Riciclaggio dei Materiali - Teoria

SILICE

Il vetro di silice che otteniamo è diverso a seconda della modalità di raffreddamento, sarà tanto più disordinato quanto veloce sarà il raffreddamento; raffreddando lentamente si dà più tempo alle particelle per ordinarsi. Il vetro di silice è molto diverso dalla silice cristallina: - Il volume specifico del vetro è maggiore del materiale cristallino, essendo disordinato ha densità inferiore; - L'indice di rifrazione è maggiore nei vetri che quindi sono trasparenti e riflettenti; - Le curve di riscaldamento sono differenti: T = temperatura di fusione, T = temperatura di transizione vetrosa. Riscaldando la silice cristallina arrivati alla temperatura di fusione T si ha un arresto termico perché il calore fornito al sistema non si traduce più in un aumento di temperatura ma viene ceduto per spezzare il legame che unisce silice e ossigeno. Essendo tutti i legami uguali, isoenergetici, si.spezzano contemporaneamente alla stessa temperatura.
Nel vetro di silice si ha un aumento lineare della temperatura fino alla temperatura di transizione vetrosa T, inferiore a T Poi si ha un abbassamento della pendenza e arrivati a una temperatura G f.prossima a quella di fusione della silice cristallina si ha un altro punto di flesso e il sistema diventa completamente liquido.
Non si può individuare una temperatura di fusione ma un intervallo di fusione al di sotto del quale il materiale è completamente solido e sopra il quale è completamente liquido; all'interno di ΔT il materiale ha consistenza pastosa, è un solido a cui si può cambiare facilmente forma.
- T < T : consistenza solida
GVETRI : - T < T < T : consistenza pastosa
G f- T > T : consistenza liquida
fSOLIDO CRISTALLINO : T < T : solido
fT > T : liquido
Osserviamo la variazione di volume specifico in funzione della temperatura:
65Per un solido cristallino generalmente

Il volume specifico aumenta al crescere dellatemperatura perché gli atomi oscillano più violentemente, dunque aumenta la distanza media tra gli atomi e macroscopicamente aumentano le dimensioni del manufatto solido. Raggiunta la temperatura di fusione T haf si ha una discontinuità di volume specifico e il materiale diventa liquido.

In fase di raffreddamento il volume specifico diminuisce linearmente fino a T poi si ha un andamento continuo, senza discontinuità. La curva di raffreddamento di un vetro varia a seconda della velocità del processo: se il raffreddamento è rapido il vetro è più disordinato ed avrà un volume specifico più alto a tutte le temperature.

Tutti i vetri di uso comune contengono silice ma i manufatti non contengono solo silice: il vetro di silice è di ottima qualità perché è molto resistente agli sbalzi termici. Tuttavia la temperatura di fusione della silice è superiore a 1700°C.

quindi per produrre un manufatto servirebbero tecnologie speciali, molto più costose. Per abbassare i costi di produzione bisogna abbassare la temperatura di fusione e lo si fa sostituendo il 30% con ossido di sodio Na O, così T scende a 750-800°C. Il vetro silicico-sodico però non è molto stabile chimicamente: a contatto con i liquidi rilascia ioni sodio che passano in soluzione. Si ricorre quindi ai vetri silicico-sodico-calcici (70-15-15) che hanno temperatura di lavorazione poco superiore agli 800°C ma sono molto più stabili chimicamente. Gli ossidi abbassano la temperatura di fusione del vetro perché spezzano le maglie e gli atomi di ossigeno si legano da un lato con il silicio e dall'altro con il sodio o con il calcio. Processo produttivo 1) DOSAGGIO MATERIE PRIME - SiO2 sabbia silicea o quarziti - Na2CO3 carbonato di sodio, quando si effettua il riscaldamento a 600°C si decompone in ossido di sodio e anidride carbonica - Si perdedel carbonato di sodio perché se si usasse direttamente l'ossido questo reagirebbe con l'umidità formando idrossido di sodio. 66- CaCO calcare, anche questo ad alte temperature si decompone in ossido di calcio e anidride3carbonicaLe principali materie prime sono silice, ossido di sodio e ossido di calcio ma per impartire altre proprietà particolari ai vetri si possono aggiungere altri ossidi: - B2O3 ossido di boro, aggiunto al sistema come borace Na2B4O7 * 10H2O che al riscaldamento prima2 3 2 2 7 2 sviluppa vapore acqueo e poi si decompone in ossido di sodio e ossido di boro. - Al2O3 ossido di alluminio, aggiunto come Al(OH)3. - PbO2 ossido di piombo. 2) FUSIONE Il materiale deve essere fuso in un forno. Distinguiamo forni continui e discontinui, tutti a pianta rettangolare. - FORNI CONTINUI: le materie prime vengono caricate da un lato e il fuso si scarica dall'altro lato. - FORNI DISCONTINUI: si carica un certo volume di materiale e a fusione avvenuta losi scarica per caricarne altro. I forni continui hanno potenzialità produttive superiori perché non si sono transitori mal'apparecchiatura si raffredda solo per la manutenzione. Nei forni discontinui ci sono i transitori ma le condizioni sono più controllate, può essere utilizzato per produrre dei prodotti finali di migliore qualità. Il problema dei vetri è che i materiali vengono aggiunti come polveri che fondono ma risulta difficile omogenizzare la massa che fonde perché in un fuso viscoso a 900°C non si possono inserire agitatoria pale. L'uniformizzazione della massa è lasciata solo ai moti convettivi e delle bolle di vapore acqueo e anidride carbonica che si sviluppano nelle reazioni di fusione. Le bolle risalgono verso l'alto e rimescolano il fuso uniformando almeno parzialmente la composizione del fluido stesso. 67 Per uniformare ulteriormente la composizione del fuso al fine di avere un vetro di buona qualità.qualità siscarica il vetro dal forno, lo si macina trasformandolo nuovamente in polvere e lo si fonde nuovamente. Al secondo ciclo di fusione aumenta l'uniformità di composizione. Il numero di volte per cui viene ripetuta la fusione non viene precisato, più i prodotti sono di qualità più sono le "n" fusioni da effettuare, aumentano ovviamente anche i costi. Si potrebbe pensare di far stare molto tempo i materiali in fusione nel forno in modo che i gradienti di concentrazione uniformino il fuso, ma così facendo varierebbe la composizione chimica della miscela perché la volatilità delle sostanze è differente. 3) FORMATURA Si scarica il vetro a temperatura lievemente superiore a quella di transizione vetrosa in modo da poterlo lavorare. Le principali modalità di formatura sono: - soffiatura: si fa aderire il vetro a una canna dove si insuffla aria compressa, così facendo il vetro si gonfia e prende la formadi uno stampo o quella impartita dal vetraio- compressione: si preme la massa pastosa nello stampo. Si usa per produrre oggetti non completamente chiusi- stiramento e laminazione: si prende la massa pastosa del vetro con due pinze e lo si fa passare in due cilindri rotanti in senso opposto in modo da ottenere lastre.4) RAFFREDDAMENTOAvviene a temperatura ambiente. Si tratta di un raffreddamento brusco che genera grandi tensioni nel materiale5) RICOTTURAServe a scaricare le tensioni. Si riscalda ad una temperatura inferiore a quella di fusione in modo da dissipare lentamente le tensioni6) RAFFREDDAMENTO LENTOSi spegne il forno e si lascia raffreddare lentamente il manufatto, questo consente di ridurne la fragilità.Vediamo alcuni vetri in base alla loro composizione.IMPUREZZE A BASE DI FERRO: dà colorazione verde o gialla al vetro;IMPUREZZE A BASE DI POTASSIO: nei cristalli di Boemia e al piombo l'ossido di sodio è sostituito da quello di potassio che dàmaggiore brillantezza e porosità;
68IMPUREZZE A BASE DI PIOMBO: dà particolare lucentezza e sonorità al cristallo;
IMPUREZZE A BASE DI BORO: può essere esposto ad alte temperature. Si ottiene un vetro resistente quasi come quello di silice, ma lavorabile a temperature molto più basse;
IMPUREZZE A BASE DI BARIO E ZINCO: danno particolari indici di rifrazione che rendono il vetro adatto ad applicazioni ottiche.
Riciclaggio
Si manda il vetro raccolto ad un frantumatore dove viene macinato per avere una polvere. Questa polvere avrà già composizione uniforme perché il vetro riciclato viene prevalentemente da bottiglie e da lastre: serve solo una fusione per produrre nuovi manufatti.
L’unico problema è che dal riciclaggio del vetro non si possono ottenere vetri di qualità perché questi richiedono composizioni particolari e le impurezze non sono controllate.
Esistono dei separatori capaci di dividere vetri e materieplastiche colorati da quelli incolori in base alla lunghezza d'onda. Il problema è che spesso le bottiglie non arrivano integre alla separazione. Produzione dei materiali vetro-ceramici La produzione di materiali vetro-ceramici è nota come tecnologia di riciclaggio della scoria d'altoforno. La scoria granulata derivava dal calcare caricato nell'altoforno che decomponendosi per le alte temperature si trasforma in ossido di calcio che serviva a diminuire le impurezze della ghisa. Le vetroceramiche sono materiali ceramici costituiti da ossidi di vario tipo (silicio, alluminio) in grandi materiali cristallini o da composti a base di silice e alluminio cementati da uno strato di fase vetrosa. I grani sono volutamente molto piccoli per ridurre la tendenza alla frattura fragile che si innesca in un punto di debolezza del manufatto e si propaga in tutto il manufatto. In un materiale ceramico poiché la fase vetrosa ha una resistenza meccanica inferiore a quelladificati a temperature elevate per ottenere la fase cristallina desiderata. Le vetrocramiche, invece, vengono prodotte fondendo le materie prime e raffreddando rapidamente il materiale fuso. Questo processo di raffreddamento rapido impedisce la formazione di cristalli, creando una struttura amorfa simile a quella del vetro. Successivamente, il materiale amorfo viene sottoposto a un trattamento termico controllato per indurre la cristallizzazione e ottenere la fase cristallina desiderata. Le vetrocramiche presentano diverse proprietà vantaggiose rispetto ai materiali ceramici tradizionali. Sono più resistenti agli urti e alle fratture grazie alla presenza di grani molto piccoli e alla linea di frattura intergranulare. Inoltre, il processo produttivo e di lavorazione delle vetrocramiche è più semplice rispetto a quello dei materiali ceramici tradizionali, rendendole più economiche da produrre. In conclusione, le vetrocramiche sono materiali ceramici prodotti con la tecnologia dei vetri. Grazie alla loro struttura cristallina e alle proprietà meccaniche migliorate, sono utilizzate in diverse applicazioni industriali, come ad esempio nell'industria automobilistica, nell'elettronica e nella produzione di utensili.