ITRM20100355A1 - Materiale isolante a base di cactacee, pannello realizzato con detto materiale e relativo processo di produzione. - Google Patents

Description

MATERIALE ISOLANTE A BASE DI CACTACEE, PANNELLO REALIZZATO CON DETTO MATERIALE E RELATIVO PROCESSO DI PRODUZIONE

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Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce alla realizzazione di un materiale isolante sia termicamente che acusticamente, in forma sfusa o di pannello, a base di un alternativo materiale naturale rinnovabile.

Stato della tecnica

I pannelli isolanti costituiscono l’elemento chiave nel miglioramento delle prestazioni energetiche di un edificio. La richiesta di benessere e comfort à ̈ strettamente connessa ad un isolamento termico ed acustico dell’edificio, che conduce anche ad un risparmio energetico.

Attualmente, il carico termico di un edificio viene anche regolato dalla presenza o meno di sistemi stratificati a secco che determinano le diverse prestazioni dell’involucro abitativo.

Svantaggiosamente questo tipo di soluzione tecnologica viene spesso prodotta con un alto impiego di risorse naturali non rinnovabili, sia in fase di costruzione che in quella di gestione.

Ultimamente, nel campo degli stratificati a secco, si sta diffondendo l’impiego di materiali rinnovabili, quali gli scarti della lavorazione del legno e altre fibre naturali, al fine di ottenere uno strato coibente con materiali che presentino una bassa conducibilità termica, tale da garantire una diminuzione della trasmittanza del pannello isolante. In tal modo possono realizzarsi sia pannelli rigidi, sia pannelli morbidi che materiali sfusi per il riempimento di intercapedini di pareti e coperture. Nella letteratura scientifica si riscontrano diverse tipologie di materiali adoperabili sia per la realizzazione dei pannelli isolanti, sia per la realizzazione di materiale isolante in forma sfusa. Tra questi materiali ci sono:

- Argilla espansa: si ottiene dalla cottura di sferette d’argilla in forni rotativi a 1200°C, dopo una stagionatura di parecchi mesi all’aperto. Seppure abbondantemente disponibile in natura, svantaggiosamente il processo produttivo richiede un grosso dispendio di energia. Ulteriore svantaggio à ̈ la impossibilità di riciclaggio per il recupero di energia, non essendo combustibile.

- Perlite espansa: à ̈ una varietà di roccia vulcanica, la cui struttura à ̈ formata da piccole sfere. Si ricava attraverso un processo che richiede alte temperature (850-1000°C), così da ottenere, per evaporazione dell’acqua, un conseguente aumento di volume del granulo fino a venti volte il suo volume iniziale.

Svantaggiosamente il materiale sfuso à ̈ riutilizzabile unicamente come inerte per calcestruzzo. Inoltre il processo produttivo richiede un consumo energetico di circa 200 KWh/m<3>e può avere una radioattività residua;

- Vermiculite espansa: à ̈ una roccia di origine vulcanica. Il materiale grezzo viene macinato e sottoposto a temperature di circa 100°C, provocando l’evaporazione dell’acqua e l’espansione del granulo. Presenta buone proprietà termoisolanti e fonoassorbenti, à ̈ incombustibile e privo di sostanze nocive. Svantaggiosamente, come tutti i minerali di origine vulcanica à ̈ a rischio di radioattività naturale ed inoltre il processo produttivo richiede un consumo energetico di circa 200 KWh/m<3>; - Pomice: à ̈ una roccia vulcanica caratterizzata da una struttura alveolare con pori di grandezza variabile. E’ incombustibile, priva di sostanze tossiche, di elevata resistenza a compressione, ottima lavorabilità e si mantiene stabile nel tempo. Inoltre il consumo energetico di produzione à ̈ ridotto e non presenta scarti tossici. La conduttività termica oscilla tra 0,1 e 0,75 W/mK, ed inoltre il peso specifico risulta mediamente superiore ai 600 kg/m<3>. Svantaggiosamente, à ̈ una materia prima di sempre più limitata disponibilità.

- Vetro cellulare espanso: à ̈ composto da sabbia di quarzo (silice pura) con una proporzione di vetro riciclato del 45-50%. Presenta totale impermeabilità all’acqua ed un’elevata resistenza a compressione, à ̈ incombustibile, à ̈ stabile anche in presenza di forti variazioni di temperatura. Il processo di produzione consiste nella fusione in forno della sabbia silicea, che permette di ottenere vetro puro, che quindi viene estruso, macinato e addizionato con polvere di carbone, e sottoposto a temperature di 1000°C per ottenere una schiuma rigida di colore scuro da cui si ricavano i pannelli.

Svantaggiosamente il consumo energetico durante la produzione à ̈ di circa 800 KWh/m<3>, anche se presenta una conduttività termica di circa 0,045 W/mK;

- Fibra di legno: à ̈ ricavata dagli scarti della lavorazione del legname di conifere e latifoglie. Presenta buone proprietà di isolamento termico e acustico e caratteristiche igroscopiche. Il consumo di energia per la produzione dei pannelli à ̈ ridotto e presenta una conduttività termica di circa 0,050 W/mK. Svantaggiosamente, pur derivando in maggior parte dagli scarti di produzione, la fibra di legno deve essere sottoposta a trattamenti molto onerosi prima di poter essere utilizzata.

- Fibra di legno mineralizzata: le fibre di legno, macinate e sfibrate, sono impregnate con magnesite o cemento Portland, in un processo ad alte temperature ed alte pressioni, per ottenere notevole coesione e compattezza strutturale. I pannelli di fibra di legno mineralizzata sono particolarmente idonei all’isolamento termo-acustico e alla protezione dal fuoco.

Svantaggiosamente l’irreversibilità della mineralizzazione e l’incombustibilità del materiale rendono impossibile il recupero di energia da combustione e difficile la sua riciclabilità.

Il consumo di energia nella produzione si aggira intorno ai 30 – 50 kWh/m<3>, e presenta una conduttività termica di circa 0,1 W/mK;

- Fibra di canapa: si ottiene mediante essiccazione in forni della pianta tagliata, unita a fibre di poliestere. I pannelli sono morbidi e presentano una conduttività termica di circa 0,04 W/mK ed inoltre sono riutilizzabili in caso di ristrutturazioni. Svantaggiosamente il riciclaggio del pannello à ̈ problematico per la presenza della fibra sintetica.

- Fibra di lino: si ottiene dagli steli della pianta, che sono puliti e tostati, per essere sottoposti a lavaggio, essicazione, triturazione, centrifugazione e frantumazione delle fasce fibrose. La parte cellulosica delle fibre à ̈ addizionata con colla a base d’amido naturale e sali di boro; il tutto à ̈ asciugato e agugliato in rotoli e pannelli morbidi di diverso spessore. I pannelli sono riutilizzabili e riciclabili e presentano una conduttività termica di circa 0,040 W/mK. Svantaggiosamente à ̈ un materiale poco diffuso in natura e quindi più caro. Inoltre à ̈ possibile produrre solamente pannelli morbidi.

- Fibra di cocco: si ricava dallo strato fibroso che ricopre il guscio della noce di cocco. Le fibre una volta separate dalla noce, sono sottoposte a macerazione in acqua e fango per circa sei mesi. Le fibre, essiccate, battute e ammassate in balle devono essere poi pressate. I tempi lunghi, il consumo totale di energia ed il bilancio ecologico del materiale stesso rendono poco vantaggioso l’uso di pannelli realizzati con tali fibre;

- Canna palustre: à ̈ proveniente da laghi e zone paludose dell’Austria e dell’Ungheria. Il procedimento di produzione del pannello isolante prevede la compressione delle canne e la legatura mediante filo di ferro zincato.

- I pannelli sono riutilizzabili se sono smontati interi e presentano una conduttività termica di circa 0,050 W/mK.

Svantaggiosamente i pannelli devono essere immagazzinati in luogo asciutto, e devono trasportarsi in posizione verticale per evitarne la torsione e il piegamento. - Sughero: si ricava dalla corteccia della quercia da sughero, che svantaggiosamente può essere prelevata dalla pianta solo intorno al 20° anno di età. Le successive fasi di produzione prevedono anche un accatastamento delle cortecce ricavate dalla prima decortica per almeno due anni; si procederà quindi con l’immersione in acqua bollente per 1-2 ore, e l’asciugatura per alcuni giorni. I granuli si ottengono dalla frantumazione in appositi mulini. Si può quindi procedere con la cottura dei granuli in autoclave a circa 350-380°, per ottenere i pannelli di sughero agglomerato espanso autocollato di colore bruno, o aggiungendo collante sintetico per ottenere pannelli di sughero naturale compresso, di colore biondo, ad alta densità (200-500 Kg/m<3>).

Il sughero à ̈ riutilizzabile e riciclabile e presenta una conduttività termica di circa 0,04 W/mK.

E’ quindi sentita l’esigenza di realizzare un materiale isolante a base di un materiale naturale alternativo che consenta di superare i suddetti inconvenienti. Sommario dell’invenzione

Scopo primario della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un alternativo materiale isolante, sia termicamente che acusticamente, a partire da piante appartenenti alla famiglia delle cactacee, specialmente a partire dal genere Opuntia, permettendo di ottenere una soddisfacente conduttività termica evitando allo stesso tempo i diversi inconvenienti dei materiali già utilizzati nei pannelli isolanti dello stato della tecnica.

Questo risultato à ̈ ottenuto a partire dai cladodi o pale della pianta di Opuntia, che opportunamente trattata, macinata ed essiccata, viene assemblata con leganti e/o collanti.

Un primo aspetto dell’invenzione, pertanto, propone di raggiungere gli scopi sopra discussi mediante un processo di produzione di un materiale isolante a base di cactacee che, conformemente alla rivendicazione 1, comprende i seguenti stadi: - prevedere cladodi di una pianta appartenente alla famiglia delle cactacee;

- essiccare detti cladodi ad una predeterminata temperatura;

- macinare i cladodi essiccati per ottenere il materiale isolante in forma di granuli. Il materiale isolante in forma di granuli, ottenibile mediante il suddetto processo ha una conducibilità termica media inferiore a 0,060 W/mK e peso specifico di 200-300 kg/m<3>. Un pannello isolante, ottenibile mescolando detti granuli con una predeterminata quantità di collante e/o legante ha una conducibilità termica media inferiore a 0,080 W/mK e peso specifico di 400-500 kg/m<3>.

In particolare, le piante di Opuntia utilizzabili per l’invenzione possono essere del tipo Cylindropuntia, avente articoli cilindrici; Tephrocactus, avente articoli corti e globulari; Platyopuntia, avente articoli piatti, tra cui la più diffusa à ̈ la Opuntia Ficus Indica.

L’invenzione prevede, in una vantaggiosa variante, di realizzare pannelli isolanti comprendenti granuli essiccati di Opuntia Ficus Indica, o di altre cactacee, ed un appropriato collante o legante. I granuli si ottengono dall’essiccazione e macinazione di cladodi di età compresa, preferibilmente, da uno a dieci anni, corrispondenti al materiale di scarto della potatura periodica delle coltivazioni delle piante. Le fasi di lavorazione possono prevedere la lavatura dei cladodi, l’eliminazione delle spine, il taglio dei cladodi, per poi procedere alle suddette fasi di essiccazione e macinazione. Lavatura, eliminazione di spine ed il taglio prima dell’essiccazione possono essere operazioni opzionali del processo. I granuli così ottenuti possono essere mescolati, ad esempio, con collante poliestere o con altri composti privi di sostanze nocive, in modo da ottenere uno strato compatto e resistente.

Un vantaggio à ̈ rappresentato dal fatto che i pannelli dell’invenzione possono realizzarsi industrialmente con costi competitivi.

L’inserimento dell’invenzione in un ciclo produttivo industriale darebbe inoltre, come prodotti secondari, una parte in polvere e una parte liquida, prodotte dalla macinazione e utilizzabili nel settore farmaceutico, alimentare, cosmetico e manifatturiero.

Il materiale isolante ed i pannelli realizzati con questo materiale, ottenuti mediante il processo dell’invenzione, utilizzano sostanze di origine naturale che derivano da materiali rinnovabili tali da non emettere sostanze inquinanti per l’ambiente e dannose per l’uomo.

Un aspetto rilevante dell’invenzione à ̈ l’uso di un materiale ampiamente reperibile in tutta l’area mediterranea ed in altre parti del mondo con un clima similare, in modo da ottenere un notevole abbattimento dei costi, anche considerando che non occorrono particolari attrezzature per la lavorazione dei materiali e per la realizzazione del prodotto finito.

Un ulteriore aspetto rilevante dell’invenzione à ̈ rappresentato dal fatto che nella progettazione edilizia à ̈ di fondamentale importanza la scelta degli strati coibenti, che viene solitamente affidata a materiali che non possiedono una conducibilità termica inferiore a circa 0,08 W/mK, ottenuta con la presente invenzione. Vetro cellulare espanso, sughero, canna palustre, fibre di legno o canapa o lino, pur mostrando valori di conducibilità termica inferiore a 0,08 W/mK, non sono utilizzati in detti strati coibenti a causa di costi sensibilmente maggiori, determinati dal costo della materia prima, dai tempi di lavorazione più lunghi e costosi, e dal costo del trasporto.

Inoltre i granuli derivati dall’Opuntia Ficus Indica, o da altre piante del genere Opuntia, possono adoperarsi sia per la realizzazione di pannelli rigidi che di materiale sfuso di isolamento da inserirsi, ad esempio, in intercapedini di pareti. L’insieme delle proprietà sopra riportate fanno del prodotto proposto un sistema unico per ottenere strati coibenti nel panorama del settore edilizio.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione preferite dell’invenzione.

Descrizione in dettaglio di forme di realizzazione preferite dell’invenzione Viene di seguito descritto un processo di produzione di materiale isolante in forma di granuli o di pannelli isolanti a base di detti granuli, a partire dai cladodi della pianta Opuntia Ficus Indica, che prevede una opportuna lavorazione dei cladodi che vengono successivamente mescolati con una predeterminata quantità di legante e/o collante, per ottenere uno strato compatto e resistente.

La predeterminata quantità di collante à ̈ preferibilmente compresa tra il 5% ed il 30% della quantità di materiale isolante granulato; mentre la predeterminata quantità di legante à ̈ preferibilmente compresa tra il tra il 10% ed il 40% della quantità di materiale isolante granulato.

La produzione di pannelli o materiale isolante granulato si può ottenere con trattamenti meccanici e termici che presentano una durata variabile da 2 a 6 ore, con temperature comprese nel range 40÷100°C in relazione al tipo di sistema di essiccamento utilizzato, ad esempio una stufa ventilata, un forno a microonde ventilato, ecc.

Il processo dell’invenzione prevede i seguenti stadi:

a) reperire i cladodi (pale) della pianta Opuntia Ficus Indica, di età compresa tra uno e dieci anni, come materiale di scarto della potatura periodica delle piante; b) lavare i cladodi, mediante immersione in acqua, per eliminare sia impurità provenienti dall’ambiente di raccolta che la presenza di spine;

c) tagliare i cladodi lavati in pezzetti;

d) attraverso mezzi di riscaldamento essiccare i pezzetti di cladodi ad una predeterminata temperatura, preferibilmente compresa tra 40 e 100°C, mantenendo detta predeterminata temperatura, mediante termostato, per un predeterminato intervallo di tempo, preferibilmente compreso tra 2 e 8 ore, al fine di poter essiccare completamente il prodotto;

e) disattivare i mezzi di riscaldamento ed eventualmente far raffreddare spontaneamente il prodotto fino a temperatura ambiente;

f) procedere alla macinazione tramite, ad esempio, mulina a taglienti o altri idonei mezzi di taglio, e alla successiva vagliatura dei granuli ottenuti dalla macinazione per dividere la parte in polvere dai granuli;

g) mescolare i granuli con un collante, quale ad esempio resina poliestere, collante poliuretanico, colle fenoliche, collante atossico PVAc, resine naturali quali quelle lignee, resina epossidica, in percentuali variabili tra il 5% e il 30% della quantità di granuli e/o con un legante, quale ad esempio cemento, magnesite, solfato di alluminio in percentuali variabili tra il 10% ed il 40% della quantità di granuli, in modo da ottenere un materiale compatto e resistente;

h) eventualmente formare in uno stampo di appropriate dimensioni uno strato di detti granuli mescolati con il collante e/o il legante in modo da ottenere un pannello isolante secondo l’invenzione, una volta che il collante e/o il legante ha completato la sua presa.

I pannelli isolanti ottenuti con questo trattamento sono caratterizzati da una conducibilità termica media inferiore a 0,080 W/mK e peso specifico inferiore a 500 kg/m<3>.

Di seguito riportiamo alcuni processi di produzione secondo la presente invenzione, da considerare esemplificativi e non limitativi.

ESEMPIO 1

Un primo processo di preparazione di un pannello isolante secondo l’invenzione, ad esempio avente dimensioni 220x220x28 mm, comprende i seguenti stadi: a) reperire i cladodi (pale) della pianta Opuntia Ficus Indica;

b) lavare i cladodi mediante semplice immersione in acqua, per consentire anche l’eliminazione delle spine;

c) tagliare i cladodi lavati in pezzetti;

d) procedere alla essicazione in un forno a microonde ventilato ad una temperatura di 100°C per un tempo pari a 4 ore;

e) spegnere il riscaldatore e consentire il raffreddamento spontaneo del prodotto; f) procedere alla macinazione tramite mulina a taglienti, ottenendo il prodotto in granuli, e vagliare i granuli per dividere la parte in polvere;

g) mescolare i granuli così ottenuti con collante poliestere in una percentuale pari al 30% della quantità di granuli;

h) formare in uno stampo di appropriate dimensioni uno strato di detti granuli mescolati con il collante poliestere in modo da ottenere il pannello isolante secondo l’invenzione, una volta che il collante ha completato la sua solidificazione. Il pannello isolante ottenuto con questo trattamento à ̈ caratterizzato da una conducibilità termica pari a circa 0,071 W/mK e peso specifico di 450 kg/m<3>.

Il tempo totale per l’esecuzione dell’intero processo à ̈ pari a circa 6 ore.

ESEMPIO 2

Un secondo processo di preparazione del materiale isolante secondo l’invenzione comprende gli stessi stadi dell’Esempio 1, escludendo gli stadi g) ed h), ottenendo quindi il materiale isolante in forma di granuli, senza l’aggiunta di collante e/o legante.

Il materiale isolante ottenuto con questo trattamento à ̈ caratterizzato da una conducibilità termica pari a circa 0,057 W/mK e peso specifico di 279 kg/m<3>.

Il tempo totale per l’esecuzione dell’intero processo à ̈ pari a circa 5 ore.

Realizzando un strato di detto materiale isolante granulato pari a circa 21 mm, si à ̈ ottenuta una conducibilità termica media pari a 0,057 W/mK.

Il materiale isolante in forma di granuli o il pannello isolante, oggetto della presente invenzione, sono particolarmente indicati per l’utilizzo nel settore edile.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Processo di produzione di un materiale isolante, termicamente ed acusticamente, comprendente i seguenti stadi: - prevedere cladodi di una pianta appartenente alla famiglia delle cactacee; - essiccare detti cladodi ad una predeterminata temperatura; - macinare i cladodi essiccati per ottenere il materiale isolante in forma di granuli.
2. 2. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui à ̈ previsto un mescolamento di detti granuli con un collante e/o un legante.
3. 3. Processo secondo la rivendicazione 2, in cui il collante à ̈ in una percentuale variabile tra il 5% e il 30% della quantità di granuli e/o il legante à ̈ in una percentuale variabile tra il 10% e il 40% della quantità di granuli.
4. 4. Processo secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui à ̈ prevista la formazione in uno stampo di uno strato di detti granuli mescolati con il collante e/o legante per cui si ottiene un pannello isolante in seguito alla solidificazione del collante e/o del legante.
5. 5. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 4, in cui il collante à ̈ scelto tra uno dei seguenti: resina poliestere, collante poliuretanico, colle fenoliche, collante atossico PVAc, resine naturali quali quelle lignee, resina epossidica; ed in cui il legante à ̈ scelto tra uno dei seguenti: cemento, magnesite, solfato di alluminio.
6. 6. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta predeterminata temperatura à ̈ compresa tra 40 e 100°C e viene mantenuta per un predeterminato intervallo di tempo compreso tra 2 e 8 ore.
7. 7. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui prima dell’essiccazione sono previsti una lavatura dei cladodi e un taglio dei cladodi in pezzetti; ed in cui dopo la macinazione dei cladodi essiccati il materiale isolante in forma di granuli viene vagliato per dividere eventuale polvere dai granuli.
8. 8. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta pianta appartenente alla famiglia delle cactacee à ̈ del genere Opuntia, preferibilmente del tipo Opuntia Ficus Indica.
9. 9. Materiale isolante in granuli, ottenibile mediante un processo secondo la rivendicazione 1, avente una conducibilità termica media inferiore a 0,060 W/mK e peso specifico di 200-300 kg/m<3>.
10. 10. Pannello isolante, ottenibile mediante un processo secondo la rivendicazione 4, avente una conducibilità termica media inferiore a 0,080 W/mK e peso specifico di 400-500 kg/m<3>.