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Logistica: 3 Packaging

Vetro

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Le vetrerie rappresentano un caso pressoché unico di aziende che, nella stessa unità produttiva, producono il materiale ed il prodotto finito (lastra, contenitore). Tra tutti i materiali di imballaggio il vetro è certamente il più antico: si ritiene infatti che il suo impiego risalga ad almeno 5000 anni fa, quando si cominciarono a lavorare, per ricavarne oggetti utili, blocchi di vetro naturale di origine vulcanica (ossidiana). La tecnica di fusione della sabbia e di lavorazione del materiale fuso fu introdotta già nel 1000 a.C. e nel 200 d.C. si incominciò a soffiare il vetro per produrre corpi cavi per i più svariati impieghi.

Il vetro è un materiale ceramico (un solido inorganico, non metallico). E’ definito anche come: un liquido super-raffreddato, o meglio come: un solido, amorfo, inorganico prodotto per fusione e raffreddato senza cristallizzazione.

Il costituente fondamentale del vetro è la silice (SiO2) amorfa; la sua struttura è rappresentabile come una successione aperiodica e disordinata di molecole tetraedriche che hanno al centro un atomo di silicio e 4 atomi di ossigeno ai vertici.
Atomi di Na, Mg, Ca, Ba e K si trovano negli interspazi tra un tetraedro e l'altro, influenzandone molto le caratteristiche generali; vetri speciali (con caratteristiche di alta resistenza agli sbalzi termici, come il vetro Pyrex®) presentano anche una parziale sostituzione del silicio con atomi di Boro e/o di Alluminio.

Componenti fondamentali del vetro:

 

Le tanto apprezzate doti di trasparenza ed inerzia chimica del vetro derivano dall'organizzazione amorfa dei suoi costituenti, che viene raggiunta attraverso il processo di vetrificazione di materie prime, tutte inorganiche e di natura cristallina, combinate in precise proporzioni secondo la loro specifica funzione.

Per far perdere ogni specificità individuale dei componenti della massa vetrificante e realizzare lo stato amorfo, le materie prime vengono riscaldate e fuse in un processo che richiede un grande dispendio energetico. La fabbricazione del vetro avviene in grandi fornaci realizzate con blocchi di materiale refrattario, capace di resistere per molti anni (una decina, senza soluzione di continuità) alle altissime temperature in gioco. La vasca che contiene la massa fusa mantenuta in movimento continuo, che può avere una profondità anche di 2 m, può arrivare ad una superficie di 65 m2 per una produzione oraria tra 3 e 8 tonnellate di vetro. Il riscaldamento è fornito sia dalla combustione di metano (o, più raramente, di altri combustibili) che dall'energia elettrica.

A 1450°C inizia la fusione con decomposizione dei carbonati e liberazione di una grande quantità di CO2;
A 1550°C avviene l' affinaggio che permette l'eliminazione del gas prodottosi;
Ad una temperatura compresa tra 1200 e 1300°C il vetro fuso è avviato alla produzione dei contenitori.

Il costo finale dei contenitori di vetro dipende in larga misura dalla spesa energetica necessaria alla vetrificazione delle materie prime. Si comprende dunque l'importanza di inserire nella miscela vetrificante il rottame di vetro che, essendo già allo stato amorfo, permette un risparmio energetico consistente (circa un 3% di risparmio ogni 10% di rottame aggiunto).

Il vetro ha una massa volumica di 2.2-2.7 g/cm3. È un materiale tipicamente fragile, privo di comportamento plastico, si rompe durante la deformazione elastica dando luogo, come tutti i materiali ceramici, alla cosiddetta "frattura fragile“. Resiste senza rompersi a notevoli carichi compressivi e la resistenza di un contenitore cilindrico di vetro è inversamente proporzionale al diametro e proporzionale allo spessore delle pareti (una bottiglia pesante sopporta anche 70 bar di pressione interna) ma è decisamente più sensibile a sforzi tensili che sono amplificati da difetti e discontinuità della superficie che si manifestano, in particolare, durante le fasi di raffreddamento. Il vetro è il materiale con il coefficiente di espansione termica più basso ed è riciclabile indefinitamente per fusione e raffreddamento.

L'aspetto fondamentale della sua resistenza termica (che, tipicamente, risulta inversamente proporzionale al suo spessore) è la capacità di sopportare sbalzi di temperatura. Quando un oggetto di vetro caldo viene raffreddato, sulla sua superficie esterna si manifestano sollecitazioni tensili che sono compensate da equivalenti sollecitazioni compressive sulle porzioni interne più calde. Al contrario quando è riscaldato un oggetto di vetro freddo, le sollecitazioni esterne sono compressive e quelle interne tensili.


Queste sollecitazioni sono transitorie (tensionature) e si esauriscono raggiunto l'equilibrio termico tra i vari punti. Poiché il vetro (come tutti i materiali) è più sensibile alle sollecitazioni tensili il raffreddamento risulta più pericoloso per l'integrità dei contenitori che sono quindi testati per la loro capacità di sopportare bruschi raffreddamenti (thermal shock resistance) immergendoli in acqua fredda (21 °C) dopo uno stazionamento a 63 °C per 5 minuti.

La trasparenza del vetro è determinata dalla sua struttura amorfa e dalla natura chimica dei suoi componenti. La trasmissione della luce attraverso il vetro è parzialmente limitata da fenomeni di riflessione sulla superficie, dall'assorbimento della silice nel profondo UV (150 nm) e nel medio infrarosso (6000 nm) e, nel campo del visibile, dalla presenza di costituenti inorganici, aggiunti ad arte o presenti come contaminanti delle materie prime. Pur avendo una notevolissima inerzia chimica (solo l'acido fluoridrico e soluzioni alcaline molto concentrate lo possono degradare significativamente), anche il vetro è soggetto ad interazioni con i prodotti con cui viene a contatto. Il sodio presente nel reticolo amorfo del vetro non è legato fortemente alla struttura è può essere rilasciato se il vetro è soggetto al cosiddetto attacco acido; questo corrisponde ad un scambio ionico tra idrogeno e ioni alcalini (Na, K). Molto più pericoloso è l'attacco alcalino perché comporta la distruzione del reticolo e quindi il rilascio di silicati ed è accelerato dalla temperatura.

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