ITPC20000025A1 - Pannello in schiuma magnesiaca e relativo procedimento di produzione. - Google Patents

Description

La presente invenzione propone un pannello in schiuma magnesiaca, che presenta spiccate caratteristiche di leggerezza, resistenza gli agenti chimico-atmosferici e resistenza al fuoco, unite ad una buona resistenza meccanica.

Il pannello, secondo l'invenzione, dotato fra l’altro buone proprietà termoisolanti, si rivela adatto in particolare per la realizzazione di pareti divisorie e/o pareti di cabine in imbarcazioni o simili.

Il pannello viene realizzato a partire da una miscela comprendente ossido di magnesio, naftalensolfonato ed una composizione costituita da acqua, cloruro di magnesio e acido fosforico.

Alla formulazione viene aggiunta poi una percentuale di acqua ossigenata che, combinandosi con gli ioni metallici presenti nella miscela, dà luogo alla formazione di schiuma, permettendo di ottenere un pannello che unisce buone caratteristiche di rigidità e resistenza meccanica ad una notevole leggerezza.

Essendo costituito completamente da materiali inorganici, il pannello presenta eccellenti caratteristiche di resistenza al fuoco, e sopratutto in caso di incendio non sviluppa gas tossici.

Il procedimento per la produzione dei pannelli secondo l'invenzione prevede la stagionatura a vapore, preferibilmente in ambiente di anidride carbonica, riuscendo in tal modo ad accelerare i tempi di consolidamento del materiale aumentando nel contempo la resistenza meccanica.

Come noto, tutti i materiali ed i componenti utilizzati nella costruzione di navi, aerei o simili, sono soggetti a norme estremamente severe, che specificano i requisiti di sicurezza ai quali devono soddisfare questi materiali. In particolare, nel caso dei pannelli utilizzati per realizzare cabine nelle navi e nelle imbarcazioni in genere, il tecnico si trovava a dover risolvere problemi che hanno soluzioni spesso contrastanti.

Da un lato, infatti, le norme, sempre più severe, impongono requisiti minimi di sicurezza quali ad esempio resistenza al †uoco e al calore, resistenza meccanica e durabilità del materiale, e, dall'altra, le specifiche progettuali chiedono pannelli sempre più leggeri, tenaci e resistenti, caratteristiche queste che mal si conciliano con le caratteristiche imposte dalle nuove norme nei maggiori paesi europei.

Fino a pochi anni or sono, i pannelli utilizzati per le cabine delle navi comprendevano una intelaiatura metallica con pannelli di tamponamento in legno o simili, erano pesanti, ponevano notevoli problemi per l'inserimento degli impianti e soprattutto avevano una resistenza al fuoco estremamente scarsa.

Negli anni più recenti sono stati proposti pannelli con struttura a nido d'ape, che però risultano molto costosi da realizzare ed inoltre comportano notevoli difficoltà nella realizzazione di passaggi per i cavi e nell'applicazione di carichi alla parete, dal momento che questo tipo di pannelli non è concepito per resistere a carichi concentrati, ed è quindi necessario prevedere un irrigidimento della zona di applicazione di un carico, ad esempio incollando opportune piastre di rinforzo o simili.

Inoltre anche questo tipo di materiale non presenta caratteristiche di resistenza al fuoco. Per questa ragione nel settore è sentita l'esigenza di disporre di mezzi che consentano di ottenere pannelli leggeri ma nel contempo con buone caratteristiche di resistenza meccanica e, soprattutto, ottime caratteristiche di resistenza al fuoco.

Questo problema viene ora risolto dalla presente invenzione, la quale propone un pannello ed il relativo metodo di produzione, che prevede di miscelare ossido di magnesio, cloruro di magnesio, acqua ed eventualmente acido fosforico, naftalensolfonato, con l’aggiunta di acqua ossigenata quale agente schiumante.

La presente invenzione sarà ora descritta dettagliatamente, a titolo di esempio non limitativo, con riferimento alle allegate figure in cui:

• le figure da 1 a 6 che illustrano altrettante fotografie riprese con il microscopio a scansione elettronica, e che illustrano la struttura del materiale che costituisce un pannello realizzato in conformità con l'invenzione;

• la figura 7 è il grafico di una analisi ai raggi X di vari tipi di pannelli secondo l'invenzione.

Il pannello secondo l'invenzione è sostanzialmente costituito da uno strato di materiale poroso, rigido e leggero, otteriuto mediante schiumatura di un composto avente la formula di base indicate qui di seguito:

Formulazione (1)

3

La formazione della schiuma è dovuta alla reazione dell'acqua ossigenata, catalizzata dagli ioni metallici presenti nella miscela.

Questo strato in materiale poroso e leggero è preferibilmente racchiuso fra· due strati esterni che possono essere costituiti da strati dello stesso materiale non schiumato nel seguito detto "liveilina” (materiale ottenuto miscelando gli stessi componenti sopraindicati senza acqua ossigenata), oppure da altri materiali quali ad esempio fogli in lamiera metallica, eventualmente sagomata, o cemento MDF.

Ad esempio, il pannello potrebbe essere vantaggiosamente realizzato mediante l'unione di due fogli in lamiera opportunamente sagomati e vincolati, così come descritto nella domanda di brevetto italiana N. PC 98A 036, riempiti con la schiuma prodotta come indicato sopra.

Il materiale che costituisce l'anima del pannello così prodotto, risulta resistente al fuoco, ed ha una densità compresa fra 400 e 1000 kg/mc, dipendentemente dal quantitativo di acqua ossigenata utilizzata, sostanza che funge da espandente.

In assenza di acqua ossigenata il volume dei materiale non aumenta e non sì formano prosità: si ottiene così la livelline, con una densità di 1200 kg/mc.

Un ulteriore alleggerimento del materiale che costituisce l'anima del pannello, si può ottenere mediante l'aggiunta di opportuni materiali quali ad esempio segatura o sfere di polistirolo espanso, a scapito però delle caratteristiche di resistenza al fuoco o della sicurezza (il polistirolo, così come altre materie organiche, sviluppa sostanze nocive durante la composizione). Preferibilmente questo alleggerimento potrà essere ottenuto miscelando all'impasto microsfere cave di silice, materiale inorganico e non combustibile.

L'indurimento del materiale è dovuto a due fenomeni paralleli. Da una parte la formazione di un ossicioruro idrato di presumibile composizione 3Mg0.MgCI2.11H20 e dall'altra la carbonatazione dell'idrossido di magnesio residuo o dello stesso ossicioruro idrato.

Il primo fenomeno è un processo che si compie in alcuni giorni a temperatura ambiente. La carbonatazione (per esempio la formazione di carbonato di magnesio MgCOa, materiale duro costituente alcune rocce insieme al carbonato di calcio od ad altri tipi di carbonati) è un processo lento che procede nel corso degli anni. Da quanto detto consegue che la schiuma possiede una resistenza meccanica che tende ad accrescersi nel tempo. L'accelerazione del complessivo processo di indurimento si ottiene andando ad agire su uno dei due fenomeni. Agendo sulla formazione deH'ossicloruro idrato si accelera il consolidamento della schiuma, mentre agendo sulla carbonatazione si accelera l'incremento di resistenza meccanica della schiuma solida.

Per ottenere in tempi brevi il consolidamento del materiale e il raggiungimento di una buona resistenza meccanica, conformemente con l'invenzione si è introdotta, nel procedimento di produzione, una fase di stagionatura a vapore, in ambiente arricchito di anidride carbonica.

Per evitare il rischio di un’evaporazione dell'acqua di miscela necessaria, soprattutto nelle zone corticali, con conseguente abbassamento delle caratteristiche finali, l'invenzione precede di effettuare amento in ambiente saturo di vapor d'acqua (stagionatura a vapore).

Onde evitare che parte dell'acqua presente nell'atmosfera passi nella miscela indurente, con peggioramento delle caratteristiche finali, l'invenzione prevede, nella miscela iniziale, un quantitativo di acqua ridotto rispetto a quello stechiometrico. Si è infatti appurato che l'acqua in forma di vapore un possiede mobilità sufficiente a diffondere nell'Impasto, accelerando la presa e l'indurimento e le sperimentazioni effettuate hanno consentito di accertare che la semplice esposizione per una decina di minuti ad un getto di vapore consente il consolidamento della schiuma. Per abbreviare ulteriormente i tempi di sviluppo delle resistenze meccaniche della schiuma si è invece agito sulla reazione di carbonatazione dei componenti principali, l'idrossido di magnesio e cloruro di magnesio, di cui si riportano qui di seguito due esempi.

Come si evince, la formazione dei carbonati, a cui si deve un contributo alla resistenza, si ottiene per reazione con l'anidride carbonica, gas

naturalmente presente nell'aria. Di conseguenza la velocità di reazione beneficia notevolmente del riscaldamento del materiale in un atmosfera arricchita di C02.

Si è potuto dimostrare che un riscaldamento ad 80°C per un'ora in atmosfera di anidride carbonica ha raddoppiato la resistenza della schiuma a parità di tempo di stagionatura complessiva.

Secondo una ulteriore versione preferita dell’invenzione, si prevede dì utilizzare la seguente formulazione alternativa:

Foirnulazione (2)

L'impasto preparato con tale formulazione indurisce quando viene investito da vapore per 15 minuti e raddoppia la propria resistenza con un trattamento termico ad 80 °C in anidride carbonica. La densità della schiuma solida oscilla tra 250 e 300 Kg/m<3>.

La riduzione dell'acqua di miscela ha anche lo scopo di aumentare la durabilità del materiale rendendolo meno sensibile all'acqua.

La densità della schiuma prevedibilmente può scendere, aumentando il contenuto di espandente fino a 12-14 g, naturalmente a spese della resistenza meccanica a tempi brevi di stagionatura in quanto si introduce maggiore porosità e si riduce la sezione resistente. Il comportamento meccanico potrebbe essere migliorato con l'aggiunta di fibre minerali. Inoltre trattamento a vapore e quello con anidride carbonica possono essere effettuati contemporaneamente.

Il trattamento può essere realizzato investendo l'impasto con vapore ed anidride carbonica per almeno 10-15 min. o facendo in modo che il foglio di impasto attraversi una camera con anidride e vapor d'acqua ad una velocità sufficiente a garantire che esso risenta di quell'atmosfera per almeno 10-15 min.

Fra i diversi tipi di rivestimenti esterni, la livelllna appare più interessante perché, rispettando i requisiti di fonoassorbenza e resistenza al fuoco, consentirebbe di produrre in continuo la schiuma ed introdurre canaline in polipropilene per gli impianti senza la necessità di usare collanti organici. Si è realizzato un primo pannello dello spessore pari circa a 30 mm, consistente in uno strato di schiuma tra due livelline dello stesso materiale non schiumato. Il procedimento per l'ottenimento del prototipo è consistito nella preparazione della schiuma, nella rasatura della stessa fino allo spessore voluto (circa 28 mm), nei posizionamento della schiuma su di uno strato di livellina liquida e velovetro fino ad essiccamento, ripetendo l'operazione dal lato opposto. Le interfacce realizzate tra schiuma e livellina sono sufficientemente resistenti alla maneggiabilità del pannello. In alternativa, secondo un metodo più adatto alla produzione industriale, si prevede di produrre la schiuma su di un foglio di alluminio di circa 1.5 mm di spessore e, dopo rasatura, l’applicazione tramite rullatura di un laminato in fase plastica di cemento MDF di circa.1mm di spessore.

Infatti la resistenza dell'interfaccia (adesione) alluminio-schiuma è più alta di quella iivellina-schiuma.

Analisi morfologiche e strutturali

Sono state fatte delle osservazioni al Microscopio Elettronico a Scansione (SEM) ed analisi diffrattometriche con raggi X (XRD), analizzando schiume prodotte con entrambe le formulazioni. Si sono poi analizzati alcuni campioni per valutare gli effetti della stagionatura a vapore, del trattamento in anidride carbonica e della riduzione dei contenuto di acqua. Le osservazioni al microscopio elettronico dei materiali permettono di osservare la forma delle porosità e l'aspetto dei cristalli, responsabili della resistenza.

Si è innanzitutto rivolta l'attenzione alla schiuma magnesiaca di formulazione (1) preparata pesando e miscelando i vari componenti a temperatura ambiente, (campione A, figure 1 e 2). Nelle successive foto sono riportate nell'ordine le immagini della schiuma con formulazione (1) trattata a vapore (figure 3 e 4, campione B), e della schiume con formulazione (1) e trattamento a vapore e C02 (figure 5 e 6, campione C). Si può notare che il campione (A) ha porosità regolare sferica al cui interno si osserva la formazione di cristalli lamellari.

Le pareti delle porosità sono costituite da polveri di sostanze non reagite intessute con i cristalli lamellari.

Le altre schiume si caratterizzano per una porosità più irregolare ed una crescita ridotta dei cristalli lamellari (intatti se si confrontano le immagini dei materiali ad eguale ingrandimento si può misurare una lunghezza media delle lamelle inferiore). Inoltre nel campione trattato in C02 si possono osservare due tipi di cristalli: uno lamellare analogo a quello presente nei due campioni precedenti ed un altro più propriamente aghiforme, che deve essere attribuito necessariamente ad un prodotto diverso. Le indicazioni fomite dalle osservazioni dirette al microscopio si chiarificano alla luce delie analisi con raggi X.

Il campione A {Figura 7) contiene come composti principali i'ossicloruro di magnesio di formula Mg3(0H)5CIH20 (cristalli lamellari) e l’ossido di magnesio MgO (il reagente non idratato, che nelle foto appare come un ammasso di granuli). E<1 >presente anche l'idrossido di magnesio Mg(OH) 2 anche se in quantità modestissima, mentre non è presente alcuna forma carbonatata. Nei campione di formulazione B trattato a vapore sono presenti principalmente l'idrossido di magnesio e I'ossicloruro di magnesio di formula Mg^OhOsCI H20, quest'ultimo in quantità inferiore a quello presente nella schiuma di cui al campione A.

Sono presenti anche modestissime quantità di- ossido di magnesio e di clorocarbonato idrato di magnesio Mg3(OH) CI C033H20.

Nel campione C trattato in C02 è presente in maniera significativa il clorocarbonato idrato di magnesio (cristalli aghiformi), oltre all'idrossido di magnesio ed all<1 >ossicloruro di magnesio.

Quindi si può affermare che il minor contenuto di acqua delie formulazione C consente la formazione di prodotti di carbonatazione e che in presenza di cloruro di magnesio non sembra essere termodinamicamente favorita la formazione del carbonato di magnesio bensì quella del clorocarbonato. I risultati delle analisi confermano comunque le ipotesi fatte a proposito della stagionatura. I campioni più stagionati contengono frazioni in volume di ossicloruro e clorocarbonato di gran lunga maggiore rispetto ai reagenti tal quale. Inoltre se si paragonano i risultati del campione stagionato in vapore e quello anche in anidride carbonica si può valutare che il volume di clorocarbonato sia maggiore di circa il 30-40% rispetto all'ossicioruro idrato.

Nella Figura 7 è riportata anche l'analisi di una schiuma B’, contenente solo il 40% del quantitativo di acqua della formulazione tradizionale, subito dopo il trattamento a vapore. Si deduce che nonostante l'ossido di magnesio sia il componente principale sono già presenti alcune forme di ossicloruro idrato.

Prove meccaniche

Il modulo elastico delle schiume non può essere determinato con precisione sperimentalmente per l'impossibilità di misurare con esattezza le deformazioni dei provini, in quanto essi sono friabili.

I valori riportati sono valori dedotti dalle curve sperimentali con una certa approssimazione e danno esclusivamente l'ordine di grandezza del valore reale. Solo nel caso della livellina con segatura è stato possibile misurare abbastanza accuratamente il modulo elastico con uno strumento che misura la risonanza. Tutti i campioni sono stati analizzati con prove a compressione (eccetto la livellina con segatura) ed il comportamento meccanico registrato è quello di tipo fragile, come d’altronde ci si aspetta dai materiali ceramici. Comunque sono state riscontrate delle diversità significative.

II campione di schiuma A, che rappresenta il materiale standard di riferimento ha avuto un comportamento perfettamente elastico e fragile, ossia mostra un cedimento netto del campione per un valore medio dello sforzo applicato pari a 0.384 ± 0.023 MPa con un modulo elastico tra 10-20 G-Pa. Altri campioni cedono per un determinato carico, aumentando il quale la resistenza rimane costante fino al cedimento finale (vedi Tab. 1). Si può vedere che passando dai campione numerato 891110.2S al numerato 891110.1S si è ridotta la resistenza del materiale corrispondentemente all'aumento di espandente e conseguentemente alla variazione di porosità complessiva del materiale.

Tabella 1

Esiste una seconda serie di campioni per i quali si registra un primo cedimento, dopo il quale, aumentando il carico, si raggiunge un plateux in cui la resistenza rimane costante fino a collasso del materiale (T abella 2).

Tabella 2

Campioni <J >medio (MPa) E (MPa)

E' stato infine analizzato a flessione il campione di livellina contenente ségatura come carica tenacizzante.

Il diagramma sforzo-deformazione è risultato di tipo pseudo-plastico, con limite di snervamento 14,32 ± 0,11 MPa e sforzo=di frattura pari a 23,35 ± 0,28 Mpa. La misura del modulo elastico ha fornito un valore molto alto pari a 80 GPa. Il valore del modulo elastico della livelllna priva di carica si presuppone molto più alta, infatti la presenza di cariche meno rigide o porosità portano ad un abbassamento del modulo elastico in funzione della loro percentuale in volume.

Altri campioni preparati con le formulazioni A e stagionati quindi in aria a temperatura ambiente sottoposti a carico crescente non si rompono per un valore definito, ma si sbriciolano lentamente.

Non si riesce quindi a definire la resistenza a frattura per questi materiali e nella Tabella 3 che riassume i risultati si fa riferimento allo sforzo per il quale .la schiuma incomincia a cedere. Inoltre si è notato che lo sviluppo delle resistenze rallenta all'aumentare dell'invecchiamento e quindi modifiche sostanziali possono essere registrate solo su tempi lunghi e non di 1 o 2 mesi. I valori misurati di sforzo di cedimento sono quindi molto più bassi, a parità di spandente, rispetto ai campioni stagionati per più di sei mesi circa.

Tabella 3

Campioni (MPa) E (MPa)

I risultati della tabella confermano ancora una volta che l'uso di un maggior quantitativo di espandente riduce le densità e soprattuto le resistenze.

I campioni stagionati in vapore ed anidride carbonica si mantengono più

compatti prima del cedimento finale. All'aumentare del carico mostrano un primo cedimento, dopo il quale, aumentando il carico, mostrano un crescita della resistenza fino al raggiungimento di un valore di plateux, costante fino a collasso del materiale (vedere Tabella 4).

Tabella 4

p 2 2 g g

I risultati in tabella mostrano che il rapido consolidamento dell'impasto conseguente ai trattamento in vapore non comporta un altrettanto rapido sviluppo di resistenze, ed i campioni stagionati in vapore risultano molto meno resistenti di quelli stagionati in aria a parità di tempi di invecchiamento. Il momento iniziale dell'avvio della presa appare critico per l'innesco dei processi chimici di formazione dei composti resistenti. Infatti se il trattamento in anidride carbonica annulla le differenze rispetto ai· campioni stagionati in aria, si dimostra da una parte che il composto a cui vanno imputate maggiormente le resistenze meccaniche è il clorocarbonato idrato di magnesio e dall'altra che i nuclei di cristallizzazione del composto che si accresceranno poi nel tempo possono formarsi più facilmente in un impasto ancora plastico. Queste ipotesi ribadiscono la necessità di effettuare la stagionatura in vapore arricchito di C02.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1) Pannello in particolare per la realizzazione di cabine e compartimenti per imbarcazioni o simili, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno uno strato in ossido di magnesio schiumato.
2. 2) Pannello in particolare per la realizzazione di cabine e compartimenti per imbarcazioni o simili secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno uno strato costituito da una miscela di ossido di magnesio e cloruro di magnesio, schiumati.
3. 3) Pannello in particolare per la realizzazione di cabine e compartimenti per imbarcazioni o simili secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di comprendere uno strato in un materiale avente la seguente composizione:
4. 4) Pannello secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere l’aggiunta di microsfere cave di silice quale materiale di alleggerimento.
5. 5) Pannello secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere l'aggiunta di pofistirene espanso quale materiale di alleggerimento.
6. 6) Pannello secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere l'aggiunta di segatura quale materiale di alleggerimento.
7. 7) Procedimento per la produzione di un pannello secondo ciascuna delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di prevedere la miscelazione a temperatura ambiente di:

   in cui il composto B comprende:

   l'aggiunta di acqua ossigenata HzOz da 0 a 20%, quale agente schiumante.
8. 8) Procedimento per la produzione di un pannello secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di prevedere una fase di stagionatura a vapore di detta miscela.
9. 9) Procedimento per la produzione di un pannello secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dai fatto che detta fase di stagionatura a vapore avviene in atmosfera di C02.
10. 10) Procedimento per la produzione di un pannello secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto di prevedere, nella miscela, una quantità di acqua inferiore a quella stechiometrica, per compensare l'assorbimento di acqua da parte della miscela durante la fase di stagionatura a vapore.
11. 11) Pannello come descritto ed illustrato.
12. 12) Metodo per la produzione di pannelli come descritto ed illustrato.