IT202000017005A1 - Procedimento per la degradazione di cellulosa da assorbenti igienici e pannolini e per la produzione di feltro e materiali isolanti - Google Patents

Procedimento per la degradazione di cellulosa da assorbenti igienici e pannolini e per la produzione di feltro e materiali isolanti Download PDF

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Valerio Paolini
Serena Drigo
Ilaria Bientinesi
Enrico Giovanni Facci
Roberto Petrucci
Antonio Iannoni
Luigi Torre
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Consiglio Nazionale Ricerche
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Description

Descrizione della domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: Procedimento per la degradazione di cellulosa da assorbenti igienici e pannolini e per la produzione di feltro e materiali isolanti
Sfondo dell'invenzione
La presente invenzione si riferisce al campo della chimica ed in particolare ad un procedimento volto a degradare la cellulosa derivante da assorbenti igienici e pannolini, nonch? ad un procedimento per la preparazione da detta cellulosa degradata derivante da assorbenti igienici e pannolini di feltro e materiali isolanti.
Stato dell?arte
I feltri utilizzati come materiali ingegneristici sono basati su cotone e su fibre sintetiche. Si tratta di una sorta di tessuti fabbricati attraverso l?aggrovigliamento delle fibre. Sia quelli sintetici che quelli a base di cotone non necessitano (sempre) di leganti ed esistono anche al 100% sotto forma di fibre secche vere e proprie. I feltri in genere esibiscono le stesse propriet? chimiche delle fibre di cui sono costituiti. A questo proposito, i feltri di cotone sono caratterizzati da un?eccellente resistenza agli acidi, mentre sono danneggiati se esposti a basi forti. Esibiscono una resistenza rimarchevole agli agenti atmosferici e all?invecchiamento e rappresentano probabilmente una delle classi pi? inerti, tra i materiali ingegneristici non metallici, nei confronti di liquidi non acquosi, oli e solventi. I feltri di cotone non sono generalmente raccomandati in condizioni di uso allo stato asciutto, in presenza di sforzi meccanici e temperature superiori agli 85 ?C, a causa delle variazioni nelle propriet? fisiche, ma possono essere usati fino a circa 145 ?C, se usati come spaziatori o guarnizioni o come assorbitori di olio o come componenti all?interno di sistemi di lubrificazione. Per quanto riguarda i feltri sintetici, questi sono disponibili secondo un?ampia gamma di composizioni di tipologie di fibre, incluse la cellulosa vergine rigenerata, l?acetato ed il triacetato di cellulosa, poliammidi, poliesteri, acrilici, poliolefinici, a base di PTFE, ecc. In base alla composizione si possono ottenere un gamma di propriet? fisiche e chimiche virtualmente infinita, per applicazioni che vanno oltre la naturale versatilit? delle fibre di cotone. Tra le propriet? di questa classe di materiali ingegneristici, notevoli sono la stabilit? chimica, ai solventi, termica e biologica, cos? come l?assorbimento di umidit?, l?essiccazione rapida dopo essere stati bagnati dall?acqua, la resistenza all?abrasione e le caratteristiche dielettriche. Feltri di cotone sono prodotti come lastre in formati standard, che dipendono dal sistema vigente nel paese dove vengono prodotti (ad esempio, negli USA si hanno formati standard da 91,4 x 91,4 cm), secondo una gamma di spessori che va da 1,6 mm a 76 mm. Si ha anche un?ampia gamma di densit?: 254 kg/m3 678 kg/m3. Rulli di feltro sono disponibili anche in ampiezze comprese tra 1500 mm e 1850 mm e lunghezze fino a 160 m, oltre che in spessori standard compresi tra 0,80 mm e 25,4 mm. I feltri sia sintetici che di cotone sono facili da tagliare e fabbricare. In aggiunta, quelli di cotone si prestano a molti tipi di operazioni grazie alla elasticit? strutturale, quali macinazione, taglio, formatura, estrusione o altre operazioni di lavorazione a macchina (utensile), tramite le quali sono prodotti molti tipi di componenti, come dischi di lucidatura, guarnizioni rotonde o tubolari, rulli per inchiostro, guarnizioni di forma speciale, chiusure, riempitivi, cover per strumenti e similari. In molti casi i feltri sono stabilizzati attraverso l?uso di impregnanti resinosi. Questa classe di feltri sta trovando applicazione sempre crescente sotto forma di lastre piane, dalle quali ricavare guarnizioni speciali, chiusure, oltre che in altre applicazioni. Combinazioni di feltri con lastre a base di plastiche ed elastomeri sono prodotte per applicazioni dove ? richiesta resilienza e scarsa permeabilit?. L?uso di feltri come materiali ingegneristici copre un vasto spettro di applicazioni. Le propriet? di maggiore rilevanza includono la resilienza, l?assorbimento di energia meccanica, termica e acustica, l?elevato rapporto porosit?/peso, resistenza all?invecchiamento, stabilit? chimica e termica e resistenza ai solventi. Come conseguenza, gli usi includono filtrazione di prodotto secco e bagnato, isolamento termico ed acustico, isolamento delle vibrazioni, dell?impatto, imbottitura e packaging, lucidatura, assorbimento e erogatori di liquidi, guarnizioni e chiusure e smorzatori di impatti meccanici. Un?ulteriore applicazione dei feltri potrebbe essere come sostituente di tessuti o tappeti in poliestere utilizzati come stabilizzanti delle membrane bituminose, di uso sempre nel settore dell?edilizia.
I feltri sono prodotti mediante infeltrimento che produce una falda compatta, spessa qualche millimetro, costituita da fibre di lana (pi? comunemente) o di cotone originariamente disunite, per l?azione congiunta di vari processi chimici e meccanici, ottenendo un materiale coeso, impermeabile, non lacerabile, resistente tanto da poter essere usato come protezione da intemperie, fuoco e armi. Si tratta di un processo irreversibile, la cui caratteristica principale ? che non c?? processo di filatura, orditura o tessitura. L?infeltrimento delle fibre avviene tramite un?azione di compressione combinata a calore e umidit?, oppure tramite il processo di agugliatura (un movimento verticale degli aghi che d? compattezza alle fibre ottenute all?uscita della carda; la sovrapposizione di pi? strati di velo dar? a questo tessuto non tessuto (tnt, in inglese non-woven) una certa consistenza, che pu? essere aumentata con procedimenti di resinatura o termofissaggio).
Il brevetto europeo n. EP1540074 descrive un trattamento di riduzione della lunghezza delle fibre di cellulosa recuperata da materiali di scarto, per ottenere lunghezza inferiore a 35 mm, preferibilmente inferiore a 25 mm, pi? preferibilmente la lunghezza ? compresa tra 1 e 5 mm.
La domanda di brevetto internazionale, numero di pubblicazione WO2020096014 riguarda la riduzione delle fibre di cellulosa da prodotti sanitari usati per ottenere nanofibre, che per risolvere la presenza di lignina impiega il trattamento con ozono.
Il brevetto Europeo n. EP2622128 riguarda il settore cartario e propone di ridurre la lunghezza delle fibre di cellulosa impiegando enzimi.
Il brevetto Europeo n. EP3567159 riguarda la riduzione dei cattivi odori di fibre di cellulosa intrecciate con acido poliacrilico tramite trattamento con H2O2, per abbattere il contenuto di furfurale responsabile del cattivo odore.
Il brevetto cinese n. CN102382264 descrive che la presenza di resine nei materiali produce un effetto di deodorizzazione.
La domanda di brevetto statunitense, numero di pubblicazione US20190358360 propone l?uso di trimetilammina (TMA) per la riduzione dell?odore.
La domanda di brevetto internazionale, pubblicazione n. WO82/01507 descrive un procedimento per la degradazione di fibre di cellulosa ricavate da degli scarti privi di legno e lignina che prevede un trattamento per la micro fibrillazione del prodotto finale, miscelazione in batch, con fibre tessili, leganti (binder) in polvere non riciclati, non biodegradabili e non di origine biologica, e resine fenoliche, densificazione con calandre e rulli compattatori.
Problema tecnico
La cellulosa derivata da pannolini ed assorbenti igienici usati possiede un odore pregnante specialmente se bagnata e questo rende difficilmente impiegabile questo prodotto di scarto, bench? di norma venga sterilizzata nei processi di recupero. Ulteriormente detto materiale di scarto presenta un colore non uniforme.
Le metodiche note nell?arte sono caratterizzate dall?impiego di reattivi ed additivi la cui funzione ? quella di ridurre l?odore sgradevole.
Sorprendentemente ed in modo inaspettato gli inventori della presente invenzione hanno trovato che sottoponendo il materiale di partenza, che ? cellulosa derivata da pannolini ed assorbenti igienici usati, ad un trattamento che ne riduce la lunghezza delle fibre al disotto dei 18 mm e a particolari lavaggi senza l?impiego di reattivi ossidanti e senza uso di resine o altri additivi, si ottiene un prodotto privo di odore sgradevole e con una colorazione omogenea. Ulteriormente detto procedimento non ? influenzato dalla presenza di tracce ed impurit? costituite da polietilene e polipropilene, presente nel materiale di partenza, evitando di doverli eliminare mediante dispendiose purificazioni. Infine il procedimento ha un basso impatto ambientale sia in termini di dispendio energetico sia in termini di scarti della lavorazione.
La riduzione a secco in volume della fibra consente gi? una parziale separazione da particelle e residui organici fortemente maleodoranti e la miscelazione (blending) in presenza di un particolare legante da fonti amidacee consente ulteriormente di disciogliere e incapsulare le particelle maleodoranti stesse.
Ulteriormente gli stessi inventori hanno messo a punto un procedimento per la produzione di feltro dalla cellulosa derivata da pannolini ed assorbenti igienici usati degradata che permette di ottenere feltri compatti e stabili, che si caratterizzano per stabilit? chimica ai solventi, stabilit? termica e stabilit? biologica, capacit? di assorbire l?umidit?, capacit? di essiccazione rapida dopo bagno in acqua, resistenza all?abrasione, buone caratteristiche dielettriche ed elasticit? strutturale.
Oggetto dell'invenzione
Il suddetto problema tecnico viene risolto fornendo un procedimento per la degradazione della cellulosa ottenuta da pannolini ed assorbenti igienici usati che comprende i seguenti stadi:
a) riduzione della lunghezza delle fibre di cellulosa ad ottenere una lunghezza delle fibre inferiore a 18 mm;
b) riduzione del volume delle fibre ottenute al termine dello stadio a)
c) dispersione in acqua delle fibre con ridotta lunghezza delle fibre e ridotto volume ottenute al termine dello stadio b). Un ulteriore oggetto della presente invenzione ? un procedimento per la produzione di feltri a partire dalla cellulosa ottenuta da pannolini ed assorbenti igienici usati e degradata ottenuta dal procedimento di cui sopra.
Un ulteriore oggetto della presente invenzione ? il feltro ottenuto da cellulosa ottenuta da pannolini ed assorbenti igienici usati e degradata secondo il suddetto procedimento.
Un ulteriore oggetto della presente invenzione sono materiali isolanti che comprendono il feltro ottenuto mediante il procedimento di cui sopra, nonch? i materiali per l?edilizia comprendenti detti materiali isolanti.
Ulteriori caratteristiche della presente invenzione risulteranno evidenti e chiare dalla descrizione dettagliata che segue con riferimento a dati sperimentali presentati nella presente descrizione.
Descrizione dettagliata dell'invenzione
Definizioni
Nell?ambito della presente invenzione per cellulosa ottenuta da cellulosa da pannolini ed assorbenti igienici usati si intende cellulosa di alta qualit?, con tracce di materiali plastici che compongono lo strato superficiale dell?assorbente e di materiali super-assorbenti coadiuvanti l?assorbimento dei liquidi.
Nell?ambito della presente invenzione per feltro si intende un tessuto basato su cotone e su fibre sintetiche, fabbricato attraverso l?aggrovigliamento delle fibre.
Nell?ambito della presente invenzione per materiali isolanti si intendono sia materiali isolanti termici che materiali isolanti acustici. Per esempio nell?ambito dei materiali per l?edilizia si possono comprendere pannelli termoisolanti, pannelli fonoassorbenti, supporti per la pavimentazione, tessuti, rivestimenti.
Oggetto dell'invenzione ? un procedimento per la degradazione della cellulosa ottenuta da pannolini ed assorbenti igienici usati che comprende i seguenti stadi:
a) riduzione della lunghezza delle fibre di cellulosa ad ottenere una lunghezza delle fibre inferiore a 18 mm;
b) riduzione del volume delle fibre ottenute al termine dello stadio a)
c) dispersione in acqua delle fibre con ridotta lunghezza delle fibre e ridotto volume ottenute al termine dello stadio b). Preferibilmente al termine dello stadio a) le fibre di cellulosa hanno una lunghezza compresa tra 18 e 15 mm, pi? preferibilmente tra 1 mm e 5 mm, ancora pi? preferibilmente 3 mm.
E? oggetto della presente invenzione anche un processo per la produzione di feltro a partire dalla cellulosa ottenuta da pannolini ed assorbenti igienici usati e degradata che comprende i seguenti stadi:
a) riduzione della lunghezza delle fibre di cellulosa ad ottenere una lunghezza delle fibre inferiore a 18 mm; b) riduzione del volume delle fibre ottenute al termine dello stadio a)
c) dispersione in acqua delle fibre con ridotta lunghezza delle fibre e ridotto volume ottenute al termine dello stadio b)
gli stadi da a) a b) permettono di degradare la cellulosa
d) aggiunta di un almeno una fibra termofusibile con lunghezza delle fibre non superiore a 20 mm
e) Ulteriore dispersione in acqua
f) Stadio di Wet-laid (posato ad umido) o in alternativa Air-laid (posato a secco) fino all?ottenimento del prodotto finale feltro.
Preferibilmente nello stadio a) riduzione della lunghezza delle fibre di cellulosa ? ottenuta mediante macinazione opzionalmente seguita da filtrazione attraverso un filtro con fori di 5 mm di diametro.
Preferibilmente al termine dello stadio a) le fibre di cellulosa hanno una lunghezza compresa tra 18 e 15 mm, pi? preferibilmente tra 1 mm e 5 mm, ancora pi? preferibilmente 3 mm.
Preferibilmente nello stadio d) almeno una fibra termofusibile con lunghezza delle fibre non superiore a 20 mm ? scelta nel gruppo consistente di fibra di alcol polivinilico, fibra di polipropilene, fibra di acido polilattico, fibra di rayon, fibra di cellulosa lyocell, poli-beta-idrossibutirrato, policaprolattone, Poli(3-idrosssibutirrato-co-3-idrossivalerato) e miscela delle stesse.
Preferibilmente nello stadio d) almeno una fibra termofusibile con lunghezza delle fibre non superiore a 20 mm ? in una concentrazione compresa tra lo 0% ed il 30% del peso totale della soluzione.
Preferibilmente la fibra di acido polilattico ? aggiunta ad una concentrazione compresa tra lo 0% ed il 30%.
Preferibilmente la fibra Lyocell, ? aggiunta ad una concentrazione tra il 5% e 20% del peso totale della soluzione.
In alternativa nello stadio d) alla fibra termofusibile con lunghezza delle fibre non superiore a 20 mm pu? essere aggiunto almeno un legante in forma di fibra o di polvere e miscele degli stessi.
In alternativa nello stadio d) la fibra termofusibile con lunghezza delle fibre non superiore a 20 mm ? totalmente sostituita da un legante in forma di fibra o di polvere e miscele degli stessi.
Preferibilmente quando presente il legante ? presente in una concentrazione compresa tra lo 0 e il 30% del peso totale della soluzione.
Preferibilmente il legante ? scelto nel gruppo consistente di: acido polilattico, polietilene, policaprolattone, poliidrossibutirrato.
Preferibilmente ? aggiunta fibra o legante in polvere di acido polilattico in una concentrazione del 20% del peso totale della soluzione e Lyocell in una quantit? pari al 10% del peso totale della soluzione.
Preferibilmente nello stadio e) la dispersione in acqua avviene mediante mescolamento per un tempo compreso tra 2 e 120 minuti, pi? preferibilmente tra 5 e 60 minuti, in base alle caratteristiche geometriche e alla natura della fibra, ancora pi? preferibilmente ? 10 minuti.
Preferibilmente nello stadio e) la velocit? di mescolamento ? compresa tra 100 e 10000 giri/minuto, pi? preferibilmente tra 400 e 5000 giri/minuto (in base alla natura e alle caratteristiche della fibra e ancora pi? preferibilmente ? pari a 2400 giri/minuto).
Preferibilmente nello stadio e) ? svolta una seconda miscelazione ad una velocit? pari a 200 giri/minuto per un tempo di 10 minuti fino ad ottenere una concentrazione di cellulosa pari a 10 gr/litro.
Preferibilmente nello stadio e) la dispersione in acqua ? svolta ad una temperatura compresa tra temperatura ambiente e 40 ?C, preferibilmente ? temperatura ambiente.
Preferibilmente l?intero processo per la produzione di feltro a partire dalla cellulosa ottenuta da pannolini ed assorbenti igienici usati e degradata ? svolto in condizioni di pH neutro, per non modificare la natura della fibra e non aumentare l'impatto ambientale del prodotto finale.
Preferibilmente, nel caso di fibra di cellulosa con elevato contenuto di lignina, il processo ? svolto in condizioni di pH basico, di valore pari a 9, ottenuto mediante aggiunta di NaOH, per purificare la fibra, affinch? abbia un contenuto superiore di mera cellulosa.
Nello stadio e) le fibre sono districate tra di loro, a creare delle trecce costituite da un numero minore di mono-filamenti, a determinare un incremento della tendenza delle stesse ad incastrarsi tra di loro (crimping), quindi a creare una struttura geometricamente stabile.
Nello stadio e) l?acqua o la miscela a base acquosa circondano le fibre e si costituiscono legami idrogeno con i gruppi ossidrilici delle fibre di cellulosa, favorendone bagnabilit? e dispersione. Le fibre termofusibili che agiscono da legante non sono idrofobiche e si disperdono facilmente senza la necessit? di addizionare agenti disperdenti o agenti compatibilizzanti.
Nella tecnica del wet-laid le fibre sospese nel mezzo acquoso sono depositate su un nastro trasportatore, che le porta fino ad una stazione di consolidamento. Strati di fibre orientate casualmente lasciano il suddetto nastro, dove hanno subito una formatura preliminare, per raggiungere un sistema di pressatura tramite rulli oppure sistema di compattazione per depressione, i quali rimuovono e recuperano parzialmente l?eccesso d?acqua contenuto negli strati stessi. Successivamente il materiale ? essiccato completamente ed avvolto su dei rulli a formare dei nastri.
Preferibilmente nello stadio f) ? impiegato air-laid (posato a secco) quando nello stadio non ? previsto l'utilizzo del legante, per ottenere un sistema finale isotropo e molto morbido.
E? anche oggetto della presente invenzione il feltro ricavato da cellulosa ottenuta da pannolini ed assorbenti igienici usati e degradata mediante il processo che comprende gli stadi di
a) riduzione della lunghezza delle fibre di cellulosa ad b) riduzione della lunghezza delle fibre di cellulosa ad ottenere una lunghezza delle fibre inferiore a 18 mm; c) riduzione del volume delle fibre ottenute al termine dello stadio a)
d) dispersione in acqua delle fibre con ridotta lunghezza delle fibre e ridotto volume ottenute al termine dello stadio b)
e) aggiunta di un almeno una fibra termofusibile con lunghezza delle fibre non superiore a 20 mm
f) Ulteriore dispersione in acqua
g) Stadio di Wet-laid (posato ad umido) o in alternativa air-laid (posato a secco) fino all?ottenimento del prodotto finale feltro.
Preferibilmente il feltro ha una densit? superficiale compresa tra 180 g/m2 ? 600 g/m2.
Sono anche oggetto della presente invenzione i materiali isolanti che comprendono il feltro ricavato da cellulosa ottenuta da pannolini ed assorbenti igienici usati e degradata ottenuto mediante il procedimento che comprende i seguenti stadi:
a) riduzione della lunghezza delle fibre di cellulosa ad ottenere una lunghezza delle fibre inferiore a 18 mm; b) riduzione del volume delle fibre ottenute al termine dello stadio a)
c) dispersione in acqua delle fibre con ridotta lunghezza delle fibre e ridotto volume ottenute al termine dello stadio b)
d) aggiunta di un almeno una fibra termofusibile con lunghezza delle fibre non superiore a 20 mm
e) Ulteriore dispersione in acqua
f) Stadio di Wet-laid (posato ad umido) o in alternativa air-laid (posato a secco) fino all?ottenimento del prodotto finale feltro.
Preferibilmente i materiali isolanti sono isolanti termici o isolanti acustici. A titolo esemplificativo, i materiali isolanti, termici o acustici possono essere compresi nella famiglia dei materiali per l?edilizia come per esempio pannelli termoisolanti, pannelli fonoassorbenti, supporti per la pavimentazione, tessuti, rivestimenti.
Esempi
I feltri sono stati prodotti mediante la tecnologia Wet-Laid (posato a umido). I dispositivi utilizzati non hanno un fabbisogno energetico particolarmente elevato (si parte da potenze di circa 14 kW) n? di ampi spazi (25 m<2>) per la produzione su suddetta scala.
Le fibre sono sospese in un mezzo acquoso e depositate su nastro trasportatore, che porta le fibre stesse fino ad una stazione di consolidamento. Strati di fibre orientate casualmente lasciano il suddetto nastro, dove hanno subito una formatura preliminare, per raggiungere un sistema di pressatura tramite rulli, i quali rimuovono e recuperano parzialmente l?eccesso d?acqua contenuto negli strati stessi.
Successivamente il materiale ? essiccato completamente ed avvolto su dei rulli a formare dei nastri.
Le fibre termofusibili, hanno una lunghezza che non eccede i 15-20 mm per garantire le propriet? meccaniche del prodotto finale.
L?impianto (produttivit? da 1 a 10 m/min) dove ? stata svolta l?attivit? in questione ? basato su quattro dispositivi:
Dispositivo Furdrinier su scala pilota, di ampiezza pari a 510 mm, solitamente utilizzato per la produzione della carta dalla polpa di cellulosa;
Sistema di essiccazione, lungo 5 m ed in grado di raggiungere una temperatura massima di 250?C;
Sistema di calandratura;
Sistema di avvolgimento;
Le fibre di cellulosa cos? come arrivate sono simili a fiocchi di cotone, la cui utilizzabilit? nel processo scelto richiede delle accurate considerazioni, soprattutto in relazione alla lunghezza elevata di tali fibre. La fibra ? stata ridotta in dimensione, allo scopo di mantenere una lunghezza inferiore a 15 mm.
La macinazione eseguita, data la morbidezza della fibra non ha comportato oneri energetici, quindi aspetti ambientali rilevanti.
La prima operazione consiste nella pesatura della quantit? di fibra prevista, mediante una bilancia con precisione al decimo di grammo.
Il passo successivo ? la dispersione della quantit? di fibra prevista in acqua e la relativa separazione, cercando di evitare ogni residuo o accumulo di particolato o di fibre di piccole dimensioni.
All?interno del sistema scelto ? stata inserita anche della polvere a base di acido polilattico (frazione in peso pari al 20%) e di cellulosa Lyocell (frazione in peso pari a 10%), aventi lo scopo di contribuire alla stabilit? del materiale finale, come un vero e proprio sistema legante in primo e come un supporto il secondo.
La miscelazione ? stata eseguita all?interno di un miscelatore ad elevati sforzi di taglio (denominato pulper). Tale sistema ha una capacit? di circa 40 litri ed ? fatto di acciaio inox e policarbonato.
La quantit? prescritta di fibre inerenti al legante e quelle di cellulosa sono state inserite nel contenitore, nel quale erano stati versati circa 40 litri d?acqua. Lo stirring ? stato condotto per circa 10 minuti a 2400 giri/minuto. La concentrazione delle fibre era pari a 10 g/litro.
Dopo questa fase, il materiale ? inserito in un altro recipiente nel quale avviene un?ulteriore dispersione pi? lenta, avente lo scopo di mantenere in agitazione le fibre e non farle agglomerare tra di loro prima che venissero portate nella zona di formatura del non-tessuto. Il recipiente ha una capacit? di 1200 litri, con due giranti messe in moto da un motore elettrico dotato di un convertitore di frequenza, che consente di variare la velocit? di miscelazione.
La velocit? di miscelazione ? stata pari a 200 giri/minuto ed il tempo di miscelazione ? 10 minuti. La concentrazione di materiale solido nell?acqua era pari a 1g/litro, grazie all?aggiunta progressiva di acqua.
Questa fase contribuisce a districare le fibre tra di loro, a creare delle trecce costituite da un numero minore di monofilamenti, quindi a determinare un incremento della tendenza delle stesse ad incastrarsi tra di loro (crimping), quindi a creare una struttura geometricamente stabile, anche indipendentemente dai leganti.
La fase di dispersione ? estremamente importante perch? consente all'acqua o alla miscela a base acquosa di circondare le fibre, grazie anche alla presenza dei gruppi ossidrilici (-OH) pendenti dalle fibre di cellulosa, che ne favoriscono il legame idrogeno con la fase acquosa stessa e la loro dispersione in essa. Da ci?, non si ha bisogno dell'aggiunta di alcun elemento chimico in grado di migliorare la bagnabilit? e la suddetta dispersione.
Le fibre di legante non sono idrofobiche, quindi possono essere facilmente disperse nella fase acquosa e bagnate dalla stessa, anche senza l'aiuto di un disperdente o di un compatibilizzante.
La dispersione delle fibre avviene anche grazie alla miscelazione meccanica, altrimenti le varie ciocche tenderebbero a restare insieme, creando zone ricche di fibra e zone a bassa concentrazione, a causa di vari fenomeni, quali la frizione tra le fibre stesse, le forze di coesione, quelle capillari, ecc.
Una volta che la fibra appariva ben dispersa nel mezzo acquoso, la miscela era trasferita nella zona di formatura del non-woven, mediante l?utilizzo di una pompa idraulica. La macchina di idroformatura ? un dispositivo della PILL NASSVLIESTECHNIK GmbH.
L?ampiezza della zona di formatura del non-tessuto ? pari a 510 mm, l?angolo di inclinazione ? pari a 20?, mentre la concentrazione di fibra ? 0,33 g/L. La velocit? applicata, come detto, pu? variare da 1 a 10 m/min.
Nel sistema wet-laid, sono stati utilizzati due serbatoi di dispersione: mentre uno viene utilizzato l'altro rimane vuoto. La miscela ? erogata dal serbatoio alla zona di formatura del nontessuto da una pompa idraulica. Prima di raggiungere l'idroformatore, la miscela fibra-acqua viene diluita con ulteriore acqua, che viene azionata da una pompa di diluizione dal serbatoio dell'acqua stessa. Quindi la concentrazione di fibre in acqua in corrispondenza all?ingresso della zona di formazione del non tessuto ? inferiore: in particolare cambia da 1 g/l nel serbatoio di dispersione a 0,33 g/l nella zona di formazione del non tessuto.
Arrivando all?idroformatore, la miscela passa attraverso la cinghia di formatura di tessuto non tessuto, la quale ? porosa e funge da filtro. Questo nastro porta l'acqua nel fondo di una camera a tenuta stagna, mente le fibre si depositano sulla cinghia, formando il non tessuto.
La camera stagna, situata dietro la cinghia formatrice del nontessuto, ? collegata nella parte inferiore alla pompa di circolazione dell?acqua, che riporta l'acqua filtrata nel serbatoio, consentendone un notevole risparmio. Ci? perch? questa viene fatta ricircolare costantemente, quindi ? riutilizzata in larga parte (se si esclude quella che resta nel non tessuto: umidit?).
La parte superiore della camera ? collegata a una ventola che crea un vuoto d'aria in questa zona, aspirando un contenuto maggiore nel non-tessuto. Per creare il vuoto richiesto, il sistema di aspirazione pu? contare su una portata di circa 4 m3/min e sulla possibilit? di creare una pressione locale pari a 200 mbar.
Le pompe utilizzate per il trasferimento del fluido sono rotative ed hanno un rotore elicoidale di acciaio inox, che ? in contatto con uno statore di EPDM. Anche in questo caso il convertitore di frequenza del motore elettrico, di cui sono dotate, consente di variare la velocit? rotazionale.
La fase successiva riguarda l?essiccazione in continuo della rete di fibre precedentemente formata immediatamente all?uscita del Fourdrinier. Il processo di essiccazione consente di fondere le fibre di materiale polimerico contenute nella miscela, quindi di consolidare il reticolo e di eliminare l?eccesso di umidit? rimasta.
Il processo termina con la fase di calandratura e rullatura del tessuto non tessuto prodotto, mediante un apposito apparato.
Nella fase di calandratura, la velocit? di essiccamento ? stata impostata a 1 m/min, mediante un profilo di temperatura che va da quella ambiente a 190 ?C, livello sufficiente anche, come detto, a fondere le fibre polimeriche presenti. In totale il materiale ha trascorso un tempo pari a 7 minuti all?interno del modulo suddetto. All?uscita il materiale ? sottoposto a calandratura, mediante un sistema di avvolgimento.
Nel processo di produzione dei feltri, sono state utilizzate anche fibre termoplastiche, oltre quelle di cellulosa del materiale di partenza. Le fibre di cellulosa aggiuntive (Lyocell) sono state utilizzate per la formazione di un velo di non tessuto, mentre quelle di acido polilattico (PLA) son state usate come legante per il consolidamento del feltro.
Queste ultime avevano una temperatura di fusione compresa tra 130 ?C e 170 ?C, una lunghezza di 6 mm ed un titolo pari a 1,70 dtex. Per quanto riguarda le fibre di cellulosa non appartenenti al materiale di partenza, non hanno un mero punto di fusione, ma una temperatura di degradazione pari a 190 ?C, una lunghezza massima di 4 mm ed un titolo di 1,70 dtex.
La dimensione della fibra di cellulosa dei pannolini usati dopo riduzione aveva una dimensione compresa nell?intervallo tra 1 mm e 5 mm (il materiale era completamente defibrillato).
Il sistema era basato su una quantit? di fibra di cellulosa originaria pari al 70% del peso totale, una quantit? di Lyocell pari al 10% ed una quantit? di PLA pari al 20% del peso totale. Lo scopo era quello di ottenere dei feltri aventi una densit? superficiale pari a 300 g/m2. Il peso reale ? stato misurato essere pari a 287 g/m2. Il materiale finale pu? contenere particelle di plastica residua, le quali non hanno in alcun modo pregiudicato la fattibilit? del prodotto.
L?impiego del feltro per la produzione di pannelli massivi (principalmente mirati alla produzione di componenti per il settore dell'edilizia) ? stato verificato mediante lo stampaggio a compressione di mattonelle di dimensione 250 mm x 250 mm per 6 mm.
I tempi di processo sono stati nettamente inferiori, in quanto il materiale era pressoch? asciutto e contenente il legante in quantit? pi? che sufficiente. E' stata verificata la possibilit? di variare la densit? di suddetti pannelli alloggiando nello stesso volume diversi strati di feltro: da 4 a 12 strati (ma anche fino a 24), ottenendo delle propriet? meccaniche che aumentavano all?aumentare del numero degli strati (cos? come la densit?). Ci? senza perdere in modo significativo le propriet? termoisolanti e fono assorbenti tipiche del feltro stesso.
La temperatura di stampaggio ? stata pari a 190 ?C, utilizzata sia nella fase di contatto che in quella di compressione vera e propria. La prima fase (contatto) ? stata condotta per 5 minuti ad una pressione di 10 bar, mentre la seconda (mera compressione) ? stata portata avanti per lo stesso tempo, ma con una pressione di 75 bar. La fase di raffreddamento ? stata condotta a stampo chiuso, facendo circolare dell?acqua negli appositi canali, situati tra le piastre della pressa, fino ad una temperatura prossima agli 80 ?C.
I pannelli prodotti sono risultati tutti sufficientemente compatti.
Sia il feltro che i pannelli non mostrano alcuna tendenza a perdere materiale, al contrario sono molto tolleranti al danno e non emanano cattivo odore.
Test sono stati eseguiti su differenti tipi di manufatti, ossia su un singolo strato di feltro, realizzato tagliandolo con delle semplici forbici, su 4 strati di feltro successivamente accoppiati mediante un adesivo (in questo caso il sistema Acronal S 560), senza applicare pressioni elevate dall?esterno, ed infine su un pannello pressato, composto da 6 strati di feltro, tagliato mediante un seghetto da traforo da una lastra delle dimensioni 250 mm x 250 m x 6 mm.
la densit? superficiale di un singolo strato feltro (spessore nominale 2,00 mm), ammonta a 287 g/m<2>.
Sono stati sovrapposti vari strati di feltro uno sull?altro; l?aggiunta di ogni singolo strato di feltro ai quattro di partenza determina un aumento della densit? volumica di quasi 51 kg/m<3 >e di quella superficiale di circa 0,26 kg/m<2>.
partendo dai sistemi basati su solo 4 strati di feltro, l?aggiunta di ogni singolo strato comporta l?aumento della conducibilit? e della capacit? termica pari rispettivamente a 9,00*10<-3 >W/mK e 5,80*10<-2 >J/m3K.
Per quanto riguarda la diffusivit? termica, non ? possibile stabilire un andamento in funzione del numero di strati e si ha un valore medio intorno ai 2,47 ? 0,19 m<2>/sec.
Nella tabella 1 che segue sono riportati i dati inerenti alla densit? volumetrica e superficiale dei pannelli realizzati.
Tabella 1
Nella tabella 1 che segue sono riportati i dati di conducibilit? termica dei componenti realizzati.
Tabella 2
Si nota come i feltri non compattati abbiano una conducibilit? termica inferiore ai sistemi compattati (ossia i pannelli), come era lecito aspettarsi, in quanto meno densi. A questo proposito, la conducibilit? ? circa doppia rispetto ai comuni pannelli basati su schiume di polistirene o di poliuretano espanso. Da ci? si ritiene che il feltro meriti un notevole interesse per l?utilizzo proprio come sistema isolante termico.
Per quanto riguarda le prove per determinare le propriet? meccaniche trazione, il materiale sembra sia pi? resistente e performante in direzione longitudinale rispetto a quella trasversale. A tal proposito, il carico a rottura ed il fattore di resistenza sono pi? levati di circa il 25% rispetto alla direzione trasversale.
La tabella 3 che segue mostra le caratteristiche meccaniche in direzione longitudinale e trasversale rispetto a quella di avvolgimento.
Tabella 3
Per quanto riguarda le propriet? a flessione, appare naturale come vi sia un incremento molto importante delle caratteristiche principali, quali la resistenza allo snervamento (?y), alla rottura (?r) e del modulo di Young (E). Si nota come la resistenza allo snervamento e quella a rottura si avvicinino sempre pi?, fino a coincidere, all?aumentare del numero di strati di feltro. Si ritiene che la resistenza allo snervamento sia la propriet? da tenere in maggiore considerazione per definire i limiti di utilizzo dei pannelli in questione, poich? superata questa o la deformazione corrispondente (circa 2,44% per ogni tipo di pannello), il componente, qualsiasi sia il numero di strati, resta deformato in modo irreversibile.
Sia per la rigidezza sia per la resistenza allo snervamento aumenta in modo molto significativo all?aumentare del numero degli strati di feltro inseriti nel sistema: ogni strato in pi? rispetto ai quattro iniziali determina un incremento della resistenza allo snervamento di circa 2,93 MPa e di circa 195 MPa in termini di modulo (rigidezza). Ci? a fronte di un incremento della densit? di circa 51 kg/m<3>.
La tabella 4 che segue mostra le caratteristiche meccaniche a flessione.
Tabella 4
La tabella 5 che segue mostra le caratteristiche specifiche meccaniche a flessione.
Tabella 5
Il campione di piccole dimensioni, inerente al materiale basato su 4 strati di feltro incollati tra di loro, evidenzia dei valori di smorzamento estremamente interessanti. Il valore di suddetta propriet? oscilla nell?intervallo compreso tra 30 dB e 50 dB. Per quanto riguarda il campione di diametro pari a 100 mm, il valore dello smorzamento oscilla nell?intervallo compreso tra 10 dB e 15 dB. Nella zona finale del grafico sembra aumentare ulteriormente. Prendendo come riferimento il valore minimo ottenuto a basse frequenze e quello massimo ottenuto alle alte frequenze, si pu? affermare che il materiale sia in grado di attenuare la potenza sonora da 10 a 100.000 volte.
La tabella 6 che segue i dati di fono-assorbimento.
Tabella 6
Dai risultati sopra riportati il materiale ha manifestato caratteristiche isolanti e fono assorbenti molto interessanti; la conducibilit? ? molto pi? bassa dei pannelli pressati o cellulosa sfusa: siamo circa un 30% inferiore a questi e circa il doppio di un comune poliuretano espanso. I feltri hanno evidenziato una performance estetica adeguata, una buona tolleranza del danno (propriet? di resistenza a trazione adeguate), un colore uniforme e sono inodori.
Per quanto riguarda i pannelli autoportanti ottenuti a partire dai feltri, le propriet? meccaniche aumentano significativamente all?aumentare del numero di strati, a fronte di una modesta variazione della densit? e, soprattutto, della conducibilit? termica. Si ritiene questa ultima verifica molto interessante perch? consente una certa elasticit? nel poter progettare e realizzare (customizzazione) i pannelli in questione sulla base delle specifiche tecniche richieste, non solo in termini di capacit? autoportanti, ma anche di performance termica ed acustica. Si ritiene, inoltre, possibile aumentare anche il numero degli strati a fronte di un minimo incremento dello spessore, allo scopo di ottenere, laddove necessario, anche un incremento delle propriet? meccaniche. Il feltro ottenuto ? in linea con le caratteristiche dei migliori prodotti sul mercato di questa categoria.

Claims (10)

Rivendicazioni
1. Procedimento per la degradazione della cellulosa ottenuta da pannolini ed assorbenti igienici usati che comprende i seguenti stadi:
a) riduzione della lunghezza delle fibre di cellulosa ad ottenere una lunghezza delle fibre inferiore a 18 mm; b) riduzione del volume delle fibre ottenute al termine dello stadio a);
c) dispersione in acqua delle fibre con ridotta lunghezza delle fibre e ridotto volume ottenute al termine dello stadio b).
2. Procedimento per la produzione di feltro a partire da cellulosa ottenuta da pannolini ed assorbenti igienici usati e degradata che comprende gli stadi di:
a) riduzione della lunghezza delle fibre di cellulosa ad ottenere una lunghezza delle fibre inferiore a 18 mm; b) riduzione del volume delle fibre ottenute al termine dello stadio a);
c) dispersione in acqua delle fibre con ridotta lunghezza delle fibre e ridotto volume ottenute al termine dello stadio b);
secondo la rivendicazione 1 ed ulteriormente i seguenti stadi:
d) aggiunta di almeno una fibra termofusibile con lunghezza delle fibre non superiore a 20 mm;
e) ulteriore dispersione in acqua;
f) Wet-laid (posato ad umido) o air-laid (posato a secco) fino all?ottenimento del prodotto finale feltro.
3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2 in cui nello stadio a) la riduzione della lunghezza delle fibre di cellulosa ? fino ad ottenere una lunghezza compresa tra 1 mm e 5 mm.
4. Procedimento secondo la rivendicazione 2 in cui nello stadio d) l?almeno una fibra termofusibile con lunghezza delle fibre non superiore a 20 mm ? scelta nel gruppo consistente di fibra di alcol polivinilico, fibra di polipropilene, fibra di acido polilattico, fibra di rayon, fibra di cellulosa lyocell, poli-beta-idrossibutirrato, policaprolattone, Poli(3-idrosssibutirrato-co-3-idrossivalerato) e miscela delle stesse.
5. Feltro ottenuto mediante il procedimento secondo la rivendicazione 2 che comprende i seguenti stadi:
a) riduzione della lunghezza delle fibre di cellulosa ad ottenere una lunghezza delle fibre inferiore a 18 mm; b) riduzione del volume delle fibre ottenute al termine dello stadio a)
c) dispersione in acqua delle fibre con ridotta lunghezza delle fibre e ridotto volume ottenute al termine dello stadio b)
d) aggiunta di un almeno una fibra termofusibile con lunghezza delle fibre non superiore a 20 mm
e) Ulteriore dispersione in acqua
f) Stadio di Wet-laid (posato ad umido) o in alternativa air-laid (posato a secco) fino all?ottenimento del prodotto finale feltro.
6. Feltro secondo la rivendicazione 5 caratterizzato da una densit? superficiale compresa tra 180 g/m<2 >e 600 g/m<2>.
7. Materiali isolanti caratterizzati dal fatto di comprendere il feltro della rivendicazione 5.
8. Materiali isolanti secondo la rivendicazione 7 caratterizzati dal fatto di essere isolanti termici o isolanti acustici.
9. Uso dei materiali isolanti secondo la rivendicazione 7 per la produzione di materiali per l?edilizia.
10. Materiali per l?edilizia comprendenti i materiali isolanti della rivendicazione 7.
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