiferita e devono essere in grado, in caso di urto accidentale, di trattenere una persona evitandone la caduta nel vuoto. Sebbene alcuni prodotti con plastico da 0,38 millimetri siano stati classificati anticaduta nel vuoto, si ritiene che questa tipologia di vetri possa essere insufficiente ad offrire adeguate garanzie di sicurezza e di conseguenza consigliato vivamente l utilizzo del PVB nello spessore di 0,76 millimetri. I vetri anticaduta sono utilizzati per parapetti di balconi, terrazze, scale interne ed esterne, sottofinestre, protezioni per ascensori e montacarichi e per tutte quelle applicazioni che prevedono l utilizzo di un vetro a quota inferiore a 100/110/120 cm (in relazione alla normativa ed alle prescrizioni degli uffici tecnici comunali) dal piano di calpestio e con il pericolo, in caso di rottura, di caduta nel vuoto. Inoltre, i vetri anticaduta sono utilizzati come vetri esterni in ambienti adibiti ad attività sportive o ricreative, asili, scuole, istituti, università, ospedali, case di cura, centri benessere, vetrine di negozi, pareti di centri commerciali, ripari vetrati per fermate di autobus o metropolitane. Fig Rottura di un vetro stratificato Vetri antieffrazione, vetri antivandalismo La norma UNI EN 356 valuta i vetri di sicurezza che sono più familiarmente conosciuti come "vetri anti-effrazione" e "vetri anti-vandalismo". Non esiste una prova che possa definire le resistenze dei vetri agli attacchi dei malintenzionati; per questo motivo si 69

75 utilizzano due metodi di prova distinti per fornire le categorie/classi di resistenza. La norma UNI EN 1063 specifica i requisiti prestazionali e i metodi di prova per classificare la resistenza ai proiettili di vetrate (costituite da uno o più strati di vetro) e di lastre composite vetro/plastica. La dicitura "vetrata resistente ai proiettili" si applica ai prodotti che possiedono caratteristiche evidenti di un vetro ma si intende includere anche i prodotti stratificati di vetro e materiali plastici. La protezione fornita da una vetrata resistente ai proiettili non dipende solo dal prodotto in vetro utilizzato, ma anche dal serramento, dal progetto e dal montaggio. Tutti e tre i pezzi della tipologia campione, quando sottoposti alla prova devono soddisfare almeno uno dei seguenti requisiti: nessuna perforazione della vetrata antiproiettile o parte di essa e nessuna perforazione da schegge di vetro del foglio testimone sulla faccia opposta; questo tipo di vetrata resistente ai proiettili é classificata nella classe appropriata con un marchio addizionale "NS" (senza schegge). nessuna perforazione della vetrata antiproiettile o parti di essa, ma perforazione del foglio polimerico da parte di schegge di vetro staccatesi dalla faccia posteriore; questo tipo di vetrata resistente ai proiettili é classificata nella classe appropriata con un marchio addizionale "S" (schegge). L applicazione dei vetri antiproiettili è necessaria in vetrine d oggetti preziosi, sportelli di banche, uffici postali, esattorie e ovunque ci sia flusso di denaro o valori, musei ed esposizioni d arte, negozi d armi e d esplosivi e negli immobili residenziali in funzione ai rischi Vetri stratificati antiesplosione La norma UNI EN specifica i requisiti prestazionali e i metodi di prova per classificare la resistenza dei vetri stratificati alle esplosioni, al fine di minimizzare il rischio di lesione dovuta alla proiezione di pericolosi frammenti di vetro; inoltre forniscono una valida protezione ai detriti prodotti dalla composizione della bomba o di qualsiasi detrito trasportato dallo scoppio. La resistenza dei vetri stratificati alle esplosioni dipende da vari parametri: potenza dell esplosivo, distanza tra l esplosione e l obiettivo, altezza dell edificio e relativa altezza dell esplosione. Il metodo di prova della normativa si basa sulle onde d'urto generate da un tubo ad onda d urto (shock-tube) o da un'apparecchiatura analoga per simulare una detonazione altamente esplosiva. La protezione fornita dal vetro stratificato resistente alle esplosioni non dipende unicamente dalla sua composizione ma anche dal progetto, dal serramento e dal fissaggio del vetro. Tab Classificazione dei vetri stratificati resistenti alle esplosioni classe Massima sovrappressione positiva dell onda d urto riflessa Impulso specifico ER1 50 =< Pr < =< i+ < 900 ER2 100 =< Pr < =< i+ < 1500 ER3 150 =< Pr < =< i+ < 2200 ER4 200 =< Pr < =< i+ <

76 Vetro stratificato antiuragano Le prove sperimentali effettuate negli Stati Uniti dimostrano che l unico vetro resistente agli uragani e ai cicloni è il vetro stratificato ovviamente in composizione appropriata. È importante che tutto il gruppo telaio - finestra - vetro sia stato correttamente dimensionato, realizzato e posato. Un ciclone è un immenso vortice cavo che viaggia ad una velocità superiore di 100 miglia, è accompagnato da venti costanti che hanno una velocità superiore a 120 Km/h e può arrivare a 350 km/h. L uragano agisce in due fasi: sulle aperture degli edifici inizialmente tempestandoli di sassolini, rami ecc, poi con cicli di pressione positiva / negativa creando un foro che poi permette al vento di entrare nell edificio Vetrate strutturali Si producono vetrate per facciate strutturali con silicone strutturale con garanzia ufficiale della casa produttrice del silicone. La facciata strutturale è costituita da una struttura portante basata sul principio di montaggio a montanti e traversi. I tamponamenti vetrati sono incollati su telai indipendenti, che vengono inseriti in cantiere dopo aver montato ed allineato montanti e traversi. Nella costruzione di facciate, le lastre esterne sono fissate ai telai con un sigillante siliconico che ha quindi una funzione strutturale. Questo modo di costruire facciate vetrate richiede di procedere nel rispetto delle normative e delle regole fissate dai produttori dei sigillanti strutturali. L'interessante aspetto architettonico della facciata strutturale si basa sull'assenza di profili in vista, con il conseguente contrasto delle piccole fughe scure che riquadrano i singoli tamponamenti con la superficie riflettente dei pannelli vetrati. I profili esterni sui quali vanno incollati i vetri, vengono forniti già ossidati elettrocolorati C34. La tonalità scura del profilo esterno garantisce un buon aspetto architettonico della fuga indipendentemente dalla finitura del profilo interno che può essere trattato e colorato a seconda delle necessità. Le lastre esterne del vetro camera devono essere temperate per motivi di sicurezza, di trasporto e per prevenire le eventuali rotture causate da shock termico. Il trattamento di tempra può causare delle leggere deformazioni della superficie del vetro che generano delle distorsioni nelle immagini riflesse, ma che sono ampiamente accettate dalla normativa. Le lastre di vetro temperate della zona bassa devono essere opacizzate cercando di garantire la massima uniformità con il colore dei vetri riflettenti della zona trasparente. In ogni caso, prima di ogni fornitura di lastre si Fig.3.13.Vetrate strutturali con Spandrel opacizzato 71

77 eseguono dei campioni al fine di approvare la colorazione e l effetto cromatico ottenuto. Al fine di raggiungere un buon aspetto architettonico si consigliano tamponamenti vetrati con un grado di riflessioni della lastra esterna di almeno R=25%. Il deposito riflettente se ottenuto con procedimento magnetronico deve essere nella seconda facciata Vetri speciali Possono essere realizzate vetrate isolanti aventi sempre caratteristiche di controllo termico, acustico e di sicurezza con anche queste tipologie di prodotti speciali: vetri stratificati con all interno un film a cristalli liquidi che permettono di rendere il vetro trasparente o traslucido a comando in relazione all esigenza del cliente pur facendo passare la luce anche nella situazione traslucida; vetri stratificati a riscaldamento elettrico che incorporano fili quasi completamente invisibili che li riscaldano elettricamente; vetri resistenti al fuoco per classificazioni EI 30, EI 60, EI 90, EI 120; tali vetri sono composti da varie lastre di vetro separate tra loro da speciali gel intumescenti che reagiscono alla presenza del fuoco e sono in grado di fermare l energia dell incendio e di mantenere l innalzamento della temperatura sul lato opposto al fuoco, entro i limiti della normativa; vetri con veneziane, tendine, plissé collocate all'interno di una vetrocamera. Tali accessori sono montati all'interno delle due lastre di vetro e il loro scorrimento avviene in un ambiente sigillato. Questa caratteristica garantisce un'assoluta protezione dalla polvere delle tende, che si presentano sempre come nuove e sempre pulite. In questo modo si eliminano lavori di pulizia e manutenzione ricorrente, necessaria per le tende esposte all aria. Inoltre i vetri speciali, compresi nei primi tre gruppo, possono essere impiegati anche in ambienti interni (senza la vetrata isolante essendo già dei vetri antiferita). Le vetrate isolanti possono essere personalizzate con loghi ed immagini per ambienti di lavoro, locali, ristoranti, hotel, scuole e qualsiasi altro edificio pubblico e privato, fondendo design e funzionalità. 3.5.Bibliografia capitolo 3 Da articoli scientifici Dimitrie Mangeron, 2010, Glasses as engineering materials: A review Gh. Asachi Technical University of Iasi, Faculty of Machine Manufacturing & Industrial Management. Da siti internet data di consultazione:17/02/ data di consultazione:17/02/ data di consultazione:23/02/ data di consultazione: 15/02/ data di consultazione: 20/12/

78 CAPITOLO 4 VETRI DI SICUREZZA IN CAMPO AUTOMOTIVE 4.1.Introduzione ai vetri di sicurezza in campo automotive Il parabrezza di un aereo, un'automobile, un bus, una moto o un tram, è la finestratura anteriore dell'abitacolo. I moderni parabrezza sono costituiti generalmente da vetro stratificato, ovvero formato da due lastre di vetro e da uno strato polimerico intermedio, e sono fissati perimetralmente alla carrozzeria mediante guarnizioni e collanti. Il parabrezza ha principalmente la funzione di proteggere gli occupanti del veicolo dall'impatto dell'aria durante la marcia, dalle temperature estreme e da parti volanti come polvere, insetti e sassi, oltre ad essere un componente integrante della carrozzeria e fornire una struttura aerodinamica. Può inoltre essere applicato uno strato UV per schermare la luce ultravioletta. I primi parabrezza erano costituiti da normale vetro per finestre e potevano procurare gravi danni in caso di incidente. Essi furono sostituiti con vetro temperato ed erano installati sul telaio attraverso guarnizioni di gomma o di neoprene. Il vetro indurito quando si rompeva si frantumava in tantissimi frammenti per lo più innocui. Questo tipo di parabrezza però poteva sbriciolarsi anche solo con un sassolino. In modo particolare nelle auto della polizia questo risultava essere un problema e portò allo sviluppo del vetro stratificato, usato oggi dalla maggior parte delle auto. Ci sono state comunque alcune preoccupazioni per il rischio di decapitazione e alcune auto sono dotate di parabrezza in Lexan. I moderni parabrezza integrati contribuiscono alla rigidità del veicolo, ma il principale scopo nell'innovazione dei parabrezza è stato da sempre la necessità di evitare lesioni dovute ai frammenti di vetro taglienti. Quelli attuali non si frantumano ma tendono a rimanere in un unico pezzo anche se il vetro si rompe, a meno che esso non venga trapassato da parte a parte. I parabrezza, se installati correttamente sono essenziali per la sicurezza, insieme con il tetto dell'auto garantiscono protezione in caso di ribaltamento del veicolo. Da qualche anno, in caso di piccola rottura/scheggiatura, è possibile anche riparare il parabrezza senza sostituirli. Secondo l'associazione Nazionale degli Stati Uniti la maggior parte dei parabrezza, la cui rottura è provocata da pietre, può essere riparato con successo. Crepe circolari o lineari, a forma di stella o una combinazione di tutti e tre, possono essere riparate senza rimuovere il vetro, eliminando il rischio di perdite d incollaggio e ai problemi associati alla sostituzione. Il processo di riparazione prevede la perforazione della vetro fratturato Fig.4.1.Parabrezza stratificato rotto fino a raggiungere lo strato di 73

79 intercalare, quindi viene iniettata una speciale resina adesiva trasparente sotto pressione che viene poi indurita con luce ultravioletta. Se riparato correttamente, la resistenza e la trasparenza sono sufficientemente ripristinate garantendo la sicurezza necessaria. Il processo è ampiamente utilizzato per la riparazione di parabrezza di grandi dimensioni in cui il danno non è di fronte al conducente. 4.2.Formatura delle vetrature per autoveicoli La formatura dei vetri per automobili è un processo complesso che prevede la piegatura dei vari strati di vetro che compongono lo stratificato seguito da eventuali processi di tempra e infine dall assemblaggio con l intercalare polimerico. Il vetro stratificato sta rapidamente sostituendo quello temprato per i finestrini laterali delle auto. Solitamente gli strati di vetro vengono sagomati mediante stampi di forma corrispondente mediante riscaldamento ad una temperatura di circa 620 C. La forma può essere ottenuta attraverso il cedimento per gravità o attraverso processi di piegatura meccanica per ottenere le forme più complesse. Si utilizzano metodi di riscaldamento differenziale, controllando la temperatura attraverso la superficie del vetro. Le coppie di vetro sagomate vengono poi gradualmente raffreddate fino a temperatura ambiente prima che l intercalare in PVB venga interposto tra loro. A questo punto il PVB è opaco e diventa trasparente solo al termine del processo di laminazione che consiste nella rimozione delle sacche d aria intrappolate nello stratificato attraverso un processo meccanico o per mezzo di una spremitura sotto vuoto, seguito dal riscaldamento del parabrezza a 140 C all'interno di un'autoclave, sotto una pressione da 10 a 15 kg/cm2, per completare il legame tra i vari strati. Fig.4.1.a.Ciclo tipico di formatura per i vetri auto Caratterizzazione termica di processi per la formatura di componenti vetrati per autoveicoli mediante metodi numerici La formatura di componenti vetrati per autoveicoli può essere ottenuta principalmente secondo due tipologie di processo: deformazione a caldo per via gravimetrica; stampaggio a caldo. Al fine di soddisfare le sempre più stringenti tolleranze produttive e le complessità di forma dei nuovi prodotti, in entrambe le tipologie di processo, è richiesta un accurata conoscenza delle problematiche termomeccaniche. In tale contesto, assumono sempre maggiore rilevanza le tecniche numeriche di simulazione che costituiscono per rapidità, capacità di previsione ed economicità, una valida alternativa alle tradizionali indagini sperimentali. Si riporta la caratterizzazione termica sia della formatura a caldo per gravità di parabrezza che del processo di stampaggio di finestrini per autoveicoli, 74

80 riferendosi a casistiche tipiche riscontrate nella realtà industriale italiana. A tale scopo, è stata condotta un analisi parametrica, mediante metodi numerici agli Elementi e ai Volumi Finiti, su grandezze di influenza sia di tipo termico che di tipo meccanico, al fine di determinare quali siano le variabili più significative nell ottenimento di un idonea deformazione del componente vetrato. Questo processo, infatti, condiziona la qualità del componente sia in termini di proprietà ottiche che geometriche. L analisi parametrica sopra descritta permette un ottimizzazione del processo, sia da un punto di vista meccanico che termico, in modo da garantire le caratteristiche ottiche e geometriche richieste dalle specifiche di produzione. Il processo sopra introdotto è stato analizzato dagli autori mediante il software commerciale FLUENT 6.1, ponendo in luce i parametri che presentano una maggiore influenza sul processo. Per quanto concerne il processo di formatura dei discendenti laterali, esso si basa sull utilizzo di uno stampo. Il vetro, infatti, viene portato ad alta temperatura all interno di un forno, alla cui uscita è posizionato lo stampo che conferisce la forma desiderata al discendente. In questo caso il problema termomeccanico complesso coinvolge principalmente la deformazione dello stampo. Infatti, quando soprattutto le dimensioni dello stampo sono rilevanti ed elevati sono i gradienti termici a cui è sottoposto, le deformazioni termiche sono esaltate in modo incontrollato, portando talvolta il prodotto al di fuori delle specifiche dimensionali ed ottiche di produzione. Al fine di mantenere sotto controllo la deformazione è, pertanto, necessario innanzitutto analizzare le cause che la determinano e successivamente agire su di esse riportandola a valori compatibili con le tolleranze di produzione. Tali cause sono di seguito descritte e, mediante simulazione numerica, è condotta un analisi di sensibilità sulle tipologie di intervento utilizzabili nella minimizzazione delle deformazioni. Le simulazioni sono state effettuate dagli autori mediante il software commerciale FEMLAB 3.1, con l utilizzo di subroutine Matlab sviluppate a questo proposito Processo di formatura per via gravimetrica Il caso esaminato prende in considerazione un tipico forno elettrico a convezione naturale, suddiviso in tre zone principali: i) la zona di preriscaldamento, ii) la zona di piegatura vera e propria e iii) la zona di raffreddamento. La potenza termica richiesta dal riscaldamento del vetro è fornita attraverso resistenze elettriche, posizionate su pannelli isolati sulla volta del forno, sulle pareti laterali (nella zona di piegatura) e alla base del forno (nella zona di preriscaldamento), regolate in modo da ottenere un ambiente termicamente stabile con la desiderata uniformità di temperatura. Al fine di preservare le proprietà ottiche dei parabrezza, la piegatura per via gravimetrica rappresenta la migliore soluzione. All ingresso del forno, due fogli di vetro accoppiati sono posizionati su telai metallici che svolgono un azione di sostegno durante l attraversamento del forno. Grazie alla configurazione di questi telai, diversi modelli di vetro, per forma e dimensione, possono essere ottenuti utilizzando lo stesso forno. Nei casi analizzati, la disposizione geometrica fissa delle resistenze elettriche consente una variazione della potenza termica fornita al vetro solo lungo la direzione ortogonale a quella di attraversamento del forno. Tuttavia, al fine di ottenere la curvatura desiderata del vetro, è necessaria una variazione della potenza termica fornita anche nella direzione di attraversamento. Questo effetto potrebbe essere ottenuto mediante l esposizione dei differenti pannelli di vetro allo stesso flusso termico radiativo, ma per un tempo differente, richiedendo tuttavia la possibilità di variare la velocità di attraversamento in funzione della curvatura raggiunta (soluzione improponibile poiché nei processi analizzati non sono ammissibili variazioni di velocità di attraversamento durante il processo). D altro canto, se venisse applicato al vetro un riscaldamento uniforme, si avrebbe una curvatura eccessiva, specialmente in corrispondenza dei 75

81 bordi del vetro. Per ovviare a questo inconveniente sono pertanto adottati degli schermi radiativi, opportunamente progettati, con lo scopo di sottrarre localmente parte della potenza termica radiativa fornita, assicurando la desiderata curvatura del vetro. La dimensione tipica della sezione del forno è di qualche metro quadro, mentre la lunghezza è di circa trenta metri (considerando tutte e tre le zone). Le dimensioni dei parabrezza variano ovviamente dal modello di autovettura al quale sono destinati con uno spessore del singolo pannello di vetro di circa 3 mm Processo di formatura per stampaggio Nel processo di stampaggio, come accennato, il vetro all uscita del forno di preriscaldamento, viene posto a contatto con lo stampo che gli conferisce la curvatura desiderata. Soprattutto l interazione termica stampo-vetro causa delle deformazioni nello stampo che possono determinarne un eccessiva deformazione, compromettendo le qualità ottiche e dimensionali del vetro formato. Per quanto concerne il carico termico, lo stampo viene riscaldato dal vetro sottoposto a piegatura: nella prima fase per irraggiamento (durante il posizionamento del vetro al di sotto dello stampo) investendo dapprima il solo lato da cui il vetro proviene e successivamente la parte centrale prima che lo stampo vada a contatto con il vetro; nella seconda fase lo stampo a contatto con il vetro viene riscaldato (in maniera sempre disuniforme) per conduzione, sottraendo energia dal vetro (il quale durante il processo di piegatura si raffredda ulteriormente); infine, durante la fase di scarico, lo stampo continua a riscaldarsi per irraggiamento, ma ancora una volta in maniera disuniforme, avanzando il vetro verso il basso. Per quanto concerne le sollecitazioni meccaniche, è possibile considerare esclusivamente quelle derivanti dal carico termico, essendo le pressioni di stampaggio pressoché trascurabili. Malgrado ciò l analisi delle sollecitazioni meccaniche risulta alquanto complessa, dal momento che non è possibile valutare a priori l interazione dei giunti asolati tra sistema di sostegno e stampo, sia per probabili bloccaggi allo scorrimento, sia per l eventuale raggiungimento di fine corsa. Per questo motivo il vincolo tra sistema di sostegno e stampo può essere modellato come vincolato attraverso una giunzione carrello/incastro (Fig. 4.2). Quindi, il giunto è sottoposto a spostamenti verticali dovuti alla deformazione della piastra di sostegno dello stampo e a spostamenti orizzontali che solo in linea teorica, come accennato, non dovrebbero presentare alcuna resistenza allo scorrimento. In Fig. 4.3 è riportata la geometria di un tipico stampo. Gli stampi sono di solito realizzati in leghe di alluminio, per la loro ridotta massa volumica. Fig4.2.Descrizione schematica dei vincoli meccanici Per quanto concerne il vetro, di tipo PBX, esso subisce un processo di stampaggio che, comprendendo la fase di carico/scarico, ha una durata di circa 5-6 secondi, con 76

82 carattere continuo. In particolare, il vetro viene portato ad un livello termico nell ordine dei C (con una caduta di temperatura usualmente di C al secondo, funzione delle proprietà radiative del vetro, della cavità che lo circonda e della sua diffusività termica), al fine di consentire non solo un adeguata deformazione, ma anche che la sua temperatura a seguito dello stampaggio sia idonea alla successiva fase di tempra (superiore ai 580 C). La temperatura del vetro, infatti, non Fig4.3.Geometria di un tipico stampo deve essere né eccessivamente elevata (per non dar luogo a problemi di qualità ottica dovuti alle impronte dei rulli di movimentazione presenti nel forno di preriscaldamento crateri ed a un aumento eccessivo della deformazione dovuto a rammollimento ), né eccessivamente bassa per la suddetta fase di tempra (per garantire le necessarie caratteristiche meccaniche di sicurezza). All uscita del forno di riscaldamento il vetro viene posizionato in corrispondenza dello stampo che, abbassandosi e contrapponendosi ad un anello di sostegno del vetro, lo preleva mediante vuoto pneumatico e ne conferisce un adeguata formatura Modello numerico I due processi di formatura considerati sono stati simulati da un punto di vista numerico mediante metodi ai Volumi Finiti e agli Elementi Finiti. Tale aspetto sarà di seguito esaminato più in dettaglio a.Modello numerico del processo di formatura per via gravimetrica Viste le notevoli dimensioni del forno, la simulazione numerica è stata effettuata solo per un volume di controllo rappresentativo del sistema (Fig. 4.4), imponendo delle condizioni al contorno tempovarianti in modo da simulare il passaggio del vetro all interno del forno. Fig. 4.4 Schema del dominio di calcolo: 1) vetro; 2) schermi radiativi; 3) resistenze elettriche della volta del forno; 4) resistenze elettriche laterali; 5) resistenze elettriche sulla base del forno; 6) superfici reali non riscaldati; 7) superfici fittizie. 77

83 Per la simulazione numerica è stato utilizzato il codice commerciale ai Volumi Finiti FLUENT 6.1. In particolare, il dominio è stato discretizzato mediante: tetraedri per quanto riguarda il dominio occupato dall aria, con una dimensione massima di 8.0 cm e nodi; parallelepipedi per il vetro, con una dimensione massima di 1.0 cm e nodi; 4800 parallelepipedi con una dimensione massima di 1.0 cm e 7623 nodi; La mesh utilizzata nel calcolo è frutto di un analisi di sensibilità, arrestando l infittimento per variazioni sulla temperatura inferiori a 0.01 C. L algoritmo utilizzato nella risoluzione del problema termofluidodinamico è il SIMPLE, con un criterio di convergenza per la continuità della massa pari a Al fine di determinare le giuste condizioni al contorno del problema numerico e al fine di validare il modello numerico, sono stati acquisiti i valori di temperatura in diversi punti del forno, del vetro e degli schermi radiativi, mediante termocoppie schermate di tipo K tarate collegate ad un unità di acquisizione DataPack b.Modello numerico del processo di formatura per stampaggio L analisi della deformazione dello stampo (quello analizzato è di dimensioni circa 1100 mm 800 mm) coinvolge lo studio sia di fenomeni meccanici che termici. Infatti, le deformazioni dipendono dai gradienti termici ai quali lo stampo è sottoposto nonché da vincoli termomeccanici. E, pertanto, richiesta dapprima la soluzione del problema termico e, successivamente, la determinazione dei gradienti termici presenti e dalla conoscenza del legame costitutivo è possibile ricavare le deformazioni subite dallo stampo. Per la risoluzione del sistema di equazioni differenziali è necessario imporre delle adeguate condizioni al contorno sul dominio di calcolo, ricavate a seguito di diverse campagne di misura condotte sullo stampo considerato. Le condizioni al contorno di tipo meccanico adottate sono riportate in tabella 4.4. Tab.4.4. Condizioni al contorno caso A 78

84 Tab.4.4. Condizioni al contorno caso B In particolare, è necessario specificare che la condizione al contorno meccanica più problematica è rappresentata dalla zona di aggancio dei tiranti di sostegno dello stampo alla piastra superiore. Infatti, pur avendo isolato adeguatamente tali zone di giunzione meccanica, è possibile il verificarsi di un non perfetto scorrimento tra i tiranti e la piastra di sostegno. Pertanto, si è proceduto alla simulazione numerica dei due casi estremi: presenza di un perfetto incastro con la piastra superiore di sostegno (caso A) presenza di spostamenti verticali nulli sulla base dei tiranti (caso B). Le condizioni al contorno di tipo termico, per entrambi i casi precedentemente introdotti, sono anch esse riportate in Tab.4.4. I valori delle conduttanze convettive e della temperatura media radiante per la superficie inferiore dello stampo, sono stati ottenuti mediante la soluzione di un problema inverso. In tal modo si è ottenuto, sulle facce superiori ed inferiori dello stampo, un campo di temperatura che presenta differenze non apprezzabili con la distribuzione di temperatura rilevata sperimentalmente con termocoppie. Per le simulazioni numeriche è stato impiegato il software agli elementi finiti FEMLAB 3.1. Gli elementi utilizzati sono tetraedri con funzioni di forma lineari. La mesh impiegata nel calcolo è costituita da tetraedri per il caso A e tetraedri per il caso B. Il numero di elementi è stato determinato eseguendo un analisi di sensibilità sulla mesh fino ad una convergenza sul campo termico pari a 0.01%. Anche nel caso di processo di formatura per stampaggio, al fine di determinare le corrette condizioni al contorno e di validare il modello numerico, sono state disposte circa 20 termocoppie (opportunamente tarate presso il Laboratorio di Misure Industriali LAMI), nella struttura, ottenendo il campo termico caratteristico del processo. 79

85 Risultati del modello numerico a. Risultati del modello numerico del processo di formatura per via gravimetrica Per validare il modello numerico utilizzato, il campo termico alla periferia ed al centro del vetro ottenuto per via numerica è stato confrontato con quello misurato sperimentalmente (Fig. 4.5). Fig.4.5. confronto tra valori numerici e sperimentali al centro del vetro In particolare, in Fig. 4.5 sono riportati gli andamenti delle temperature al centro e alla periferia, in Fig. 4.6, del vetro ottenute numericamente con le relative incertezze, confrontate con i valori sperimentali con le relative incertezze. Come appare evidente, c è un buon accordo tra valori numerici e sperimentali, rimanendo sempre verificata la compatibilità dei dati. Fig.4.6. confronto tra valori numerici e sperimentali in periferia del vetro 80

86 Inoltre, è stata effettuata un analisi di sensibilità al fine di individuare i parametri che maggiormente influenzano la simulazione numerica. I risultati dell analisi di sensibilità sono riportati in Tab.4.7, con i corrispondenti valori di contributo all incertezza del valore di temperatura. Tab.4.7 Risultati dell analisi di sensibilità per il processo di formatura a caldo Parametro considerato Contributo all incertezza tipo del valore numerico di temperatura Proprietà termofisiche del vetro (conducibilità < 7 C termica, massa volumica, calore specifico) Emissività del vetro < 2 C Proprietà termofisiche dell acciaio < 5 C (conducibilità termica, massa volumica, calore specifico) Emissività dell acciaio < 5 C Da tabella appare evidente che estrema importanza assume la conoscenza delle proprietà termofisiche del vetro in esame. Il valore ottenuto dell incertezza tipo composta è pari a circa 15 C b. Risultati del modello numerico del processo di formatura per stampaggio Al fine di valutare l influenza quantitativa e qualitativa dei parametri di processo significativi sulla deformazione dello stampo (e quindi del vetro), gli autori hanno effettuato un analisi di sensibilità mediante il metodo numerico precedentemente descritto. In particolare, si deve puntualizzare che la deformazione dello stampo è dovuta alla compresenza di gradienti termici orizzontali e verticali e che pertanto gli interventi volti ad una riduzione della deformazione dello stampo devono necessariamente essere rivolti ad una riduzione di tali gradienti. Al fine di semplificare l analisi di sensibilità, i diversi parametri di influenza sono stati raggruppati in funzione dell effetto. In particolare, si è analizzato il caso di: riduzione del carico termico agente sullo stampo/struttura: riscaldamento dello stampo/struttura; isolamento termico dello stampo/struttura; irrigidimento della piastra di sostegno. Per quanto concerne la riduzione del carico termico agente sullo stampo/struttura, è possibile agire nei seguenti modi: diminuendo la temperatura del vetro all uscita del forno di riscaldamento, compatibilmente con il successivo trattamento di tempra; diminuendo il carico mediante isolamento termico della parte dello stampo che entra in contatto con il vetro, introducendo ad esempio uno strato di isolante; diminuendo il carico mediante riduzione dell emissività della superficie dello stampo esposto allo scambio termico radiativi con il vetro. Nel caso del riscaldamento dello stampo/struttura, si può procedere: riscaldando uniformemente la superficie interna dello stampo; riscaldando solo il bordo esterno della superficie interna dello stampo; riscaldando uniformemente le superfici laterali dei tiranti; riscaldando uniformemente la piastra di sostegno. Per l isolamento termico dello stampo/struttura, è possibile distinguere i seguenti casi: 81

87 riempimento della cavità compresa tra piastra di sostegno e stampo con un materiale isolante; isolamento termico laterale uniforme della cornice esterna dello stampo; isolamento termico uniforme delle superfici laterali dei tiranti. I risultati dell analisi di sensibilità sono riportati in Tab.4.8, per entrambe le configurazioni di vincoli meccanici. Le misure e le simulazioni numeriche effettuate hanno consentito di conoscere adeguatamente i parametri di influenza dimensionali sul processo di formatura. Dal punto di vista dell analisi delle cause di deformazione dello stampo l analisi numerica effettuata ha consentito di dimostrare l influenza dei gradienti termici verticali ed orizzontali (gradienti determinati sia dallo disuniformità del carico termico che dal tipo di processo di stampaggio in esame effettuato in ambiente a temperatura non controllata) e delle reazioni vincolari dello stampo alla sollecitazione termica. Tab. 4.8 Risultati dell analisi di sensibilità per il processo di formatura per stampaggio. Tipologia di intervento Riduzione della deformazione massima dello stampo rispetto alla soluzione di riferimento % Caso (a) stampo incastrato alla piastra di sostegno Riscaldamento piastra di sostegno (5 kw/m 2 ) 30 Isolamento termico della superficie dello stampo sul < 20 lato esposto allo scambio termico con il vetro, mediante un isolante termico dello spessore di 3.0 mm costituito da materiale con conducibilità termica di 0.1 W m -1 K -1 Riduzione del carico termico mediante riduzione < 15 dell emissività (Δε=0.2) Riduzione della temperatura del vetro di 10 C < 7 Riscaldamento del bordo esterno dello stampo (10 < 2 kw/m 2 ) Caso (b) stampo vincolato nei soli spostamenti verticali Isolamento termico della superficie dello stampo sul 10 lato esposto allo scambio termico con il vetro, mediante un isolante termico dello spessore di 3.0 mm costituito da materiale con conducibilità termica di 0.1 W m -1 K -1 Riduzione del carico termico mediante riduzione < 8 dell emissività (Δε=0.2) Riduzione della temperatura del vetro di 10 C < 4 Riscaldamento del bordo esterno dello stampo (10 < 2 kw/m 2 ) Gli studi qui riportati rappresentano i risultati di analisi numeriche di processi di formature del vetro nell industria automobilistica, con particolare riferimento alla formatura per gravità e per stampaggio. Nel caso di formatura per gravità, l analisi ha mostrato una completa compatibilità con i risultati ottenuti da un apparato sperimentale progettato e realizzato allo scopo. Dall analisi di sensibilità si può evincere che i 82

88 parametri maggiormente significativi risultano essere le proprietà termofisiche del vetro in formatura. Per quanto concerne la formatura per stampaggio, l analisi numerica ha permesso di verificare le cause della presenza di anomale deformazioni dello stampo. Inoltre, con l analisi di sensibilità è stato possibile introdurre eventi finalizzati a ridurre tali deformazioni, ad esempio l aumento del coefficiente di riflessione del vetro con vernici riflettenti, l inserimento di isolante termico sullo stampo lato vetro e il riscaldamento della superficie interna dello stampo. In tutti i casi analizzati, il modello sviluppato si è dimostrato utile ed accurato strumento per la progettazione e l analisi di processi di formatura del vetro Implementazione di tecniche di visione macchina per la formatura di componenti vetrati per autoveicoli La formatura manuale dei parabrezza automobilistici dipende fortemente la capacità e la diligenza dell'operatore. La facilità con cui può parabrezza essere formato varia notevolmente. In cicli di produzione misti, la qualità del parabrezza può variare notevolmente da una tipologia all'altra. Di conseguenza, recenti ricerche nel settore della lavorazione del vetro in campo automobilistico hanno cercato di automatizzare il processo di piegatura per ridurre o eliminare l intervento dell'operatore durante la formatura. Per la risoluzione del problema si è ricorso a sistemi di controllo di tipo visione macchina che misurano costantemente la curvatura del vetro e come esso si deforma nello stampo. Fondamentalmente, la produzione di un parabrezza automobilistico comporta il taglio due lastre di vetro piano ad una forma desiderata, ponendo questi fogli su di uno stampo in acciaio inox. Il riscaldamento delle lastre di vetro avviene attraverso una serie di fasi di pre-riscaldamento, quindi si forma il vetro in una piegatura in forno e infine si effettua una ricottura seguita da raffreddamento diviso in diversi step per non generare tensioni nel parabrezza formato. Tipicamente il ciclo di pre-riscaldamento comporta il movimento del vetro attraverso una serie di forni, tipicamente in tappe, a temperature crescenti fino a quando il vetro si ammorbidisce e può essere stampato. Lo stampaggio avviene in uno speciale forno di curvatura in cui un operatore può selezionare manualmente l'elemento di configurazione e il riscaldamento necessario per deformare il vetro nella forma desiderata. L'operatore seguirà da vicino osservando i bordi del vetro come si deformano nello stampo. Quando l'operatore decide che il vetro è deformato sufficientemente, lo rilascia ed esso continuerà attraverso una serie di fasi di ricottura e raffreddamento. La decisione che il vetro sia correttamente formata spetta esclusivamente all operatore che di conseguenza può sbagliare. I criteri utilizzati per prendere la decisione varierà a seconda del tipo di vetro da formare e la velocità con cui si deforma. Alcuni parabrezza, di solito i più piccoli, hanno bisogno di toccare lo stampo affinché la formatura sia considerata completa, mentre altri parabrezza sono completi quando il vetro raggiunge una posizione poco sopra lo stampo, quest ultimi sono di solito i parabrezza più grandi dei camion, autobus e pullman, e sono anche i tipi di parabrezza che soffrono la maggiore variazione in qualità. Lo scopo del sistema di visione macchina è quello di automatizzare questo processo di piegatura riducendo o eliminando la dipendenza dall'operatore al fine di diminuire l'ampia variazione di qualità ottenuta in questi tipi di parabrezza. Temperatura e tempo sono i due parametri che sono stati tradizionalmente usati per controllare la curvatura dei parabrezza automobilistici. In cicli di produzione di parabrezza di un singolo tipo, questo genere di 83

89 controlli può essere sufficiente per piegare con precisione il prodotto. Pochi produttori di parabrezza, diversi dai produttori di apparecchiature originali, hanno un volume sufficiente per sopravvivere con la produzione di un solo tipo di parabrezza. Produttori che producono per i mercati di ricambio utilizzano cicli di produzione che possono contenere tipi diversi di parabrezza, che variano nel formato da vetri laterali per piccole autovetture, a parabrezza per grandi autocarri e autobus. I tentativi di automatizzare questo tipo di processo di produzione hanno sperimentato metodologie di controllo più sofisticate che coinvolgono sia il tempo che la temperatura per anticipare la quantità di calore e il tempo di esposizione necessario a sagomare correttamente il parabrezza nella piegatura in forno. Il problema più significativo di questa approccio è la necessità di ottimizzare il processo all'inizio di un ciclo produttivo. La regolazione fondamentalmente comporta la produzione di uno o due cicli manuali per la regolazione del tempo d'esposizione di ogni schermo affinché la formatura risulti corretta. Una volta regolato correttamente il sistema può essere lasciato a piegare automaticamente sotto la supervisione dell'operatore. In caso si verifichino rotture dei manufatti durante il ciclo produttivo, il sistema dovrà essere regolato nuovamente prima che possa essere restituito al funzionamento automatico. Recentemente, la tecnologia fuzzy logic è stata applicata, con un moderato successo, nel tentativo di rendere il sistema più intelligente e capace di anticipare i parametri richiesti piegatura in situazioni diverse. Il difetto di questo metodo deriva dalla necessita di avere una diagnosi visiva al fine di formare correttamente il parabrezza. Ad esempio, se uno schermo entra nel forno di piegatura già parzialmente deformato, l'operatore rileva questo visivamente, e ipotizza che le fasi di pre-riscaldamento fossero state effettuate a temperatura maggiore del solito, di conseguenza stima che lo schermo deve stare nel forno finale di piegatura per un tempo minore del solito. Questo è il tipo di intelligenza che i sistemi di fuzzy logic tentano di imitare. Mentre si può controllare la temperatura e il tempo per qualsiasi livello di precisione desiderato, per calcolare il tempo di esposizione nel forno di piegatura, manca il feedback visivo necessario a determinare a che punto della sequenza di piegatura è lo schermo quando entra nel forno di formatura. Il sistema presuppone che il vetro sia in una fase particolare di deformazione e calcola il tempo rimanente d esposizione di conseguenza. Per limitare la dipendenza dall operatore si è studiato un sistema di controllo che utilizza un feedback visivo per mezzo di telecamere poste nella parte anteriore del forno di curvatura. Le telecamere acquisiscono le immagini del parabrezza e misurano il divario tra la barra dello stampo e il suo riflesso nel vetro. Questo gap viene continuamente monitorato e la deformazione del parabrezza è considerata completa quando il vetro raggiunge una posizione a breve distanza al di sopra della stampo. I dati visivi sono ottenuti durante un ciclo di registrazione in cui il sistema memorizza la configurazione dell'elemento riscaldante e la posizione relativa del vetro durante una curva manuale. Il sistema è integrato nel circuito di controllo della flessione del forno tramite un PLC consentendo così che il processo di piegatura sia completamente automatizzato. L'uso di feedback visivo consente di piegare esattamente nello stesso modo ogni parabrezza, garantendo una elevata e costante qualità del prodotto in uscita. Il software esegue tre funzioni. In primo luogo, registra il processo di piegatura misurando periodicamente la deformazione del vetro e memorizza la configurazione appropriata dell elemento in ogni fase del processo di 84

90 formatura in un database. In secondo luogo, si misura la distanza tra la barra di stampo e la sua riflessione nel vetro della regione di interesse determinato dalla l'operatore durante la fase di registrazione. La terza funzione è quella di confrontare i dati ottenuti durante la fase di misurazione registrando i dati per determinare a che punto è la sequenza di piegatura del parabrezza e quindi applicare il riscaldamento relativo a quella fase di ciclo. La decisione che il vetro sia adeguatamente formata viene fatta quando il vetro raggiunge una posizione sopra la barra stampo corrispondente l'ultima voce nel database o quando il vetro tocca la barra dello stampo. Normalmente, quando il vetro tocca lo stampo formatore, la piegatura è completa, tuttavia, alcune schermate in possesso di una curvatura nel mezzo devono essere tenute in forno per un breve periodo di tempo, per ovviare alle contrazioni che inevitabilmente si hanno in fase di raffreddamento. Per questi tipi di parabrezza si inserisce un ulteriore parametro nel database corrispondente al tempo di "holding" necessario a garantire la curvatura corretta. La formatura del parabrezza viene memorizzata come una sequenza di eventi, che possono poi essere richiamati per verificare l andamento delle varie fasi operative. Il vantaggio di questo sistema è che formerà il vetro esattamente nello stesso modo ogni volta, eliminando totalmente la dipendenza dall'abilità dell'operatore. Una volta registrati i dati per un determinato tipo di parabrezza non ce più bisogno di modifiche. La routine di registrazione è l'unico momento in cui è richiesto l intervento dell operatore. A causa della varietà di tipi di parabrezza in corso di fabbricazione, l operatore è tenuto a dire al software quale campo di visuale usare per misurare le regioni critiche di interesse, in quanto la diversità di prodotti fa si che gli ingombri di visuale siano diversi. Esistono parabrezza speciali che il sistema non riesce a piegare costantemente. I tentativi di piegare questi tipi di parabrezza automaticamente hanno messo in evidenza alcune carenze del sistema attuale. Il problema più comune incontrato durante il tentativo piegare questi parabrezza deriva dal fatto che le telecamere non hanno un campo sufficientemente ampio di visione delle regioni critiche di interesse. Nella maggior parte dei casi questo problema è facilmente risolto semplicemente aggiungendo una telecamera su entrambi i lati del forno di curvatura. La conseguenza di questo sul sistema complessivo è che, oltre a fornire al software le coordinate per iniziare la ricerca del bordo, l operatore sarà inoltre tenuto ad informare il software di quale serie di telecamere servirsi per la piegatura, informazione che viene fornita durante la fase di registrazione. In circostanze più complicate la regione critica di interesse non può essere rilevata a causa della ostruzione da parte del telaio dello stampo. Molti grandi lastre vengono formate usando stampi ad ala, che hanno una sezione a cerniera che si muove assieme alla lastra in deformazione. Lo scopo della sezione mobile è quello di consentire produzione di curve molto strette, che sono presenti in alcuni tipi di parabrezza, in particolare in quelli dei pullman. Nell utilizzazione di questi stampi ad ala c'è molto poco o nessun gap tra stampo e la riflessione per il monitoraggio in formatura. Invece di partire dalla scansione dello stampo per rilevare il bordo riflesso, è più affidabile riferirsi ad una linea immaginaria inserita dall'operatore durante il processo di registrazione. L'unica altra carenza osservata fino ad oggi è stata l incapacità del sistema di piegare affidabilmente schermi con una marcata curvatura nel mezzo. Spesso questi schermi possono essere prodotti con un livello di qualità abbastanza soddisfacente, tuttavia, la qualità varierà di giorno in giorno. Il motivo deriva dal fatto che la curva centrale non si ottiene 85

91 semplicemente utilizzando come parametro il tempo dopo che il vetro ha toccato lo stampo. Per formare questi tipi di parabrezza il sistema automatizzato deve misurare la quantità piegatura con un più alto grado di precisione. Questa ulteriore misurazione dovrebbe essere utilizzata in combinazione con gli altri parametri di piegatura per determinare la corretta piegatura del profilo dello schermo. Ognuno di questi miglioramenti sono attualmente in fase di implementazione. Oltre ad affrontare le carenze del sistema attuale, la ricerca sta cercando di incorporare i dati termici e temporali nella sequenza di piegatura nel tentativo di ottimizzare il processo di piegatura. Questo non è necessario per parabrezza di piccole e medie dimensioni e i potenziali risparmi di tempo sono dell'ordine di pochi secondi, tuttavia, per lastre di grandi dimensioni, il tempo richiesto può essere di 20 o 30 minuti ed è quindi essenziale che riscaldamento, piegatura e processi di raffreddamento siano ottimizzati. Si ritiene che il risparmio di tempo che verrà raggiunto attraverso l' integrazione appropriata dei dati termici e temporali sarà dell ordine dei minuti. L'uso della tecnologia di feedback visivo ha dimostrato di avere diversi vantaggi rispetto ai più tradizionali approcci di automazione che dipendono dalla temperatura e dal tempo come parametri di controllo esclusivo della deformazione. La sua accuratezza e la sua flessibilità nella fabbricazione di un gran mix di prodotti lo hanno distinto da altri sistemi. Inoltre, il fatto che può essere impiegato senza la necessità di un avvio iniziale, senza la necessità di ritaratura in caso di un guasto del sistema sono ulteriori vantaggi significativi rispetto all approccio temperatura-tempo. La ricerca attuale è volta ad affrontare le carenze individuate fino ad oggi in materia al parabrezza speciali. Inoltre, la precisione ottenuta dal sistema di piegatura ha generato lo sviluppo di una nuovo sistema in grado di misurare la forma del vetro per la valutazione della qualità della piegatura Studio degli stampi di fabbricazione per mezzo di software di simulazione numerica Fino ad oggi, la produzione degli stampi per la piegatura è stata un processo laborioso dovuto al fatto che la contrazione del vetro doveva essere compensata mediante prove di stampaggio utilizzando più stampi e poi modificandoli. Questo lungo e costoso processo è a volte chiamato iterazione stampo. La difficolta principale nella previsione del ritiro del prodotto formato risiede nelle differenti dilatazioni termiche dello stampo e del vetro durante la formatura e il raffreddamento, inoltre, molti altri fattori come il raffreddamento irregolare, la velocità di rilassamento e lo stress residuo influiscono nel processo di stampaggio e quindi portando ad una deviazione dalla forma finale non accettabile. Recenti studi sono stati mirati al fine di ottenere un efficiente processo di fabbricazione di stampi per mezzo di software di simulazione numerica. Tenendo conto dell'errore di ritiro previsto dalla simulazione, gli stampi sono stati prodotti direttamente con il disegno compensato eliminando la necessita di un iter di modifiche e prove di stampaggio. Gli studi condotti per mezzo del software ANSYS hanno permesso la produzione di stampi compensati il cui prodotto finito rientrava nelle specifiche di accuratezza con tolleranze di 1,5 µm. Questa nuova frontiera dello stampaggio di precisione renderà più economicamente e ambientalmente sostenibile la produzione di stampi, facilitando e velocizzando i tempi di immissione nel mercato di nuovi prodotti con geometrie sempre più complesse. 86

92 4.3.Ultime innovazioni nel campo dei vetri automotive I recenti sviluppi nel campo dei rivestimenti per vetrature degli autoveicoli hanno permesso l implementazione di dispositivi multifunzione mirati alla protezione contro vento, freddo e pioggia e anche contro carico termico dal sole e dal rumore ambientale. Funzioni come quelle di comfort, sicurezza, controllo solare, sbrinamento, antiriflesso e facilità di pulizia sono realizzati da rivestimenti funzionali, che sono depositati utilizzando le più avanzate tecnologie a film sottile. I rivestimenti sono applicati come rivestimenti morbidi o duri. Rivestimenti morbidi sono sulla base delle pellicole metalliche sottili incorporate in strati dielettrici per ragioni ottiche. Questi film morbidi e sensibili devono essere protetti e pertanto, essi sono integrati in vetrature laminate. Rivestimenti duri d'altra parte sono costituiti da più resistenti materiali metallici e ceramici o in film più spessi, essi resistono a usura meccanica e, in una certa misura, anche da attacco corrosivo, e possono essere applicati all'interno o all'esterno della vetratura. Gli esempi più evidenti per i rivestimenti esterni sono i rivestimenti idrofobi easy-to-clean, studiati per aumentare le prestazioni ottiche durante la guida sotto la pioggia Proprietà dei rivestimenti per i vetri delle auto Ci sono quattro fattori ben noti che disturbano la visione del pilota e che possano arrecare grave disagio: 1) riflessione della luce tra le gocce d'acqua durante la pioggia 2) riflessione della luce sul cruscotto 3) riflessione della luce sugli specchi 4) surriscaldamento termico a causa del carico solare Le moderne autovetture fanno uso di vetro rivestito per gestire questi problemi. I rivestimenti più importanti sui vetri automobilistici sono i rivestimenti SunControl sui parabrezza stratificati. Essi sono depositati sul vetro curvo o sul vetro piano prima della piegatura o, in caso di parabrezza in PVC, sul nastro polimerico prima della laminazione. Il layout del rivestimento contiene due strati sottili di argento incorporati in strati dielettrici antiriflettenti. Questi rivestimenti presentano oltre il 75% trasmittanza nel campo dello spettro visibile mentre la parte infrarossa solare è bloccata. Rispetto al convenzionale vetro stratificato la massima temperatura interna è diminuita di più di 11 C, da 100 a 89 C, nei test effettuati per le prove climatiche estreme, ciò implica che il tempo necessario che l impianto dell'aria condizionata impiega per raggiungere livelli di temperatura confortevoli è diminuito del 40%. L ingresso nel mercato di questi tipi di parabrezza è di circa il 30% per la produzione di auto in Europa nel Per tettucci singoli o finestrini laterali o posteriori, il concetto di laminazione di film di isolante-metallo-isolante non è fattibile. Strati di film dielettrici possono essere usati per questo genere di applicazioni, tuttavia, attualmente non ci sono prodotti sul mercato che utilizzano questa tecnica. Un altro importante campo di applicazione è l ottenimento di superfici idrorepellenti al fine di ottenere parabrezza facili da pulire e senza formazione di gocce durante le marce sotto la pioggia. Test su strati idrofobici hanno mostrato una durata di circa 3 anni. Questi rivestimenti vengono applicati sugli 87

93 Fig.4.9. Spetri ottici di vetri non rivestiti, con rivestimento Sun-Controll e con doppio rivestimento in argento per il controllo solare specchi al fine di disperdere la pellicola di acqua. L'uso di strati idrofili è un nuovo campo di applicazione rispetto all'uso di rivestimenti idrorepellenti, che vengono applicati mediante deposizione chimica ad umido. Film di strati antiriflettenti sono utilizzati per ridurre la riflessione del cruscotto. Risultati soddisfacenti sono stati ottenuti in vetri rivestiti solo sul lato interno. Questi parabrezza presentano riflettanza inferiore al 10% con un angolo di incidenza di 60. La protezione dai raggi UV si ottiene mediante la deposizione di strati di TiO 2 o di CeO 2 mediante tecnica sol-gel. Di notte, la visione del conducente è compromessa a causa dell'intensa riflessione degli specchi. Questo problema può essere minimizzato attraverso strati di materiale dielettrico o metallico Figura4.10 Esempi di rivestimenti per il controllo solare 88

94 posto sul retro degli specchietti retrovisori. Il problema della distorsione dell'immagine dovuto alle gocce di pioggia può essere risolto utilizzando uno strato idrofilo di TiO 2 fotoindotto come rivestimento della superficie dello specchio. Vengono inoltre utilizzati rivestimenti elettrocromici per il rivestimento all'interno e all'esterno degli specchi retrovisori controllati da fotodiodi Principali sostituti del vetro minerale Il vetro minerale ha dimostrato di essere un materiale eccellente per le vetrature degli autoveicoli grazie alle sue eccellenti prestazioni ottiche, la sua durevolezza a lungo termine e i bassi costi di produzione. Tuttavia, il mercato degli autoveicoli richiede maggior leggerezza, forme più complesse e una capacità di costruzione più modulare e questo ha aperto la via per la sostituzione del vetro minerale con il policarbonato. Il policarbonato consente una riduzione di peso dell'ordine del 50%, al contrario del PMMA, esso non è fragile e le parti possono essere prodotte mediante stampaggio ad iniezione. Tuttavia, la resistenza al graffio è inferiore al vetro ed il materiale non è stabile ai raggi UV. Entrambi i problemi possono essere risolti per mezzo di rivestimenti. Il primo punto cruciale è la resistenza ai graffi del rivestimento che viene misurata con il test abrasimetrico Taber. La luce diffusa (Haze) deve essere inferiore al 2% dopo 1000 giri del Ruota Taber. Il secondo aspetto è la stabilità ai raggi UV. Per i test accelerati, i criteri sono la stabilità per QUV-B per più di 1000 ore e per la lampada ad arco allo xeno per più a 2250 h. Diverse soluzioni sono state studiate, una di queste e quella di utilizzare un rivestimento bagnato con una vernice di circa 2mm di spessore di silice coperto con uno strato di 5mm di organo-polisilossano. Il livello di foschia dopo Taber Abraser test è nell'ordine del 7% dopo 100 giri rispetto vetro minerale con il 2% dopo 1000 giri. Per compensare questi inconvenienti che limitano l'uso del PC rivestito nella parte posteriore dell auto, è stata sviluppato un nuovo processo negli anni Il fascio di plasma migliora la deposizione di rivestimenti antigraffio trasparenti, per mezzo di evaporazione o di deposizione chimica da vapore (PACVD) Policarbonato (PC) Un policarbonato è un generico poliestere dell'acido carbonico avente formula di struttura I primi studi su questo polimero risalgono al 1928 da parte di E. I. Carothers della DuPont, ma l'inizio dello sfruttamento commerciale del materiale avviene solo intorno al 1960 da parte della Bayer e della General Electric, in entrambi i casi si tratta del policarbonato di bisfenolo A.I policarbonati di bisfenolo A hanno visto crescere in misura sorprendente il loro utilizzo per le loro proprietà particolari di trasparenza, resistenza termica e meccanica, oltre che per le buone proprietà elettriche e per la 89

95 durezza. I policarbonati resistono agli acidi minerali, agli idrocarburi alifatici, alla benzina, ai grassi, agli oli, agli alcoli tranne l'alcol metilico e all'acqua sotto i 70 C. Al di sopra di tale temperatura l'acqua attacca il polimero favorendo una graduale decomposizione chimica. La biodegradabilità è scarsa e richiede tempi lunghi. A seconda della polimerizzazione i policarbonati di bisfenolo A hanno pesi molecolari medi che variano tra e I policarbonati con pesi tra e vengono processati per iniezione (viscosità intrinseca [ŋ]= dl/g a 30 C in diclorometano), mentre quelli con pesi superiori a ([ŋ]=0.95 dl/g) hanno un'alta viscosità del fuso e devono essere processati in soluzione. Le proprietà meccaniche, quali allungamento, carico a rottura, resistenza all urto e alla flessione, mostrano un rapido aumento con il peso molecolare fino a raggiungere un plateau per valori del peso molecolare intorno ai , peso per il quale è ancora garantita una buona lavorabilità per estrusione e stampaggio. Di fondamentale importanza ai fini delle applicazioni del policarbonato è la sua elevata tenacità. Il policarbonato è sensibile all intaglio, con conseguente riduzione della resistenza a fatica. In caso di usura può essere impiegato solo limitatamente. Il policarbonato di bisfenolo-a presenta un elevato indice di rifrazione (1.584) dovuto al suo carattere aromatico. La trasparenza e l assenza di colore permettono una permeabilità alla luce dell 89% nello spettro del visibile. Gli UV vengono assorbiti e causano ingiallimento, si utilizzano perciò degli stabilizzatori come i benzotriazoli o delle protezioni applicate sulla superficie esposta agli agenti atmosferici. La trasparenza del policarbonato, unita alle proprietà meccaniche, fanno di esso il sostituto naturale del vetro, a differenza del quale è curvabile a freddo. Il policarbonato presenta una struttura molecolare stericamente impedita, ciò limita la libertà di rotazione attorno ai legami assiali della catena polimerica con conseguente irrigidimento della stessa. Di conseguenza l impaccamento delle macromolecole risulta difficile, e la cristallizzazione non avviene spontaneamente. Il polimero può cristallizzare attraverso prolungato riscaldamento ad elevata temperatura (180 C per otto giorni) o per stiramento dei film a 186 C. I policarbonati altamente cristallini fondono a circa 260 C e sono meno solubili di quelli amorfi, hanno un'alta capacità di concentrare la luce e sono usati per produrre lenti. Di contro presentano il problema di avere una superficie tenera e graffiabile. La temperatura di transizione vetrosa è di 150 C, alta se paragonata a quella di molti altri polimeri, il polistirene presenta ad esempio una Tg di 100 C. Un elevato valore di Tg è sintomo di stabilità dimensionale come pure di una notevole resistenza alla frattura sotto carico, determina inoltre il valore massimo limite della temperatura di uso del materiale per il mantenimento delle proprietà. Il modulo elastico resta costante anche fino a 130 C. Esistono però dei problemi connessi con tale alta temperatura di transizione vetrosa, legati soprattutto alla lavorabilità. L'estrusione del policarbonato prevede infatti temperature intorno ai 300 C e ciò richiede macchine e stampi speciali, differenti da quelli utilizzabili per la maggior parte delle materie plastiche. I policarbonati vengono usati nei più svariati campi di applicazione: nell ottica per le lenti degli occhiali e degli obiettivi delle macchine fotografiche, come supporto per la registrazione ottica di informazioni digitali: CD, DVD, BluRay e la carta a memoria ottica, in elettronica, come isolante per condensatori ad alta capacità e elevata tensione di lavoro, nel settore dei trasporti, per i caschi e per le coperture dei fanali, nell'edilizia, al posto dei vetri, come lastra spessa o lastra alveolare, nel settore militare: giubotti antiproiettile e 90

96 scudi antisommossa, nel settore dell'aeronautica, per i tettucci e gli oblò dei moderni aeroplani, nell'illuminazione elettrica, per i trasparenti (plafoniere, globi stradali ecc.). Nel campo medico il policarbonato ha trovato largo impiego: la possibilità di sterilizzare in autoclave ( poiché Tg=150 C ), o mediante raggi gamma alcuni composti a base di PC ne ha permesso l utilizzo nelle apparecchiature per la dialisi artificiale e per la cardiochirurgia, per la prima infanzia e le cure domiciliari (biberon, aerosol, incubatrici). Nell'edilizia civile ed industriale i pannelli in policarbonato, grazie alla loro leggerezza, luminosità, resistenza e versatilità, vengono utilizzati per realizzare coperture e finestrature. Molto utilizzato anche per la fabbricazione di tubi estrusi e bottiglie (quest'ultima applicazione attualmente sostituita, nel campo alimentare, dal PET) Il polimetilmetacrilato (PMMA) Il polimetilmetacrilato (in forma abbreviata PMMA) è una materia plastica formata da polimeri del metacrilato di metile, estere dell'acido metacrilico. Chimicamente, è il polimero del metacrilato di metile. Nel linguaggio comune il termine metacrilato si riferisce generalmente a questo polimero. È noto anche con i nomi commerciali di Acrivill, Deglas, Limacryl, Lucite, Oroglas, Perclax, Perspex, Plexiglas, Resartglass, Vitroflex e Trespex. Questo materiale fu sviluppato nel 1928 in vari laboratori e immesso sul mercato nel 1933 dall'industria chimica tedesca Röhm. Di norma è molto trasparente, più del vetro, al punto che possiede caratteristiche di comportamento assimilabili alla fibra ottica per qualità di trasparenza, e con la proprietà di essere più o meno, in percentuali diverse, infrangibile a seconda della sua "mescola". Per queste caratteristiche è usato nella fabbricazione di vetri di sicurezza e articoli similari, nei presidi antinfortunistici, nell'oggettistica d'arredamento o architettonica in genere. Il PMMA è spesso usato in alternativa al vetro. PMMA è un'alternativa economica al policarbonato (PC) in quei campi in cui la sua estrema resistenza non è richiesta. Inoltre, il PMMA non contiene i potenzialmente dannosi bisfenoli-a presenti nel policarbonato ed è spesso preferito al PC per le sue proprietà di maneggevolezza e di produzione a basso costo, ma si comporta in maniera fragile quando caricato, specialmente sotto una forza di impatto, ed è più incline a graffi rispetto a un vetro inorganico. Alcune delle differenze tra i due materiali sono le seguenti: densità di 1,19 g/cm3, circa la metà di quella del vetro; le lastre possono essere prodotte per estrusione (sigla XT) o per colatura (sigla GS); ha un punto di rottura superiore al vetro ed inferiore al policarbonato; è più tenero e sensibile ai graffi e alle abrasioni; a questo generalmente si ovvia con un opportuno rivestimento; può essere modellato per riscaldamento (termoformatura) a temperature relativamente basse (ha temperatura di transizione vetrosa pari a 110 C circa); è più trasparente del vetro alla luce visibile; a differenza del vetro, esistono alcune formulazioni che non fermano la luce ultravioletta (plexiglas GUV-T); è trasparente alla luce infrarossa fino a 2800 nm, mentre la luce di lunghezze d'onda maggiore viene sostanzialmente bloccata; esistono specifiche formulazioni di PMMA 91

97 atte a bloccare la luce visibile e a lasciar passare la luce infrarossa di un dato intervallo di frequenze (usate, ad esempio, nei telecomandi e nei sensori rivelatori di fonti di calore). PMMA trasmette fino al 92% della luce visibile (3 mm di spessore), e fornisce una riflessione di circa il 4% da ciascuna delle sue superfici a causa del suo indice di rifrazione (1,4914 a nm). Filtra la luce ultravioletta (UV) a lunghezze d'onda inferiori a circa 300 nm (simile al vetro della finestra ordinario). Alcuni fabbricanti aggiungono additivi come rivestimenti per migliorare l'assorbimento nell'intervallo nm. PMMA fa passare la luce infrarossa fino a 2800 nm e blocchi IR di lunghezze d'onda fino a nm. Varietà colorate di PMMA consentono il filtraggio di specifiche lunghezze d'onda IR mentre bloccando la luce visibile (per il controllo remoto o applicazioni di sensori di calore, per esempio). PMMA si gonfia e si dissolve in molti solventi organici, ma ha anche una scarsa resistenza a molti altri prodotti chimici a causa dei suoi gruppi estere facilmente idrolizzati. Tuttavia, la sua stabilità ambientale è superiore alla maggior parte delle altre materie plastiche come polistirene e polietilene, e PMMA è quindi spesso il materiale di scelta per applicazioni esterne. PMMA ha un massimo rapporto di assorbimento d'acqua di 0,3-0,4% in peso. La resistenza alla trazione diminuisce con l'assorbimento di acqua maggiore. Il coefficiente di espansione termica è relativamente elevata a (5-10) 10-5 / K. Il PMMA viene normalmente prodotto mediante polimerizzazione in emulsione, polimerizzazione in soluzione e polimerizzazione in massa. Per produrre 1 kg di PMMA sono necessari circa 2 kg di petrolio. Il taglio può esser effettuato attraverso laser che permette di ottenere disegni complessi. Il PMMA vaporizza in composti gassosi (compresi i monomeri) durante il taglio laser, consentendo di ottenere un taglio molto pulito e in maniera semplice, tuttavia, l utilizzo di laser pulsati introduce elevate sollecitazioni interne lungo il bordo di taglio, che quando esposti a solventi produce indesiderabile "stress-cavillo" al bordo tagliato per diversi millimetri di profondità, la ricottura del foglio di PMMA è quindi un obbligo quando s intende unire assieme parti tagliate mediante laser. Questo implica il riscaldamento delle parti in un forno a circolazione d'aria da temperatura ambiente fino a 90 C (ad una velocità di non più di 18 gradi per ora) fino a temperatura ambiente (ad una velocità di non più di 12 gradi per ora). La temperatura dovrebbe essere mantenuto come segue: un'ora per spessore 3mm, due ore per un massimo di 6 mm di spessore, quattro ore per un massimo di spessore 12mm, e sei ore per un massimo di 20 mm di spessore. Un ciclo rapido ricottura è affidabile per lastre sottili e prevede l'inserimento in un forno preriscaldato a 80 C per un'ora, si rimuovono poi le parti dal forno e si lasciano raffreddare a temperatura ambiente. Questo tempo aggiuntivo dove essere preso in considerazione in tutto il processo di fabbricazione, e l'alternativa è il taglio a sega, tecnica che può fornire un migliore rapporto costo-efficacia, per tagli meno complessi e rettilinei. A questo proposito PMMA ha un vantaggio rispetto ai concorrenti polimeri come il polistirolo e policarbonato, che richiedono potenze laser superiori e danno tagli laser più disordinati e carbonizzati. Pezzi di PMMA possono essere saldati a freddo usando adesivi a base di cianoacrilati oppure sciogliendone gli strati superficiali con un opportuno solventediclorometano o cloroformio. La giuntura che si crea è quasi invisibile. Gli spigoli vivi del PMMA possono inoltre essere facilmente lucidati e resi trasparenti. Tuttavia gli incollaggi professionali vengono effettuati con colle a polimerizzazione da due a cinque componenti; la differenza di qualità con queste colle unita alla tossicità/cancerogenicità 92

98 della maggior parte dei solventi di fatto va soppiantando le colle monocomponenti. Il PMMA brucia in presenza di aria a temperature superiori a 460 C; la sua combustione completa produce anidride carbonica e acqua. Analogo al PMMA, ma con un atomo di idrogeno al posto del gruppo metile (CH3) che sporge dalla catena principale, è il polimetilacrilato, un polimero che si presenta come una gomma morbida. Tra gli esempi delle sue applicazioni si annoverano i fanali posteriori delle automobili, le barriere di protezione negli stadi e le grandi finestre degli acquari, mentre uno dei maggiori mercati è il settore bagno dove viene impiegato per la realizzazione di vasche da bagno e piatti doccia. Veniva usato nella produzione dei laserdisc e occasionalmente è utilizzato nella produzione dei DVD; per questi ultimi (e per i CD) è tuttavia preferito il più costoso policarbonato, per via della sua migliore resistenza all'umidità. La vernice acrilica consiste essenzialmente di una sospensione di PMMA in acqua, stabilizzata con opportuni composti tensioattivi, dato che il PMMA è idrofobo. Il PMMA possiede un buon grado di biocompatibilità con i tessuti umani, viene per questo usato nella produzione di lenti intraoculari per la cura della cataratta. Anche le lenti a contatto rigide sono realizzate con questo polimero; alcuni tipi di lenti a contatto morbide sono invece realizzate con polimeri simili, dove però il monomero acrilico ospita sulla sua struttura uno o più gruppi ossidrile, in modo da rendere il polimero maggiormente idrofilo, HEMA (idrossietilmetacrilato). In ortopedia il PMMA è usato come "cemento" per fissare impianti, per rimodellare parti di osso perdute o "riparare" vertebre fratturate (Vertebroplastica). Viene commercializzato in forma di polvere da miscelare al momento dell'uso con metacrilato di metile (MMA) liquido per formare una pasta che indurisce gradualmente. Nei pazienti trattati in questo modo, l'odore del metacrilato di metile può essere percepibile nel loro respiro. Benché il PMMA sia biocompatibile, l'mma è una sostanza irritante. Anche le otturazioni dentali sono realizzate con un "cemento" analogo. In chirurgia estetica, iniezioni di microsfere di PMMA sotto pelle vengono usate per ridurre rughe e cicatrici. Il PMMA è un materiale sensibile alla corrente che lo attraversa e perciò viene utilizzato anche nell'industria microelettronica nei processi di litografia elettronica. Utilizzato pure per l'elevata conducibilità della luce viene impiegato anche per la realizzazione di fibre ottiche. In radiologia il perspex è usato per la creazione di fantocci usati per ricerca o per le prove di qualità. La migliore qualità di lastre in PMMA è certamente ottenuta per colata di uno "sciroppo" acrilico ottenuto prepolimerizzando in reattore agitato il monomero di MMA; La grande esotermia legata però alla polimerizzazione del prodotto rende possibile per la maggioranza dei produttori l'ottenimento di lastre di spessore non superiore ai 3 cm. Oltre questo spessore pochi produttori al mondo possiedono impianti e tecnologie per polimerizzare il PMMA sotto forma di blocco fino a spessori anche superiori ai 400mm. Il destino primario di detti blocchi è artistico (come materia prima per sculture altrimenti non realizzabili con il cristallo), apparecchi medicali e lenti di grossa dimensione, finestrature per i sottomarini e pareti trasparenti per gli acquari oceanici Potenziale di nuovi sviluppi Le nuove frontiere dei rivestimenti per auto stanno studiando la deposizione di rivestimenti funzionali sul lato esterno con nuove funzioni come ad esempio rivestimenti esterni a bassa emissività per la protezione contro la condensa e la 93

99 formazione di acqua e ghiaccio, e permetterebbe inoltre una minor spesa per il riscaldamento consentendo la diminuzione delle dimensioni dell impianto di riscaldamento. Rivestimenti a bassa riflettanza durevoli e facili da pulire possono essere realizzati per mezzo di rivestimenti esterni. Un importante aspetto è lo sviluppo di strati otticamente conduttivi, di lunga durata e bassa emissività. Quando l'emissività della rivestito di vetro Ɛ = 84% e viene ridotta fino a ottenere Ɛ<20%, il raffreddamento viene minimizzato in misura tale da impedire la condensazione di acqua durante la notte e quindi evitare la formazione di ghiaccio sul vetro. I primi lavori risalgono al 1980 dove film di SnO 2 erano depositati per mezzo di pirolisi a spruzzo. Tuttavia, la durata del rivestimento non è sufficiente, poiché la elevata rugosità della SnO 2 ha dato luogo ad usura estesa nella Taber test. La nuova tecnologia di spruzzamento magnetronico di ioni ad alta potenza apre un percorso per risolvere quel problema: (In 2 O 3 : Sn) film con spessore di 140 nm possono essere depositati su substrati di vetro riscaldati. Fig4.11. Rivestimento idrofobico autorigenerante Questo rivestimento trasparente e conduttivo consente di curvare il vetro ed è estremamente resistente. Sia le caratteristiche graffiatura e l usura sono migliorate rispetto al vetro minerale normale. Una nuova frontiera per l idrofobicità sono strati idrorepellenti auto-rigeneranti. L autorigenerazione è dovuta ad uno strato polimerico, che rilascia una cera voltatile simile al polimero attraverso un materiale poroso in un ossido di metallo nanostrutturale posto come rivestimento esterno. L idrofobicità è dovuta alla morfologia della pellicola di ossido metallico più la bassa energia superficiale della pellicola di cera. Un film di cera usurato viene ripristinato per mezzo della diffusione del polimero dal serbatoio. Questo processo di trasporto di materiale è stabile nel lungo termine e protegge la superficie in un modo eccellente Processi e tecnologie di produzione per la deposizione di film sottili Processi con l utilizzo di plasma Deposizione di film sottili e processi di trattamento superficiale a base di plasma a bassa pressione sono ancora la chiave per realizzare molte delle innovative superfici in ingegneria automobilistica. Le due famiglie di base sono deposizione di vapore fisico (PVD) e deposizione chimica di vapore assistita da plasma (PACVD). Evaporazione e spruzzamento ionico sono i più importanti processi PVD. Essi richiedono vuoto, poiché le particelle singole devono essere trasportati ad una distanza di alcune decine di cm 94

100 dalla sorgente fino alla superficie del rivestimento senza perdite di energia. Il materiale del rivestimento è solido, film sottili vengono depositati tramite la transizione solidoliquido-vapore-solido in caso di evaporazione o solido vapore solido in caso di spruzzamento catodico. L'evaporazione è il più antico processo PVD. Materiali con un apprezzabile pressione di vapore a temperature fino a 1500 C (questo vale per molti metalli) può essere evaporato mediante riscaldamento resistivo, per materiali con un punto di fusione più elevato (ad esempio ossidi metallici) viene utilizzato un fascio elettronico di evaporazione. L'evaporazione è un processo piuttosto veloce con velocità di deposizione nell'intervallo di alcuni mm/s. Tuttavia, la qualità e l adesione al substrato possono soffrire del basso livello di energia (circa 0,2 ev) delle particelle evaporate. Le particelle evaporate che attraversano la zona del plasma vengono attivate e ionizzate e di conseguenza possono formare una pellicola molto densa. L'evaporazione a fascio elettronico è oggi il procedimento preferito per la produzione di rivestimenti antiriflettenti sulla lenti per strumenti ottici o occhiali. Le particelle vengono accelerate nel campo elettrico, colpiscono la superficie e il trasferimento della loro energia agli atomi del substrato fa si che esse vengono espulse e formino una sottile pellicola sul substrato. L aggiunta di un gas reattivo (ad esempio ossigeno o azoto) all argon, permette il deposito di ossidi metallici e nitruri. Rispetto ad altre tecnologie di deposizione, lo sputtering è un processo piuttosto lento (tassi di deposizione nell'intervallo nm/s). Tuttavia, poiché l'energia di atomizzate atomi è circa 10 volte maggiore dell'energia delle particelle evaporate, si riescono ad ottenere film sottili, densi e lisci con un qualità maggiore. Con l'introduzione del catodo magnetron planare nella fine degli anni settanta lo sputtering cominciò a conquistare tutti i settori industriali che necessitano di tecnologie a film sottile per la realizzazione o il miglioramento di prodotti. I principali vantaggi magnetron sputtering sono: Plasma a bassa impedenza e quindi corrente di scarica elevata nell ordine da 1 a 100 A (a seconda della lunghezza di target) alla tensione tipica circa 500 V; I tassi di deposizione che vanno da 1 nm/s a 10 nm/s (in alcuni casi fino a 50 nm/s) e quindi adatti per la produzione economica di massa; Basso carico termico sul substrato che permette la deposizione di film su quei substrati sensibili alla temperatura; Ottima omogeneità di rivestimento anche per catodi con una lunghezza di diversi metri; Film denso e ben aderente; Grande varietà di materiali di rivestimento. Il funzionamento di un catodo magnetron si basa sull intrappolamento di elettroni in un campo magnetico. I problemi più gravi del processo di magnetron planare sputtering erano lo scarso utilizzo del materiale di destinazione di circa 25% e le instabilità che accompagnano il processo reattivo di deposizione di materiali isolanti come SiO 2 Al 2 O 3 o l alimentazione in DC. Entrambi i problemi sono stati risolti attraverso un intenso lavoro di ricerca nell arco degli ultimi due secoli. Nel 1985 Wright e Beardow hanno studiato una versione tubolare di magnetron che è stata industrializzata come'' C- MAG'' anni più tardi. Il bersaglio è un tubo rotante attorno a un campo magnetico fisso. Con tali magnetroni girevoli l utilizzazione del materiale è di oltre il 90% e si può 95

101 raggiungere una durata del bersaglio di diverse settimane. Pulse magnetron sputtering gestito da alimentatori in un gamma di frequenza da 10 khz a 100 khz è stato introdotto per la deposizione stabile di ossidi isolanti o nitruri, in particolare su ampie superfici, il film depositato ha una durata Fig Processo PACVD maggiore. In qualsiasi momento, uno dei plasma agisce come sorgente sputter catodo, mentre l'altra funge da anodo. Instabilità di processo durante la deposizione di materiali isolanti sono state quasi eliminate. Nel 1999, Kouznetsov et al. hanno Fig4.13. Magnetron sputtering depositato film utilizzando una densità di potenza fino a 2800 W/cm 2 ('' convenzionali cm scariche DC funzionano a W/cm2). La durata tipica dell'impulso tipica è di 50 ms con frequenze intorno a 50 Hz la potenza media dissipata in tale modo è simile a quella in Fig Magnetron sputtering in scala atomica DC. In un processo HPPMS una quantità di pellicola viene ionizzata (50-90%) consentendo la formazione di film densi. Dekoven et al. Ha rilevato che sul utilizzo di HPPMS per la deposizione di film DLC con una densità di 2,7 g/cm 3 (2,0 g/cm 3 vengono solitamente ottenuti con DC sputtering. Processi HPPMS sono già affermati in verniciatori industriali. Nei processi CVD il film sottile è formato direttamente nella fase gassosa. Il materiale di sorgente è un vapore. Materiali liquido possono essere impiegati, ma non prima di essere trasferiti in fase vapore. Ci sono processi CVD che necessitano del vuoto e quelli che si svolgono a pressione atmosferica. L'energia fornita al gas nel reattore CVD viene utilizzata per rompere i legami, il film è quindi formato dai frammenti. A seconda del metodo in cui l energia viene applicata, possiamo distinguere tra termica e CVD assistito da plasma o PACVD. CVD termico richiede temperature di processo piuttosto elevate (fino a C) ed quindi è limitato a riscaldare substrati resistenti, mentre PACVD è un processo piuttosto 'freddo' e quindi adatto anche per plastiche. I tassi di deposizione dei processi CVD variano dal decimo fino a parecchi nm/s. Una tipica applicazione è la deposizione PACVD di DLC. Gas precursori adatti sono acetilene (C 2 H 2 ) o metano (CH 4 ). A tassi di deposizione di 1-2 mm/h ed uno spessore richiesto maggiore ai micrometri il tempo di deposizione è nell'intervallo di poche ore. Un ulteriore importante processo PACVD è 96

102 Fig Attrezzature per la verniciatura industriale sputtering di DLC. Due catodi sono mostrati nella parte sinistra della immagine. la deposizione di silicio amorfo da silano (SiH 4 ), un gas contenente silicio. Transistor a film sottile che controllano i singoli pixel degli schermi a cristalli o l assorbimento di energia dei pannelli solari basati su una matrice in film sottile di silicio nelle celle solari sono ottenuti per mezzo di processi PACVD ed è quindi evidente che è un processo chiave per la produzione di prodotti innovativi. Deposizione di vapore chimico (HFCVD) per mezzo di filamenti caldi è un processo termico CVD che necessita del vuoto e utilizza una matrice di fili di tungsteno che vengono riscaldati a temperature tra 2000 e 3000 C. Il rivestimento di grandi piastre bidimensionali (dimensioni fino a 500 mm 1000 mm) o substrati con una geometria cilindrica sono possibili in reattori differenti. Tecniche HFCVD sono state utilizzate per la deposizione di diamante policristallino su grandi aree. La possibilità di produrre silicio amorfo, microcristallino nitruro di silicio, silicio ed è stata comprovata. HWCVD può essere un passo importante sulla strada per rendere redditizia la produzione di cellule solari. 4.5.Bibliografia capitolo 4 Da articoli scintifici: Cannavale A., Fiorito F., Manca M., Tortorici M.,2009, Multifunctional bioinspired sol-gel coatings for architectural glasses a Politecnico di Bari. Takashige Yoneda, Takeshi Morimoto,1999, Mechanical durability of water repellent glass, Research Center, Asahi Glass Eugen Axinte,2010, Glasses as engineering materials: A review, Gh. Asachi Technical University of Iasi 97

103 P. Groombridge, A. Oloyede, P. Doherty-Bigara, Development and implementation of visual feedback technology in automotive windscreen manufacture, School of Mechanical, Manufacturing and Medical Engineering, Queensland University of Technology. K. Bewilogua, G. Brauer, A. Dietz,2009, Surface technology for automotive engineering, Fraunhofer-Institute for Surface Engineering and Thin Films (IST), Braunschweig, Bremen Institute for Metrology, Automation and Quality Science (BIMAQ), Institute for Manufacturing Technology and Quality Management (IFQ), University of Magdeburg. Olaf Dambon, Fei Wang, Fritz Klocke,2008, Efficient mold manufacturing for precision glass molding, Fraunhofer Institute for Production Technology IPT. Da siti internet: di consultazione: 04/01/ di consultazione: 17/01/ data di consultazione: 15/02/ data di consultazione: 20/12/ Data di consultazione: 03/02/

104 CONCLUSIONI I recenti sviluppi nel campo delle tecniche di deposizione di film sottili hanno aperto la strada alla graduale sostituzione dei vetri minerali con polimeri quali il policarbonato e il polimetilmetacrilato. I principali limiti di utilizzo di questi materiali, infatti, consistevano nella minor durezza superficiale e nella minor resistenza all usura ambientale a causa della degradazione per mezzo di raggi UV e di solventi chimici. Grazie all implementazione di tecniche quali la deposizione di vapore fisico (PVD) e deposizione chimica di vapore assistita al plasma (PACVD), la creazione di film sottili ha raggiunto gradi di omogeneità e di durata dei film di ricoprimento impensabili fino a pochi anni fa. Il minor peso, la facilità di formazione e le proprietà ottiche maggiori faranno sì che i polimeri potranno sostituire quasi completamente i vetri in quei campi critici, come quello automotive, in cui sono richieste finestrature dalle forme sempre più estreme e pesi sempre più contenuti, proprietà non ottenibili con il normale vetro minerale. In campo architettonico questi polimeri andranno a sostituire molto più lentamente il vetro, a causa delle durate comunque limitate dei rivestimenti. I recenti studi mirati alla creazione di vetri sodico calcico con profilo ESP, hanno aperto una nuova frontiera nella progettazione con il vetro. I primi studi sui profili ESP erano infatti stati fatti sui vetri alluminosilicati, vetri costosi che limitavano necessariamente il loro utilizzo ad applicazioni speciali. I nuovi vetri sodico calcico con profili ESP, essendo molto meno costosi, consentiranno la progettazione con un vetro dalle proprietà uniche, come il crack arrest e l avviso visivo pre frattura, che ne fanno il vetro di sicurezza per eccellenza. La resistenza meccanica maggiore, la maggior affidabilità, la possibilità di creare profili ESP su ogni genere di manufatto vetraio, con le forme più svariate e complesse (in quanto processo di tempra chimica), e la possibilità di creare profili progettati ad hoc per ogni genere di applicazione, semplicemente variando la temperatura e il tempo di esposizione al bagno di sali fusi, porterà alla parziale sostituzione della tempra termica per la creazione di vetri di sicurezza, e amplierà la gamma di utilizzo del vetro in campo strutturale grazie al peso minore e alla elevatissima affidabilità. Nel campo dei processi industriali di produzione e formazione del vetro si stanno ottenendo risultati sensazionali grazie alla progettazione di stampi e processi progettati con ausilio di software di calcolo numerico per l analisi delle principali problematiche meccaniche e termodinamiche. Grazie a questi software si riescono a raggiungere prodotti con una qualità maggiore in tempi minori, saltando o limitando la sperimentazione, processo lungo e dispendioso. Le analisi numeriche permettono di evitare processi quali l iterazione stampo, e mettono in evidenza quelle criticità che ci si trova spesso ad affrontare una volta che la produzione è già stata inviata, come nel caso di sollecitazioni termiche troppo gravose, permettendo la modifica dei parametri critici già in fase progettuale, limitando così i tempi di ingresso sul mercato. 99

105 BIBLIOGRAFIA Da libri: Scarinci G.,Colombo P. Il vetro in edilizia - Padova : Libreria Progetto, Da Catalano F., Schibuola F. Scienza e Tecnologia dei materiali - AA Da articoli scientifici: Vincenzo M. Sglavo, Andrea Prezzi Analisi frattografica in situ di vetri ESP S. Jill Glass, Matthew Abrams,Rudolph V. Matalucci, 2000, New Glass Technologies for Enhanced Architectural Surety : Engineered Stress Profiles (ESP) in Soda-Lime-Silica Glass Sandia National Laboratories Dimitrie Mangeron, 2010, Glasses as engineering materials: A review Gh. Asachi Technical University of Iasi, Faculty of Machine Manufacturing & Industrial Management. Cannavale A., Fiorito F., Manca M., Tortorici M.,2009, Multifunctional bioinspired sol-gel coatings for architectural glasses a Politecnico di Bari. Takashige Yoneda, Takeshi Morimoto,1999, Mechanical durability of water repellent glass, Research Center, Asahi Glass P. Groombridge, A. Oloyede, P. Doherty-Bigara, Development and implementation of visual feedback technology in automotive windscreen manufacture, School of Mechanical, Manufacturing and Medical Engineering, Queensland University of Technology. K. Bewilogua, G. Brauer, A. Dietz,2009, Surface technology for automotive engineering, Fraunhofer-Institute for Surface Engineering and Thin Films (IST), Braunschweig, Bremen Institute for Metrology, Automation and Quality Science (BIMAQ), Institute for Manufacturing Technology and Quality Management (IFQ), University of Magdeburg. Olaf Dambon, Fei Wang, Fritz Klocke,2008, Efficient mold manufacturing for precision glass molding, Fraunhofer Institute for Production Technology IPT. Da siti internet: data di consultazione:17/02/ di consultazione: 04/01/ data di consultazione 03/03/ data di consultazione 03/03/ data di consultazione 03/03/ data di consultazione 10/02/ data di consultazione:17/02/ di consultazione: 17/01/ data di consultazione:23/02/ data di consultazione: 15/02/ data di consultazione: 20/12/ Data di consultazione: 03/02/

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