Appunti Tecnologia dei materiali e chimica applicata

Tecnologia dei materiali e chimica applicata

A.A. 2025-2026

Prof.ssa Maria Bignozzi

Lezione 1 – 24/09/2025

Introduzione Cersaie

Evoluzione da piastrelle piccole a lastre grandi. Evoluzione anche nella decorazione, si stampa colore con stampanti a getto d’inchiostro. Ci sono piastrelle di ceramica che sembrano altri materiali, es. legno o marmo. Si può stampare sul supporto ceramico qualsiasi immagine. Poi viene cotta la lastra nel forno. Simula altri materiali ma mantiene le caratteristiche di durabilità della ceramica.

Normalmente la piastrella è di circa 9-11 mm, le piastrelle vecchie hanno 5 mm di smalto con decorazione, che rende la piastrella vetrificata. Le piastrelle di ora possono essere anche 3 mm e non vediamo lo smalto, è di 1-2 mm. Le piastrelle son diventate anche 30 mm, piastrelle spessorate per andare a coprire nuove fette di mercato. Es. gallerie di autostrada, lastre di 3 mm di spessore che rivestono la superficie interna della galleria e si flettono senza rompersi.

L’Italia produce gres porcellanato. La sua caratteristica fondamentale è che ha un assorbimento d’acqua molto molto basso, minore dello 0,5%. Misura della porosità aperta del materiale. Più materiale è aperto più assorbimento d’acqua è alto. Piastrelle degli anni ‘70-‘80 avevano assorbimento d’acqua del 15%. Materiale è diventato estremamente compatto e più performante. I prodotti più venduti in Italia sono in gres porcellanato e sono il top di gamma. Esistono ancora le piastrelle di maiolica e in cotto ma sono una nicchia più tradizionale.

Posa può incidere sul prodotto in modo notevole.

Diagrammi che rappresentano proprietà delle diverse classi di materiali.

Su asse x densità e su asse y modulo elastico, che dà una indicazione della rigidezza del materiale ed è dato dal rapporto tra tensione e deformazione.

Modulo elastico dell’acciaio è 210 GigaPascal. Densità di 8000 kg/m3.

I metalli hanno dei valori di densità abbastanza alte, fatta eccezione dell’alluminio e magnesio, metalli meno densi, più leggeri. Alluminio 2700 kg/m3, magnesio più leggero. Sono tutti materiali con moduli elastici abbastanza alti.

Se guardiamo i materiali polimerici, le plastiche, hanno moduli estatici molto più bassi e densità altrettanto più basse. Acqua è mille kg/m3. Polimeri su acqua possono galleggiare, quindi hanno una densità inferiore ai 1000. Ogni tanto vanno a fondo, infatti isolotta azzurra è a cavallo dei 1000, polimeri più pesanti o più leggeri.

Materiali ceramici, quelli che interessano a noi sono i non technical ceramics, vetro, calcestruzzo, materiali che sono più pesanti delle plastiche e con moduli elastici leggermente più alti, ma più leggeri e meno rigidi dei metalli.

1 Diagramma che descrive quanto resiste un materiale in funzione della temperatura di esercizio. Polimeri si degradano o fondono a temperature molto più basse rispetto ai metalli.

Diagramma che mostra l’energia richiesta per la produzione del materiale.

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Porosità

Materiali solidi possono presentare delle porosità. Alcuni sono più porosi di altri. Le porosità in un materiale sono di diverso tipo:

• Pori chiusi: pori confinati dentro il materiale, non hanno nessuno scambio con l’esterno del materiale. Pori possono essere ottenuti facendo espandere un materiale, es. polistirolo o polistirene espanso per imballaggi. Plastica molto leggera che dentro è gonfiata da dell’aria. Quell’aria gonfiando la plastica crea porosità chiuse. Pori chiusi non si bagnano con il liquido con cui sono a contatto, alleggeriscono la struttura e creano effetto isolante.
• Pori aperti: porosità che possono essere permeate da un liquido esterno. Poro chiuso è impermeabile, poro aperto permeabile. Acqua entra e riempie la porosità. Questi pori aperti possono essere interconnessi per tutto lo spessore del materiale, es. fenomeni di risalita capillare acqua risale per i pori aperti interconnessi.

Se voglio determinare la porosità totale di un materiale sarà la somma di pori aperti e pori chiusi. Pori aperti occupano un volume del mio solido, analogamente avrò anche il volume dei pori chiusi.

Rispetto a un materiale compatto un materiale poroso è caratterizzato da diversi tipi di volume:

• Volume dei pori aperti
• Volume dei pori chiusi
• Volume totale dei pori
• Volume geometrico = volume dei pori aperti + volume dei pori chiusi + volume reale, ovvero della parte che non ha pori. Il volume reale è la parte continua di materiale.

Come mai si creano questi pori nel materiale?

I metalli normalmente non hanno porosità perché si ottengono dalla fusione completa delle materie prime, processo di formazione dell’acciaio permette di avere materiale senza porosità. Anche vetro non ha pori e appartiene alla famiglia dei materiali ceramici, è l’unico materiale ceramico che si ottiene dalla fusione completa delle materie prime. Altro esempio è la plastica, tanti materiali polimerici sono fusi e colati o soffiati in stampi.

Spesso è la tecnologia di formazione che favorisce o meno la formazione di pori. Se uno fonde le materie prime per fare un oggetto, a meno di errori, quell’oggetto non avrà porosità.

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I materiali da costruzione sono tutti porosi. Calcestruzzi, laterizi, ceramiche sono tutti caratterizzati da porosità principalmente aperte ma possono avere anche porosità chiuse.

Volume reale non coincide più con volume geometrico. Non posso più parlare di densità senza specificare di quale densità sto parlando. Avrò densità geometrica data dalla massa fratto volume geometrico e densità reale data dalla massa diviso il volume reale. Per i metalli densità geometrica e reale soni la stessa cosa, per i laterizi no.

Volume geometrico è maggiore per un laterizio, quindi la densità geometrica è minore della densità reale. Nei materiali porosi ho due densità e quella geometrica normalmente è più piccola di quella reale, perché i pori occupano parte de volume.

Nei materiali da costruzione avere questi pori può avere aspetti positivi e negativi:

• Negativi: materiale poroso è meno resistente, non lo facciamo mai lavorare a trazione, si spaccherebbe in modo fragile, lavora a compressione. Sezione resistente non è continua e quindi diminuisce la sezione resistente e quindi la resistenza è inferiore. Pori interconnessi, risalita capillare dell’acqua che si porta dietro dei Sali che poi cristallizzano e rompono l’intonaco. Attraverso i pori entrano tutti gli agenti aggressivi che si possono trovare nell’ambiente.
• Positivi: leggerezza e può funzionare da isolante termico, es. laterizi. Un materiale poroso normalmente è più permeabile e traspirabile, ci sono pro e contro.

Processo produttivo materiali ceramici

Cls rientra nella famiglia dei materiali compositi perché è un mix di cemento, acqua e aggregati (sabbia, ghiaia ecc), ma laterizi e ceramiche si ottengono senza fondere le materie prime quindi intrinsecamente si portano dietro questa porosità.

Se fondessimo le materie prime per creare i materiali ceramici dovremmo trattare questi materiali a temperature oltre i 2000 gradi, grande sforzo economico e di impatto ambientale.

Processo produttivo per i materiali ceramici si chiama sinterizzazione; si basa sul partire da materie prime in polvere, molto fini, e formare questa polvere con già la forma del prodotto finito. Formare per pressatura la piastrella o formare il laterizio per estrusione. Si impasta polvere con acqua e si forma il prodotto, poi si cuoce il prodotto con già la forma. Durante la cottura solo una piccola parte dei granelli si fonde e va a incollare tutte le parti che non si fondono. Nel caso di ceramiche tradizionali si parla di sinterizzazione con presenza di fasi fuse. Se si fonde tutto non avrei più la forma, devo fare in modo di formare e di raggiungere una temperatura in cui qualcosa si fonde ma non tutto. Questa parziale fusione connette tutte le altre particelle che non si fondono, ecco perché alla fine il materiale risulta poroso, ci saranno dei punti in cui i pori rimangono.

Sinterizzazione non si basa sulla fusione completa ma su fusione molto parziale.

Dunque dobbiamo chiederci come vengono prodotti i materiali.

Assorbimento d’acqua

Se misuriamo la densità reale e la densità geometrica del laterizio sono molto diverse.

Densità reale è intorno a 2,5 g/cm3, ovvero 2,5 kg/l, o 2,5 kg/dm3, oppure 2500 Kg/m3. Una autobetoniera porta 10-12 m3.

Quanto si abbassa la densità geometrica del laterizio?

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Per determinare la densità geometrica conviene sapere l’assorbimento d’acqua del materiale. La misura dell’assorbimento d’acqua per le piastrelle di ceramica è un parametro fondamentale, è quel valore che fa sì che una piastrella sia top di gamma o di qualità inferiore.

Si prende campione di cui vogliamo sapere la porosità, es. laterizio, lo si mette in forno e lo si essicca intorno ai 100°C per evitare che ci sia umidità residua. Acqua evapora. Prendo laterizio, lascio raffreddare per 24h e poi lo peso e si determina la massa secca, Ms. Se voglio essere sicura che sia veramente secco lo rimetto in stufa altre 4-5h, lo rilascio raffreddare e poi lo ripeso. Se la variazione è inferiore al 10% posso dire che è secco. Poi lo immergo in una bacinella d’acqua in modo tale che acqua gli entri anche da sotto, non sul fondo. Lo lascio 24h, dopo lo riprendo ma non lo peso subito, ha tanta acqua in eccesso. Devo togliere acqua in eccesso senza togliere acqua che è andata dentro ai pori aperti. Si usa un panno bagnato che asciuga le gocce in eccesso ma non fa effetto spugna che toglie acqua dai pori aperti. La massa che si determina si chiama massa in condizioni di superficie satura asciutta. Superficie esterna è asciutta ma i pori sono tutti pieni d’acqua. Anche qua posso fare doppia pesata.

Per la prova, tanto più il materiale è meno poroso, tanto più si cerca di fare entrare acqua forzatamente, es. mettendo il campione in acqua bollente per velocizzare il processo.

Dall’assorbimento d’acqua ricaviamo la porosità aperta percentuale che è il volume dei pori aperti diviso il volume geometrico per cento. La porosità chiusa percentuale sarà analoga.

Mssa – Ms la posso identificare anche come volume dei pori aperti per la densità dell’acqua, ovvero massa d’acqua che è entrata nei pori aperti. Sostituisco la formula di Vpa nella formula di AA%. Facendo la formula inversa trovo Pa%.

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Un esempio di materiale naturale poroso è il legno.

Assorbimento d’acqua permette di stimare la porosità aperta del materiale, domanda classica d’esame. Piastrelle di ceramica basano la loro qualità e prezzo sull’assorbimento d’acqua.

Densità dei materiali

• Metalli: 2700 kg/m3 < d < 10.000 kg/m3 (ci fermiamo alle densità dei materiali per edilizia, oro sarebbe molto maggiore);
• Ceramici tradizionali (tra cui vetro): 1800 kg/m3 del laterizio < d geometrica < 2800 kg/m3 del vetro;
• Polimeri: 800 kg/m3 < d < 1300 kg/m3;

Questi valori di densità dipendono da 3 fattori:

1. Atomi che compongono il materiale, cambia il loro peso atomico, ci sono elementi che pesano di più o di meno. Elementi con atomi più pesanti avranno densità maggiore;
2. Più legame chimico è forte, più gli atomi stanno vicini;
3. Più legame chimico è forte, più tenderanno ad avere una struttura ordinata, occuperanno tutto lo spazio in un determinato volume.

Quindi per avere densità alte si deve avere peso atomico degli elementi elevato e atomi tutti vicini.

Strutture cristalline

Più legami sono forti più gli atomi si organizzano in una struttura ordinata, occupano posizioni nello spazio che creano una cella cristallina, poi questa cella si ripete nelle 3 direzioni dello spazio dando origine al reticolo cristallino. La più semplice è la cella cubica con gli atomi ai vertici. Atomi sono pesanti, si dispongono in modo ordinato in questa cella, cella si ripete nello spazio, accanto a questa se ne mette un’altra e così via. Dalla cella cubica semplice si origina un reticolo cristallino.

Ordine può portare a una situazione di massimo impacchettamento atomico, tutti gli atomi che occupano il massimo del volume di una cella cristallina.

Atomo disegnato ristretto qui ma in realtà è più grande, gli atomi si possono anche toccare tra loro.

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Cubo con atomi sui vertici è la cella cristallina base. Quando questa si ripete nelle 3 direzioni dello spazio dà origine al reticolo cristallino. Di celle e reticoli alla fine ce ne è un numero fissato. 14 Reticoli di Bravais. Cella a facce centrate significa che ha gli atomi ai vertici e al centro di ogni faccia.

Le tipologie di celle sono 7 e ogni cella si può declinare in diverse celle. 14 reticoli cristallini che si possono originare. Tutti i materiali solidi che cristallizzano, cristallizzano con queste geometrie.

Poi ci sono materiali che cambiano geometria con la temperatura. Il ferro cristallizza con cella cubica corpo centrata da temperatura ambiente a 910°C, quindi cubo con ai vertici atomi di ferro e al centro della cella c’è un altro atomo di ferro, CCC. Quando arriva a 910°C si trasforma in una struttura cristallina cubica a facce centrate, CFC, un cubo con atomi nei vertici e al centro di ogni faccia. A 1394°C cambia ancora forma e torna cubico a corpo centrato. Per ogni cella si va a misurare un parametro che si chiama a ed è la costante reticolare, il lato del cubo. Si sono accorti che il lato del cubo era diverso. Ferro alfa è la struttura iniziale. Ferro gamma è il secondo e ferro delta è il terzo. Ferro alfa e ferro delta sono entrambe CCC ma hanno una diversa costante reticolare. Dopo il ferro fonde a 1540°C.

7 2/3 dei metalli cristallizza col sistema cubico. 1/3 con sistema esagonale compatto. Cella esagonale compatta è un prisma con basi esagonali. Magnesio cristallizza con cella esagonale compatta, EC. Atomi sui vertici delle due basi esagonali e tre in mezzo. Non la troviamo nel caso degli acciai.

Più atomi vanno a riempire queste celle più volume è tutto occupato e quindi il materiale avrà una densità elevata. I solidi cristallini hanno queste caratteristiche quindi sono tendenzialmente abbastanza densi.

Conosciamo solidi che non sono cristallini? Solidi in cui atomi non sono ben ordinati. Un esempio tipico di solido disordinato sono i vetri perché sono costituiti da delle celle tetraedriche, inizialmente c’è una cella ma poi invece di fare un reticolo cristallino come i metalli incominciano a formare delle catene e creano delle strutture disordinate.

Si dice struttura ordinata a livello di cella ma struttura disordinata sul lungo raggio. Nello spazio quella struttura non riesce a creare un reticolo cristallino. Si chiamano solidi amorfi. I vetri sono amorfi, solidi ma a parità di volume gli atomi si dispongono in disordine quindi c’è del gran volume vuoto.

Anche i materiali ceramici tradizionali (piastrelle e laterizi) hanno delle zone o delle fasi amorfe. I metalli invece sono 100% cristallini. Vetri 100% amorfi. Ciò influenza anche la loro trasparenza. Vetro trasparente, acciaio opaco. La radiazione luminosa quando passa sul materiale intercetta questi piani cristallini. Radiazione arriva, tocca il piano e viene rifratta. Questo effetto rende opaco il materiale, luce non passa attraverso, luce incontra degli ostacoli che la rifraggono e non ho la trasparenza. Nel vetro invece c’è disordine e luce riesce a passare perché non trova piani di rifrazione. Trasparenza del vetro è legata al fatto che vetro è un solido amorfo, disordinato.

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Gas e liquidi sono disordinati, tendono a occupare massimo volume possibile. Solido amorfo ha un comportamento simile al liquido ma nel solido amorfo è come se quel volume improvvisamente si fosse congelato, atomi freezati in una condizione di disordine.

Densità dipende dal peso degli atomi e da come sono organizzati: nel solido cristallino sono tutti vicini, nel solido amorfo sono disordinati e c’è del vuoto. A parità di materiale solido cristallino ha la densità maggiore. Nel vetro possiamo vedere dei difetti, zona in cui non è trasparente. In quella zona è avvenuta la cristallizzazione.

Cella tetraedrica del vetro costituita da silice o quarzo. Quarzo è ossido di silice. Lo troviamo come cristallina. Quando viene fuso va a creare sul lungo raggio una struttura disordinata.

Quanti atomi riesco a inserire in ogni cella?

• CCC: costituita da un atomo centrale e 8 sui vertici del cubo. Questo atomo centrale in realtà è toccato da un pezzetto dell’atomo che si trova sui vertici. CCC ha numero di coordinazione = 8, ogni atomo è toccato contemporaneamente da altri 8 atomi. Nella CCC ho un atomo intero e ognuno degli 8 pezzettini sui vertici contribuisce per 1/8, quindi nella CCC ci sta un atomo tutto + 8 pezzettini per 1/8, quindi è come se in questa cella avessi due atomi completi. Fattore di compattazione atomica = 0,68, 68% della cella è pieno, riempito da atomo pieno e pezzettini.
• CFC: è più impacchettata della CCC, ogni atomo è toccato contemporaneamente da 12 atomi. Fattore di compattazione atomica = 0,74, più alto, ci stanno più atomi dentro questa cella. In ogni facc