Riassunto esame Materiali per il design degli interni, Prof. Melià Paco, libro consigliato Materiali per il Design, B. Del Curto, C. Marano, MP. Pedeferri

Applicazioni dei materiali nel design

Un materiale può essere considerato come un aggregato di atomi o molecole. Gli atomi sono l'unità fondamentale della molecola, questo è costituito dal nucleo (formato da protoni e neutroni) e da elettroni che ruotano attorno al nucleo occupando via via i livelli energetici successivi. Gli elettroni del livello energetico più esterno sono detti elettroni di valenza, questi determinano i legami con altri atomi di una molecola.

Gli atomi si distinguono in base al numero atomico, ovvero in numero di protoni ed elettroni presenti in un atomo. Più aumenta il numero atomico, più le dimensioni di questo aumentano. Gli elettroni ruotano attorno al nucleo a distanze diverse, più aumenta il numero atomico, più saranno lontani gli elettroni, risentendo meno dell'attrazione al nucleo, proprio questi elettroni sono coinvolti nella creazione di legami con altri atomi. La forza con cui il nucleo riesce ad attrarre a sé elettroni è indicata dall'elettronegatività, le differenze di elettronegatività tra atomi indicano il tipo di legami che si può formare tra questi e quanto è forte.

Legami chimici

La massima stabilità chimica si ottiene quando nel livello energetico più esterno sono presenti 8 elettroni. Se questo non avviene, gli atomi cercano di creare legami per ottenere gli 8 elettroni. I legami possono essere:

• Legami deboli, come i legami dipolo/dipolo (un esempio è il legame a idrogeno) e i legami di Van der Waals, che si formano tra molecole diverse già precostituite e sono di natura principalmente elettrostatica. Sono interazioni tra zone con carica positiva e zone con carica negativa che attira le cariche positive. Un legame debole può essere rotto facilmente fornendo calore (un esempio sono i passaggi di stato).
• Legami forti, che a differenza dei legami deboli, vengono formati tra atomi. Per romperli serve molta energia che può essere fornita attraverso il calore o radiazioni. I legami forti possono essere di tre tipi:
• Legame covalente: il legame covalente puro si forma tra una coppia di atomi la cui differenza di elettronegatività è nulla (quindi sono lo stesso atomo) o molto piccola (minore di 1,7). Gli atomi legati da un legame covalente condividono una o più coppie di elettroni (fino a 4 coppie), sovrapponendo gli orbitali atomici degli elettroni condivisi, attraendosi a vicenda, questi elettroni condivisi ruotano attorno ai due nuclei. Si può creare anche un legame covalente polare, tra atomi diversi, in cui uno è più elettronegativo dell'altro; quindi, la coppia è condivisa in modo asimmetrico, essendo gli elettroni maggiormente attratti verso l'atomo più elettronegativo. In questo caso si forma un dipolo, ovvero la zona più elettronegativa della molecola formata avrà carica negativa, per l'attrazione verso sé di elettroni, mentre l'altra parte sarà maggiormente positiva. Per rompere questo legame è necessaria molta energia.
• Legame ionico: si forma tra atomi diversi, in cui uno è molto più elettronegativo dell'altro (differenza di elettronegatività > 1,7), l'elettrone quindi non viene condiviso ma viene attratto da un atomo all'altro, viene quindi ceduto, in modo tale che entrambi raggiungano la configurazione stabile. Questo legame dà luogo alla formazione di ioni, si crea una forte attrazione elettrostatica tra lo ione positivo e quello negativo. Quindi in questo caso il legame non è dovuto alla condivisione di elettroni, ma ad una forte attrazione elettrostatica tra cariche di segno opposto.
• Legame metallico: avviene tra atomi di elementi metallici a formare legami cristallini. I metalli hanno la tendenza a cedere i loro elettroni più esterni e a trasformarsi in ioni positivi. Gli ioni positivi occupano posizioni fisse e ordinate nello spazio, formando dei reticoli cristallini, mentre gli elettroni ceduti vengono messi in condivisione e costituiscono una nuvola elettronica mobile, responsabile delle proprietà macroscopiche di questi elementi; infatti, lo spostamento di elettroni rende il materiale un conduttore termico ed elettrico. La nuvola elettronica si muove tra i cationi e funge da collante dato che esiste un'attrazione reciproca tra ioni e nuvola elettronica, avendo carica elettrica di segno opposto.

Legami e classi di materiali

La classificazione dei solidi è correlata ai legami:

1. Solidi metallici: legame metallico che conferisce le proprietà tipiche dei metalli
2. Solidi covalenti: legame covalente presente tra le catene di polimeri e dei materiali ceramici
3. Solidi ionici: legame ionico, caratteristico dei materiali ceramici
4. Solidi molecolari: legami deboli, si formano in catene molto lunghe con dipoli

Più in generale si possono classificare i materiali in classi di materiali, legati tra loro per la loro composizione e proprietà. I materiali sono quindi divisi tra:

• Materiali metallici
• Materiali ceramici
• Polimerici

Le proprietà generali di questi materiali sono influenzate dalla tipologia di legami che si formano.

Materiali metallici

I metalli puri sono elementi metallici della tavola periodica che si legano tra loro con il legame metallico. Oltre ai metalli puri esistono anche le leghe metalliche, formate da due metalli o da un metallo e un non metallo, le proprietà di una lega possono essere cambiate in base agli elementi e i rapporti relativi.

Materiali ceramici

Il termine utilizzato per definire i materiali non metallici inorganici e vanno dal sale da cucina, alla ceramica delle tazze, al vetro. La classe dei materiali ceramici è molto ampia. Questi materiali sono tenuti insieme grazie a legami ionici e li covalenti, entrambi i legami sono molto forti; infatti, i materiali ceramici hanno temperature di fusione molto elevate. Gli elettroni di legame sono tutti occupati a riempire gli orbitali, quindi non formano altri legami. I materiali ceramici sono ottimi isolanti termici ed elettrici.

Materiali polimerici

I materiali polimerici sono costituiti da lunghe catene di atomi, tenuti insieme da legami covalenti generalmente tra atomi di carbonio o tra carbonio e idrogeno. All'interno delle catene è possibile che si formino dei dipoli, quindi formando legami deboli che tengono unite le catene. Dato che i legami che uniscono le catene sono deboli, è necessaria una bassa temperatura per arrivare a fusione.

La struttura dei materiali

Gli atomi o le molecole che costituiscono un materiale possono disporsi in modo più o meno ordinato, in base alla loro disposizione e al grado di ordine degli elementi che lo compongono, questi possono avere una struttura:

• Cristallina: gli atomi o i gruppi atomici sono disposti nello spazio in modo ordinato e ripetitivo. Hanno una struttura cristallina i metalli, in cui l'ordine è nella disposizione dei nuclei, e i materiali ceramici, in cui è presente una precisa disposizione nello spazio di uno ione rispetto agli altri. La presenza di un reticolo cristallino aumenta le proprietà meccaniche del materiale, i legami forti determinano una elevata risposta alle sollecitazioni. Il reticolo cristallino metallico può essere facilmente deformato, quindi i materiali metallici sono facilmente lavorabili, sono quindi duttili; infatti, prima di rompersi vanno incontro ad un processo detto snervamento e ad una deformazione plastica. Questo è dovuto alla presenza di dislocazioni, ovvero dei difetti di linea della struttura cristallina di un metallo, che consentono gli scorrimenti. La presenza di questi difetti, quindi, determina la possibilità di lavorare per deformazione plastica questo materiale. Il reticolo cristallino dei materiali ceramici non presenta la struttura dei materiali metallici, infatti, non consente deformazioni di tipo plastico. Una volta che la forma di un materiale ceramico è stata stabilizzata tramite un trattamento termico, la sua forma non può più essere modificata, arrivando solo ad una rottura di tipo fragile.
• Semicristallina: in una struttura di questo tipo coesistono la struttura amorfa e la struttura cristallina; quindi, parte delle molecole è disposta in modo ordinato e parte in modo disordinato. Le zone cristalline presentano una temperatura di fusione maggiore rispetto alla temperatura di rammollimento delle zone amorfe.
• Amorfa: in questo tipo di struttura, i gruppi atomici e le molecole si dispongono nello spazio in modo disordinato. Materiali di questo tipo sono i vetri e alcuni polimeri. I legami all'interno delle molecole sono forti, mentre generalmente tra le molecole sono deboli. Le caratteristiche meccaniche sono inferiori rispetto a quelle di strutture cristalline.

Il legno

Il legno è un materiale composito naturale di origine vegetale. È costituito da una complessa sequenza di cellule di cellulosa rinforzata da una sostanza polimerica chiamata lignina e da altri composti organici. Il tronco dell'albero è composto da diversi strati, in generale si individuano la corteccia esterna e la parte lignea centrale, che a sua volta si divide in alburno, la parte esterna più giovane, e il durame, la parte interna che è spesso la più scura per la presenza di estratti.

Le proprietà principali del legno dipendono dalla struttura delle pareti cellulari, quindi dalla sua microstruttura. La parete delle cellule è composta da diversi strati: le microfibrille sono formate da cellulosa, un polimero con catene molto lunghe che seguono una direzione longitudinale, avendo un orientamento preferenziale. La cellulosa è circondata da una matrice polimerica costituita da emicellulosa e lignina, queste sostanze polimeriche naturali non hanno un orientamento preferenziale, quindi, permettono buone proprietà meccaniche; infatti, il legno resiste bene a flessione e a trazione.

Vantaggi e svantaggi del legno

I vantaggi del legno sono:

• Il legno è un materiale disponibile ovunque e facilmente lavorabile e a basso costo
• Ha buone proprietà meccaniche, coibenti e una buona resistenza chimica
• Ha una bassa densità
• È rinnovabile, riutilizzabile e biodegradabile

Gli svantaggi di questo materiale sono:

• Non ha proprietà uniformi, infatti ogni pianta e ogni legno ha le sue caratteristiche peculiari
• È anisotropo, ovvero risponde diversamente allo sforzo in base a come il materiale viene caricato, questo dipende dallo sviluppo della pianta
• Il legno è igroscopico, quindi è in grado di assorbire acqua: all'interno della struttura del legno a livello microscopico, la struttura cava è riempita con acqua e fluidi che permettono alla pianta di crescere, quando il legno viene tagliato questi liquidi escono ma il legno continua ad assorbire
• Il legno è attaccabile da agenti biologici
• Degrada ad alta temperatura

Classificazione botanica del legno

In base alla composizione del tronco e all'omogeneità delle sezioni concentriche, viene effettuata una classificazione botanica che divide i legni in essenze dolci (gimnosperme/conifere) ed essenze dure (angiosperme): le prime sono più facili da lavorare ma si scalfiscono facilmente, inoltre viene attaccato più facilmente dai tarli; le essenze dure invece sono più difficili da lavorare ma sono più durevoli nel tempo. Questa classificazione è basata sulla struttura delle cellule e non necessariamente sulle proprietà meccaniche.

Il legno delle conifere è omogeneo, con sottili tracheidi la cui parete ispessita ha funzioni meccaniche. Nelle conifere mancano le fibre e canali che portano resina. Il parenchima è scarso o assente. Le latifoglie presentano invece un legno eterogeneo, suddiviso in trachee, ovvero dei vasi conduttori a lume più grande, non interrotti; in fibre, con compiti di sostegno meccanico, e parenchima.

L'umidità del legno

Le cellule del legno contengono i fluidi necessari alla vita dell'albero, queste mantengono acqua al loro interno anche dopo il taglio. L'umidità del legno è definita come la percentuale in peso dell'acqua rispetto al legno essiccato:

Con legno verde si intende la condizione di umidità presente nel legno appena tagliato, in genere è tra il 60 e il 200%, in base al tipo di legno. In un legno dolce, nell'alburno è presente umidità fino al 150%, mentre nel durame arriva fino al 60%. In un legno duro, l'umidità arriva all'80% sia nell'alburno che nel durame. In seguito, il legno tende a cedere acqua e a raggiungere un valore di equilibrio con l'umidità dell'ambiente.

Al taglio del legno segue il processo di stagionatura o essiccamento, questo può avvenire in modo naturale oppure forzato per velocizzare il processo e controllare i parametri esterni, limitando i difetti e le fessurazioni. Inizialmente, l'umidità all'interno del lume delle cellule viene rilasciata velocemente, appena il legno viene tagliato, e non comporta alterazioni di forma ma diminuisce la densità. L'umidità assorbita all'interno delle pareti delle cellule viene rilasciata più lentamente, si ha ritiro, aumento della densità e un aumento delle proprietà meccaniche del legno, ma si possono subire delle deformazioni.

Caratteristiche meccaniche

I fattori che determinano la resistenza meccanica del legno sono:

• I difetti
• La densità
• Il contenuto di umidità
• La direzione di sollecitazione

Il punto di saturazione delle fibre corrisponde all'umidità percentuale del legno per la quale tutti i condotti cellulari (lumi) sono vuoti e le pareti cellulari sono sature d'acqua. La resistenza a compressione aumenta all'aumentare della densità, in condizioni di legno verde e dopo l'essiccamento in aria, come viene mostrato nel grafico accanto. Si nota che la resistenza a compressione del legno essiccato all'aria è maggiore rispetto al legno verde, che essendo ancora "umido" è meno denso. Il grafico, quindi, mostra la resistenza a compressione in funzione della densità.

Lo stesso discorso vale per il modulo elastico, che aumenta all'aumentare della densità del legno. L'effetto dell'umidità sulle proprietà meccaniche del materiale si manifesta sotto al punto di saturazione delle fibre: la rimozione iniziale dell'acqua nelle cavità delle cellule non ha effetto sulla resistenza a compressione, mentre l'allontanamento dell'acqua assorbita dalle pareti comporta un aumento della resistenza. Il grafico in figura mostra la resistenza a compressione in funzione dell'umidità.

La struttura del legno determina un comportamento del legno fortemente anisotropo. L'allineamento longitudinale delle microfibrille che costituiscono le pareti delle cellule determina una resistenza, a trazione e a compressione, maggiore in direzione longitudinale rispetto alla direzione perpendicolare alle fibre. Il grafico in figura mostra che la resistenza a trazione è più sensibile alla variazione dell'angolo di applicazione del carico rispetto alla resistenza a compressione. I legni duri hanno una maggiore densità rispetto ai legni dolci, sono più rigidi e hanno maggiore resistenza a trazione.

Deformazioni

Le fibre del legno possono subire una deformazione massima in funzione della direzione di applicazione del carico:

• Longitudinale: 0,1%
• Trasversale: 1-10%, ma dipende molto anche da come viene svolta la stagionatura, che va controllata
• Radiale: 5%

Durabilità

Il legno è facilmente attaccabile da:

• Agenti biologici, come funghi e insetti (termiti). I funghi possono portare alla decomposizione del legno in seguito ad un attacco chimico, provocando marciume o carie. Gli insetti adulti si cibano del legno, mentre le larve scavano gallerie in questo. Alcuni legni sono più resistenti di altri a questi agenti, ma comunque è possibile applicare dei trattamenti con impregnanti per favorire la resistenza.
• Agenti fisici, come agenti atmosferici o il fuoco. Gli agenti atmosferici producono un danno superficiale legato alla variazione di colorazione, questo dipende dalla luce, pioggia o dal vento. Un attacco grave al legno è rappresentato dall'incendio, nonostante questo, quando il legno brucia può mantenere a lungo le sue proprietà meccaniche. Quando viene sottoposto a combustione, nel legno si individuano tre zone: una esterna carbonizzata, una intermedia pirolizzata (dove avviene la combustione) e una parte interna che rimane inalterata. Lo strato carbonizzato protegge gli strati interni e limita l'aumento della temperatura, rallentando il processo di degrado e cedimento strutturale, limitando il divamparsi della fiamma.
• Agenti chimici, anche se il legno ha una buona resistenza agli ambienti leggermente acidi, ha minore resistenza in ambienti alcalini.

Produzione

Solitamente il legno viene tagliato in direzione longitudinale per ottenere travi. Questa operazione viene svolta prima della stagionatura e il materiale ottenuto è detto legno massello. Il taglio viene effettuato già pensando all'applicazione a cui è destinato il materiale. Il legno massello, o massiccio, è raramente utilizzato per il suo comportamento anisotropo, la sua instabilità dimensionale in presenza di variazioni di umidità, per la presenza di difetti e per la disponibilità di dimensioni limitate.

Si ricavano sottili fogli dal tronco tramite una lama animata da un movimento relativo rispetto al tronco, viene effettuato per eliminare discontinuità nel legno che avrebbero effetto sulle proprietà meccaniche. Successivamente i prodotti sono derivati dal legno per sfogliatura, operazione che avviene in maniera radiale, e tranciatura. Più spesso del legno massello si utilizzano i semilavorati, ottenuti riducendo il legno in piccoli elementi che vengono uniti tramite incollatura, alcuni di questi sono: compensato, pannelli di trucioli, pannelli di fibre, legno lamellare. Il legno lamellare è ottenuto a partire dal tronco: dal legno massello si ottengono lamell.