Vetri cellulari
Prof. Giovanni Scarinci, Dott.ssa Giovanna Brusatin, Prof. Paolo Colombo, Ing. Enrico Bernardo

Le vetroschiume o vetri cellulari sono materiali porosi costituiti da vuoti di dimensioni assai variabili (da 10 micron a 5 mm). Le celle possono essere completamente isolate l'una dall'altra da pareti vetrose (schiume a celle chiuse) o prevalentemente aperte, con la parte solida limitata ad elementi di sostegno, chiamati struts; se le pareti di cella hanno delle porosità, queste portano alla formazione di una struttura porosa interconnessa (schiume a celle aperte in cui le celle sono comunicanti tra loro). Le schiume possono quindi essere divise in due categorie, a seconda che le celle siano di tipo aperto o chiuso.
Tali materiali possiedono come caratteristica principale una bassa densità (0.1-0.9 g·cm-3) oltre a una resistenza meccanica abbastanza elevata; essi infatti riproducono materiali porosi esistenti in natura (sughero, spugna, osso, corallo) che possiedono delle caratteristiche di resistenza particolari, in quanto rappresentano il risultato di un procedimento evolutivo atto a minimizzare il peso strutturale, massimizzando, per una certa densità, la resistenza meccanica e possono quindi adempiere anche a funzioni strutturali. Tuttavia i vetri cellulari possiedono altre importanti caratteristiche quali una elevata area superficiale, una bassa conduttività termica, una bassa costante dielettrica, stabilità termica e chimica, permeabilità o impermeabilità a seconda che la porosità sia aperta o chiusa, un'ottima resistenza alla corrosione chimica, che li rendono adatti a diversi impieghi sia per applicazioni strutturali che per applicazioni funzionali in svariati settori, compreso quello aerospaziale, automobilistico, edilizio, e per industrie che impiegano processi che richiedono elevate temperature (l'isolamento termico e le barriere termiche, gli scambiatori di calore, i componenti per l'assorbimento di impatti, le strutture leggere, l'isolamento acustico ad elevate temperature, i supporti per catalizzatori, ecc…).
I fattori che influenzano le potenziali applicazioni di questi materiali sono principalmente: la densità, la dimensione delle celle e la loro morfologia, il grado di interconnessione e le caratteristiche microstrutturali degli struts.
I processi di fabbricazione possono essere adattati per controllare e variare tutte queste caratteristiche e in questi ultimi anni si è sviluppato un grande interesse nella produzione e nell'impiego di vetri cellulari.
L'elevata porosità del materiale si ottiene per mezzo di un agente schiumogeno che, bruciando o decomponendosi, libera una sostanza gassosa quando il vetro si trova in uno stato rammolito con una viscosità di circa 10+7-10+8 poise.
Nel Laboratorio Materiali Ceramici e Vetri sono stati finora studiati e ottimizzati vetri cellulari ottenuti a partire da vetro riciclato e diversi tipi di agenti schiumanti o da altri rifiuti industriali; l'utilizzo di vetro da riciclo o altro tipo di rifiuti consente di produrre un materiale con costi contenuti rispetto ai materiali attualmente in commercio, che, specialmente per applicazioni nell'industria edile, attualmente non sono largamente diffusi a causa dell'elevato costo di lavorazione delle materie prime.
Queste vetroschiume, specialmente nel caso in cui anche l'agente schiumante derivi da un materiale di scarto, possono infatti sostituire altri materiali attualmente utilizzati come isolanti termici ed acustici quali fibre di vetro, polistirene e poliuretani, che tuttavia mancano di resistenza strutturale e, se infiammati rilasciano fumi tossici. Materiali isolanti vetrocellulari, con una bassa conducibilità termica e con un'elevata resistenza meccanica (ad esempio carico di rottura a compressione 6MPa, densità 0.4 g/cm3, conducibilità termica 0.135 W/mK), alle quali vanno unite resistenza al fuoco, alla decomposizione alle alte temperature e resistenza agli agenti chimici, potrebbero quindi trovare buone applicazioni in edilizia.

Figura1: Esempi di schiume di vetro prodotte presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, settore Materiali

Vetroschiume ottenute utilizzando carburo di silicio (SiC) come agente schiumante
La microstruttura di queste vetroschiume risulta particolarmente controllabile e la distribuzione delle celle regolare (fig. 2a e 2b, densità 0.5-0.65 g/cm3); lo svantaggio è l'elevato costo del SiC. E' in corso di studio l'ottenimento di vetroschiume a partire da miscele in cui il SiC è già presente all'interno di un rifiuto industriale che verrebbe così riutilizzato interamente e senza l'aggiunta di SiC commerciale (fig. 2c, densità 0.2-0.9 g/cm3).

Figura 2: Esempio di morfologia di vetroschiume ottenute utilizzando SiC come agente schiumante aggiunto al vetro riciclato (a, b) o già presente nella miscela (c).

Vetroschiume ottenute utilizzando polimetilmetacrilato (PMMA) come agente schiumante
La microstruttura di queste vetroschiume risulta controllata e omogenea e la distribuzione della dimensione delle celle particolarmente fine e regolare (dimensione inferiore delle celle fino a 100 mm, densità 0.28-0.5 g/cm3, resistenza a compressione fino a 11 MPa, porosità aperta variabile fino al 97%, fig. 3a e 3b). E' in corso di studio l'utilizzo di tali materiali come supporto poroso per agenti depuranti (fig. 3c) e l'ottenimento di vetroschiume rinforzate (resistenza a compressione di 17 MPa, densità 0.48 g/cm3).

Figura 3: Esempio di morfologia di vetroschiume ottenute utilizzando PMMA come agente schiumante.

Vetroschiume da vetri provenienti dalla dismissione di tubi catodici, schiumati utilizzando CaCO3
I tubi catodici degli schermi di TV e personal computer derivano dalla giunzione di ben tre vetri ad alto contenuto in ossidi di metalli pesanti, utilizzati al fine di assorbire le radiazioni ad alta frequenza emesse dall'interno. La parte frontale, costuituente lo schermo, consiste di un vetro al bario-stronzio, molto omogeneo e spesso. La parte conica posteriore è invece costituita da un vetro a moderato contenuto di ossido di piombo (20% in peso). Infine, la parte che racchiude il cannone elettronico è costituita da vetro ad alto contenuto di PbO (oltre il 30%). L'impiego di metalli pesanti e stretti standard qualitativi impediscono un significativo riciclo di tali vetri nella produzione di altri tubi catodici. L'ottenimento di vetroschiume, da varie miscele di vetri da tubi catodici, rappresenta un'opportunità molto interessante. In questo caso, tuttavia, la presenza di ossidi di metalli pesanti induce a non impiegare agenti schiumanti operanti per ossidazione (carbonio e SiC, come nei casi precedenti), in quanto comporterebbero rischi di riduzione degli ossidi stessi. E' stato così realizzato lo schiumaggio, ovvero lo sviluppo di gas espandente (anidride carbonica) in una massa di vetro rammollito, per decomposizione di un minerale, specificamente CaCO3. La temperature di rammollimento dei vetri impiegati ben si accoppiano con la temperatura di decomposizione del carbonato a ossido di calcio e anidride carbonica (attorno ai 700°C). Le schiume ottenute sono generalmente caratterizzate da una bassa densità, anche inferiore a 0,2 g/cm3, e da buone proprietà meccaniche (ad esempio, sono state prodotte schiume con una resistenza a compressione di 4MPa a fronte di una densità di circa 0,23 g/cm3). Severi test chimici hanno dimostrato che il rilascio di metalli pesanti dalle schiume ottenute è assolutamente non rilevabile. Infine, prove termiche specifiche hanno rivelato una conducibilità termica particolarmente bassa, di 0,060-0,070 W/mK, molto vicina ai dati disponibili per schiume commerciali.

Figura 4: Microstruttura di una vetroschiuma ottenuta da vetri dalla dismissione di tubi catodici.