La storia dei materiali cellulari nell'ingegneria

195

La storia dei materiali cellulari nell’ingegneria

SALVATORE IANNACE, LETIZIA VERDOLOTTI, STEFANO COLINI


Introduzione

I materiali cellulari, comunementeindicati col nome di schiume, sono ge-neralmente definiti come materialibifasici, in cui una fase solida coesistecon una fase gassosa. In particolare, iltermine “cellulare” indica aggregati dicelle adiacenti, che hanno spigoli e even-tualmente facce in comune, assemblatein maniera tale da riempire uno spaziotridimensionale. Si tratta, in pratica, distrutture come ne esistono diverse innatura quali il legno, il sughero, le spu-gne, il tufo, i coralli, gli alveari, le ossa(Fig. 1).

L’accoppiamento di una fase solidaad una fase gassosa dà origine a strut-ture con elevate prestazioni specifichein termini di rapporto tra proprietà epeso. La struttura cellulare conferisceproprietà uniche quali leggerezza, isola-mento termico, assorbimento acustico,galleggiamento, assorbimento di energiaa impatto. Nella storia, l’uomo si è ser-vito da secoli dei materiali cellulari na-turali per le più svariate applicazioni: ilsughero, ad esempio, per le sue proprietàdi isolamento termico, veniva utilizzatogià nell’antica Roma per tappare le bot-tiglie di vino. Ma i materiali cellulari han-no trovato largo impiego nella storia so-prattutto nel settore civile-edile: il legnoè uno dei principali materiali utilizzati perle costruzioni di case e imbarcazioni, findalla preistoria; manufatti in legno risa-

lenti ad almeno 5000 anni fa sono statitrovati all’interno delle piramidi egiziane.La realizzazione di opere di grandi di-mensioni è stata possibile solo grazieall’utilizzo di materiali alleggeriti: i famosiMoai, le statue giganti a forma di testadell’isola di Pasqua, sono strutturemonolitiche ricavate da un unico bloccodi tufo vulcanico (1000 d.C.).

Proprio il tufo è uno dei materialicellulari più utilizzati nelle costruzioninell’area di Napoli sin dai primiinsediamenti antropici di epoca greca.Il tufo è una roccia sedimentaria lapidea

Fig. 1 - Materiali cellulari naturali: (a)

sughero, (b) legno, (c) spugna, (d) osso

trabecolare, (e)corallo, (f) osso di seppia, (g)

foglia, (h) pianta (immagine tratta da Cellular

Solids di L.J.Gibson e M.F.Ashby)

196


tenera, leggera e con buone proprietàmeccaniche. È prodotta dall’attivitàesplosiva dei vulcani che durante la loroeruzione, producono materiale pirocla-stico (ceneri, pomici e lapilli) che vieneproiettato nell’ambente circostante ovesi deposita.

La pietra pomice, è un altro esempiodi materiale cellulare naturale: è unmagma vulcanico che durante il proces-so di solidificazione ha perso rapidamen-te i gas in esso contenuti producendoblocchi di pietre estremamente porosee leggere. Anche le argille espanse, sonoda considerarsi un altro esempio di ma-teriale alleggerito, molto utilizzato nelsettore edile, come inerte “leggero” perla produzione di calcestruzzi cellulari.

Nel corso del tempo, l’uomo ha poiiniziato a riprodurre artificialmente talimateriali ed i polimeri espansi sono at-tualmente i materiali cellulari sintetici piùutilizzati. Le tappe fondamentali dellosviluppo commerciale dei polimeri espan-si vengono riportate in Tabella 1 (trattoda Thorne). La sintesi dei primi mate-riali cellulari è dovuta a Wyndham.R.Dunstan, che nel 1906 riuscì a riprodur-re artificialmente la gomma. La Bayer,nel 1910, ha poi messo a punto il pro-cessi di polimerizzazione a livello indu-striale.

La svolta nella produzione di polimeriespansi arrivò nel 1942, sempre graziealla Bayer, con la realizzazione del poliu-retano espanso, che è tuttora il materia-le cellulare più diffuso grazie alla suaversatilità. Ad oggi è teoricamente pos-sibile espandere qualsiasi materiale pla-stico attraverso tecnologie che preve- Tab. 1– Storia dei principali polimeri espansi

dono l’uso di agenti espandenti. Inoltrele tecnologie attuali permettono di otte-nere schiume a partire anche da altreclassi di materiali come ceramici, me-talli, vetri ma anche classici materiali dacostruzione quali cementi e calcestruz-zi. In definitiva, quindi, l’attenzione del-l’ingegneria è stata a lungo rivolta ver-so queste strutture espanse reticolate,costituite cioè da materiale interconnes-so ad elevate prestazioni, per le appli-cazioni più svariate che spaziano dall’edi-lizia d’avanguardia, ai processi chimici,al controllo delle emissioni, al riscalda-mento industriale ed alle applicazionibiomedicali. Gli studi futuri di maggiorinteresse sembrano riguardare la rea-lizzazione di materiali cellulari ibridi co-stituiti simultaneamente da fasi organi-che e inorganiche.

Tecniche di espansione

Esistono diverse tecniche per pro-durre materiali cellulari.

197


L’espansione dei polimeri avvieneper introduzione di gas nel polimero allostato fuso; le bolle di gas vengono poifatte crescere fino alla dimensione ri-chiesta e, infine, l’intero sistema vienestabilizzato solidificando il polimero. Ilgas può essere introdotto miscelando unagente espandente nel polimero: in talcaso si parla di espandente fisico.L’espandente fisico può essere un gasinerte (anidride carbonica o azoto) cheviene forzato nel polimero fuso ad altapressione: il gas espande in bolle al mo-mento della riduzione di pressione.Un’altra tecnica di espansione fisicaconsiste nell’utilizzare un liquido bassobollente (es. clorofluorocarburi), nellamiscela polimerica liquida: con l’aumen-to di temperatura l’agente espandentepassa allo stato gassoso generando lebolle. Un gas può anche essere gene-rato nella miscela liquida utilizzando unespandente chimico. Gli espandentichimici sono additivi che liberano gasper decomposizione termica o per rea-zione chimica.

Le schiume metalliche vengono pro-dotte miscelando al metallo fuso parti-celle organiche (carbone), che vengo-no poi bruciate lasciando dei pori nelsistema finale.

I calcestruzzi cellulari si ottengonofacendo espandere, con gas o aria, lamiscela delle materie prime (con acqua)utilizzate per la produzione di un calce-struzzo tradizionale. L’adozione di gaso di aria identifica due diversi procedi-menti di fabbricazione del calcestruzzocellulare. Il gas è ottenuto dalla reazio-ne chimica prodotta dalla polvere di al-

luminio quando è introdotta nella misceladi calcestruzzo. La miscela così com-posta si espande generando il calcestruz-zo leggero. Il calcestruzzo espanso conaria è ottenuto con l’aggiunta di un le-gante aereo nella miscela di reazione,oppure più semplicemente facendo gor-gogliare aria nella miscela di reazione.

Il vetro cellulare si ottiene con tec-niche simili ai polimeri espansi conagenti fisici.

Le schiume ceramiche vengono ot-tenute infiltrando sospensioni di polvericeramiche in spugne polimeriche di sup-porto; il sistema viene poi passato inforno ad alte temperature: il polimerobrucia e si volatilizza mentre la polvereceramica si compatta come nei tradi-zionali processi di produzione di mate-riali ceramici. La schiuma risultante saràil “negativo” della schiuma polimericadi supporto.

Tipologie di schiume

A seconda del tipo e delle quantitàrelative dei reagenti e additivi nella mi-scela di partenza è possibile ottenere unaenorme varietà di schiume.

Generalmente esse sono distinte inbase alla morfologia e possono esseresuddivise in due classi:

• schiume a celle chiuse• schiume a celle aperteLe schiume a celle chiuse (Fig. 2)

sono costituite da sfere chiuse adiacen-ti contenenti gas. Il polimero è confina-to principalmente negli spazi tra tre opiù sfere adiacenti. Le pareti di due sfereadiacenti sono separate da una sottilis-sima membrana di polimero.

198


Nelle schiume a celle aperte (Fig.3) le sfere sono interconnesse. La sotti-le membrana presente nella struttura acelle chiuse viene forata durante il pro-cesso di espansione e stabilizzazione. Inrealtà, la maggior parte delle schiumeha una morfologia intermedia e si parlaquindi di percentuale di inter-connessio-ne. Naturalmente, al variare della strut-tura variano le caratteristiche fisiche emeccaniche dell’espanso finale indipen-dentemente dalle proprietà intrinsechedel polimero.

Le schiume a celle chiuse presenta-no proprietà meccaniche superiori inquanto le pareti cellulari, seppur sottilis-sime, forniscono un contributo aggiun-tivo alla rigidità. La morfologia della

Fig. 2 - Micrografia di una schiuma a celle

chiuse

Fig. 3 - Micrografia di una schiuma a celle

aperte

schiuma influenza notevolmente anchele proprietà di isolamento termico e acu-stico: le schiume a celle aperte hannoottime proprietà fonoassorbenti mentrequelle a celle chiuse sono utilizzate perl’isolamento termico.

Proprietà

Le proprietà macroscopiche di unaschiuma dipendono fortemente dalla suadensità e dalle caratteristiche morfolo-giche della struttura cellulare (dimensio-ne media delle celle e loro distribuzionedimensionale, spessore delle pareti,eventuale grado di intercon-nessione trale celle). Attraverso una opportuna com-binazione tra il materiale che costitui-sce il bulk e l’architettura cellulare èpossibile ingegnerizzare sia le proprietàstrutturali (rigidezza, resistenza, capacitàdi assorbire elevate energie da impatto)che quelle funzionali (isolamento termi-co, assorbimento acustico). Di seguitoverrà mostrato come la strutturacellulare influenzi notevolmente soprat-tutto le proprietà di isolamento termicoe assorbimento acustico dei polimeriespansi.

Isolamento termico

L’isolamento termico è una proprie-tà comune a tutti gli espansi, in partico-lare alle strutture cellulari con celle noninterconnesse. I fattori che contribuisco-no a limitare il flusso termico sono:• la bassa frazione volumetrica di fasesolida• la ridotta dimensione delle celle• la bassa conducibilità del gas intrap-polato nelle celle.

199


La conducibilità termica è definitadalla legge di Fourier:

La convezione è generalmente tra-scurabile. Essa è un contributo non tra-scurabile solo nel caso di celle di dimen-sioni molto grandi (nell’ordine dei cen-timetri).

Il contributo dell’irraggiamento di-pende dalle dimensioni delle celle e dal-lo spessore delle pareti: schiume costi-tuite da molte celle di piccole dimensio-ni trasferiscono meno calore per irrag-giamento rispetto a schiume con pochecelle di grandi dimensioni. In particola-re l

r aumenta esponenzialmente al di-

minuire della densità relativa r*/rs ed

è un contributo non trascurabile per laconducibilità termica della schiuma.

Il maggior contributo, in ogni caso, èfornito dalla conduzione attraverso il gasche è data dal prodotto tra la conduci-bilità del gas per la frazione volumetricadi gas nella schiuma (1- r*/r

s).

La conducibilità termica varia quin-di con la densità relativa. Nelle schiu-me poliuretaniche a celle chiuse presen-ta un minimo per un valore di densitàrelativa tra 0.03 e 0.07. I

l solo modo per ridurre ulteriormen-te la conducibilità è sostituire la CO

2

all’interno delle celle con un altro gascon conducibilità minore come ad esem-pio triclorofluoro-metano CCl

3F, trami-

te un’espansione di tipo fisico. Tuttavia,nel corso del tempo, il gas all’internodelle celle tende a diffondere versol’esterno; ciò causa un decadimentodelle proprietà di isolamento termico delmateriale.

Indicando con Ir, I

a e I

t le intensità

sonore delle tre componenti e con Ii

quella dell’onda incidente, si ha:

Tλq ∇⋅−=q: flusso termicoë: conducibilità termicaT: temperatura

La conducibilità termica di una schiu-ma polimerica è la somma di 4 contributi:

l= ls + l

g + l

c + l

r

in cui:• l

s è dovuta alla conduzione

attraverso il solido,• l

g è dovuta alla conduzione

attraverso il gas,• l

c è dovuta alla convezione

all’interno delle celle,• l

r è dovuta all’irraggiamento

attraverso le pareti cellulari.Negli espansi polimerici, in genere,

le proprietà sono riferite alla densitàrelativa r*/r

s dove r* indica la densità

della schiuma e rs indica la densità del

polimero solido di cui è costituita la schiu-ma. La conducibilità attraverso il solidol

s è data dal prodotto della conducibilità

del solido costituente la schiuma per lafrazione volumetrica del solido stesso(r*/r

s) nella schiuma per un fattore di

efficienza che tiene conto della formadei muri cellulari attraverso cui deve av-venire la conduzione. Questo valore èmolto basso per due motivi:1. la conducibilità termica della fase

polimerica è intrinsecamente bassa(per il poliuretano è 0.25 W/(m·K) [7])

2. la fase polimerica occupa solo una pic-cola frazione del volume totale dellaschiuma (per un poliuretano espansoè generalmente inferiore al 10%).

200


Assorbimento acustico

Quando un’onda sonora prodotta al-l’interno di un ambiente incontra unaparete, la sua intensità sonora viene inparte riflessa, in parte assorbita dal murostesso ed in parte è trasmessa nell’am-biente adiacente (Figura 4).

Ir + I

a + I

t = I

i

Dividendo ambo i membri per Ii si

ha:

ovvero

r + a + t = 1

dove r, a e t sono i coefficienti di rifles-sione, assorbimento e trasmissione.

Indichiamo inoltre con á il coeffi-ciente di assorbimento apparente:

a= a + t = 1 – r

cioè tutta l’intensità sonora che nonviene riflessa.

Infine si definisce potere isolante ilvalore R =-log t [dB] (il segno menopermette di ottenere valori positivi di Rpoiché t < 1). Il potere fonoisolanteindica l’abbattimento in decibel che ilsuono subisce passando attraverso unaparete. a e R sono i due parametri chedefiniscono le proprietà di assorbimentoe isolamento acustico.

Fig. 4 – Scomposizione dell’onda sonora

Sono fonoassorbenti quei materialicaratterizzati da un alto valore á, ovveroquei materiali solitamente leggeri e conimpedenza simile a quella dell’aria: ilmassimo assorbimento si ha quandol’impedenza dei due materiali è uguale(a=1, per una finestra aperta, adesempio). Sono invece fonoisolanti imateriali con alto valore R, ovvero queimateriali duri e pesanti come lastre dipiombo o muri spessi.

I materiali porosi come i poliuretaniespansi sono materiali fonoassorbenti.Le onde sonore incidenti mettono invibrazione le particelle di aria all’internodel materiale. Gli attriti interni tra mol-ecole d’aria e tra aria e pareti produconola dissipazione dell’energia sonoraproveniente dall’esterno e quindi dete-rminano l’assorbimento. Naturalmentele strutture a celle aperte sono più ef-ficaci all’assorbimento perché permet-tono il movimento di aria necessario alladissipazione al loro interno.

La ricerca e l’innovazione nel settore

delle schiume

La possibilità di combinare le pro-prietà di una matrice continua e di bolledi gas in una elevata varietà di morfo-logie è uno strumento potente per laprogettazione e la realizzazione di ma-nufatti le cui proprietà possono es-sere ottimizzate per virtualmente qual-siasi applicazione in cui il basso pesospecifico si combina a prestazioni strut-turali e/o funzionali. In questo ambito,la recente ricerca si concentra da unlato sullo sviluppo di nuovi materialicome ad esempio sistemi biodegrada-

201


bili ottenuti da risorse rinnovabili qualipolisaccaridi e/o proteine e materiali ibri-di, dall’altro sullo studio e la modella-zione degli aspetti fondamentali chegovernano lo sviluppo ed il controllodelle morfologie delle strutture cellulari.

In particolare, lo studio dei principiche governano sia la formazione dellebolle (nucleazione) che la loro crescitaall’interno di una fase solida e/o liquidarichiede competenze multidisciplinari dichimica, di fisica e di ingegneria in quan-to l’ottimizzazione dei processi di tra-sformazione di tali materiali richiede lostudio delle proprietà reologiche di ma-teriali viscoelastici macromolecolari incui sono solubilizzati gas ad elevate con-centrazioni. La nucleazione e la cresci-ta delle bolle, che determinano lamorfologia finale delle schiume, oltre adipendere dalle condizioni termodinami-che che promuovono fenomeni di sepa-razioni di fase, sono inoltre legate a pro-prietà fisiche e reologiche quali la ten-sione superficiale, la viscosità elongazio-nale, la solubilità e la diffusività dei gasnel fuso.

Tra i più recenti risultati di interesseper il settore delle costruzioni e dell’in-gegneria in generale vi è lo sviluppo dinuovi materiali ibridi (HYPUCEM),oggetto di un premio internazionale periniziativa dei distretti tecnologici VenetoNanotech e IMAST.

Questa nuova classe di materialicombina in maniera sinergica le proprie-tà già citate dei polimeri espansi conquelle dei materiali inorganici. Attual-mente i sistemi isolanti sono essenzial-mente pannelli espansi in poliuretano o

polistirene utilizzati principalmente perl’isolamento termico e acustico di solai,pavimenti e soprattutto pareti. Tuttavia,nelle applicazioni in campo edile il solopolimero espanso presenta grossi svan-taggi: scarsa aderenza verso materialia base cementizia, tipo malte e calce-struzzi, che rende necessaria la realiz-zazione di complessi sistemi di ancorag-gio dei pannelli alle pareti ed a strati dicartongesso; bassi valori di traspirabilità;fenomeni di imbarcamento, dovuti all’in-stabilità dimensionale dei rivestimentidelle strutture sandwich (le lastre dipoliuretano vengono applicate comecore tra due strati di rivestimento). Inol-tre, le proprietà meccaniche a compres-sione non sono tali da permetterne unutilizzo di tipo strutturale, molto impor-tante per specifiche applicazioni nel set-tore edile.

L’ibrido espanso poliuretano-cemen-to, invece, è caratterizzato dalla co-con-tinuità delle fasi organica espansa (po-liuretano) e inorganica (cemento). L’i-brido, in un’accezione più generale, in-dica la contemporanea esistenza di duefasi legate intimamente attraverso for-te interazioni covalenti o mediante le-

Fig. 5 - HYPUCEM

202


gami a idrogeno. In questa ottica, i ma-teriali ibridi possono essere distinti daimateriali compositi, in cui le due fasi sonodisperse solo fisicamente e le interazionisono blande e deboli ed in alcuni casiinesistenti.

Il materiale ibrido presenta molti van-taggi dovuti al contributo sinergico dellediverse fasi presenti: polimero poliure-tanico, cemento e gas di espansione(CO

2). La fase cementizia contribuisce

in maniera consistente nel determinarespecifiche proprietà dell’ibrido, renden-dolo traspirante al vapore acqueo, resi-stente al fuoco (anche in assenza di ri-tardanti di fiamma), aderente verso imateriali lapidei (intonaci, malte) e do-tato di buone proprietà meccaniche. Lefasi poliuretano e gas, invece, contribu-iscono a rendere l’ibrido fonoassorbente(schiuma a celle aperte) e/o isolantetermicamente (celle chiuse), nonchéconferiscono proprietà di leggerezzacome quelle di un calcestruzzo cellulare(dovuto alla bassa densità) e di facileprocessabilità (messa in opera).

Questa ultima caratteristica del ma-teriale si riflette nella possibilità di pro-durre pannelli o semilavorati in fabbri-ca, da montare successivamente in can-tiere, oppure di produrre il materiale di-rettamente sul cantiere (attraverso usodi tecnica spray), con la possibilità, inquesto ultimo caso, di riempire cavità congeometrie non planari, spruzzare la me-scola in situ, oppure colarla in cassefor-me. Infine, questo materiale può essereapplicato come consolidante di infra-strutture e terreni, per iniezione. In tuttequeste applicazioni, rispetto al poliu-

retano tal quale questo prodotto, data lapresenza della fase inorganica cemen-tizia, presenta la caratteristica di esserepiù inerte dal punto di vista chimico, dacui ne risulta una maggiore stabilità neltempo ed una migliore compatibilità coni terreni e le infrastrutture.

Per questi motivi la schiuma ibridapoliuretano-cemento può essere appli-cata come sistema a cappotto per l’iso-lamento termico sia negli edifici di nuo-va costruzione che di vecchia costru-zione dove l’intervento, in questo ultimocaso, è finalizzato al restauro o alla ri-soluzione di problemi inerenti a quadrifessurativi con infiltrazioni d’acqua infacciata, dove si necessita di tecnicaspray. In tal modo si migliora il comfortabitativo conferendo al tempo stesso siaun risparmio energetico che una solu-zione alla formazione di condensa divapore acqueo, macchie e muffe sullesuperfici interne delle pareti.

I sistemi d’isolamento a cappotto tra-dizionali vengono applicati attraverso illoro fissaggio all’esterno delle pareti, tra-mite collanti e tasselli, e successivamen-te gli stessi vengono rasati con una spe-ciale colla ed armati con una rete in fi-bra di vetro (alcali-resistente) primadell’applicazione finale del rivestimen-to, tali sistemi, però presentano l’incon-veniente di non essere traspiranti al va-pore acqueo.

Tale procedura viene semplificatacon l’uso dei pannelli ibridi poliuretano-cemento, in quanto data l’ottima com-patibilità ibridoparete cementizia non sirendono necessari i complessi sistemi diancoraggio (collanti, viti ecc.).

203


Conclusioni

I materiali cellulari trovano applica-zioni e sviluppi in molti settori dell’inge-gneria grazie alla possibilità di proget-tare il materiale sulla base di requisiti dicarattere sia funzionale che strutturale.L’impiego di questi materiali nel settoreedilizio sta ricevendo un impulso nontrascurabile in questi ultimi anni, princi-palmente grazie alle recenti normativesull’efficienza energetica degli edifici,sia storici che di nuova costruzione, cheimpongono interventi mirati al migliora-mento dell’isolamento termico dellestrutture. La loro progettazione devequindi tenere conto non solo delle va-riabili tecniche e tecnologiche legate allaspecifica applicazione ma anche di que-gli aspetti che concorrono a definirnel’impatto ambientale. Per questo moti-vo variabili legati alla eco-compatibilitàed al loro ciclo di vita diventano indi-spensabili nella definizione delle diver-se fasi progettuali.

Bibliografia

L. J. GIBSON, M. F. ASHBY, Cellular

Solids: Structure & Properties, Perga-mon Press, 1988.

J. THRONE, M. F. ASHBY, Thermo-

plastic Foams, Sherwood Publishers,1996.

S. COTUGNO, E. DI MAIO, S. IANNACE,G. MENSITIERI, L. NICOLAIS, Biode-

gradabile foams “Handbook of Biode-gradabile Polymeric Materials and theirApplications”, Ed. B. Narasimhan eS.K. Mallapragada, American ScientificPublishers, 2005,

L. VERDOLOTTI, E. DI MAIO, M. LA-VORGNA, S. IANNACE, L. NICOLAIS, Po-

lyurethane-cement based foams: cha-

racterization and potential uses”, J.Appl. Polym. Sci. 107 (1): 1-8 JAN 52008

www.hypucem.comwww.venetonanotec.itwww.imast.itwww.imcb.cnr.it/biofoams2007

204


Documents

La storia dei materiali cellulari nell'ingegneria