Domande d'esame di Packaging

Domande di packaging

Ingredienti utilizzati nella produzione del vetro

La miglior qualità di vetro è il biossido di silicio (SiO₂), in cui ogni atomo di silicio è legato a quattro atomi di ossigeno e ogni atomo di ossigeno è legato a due atomi di silicio, in una forma tetraedrica. Il biossido di silicio si trova nella forma cristallina (silice), come sabbia (piccoli cristalli) o quarzo (grandi cristalli). Nella maggior parte dei casi, il vetro viene prodotto a partire dalla sabbia addizionata di ingredienti per ottenere un materiale più resistente. Inoltre, nei vetri speciali, come quelli resistenti agli sbalzi termici, una parte degli atomi di silicio è sostituita da atomi di boro e/o alluminio.

Gli ingredienti generalmente usati nella produzione di bottiglie e vasetti di vetro sono:

• Sabbia silicea (biossido di silice) in ragione del 68-73%
• Carbonato di calcio in ragione del 10-13%
• Carbonato di sodio in ragione del 12-15%
• Allumina (ossido di alluminio) in ragione del 1.5-2%

Oltre a questi ingredienti standard, spesso sono aggiunti:

• Coloranti, come ossidi di cromo (verde), ferro e zolfo (ambra) e ossidi di cobalto (blu), che riducono la trasmissione della luce visibile, originando bande di assorbimento non solo nel visibile ma in alcuni casi anche nell'UV e nell'IR (il vetro incolore trasmette più del 90% della luce incidente)
• Agenti vetrificanti, quali SiO₂, B₂O₃, P₂O₅ che partecipano alla formazione del reticolo
• Fondenti, quali carbonati e ossidi di Na, K e Li, che abbassano la T di fusione
• Agenti stabilizzanti, quali carbonati e ossidi di Ca, Mg, Ba, Zn, Pb, Al, che riducono la tendenza alla devetrificazione: infatti gli atomi di sodio, magnesio, calcio, bario e potassio si inseriscono negli spazi tra un tetraedro e l'altro modificando le caratteristiche generali del vetro
• Affinanti che, a base di nitrati, favoriscono l'espulsione di CO₂

Infine, il vetro può essere prodotto a partire dai rottami di vetro. Infatti, il vetro è un materiale riciclabile al 100% per innumerevoli volte (da 100kg di rottame si ottengono 100kg di materiale nuovo), con evidenti benefici ambientali ed economici derivanti da un minor impiego di energia per la fusione: usando il 10% di rottame, si ha una riduzione del 2.5% del combustibile normalmente impiegato, riducendo anche le emissioni in atmosfera.

Processo di produzione del vetro

Nella maggior parte dei casi, il vetro è ottenuto dalla sabbia silicea che viene portata alla temperatura di fusione e poi raffreddata velocemente, per ottenere un solido amorfo ma fragile: infatti, a causa del rapido raffreddamento, gli atomi di silicio e ossigeno, sfuggiti dalla struttura cristallina della sabbia con la fusione, non hanno il tempo necessario per allinearsi e rimangono nelle posizioni precedenti.

Il vetro usato per i comuni contenitori è prodotto nei forni di fusione o fornaci, in cui le materie prime opportunamente miscelate sono caricate da un’estremità, mentre delle fiamme prodotte dalle porte di accensione (lungo le pareti o alla testa del forno) investono la superficie del vetro. In questo modo, le materie prime fondono a 1510°C, rilasciando CO₂, dovuta alla scomposizione dei carbonati. Prima di essere scaricati, questi gas di combustione passano all’interno di scambiatori, che recuperano il calore con cui viene scaldata l’aria (o l’ossigeno) in entrata e che vengono alternativamente scaldati e raffreddati, invertendo la direzione di cottura nella fornace ogni 20 minuti. Tuttavia, a temperature così elevate si producono anche degli ossidi di azoto, particolarmente dannosi per l’ambiente: quindi spesso l’aria, che è una fonte di azoto, è sostituita dall’ossigeno, riducendo l’inquinamento e il consumo energetico.

Dopo la fusione, il vetro passa nella gola del forno, dove un ponte raccoglie scorie e materiale non fuso in galleggiamento sulla superficie del vetro, nella zona di affinaggio, dove sono eliminati i gas, e nella zona del forehearth, dove la profondità della massa fusa passa da 15 a 5 cm, la temperatura viene ridotta a 1200-1300°C e si aggiungono i coloranti. Infine, il vetro arriva alla bocca di estrazione, in corrispondenza della quale il livello è di circa 4 m sopra il piano: da qui il vetro viene lasciato cadere per gravità attraverso dei fori o degli scivoli e tranciato in boli che cadono direttamente nello stampo formatore.

Processo di produzione di contenitori in vetro a bocca larga e stretta

I contenitori di vetro a bocca stretta e a bocca larga sono prodotti con due tecniche che differiscono essenzialmente nelle modalità di formare il parison (forma iniziale data dallo stampo formatore): la tecnica soffio-soffio per l’imboccatura stretta e la tecnica presso-soffio per l’imboccatura larga. In entrambi i casi, si utilizzano uno stampo formatore, che conferisce la forma iniziale (parison), e uno stampo finitore che invece produce la forma finita. In particolare, lo stampo formatore forma l’anello, l’imboccatura e il corpo della bottiglia, mediante due metà che combaciano tra di loro. Il fondo delle due metà dello stampo, contro cui si forma il fondo del contenitore, è chiuso con una piastra di colata. L’anello del collare invece va a formare la parte filettata del contenitore è importante che le sue due metà combacino perfettamente, in quanto, qualsiasi giunto di separazione che dovesse sporgere, andrebbe ad impedire la corretta chiusura e sigillatura del contenitore finale.

Nel processo soffio-soffio, il bolo di vetro ottenuto dalla vetrificazione viene lasciato cadere nello stampo formatore attraverso una guida a imbuto, in posizione capovolta rispetto all’apertura del parison e una temperatura di 985°C. La guida a imbuto viene poi sostituita da un fondo e si procede con la prima soffiatura con aria a 900-1200°C e a 200 bar, in modo che il vetro sia forzato verso l’imboccatura. A questo punto, il fondo viene sostituito con una placca piena e si procede con la controsoffiatura per espandere il vetro verso l’alto dello stampo. Il parison viene poi rimosso dallo stampo formatore usando l’anello del collare come punto di aggancio e ruotato nella posizione corretta per essere inserito nello stampo finitore. Qui viene soffiato una seconda volta con aria a 450-500°C, per far aderire il vetro alle pareti interne dello stampo, da cui il contenitore finito viene estratto con apposite tenaglie. Infine, il contenitore viene lasciato raffreddare su una piastra e su un nastro trasportare inviato al forno di ricottura.

La tecnica presso-soffio prevede le stesse operazioni di inserimento del bolo nello stampo formatore e di soffiatura finale nello stampo finitore, ma la formatura del parison avviene per pressatura con un pistone meccanico anziché per soffiatura. Quindi, una volta deposto il bolo, nello stampo formatore viene inserito il pistone che spinge il vetro contro le pareti dello stampo. Dopodiché, la proforma viene rimossa dallo stampo finitore, ruotata e inserita nello stampo finitore, dove viene soffiata per ottenere il contenitore finito che sarà sottoposto alla ricottura.

Tecniche di rafforzamento dei contenitori in vetro

Per rafforzare il vetro esistono diverse tecniche, quali la ricottura, i trattamenti superficiali hot-end e cold-end e la pre-etichettatura. La ricottura o annealing è un’operazione svolta immediatamente dopo la rimozione dello stampo finitore e finalizzata a ridurre le tensioni interne al vetro, dovute al fatto che il contenitore ha uno spessore tale per cui, quando le superfici interna ed esterna si sono già raffreddate e completamente indurite, la parte intermedia dello spessore ancora non ha raggiunto lo stesso grado di indurimento. Nel forno di ricottura, i contenitori passano su una cinghia mobile alla velocità di 20-30 cm/min attraverso zone a temperature decrescenti, a partire da 565°C fino a valori prossimi alla temperatura ambiente.