ITTV20080085A1 - Struttura in materiale ceramico e relativo procedimento di realizzazione - Google Patents
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Description
“STRUTTURA IN MATERIALE CERAMICO E RELATIVO PROCEDIMENTO DI REALIZZAZIONE”
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad una struttura in materiale ceramico, particolarmente adatta per la realizzazione di utensili di cottura, piani di cottura e/o piastre di cottura.
In un suo ulteriore aspetto, la presente invenzione si riferisce ad un procedimento per la realizzazione industriale di detta struttura in materiale ceramico.
E’ ampiamente noto l’utilizzo di materiali ceramici per la realizzazione di utensili di cottura, quali ad esempio pentole, pirofile, teglie, piatti, e simili.
I materiali ceramici conferiscono agli utensili di cottura notevoli vantaggi, soprattutto in termini d’uniformità di trasmissione del calore di cottura, resistenza alla corrosione, resistenza a temperature elevate, flessibilità d’utilizzo e piacevolezza estetica.
Alcuni inconvenienti derivano però dal fatto che i materiali ceramici comunemente utilizzati presentano, in genere, coefficienti di dilatazione termica non trascurabili, tipicamente uguali o superiori a 20 μm per una variazione di temperatura di 280°C, e regioni di disomogeneità reticolare caratterizzate da diversi coefficienti di dilatazione termica.
Tali elevati e non omogeneamente distribuiti coefficienti di dilatazione termica possono determinare l’insorgenza di difetti nel reticolo cristallino della struttura in materiale ceramico, soprattutto nel caso in cui quest’ultima sia sottoposta a cicli di riscaldamento/raffreddamento ripetuti e/o molto repentini, come sovente accade in pratica.
I menzionati difetti reticolari possono provocare l’insorgenza di micro-cricche o, addirittura, degenerare repentinamente in screpolature e/o fratture della struttura in materiale ceramico. Per superare inconvenienti di carattere analogo, ulteriormente accentuati da elevati gradienti termici a livello locale, nella realizzazione di piani di cottura e piastre di cottura, si utilizzano invece materiali vetro-ceramici, caratterizzati da coefficienti di dilatazione termica relativamente bassi.
Tali materiali si caratterizzano purtroppo per costi relativamente elevati e risultano difficilmente lavorabili a livello industriale. Per assicurare buone prestazioni in termini di resistenza al calore, con tali materiali è in pratica possibile realizzare solo strutture sostanzialmente piatte e di spessore costante, fino a pochi millimetri.
Compito principale della presente invenzione è quello di fornire una struttura in materiale ceramico, particolarmente adatta per la realizzazione di utensili per la cottura di cibi, piastre di cottura e/o piani di cottura, e simili, che consenta di superare gli inconvenienti citati precedentemente.
All’interno di questo compito, uno degli scopi della presente invenzione è quello di fornire una struttura in materiale ceramico che presenti una notevole robustezza strutturale.
Un ulteriore compito della presente invenzione è quello di fornire una struttura in materiale ceramico che sia in grado di sopportare agevolmente ripetuti e repentini cicli di riscaldamento/raffreddamento, anche con notevole gradiente termico.
Un ulteriore compito della presente invenzione è quello di fornire una struttura in materiale ceramico che sia di relativamente semplice realizzazione industriale, a costi relativamente contenuti ed economicamente competitivi.
Questo compito e questi scopi, nonché altri scopi che appariranno evidenti dalla successiva descrizione e dai disegni allegati, sono realizzati, secondo l’invenzione, da una struttura in materiale ceramico e da un relativo procedimento di realizzazione, rispettivamente secondo le rivendicazioni 1 e 10, nel seguito enunciate.
La struttura in materiale ceramico, secondo l’invenzione, è realizzata almeno parzialmente con un materiale comprendente una quantità efficace di nesosilicati di Li-Al.
Grazie all’utilizzo di nesosilicati di Li-Al, la struttura in materiale ceramico, secondo l’invenzione, presenta una dilatazione termica complessiva sostanzialmente nulla, o negativa, ed una notevole omogeneità reticolare.
Ciò le consente di sopportare agevolmente sbalzi termici anche se ripetuti, repentini e/o con gradiente termico elevato, senza che si manifestino difetti strutturali o reticolari.
Come vedremo meglio in seguito, la struttura in materiale ceramico, secondo l’invenzione, può essere realizzata con facilità a livello industriale, anche per produzioni di massa.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della struttura in materiale ceramico, secondo l’invenzione, potranno essere meglio percepite facendo riferimento alla descrizione data di seguito ed alle allegate figure, fornite a scopo puramente illustrativo e non limitativo, in cui:
- la figura 1 rappresenta schematicamente una vista in sezione di una struttura, in materiale ceramico, secondo l’invenzione; e
- la figura 2 rappresenta schematicamente una vista in sezione di un utensile di cottura, comprendente una struttura in materiale ceramico, secondo l’invenzione; e
- la figura 3 rappresenta schematicamente una vista dall’alto di un piano di cottura comprendente una struttura, in materiale ceramico, secondo l’invenzione; e
- la figura 4 rappresenta schematicamente una vista in sezione di una piastra di cottura e di una calotta di cottura comprendenti ciascuna una struttura, in materiale ceramico, secondo l’invenzione; e
- la figura 5 rappresenta uno schema a blocchi relativo ad un procedimento di fabbricazione della struttura in materiale ceramico, secondo l’invenzione.
Con riferimento alle citate figure, la presente invenzione si riferisce ad una struttura in materiale ceramico 100, la quale comprende preferibilmente almeno una superficie 101 atta ad essere esposta, direttamente o indirettamente, ad una fonte di calore 102.
La struttura 100 si caratterizza per il fatto di comprendere almeno uno strato 110 comprendente una quantità efficace di nesosilicati di Li-Al (figura 1).
L’utilizzo di nesosilicati di Li-Al permette di ottenere, per la struttura 100, coefficienti di dilatazione termica prossimi allo zero o negativi, per un ampio range di temperature. Tipicamente si hanno coefficienti di dilatazione termica costantemente inferiori a 10 μm o negativi per una variazione di temperatura di 500°C.
Inoltre, l’intrinseca struttura atomica dei nesosilicati di Li-Al, formata da romboedri comprendenti atomi di Al, consente di ottenere, per la struttura 100, un reticolo cristallino particolarmente robusto ed omogeneo.
Da quanto sopra si evince come, rispetto all’arte nota, l’utilizzo dei nesosilicati di Li-Al ha il sorprendente effetto di conferire alla struttura 100 un’elevata resistenza a ripetuti e repentini cicli termici di riscaldamento/raffreddamento, anche con gradienti termici molto elevati, oltre i 500°C, evitando l’insorgenza di fenomeni di “cracking”.
La struttura ceramica 100 costituisce preferibilmente un corpo monolitico e sostanzialmente piastriforme, anche se essa può essere realizzata con forma qualsiasi, secondo le esigenze. La struttura 100 comprende preferibilmente una prima superficie di scambio termico 101, atta ad essere esposta, direttamente o indirettamente, ad una fonte di calore 102, ed una seconda superficie di scambio termico 103, atta a cedere calore 104 all’ambiente circostante.
In corrispondenza delle superfici 101 e/o 103 la struttura 100 può comprendere uno o più strati di smalto 111 o di altri materiali (figura 1), i quali, a loro volta possono comprendere nesosilicati di Li-Al.
La struttura 100 potrebbe inoltre comprendere più strati 110 comprendenti ciascuno una quantità efficace di nesosilicati di Li-Al. Ciascuno dei suddetti strati potrebbe essere ricoperto da strati di smalto o altri materiali.
I vantaggi sopra descritti a proposito della struttura in materiale ceramico 100, anche se in misura più limitata, si riscontrano anche nel caso in cui lo strato comprendente una quantità efficace di nesosilicati di Li-Al costituisca semplicemente uno strato di copertura della struttura in materiale ceramico, secondo l’invenzione.
Secondo tale forma realizzativa alternativa, non illustrata, lo strato comprendente una quantità efficace di nesosilicati di Li-Al potrebbe essere rappresentato semplicemente da uno strato di smalto che ricopre un generico substrato in materiale ceramico.
La struttura in materiale ceramico 100 risulta particolarmente adatta per la realizzazione di utensili di cottura, quali ad esempio teglie, pentole, pirofile, piatti e simili.
Come illustrato in figura 2, essa può essere utilizzata (riferimento 100A) come fondo di un utensile di cottura 200, ad esempio una teglia, ed esposta direttamente su una fonte di calore 102, ad esempio la fiamma viva di un fornello a gas o il piano di cottura di una stufa o di un forno. Le pareti laterali dell’utensile 200 possono essere realizzati in ceramica o altro materiale.
In alternativa, la struttura in materiale ceramico 100A può essere foggiata in modo da costituire integralmente la struttura dell’utensile 200.
In figura 3 è illustrato l’utilizzo di una struttura in materiale ceramico, secondo l’invenzione, (riferimento 100B) come piano di cottura 300. A tal fine, la struttura 100B può essere montata su un telaio 301, superiormente ad una o più fonti calore 102, le quali possono comprendere, ad esempio, bobine di riscaldamento di tipo resistivo o induttivo, lampade alogene o fornelli a gas.
In alternativa, la piastra 100 può fungere da piano di cottura per fornelli a gas di tipo tradizionale oppure per stufe, forni o caminetti.
In figura 4 s’illustra l’utilizzo di una struttura in materiale ceramico, secondo l’invenzione, (riferimento 100C) come piastra di cottura 400, utilizzabile ad esempio in contatto diretto con una fonte di calore 102, ad esempio la piastra di una stufa o fiamma viva.
La piastra di cottura 400 può essere utilizzata in associazione con una calotta 401, anch’essa costituita da una struttura in materiale ceramico 100D, secondo l’invenzione.
La calotta 401 può essere appoggiata sulla piastra 400 in modo da formare, in cooperazione con quest’ultima, una cavità di cottura 106, nella quale il calore di cottura 104 è irradiato in modo uniforme.
La struttura in materiale ceramico 100 può essere vantaggiosamente realizzata con il procedimento industriale 10, descritto nel seguito.
La peculiarità di tale procedimento consiste nel fatto di comprendere almeno una prima fase 11 di preparare un impasto ceramico che comprende una quantità efficace di nesosilicati di Li-Al.
Il suddetto impasto ceramico è vantaggiosamente ottenuto mescolando acqua, nella percentuale in peso variabile tra il 20-30%, ed un insieme di sostanze comprendente almeno un minerale comprendente nesosilicati di Li-Al. Tale minerale può, ad esempio, essere un minerale noto col nome commerciale di “pegmatite”.
Preferibilmente, in tale insieme di sostanze da mescolarsi con acqua, la percentuale in peso del suddetto minerale varia tra il 50-60%. Si è verificato che una percentuale in peso tra il 52-56% risulta particolarmente efficace per conferire ottimali proprietà di stabilità termica all’impasto ceramico così ottenuto.
Il suddetto insieme di sostanze da mescolarsi con acqua comprende vantaggiosamente argilla e caolino, secondo percentuali in peso preferibilmente variabili intorno al 20-25% per ciascuna di tali sostanze. L’utilizzo di argilla e caolino permette di fornire all’impasto la plasticità necessaria per l’effettuazione delle successive fasi di lavorazione.
Inoltre, vantaggiosamente, sono utilizzate sostanze fondenti (ad esempio nefeline, albite, ortoclasio, borace, feldspati, calcare, dolomite) per diminuire la refrattarietà dell’impasto e permettere una migliore cementazione dei componenti.
Preferibilmente, sono utilizzate anche sostanze dimagranti per modulare opportunamente la plasticità dell’impasto stesso. Tali dimagranti possono comprendere chamotte o silice, come nelle comuni ceramiche, o, preferibilmente, mullite, al fine di esaltare ulteriormente la descritta azione stabilizzatrice (dal punto di vista termico) dei nesosilicati di Li-Al.
Nell’impasto ceramico può essere utilizzato anche silicato di sodio o, meglio, poliacrilati, preferibilmente con una percentuale in peso intorno a 1%.
Il suddetto impasto ceramico è preferibilmente lavorato fino a raggiungere una viscosità opportuna, ad esempio intorno ai 240 mm2/s a 40°C.
Dopo la preparazione dell’impasto ceramico, il procedimento 10 comprende preferibilmente alcune successive fasi 12-14, tipiche della preparazione di componenti ceramici.
Il procedimento 10 comprende, quindi, vantaggiosamente una seconda fase 12 di foggiare la struttura in materiale ceramico 100, utilizzando l’impasto ceramico preparato nella prima fase 11.
In pratica, in tale fase 12, il suddetto impasto ceramico è vantaggiosamente colato in uno stampo in gesso, atto a conferire la forma desiderata alla struttura 100.
L’impasto ceramico è tenuto all’interno dello stampo per alcune ore fino ad ottenerne l’inspessimento e la solidificazione.
Dopo esser stato tolto dallo stampo, l’impasto ceramico solidificato viene tolto dallo stampo e sottoposto ad asciugatura, per alcuni giorni, e successiva soffiatura/lappatura.
Il procedimento 10 comprende quindi una terza fase 13 di trattare termicamente la struttura ceramica così ottenuta. A tal fine, possono essere utilizzati uno o più cicli di essicazione e/o cottura a temperature che variano tra i 1100 ed i 1300 °C.
Preferibilmente, prima della fase 13 di trattamento termico, il procedimento 10 può comprendere anche una fase 14 di verniciare a smalto la struttura 100.
I preparati per smalto, utilizzabili nella fase 14, comprendono preferibilmente una o più delle sostanze scelte tra: acqua, argilla, caolino, talco, quarzo, silicato di calcio, sostanze fondenti (ad esempio nefeline, albite, ortoclasio, borace, feldspati, calcare, dolomite), sostanze ossidanti (ad esempio zinco, zirconio, bario, calcio, stagno, sodio, potassio, magnesio) e/o sostanze collanti (ad esempio cellulosa).
I suddetti preparati per smalto possono anche comprendere una quantità efficace di nesosilicati di Li-Al.
Utilizzando il procedimento 10, secondo la presente invenzione, è stata realizzata una struttura in materiale ceramico 100, di tipo monolitico, secondo la forma relaizzativa illustrata in figura 1.
Nell’impasto ceramico, utilizzato nella prima fase di preparazione 11 dell’impasto ceramico, si è vantaggiosamente utilizzata una percentuale in peso di acqua del 24% mescolata ad un insieme di sostanze solide. Tale insieme comprende argilla (percentuale in peso del 22%), caolino (22%), poliacrilato (1%), pegmatite (53%), chamotte e, in alternativa mullite.
Nella successiva fase di foggiatura, l’impasto è stato mantenuto in uno stampo di gesso per circa 4h, in modo da conferire alla struttura 100 la forma desiderata.
La struttura 100, così ottenuta, è stata successivamente sottoposta ad asciugatura per circa 2 gg, (temperatura ambiente media di 24 °C).
Dopo la fase 12 di foggiatura, la struttura 100 è stata esternamente verniciata con uno smalto comprendente le seguenti sostanze: argilla, quarzo, feldspato sodico, ossido di zinco, silicato di zirconio, borace, silicato di calcio e caolino.
Dopo la verniciatura, la struttura 100 è stata quindi sottoposta a cottura, ad una temperatura di 1240°C per circa 12 ore.
Test di laboratorio effettuati sulla struttura in materiale ceramico, secondo l’invenzione, così ottenuta hanno mostrato che essa è in grado di sopportare, senza fenomeni di cracking, centinaia di cicli termici di riscaldamento/raffreddamento, della durata di pochi secondi, con gradienti termici di oltre 500 °C.
Si è verificato nella pratica come la struttura in materiale ceramico 100, ed il relativo procedimento di realizzazione industriale, secondo la presente invenzione, permettano di risolvere i problemi dell’arte nota e presentano numerosi vantaggi rispetto ad essa.
In particolare, si è verificato che l’utilizzo di nesosilicati di Li-Al consente di ridurre in modo drastico la possibilità di fratture e/o screpolature, durante ripetuti cicli di riscaldamento/raffreddamento.
La struttura in materiale ceramico, secondo l’invenzione, presenta quindi notevoli doti di resistenza a sbalzi termici, anche di notevole entità, ad esempio oltre i 500°C.
Nel contempo, l’utilizzo di materiale ceramico assicura ottimali prestazioni in termini di uniformità d’emissione termica, notevoli proprietà antigraffio ed antiaderenza, rendimento energetico.
La struttura in materiale ceramico, secondo l’invenzione, può essere facilmente lavorata e/o decorata durante le suddette fasi di foggiatura o verniciatura o successivamente. In tal modo essa può assumere forme e colori particolarmente gradevoli per l’utente. Ad esempio, nel suo utilizzo come piano di cottura, essa può essere colorata o realizzata con forme e spessori personalizzati, in modo da diventare un vero e proprio complemento d’arredo, in grado di rendere più gradevole esteticamente l’ambiente in cui essa si colloca.
Come si è visto, la struttura in materiale ceramico, secondo l’invenzione, può essere realizzata con facilità a livello industriale, anche per produzioni di massa. A tal fine, possono essere utilizzati utensili e macchinari comunemente disponibili sul mercato.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Struttura in materiale ceramico (100, 100A, 100B, 100C, 100D) caratterizzata dal fatto di comprendere almeno uno strato (110) di materiale comprendente una quantità efficace di nesosilicati di Li-Al.
- 2. Struttura in materiale ceramico, secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere uno o più strati di smalto (111), almeno uno di detti strati di smalto comprendendo una quantità efficace di nesosilicati di Li-Al.
- 3. Struttura in materiale ceramico, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di costituire un corpo monolitico piastriforme.
- 4. Struttura in materiale ceramico, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere una prima superficie (101) di scambio termico, atta ad essere esposta direttamente o indirettamente ad una fonte di calore (102) e una seconda superficie di scambio termico (103), atta a cedere calore all’ambiente circostante.
- 5. Struttura in materiale ceramico, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto detto strato di materiale comprendente una quantità efficace di nesosilicati di Li-Al costituisce uno strato di base e/o uno strato interno e/o un substrato e/o uno strato di copertura di detta struttura in materiale ceramico.
- 6. Utensile di cottura (200) caratterizzato dal fatto di comprendere una struttura in materiale ceramico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.
- 7. Piano di cottura (300) caratterizzato dal fatto di comprendere una struttura in materiale ceramico, secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 5.
- 8. Piastra di cottura (400) caratterizzata dal fatto di comprendere una struttura in materiale ceramico, secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 5.
- 9. Calotta di cottura (401) caratterizzata dal fatto di comprendere una struttura in materiale ceramico, secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 5.
- 10. Procedimento (10) per la realizzazione di una struttura in materiale ceramico caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una prima fase (11) di preparare un impasto ceramico comprendente una quantità efficace di minerale contenente nesosilicati di Li-Al.
- 11. Procedimento, secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto di comprendere una seconda fase (12) di foggiatura a stampo di almeno uno strato di detta struttura ceramica, utilizzando l’impasto ceramico preparato in detta prima fase.
- 12. Procedimento, secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto di comprendere una terza fase (13) di trattamento termico dello strato foggiato a stampo in detta seconda fase.
- 13. Procedimento, secondo una o più delle rivendicazioni da 10 a 12, caratterizzato dal fatto che detto impasto ceramico è realizzato mescolando acqua ed un insieme di sostanze comprendente almeno un minerale comprendente nesosilicati di Li-Al ed una o più delle sostanze scelte tra: argilla, caolino, silicati di sodio, poliacrilati, feldspati, sostanze fondenti e/o sostanze dimagranti.
- 14. Procedimento, secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detto insieme di sostanze comprende una percentuale in peso all’incirca tra il 40% e il 60% di detto minerale contenente nesosilicati di Li-Al.
- 15. Procedimento, secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che detto insieme di sostanze comprende una percentuale in peso all’incirca tra il 52% e il 56% di detto minerale contenente nesosilicati di Li-Al.
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