Unione Europea I.C. “Telesio” MIUR

ISTITUTO COMPRENSIVO “B. TELESIO”

Via Modena S. Sperato, n. 1 - 89133 Reggio Calabria

Codice Meccanografico: RCIC84200V - Tel.0965/685016 – Fax 0965/672118

Plesso: Scuola Secondaria di I grado E. Montalbetti

a.s.2013/14

Classe Prima ____

I DOCENTI:

Giovanni De Vincenzi

Domenico Marino

Tecnica e Tecnologia1

Premessa

Sono a tutti evidenti le enormi differenze che esistono tra le condizioni di vita degli uomini vissuti nella preistoria e quelle dell’uomo di oggi. Ma come si è passati da un modo di vivere così disagiato e pericoloso, quale sicuramente era quello dei nostri antenati, alle tante comodità dei nostri giorni? Solo e semplicemente attraverso una lunghissima serie di scoperte ed invenzioni.  Le tecniche sono i procedimenti mediante cui tali invenzioni e scoperte sono state fatte.Il motivo per cui nella scuola media si studia Tecnologia è quello di apprendere il metodo con cui tali invenzioni e scoperte sono state fatte, poiché la conoscenza di tale metodo e soprattutto la capacità di utilizzarlo è estremamente utile in moltissime situazioni di lavoro, di studio, di attività domestiche, cioè nella vita di tutti i giorni. Ma quale è questo metodo?Per scoprirlo cerchiamo di esaminare come è stata fatta una qualunque invenzione come, ad esempio, quella dell'aeroplano, che, come è noto, è dovuta a Leonardo da Vinci.

L'impresa cominciò con l'accurata osservazione del volo degli uccelli ed ancora oggi in vari musei si conservano gli appunti ed i disegni che egli realizzò durante tale studio. La prima fase di un'invenzione o di una scoperta è infatti l'osservazione, in genere di ciò che ci circonda, cioè della natura.Ma essa certamente non è sufficiente poiché è necessaria una seconda e molto più difficile fase, quella dell'ideazione. Nel nostro esempio Leonardo ebbe cioè l'«idea» di realizzare una macchina che, imitando il volo degli uccelli, permettesse anche all'uomo di volare.Successivamente egli, in vari disegni che si conservano ancora oggi, passò a descrivere come dovesse essere fatta tale macchina, cioè di quali materiali, di quali pezzi, come le varie parti dovessero essere collegate, ecc. In pratica egli, dell'aereo, fece il progetto, che costituisce appunto la terza fase di ogni conquista.Infine affinché l‘invenzione o la scoperta possa essere praticamente utilizzata è necessario che degli operai e dei tecnici, seguendo le indicazioni del progetto, costruiscano, nel nostro caso, l’aeroplano. Questa quarta ed ultima fase di ogni conquista è infatti la realizzazione.

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Manoscritto E.La TecnologiaSe ora consideriamo che Leonardo da Vinci è vissuto nella stessa epoca in cui Cristoforo Colombo scopriva l‘America, cioè tra la fine del 1400 e l‘inizio del 1500, e che il primo aereo che effettivamente abbia volato è stato quello dei fratelli Wright nel 1903, ci rendiamo conto che per passare dalla fase del progetto a quella della realizzazione ci sono voluti circa 400 anni.Per cercare di capire il motivo di tale ritardo analizziamo come era fatto l‘aereo ideato da Leonardo.Esso aveva una struttura in legno ricoperta di tela.Ora, entrambi questi materiali erano ben noti ed utilizzati a quei tempi, basti pensare allo scafo ed alle vele delle caravelle che Colombo adoperò nel suo viaggio.Ma, per volare, un aereo ha bisogno di un‘elica, che comunque è possibile costruire in legno, e soprattutto di un motore che la faccia girare.Premesso che l‘uso dei metalli risale ad epoca preistorica (età del rame, età del ferro), perché all‘epoca di Leonardo da Vinci non fu possibile costruire un motore?Per il semplice motivo che allora tutti gli oggetti venivano costruiti a mano, come i metalli lavorati dal fabbro sull‘incudine, e pertanto non potevano avere quella precisione e quella uniformità di dimensioni che richiede la realizzazione di una macchina complessa quale è un motore.Quando, invece, alla fine del 1700, con la Rivoluzione Industriale si cominciarono a costruire gli oggetti con l‘uso delle macchine, fu possibile raggiungere la precisione richiesta e realizzare i motori che vennero utilizzati prima per le macchine stesse, poi per i mezzi di trasporto terrestri (locomotive) e navali ed infine anche per far volare gli aeroplani.Tutta questa lunga spiegazione si può comunque riassumere affermando che ai tempi di Leonardo da Vinci la tecnologia dei metalli non era in grado di costruire un motore. La tecnologia è infatti la «scienza che studia la trasformazione delle risorse naturali in materie prime e poi in oggetti finiti».

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Detto che si definisce risorsa naturale qualunque materiale che si trovi spontaneamente in natura e che un oggetto finito è un oggetto pronto per essere usato, vediamo di capire meglio che cosa è la tecnologia.Immaginiamo di voler costruire una sedia di legno.La risorsa naturale è l’albero, la materia prima è ovviamente il legno e l‘oggetto finito è la sedia su cui possiamo sederci.Per passare però dal legno ancora nell‘albero alla sedia sono necessarie tutta una serie di operazioni, quali ricavare il legno dall‘albero, tagliarlo, piallarlo, incollarlo, inchiodarlo… Una serie di pratiche di cui si occupa la tecnologia del legno.Se, invece, la sedia deve essere di metallo, la materia prima è, ad esempio, il ferro e le operazioni da compiere per arrivare all‘oggetto finito saranno completamente diverse poiché si tratterà di estrarre il metallo dai suoi minerali, fonderlo, saldarlo, ecc.Di tali operazioni si occupa la tecnologia dei metalli.Una stessa tecnologia può servire a scopi diversi a seconda delle circostanza in cui viene usata: tutti noi sappiamo delle imprese degli astronauti che hanno reso possibile la conquista dello spazio. La stessa tecnologia, però, è stata impiegata per costruire i missili intercontinentali a testata atomica.Oppure, pensiamo ai satelliti artificiali messi in orbita intorno alla Terra, che hanno permesso progressi notevoli nello studio della meteorologia e nelle telecomunicazioni: accanto a questi satelliti, se ne trovano altri, simili, utilizzati per lo spionaggio militare, attraverso il quale le nazioni più potenti si controllano a vicenda.Va anche detto che gli sviluppi e le conseguenze di una qualsiasi innovazione tecnologica non sono facilmente prevedibili. Nessuno avrebbe mai immaginato che i primi computer, grandi quanto una stanza, sarebbero diventati così piccoli (e molto più potenti) in così breve tempo. E che avrebbero così tanto modificato la vita stessa.In ogni caso la tecnologia svolge una parte da protagonista nell’epoca in cui viviamo; è una fonte di conoscenze che si arricchisce continuamente e rende migliori le nostre condizioni di esistenza. Non dobbiamo tuttavia dimenticare che molti popoli sono ancora esclusi da questi benefici e vivono a livelli di estrema povertà, soffrendo di denutrizione e di elevata mortalità infantile.Ecco una ragione in più per guardare con interesse alla tecnologia: comprendere perché è tanto importante per la nostra società, significa capire quel che avviene nel mondo.

La materiaLa materia e le sue proprietà

Il primo livello di studio della materia che ci circonda comporta l'inquadramento e la descrizione delle sue proprietà misurabili, o grandezze, quali la massa, il volume, la densità, l' energia, e la temperatura.

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Queste nozioni fanno da presupposto per la comprensione della struttura microscopica della materia, che si presenta discontinua, in quanto costituita da minuscole particelle, gli atomi.I corpi materiali possono essere distinti e classificati in rapporto ai diversi stati fisici, o stati di aggregazione, in cui si manifestano e in rapporto alla composizione omogenea o eterogenea in cui si presentano. Osservando, inoltre, le trasformazioni tra gli stati di aggregazione (passaggi di stato) e il ruolo che in esse svolge I'energia, si delinea la stretta relazione che esiste tra i cambiamenti della materia e le variazioni di energia a essi associate.   Caratteristiche generali della materiaPer materia si intende tutto ciò che occupa uno spazio.La massa di un corpo (intendendosi per corpo: una qualunque porzione limitata di materia) ne rappresenta la quantità di materia o, in termini più rigorosi, ne esprime l’inerzia, cioè la resistenza che oppone a variazioni del suo stato di quiete o di moto. La massa di un corpo è la stessa in ogni punto dell’universo, mentre varia il suo peso (che è la forza con cui una massa viene attratta in un campo gravitazionale, quale quello prodotto dalla massa terrestre). Volume, massa e peso sono alcune delle qualità o proprietà della materia sulla cui osservazione si basa il suo studio scientifico. Altre proprietà della materia sono per esempio: la densità (data dal rapporto massa/volume), la durezza, il colore, l’odore, la temperatura, la conducibilità elettrica, lo stato fisico (solido, liquido o aeriforme).Sono dette proprietà estensive quelle che dipendono dall’estensione (cioè dalla quantità) del campione di materia considerato, come per esempio il volume, la massa, il peso, l’energia.Sono dette proprietà intensive quelle che non dipendono dall’estensione del campione, come, per esempio, la densità, il colore, la temperatura, la conducibilità elettrica. Le proprietà intensive sono quelle più significative per identificare i vari tipi di materia, le sostanze, di cui sono formati i corpi (una sostanza è un particolare tipo di materia che possiede proprietà specifiche che la distinguono da tutti gli altri tipi di materia). La grande varietà dei corpi è dovuta alla grande varietà di sostanze componenti, ciascuna delle quali è formata da un differente tipo o da differenti combinazioni di tipi di particelle discrete (gli atomi). La struttura microscopica della materia: atomi e molecole

Gli elementi chimici sono rappresentati per mezzo di simboli  formati da una lettera maiuscola o da una lettera maiuscola seguita da una lettera minuscola, come per esempio:

C Carboniooo O Ossigenoo

o B Boro F Fluoro

H Idrogeno N Azoto S Zolfo Naoo Sodio

Cao Calcio Feo Ferro Ago Argentooo Cl Clorooooo5

o o o o oI simboli degli elementi rappresentano anche i rispettivi atomi: O rappresenta un atomo di ossigeno, F rappresenta un atomo di fluoro. Le molecole sono rappresentate da formule chimiche. La formula di un elemento è data dal suo simbolo corredato da un numero (indice) in basso a destra che indica quanti atomi ne costituiscono la molecola: per esempio O2 indica che la molecola dell'ossigeno è formata da 2 atomi (se l'indice è 1 viene omesso). La formula di un composto è costituita dai simboli degli elementi presenti nella sua molecola, ciascuno corredato del proprio indice che ne rappresenta il numero di atomi. Per esempio: H2O, la formula dell'acqua, indica che la sua molecola è formata da 2 atomi di idrogeno e da 1 atomo di ossigeno; la formula dell'acido solforico, H2SO4, indica che la sua molecola è costituita da 2 atomi d'idrogeno, 1 atomo di zolfo, e 4 atomi di ossigeno.Se il numero di atomi di un elemento allo stato atomico o di molecole è maggiore di 1, il simbolo e la formula rispettivi sono fatti precedere da un coefficiente numerico corrispondente: 2H (due atomi di idrogeno); 3O2 (tre molecole di ossigeno); 2H2O (due molecole di acqua). La struttura dell' atomoCon la scoperta della prima particella subatomica, l'elettrone (Thomson, 1897), fu definitivamente stabilito che l'atomo non è indivisibile, ma possiede una struttura.Ulteriori ricerche evidenziarono la presenza di un altro tipo di particella subatomica, il protone.Nel modello planetario di Rutherford (1911) l'atomo è considerato formato da un nucleo in cui si concentrano i protoni, circondato da elettroni che si muovono su orbite circolari (in seguito, nel 1932, si scoprì nel nucleo una terza particella subatomica il neutrone).Da qui la questione si fa più complicata:alla luce della teoria dei quanti, fu elaborato un modello più approfondito, il modello quantico di Bohr (1913), secondo il quale gli elettroni possono muoversi su orbite quantizzate (caratterizzate da determinati livelli di energia).Gli sviluppi della meccanica quantistica, consentirono di superare i limiti del modello atomico di Bohr e di giungere al modello quanto-meccanico dell'atomo, valido ancora oggi. In questo modello, gli elettroni, si muovono in regioni dello spazio, dette orbitali, caratterizzate da numeri quantici. La massa atomicaTanto per capire di che “misure” stiamo parlando, poiché gli atomi sono, come è intuitivo, troppo piccoli per poterli ``pesare'' direttamente, si assume, come unità di riferimento, la dodicesima parte dell'isotopo più diffuso del carbonio, il carbonio-12 o 12C. Tale unità (1/12 della massa di 12C) prende il nome di unità di massa atomica (abbreviata in uma). Il suo valore è stato calcolato ed è pari a 1,66059 · 10-24 g).

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Classificazioni dei Materiali

I materiali strutturali, cioè rigidi e solidi, sono circa dieci tipi di sostanze diverse, ognuna delle quali con caratteristiche comuni e alcune particolari.Il Legno massiccio è di abete, di pino, di ciliegio, di noce, il pannello è di multistrato, di truciolare.La carta è da stampa, da pacchi, da disegno, da banconote, per usi igienici.Il tessuto è di cotone, di lino, di lana, di seta, di fibra sintetica, di fibra artificiale.La pelle è di vitello, di vacchetta, di camoscio, di renna, di coccodrillo.La pietra è da costruzione, da rivestimento (marmi e graniti), da cemento, da calce.La ceramica è terracotta, maiolica, monocottura, porcellana, gres.Il vetro è di tipo incolore, colorato, cristallo, infrangibile, temperato, stratificato.I metalli sono di ferro, l’acciaio, la ghisa, il rame, l’ottone, l’alluminio, l’oro, l’argento.Le plastiche sono di polietilene, il nylon, il polistirolo, la formica, il PVC.I nuovi materiali sono i semiconduttori, i nuovi prodotti ceramici, le plastiche con fibre di carbonio.

Proprietà dei Materiali Le proprietà fisico-chimiche di un materiale dipendono dal suo comportamento in relazione ai fenomeni fisici e chimici che lo influenzano, queste sono elencate di seguito:

Peso specifico di un materiale è il peso della sua unità di volume riferito al peso dell’acqua distillata (valore 1). Per calcolare i peso specifico di un materiale, si fa il rapporto (divisione) fra il peso ed il volume, ovvero: Ps= Kg/dm3.

Aspetto superficiale. E’ il modo in cui il materiale ci appare, può essere con superficie liscia o ruvida, colore uniforme o variegato.Conduttività elettrica. E’ la capacità che hanno i materiali a farsi attraversare dalla corrente elettrica, buoni conduttori sono i metalli (rame, alluminio e in genere tutti quelli cosiddetti nobili, oro, argento ecc.). I materiali che si comportano diversamente (cattivi conduttori) sono detti isolanti, possono essere: il legno plastica, ceramica, vetro ecc.).Conduttività termica. E’ la capacità dei materiali a trasmettere il calore, come per la conduttività elettrica buoni conduttori termici sono in genere tutti i tipi di metalli, e gli isolanti o coibentanti (legno, plastiche, ceramiche, vetro).Dilatazione termica. E’ l’aumento di volume del materiale quando aumenta la temperatura. Infatti nel materiale riscaldato le sue particelle (molecole) si mettono a vibrare con più forza e tendono ad allontanarsi l’una dall’altra: il materiale cresce di volume, “si dilata”.

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Fusione (solo per metalli e vetro). E’ il passaggio di un materiale dallo stato solido allo stato liquido per effetto del calore. Per i metaslli la fusione avviene a una temperatura ben determinata; per il vetro esiste un “intervallo” di fusione.Inalterabilità. E’ la capacita di resistere al deterioramento provocato dagli agenti atmosferici o da sostanze chimiche. Sono inalterabili: il vetro e le plastiche, tra i metalli il rame e il piombo. Le proprietà meccaniche di un materiale dipendono dal suo comportamento quando è sollecitato da forze di tipo meccaniche (come la flessione) e sono elencate di seguito.

Lavorazioni dei materialiLa tecnologia è l’insieme dei procedimenti e delle attrezzature necessarie per trasformare una materia prima in un prodotto industriale. Complessivamente le grandi categorie di trasformazione dei prodotti sono tre: il formare, il sottrarre e l’addizionare.

FORMATURAIl formare consiste nel dare ad un pezzo grezzo la forma voluta mediante lavorazione sia a freddo che a caldo. In base al materiale utilizzato si usa: la fusione, la foggiatura, lo stampaggio, la laminazione ecc.

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SOTTRAZIONEIl sottrarre consiste nel lavorare un pezzo asportando una parte di materiale per mezzo di un utensile. In base ai materiali si usa la segagione, la tranciatura, la tornitura ecc.

ADDIZIONEL’addizionare consiste nell’assemblare (unire) i pezzi singoli per ottenere pezzi compositi. In base ai materiali si usa la saldatura, l’incollaggio, la cucitura, l’avvitatura ecc.

RICICLAGGIO E SMALTIMENTOIl prodotto industriale, una volta utilizzato e dopo un certo periodo di tempo, viene eliminato, a ciò per liberarsi dei “rottami” (o dei rifiuti) esistono tre modi: il riciclaggio, la combustione, lo smaltimento.Riciclaggio. Il vetro e i metalli sono di origine minerale i cui rottami vengono recuperati e rifusi per produrre nuovi oggetti. Sono riciclabili infinite volte.Riciclaggio e combustione. La carta e i tessuti sono materiali derivati da materia vivente a base di cellulosa, le plastiche derivano dalla materia vivente che ha formato il petrolio. Questi prodotti “organici”, cioè derivati da organismi viventi, sono riciclabili in cascata, cioè in prodotti di sempre minore pregio, per circa tre o quattro volte.Al fine possono essere bruciati in un impianto con recupero di energia (termo- valorizzatore), che fornisce energia termica o energia elettrica.Smaltimento. Le ceramiche e i materiali lapidei (marmo, pietre, cemento) sono di origine minerale, non fusibili e non combustibili. Vengono smaltiti in discarica oppure vengono usati per colmare delle depressioni presenti nel terreno.

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Il legno

(Pino)                 (Ciliegio)                (Larice)                (Olmo)

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Introduzione

Il legno è il materiale ricavato dai fusti delle piante, in particolare dagli alberi ma anche dagli arbusti. Si ricava sia dalle conifere sia dalle latifoglie (dalle palme non si ricava legno vero e proprio perché sono in pratica delle gigantesche erbe) e sono caratterizzate dall'avere fusto e rami che crescono concentricamente verso l'esterno di anno in anno e dall’avere i tessuti composti essenzialmente da cellulosa, emicellulosa e lignina.Le piante che non producono legno sono dette erbacee e includono tutte le piante annuali, molte perenni e molte piante acquatiche subacquee e galleggianti. Il legno è prodotto dalla pianta come elemento strutturale, dalle ottime caratteristiche di robustezza e resistenza, ed è per questo impiegato utilmente dall'uomo. Come già accennato, il legno è costituito da fibre di cellulosa trattenute da una matrice di lignina; il ruolo dell'emicellulosa non è

stato ancora chiarito.

Una volta tagliato e stagionato od essiccato, il legno è destinato ad un'ampia varietà di utilizzi: fin dalle origini dell’umanità, e tutt’ora, per riscaldamento e cucina; per costruire strutture, in forma di tavole e travi; per la realizzazione di componenti per l’edilizia (parquet, perline, ecc.) e mobili; e, scomposto in fibre, per produrre la carta (tramite la produzione di polpa di cellulosa, avendo sostituito nell'era industriale il cotone o altre piante, più ricche di cellulosa ma meno abbondanti e quindi meno adatte ai nuovi regimi di produzione). Attualmente l'uso del legno è stato in molti casi sostituito da metallo e plastica.Sono anche impiegati derivati economici del legno al posto del legno classico, come, per esempio, il truciolare o il medium-density fibreboard (MDF).

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Il legno è commercialmente classificato in tenero e duro. Il legno derivato dalle conifere (per esempio il pino o l'abete) è di tipo tenero, il legno delle angiosperme (ontano, quercia, noce) è duro. In realtà questa suddivisione può essere fuorviante, poiché alcuni legni duri sono più teneri di quelli definiti teneri, per esempio la balsa, mentre alcuni teneri sono più duri dei duri, per esempio il tasso (la distinzione deriva dalla nomenclatura inglese che definisce le conifere "softwood" e le latifoglie "hardwood", ma la traduzione in legno tenero e legno duro è un errore, visto che le due parole inglesi stanno a significare semplicemente - e rispettivamente - conifere e latifoglie).Il legno proveniente da specie differenti ha diverso colore, diversa densità e diverse caratteristiche della venatura. A causa di queste differenze e ai differenti tassi di crescita, i differenti tipi di legno presentano differenti qualità e valore. Per esempio il mogano vero (Swiestenia mahogani), denso e scuro, è ottimo per gli intarsi e le finiture raffinate, mentre la balsa, leggera, soffice, dalla consistenza spugnosa facilmente intagliabile, è usato nella realizzazione di modellini. 

Struttura del tronco

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Dall'esterno all'interno si possono evidenziare parti con funzioni differenti:Corteccia: fisiologicamente è morta, serve come protezione alla pianta e consente gli scambi gassosi necessari alla vita della pianta;Libro: contiene i vasi che conducono il nutrimento sintetizzato dalle foglie ad ogni parte dell’albero;Cambio: strato sottile di tessuto responsabile della produzione di nuovo legno, sia verso l’esterno sia verso l’interno;Alburno: è formata da cellule vive che costituiscono l’apparato circolatorio della pianta consentendo la conduzione dei sali minerali dalle radici alle foglie;Durame: la parte più interna del tronco è formata da cellule morte a livello commerciale è quella più pregiata, perché essendo la parte più vecchia della pianta è quella più stabile e meno soggetta agli attacchi dei parassiti. A mano a mano che l’albero cresce, l’alburno diventa durame;Midollo: parte centrale del tronco, generalmente poco differenziabile dal durame che lo contiene.

Composizione del legnoè composto da:- idrogeno 6%;- ossigeno 42%;- minerali, azoto, pigmenti 2%;- carbonio 50%.

Proprietà del legno

1. Resistenza a trazione e compressione:varia a seconda della direzione della sollecitazione:- nel senso delle fibre la resistenza è maggiore;- trasversalmente alle fibre la resistenza è minore;- all’aumentare del tenore di umidità aumenta la resistenza.2. Durata:dipende dalla specie, dalla presenza o assenza di alburno, dal contenuto di umidità.

3. Resistenza al fuoco:essendo costituito da cellulosa il legno è un materiale infiammabile, ma la sua resistenza al fuoco è paragonabile a quella dell’acciaio e dell’alluminio; la resistenza può essere migliorata con trattamenti detti di “ignifugazione”, attraverso l’applicazione sulle superfici di vernici che, in presenza di forte calore, sviluppano gas inerti incombustibili che creano intorno al legno una barriera protettiva.4. Conducibilità termica ed elettrica:il legno è un buon isolante termico ed elettrico, la sua bassa densità riduce la conducibilità.

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5. Resistenza chimica:il legno è caratterizzato da una elevata resistenza chimica, viene infatti utilizzato nelle industrie chimiche ed edifici posti in ambienti inquinanti od in atmosfera salina (costruzioni al mare).6. Proprietà tecniche:- caratteri organolettici, cioè le proprietà di ordine estetico-figurativo come colore, disegno etc.- caratteri fisico-meccanici, cioè le proprietà di ordine fisico come densità, porosità etc.

 La venatura deriva dal contrasto tra le zone tardive e quelle primaverili degli anelli annuali e può essere marcata, evidente e a festoni.Il colore, pur essendo, in linea di massime, peculiare per ogni essenza legnosa, ha tonalità notevolmente diverse tanto nelle stesse specie quanto in un medesimo tronco.La porosità è un fenomeno importante ai fini della tinteggiatura del legno: si imbevono i legni più teneri più di quelli duri, i legni con raggi midollari piccoli più di quelli con grossi raggi, i legni senza resina più di quelli resinosi, le testate più delle superfici longitudinali, la zona primaverile degli anelli più di quella tardiva.

Difetti del legno

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1. Attaccabilità da microrganismi, vegetali o animali:sono necessarie delle operazioni di protezione prima della messa in opera come carbonizzazione superficiale, spalmatura o iniezione di sostanze antisettiche.2. Sviluppo anormale del tronco:il tronco può essere curvo a causa dell’azione del vento, il midollo può essere spostato o doppio.3. Fibre torte:le fibre non sono parallele all’asse del tronco ma seguono un andamento ad elica, la resistenza è compromessa.4. Nodi:rami giovani inglobati nel legno, rami morti o spezzati, possono rappresentare un indebolimento del legno.5. Cipollature:distacco totale o parziale di due anelli annuali consecutivi.6. Doppio alburno o lunatura:interposizione tra anelli sani di un anello morto.7. Deformazioni (imbarcamento e ritiro):il ritiro dimensionale del legno è un fenomeno inevitabile dovuto alla perdita d’acqua contenuta nell’albero in vita: esso inizia quando l’umidità del legno scende al di sotto del 30% circa del suo peso secco, cioè quando comincia a perdersi “l’acqua di saturazione” assorbita nelle pareti cellulari. In linea generale le essenze dure o pesanti si ritirano maggiormente di quelle tenere o leggere; il ritiro si ripercuote sulla forma dei pezzi essiccati e l’intensità delle contrazioni varia a seconda delle specie legnose e a seconda delle direzioni anatomiche del legno;buona parte degli inconvenienti che si lamentano nell’impiego del legno, dipendono dall’imbarcamento: esso è connesso al ritiro ed è in stretta dipendenza della posizione delle tavole nel tronco; è dovuto alla notevole diversità di valori che esiste tra il ritiro tangenziale e quello radiale (il ritiro maggiore si verifica in senso tangenziale, con valore doppio del ritiro radiale, mentre il ritiro longitudinale è pressoché nullo).

Difetti del legno: i nodi

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I nodi sono un prolungamento di un ramo, all'interno del fusto o di un ramo più grande. I rami si sviluppano partendo dal midollo, la parte centrale del fusto, ed aumentano la loro dimensione aggiungendo ogni anno un anello di legno. Durante lo sviluppo dell'albero, quindi, la maggior parte degli strati, specialmente quelli più interni muoiono e gli strati successivi, vi crescono sopra, avvolgendoli. 

La presenza dei nodi influisce sulla resistenza alla rottura, sulla deformabilità, sulla facilità di lavorazione e la tendenza alla formazione di fessure.Sono difetti che in genere riducono la qualità del legname e ne abbassano il valore ove sia impiegato come materiale strutturale e sia importante la resistenza.L'influenza dei nodi sulla resistenza di una struttura come una trave dipende dalla loro posizione, dimensione, numero, direzione delle fibre e consistenza, ma solamente i difetti più importanti possono incidere sull' elasticità di una trave.Per particolari applicazioni, per esempio pannelli a vista, la presenza dei nodi è positiva poiché dona al legno un aspetto estetico più variegato ed interessante.

La cartaBreve storia del materiale Fin dai tempi più antichi l’uomo ha avvertito la necessità di comunicare, oltre che con parole e gesti attraverso uno strumento che permettesse al messaggio trasmesso di durare nel tempo.I primi messaggi, infatti, venivano incisi su rocce, su ossa di animali e tavolette di argilla. Ben presto, però, ci si accorse che servivano materiali più leggeri e maneggevoli.Gli egiziani: la scrittura su papiro

Gli egizi introdussero l’uso del papiro, una pianta acquatica molto diffusa lungo le sponde del Nilo.Il midollo della parte superiore dello stelo veniva tagliato in strisce longitudinali che poi erano disposte su un piano orizzontale l’una affiancata all’altra; sopra

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questo strato ne veniva realizzato un secondo, con le strisce disposte perpendicolarmente alle prime. Questi piani venivano poi bagnati e pressati in modo che le sostanze collanti contenute nella pianta stessa facessero aderire perfettamente i due strati. I singoli fogli venivano poi fatti essiccare e cuciti in lunghi rotoli su cui venivano disegnati i geroglifici.I romani: la pergamena

Il papiro venne sostituito dalla pergamena, ottenuta da pelli di animali conciate e lisciate. Il nome deriva dalla città di Pergamo, in Turchia. Era molto più costosa e resistente del papiro, ma era possibile fabbricarla ovunque; vi si poteva scrivere su entrambi i lati e garantiva maggiore durata.Si passò dal rotolo al libro, furono realizzati bellissimi codici miniati (fatti di fogli di pergamena cuciti e rilegati). Fu poi gradatamente sostituita dalla carta.I cinesi: gli inventori della carta

L’invenzione della carta viene attribuita a un cinese, Ts’ai Lun, che, nel 105 d.C., fabbricò dei sottili fogli impastando scorze d’albero, stracci e residui di vecchie reti da pesca sminuzzati e mescolati con acqua. La carta veniva fabbricata artigianalmente: in un recipiente contenente la pasta si immergeva una specie di setaccio di forma rettangolare (staccio), sul fondo del quale, costituito di sottili fili metallici,si formava un foglio umido; l’acqua veniva eliminata per scuotimento. Il foglio era poi staccato, pressato tra feltri per eliminare l’acqua residua e fatto asciugare all’aria.Gli arabi: la carta giunge in Europa

Gli Arabi si impadronirono di questa tecnica, ne migliorarono alcuni aspetti. La prima cartiera italiana fu fondata ad Amalfi nel 1220.

La cartiera di Fabriano

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Nel 1276 sorse la cartiera di Fabriano, nelle Marche, famosa per l’adozione di formati standard e per l’invenzione della filigrana. La filigrana consiste in un

segno distintivo che appare come un disegno più chiaro osservando il foglio in trasparenza: si ottiene con sottili fili metallici applicati sopra lo staccio.

La meccanizzazione del processo produttivo.I cartai olandesi realizzarono nel XVII secolo una macchina per raffinare la pasta stracci (macchina olandese), costituita da un cilindro rotante fornito di lame taglienti, e furono così in grado di fornire grandi quantità di carta più bianca e omogenea in tempi più ridotti e a poco prezzo.Nel secolo successivo, con l’avvento della Rivoluzione industriale, si tentò di meccanizzare tutto il processo di fabbricazione. Il francese Nicolas Louis Robert, nel 1799, costruì la prima macchina continua, in grado di fabbricare un foglio continuo della grandezza di circa 60 cm.La materia prima diventa la cellulosaPer lungo tempo, come materia prima si usarono stracci e cordami, ma la crescente richiesta di carta portò allo sfruttamento del legno: nel 1825 si ottenne la prima pasta meccanica dalla sfibratura del legno e, dieci anni dopo, in Inghilterra, si giunse all’estrazione della cellulosa dal legno.Con l'arrivo della pasta di legno, la produzione diventò di massa e la caduta del prezzo trasformò la carta in un prodotto di largo consumo. In Inghilterra, ad esempio, la produzione passò dalle 96.000 tonnellate del 1861 alle 648.000 tonnellate del 1900. I paesi ricchi di foreste come quelli scandinavi, il Canada e gli Stati Uniti diventarono i nuovi riferimenti del mercato. La carta industriale abbondante e a basso costo diversifica gli utilizzi: nel 1871 la prima carta igienica in rotoli, nel 1906 le prime confezioni del latte in cartone impermeabilizzato, nel 1907 il cartone ondulato e poi giocattoli, capi d'abbigliamento, elementi d'arredo, isolamenti elettrici.Prima di quest'epoca, un libro o un giornale erano oggetti rari e preziosi e l'analfabetismo era enormemente diffuso. Con la graduale introduzione della carta economica, giornali, quaderni, romanzi e altra letteratura diventarono alla portata di tutti.La carta offrì la possibilità di scrivere documenti personali e corrispondenza, non più come lusso riservato a pochi. La stessa classe impiegatizia può essere

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considerata nata dalla rivoluzione della carta così come dalla rivoluzione industriale.Con la contemporanea invenzione della penna stilografica, della produzione di massa di matite, del processo di stampa rotativa, la carta ha avuto un peso notevole nell'economia e nella società dei paesi industrializzati.

I settori dell’economia della carta

La carta è il prodotto della lavorazione di fibre di cellulosa vegetale.Nella vita quotidiana il termine ‘carta’ viene usato non solo per indicare i fogli flessibili e sottili su cui scriviamo, ma anche per definire una grande varietà di prodotti, che hanno in comune la provenienza e il processo di lavorazione base, ma si differenziano per caratteristiche e usi diversi.Carta e cartone sono infatti prodotti familiari, con i quali veniamo a contatto più volte al giorno nell’ambito della vita in casa, a scuola e al lavoro, nelle ore dedicate allo svago, all’informazione e allo studio, ogniqualvolta c’è da leggere o scrivere, pulire, conservare, proteggere, trasportare beni di consumo ed in tante altre occasioni.Il settore economico della fabbricazione di carta e cartone, dei prodotti di carta, della stampa e dell’editoria è molto ampio e diversificato, e prevede l’impiego di tecnologie antiche e moderne.Tra i vari settori legati alla lavorazione della carta ricordiamo:

fabbricazione di carta e cartoni ondulati e di imballaggi di carta e cartone;

fabbricazione di prodotti di carta e cartone per uso domestico; fabbricazione di prodotti cartotecnici; fabbricazione di carta da parati per tappezzeria.

L’industria della carta

L’industria della carta e del cartone ha collegamenti sempre più stretti con l’ambiente naturale ed urbano, sia sotto il profilo delle materie prime utilizzate che del loro recupero e riutilizzo.Le aziende europee del settore si sono riunite in un’apposita organizzazione (CEPI, Confederazione dell’Industria Cartaria Europea) che mira a processi produttivi in linea con i recenti criteri di sviluppo sostenibile: il 56% della carta prodotta in Europa è riciclata e si vuole arrivare, in breve tempo ad almeno l’80% di prodotto riciclato.Per il 2030, la filiera legno-carta si pone l’obiettivo di contribuire significativamente allo sviluppo sostenibile dell’ economia europea attraverso la conoscenza, la competitività e l’innovazione, sostenute da un esteso uso di una materia prima rinnovabile quale la risorsa forestale, in un contesto sempre più orientato alle esigenze del consumatore e allo sviluppo di un economia basata su materie prime rinnovabili (bio-economy).In Italia il comparto cartotecnico ed editoriale è molto forte e dà occupazione a molti lavoratori. L’introduzione delle nuove tecnologie multimediali sembrava inizialmente poter insidiare la prevalenza della carta stampata; nel prossimo futuro, invece, i due settori potranno coesistere tranquillamente perché non sono antitetici, ma complementari tra loro.

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La fabbricazione della carta: dal legno alla carta

Quando non si dispone di cellulosa già pronta, per fabbricare la carta bisogna partire dal legno. I tronchi d’albero tagliati giungono alla cartiera, passano nella scortecciatrice e vengono poi sminuzzati i pezzi molto piccoli, convogliati in uno speciale bollitore cilindrico, in cui il legno viene mescolato con soda caustica a circa 170°C, fino a produrre la pasta chimica.I tronchi scortecciati possono però anche essere semplicemente triturati per fare la pastalegno. I risultati di queste operazioni vengono sbiancati, frantumati e fatti confluire nel raffinatore conico. Qui vengono raggiunti dai prodotti di riciclaggio della carte che costituiscono la parta straccio.Tutta la parta raffinata viene passata al miscelatore: qui vengono aggiunte altre sostanze in relazione al tipo di carta che si vuole ottenere. Si tratta di sostanza di carica come gesso, talco e caolino che rendono il foglio più bianco e facilmente stampabile; una vernice colorante che fa assumere alla carta la colorazione desiderata; la colla che serve per meglio assemblare le fibre e rendere il foglio scrivibile. Così miscelata la pasta arriva alla cassa di afflusso della macchina continua a tavola piana. Dalla cassa di afflusso la pasta viene fatta colare su un sottile nastro traforato che si muove ad alta velocità mentre un aspiratore estrae la maggior parte dell’acqua. La pasta si consolida in un sottile strato pressato e asciugato. Il processo si conclude con la calandratura attraverso una serie di cilindri alternativamente duri ed elastici per lisciare la superficie l’avvolgimento in bobine.

Classificazione delle carte per grandi comparti

I prodotti cartari si possono suddividere in 6 grandi categorie: 

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Carta da stampa: per giornali e guide telefoniche, per offset, per rotocalco, per roto-offset, carte speciali (carte geografiche, carta moneta e per assegni).

Carte da scrivere e per ufficio: carta da scrivere, carta per buste, carta per quaderni, carta per disegno, carta per fotocopie, carta per fax, carta carbone e auto copiante.

Carte da imballaggio: carta kraft, crespata e per sacchetti, carta per alimenti, carta pergamena vegetale, carta pergamino, carte catramate, siliconate, accoppiate con plastica.

Cartoni e cartoncini: cartoni a un getto, cartoni a più strati, cartoni ondulati, carta da onda, cartoni pressati, cartonlegno, cartoncini.

Articoli igienico\sanitari: carta igienica, fazzoletti, tovaglioli e tovaglie, asciugamani, carte per uso medico.

Carte per uso industriale e varie: carta per cavi elettrici, condensatori, carta per laminato plastico, carta per sigarette, carta per fotografia, carta da filtro, carta adesiva, carta decorativa, carta da parati.

Offset: termine inglese che in italiano significa “riporto, trasporto, traslazione”. Viene usato nel settore della stampa per indicare un procedimento che prevede l’utilizzo di un cilindro di caucciù che a sua volta va a imprimere l’immagine sul foglio.Rotocalco: nel linguaggio comune il termine indica la rivista settimanale che tocca argomenti diversi; l’utilizzo della parola in senso tecnico evidenzia il procedimento di stampa in cavo, con cui vengono stampate le riviste a grande tiratura: avviene tramite grossi cilindri di rame, in successione continua, nei cui solchi incisi si deposita l’inchiostro, stampato poi sul foglio per pressione.Carta kraft (in tedesco kraft significa “forza”), carta di pura cellulosa, di colore bianco o bruno, molto resistente e adatta per l’imballaggio.

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Formati della carta

Caratteristiche e proprietà della carta

La carta ha una struttura porosa, costituita essenzialmente da particelle fibrose di natura vegetale, che sono lunghe da 2-3 mm a meno di 1 mm.Le fibre sono intrecciate fra loro e tenute insieme da legami chimici fino a costituire uno strato compatto.Le principali caratteristiche e proprietà della carta: Caratteristiche chimico-fisiche

grammatura peso della carta misurata in g\m2; spessore; densità apparente peso specifico misurato in g\m3; caratteristiche ottiche grado di bianco, colore; rigidità; opacità proprietà di non lasciarli attraversale dalla luce; permeabilità all’aria e all’acqua; porosità capacità di assorbire acqua;

 Proprietà meccaniche resistenza a trazione; resistenza a lacerazione o strappo; resistenza a piegatura;

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resistenza allo scoppio rottura per pressione e non per trazione; resistenza all’allungamento.

 Proprietà tecnologiche lisciatura può essere ruvidissima, ruvida, liscia, calandrata o satinata; collatura, la colla facilita la scrivibilità; stampabilità; spera o speratura aspetto del foglio in controluce. La speratura dipende

dal modo in cui, nel contesto fibroso, le fibre sono intrecciate tra loro.

Impatto ambientale

Premettendo che non esistono attività di produzione/trasformazione industriale che in qualche modo non influenzino l'ambiente, anche nel caso dell'industria cartaria i principali problemi sono da ricercare nel reperimento delle materie prime e nel loro trattamento.La materia prima più usata attualmente per la produzione di carta è il legno, la ricerca del quale ha portato molte industrie della carta a contribuire alla deforestazione. Diversi grandi produttori asiatici, per esempio la Cina, con la connivenza dei governi locali interessati, hanno sistematicamente devastato la foresta pluviale per anni. In altri casi si è ricorso a sotterfugi per nascondere la provenienza del materiale. In questo modo sono esposte ad eccessi di impoverimento ambientale le foreste dell'Indonesia, Malesia, Cambogia e Amazzonia.Anche il processo di produzione e di riciclaggio presenta aspetti critici, dipendenti fra l'altro dai processi di stampa con cui è trattato il materiale cellulosico da recuperare. Il necessario processo di sbiancamento della cellulosa si basa spesso sull'uso di composti ossidanti, spesso derivati del cloro, che, se dispersi o non opportunamente trattati, possono inquinare i corsi d'acqua.Per evitare questi problemi esistono essenzialmente due soluzioni: il recupero del materiale per produrre carta riciclata, la quale presenta tuttavia caratteristiche che non la rendono adatta a tutte le applicazioni e il cui aspetto ne rende difficile la commercializzazione, oppure l'abbattimento esclusivo di alberi piantati allo scopo e il loro successivo reimpianto (forest management). Come tutti i rifiuti, la carta pone problemi di smaltimento. La carta è però un materiale riciclabile. Come il vetro, infatti, la carta recuperata può essere trattata e riutilizzata come materia seconda per la produzione di nuova carta.La trasformazione del rifiuto cartaceo (che si definisce carta da macero) in materia prima necessita di varie fasi:

raccolta e stoccaggio (in questa fase è particolarmente rilevante che le amministrazioni locali richiedano e organizzino la raccolta differenziata dei rifiuti);

selezionamento (per separare la fibra utilizzabile dai materiali spuri - spaghi, plastica, metalli - che normalmente sono incorporati nelle balle di carta da macero);

sbiancamento (per eliminare gli inchiostri).23

A questo punto del ciclo, la cellulosa contenuta nella carta-rifiuto è ritornata ad essere una materia prima, pronta a rientrare nel ciclo di produzione.

Costi e benefici del riciclaggio della carta

Dal punto di vista economico, il riciclaggio è sicuramente meno oneroso che l'incenerimento.Infatti, il costo dell'incenerimento di una tonnellata di rifiuti varia, a valle dei costi di raccolta e secondo l'impianto, tra 96 e 192 euro/tonnellata, mentre il trattamento della carta straccia costa tra 64 e 96 euro/tonnellata (fonte: UFAFP, Ufficio Federale svizzero dell'Ambiente, delle Foreste e del Paesaggio).È ovvio che la carta riciclata non produce un pari peso di carta "nuova" (sicché per fare una tonnellata di carta nuova ci vuole normalmente - e comunque in misura variabile a seconda degli impianti e del prodotto fabbricato - anche una certa percentuale di cellulosa fresca, proveniente da alberi), e che il procedimento ha i propri costi - economici, energetici e di inquinamento.Tuttavia:

la fonte indicata sopra sostiene, ad esempio, che nelle fabbriche che producono carta per giornali da carta da giornali riciclata non si usa più cellulosa proveniente da alberi;

il costo della materia prima riciclata è notevolmente più basso di quello della pasta di legno, i relativi scarti possono essere utilizzati come combustibile cogeneratore del vapore necessario al processo di fabbricazione, e la produzione è meno inquinante;

il riciclaggio riduce la quantità di rifiuti da trattare, i relativi costi di stoccaggio, lo spreco di spazio da destinare allo stoccaggio medesimo, l'inquinamento da incenerimento, e ovviamente il consumo di alberi vivi (anche se gli alberi impiegati per la produzione della carta provengono da vivai a coltivazione programmata dove vengono periodicamente tagliati e ripiantati).

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La ceramica

Cos’è la ceramica

La ceramica è un materiale composto inorganico, non metallico, rigido e fragile (dopo la fase di cottura), molto duttile allo stato naturale, con cui si producono diversi oggetti, quali vasellame e statuine decorative.È inoltre usato nei rivestimenti ad alta resistenza al calore per le sue proprietà chimico-fisiche e il suo alto punto di fusione. Solitamente di colore bianco,

può venire variamente colorata e smaltata.

Storia della ceramica 

La ceramica è conosciuta fin dall'antichità e molti popoli ne hanno fatto uso, primi fra tutti i cinesi, per questa ragione è possibile trovare vari manufatti fossili nei luoghi più disparati.I primi manufatti sono del neolitico, e si compongono di vasellame cotto direttamente sul fuoco. I manufatti considerati più antichi risalirebbero al XI millennio a.C. e sono stati

ritrovati in Kyushu, Giappone.

Successivamente l'arte vide l'introduzione del tornio, l'introduzione della verniciatura vetrosa (II millennio a.C. in Mesopotamia) e la scoperta della lavorazione della porcellana ( VIII secolo d.C. in Cina).L'antica Grecia ereditò la tecnica della ceramica dalla civiltà minoico-micenea.Nell’antica Roma, in età augustea, si diffuse la ceramica aretina, con decorazione a rilievo. Nel tardo Medioevo le ceramiche venivano realizzate con il tornio, cotte al forno e impermeabilizzate con una vernice vetrosa. Dopo il XIII secolo si incominciano ad usare anche altri colori e decorazioni più sofisticate.Verso la fine del 1800 la produzione di ceramica prende corpo, grazie all'introduzione di alcune tecniche industrializzate.

 In Italia, nel modenese, si mette a punto una tecnica che permette di aumentare la produzione di piastrelle, all'epoca in uso quasi solo in cucina e bagno. Negli anni cinquanta si introducono altre consistenti migliorie, quali la pressa automatica e il forno a tunnel. Con queste varianti alla produzione si riesce infine a raggiungere una produzione su scala medio-larga, necessaria per sostenere un

mercato in forte espansione. Ma è negli anni sessanta e settanta che il mercato della ceramica in Italia vede una vera impennata.

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Dagli anni ottanta in poi, infine, ci si è concentrati soprattutto sulle tecniche di cottura veloce e sulla riduzione dell'impatto ambientale della produzione.

 Da pochi anni la ceramica viene utilizzata anche per la costruzione di dischi per impianti frenanti, mescole di carbonio e ceramica, in grado di diminuire l'effetto di affaticamento dei freni sottoposti a grande lavoro (Formula 1); e poi anche per il suo peso contenuto.a

Tipi di ceramiche

Ceramiche a pasta compatta. Rientrano nel gruppo il gres e la porcellana. Hanno una bassissima porosità e buone doti di impermeabilità ai gas e ai liquidi. Non si lasciano scalfire da una punta d'acciaio.Ceramiche a pasta porosa. Sono tipicamente la terraglia, le maiolica e la terracotta. Hanno pasta tenera e assorbente, più facilmente scalfibile. I quattro tipi di ceramiche principali sono la terracotta o coccio, le terraglie, il gres e la porcellana, che può essere tenera o dura.

 La terracotta Sono ceramiche che, dopo il processo di cottura presentano una colorazione che varia dal giallo al rosso mattone, grazie alla presenza di sali o ossidi di ferro. La cottura si effettua a 930 - 960°C. La presenza di ossido di ferro, oltre a dare il colore tipico, migliora anche la resistenza meccanica della

ceramica cotta.Sono utilizzate sia senza rivestimento superficiale che con rivestimento. Le prime come ceramica strutturale e ornamentale: mattoni, tegole e coppi (laterizi), vasi, brocche, ecc. Le seconde anche come vasellame da cucina: tazze, piatti.

Il grès 

Si ottiene per mescolanze argillose naturali. È necessaria una temperatura tra 1200°C a 1350°C.I colori variano a seconda dei composti ferrosi presenti.Possono venire smaltate: come per tutte le altre ceramiche, dopo la cottura vengono colorate nell’impasto, che contiene, di solito, un 33% circa di argille caolinitiche (bianche), un 50% di

fondenti (principalmente feldspato) e la percentuale restante di materiali inerti (sabbie o quarzo).

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La porcellana

 È considerata il più "alto" livello di produzione ceramica. Principale componente ne è una particolare argilla bianca: il caolino idrossisilicato di alluminio. È stata inventata in Cina attorno al VIII secolo ed è realizzata appunto con caolino, silice (o sabbia quarzosa) e il feldspato.Il caolino conferisce, ma non sempre, le proprietà plastiche e il colore bianco della porcellana; il

quarzo è il componente inerte e svolge la funzione di sgrassante (inoltre consente la vetrificazione); infine il feldspato che viene definito fondente, perché, fondendo a temperature più basse, abbassa notevolmente la cottura dell'impasto ceramico (1280°C). Esistono tipi anche molto diversi di porcellana, tipici delle diverse tradizioni di produzione.aProdotti in ceramica

Con ceramica non si intende solo il materiale, ma per estensione anche il prodotto che di quel materiale risulta composto. I prodotti in questione possono essere moltissimi. Tra i più frequenti merita ricordare:

ceramici tradizionali (utilizzati nell'industria edilizia);

da rivestimento e da copertura (tegole e piastrelle);

strutturale (i laterizi); sanitari; meccanici e aeronautici (soprattutto nei motori e turbine).

  La ceramica è usualmente composta da argilla con l’aggiunta di diversi altri materiali: feldspato, sabbia, ossido di ferro, allumina e quarzo. 

L'argillaLa temperatura di cottura dell'argilla si aggira intorno ai 960- 980 °C.L'argilla è naturalmente molto malleabile, in quanto la presenza di acqua nella sua struttura ne migliora le caratteristiche plastiche ed è quindi molto facile da lavorare anche con le mani.

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Quando è asciutta, ma non ha ancora subito il processo di cottura, diventa rigida e fragile.

Se sottoposta ad un intenso riscaldamento, diventa permanentemente solida.

aLavorazione dell'argilla Modellazione (a mano libera, a colombino, a lastre, al tornio, a stampo).EssiccazioneCottura Poiché la cottura modifica la struttura del prodotto finale, modulandola si possono ottenere risultati diversi:

Terracotta - si ottiene mantenendosi tra 960 e 1030°C Terraglia tenera - si ha tra 960 e 1070°C Terraglia dura - si ha tra 1050 e 1150°C Gres - si ottiene tra 1200 e 1300°C. Il Gres è un prodotto fortemente

vetrificato, impermeabile e poco poroso. Porcellana tenera - si ha tra 1200 e 1300°C, previo utilizzo di caolino. A

questo stadio otteniamo sia la vetrificazione, sia la traslucidità, sia l'impermeabilità.

Porcellana dura - si ha tra 1300 e 1400°C. È di solito di uso industriale. Ceramica High-Tech - si ottiene tra 1400 e 1700°C, previo utilizzo di

sostanze aggiuntive, quali caolino e allumina.

 SmaltaturaRicottura (eventuale)

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Il vetro

Cos’è il vetro

Il vetro è un materiale solido amorfo formatosi per progressiva solidificazione di un liquido viscoso, ottenuto per fusione di minerali cristallini. Secondo la sua composizione e la sua storia termica, il vetro può essere trasparente, translucido o opaco, incolore o colorato. A temperatura ambiente è durissimo (ha durezza 5-6 nella scala Mohs) e fragile, non è poroso, di forte caratteristica lucentezza, rifrange in modo notevole i raggi luminosi, dilata solo leggermente al calore, di cui è un cattivo conduttore;

Composizione

Il vetro è composto da una miscela omogenea di ossidi in proporzioni variabili, distinti in formatori e modificatori del reticolo vetroso. I principali formatori di reticolo (per questo detti anche vetrificanti) sono la silice (SiO2) e l'anidride borica (B2O3), ma numerosi altri ossidi tri o tetravalenti (di fosforo, germanioecc.) hanno queste caratteristiche.I modificatori si distinguono in fondenti (ossidi alcalini, principalmente di sodio e potassio) e stabilizzanti (ossidi alcalino-terrosi di calcio, magnesio, bario, ..).Gli ossidi di alcuni elementi come il piombo possono essere sia formatori che modificatori del reticolo. I vetri silicatici, i più numerosi, sono costituiti da un reticolo nel quale atomi di silicio e di ossigeno sono legati tra loro da forti legami chimici covalenti. Altri elementi interrompono la continuità del reticolo ( per questo sono detti modificatori ) creando legami di tipo ionico.

Il vetro si ottiene per fusione in un forno ad alta temperatura di una miscela omogenea di minerali (miscela vetrificabile), detti materie prime, mescolati in opportune proporzioni in peso, e di rottame di vetro.Aggiunte delle materie prime sono calcolate in peso, facendo riferimento a 100 Kg di sabbia. Tutti i componenti la miscela

sono in polvere e 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.Un po’ di Storia

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Fino alla fine del XVIII secolo, le ceneri vegetali, la silice e pochi altri composti erano praticamente gli unici componenti della miscela. Ma, da quando la scienza ha sviluppato la chimica moderna, anche l'industria vetraria ha fatto rapidi progressi ed i suoi prodotti hanno raggiunto già verso la fine del XIX secolo un alto grado di diversificazione e perfezione.Da una parte, lo sviluppo della teoria del calore ha dato alle vetrerie la possibilità di usare combustibili diversi dal legno, d'altra parte, l'industria chimica ha creato nuovi materiali refrattari in grado di resistere a più alte temperature e nuove materie prime più economiche. Fra queste i più importanti sono sicuramente i composti alcalini di sintesi, indispensabili per fondere la silice.

Materie prime

Vetrificante

La silice (SiO2, biossido di silicio) è il più comune formatore del reticolo vetroso ed è quindi la più importante materia prima per la produzione del vetro. Circa metà della crosta terrestre è formata da minerali di silice (silicati e quarzo), il maggior costituente di rocce e sabbie. Tuttavia la silice naturale non ha, in generale le caratteristiche necessarie per la produzione del vetro, sia perché forma dei minerali complessi con altri ossidi (come ad esempio nelle argille e nei feldspati con l'allumina, Al2O3), sia perché

contiene degli elementi come il ferro che, anche in piccola quantità, danno al vetro una colorazione indesiderata. Solo silice che contiene meno dello 0,1% di ossido di ferro (Fe2O3) può essere usata per la produzione di lastre; ma, per produrre vetro da tavola e artistico, tale percentuale scende al 0,01% e solo pochi giacimenti di quarzo garantiscono questi limiti. Per il vetro usato nell'ottica la quantità accettabile è ancora più bassa, meno dello 0,001%. E' una quantità piccolissima, equivalente a 10 milligrammi per chilo di

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sabbia! Ancora minore deve essere il contenuto di altri minerali, come gli ossidi di cromo, cobalto, rame, ecc.. che hanno un potere colorante maggiore di quello del ferro. Nessuna sabbia naturale è in grado di rispondere ai requisiti del vetro per l'ottica; per questo, anche le sabbie dei migliori giacimenti devono essere ulteriormente purificate con speciali trattamenti.

Fondenti

Per abbassare la temperatura di fusione del quarzo (circa 1700 °C) si aggiunge un fondente, generalmente l'ossido di sodio. Nella produzione attuale esso viene aggiunto sottoforma di carbonato (soda) o nitrato. Qualunque sia la sua origine, naturale o artificiale, 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.Allo stesso modo si comporta la potassa o carbonato di potassio (K2CO3), anch'essa prodotta oggi industrialmente. 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 .

Un po’ di storia

Il fondente in epoca romana ed altomedioevale era il natron, carbonato di sodio naturale che si trova nei laghi salati del Medio Oriente. Il vetro, fuso in Siria, Egitto o in Libano con sabbie siliceo-calcaree locali, veniva esportato sottoforma di blocchi di vetro grezzo per essere rifuso e lavorato in centri vetrari diffusi in tutto il bacino del Mediterraneo e nel nord Europa.Nel medioevo il natron fu sostituito da ceneri vegetali. In dipendenza della dislocazione geografica delle vetrerie, le piante che venivano bruciate potevano essere di origine

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marina o terrestre. Dalle prime, che furono usate prevalentemente nell'area mediterranea, si ricavava soda, dalle ceneri di piante continentali (quercia, faggio, felce, ...), usate principalmente nel nord Europa, si otteneva la potassa.Non essendo ancora possibile eseguire analisi chimiche per determinare nelle ceneri il tenore dei carbonati alcalini (in genere molto basso e variabile), i vetrai ne giudicavano la qualità dal colore, dall'odore e con l'aiuto del gusto.Quando si voleva produrre vetro puro ed incolore era necessario estrarre dalle ceneri il carbonato di sodio (o potassio) mediante lisciviazione,sciogliendo in acqua bollente le ceneri e filtrando il residuo insolubilei. Dopo lisciviazione, dalle migliori ceneri si poteva ottenere circa il 40% di sali alcalini ( carbonati, solfati e cloruri ). Fu questo il principale segreto dei vetrai veneziani che portò all'invenzione del cristallo, un vetro così limpido ed incolore da essere paragonabile al cristallo di rocca (quarzo). Solo alla fine del '700, in Francia, si cominciò a produrre soda in modo artificiale, usando, come materia prima, il cloruro di sodio (sale marino o salgemma). Nel 1791 Nicolas Leblanc mette a punto un processo per la produzione di soda arificiale, molto più ricca in carbonato di sodio dei fondenti naturali, ma contenente ancora molte impurità. Con questo metodo si arrivò ad ottenere un prodotto contenente il 70-75% di carbonato di sodio. Uno degli inconvenienti del processo Leblanc era però l'alto costo di produzione.Nel 1865, in Belgio, è stato messo a punto un nuovo processo per estrarre il sodio dalle acque marine, mediante trattamento con ammoniaca, per trasformalo poi in carbonato di sodio. E' il processo Solvay che fornisce soda di gran lunga migliore e più economica e che,

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opportunamente perfezionato, è tuttora utilizzato.

Stabilizzanti

Il vetro silico-sodico o silico-potassico non è stabile; 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 (CaO), magnesio (MgO), bario (BaO), piombo (PbO) e zinco (ZnO), che per questo sono detti stabilizzanti. Un ulteriore miglioramento si ha introducendo nel vetro altri ossidi come l'allumina (Al2O3) e l'anidride borica (B2O3).Il carbonato di calcio si trova in natura sotto forma di marmo o calcare. Si decompone, a circa 1000°C in anidride carbonica e ossido che entra a far parte del vetro. La dolomite, carbonato misto di calcio e magnesio, è usata per sostituire,in parte o completamente, il carbonato di calcio. L'allumina viene aggiunta, generalmente, sottoforma di feldspati alcalini (composti di silice, allumina e ossidi di sodio o potassio), minerali abbondanti nella crosta terrestre e facilmente fusibili. Serve a migliorare la resistenza chimica del vetro ed a controllare la viscosità del fuso. Il piombo viene aggiunto sotto forma di ossido prodotto industrialmente (minio, Pb3O4 oppure litargirio, PbO). Alte percentuali di piombo abbassano la temperatura di fusione, diminuiscono la durezza del vetro e ne aumentano la brillantezza. Il vetro è un materiale totalmente reversibile. Esso può essere rifuso e modellato un numero infinito di volte senza perdere o modificare le sue proprietà. Per questo il rottame di vetro è divenuto, per certe produzioni, una delle più importanti materie prime.Nei forni fusori per la produzione di bottiglie colorate,oltre il 60% (in certi casi quasi il 100%) della miscela vetrificabile è costituita da rottame riciclato cioè da vetro recuperato attraverso la raccolta pubblica (rottame da riciclo o esterno). Tutte le miscele vetrificabili devono contenere un po' di rottame, in quanto esso accelera la fusione della miscela vetrificabile e consente di risparmiare energia e materie prime. Ogni vetreria conserva e riutilizza nella miscela i

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propri scarti di lavorazione (rottame interno).

Affinanti

La miscela vetrificabile non è ancora completa. 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 biossido di manganese (MnO2). Nei moderni forni continui l'affinante principale sono 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.

Decoloranti

Il vetro, così ottenuto, non è ancora il vetro puro trasparente ed incolore o colorato delle vetrerie artistiche. Non basta 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 ad esempio del ferro) 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,

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dando al vetro una colorazione giallo-viola. 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.

Coloranti

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)Nella seguente tabella vengono elencati alcuni dei principali elementi e composti coloranti con i relativi effetti distinti a seconda delle condizioni operative ossidanti o riducenti.

Fonti delle illustrazioni

Le fonti e le illustrazioni sono state scaricate da vari siti presenti su internet e dal volume “Fare Tecnologia” di Giampietro Paci, edito dalla Zanichelli

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