Percorsi Abilitanti Speciali Classe A016 Costruzioni, Tecnologia delle costruzioni e Disegno Tecnico Vetro Roma, 11 aprile 2014 11
Vetro Da un punto di vista chimico-fisico il vetro è un solido amorfo o liquido ad alta viscosità, che viene prodotto dal rapido raffreddamento di materiale siliceo allo stato fuso. Per vetro si intende un prodotto, ad elevata trasparenza, ottenuto per fusione ad alta temperatura di una miscela di: - silice (72%); - carbonato di sodio (la cosiddetta soda, 13,6%); - carbonato di calcio (10,8%); - ossido di magnesio (la cosiddetta magnesia, 2,6%); - ossido di alluminio (la cosiddetta allumina, 0,7%); e raffreddata gradualmente fino al suo completo indurimento: mentre la silice (diossido di silice SiO 2 ) allo stato puro ha un punto di fusione a 2.000 C, la miscela abbassa la temperatura di fusione fino a 1.400 C circa. La produzione del vetro in due immagini storiche. 02
Vetro I principali componenti usati per la fabbricazione del vetro sono quindi un vetrificante (sabbia silicea), uno stabilizzante (il carbonato di calcio stabilizza la miscela alla solubilità in presenza di acqua) e un fondente (il solfato di sodio abbassa sensibilmente il punto di fusione): a questi componenti viene solitamente aggiunto del vetro riciclato per diminuire il consumo di combustibile e di materia prima. La silice, diossido di silicio ovvero SiO 2, in forma di sabbia silicia può contenere altri minerali, argille ed impurezze dovute a ossidi di ferro e cromo per una percentuale variabile tra il 30% e il 40%. Sabbia silicea in Egitto. 03
Vetro I solidi cristallini presentano una disposizione ordinata delle particelle (atomi, molecole, ioni) che si ripetono periodicamente nello spazio costituendo un reticolo tridimensionale. Tale regolarità, ha conseguenze anche su scala macroscopica, determinando l abito dei cristalli e influenzando le proprietà fisiche. In una sostanza vetrosa vi è una disposizione disordinata e casuale delle particelle che la costituiscono. Lo stato amorfo è paragonabile a quello di un solido bloccato nella struttura disordinata del liquido. Sostanze amorfe sono i vetri, la gomma naturale e molte materie plastiche. 04
Cenni storici Plinio il vecchio (Como, 23 d.c.-castellammare di Stabia 79 d.c.) racconta che il vetro sarebbe nato casualmente nel III Millennio a.c. sulle coste della Fenicia. Nella Naturalis Historia narra infatti di alcuni mercanti fenici che accesero un fuoco sulle rive del fiume Belo in Siria, ed usarono accidentalmente come supporti per cucinare, blocchi di soda naturale: questi si fusero per il calore mescolandosi alla sabbia della spiaggia, e diedero origine al primo materiale vetroso. Anche le prime suppellettili in vetro, che nella forma primitiva erano quasi totalmente prive di trasparenza, furono rinvenute nelle regioni centrali della Mesopotamia, quindi nella stessa area geografica dove furono poi definite le prime tecniche di lavorazione. Nella metà del I secolo a.c. circa fu sviluppata la tecnica del soffiaggio. Coppa diatreta di epoca romana del IV secolo a.c. Il termine diatreta si riferisce alla particolare tecnica di lavorazione dell oggetto, che consisteva nella soffiatura di un vaso grezzo di spessore notevole, sul quale veniva intagliata una lavorazione a reticolo 05
Cenni storici Dal soffiaggio di sfere e cilindri nel 600 si è passati alla produzione di lastre di vetro per colaggio, come si fa con i metalli, e nel 900 si è dato inizio alla produzione del vetro tirato e poi laminato fra due rulli. Nel 1959 l inglese Alastair Pilkington mette a punto la produzione per colatura in continuo su un bagno di stagno fuso: il sistema è stato brevettato e avviato alla produzione dalla Saint Gobain nel 1972. Il vetro così prodotto, che rappresenta più del 90% del vetro prodotto a livello mondiale, è detto float-glas (dall inglese to float ovvero galleggiare) perché a un determinato punto del processo produttivo il nastro di vetro si trova a galleggiare sullo strato di stagno liquido. Manifattura artigianale e attrezzi per la lavorazione del vetro (1850 circa). Soffiaggio del vetro 06
Produzione del vetro Approvvigionamento Macinazione Miscelazione Approvvigionamento, macinazione e miscelazione Le prime tre fasi si articolano nelle seguenti operazioni: - una volta fornite le materie prime si procede con l analisi della purezza delle sostanze. Per i vetri ottici ad esempio, si usa il diossido di silice puro al 99,7%; - le materie prime scelte vengono ridotte in polvere di 0,2-0,5 mm di diametro; - le polveri vengono miscelate con rottami di vetro che fungono da fondente. Fusione Processo produttivo del vetro. Raffinamento Ricottura Riposo e condizionamento Formatura 07
Produzione del vetro Fusione Durante la fusione, che avviene a temperature comprese tra i 1.100 C e i 1.500 C, viene eliminata l acqua presente nei componenti di partenza; allo stesso tempo vengono dissociati i carbonati dai solfati con il conseguente sviluppo di anidride carbonica o solforosa e la formazione di una massa fusa omogenea. In particolare, i carbonati si decompongono negli ossidi che a loro volta reagiscono con la silice per dare corrispondenti metasilicati di sodio e di calcio: Ossido di sodio Na 2 O + Diossido di silice SiO 2 Silicato di sodio Na 2 SiO 3 Ossido di calcio CaO + Diossido di silice SiO 2 Metasilicato di calcio CaSiO 3 che formano il solido amorfo. Il metasilicato di calcio è detto anche Wollastonite dal nome dal chimico inglese William Hyde Wollaston (1766-1828). La massa fusa omogenea di vetro. 08
Produzione del vetro Raffinamento Il raffinamento è l operazione attraverso la quale vengono eliminati i gas che potrebbero originare difetti nei manufatti preparati. In questa fase le parti non fuse si depositano sul fondo del forno e le bolle di gas formatesi durante la fusione migrano in superficie. Tale fenomeno è ottenuto aggiungendo alla massa fusa piccole percentuali di agenti raffinanti che facilitano l espulsione perché contribuiscono ad aumentare il volume delle bolle. Siccome le temperature raggiunte sono molto alte, ovvero fino a 1.600 C, i materiali refrattari convenzionali non possono essere utilizzati, in quanto sarebbero danneggiati dal calore, e quindi contaminerebbero il vetro con impurità ovvero come coloranti: per tale motivo viene utilizzato il platino, un materiale inalterabile dal vetro fuso. Al termine di questa fase il vetro fuso presenta in tutti i punti uguale composizione chimica e le stesse proprietà fisiche. L espulsione delle bolle in fase di raffinamento. 09
Produzione del vetro Riposo o condizionamento La fusione si conclude con la fase di riposo o condizionamento, durante la quale la massa viene raffreddata poco a poco fino alla temperatura di formatura (1.200 C). Formatura Il vetro, ancora fluido, si trova ad una temperatura nella quale assume una viscosità tale da poter essere lavorato e da conservare la forma impartita senza alterazioni. La formatura può essere ottenuta con le seguenti modalità: - colata e stampaggio, per la produzione di vetro cavo (bicchieri, bottiglie, etc.); - soffiatura, a bocca o con ugelli immette nell impasto aria compressa per creare vetri di laboratorio o opere d arte; - laminazione, è adottata per la produzione di vetro piano; - stiratura, consiste nella produzione di fogli continui con spessore 0,1-1,0 mm e larghezza di 2,5 m, attraverso una serie di rulli posizionati verticalmente. La formatura del vetro. 10
Produzione del vetro Ricottura La ricottura consiste in un riscaldamento del vetro e serve essenzialmente per eliminare le tensioni interne formatesi in fase produttiva per irregolarità di riscaldamento o raffreddamento. La scelta della temperatura e della velocità di raffreddamento sono in funzione del tipo di vetro e del suo spessore. Dopo aver raggiunto la temperatura dovuta, l oggetto viene mantenuto in tale stato per un periodo sufficiente ad assicurare il raggiungimento dell uniformità termica in ogni suo punto; quindi viene raffreddato lentamente, fino a una temperatura inferiore di 50 C a quella di ricottura, ed infine viene portato rapidamente a temperatura ambiente. Il forno per la ricottura. 11
Caratteristiche Oltre a trasparenza, brillantezza e lucidità della superficie, il vetro presenta una scarsa resistenza a trazione e un elevata fragilità, che produce una rottura brusca senza che avvengano precedentemente deformazioni e snervamenti: queste caratteristiche negative possono essere eliminate dal trattamento a tempera (vetro temperato) o con l unione con altri materiali. Il vetro, inoltre, ha una durezza elevatissima, un alto coefficiente di dilatazione, una notevole omogeneità e una ottima resistenza all attacco della maggior parte degli acidi, ad eccezione dell acido fluoridrico. Materiali quali vetro, ghisa e alcuni polimeri che non sono dotati di plasticità, ovvero che arrivano a rottura in assenza di una deformazione plastica permanente, vengono definiti fragili. 12
Tipologie di vetro In commercio esistono diversi tipi di vetro quali: 1. greggio, colato e laminato è generalmente incolore; 2. retinato, colato e traslucido è un vetro greggio con incorporata una rete metallica a maglia quadrata (12,5 mm); 3. lucido, ottenuto per tiratura meccanica della massa fusa, presenta sulle due facce, naturalmente lucide, ondulazioni più o meno accentuate non avendo subito lavorazioni superficiali; 4. trasparente, chiaro o colorato è ottenuto per colata mediante galleggiamento su un bagno di metallo fuso; 5. specchio, detto anche vetro argentato, è una lastra di vetro con una faccia rivestita di alluminio o argento (tecnica ideata da Justus von Liebig nel 1835), che produce una immagine per riflessione degli oggetti che gli stanno davanti. Gli specchi usati sino al Medioevo erano dei semplici dischi di metallo (bronzo, stagno o argento) leggermente convessi e lucidati. Negli specchi usati per gli strumenti ottici, il metallo riflettente viene fatto depositare sulla superficie anteriore del vetro anziché su quella posteriore, in modo da evitare le deboli riflessioni prodotte dal vetro stesso; Fase di lavorazione del vetro. 13
Monica Bonvicini, Mirror Public Toilet, London (UK) 2004 L artista Monica Bonvicini (Venezia 1965) ha realizzato un installazione costituita da un servizio igienico rivestito di vetro specchiante. 14
Monica Bonvicini, Mirror Public Toilet, London (UK) 2004 L opera ha l eloquente titolo Don t Miss A Sec. 15
Tipologie di vetro 6. temperato, trattato termicamente o chimicamente consente di aumentare notevolmente (fino a 4-5 volte) le caratteristiche di resistenza meccanica e di resistenza allo shock termico. Consiste nel portare la lastra di vetro, in un apposito forno, alla temperatura di circa 700 C e poi di raffreddarla bruscamente; questo procedimento genera, all interno della lastra, delle tensioni che si oppongono alle forze esterne di flessione. In caso di rottura, le tensioni interne vengono liberate istantaneamente causando lo sbriciolamento del vetro in minuscoli frammenti inoffensivi: per questo suo comportamento, il vetro temperato è considerato prodotto di sicurezza verso le persone. Un esempio tipico di applicazione dei vetri temperati sono finestrini delle autovetture, box doccia, piani di tavoli e mobili per arredo). Anche se soltanto raramente, a causa delle tensioni il vetro temprato può presentare il problema della rottura spontanea; 7. satinato, è un vetro sottoposto ad una lavorazione che ne rende la superficie opaca; Dettaglio della connessione di una maniglia in metallo su una porta costituita da una lastra di vetro temprato. 16
Tipologie di vetro 8. stratificato, detto anche vetro laminato, formato da due o più lastre di vetro e da uno o più strati interposti di materia plastica (polivinilbutirrale) che incollano tra loro le lastre di vetro. Solitamente il PVB usato è incolore e perfettamente trasparente; esistono anche versioni di PVB colorato (però in una gamma limitata di colori) oppure bianco latte o acidato per creare vetri stratificati traslucidi, cioè trasparenti alla luce ma non alle immagini. In caso di rottura di una o di entrambe le lastre di un vetro stratificato, tutti i frammenti di vetro restano attaccati al foglio di PVB (o allo strato di resina indurita o al plastico) impedendo così il ferimento di persone (vetro di sicurezza anti-infortunio): aumentando lo spessore delle lastre di un vetro stratificato e/o il numero di lastre di vetro che lo compongono, si ottengono vetri anti-intrusione, vetri anti-sfondamento, vetri calpestabili (per gradini di scale, pavimenti sospesi, lucernari, etc.) e vetri anti-proiettile. Per ottenere effetti cromatici particolari è possibile inserire tessuti (seta, cotone, fibre artificiali, etc.) trasparenti, semi-trasparenti o coprenti tra le lastre. Vetro Float acidato (4,0 mm) Polivinilbutirrale (1,0 mm) Specchio (3,0 mm) Vetro stratificato con spessore complessivo di 8,0 mm. 17
Tipologie di vetro 9. acidato, è un vetro con una superficie di tipo granuloso, che viene ottenuto per mezzo di un trattamento chimico basato sull impiego di acido fluoridrico, che presenta caratteristiche chimico-fisiche tali da intaccare il vetro e conferire la granulosità superficiali; 10. vetrocamera, formato da lastre di vetro unite al perimetro, con interposto un distanziatore, a mezzo di adesivi o altro, in modo da formare una o più intercapedini contenenti aria secca o gas nobili (argon, krypton, xenon, etc.); 11. basso emissivo, è un vetro su cui è stata posata una pellicola (couche) di uno specifico materiale (ossidi di metallo), che ne migliora notevolmente le prestazioni di isolamento termico, senza modificarne sostanzialmente le prestazioni di trasmissione della luce. I più comuni sono 4 mm 3/3 oppure 4/4. Possono risultare leggermente colorati per effetto del trattamento superficiale; 12. selettivo, è un vetro basso emissivo che svolge un'azione di filtro nei confronti del fattore solare, scoraggiando la trasmissione del calore per irraggiamento. È generalmente prodotto con l impiego di lastre colorate ed è solitamente confezionato in vetrocamera in modo da raggiungere il doppio obiettivo ovvero isolare termicamente e filtrare i raggi solari. È impiegato nella realizzazione di grandi vetrate o facciate continue pluripiano. Parete interna in vetro acidato. 18
Tipologie di vetro I vetri possono subire seconde lavorazioni quali la molatura dei bordi, la foratura, l incisione, la curvatura e la smaltatura. Le lastre di vetro sono realizzate con spessori standard di 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 19, 22 e 25 mm. Per ottenere effetti cromatici particolari è possibile inserire tessuti (seta, cotone, fibre artificiali, ecc.) trasparenti, semi-trasparenti o coprenti tra i due o i tre vetri. 19
Controllo solare con vetro trasparente Un normale vetro viene attraversato dall 85% delle radiazioni solari. 20
Controllo solare con vetro assorbente Sono ottenuti tramite rivestimento magnetronico (ossidi metallici di ferro o rame depositati sotto vuoto mediante processo elettromagnetico) o pirolitico (ossidi metallici depositati tramite pirolisi all uscita del forno e ad alte temperature). Un vetro assorbente riesce a ridurre l attraversamento delle radiazioni solari fino al 56%. 21
Controllo solare con vetro riflettente Come per il vetro assorbente anche il vetro riflettente viene rivestito da ossidi metallici. I vetri riflettenti sono fortemente tinti e quando si surriscaldano presentano un elevato rischio di frattura. Un vetro riflettente riesce a ridurre l attraversamento delle radiazioni solari fino al 21%. 22
Vetro colorato Per realizzare il vetro colorato è necessario aggiungere alle sostanze di base dei costituenti secondari, quali ossidi metallici in quantità molto ridotta ovvero in concentrazione anche minore del 5% della massa totale. Frequentemente in architettura i vetri colorati sono ottenuti dall inserimento di intercalari in polivinilbutirale all interno delle lastre in vetro stratificato: gli intercalari sono singoli o multipli per ottenere diversi effetti cromatici. Colorante Ossido di Cerio (CeO) Ossido di Ferro (FE 2 O 3 ) Ossido di Nichel (NiO) Ossido di Rame (CuO) Colore Giallo Verde Violetto Verde-Blu Alcune delle sostanze utilizzate come colorante. Vetro colorato. 23 Tatano, V. (a cura di) Oltre la trasparenza. Riflessioni sull impiego del vetro in architettura, Officina, Roma 2008.
Riciclabilità È importante sottolineare come il vetro contribuisca alla salvaguardia dell ambiente per effetto della sua caratteristica di essere completamente riciclabile: anche per questo motivo, oltre che per la sua longevità, la sua inerzia ambientale (non emette gas o sostanze tossiche), il vetro risulta essere un materiale con basso impatto ambientale. Il Consorzio Recupero Vetro (CO.RE.VE.) è stato costituito nel 1997 dai principali gruppi vetrari in ottemperanza agli art. 38 e 40 del D.lgs. 22/1997. In particolare, il Consorzio organizza il ritiro dei rifiuti, l informazione degli utenti, l avvio a riciclo dei rifiuti in vetro. Il vetro ha un ciclo praticamente infinito. 24
Riciclabilità Polvere di vetro riciclato per intonaci. Isolante termico in fibre di vetro riciclato. Pavimenti e rivestimenti in lastre e tessere di vetro riciclato. 25