ITUD20070090A1 - "materiale per isolamento termico e acustico" - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE del brevetto per invenzione
Avente per titolo:
MATERIALE PER ISOLAMENTO TERMICO E ACUSTICO
DESCRIZIONE
Oggetto
La presente invenzione si riferisce a un materiale per isolamento termo-acustico, le cui caratteristiche sono conformi alla parte precaratterizzante della rivendicazione principale.
Il procedimento per la realizzazione del detto materiale forma pure oggetto della presente invenzione.
li manufatto contenente detto materiale forma pure oggetto della presente invenzione Settore di applicazione
Il settore di applicazione è sostanzialmente diretto all'isolamento termo-acustico con caratteristiche anticombustione o antifiamma, particolarmente seppur non esclusivamente sotto forma di pannelli.
Ad esempio non limitativo, un settore di particolare interesse è il settore navale, potendo comunque essere qualsiasi altro come l'edilizio, ecc.
Stato della tecnica
Allo stato attuale della tecnica sono ben noti i materiali per isolamento termoacustico, essi si dividono principalmente in due categorie:
1. Materiali fibrosi
2. Materiali spugnosi
Sia i primi che i secondi possono essere divisi per il materiale di base come segue: 1.- Materiali fibrosi:
1.1. - materiale naturale vegetale o animale oppure misto, per esempio fibre di cotone, di canapa, ecc., lana, seta, ecc.,
1.2. - materiale sintetico fra cui primeggiano le resine poliammidiche, ad esempio Nylon, ecc., resine poliuretaniche, gomma-spugna, ecc.,
1.3. - materiale minerale come ad esempio fibra o lana di roccia, fibra o lana di vetro, fibra o lana di carbonio, ecc.
Tutti questi sono forniti in forma sciolta o in forma di tessuto o in forma di pannelli in cui la fibra è legata con materiali leganti rigidi (pannelli rigidi) o flessibili (pannelli flessibili).
2.- Materiali spugnosi
2.1.- materiale naturale vegetale o animale come ad esempio derivati da piante spugnose come ad esempio il sughero derivato dal prelievo della corteccia della pianta omonima, le spugne di mare, ecc.,
2.2. - materiali sintetici che possono essere a cellule aperte (ossia traspiranti), come ad esempio la gomma espansa, o a cellule chiuse come ad esempio il polistirolo espanso, il poliuretano espanso, ecc. Il poliuretano espanso potendo essere di tipo rigido o flessibile a seconda della additivazione. Questo materiale potendo essere sia in forma di granuli o pellet sfusi utilizzati ad esempio per isolamento o imballaggio sia sotto forma di pannelli o manufatti per l'uso più vario come il precedente, ma anche forniti sotto forma di pannelli isolanti, 2.3. - materiali minerali espansi come ad esempio argilla espansa, a vermiculite ecc. che sono generalmente sotto forma di granuli espansi sfusi oppure conglomerati, ossia legati fra di loro in modo più o meno poroso o compatto per formare pannelli e manufatti e generalmente utilizzati per strutture edilizie leggere.
2.4. - materiali minerali a fibre tessute e/o non tessute, fra i quali i più noti ed utilizzati sono la lana di vetro e la lana di roccia, i quali hanno il vantaggio di essere incombustibili, quindi resistenti alla temperatura, di essere leggeri, ma hanno anche lo svantaggio di avere una elevata traspirabilità e quindi sono poco isolanti se comparati ad esempio ai pannelli di polistirolo espanso o poliuretano espanso.
Problemi ed inconvenienti dello stato della tecnica
I problemi ed inconvenienti dello stato della tecnica si identificano sostanzialmente nel fatto che:
a) i materiali vegetali hanno il vantaggio della biodegradabilità ma non hanno resistenza al calore ad esempio alla combustione e sono generalmente combustibili e leggeri, ossia presentano un basso peso specifico;
b) i materiali plastici generalmente non sono biodegradabili, non hanno resistenza al calore, sono generalmente combustibili, solo certuni carbonizzano come ad esempio i termoindurenti; sono leggeri e presentano un basso peso specifico;
c) i materiali minerali resistono alla temperatura, non sono combustibili, ma sono generalmente più pesanti rispetto ai precedenti; la conducibilità termoacustica è leggermente maggiore dei precedenti.
Compito dell’invenzione
Il compito dell’invenzione è quello di realizzare un nuovo tipo di materiale che presenti in modo equilibrato le caratteristiche più vantaggiose dei detti materiali di origine vegetale e/o animale, dei materiali di origine plastica e dei materiali di origine minerale, ma senza gli inconvenienti e difetti che presentano i singoli stessi.
In altri termini il compito dell'invenzione è quello di fornire un materiale:
- leggero,
termoisolante, e
resistente alla temperatura, ossia resistente alla fiamma e quindi incombustibile.
Un materiale di tale tipo risulterebbe grandemente vantaggioso per una molteplicità di applicazioni, particolarmente nelle strutture edilizie e delle costruzioni ad esempio navali.
Soluzione del problema e individuazione delle caratteristiche inventive
Il problema viene risolto con le caratteristiche della rivendicazione principale sia di materiale che di processo.
Le sottorivendicazioni rappresentano soluzioni preferenziali vantaggiose che forniscono migliore qualità.
Caratteristiche e vantaggi
In questo modo si ha il vantaggio di:
migliorare la funzionalità e le prestazioni;
aumentare la qualità pur mantenendo il costo a livelli contenuti.
Con la presente invenzione si realizza quindi una variante ai noti pannelli o materassini di fibra di lana di roccia, passando secondo la presente invenzione ad una leggera diminuzione della densità tramite la realizzazione di struttura cellulare.
Descrizione della soluzione preferenziale
Per una migliore comprensione il trovato viene descritto in soluzione preferenziale con l’ausilio delle figure annesse, ove:
- Fig. 1.- rappresenta una vista schematica ingrandita della struttura del nuovo materiale.
- Fig. 2.- rappresenta la vista in sezione di un pannello formato con II nuovo materiale in cui si vede chiaramente la struttura cellulare espansa ottenuta dalla spugna di fibra secondo la presente invenzione.
- Fig. 3.- rappresenta pannello realizzato a doppio materiale: granulare a base di aerogel di silice (fonoassorbente e termoassorbente) e fibroso di cui alla base della presente invenzione (termoisolante e fonoassorbente).
Processo di realizzazione:
a) si parte da un materiale inorganico in forma di fibra come ad esempio lana di roccia o altro equivalente ad esempio a base di Si02, a forma di fibre in fiocco;
b) alla stessa si può aggiungere preferibilmente un materiale inorganico espanso come ad esempio l'argilla espansa o equivalente come ad esempio minerale espanso granulare o vermiculite nella quantità max del 20%;
c) le fibre minerali in fiocco vengono mescolate mediante uno sbattitore a fruste mantenendo la lunghezza delle fibre >5micron e comunque un rapporto lunghezza/sezione >3;
d) nella fase di mescolamento vengono aggiunte sostanze disperdenti per evitare l’agglomerazione delle fibre durante la frantumazione, come ad esempio disperdenti commerciali noti come Reotan, Dolapix, Zusoplast, Peg;
e) si aggiunge un emulsionante-schiumante organico come ad esempio albumina;
f) si effettua un trattamento di emulsionamento mediante frustatura al fine di ottenere una schiuma. In questa fase viene aggiunta anche della silice colloidale in percentuale fino al 30% in peso della barbottina, come legante delle fibre;
g) si versa la schiuma o barbottina cosi ottenuta in uno stampo;
h) si effettua un primo trattamento termico a bassa temperatura per il consolidamento del prodotto e il mantenimento della strutturazione a schiuma mediante assoggettamento ad una temperatura tale da non interferire nel materiale organico ma tale da togliere la maggior parte dell'acqua, quindi ad una temperatura preferibilmente compresa fra 80-100°C per ca. 12 ore, detto trattamento avendo funzione sia di schiumatura o coadiuvante di schiumatura che di consolidamento della stessa;
i) il materiale così trattato viene assoggettato ad un secondo trattamento termico ad alta temperatura, quindi a temperatura maggiormente elevata tra 500°C e i 600°C per 60-120 minuti per eliminare le componenti organiche del materiale e II prodotto così ottenuto e raffreddato viene utilizzato per successivi impieghi o successive lavorazioni di completamento del prodotto, taglio, incollaggio ad altri pannelli ecc.
La struttura ottenuta dalla miscelazione di silicati e agenti schiumanti è porosa con bassa densità e leggerezza del pannello.
La bassa densità ottenuta di 150-210 Kg/cmc unita alla bassa conduttività termica pari a W/m.k 0,033-0,045 e alla totale incombustibilità rendono il materiale particolarmente adatto per gli impieghi di isolamento nelle costruzioni navali.
L’elevata area superficiale propria della struttura a celle, determina una buona prestazione del materiale come isolante termico ed acustico.
Il materiale stesso ha anche una ottima resistenza alla fusione.
Grazie al pre-trattamento termico, secondo la presente invenzione, che permette non solo il mantenimento dell’espansione ma anche la stabilizzazione dei materiali conglomeranti, viene assicurata una temperatura di esercizio che può variare da -50 a 800°C.
Il materiale ottenuto presenta quindi anche una buona stabilità termica.
In base agli elementi di composizione, dopo trattamento termico il materiale risulta quindi anche resistente alla aggressione chimica ed in particolare agli acidi.
Il materiale dopo formato ha una buona elasticità e sufficiente compressibilità non essendo completamente rigido.
La lavorabilità è risultata ottima.
Secondo l'invenzione una realizzazione di pannello a basso spessore pari a ca. 15-20 mm accoppiato con la lamiera preverniciata o prerivestita in PVC fornisce un pannello adatto per la realizzazione di paratie navali decorative di classe B0, B15.
I pannelli in spessori maggiori pari a circa 40-50mm possono realizzare pareti/paratie di classe A60.
II materiale ovviamente può essere anche usato in pannelli non pre-rivestiti come materiale coibente termoacustico.
Il pannello accoppiato con tessuto minerale di protezione, può essere usato nelle zone di servizio.
Un esempio di produzione della soluzione con rivestimento del pannello con tessuto, risulta il seguente:
a) miscelazione/impasto del materiale in soluzione acquosa,
b) stesura dell’impasto su vassoi metallici in carosello,
c) permanenza in forno essiccatoio pluripiano per eliminazione acqua e formazione del pannello spugnoso con permanenza per 25mm di spessore per ca. 10 ore o per 80mm di spessore per 12 ore,
d) sezionatura a misura dei pannelli formati (ad esempio utilizzando sega a nastro per più pannelli a pacco oppure utilizzando squadratoci anche con sega a disco),
e) trattamento ad alta temperatura a 500 °C per 120 minuti in aria,
f) incollaggio del rivestimento esterno come ad esempio tessuto, o lamiera o altro strato di finitura. Quest'ultima fase potendo anche essere operata prima della precedente.
Il pannello incollato su lamiera di acciaio o realizzato a pacco, ossia a sandwich fra due lamiere di acciaio è particolarmente utile per paratie navali antifiamma. In tal caso esso ha una resistenza al fuoco di classe BO o B15 con abbattimento acustico pari a Rw42 sBISO140/3, 717/1 a pannello doppio.
La risultanza è anche una ottima resistenza all'acqua.
Ulteriori soluzioni
I risultati delle prove hanno evidenziato che la realizzazione di pannelli termo e fono assorbenti mediante un processo innovativo basato sull'emulsione di fibre artificiali biocompatibili presenta i seguenti vantaggi:
Offre una valida alternativa in sostituzione della soluzione attuale basata sull'impiego della lana di roccia. Riprendendo la classificazione di rischio per la salute abbiamo
o Fibre amianto → Cancerogene
o Tutte le fibre refrattarie artificiali con un contenuto di ossidi alcalini o alcalino terrosi < 18 wt.% come appartenenti al gruppo 2 della classificazione dei materiali cancerogeni con grado R49 (“Può causare cancro se inalata”) e le direttive suggeriscono la rimozione di tali fibre. In questa categoria rientrano le lane di roccia con basso contenuto di ossidi alcalino-alcalino terrosi.
o La lana di roccia con tenore di ossidi alcalino o alcalino terrosi >18 wt % e che soddisfano i parametri di biosolubilità DE 97/69/CE (nota Q) non rientrano nella categoria delle sostanze cancerogene e mantengono solo la dicitura R38 (sostanze urticanti). A questa categoria appartengono le lane di roccia prodotte dalla Rockwool e dalla Tervol.
o Fibre artificiali a base ossido di silicio con tenore di ossidi alcalino o alcalino terrosi > 18 wt % vengono definite fibre ecologiche biosolubili non cancerogene. A questa categoria appartiene la fibra Insulfrax che è stata utilizzata per le ricerche svolte.
La materia prima della lana di roccia è basalto naturale la cui composizione chimica può variare dalla zona di provenienza e lungo la stessa vena. La lana di roccia è pertanto sotto continua osservazione da parte degli organi preposti.
La struttura cellulare del pannello offre un migliore effetto di smorzamento dei suoni soprattutto per le basse frequenze, indicando una migliore attenuazione della struttura cellulare rispetto al materassino di lana roccia convenzionale.
Il pannello finale è costituito di materiale non combustibile (fibra a base silice e silice colloidale), in quanto il trattamento termico finale (500°C) elimina totalmente i composti organici. La fibra minerale silicea e la silice colloidale hanno conducibilità termica ≤ alla conducibilità termica del basalto. La densità del materiale è < alla densità del materassino di roccia, oggi impiegato. Pertanto si può ragionevolmente assumere che le proprietà di protezione al fuoco siano migliori o al più uguali al materassino di lana di roccia.
Essiccamento a bassa temperatura e successivo trattamento di eliminazione delle componenti organiche emulsionanti (albumina) sono aspetti di indubbio vantaggio. - Impiego di materiali a basso costo (in particolar modo albumina, silice colloidale e fibre artificiali, vermiculite) per ridurre il costo di produzione del pannello stesso, è pure aspetto tecnologico possibile.
Al fine di alleggerire in maniera sostanziale il peso del materiale coibente. Una forma di realizzazione vantaggiosa è quella di realizzare il manufatto a doppio strato, ossia uno strato concepito maggiormente per abbattimento del suono ossia fonoassorbente, di natura maggiormente schiumata e/o cellulare ed uno strato concepito con maggiore caratteristica di isolamento termico.
Questa soluzione può permettere di realizzare un pannello più leggero con le stesse caratteristiche di barriera termica B0 e/o B15, con un assorbimento acustico di 43 db.
Infine i materiali di tipo areogelo sono stati identificati come un’ulteriore possibile alternativa per la realizzazione di pannelli. Gli areogeli hanno indubbiamente proprietà di leggerezza e isolamento termico rivoluzionarie (densità 20-150 kg/m<3>), ma non sono ancora conosciute con precisione le proprietà di isolamento acustico nello spettro di frequenze e nelle configurazioni interessate, inoltre mostrano una elevata fragilità e alto costo.
Aggiunta di materiali granulare areogelo colloidale a base di silice
Il materiale prevede anche l'aggiunta di silice colloidale e fibre a base silice, ossia in forma di areogelo o aerogel. I granuli di areogelo vengono impiegati come riempitivo a bassa densità sulla falsariga della vermiculite o argilla espansa, in combinazione con essi o in sostituzione. Formulazioni contenenti rispettivamente 20-30-50 vol.% di granuli di areogelo sono vantaggiose.
I materiali di tipo areogelo di silice sono i materiali con la minore conducibilità che si conoscono (0.011-0.013 W/m-K a 38°C per un materiale con una densità di 100 Kg/m<3>, temperatura massima 800 °C). Inoltre all'interno di materiali areogelo la velocità del suono scende a parità di frequenza a 100 m/sec, quindi un pannello di areogelo privilegia l’assorbimento delle basse frequenze a parità di spessore e densità.
I vantaggi dell’aggiunta di questo materiale sono evidenti.
Ulteriormente un nuovo tipo di pannello di nuova concezione, può essere immaginato come costituito da due parte distinte:
Una struttura appositamente sagomata per l’attenuazione del suono e accordata per le frequenze di interesse.
Una parte di riempimento per l’isolamento termico corrispondente al materiale di cui alla presente invenzione, a densità sensibilmente minore della lana di roccia oggi impiegata, realizzando quindi una struttura fono-assorbente (tipo risonatore di Helmholtz) in materiale ignifugo leggero, come una ceramica tradizionale a bassa densità.
Preparazione dei pannelli
La preparazione del pannello dalle materie prime segue le seguenti fasi:
a) Mescolamento della fibra (lana di roccia o fibre artificiali a base Si02con contenuto di ossidi alcalini o alcalino terrosi in quantità variabili tra il 20 e il 30% in peso della barbottina finale. Il mescolamento avviene in acqua demineralizzata in quantità comprese tra il 40-50 % peso della barbottina finale.
b) Il mescolamento avviene mediante fruste meccaniche (tipo dolciario).
c) Aggiunta nella mescola di albumina in polvere in quantità tra il 4 e il 5% peso della barbottina finale.
d) Aggiunta di zucchero in quantità equivalente all'albumina.
e) Aggiunta di silice colloidale con contenuto in silice del 30% peso colloide. Il quantitativo di silice colloidale determina la densità del pannello finale. Il quantitativo di silice colloidale al 30% può variare tra il 20 e il 30% peso della barbottina finale.
f) Eventuale aggiunta di vermiculite espansa con dimensione media inferiore a 1 mm. Il quantitativo di vermiculite può variare tra 1 e 8% peso della barbottina finale.
g) Mescolamento fino ad ottenere un impasto emulsionato ed omogeneo. Il tempo di mescolamento è in funzione, sia del contenuto di fibra, sia della velocità delle fruste. La specificità dell'invenzione è l’impiego di tecniche di emulsione mediante sbattitori a fruste.
h) Colaggio della barbottina in stampi piani di altezza desiderata (15- 30 mm).
i) Essiccamento delle componenti organiche (zucchero e albumina) in forno alla temperatura di 80 °C per 8-12 ore a seconda dello spessore.
j) Trattamento termico in aria a 500 °C per 120 minuti per eliminare tutte le componenti organiche.
II processo è stato effettuato per lotti, ma può essere realizzato mediante lavorazione in continua.
Nella tabella 1 sono riportate le composizioni e le caratteristiche di tre pannelli tipo realizzati mediante il metodo descritto.
Claims (19)
- RIVENDICAZIONI 1.- Materiale isolante del tipo comportante fibre minerali variamente mischiate fra di loro caratterizzato dal fatto che le dette fibre minerali (1) sono saldate fra di loro nei loro punti di contatto (4) fra di loro mediante termo-fusione e/o termo-plasto-fusione di contatto tramite lo stesso materiale o l’adiacente presenza di altri materiali leganti operanti sostanzialmente di poco inferiore o vicino alla temperatura di incipiente fusione e/o rammollimento del materiale inorganico, ma inferiore alla temperatura di collassamento di detto materiale inorganico in fibra.
- 2.- Materiale isolante secondo la rivendicazione 1., caratterizzato dal fatto che esso comprende internamente in esso spazi vuoti o contenenti gas (2) quindi concretizzandosi sostanzialmente in una struttura mista fibroso-espansa (1-2).
- 3.- Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le saldature fra di loro nei rispettivi punti di contatto comportano la presenza di silice colloidale.
- 4.- Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le saldature fra di loro nei rispettivi punti di contatto comportano la presenza di materiale plastico indurito e/o carbonizzato per assoggettamento a temperature superiori a 600-800 °C.
- 5.- Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che esso comprende granuli sparsi di materiale minerale espanso (3).
- 6.- Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che esso comprende granuli sparsi di materiale minerale siliceo espanso (3).
- 7.- Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che esso comprende granuli sparsi di materiale minerale silico-alluminoso (3).
- 8.- Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che esso comprende granuli sparsi di materiale minerale espanso silico-alluminiomagnesio (3).
- 9.- Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che esso comprende granuli sparsi di materiale minerale espanso calcareo e/o calcici (3).
- 10.- Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le dette fibre minerali hanno una lunghezza >5micron e comunque un rapporto lunghezza/sezione >3.
- 11.- Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere sostanzialmente sfuso in granuli.
- 12.- Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere sostanzialmente preformato in pannelli semirigidi.
- 13.- Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere sostanzialmente preformato in pannelli con almeno una superficie rivestita di uno strato tessuto minerale.
- 14.- Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere sostanzialmente preformato in pannelli con almeno una superficie rivestita di foglio di lamiera metallica.
- 15.- Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere sostanzialmente preformato in pannelli con almeno una superficie rivestita di foglio di lamiera metallica a sua volta rivestita superficialmente.
- 16.- Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere sostanzialmente preformato in pannelli con superfici contrapposte di rivestimento a sandwich.
- 17. Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere areogelo di silice.
- 18. Materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto areogelo di silice è in forma granulare.
- 19. Materiale isolante secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto areogelo di silice è presente % >20% in volume della massa. 20.- Pannello a base di materiale isolante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che esso è del tipo a doppio strato di materiale: - uno strato di materiale fonoassorbente e termoassorbente granulare a base di aerogelo di silice e - uno strato di materiale termoisolante e fonoassorbente fibroso di cui ad una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti. 21.- Procedimento per la realizzazione di materiale isolante termoacustico antifiamma, caratterizzato dal fatto di comprendere per lo meno le seguenti fasi: a) utilizzare un materiale inorganico in forma di fibra a forma di fibre in fiocco; b) assoggettare le fibre minerali in fiocco a macinazione per spezzettatura in acqua; c) prevedere eventuali aggiunte di sostanze disperdenti per evitare l’agglomerazione delle fibre durante la frantumazione; d) aggiungere un emulsionante-schiumante organico; e) effettuare un trattamento di emulsionamento-schiumatura dell’impasto mediante sbattimento e/o battitura; f) assoggettare tale impasto schiumato a un primo trattamento termico a bassa temperatura per il consolidamento del prodotto e mantenimento della strutturazione a schiuma mediante assoggettamento ad una temperatura tale da non interferire nel materiale organico ma tale da consolidare tale schiumatura, sostanzialmente ad una temperatura preferibilmente nell'intorno di 180-200°C; g) assoggettare il materiale ottenuto ad un secondo trattamento termico ad alta temperatura, quindi a temperatura maggiormente elevata non inferiore a 400°C e non superiore a 600°C, preferibilmente nell'intorno di 500°C in modo da eliminare per calcinazione tutte le componenti organiche presenti. 22.- Procedimento per la realizzazione di materiale isolante secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di aggiungere prima della sinterizzazione e/o consolidamento un materiale inorganico espanso come ad esempio l'argilla espansa o equivalente come ad esempio minerale espanso granulare o vermiculite. 23.- Procedimento per la realizzazione di materiale isolante secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che l'aggiunta di detto materiale minerale granulare espanso è nella quantità max del 20%pp.
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