ITMI20061325A1

ITMI20061325A1 - Un materiale ibrido polimero espanso-legante inorganico avente densita' e morfologia controllata metodo per la sua preparazione e suoi uso

Info

Publication number: ITMI20061325A1
Application number: IT001325A
Authority: IT
Inventors: Maio Ernesto Di; Salvatore Iannace; Marino Lavorgna; Letizia Verdolotti
Original assignee: C N R Consiglio Naz Delle Ricerche
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2008-01-08
Also published as: CA2656020C; EP2038334A2; CN101501116A; JP2009542835A; RU2008152240A; RU2458078C2; EP2038334B1; WO2008007187A3; CA2656020A1; US20090326085A1; WO2008007187A2; US8124662B2

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

"UN MATERIALE IBRIDO POLIMERO ESPANSO-LEGANTE INORGANICO AVENTE DENSITÀ E MORFOLOGIA CONTROLLATA, METODO PER LA SUA PREPARAZIONE E SUOI USI"

La presente invenzione ha per oggetto un materiale ibrido polimero espanso-legante inorganico avente densità e morfologia controllata, in particolare, un ibrido poliuretano espanso-legante inorganico, un metodo per la sua preparazione ed i suoi usi.

Detto materiale possiede elevate caratteristiche di isolamento termico ed acustico, traspirabilità al vapore acqueo, resistenza al fuoco, leggerezza, nonché di buona adesività a calcestruzzi, malte ed intonaci e di buona resistenza meccanica alla compressione, che lo rendono vantaggiosamente utilizzabile nel campo dell'edilizia .

Le schiume poliuretaniche (materiali polimerici inglobanti gas all/interno della loro struttura, indicati, nel prosieguo, con il termine generale "poliuretano espanso") sono largamente utilizzate nel campo dell'edilizia (in particolare, civile-abitativa), in quanto manifestano eccellenti caratteristiche di isolamento acustico e termico, di buona resilienza (cioè, la capacità di resistere a deformazioni e/o rotture dinamiche} e di bassa densità. Tuttavia, le proprietà di resistenza meccanica e rigidità di detti materiali polimerici, non sono soddisfacenti per applicazioni di tipo strutturale.

Al fine di migliorare le proprietà di cui sopra, nel poliuretano espanso sono stati introdotti/caricati dei "filler" inorganici, con funzione di riempitivi; la presenza di questi additivi da una parte ha consentito di aumentare la rigidità del materiale, dall'altra parte, però, ha modificato la morfologia dello stesso e, di conseguenza, anche le proprietà finali del prodotto.

In pratica il filler agisce come rinforzo e, all'aumentare del suo contenuto, il comportamento meccanico, in genere, passa da duttile a fragile a causa della scarsa compatibilità all'interfaccia filler-matrice. Il filler irrigidisce il composito ma, allo stesso tempo, interrompe la continuità della matrice polimerica che sostiene l'intera struttura.

I diversi filler inorganici vengono spesso sottoposti a trattamenti chimici preliminari con lo scopo di cercare di migliorarne l'interazione con la fase polimerica, diminuendo così gli inevitabili problemi di segregazione che creano disomogeneità nella struttura finale del prodotto composito.

Il risultato finale è che la preparazione di detti compositi a matrice poliuretanica, o, in generale, polimerica, risulta complessa e notevolmente costosa. Tuttavia, detti materiali presentano sempre una serie di inconvenienti legati , principalmente , alla, comunque non evitabile, presenza di disomogeneità all'interno della loro struttura, alla scarsa resistenza al fuoco ed agli effetti di plasticizzazione della fase polimerica per effetto dell'interazione con l' acqua,

Materiali alternativi a quelli sopra descritti, dotati di proprietà isolanti, termiche ed acustiche, e dotati di buona resistenza all'urto, sono stati realizzati mediante assemblaggio di strati polimerici e strati inorganici a diversa conducibilità termica, tenuti insieme attraverso un sistema di giunzioni meccaniche. Questi ultimi materiali presentano, tuttavia, inconvenienti legati all'incompatibilità termodilazionale dei materiali usati, nonché al processo di assemblaggio dei medesimi, che nella maggior parte dei casi risulta particolarmente complesso e costoso.

Resta, quindi, viva la necessità di poter disporre di un materiale, alternativo a quelli noti, che possieda elevate caratteristiche di isolamento termico ed acustico, traspirabilità al vapore acqueo, resistenza al fuoco, leggerezza, nonché di buona adesività a calcestruzzi, malte ed intonaci e di buona resistenza meccanica, e che non presenti, o minimizzi, gli svantaggi, sopra evidenziati, caratteristici dei materiali correntemente utilizzati nel campo dell'edilìzia .

Scopo della presente invenzione è quello di fornire una soluzione alla necessità tecnica sopra descritta.

Questo scopo ed altri ancora, che risulteranno chiari dalla descrizione dettagliata che segue, sono stati raggiunti dalla Richiedente, la quale ha inaspettatamente trovato che, effettuando la reazione di preparazione di un polimero espanso (preferibilmente di un poliuretano espanso) in presenza di almeno un opportuno legante inorganico, è possibile ottenere un materiale ibrido polimero espanso-legante inorganico (preferibilmente, un ibrido poliuretano espanso-legante inorganico) dotato di caratteristiche tali da fornire un'adeguata risposta ai problemi sopra evidenziati.

Forma, quindi, un oggetto della presente invenzione un materiale ibrido polimero espanso-legante inorganico, le cui caratteristiche sono riportate nella unita rivendicazione indipendente.

Forma un altro oggetto della presente invenzione un metodo per la preparazione del materiale ìbrido di cui sopra, le cui caratteristiche sono riportate nella unita rivendicazione indipendente.

Forma un ulteriore oggetto della presente invenzione l'uso di detto materiale ibrido nel campo dell'edilizia, come riportato nella unita rivendicazione indipendente.

Forme di realizzazione preferite della presente invenzione sono riportate nelle unite rivendicazioni dipendenti.

La presente invenzione è dettagliatamente illustrata nella descrizione che segue. Detta invenzione è ulteriormente illustrata anche con l'ausilio delle allegate Tavole da 1 a 3, in cui:

la Tavola 1 evidenzia schematicamente il metodo per preparare due tipi preferiti di materiale ibrido poliuretano espanso-cemento secondo la presente invenzione (rispettivamente, gli ibridi di tipo A1 e A2, descritti in seguito nell'Esempio sperimentale 1); la Tavola 2 illustra graficamente la struttura submicrometrica a celle chiuse di un poliuretano espanso-cemento secondo la presente invenzione; dal disegno risulta chiaramente ed inequivocabilmente l'intima e completa interpenetrazione tra le particelle di cemento, idratate o meno, e le bolle di poliuretano contenenti gas; la microstruttura risulta estremamente regolare e completamente priva di disomogeneità;

la Tavola 3 presenta, affiancate, tre fotografie SEM (riprese con Microscopio Elettronico a Scansione) della microstruttura dell'ibrido poliuretano espanso-cemento illustrata graficamente nella Tav. 2; le tre fotografie sono state riprese a differenti ingrandimenti e mostrano, rispettivamente:

- la microstruttura del polimero espanso, con le pareti delle bolle in evidenza (foto a sinistra, a minore ingrandimento} ;

le pareti delle celle, ricoperte dalla fase inorganica (foto al centro, ad ingrandimento intermedio);

- i cristalli di trisolfoalluminato di calcio idrato e la fase amorfa continua di silicato di calcio idrato, caratteristiche del cemento idratato (foto a destra, ad ingrandimento maggiore).

La presente invenzione riguarda, quindi, la realizzazione di un nuovo materiale composito ibrido polìmero espanso-legante inorganico, nel quale la matrice organica (preferibilmente, poliuretanica) e quella legante inorganica sono interpenetrate, o interconnesse, intimamente tra di loro a dare una struttura finale estremamente regolare e omogenea.

Il metodo di preparazione di detto materiale (descritto dettagliatamente in seguito) consente almeno di minimizzare, preferìbilmente, di eliminare sostanzialmente, gli svantaggi associati con i metodi noti per preparare i materiali ibridi polimero-filler e cemento-polimero dello stato dell'arte.

Ά differenza di questi ultimi materiali (in cui il filler è solamente disperso nel polimero in modo non regolare né omogeneo, dando così origine a strutture in cui le fasi componenti non sono interpenetrate), in accordo con il metodo di preparazione della presente invenzione, le particelle, anidre e/o idrate, del legante impiegato (ad esempio, cemento) risultano fortemente interagenti con il componente polare della struttura polimerica (cioè, ad esempio, il poliolo di partenza usato per preparare il poliuretano espanso). Pertanto, il processo di schiumatura (descritto nel prosieguo), utilizzato per l'espansione del polimero, consente di ottenere un materiale ibrido organicoinorganico in cui la fase legante inorganica è finemente distribuita in modo completamente omogeneo all'interno del materiale stesso e intimamente interpenetrata tra le microparticelle di polimero espanso .

La struttura risultante è, quindi, caratterizzata da fasi intimamente interpenetrate tra di loro e distribuite in modo regolare ed omogeneo. Dette caratteristiche strutturali conferiscono, in misura ottimale, a detto materiale eccellenti proprietà di isolamento termico ed acustico ed al tempo stesso garantiscono un'elevata resistenza al fuoco, un'elevata traspirabilità al vapore d'acqua, leggerezza, un'elevata compatibilità con qualsiasi strato di finitura superficiale a base di leganti idraulici e/o aerei, un'elevata resistenza all'azione dell'acqua, un'elevata resistenza agli agenti chimici, nonché un'ottima resistenza meccanica alla compressione ed agli urti.

La presente invenzione, quindi, è diretta ad un materiale ibrido comprendente almeno:

a) una prima fase, comprendente un polimero espanso; b) una seconda fase, comprendente almeno un legante inorganico;

c) una terza fase, gassosa;

caratterizzato dal fatto che la struttura di detto materiale è costituita da una microstruttura cocontinua (laddove con il termine ''microstruttura cocontinua" si intende una struttura in cui le fasi componenti detta struttura sono intimamente interpenetrate, o interconnesse, tra di loro, in modo tale da formare una microstruttura estremamente regolare, preferibilmente di dimensioni submicrometriche, e completamente priva di discontinuità nelle singole fasi, come esemplificativamente illustrato nelle Tav. 2 e 3 allegate).

Il materiale ibrido della presente invenzione è un materiale ibrido organico-inorganico.

Preferibilmente, il polimero espanso di cui alla fase a) è un polimero espanso a base poliuretanica. Più preferibilmente, detto polimero è un poliuretano espanso, in cui il poliolo di partenza può, eventualmente, essere preventivamente modificato chimicamente, ad esempio, con carbossi metil cellulosa, cellulosa acetato, cellulosa solfato, trimetilsiìil cellulosa, idrossimetil cellulosa e tutti i derivati della cellulosa; ad esempio, 1,3 dimorfolina-2-propanolo, Ν-β-idrossietilmorfolina, N-amminopropil morfolina, 3,3'-dimorfolil dipropilammina e tutti i derivati della morfolina; polietilenglicole, policaprolattone polialcool. Inoltre non è esclusa la possibilità di utilizzare fonti alternative di poliolo, come, ad esempio, amido, cellulosa, lignina, proteine di origine vegetale.

Il legante inorganico di cui alla fase b) è, preferibilmente, selezionato dal gruppo comprendente: cemento, gesso, calce, carbonato dì calcio, pozzolane, agglomerati cementizi, o loro miscele.

Più preferibilmente, detto legante è cemento.

La fase gassosa di cui alla fase c) è generalmente costituita da anidride carbonica, C02(usualmente, prodotta durante la reazione di formazione del materiale ibrido espanso). Non è, tuttavia, escluso che si possano usare anche altri gas, quali, ad esempio, azoto, oppure composti organici basso bollenti, quali, ad esempio, n-pentano, isopentano, ciclopentano, clorofluorocarburi, oppure acqua, che, durante la reazione di polimerizzazione, si portano allo stato gassoso a causa della esotermicità di detta reazione di polimerizzazione ,

Mediamente, le dimensioni della microstruttura cocontinua dell'ibrido polimero espanso-legante inorganico secondo l'invenzione sono ≤ 3-4μ; preferibilmente, dette dimensioni sono < 3μ; più preferibilmente, sono inferiori a 2μ o anche a 1μ.

Preferibilmente, il materiale ibrido secondo la presente invenzione ulteriormente comprende almeno un additivo; più preferìbilmente, comprende una miscela di additivi.

Detto almeno un additivo (o miscela di additivi) viene usualmente utilizzato durante la preparazione dell'ibrido per migliorarne la reazione di formazione e per modularne e/o ottimizzarne le caratteristiche desiderate .

Preferibilmente, detto almeno un additivo è scelto dal gruppo comprendente :

- catalizzatori, quali, aminine terziarie, ad esempio. N,N,-dimetilcicloesilammina , trietilenammina, Ν,Ν,-dimetil-2-fenetilammina , N, N-dimetilbenzilammina, 2-dimetilaminino-etanolo;

- sali organometallici, quali, ottoati stannosi, acetato di zolfo, ottonato di zolfo, etilesoato di zolfo, zolfo laurato, dibutiltindilaurato, estere dibutilrame;

- reticolanti, quali, monoetanolammina, dietanolammina, trietanolammina, dimetilcicloesilammina;

- tensioattivi, quali, olii siliconici, copolimeri siliconi-glìcole, polietere silossani, polidimetil silossani, copolimeri a blocchi semi-fluorinati, quali, polimetilmetacrilato-blocco- {1H, 1H, 2H, 2H perfluoroesilmetacrilato , polimetilmetacrilato -blocco-(1H, 1H, 2H, 2H perfluoroottilmetacrilato;

- schiumanti, quali, acqua, isopentano, ciclopentano, n-pentano, clorofluorocarburi;

ritardanti di fiamma e batteriostatici, quali, polifosfati di ammonio, melammine e derivati;

- stabilizzanti UV;

- plasticizzanti;

- compatibilizzanti;

- agenti antistatici;

- fluidificanti, quali, naftalen-solfonato, melammin solforato o, ligninsolfonato, polistirene sulfonato, copolimero di estere acrilico, polimeri glicosidici; - additivi che presentano caratteristiche fotocataliche autopulenti, quali, biossido di titanio, TiO2;

- additivi che modificano le proprietà di adsorbimento al vapore acqueo come l'acido fosforico.

Nel materiale ibrido secondo la presente invenzione: il polimero espanso è presente in una quantità percentuale compresa da 5% a 80% in peso, rispetto al peso complessivo del materiale;

il legante inorganico è presente in una quantità percentuale compresa da 20% a 90% in peso, rispetto al peso complessivo del materiale;

gli additivi sono presenti in una quantità percentuale complessiva compresa da 0% alla parte mancante a 100%, rispetto al peso complessivo del materiale .

Preferibilmente :

il polimero espanso è presente in una quantità percentuale compresa da 10% a 70% in peso, rispetto al peso complessivo del materiale;

- il legante inorganico è presente in una quantità percentuale compresa da 30% a 80% in peso, rispetto al peso complessivo del materiale;

gli additivi sono presenti in una quantità percentuale complessiva compresa da 0% alla parte mancante a 100%, rispetto al peso complessivo del materiale.

Più preferibilmente:

il polimero espanso è presente in una quantità percentuale compresa da 20% a 60% in peso, rispetto al peso complessivo del materiale;

il legante inorganico è presente in una quantità percentuale compresa da 40% a 70% in peso, rispetto al peso complessivo del materiale;

Il metodo generale di preparazione del materiale ibrido secondo la presente invenzione comprende almeno:

a) una prima fase in cui il o i composti di partenza necessari per formare il polimero espanso desiderato {in cui detto/detti composto/i di partenza sono addizionati anche degli eventuali additivi necessari per la preparazione di detto polìmero espanso) vengono mescolati con una quantità efficace del o dei leganti inorganici desiderati per il tempo necessario ad ottenere un'intima miscelazione delle sostanze;

b) una seconda fase in cui alla miscela di cui sopra viene aggiunta una quantità efficace del o dei composti polimerizzanti, necessari per far avvenire la reazione di formazione del polimero;

c) una terza fase in cui la miscela di cui al punto b) viene lasciata a temperatura ambiente per il tempo sufficiente perché avvengano e si completino la reazione di cura della fase polimerica e la contemporanea schiumatura.

A seconda del tipo di materiale ibrido desiderato è anche possibile invertire l'ordine dì esecuzione delle fasi a} e b) di cui sopra (aggiungendo, cioè, la miscela di cui alla fase a) al/ai composti polimerizzanti di cui alla fase b)).

La miscelazione dei composti di cui alla fase a) viene preferibilmente effettuata in un'opportuna apparecchiatura miscelatrice. Detta apparecchiatura può essere adatta per la produzione (sia in fabbrica che in loco) di elevate o modeste quantità di materiale ibrido, a seconda delle necessità.

Detti additivi necessari per la preparazione del polimero espanso desiderato sono, ad esempio, scelti dal gruppo precedentemente descritto, comprendente:

- catalizzatori, quali, ammine terziarie, ad esempio, N,N,-dimetilcicloesilammina , trietilenammina , Ν,Ν,-dimetil-2-fenetilaimnina, N,N-dimetilbenzilammina, 2-dimetilammino-etanolo;

- sali organometallici, quali, ottoati stannosi, acetato di zolfo, ottonato di zolfo, etilesoato di zolfo, zolfo laureto, dibutiltindilaurato, estere dibutilrame;

tensioattivi, quali, olii siliconici, copolimeri siliconi-glicole, polietere silossani, polidimetil silossani, copolimeri a blocchi semi-fluorinati, quali, polimetilmetacrilato-blocco- (IH, IH, 2H, 2H perfluoroesilmetacrilato, polimetilmetacrilato-blocco-(1H, 1H, 2H, 2H perfluoroottilmetacrilato;

- stabilizzanti UV;

- plasticizzanti;

- compatibilizzanti;

- agenti antistatici;

- fluidificanti, quali, naftalen-solfonato, melammin solforato, ligninsolfonato, polistirene sulfonato, copolimero di estere acrìlico, polimeri glicosidici; - additivi che presentano caratteristiche fotocataliche autopulenti, quali, biossido dì titanio, ΤίO2;

additivi che modificano le proprietà di adsorbimento al vapore acqueo come l'acido fosforico.

Particolarmente preferita, si è rivelata l'aggiunta di una quantità efficace di almeno un composto avente azione schiumante {o di una opportuna miscela di schiumanti), come, per esempio: acqua, isopentano, ciclopentano , n-pentano, clorofluorocarburi, o loro miscele .

In una realizzazione particolarmente preferita dell'invenzione, il polimero espanso è un poliuretano espanso comprendente o meno uno o più additivi, quali, per esempio, fluidificanti, naftalen-solfonato, melammin solforato, ligninsolfonato, polistirene sulfonato, copolimero di estere acrilico, polìmeri glucosidici, additivi che presentano caratteristiche fotocataliche autopulenti come il biossido di titanio, additivi che modificano le proprietà dì adsorbimento al vapore acqueo come l'acido fosforico.

Nel caso in cui il polimero espanso è un poliuretano espanso, il composto di partenza da polimerizzare è un poliolo. In una realizzazione dell'invenzione, detto polìolo viene previamente modificato chimicamente, ad esempio, con carbossi metil cellulosa, cellulosa acetato, cellulosa solfato, trìmetilsìlil cellulosa, idrossimetil cellulosa e tutti i derivati della cellulosa, ad esempio, 1,3-dimorfolina-2-propanolo, Nβ-idrossi etilmorfolina, N-amminopropilmorfolina, 3,3'-dimorfolil dipropilammina e tutti i derivati della morfolina; polietilenglicole, policaprolattone polialcool. In un'altra realizzazione dell'invenzione, detto poliolo può essere sostituito da fonti alternative dello stesso, come, ad esempio, amido, cellulosa, lignina, proteine di origine vegetale.

Preferibilmente, il poliolo è un polietere e/o un poliestere .

A sua volta, il composto polimerizzante è, preferibilmente, un di-isocianato o una miscela di diisocianati. Preferibilmente, detto di-isocianato può essere un MDI (metilen di-isocianato) e/o un TDI (toluen di-isocianato) e/o una loro miscela.

La combinazione poliolo/di-isocianato viene opportunamente scelta in funzione delle caratteristiche finali del polimero espanso che si vuole ottenere. A titolo di esempio, se sì vuole ottenere un polimero espanso a celle aperte (cioè un espanso in cui la fase gassosa è co-continua), si usa, preferenzialmente, una combinazione: polietere, come poliolo / TDI, MDI, o una loro miscela, come di-isocianato. Se, invece, si vuole ottenere un polimero espanso a celle chiuse (cioè un espanso in cui la fase gassosa non è co-continua; in cui, cioè, il gas è presente, in particolare, in sacche, bolle, racchiuse nella fase solida), si usa, preferenzialmente, una combinazione poliestere, come poliolo / TDI, MDI, o una loro miscela, come diisocianato .

Il grado dì espansione viene, a sua volta, modulato controllando sia la quantità e/o il tipo/i di additivo/i schiumante aggiunto, sia il tempo di cura/schiumatura di cui alla precedente fase c).

Un legante inorganico particolarmente preferito ai fini della presente invenzione è il cemento.

In una realizzazione particolarmente preferita dell'invenzione, il metodo di preparazione del materiale ibrido sopra descritto ulteriormente comprende sottoporre la componente legante del materiale ibrido ad una fase dì idratazione.

Preferibilmente, detta fase di idratazione viene effettuata tramite immersione in acqua del materiale ibrido polimero espanso-legante inorganico, per il tempo necessario per ottenere il grado di idratazione desiderata del legante inorganico.

Per l'ottenimento delle proprietà desiderate, i componenti del materiale ibrido secondo l'invenzione sono scelti in modo tale da favorire ed assicurare la continuità dalla fase inorganica ed una morfologia ottimale della fase espansa (distribuzione dimensionale dei pori ed eventuale, parziale, interconnessione}, in funzione della specifica applicazione.

Vantaggiosamente, data la natura chimica idrofilìca dei reagenti si evitano, durante la fase di mescolamento, problemi di segregazione del cemento, in quanto lo stesso si è rivelato compatibile con i reattivi polimerici utilizzati (in particolare, interagente con i residui idrofili degli stessi}.

Nella seguente sezione sperimentale, la presente invenzione verrà descritta nel dettaglio, a solo titolo esemplificativo ed assolutamente non limitativo dell'ampio potenziale applicativo della medesima, con particolare riferimento a materiali ibridi a base di poliuretano espanso-cemento.

Resta inteso che l'insegnamento derivabile dalla descrizione riferita a detti materiali ibridi preferiti, a base di poliuretano espanso-cemento, è completamente trasferibile, mutatis mutandis, da parte del tecnico esperto, alle altre póssibili combinazioni polimero espanso-legante inorganico utilizzabili, nel campo dell'edilizia, per i medesimi usi previsti per il poliuretano espanso-cemento.

In una realizzazione particolarmente preferita, l'invenzione comprende il metodo di preparazione dell'espanso poliuretano-cemento, schematizzato nella Tav. 1 allegata e descritto nei seguenti esempi sperimentali; le percentuali indicate in detti esempi si riferiscono alla frazione in peso rispetto alla massa totale, iniziale, del materiale {cioè alla somma dei pesi dei prodotti di partenza.

I seguenti esempi hanno una valenza applicativa di carattere generale; di conseguenza, mettono in evidenza intervalli numerici ponderali percentuali (%) preferiti entro cui i vari componenti possono essere fatti variare, in funzione delle caratteristiche che si vogliono fare raggiungere al prodotto finale.

Esempio generale 1 - IBRIDI TIPO Al e A2

Si pesa il poliolo, per un ammontare compreso da 20 a 80% in peso, rispetto alla massa totale iniziale, del materiale ibrido {comprensivo di catalizzatore/i, siliconi, tensioattivi ed agenti reticolanti ritardanti di fiamma e batterìostatici, stabilizzanti UV, per un ammontare complessivo in peso compreso da 0 a 10% in peso, rispetto al poliolo; preferibilmente, compreso da 1% a 8%; più preferibilmente, da 2% a 7%); sì addiziona il cemento, per un ammontare compreso da 0 a 60% in peso; si addiziona l'eventuale agente schiumante (descritto in precedenza), per un ammontare compreso da 0 a 10% in peso, e si agita, per circa 1-10 minuti, in un miscelatore HOBART<®>fino a completa ed intima miscelazione dei componenti.

Si addiziona il di-isocianato, per un ammontare compreso da 10% a 40% in peso, e si agita fino a completa omogeneizzazione della miscela, per un tempo sufficientemente breve (per circa 10-120 secondi; preferìbilmente, per circa 20-60 secondi} da impedire una prematura polimerizzazione del poliuretano.

La miscela così ottenuta viene preferibilmente colata in opportuni stampi/casseforme di allumìnio o di materiale plastico, ad esempio, in polipropilene o polistirene (oppure, viene direttamente trasferita nel luogo di applicazione), e lasciata polimerizzare ed espandere in aria a temperatura ambiente. La reazione di espansione prosegue in parallelo alla polimerizzazione ed all'indurimento della nuova struttura. Ai fini dell'ottenimento di un composito a densità controllata (desiderata), si fa avvenire la reazione di espansione in stampi chiusi o parzialmente chiusi; altresì, si può far avvenire la reazione in espansione libera in stampi aperti.

Il prodotto ibrido ottenuto come sopra descritto viene poi stagionato in acqua, od in ambiente saturo di vapor d'acqua, per tempi e temperature variabili, in modo da ottenere l'idratazione, parziale o totale, delle fasi alluminatiche (alluminato di calcio} e silicatiche (silicati di calcio) del cemento. In questo modo si realizza la formazione del network inorganico che conferisce al composito le proprietà tipiche di un materiale cementizio (rigidezza, traspirabilità, interazione con l'acqua, etc.). Questo materiale ha le caratteristiche di un ibrido espanso costituito da un cemento idrato (o da un suo opportuno sostituto) e da un poliuretano. Le due fasi risultano intimamente interpenetrate e le caratteristiche finali dipendono dal rapporto in massa dei materiali costituenti e dal grado di espansione/schiumatura acquisito dal materiale .

L'ibrido (la famiglia di ibridi) ottenuto utilizzando una formulazione tipica delle schiume espanse a celle aperte (per esempio polietere/MDI) è, per semplicità, identificato nel seguito come IBRIDO TIPO Al.

Utilizzando, invece, una formulazione tìpica delle schiume espanse a celle chiuse (per esempio poliestere/TDI ) si ottiene un ibrido (una famiglia di ibridi) per semplicità, identificato nel seguito come IBRIDO TIPO A2.

Alcune varianti preferite di materiali ibridi secondo la presente invenzione sono esemplificativamente illustrati negli esempi seguenti.

Esempio 2 - IBRIDO TIPO B

Un materiale ibrido viene preparato nello stesso modo descrìtto nell'Esempio generale 1; ma non viene effettuata la fase di idratazione del cemento.

L'ibrido così ottenuto è, per semplicità, identificato come IBRIDO TIPO B.

Esempio 3 - IBRIDO TIPO C

Un materiale ibrido viene preparato nello stesso modo descritto nell'Esempio generale 1;, ma il poliolo utilizzato viene preventivamente modificato chimicamente con carbossi metil cellulosa, oppure cellulosa acetato, oppure cellulosa solfato, oppure trimetilsilil cellulosa.

L'ibrido (la famiglia di ibridi) così ottenuto è, per semplicità, identificato come IBRIDO TIPO C.

Esempio 4 - IBRIDO TIPO D

Un materiale ibrido viene preparato nello stesso modo descritto nell'Esempio 1; ma il poliolo utilizzato è di origine naturale, ad esempio, amido.

L'ibrido così ottenuto è, per semplicità, identificato come IBRIDO TIPO D.

Esempio 5 - IBRIDO TIPO E

Un materiale ibrido viene preparato nello stesso modo descritto nell'Esempio 1; ma il cemento viene preventivamente impastato con acqua e fluidificante. L'ibrido così ottenuto è, per semplicità, identificato come IBRIDO TIPO E.

Esempio 6 - IBRIDO TIPO F

Un materiale ibrido viene preparato nello stesso modo descritto nell'Esempio 1; ma si utilizza come legante, in sostituzione al cemento, il solfato di calcio (gesso).

L'ibrido così ottenuto è, per semplicità, identificato come IBRIDO TIPO F.

Esempio 7 - IBRIDO TIPO G

Un materiale ibrido viene preparato nello stesso modo descritto nell'Esempio 1; ma si utilizza come legante, in sostituzione al cemento, la calce.

L'ibrido così ottenuto è, per semplicità, identificato come IBRIDO TIPO G.

Esempio 8 - IBRIDO TIPO H

Un materiale ibrido viene preparato nello stesso modo descritto nell'Esempio 1; ma si additiva al cemento biossido di titanio (TiO2)-L'ibrido così ottenuto è, per semplicità, identificato come IBRIDO TIPO H.

Esempio 9 - IBRIDO TIPO I

Un materiale ibrido viene preparato nello stesso modo descrìtto nell'Esempio 1; ma si additiva al cemento dell'acido fosforico.

L'ibrido così ottenuto è, per semplicità, identificato come IBRIDO TIPO I.

Per evidenziare le proprietà caratteristiche, ed i vantaggi, dei materiali ibridi secondo la presente invenzione, i sistemi IBRIDI TIPO A1 e A2, sono stati confrontati con materiali espansi noti, tipicamente utilizzati in edilizia, sia a celle aperte, sia a celle chiuse.

I principali vantaggi mostrati dagli IBRIDI TIPO A1 e A2 sono riassunti di seguito.

IBRIDO TIPO A1

Rispetto agli espansi noti a celle aperte, caricati con filler inorganici, l' IBRIDO TIPO A1 ha mostrato:

- migliori resistenze meccaniche;

- migliore fonoassorbenza;

- migliori proprietà di adesione a matrici cementizia; - migliore resistenza alla fiamma.

IBRIDO TIPO Al

Rispetto ai calcestruzzi alleggeriti, ottenuti per sostituzione (in parte) dell'inerte tradizionale (pietrisco e sabbia} con materiale polimerico, tipo polistirene espanso, l' IBRIDO TIPO A1 ha mostrato: - migliore fonoassorbenza;

- densità minore;

- proprietà meccaniche specifiche;

- maggiore facilità di messa in opera.

IBRIDO TIPO Ά2

Rispetto agli espansi a celle chiuse caricati con filler inorganici, l'IBRIDO TIPO A2 ha mostrato:

- migliori resistenze meccaniche;

- migliore traspirabilità al vapore d'acqua dovuta alla fase cementizia idratata;

migliori proprietà di adesione con matrici cementizie;

- resistenza alla fiamma:

IBRIDO TIPO Ά2

Rispetto ai calcestruzzi alleggeriti, ottenuti per sostituzione (in parte) dell'inerte tradizionale (pietrisco e sabbia) con materiale polimerico, tipo polistirene espanso, 1'IBRIDO TIPO A2 ha mostrato:

- migliore isolamento termico;

- migliore isolamento acustico;

- densità minore;

- proprietà meccaniche specìfiche;

- maggiore facilità di messa in opera.

Per quanto riguarda gli altri tipi di materiali ibridi (da B a I} sopra esemplificati, sono state evidenziate le seguenti caratteristiche.

L'IBRIDO TIPO B, rispetto ai tradizionali sistemi in poliuretano, a struttura non co-continua (sia celle aperte che chiuse), utilizzati nel settore edile ha mostrato ;

migliori proprietà di adesione con matrici cementizie;

- migliori resistenze meccaniche;

- migliore resistenza alla fiamma.

L'IBRIDO TIPO C risulta avere un buon grado di idrofilia che facilita e velocizza il processo di idratazione del cemento rispetto agli IBRIDI TIPO A. L'IBRIDO TIPO D presenta un buon grado di idrofilia che facilita e velocizza il processo di idratazione del cemento rispetto agli IBRIDI TIPO A e B. Questo prodotto presenta, inoltre, costi inferiori.

Per l'IBRIDO TIPO E il processo di idratazione è facilitato e velocizzato.

Per l'IBRIDO TIPO F si accelera il processo di presa ed indurimento del cemento (caratteristica intrinseca dei solfati) ed, inoltre, si incrementano le proprietà di adsorbimento del vapore d'acqua.

L'IBRIDO TIPO G presenta le proprietà tipiche di un legante aereo (cioè, di un sistema che indurisce in presenza di aria, per carbonatazione da parte dell'anidride carbonica).

L'IBRIDO TIPO H presenta la proprietà fotocatalitica "autopulente", in grado di abbattere in maniera significativa gli inquinanti atmosferici organici e inorganici, sfruttando la reazione di degradazione degli stessi innescata dalla luce solare.

L'IBRIDO TIPO I incrementano le proprietà di adsorbimento di vapore d'acqua.

Il materiale ibrido poliuretano espanso-legante inorganico secondo la presente invenzione, avente microstruttura co-continua, intimamente interpenetrata ed omogenea, si è rivelato particolarmente vantaggioso per un suo utilizzo nel campo dell'edilizia, grazie alle sue sopra menzionate caratteristiche vantaggiose di isolamento termico, isolamento acustico, traspirabilità al vapore acqueo, resistenza al fuoco, leggerezza, nonché di adesione a calcestruzzi, malte e intonaci e di resistenza meccanica alla compressione. Il materiale ibrido, ottenuto tramite il metodo di preparazione precedentemente descritto, presenta molteplici vantaggi dovuti alla versatilità della sua composizione ed al contributo delle tre fasi (polimero, legante inorganico, gas) intimamente interpenetrate che intervengono nei differenti fenomeni fisici di trasporto di vapore d'acqua, di isolamento termico ed acustico, di resistenza al fuoco, di adesione e dì leggerezza. In particolare, il cemento idratato costituendo una fase co-continua (e non un semplice riempitivo, discontinuo, come nei materiali tradizionalmente utilizzati) fornisce le proprietà di traspirabilità, di rigidezza meccanica, di resistenza alla fiamma e di compatibilità chimica con calcestruzzi, intonaci e malte. La fase poliuretanica, inoltre, fornisce il sostegno espandibile e, insieme alla fase gassosa, consente un notevole alleggerimento del materiale finale e conferisce le proprietà dì isolamento termico e acustico. Le proprietà di isolamento termico ed acustico sono ottimizzate modulando la morfologia e l'interconnessione della porosità .

Inoltre, il materiale ibrido secondo la presente invenzione, presenta facilità di messa in opera e di processabilità. La versatilità del materiale innovativo (ottenuta attraverso la possibilità di modulare composizioni e morfologie cellulari) permette di ottenere un sistema ottimizzato in funzione dell'applicazione finale.

La presente invenzione è, quindi, relativa alla realizzazione, ed all'utilizzo, principalmente nel settore civile-edile, di materiali che presentano in contemporanea sia le proprietà di un calcestruzzo cellulare (traspirabilità, leggerezza, discrete resistenze meccaniche a compressione, resistenza a fuoco, buona compatibilità con malte, intonaci e calcestruzzi), sia di un espanso polimerico (isolamento acustico, termico, facilità di messa in opera e processabilità) . La facilità di messa in opera del materiale si riflette nella possibilità di produrre pannelli o semilavorati in fabbrica, da montare successivamente in cantiere, oppure di produrre il materiale direttamente nel cantiere, con la possibilità, in questo ultimo caso, di riempire direttamente cavità con geometrie non planari, spruzzare la mescola in situ, oppure colarla in casseforme. Inoltre, questo materiale può essere applicato come consolidante di infrastrutture e terreni, per iniezione. In tutte queste applicazioni, rispetto al poliuretano espanso tal quale, questo materiale presenta la caratteristica di essere più inerte dal punto di vista chimico, data la presenza della fase inorganica cementizia da cui risulta una maggiore stabilità nel tempo e una migliore compatibilità con i terreni e le infrastrutture.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un materiale ibrido comprendente almeno: a) una prima fase, comprendente un polimero espanso; b) una seconda fase, comprendente almeno un legante inorganico; c) una terza fase, gassosa; caratterizzato dal fatto che la struttura di detto materiale è costituita da una microstruttura cocontinua interpenetrata, priva dì discontinuità tra le fasi.
2. Il materiale secondo la rivendicazione 1, in cui detto materiale è un ibrido organico-inorganico.
3. Il materiale secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il polimero espanso è un polimero a base poliuretanica; preferibilmente, detto polimero è un poliuretano espanso.
4. Il materiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un legante inorganico è selezionato dal gruppo comprendente: cemento, gesso, calce, carbonato di calcio, pozzolane, agglomerati cementìzi o loro miscele .
5. Il materiale secondo la rivendicazione 4, in cui detto legante inorganico è cemento.
6. Il materiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase gassosa è costituita da C02.
7. Il materiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le dimensioni della microstruttura co-continua di detto materiale sono ≤ 3μ; preferibilmente, dette dimensioni sono < 3μ; più preferibilmente, sono inferiori a 2μ o anche a 1μ.
8. Il materiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ulteriormente comprendente almeno un additivo.
9. Il materiale secondo la rivendicazione 8, comprendente una miscela di additivi.
10. Il materiale secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui l'additivo è scelto dal gruppo comprendente: catalizzatori, quali, ammine terziarie, Ν,Ν,-dimetilcicloesilammina , trietilenammina, N,N,-dimetil-2-fenetilammina, N,N-dimetilbenzilammina, 2-dimetilamminoetanolo; - sali organometallici, quali, ottoati stannosi, acetato di zolfo, ottonato di zolfo, etilesoato di zolfo, zolfo laurato, dibutiltindilaurato, estere dibutilrame; - reticolanti, quali, monoetanolammina, dietanolammìna, trietanolammina, dimetilcicloesilammina; tensioattivi , quali, olii siliconici, copolìmeri siliconi-glicole, polietere silossani, polidimetil silossani, copolimeri a blocchi semi-fluorinati, quali, polimetilmetacrilato-blocco- (1H, 1H, 2H, 2H perfluoroesilmetacrilato) , polimetilmetacrilato-blocco-(1H, 1H, 2H, 2H perfluoroottilmetacrilato); - schiumanti, quali, acqua, isopentano, ciclopentano, n-pentano, clorofluorocarburi; ritardanti di fiamma e/o batteriostatici, quali, polifosfati di ammonio, melammine e loro derivati; - stabilizzanti UV; - plasticizzanti; - compatibilizzanti; - agenti antistatici; fluidificanti, quali, naftalen-solfonato, melammin solforato, lìgninsolfonato, polistirene sulfonato, copolimero di estere acrilico, polimeri glicosidici; - additivi che presentano caratteristiche fotocataliche autopulenti, quali, biossido di titanio, TiO2; - additivi che modificano le proprietà dì adsorbimento al vapore acqueo, quali, l'acido fosforico.
11. Il materiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui: il polimero espanso è presente in una quantità percentuale compresa da 5% a 80% in peso, rispetto al peso complessivo del materiale; - il legante è presente in una quantità percentuale compresa da 20% a 90% in peso, rispetto al peso complessivo del materiale; gli additivi sono presenti in una quantità percentuale in peso complessiva compresa da 0% alla parte mancante a 100%, rispetto al peso complessivo del materiale .
12. Il materiale secondo la rivendicazione 11, in cui: il polimero espanso è presente in una quantità percentuale compresa da 10% a 70% in peso, rispetto al peso complessivo del materiale; - il legante è presente in una quantità percentuale compresa da 30% a 80% in peso, rispetto al peso complessivo del materiale; gli additivi sono presenti in una quantità percentuale in peso complessiva compresa da 0% alla parte mancante a 100%, rispetto al peso complessivo del materiale .
13. Il materiale secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui: il polìmero espanso è presente in una quantità percentuale compresa da 20% a 60% in peso, rispetto al peso complessivo del materiale; il legante è presente in una quantità percentuale compresa da 40% a 70% in peso, rispetto al peso complessivo del materiale; gli additivi sono presenti in una quantità percentuale in peso complessiva compresa da 0% alla parte mancante a 100%, rispetto al peso complessivo del materiale.
14, Il materiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 13, in cui: - il polimero espanso è un poliuretano espanso; - il legante inorganico è cemento,
15. Il materiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 14, scelto dal gruppo consistente di: IBRIDO TIPO A1; IBRIDO TIPO A2; IBRIDO TIPO B; IBRIDO TIPO C; IBRIDO TIPO D; IBRIDO TIPO E; IBRIDO TIPO F; IBRIDO TIPO G; IBRIDO TIPO H; IBRIDO TIPO I.
16. Un metodo per la preparazione di un materiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 13, comprendente almeno: a) una prima fase in cui il o i composti di partenza necessari per formare il polimero espanso vengono mescolati con una quantità efficace del o dei leganti inorganici per il tempo necessario ad ottenere un'ìntima miscelazione delle sostanze; b) una seconda fase in cui alla miscela di cui sopra viene aggiunta una quantità efficace del o dei composti polimerizzanti, necessari per far avvenire la reazione di formazione del polìmero; c) una terza fase in cui la miscela di cui al punto b) viene lasciata per il tempo sufficiente perché avvengano e si completino la reazione di cura della fase polimerica e la contemporanea schiumatura.
17. Il metodo secondo la rivendicazione 16, in cui la terza fase c) avviene a temperatura ambiente.
18. Il metodo secondo la rivendicazione 16, in cui il composto di partenza di cui alla fase a) è un poliolo; preferibilmente, detto poliolo è un polietere e/o un poliestere .
19. Il metodo secondo la rivendicazione 18, in cui detto poliolo è modificato chimicamente con carbossi metil cellulosa, cellulosa acetato, cellulosa solfato, trimetilsilil cellulosa, idrossimetil cellulosa, 1,3-dimorfolina-2-propanolo, Ν-β-idrossi etilmorfolina, N-amminopropilmorfolina, 3,3'-dimorfolil dipropilammina; polietilenglicole , policaprolattone polialcool.
20. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 16 a 19, in cui detto/detti composto/i di partenza di cui alla fase a) sono ulteriormente addizionati di almeno un additivo necessario per la preparazione di detto polimero espanso.
21. Il metodo secondo,la rivendicazione 20, in cui detto almeno un additivo è scelto dal gruppo comprendente : catalizzatori, quali, ammine terziarie, N,N,-dimetilcicloesilammina, trietilenammina, N,N,-dimetil-2-fenetilammina, N,N-dimetilbenzilammina, 2-dimetilamminoetanolo; - sali organometallici, quali, ottoati stannosi, acetato di zolfo, ottonato di zolfo, etilesoato di zolfo, zolfo laurato, dibutiltindilaurato, estere dibutilrame; -reticolanti, quali, monoetanolammina, dietanolammina, trietanolammina, dimetilcicloesilaminina; tensioattivi, quali, olii siliconici, copolimeri siliconi-glicole, polietere silossani, polidimetil silossani, copolimeri a blocchi semi-fluorinati, quali, polimetilmetacrilato-blocco- {IH, IH, 2H, 2H perfluoroesilmetacrilato) , polimetilmetacrilato-blocco-(1H, IH, 2H, 2H perfluoroottilmetacrilato); - schiumanti, quali, acqua, isopentano, ciclopentano, n-pentano, clorofluorocarburi; - ritardanti di fiamma e/o batteriostatici, quali, polifosfati di ammonio, melammine e derivati; - stabilizzanti UV; - plasticizzanti; - compatibilizzantì; - agenti antistatici; fluidificanti, quali, naftalen-solfonato, melammin solforato, ligninsolfonato, polistirene sulfonato, copolimero dì estere acrilico, polimeri glicosidici; - additivi che presentano caratteristiche fotocataliche autopulenti, quali, biossido di titanio, TiO2; - additivi che modificano le proprietà di adsorbimento al vapore acqueo,quali, l'acido fosforico.
22. Il metodo secondo la rivendicazione 21, in cui l'additivo è uno schiumante; preferibilmente, detto schiumante è scelto tra acqua, isopentano, ciclopentano, n-pentano, clorofluorocarburi e/o loro miscele.
23. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 16 a 22, in cui il composto polimerizzante è un di-isocianato; preferibilmente, detto di-iosocianato è metilen di-isocianato e/o toluen di-isocianato e/una loro miscela.
24. Uso di un materiale ibrido secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 15 nel campo dell'edilizia.
25. L'uso secondo la rivendicazione 24, per la preparazione dì un prodotto dotato di caratteristiche di isolamento termico ed acustico.
26. L'uso secondo la rivendicazione 25, in cui detto prodotto è ulteriormente dotato di caratteristiche di traspirabilità al vapore acqueo, resistenza al fuoco, leggerezza, adesività a calcestruzzi, malte ed intonaci, resistenza meccanica alla compressione.