Il vetro che sottile smette di essere fragile
La fibra di vetro è vetro ridotto a filamento continuo di pochi micrometri di diametro, prodotto per fare da rinforzo dentro un altro materiale. Il passaggio di forma cambia il comportamento meccanico: una lastra si rompe di schianto, un filo della stessa composizione regge trazioni molto elevate, perché la frattura parte da difetti superficiali e su una superficie piccolissima è meno probabile trovarne uno grande.
La composizione più diffusa è il vetro E, un alluminoborosilicato con meno dell’uno per cento in massa di ossidi alcalini, nato per applicazioni elettriche e diventato lo standard del rinforzo. Accanto ci sono il vetro S ad alta resistenza, il vetro C, il vetro AR resistente agli ambienti alcalini e altre varianti pensate per la corrosione. Il nome della famiglia è lo stesso, i numeri no.
Come nasce un filamento di fibra di vetro
La miscela di ossidi viene fusa in forno e portata a una filiera, una piastra in lega di platino e rodio forata con un numero di ugelli che va da duecento a quattromila. Il vetro esce dai fori alla viscosità giusta e viene tirato da un aspo che avvolge a circa un chilometro al minuto: è lo stiro a portare il filamento al diametro finale, che per il vetro E sta all’incirca fra cinque e venticinque micrometri.
Appena raffreddato il filo riceve un appretto, in gergo sizing, in quantità compresa fra lo 0,5 e il 2 per cento in massa. Non è una rifinitura: senza, i filamenti si segano a vicenda per abrasione durante l’avvolgimento e la tessitura, e l’aggancio chimico con la resina non si forma. Da qui il filo prosegue come stoppino continuo, come tessuto, come mat di fibre corte disposte a caso o come tessuto a maglia.
Fibra e resina: chi porta il carico e chi lo trasferisce
Il composito nasce quando i filamenti vengono annegati in una matrice, di solito una resina poliestere, vinilestere o epossidica. I compiti sono divisi: la fibra porta la trazione lungo il proprio asse, la resina tiene i filamenti in posizione, trasferisce il carico dall’uno all’altro e fa da schermo verso l’esterno. Il materiale che ne risulta è anisotropo, cioè resiste dove le fibre sono orientate e molto meno nelle altre direzioni. Un laminato con fibre tutte parallele e uno con tessuto bilanciato hanno la stessa composizione e comportamenti diversi.
I numeri del filamento di vetro E sono questi: carico di rottura a trazione intorno a 3.445 MPa, modulo elastico 76 GPa, densità 2,58 g/cm³, temperatura di rammollimento 846 °C. Sono valori del filo appena prodotto e in laboratorio: il pezzo finito ha resina in mezzo, fibre non tutte allineate al carico e difetti di lavorazione, quindi arriva a una frazione di quei valori.
Peso e rigidezza di una fibra di vetro
Il confronto che si fa più spesso è con l’acciaio. Il filamento di vetro E ha densità 2,58 g/cm³ contro i circa 7,8 di un acciaio, cioè un terzo, e modulo elastico 76 GPa contro 200, cioè poco più di un terzo: a parità di massa il vetro è rigido quanto l’acciaio. È la ragione per cui il materiale esiste.
Il conto però non si ferma lì, e chi lo dimentica progetta pezzi che si flettono. Il laminato ha molto meno modulo del filamento, perché la resina che sta in mezzo ne ha poco; e la rigidezza di un componente dipende dalla geometria almeno quanto dal materiale. Sezioni scatolate, nervature, spessori tenuti lontani dall’asse di flessione servono a recuperare quello che il modulo non dà. Rispetto alla fibra di carbonio il vetro è meno rigido, ma si allunga di più prima di rompersi e costa molto meno: è la ragione per cui non è stato sostituito.
Le bende sintetiche in fibra di vetro
In ortopedia la fibra di vetro è il supporto delle bende per apparecchi rigidi. Il nastro è un tessuto o una maglia di fibra di vetro impregnata di un prepolimero poliuretanico con gruppi isocianici liberi. L’acqua non è un solvente ma il reagente: bagnata la benda, l’isocianato reagisce con l’acqua, la resina reticola e il nastro passa da flessibile a rigido. La velocità della reazione la decide un catalizzatore, che va calibrato con attenzione, perché se la superficie indurisce troppo in fretta l’acqua non arriva in profondità e il modellamento si chiude prima di essere finito.
Il confronto con il gesso di Parigi, cioè con il solfato di calcio emiidrato che indurisce reidratandosi, è documentato dalla letteratura ortopedica: i materiali sintetici come gruppo risultano nettamente superiori al gesso in tutte le prove meccaniche, il gesso ha un rapporto fra resistenza e peso basso e produce apparecchi pesanti e voluminosi, si disgrega in acqua e non lascia passare aria. L’apparecchio sintetico raggiunge la consistenza di lavoro in decine di minuti contro il giorno o due del gesso, ed è più trasparente ai raggi X. Il gesso resta però più modellabile e costa meno, e per questo non è sparito dalle sale.
Lo stesso nome per tre materiali che non coincidono
Tre cose che lo stesso nome tiene insieme e che non sono la stessa. La fibra di vetro da rinforzo è un filamento continuo, di diametro controllato, prodotto per portare carichi. La lana di vetro è fatta di fibre corte e disposte a caso, con composizione e processo diversi, e serve a isolare dal calore e dal suono: lì la resistenza a trazione non conta, conta l’aria ferma fra le fibre. Vetroresina, infine, è il nome del composito finito, non della fibra: chiamare vetroresina un tessuto di vetro è come chiamare cemento armato un tondino.
Esiste poi un impiego in cui il vetro lavora per quello che non fa: non brucia. I tessuti di fibra di vetro delle coperte antifiamma sfruttano l’incombustibilità e la tenuta al calore, non la resistenza meccanica. Per le coperte antincendio non riutilizzabili il riferimento è la norma EN 1869:2019, che fissa fra l’altro lati compresi fra 1,0 e 1,8 metri e massa non superiore a 4,5 kg senza contenitore.
