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Geopolimeri compositi per applicazioni termo-strutturali

Refrattari, isolamento termo-acustico e barriere termiche

Responsabili: Valentina Medri, Elena Landi, Annalisa Natali Murri
Personale coinvolto: Elettra Papa, Cesare Melandri

L’attività di CNR-ISSMC è dedicata allo sviluppo di compositi geopolimerici particellari o con fibre, e cores in pannelli sandwich per applicazioni termo-strutturali quali:

  • intercapedini autoportanti;
  • isolanti termici e acustici;
  • barriere termiche e taglia-fuoco;
  • rivestimenti per alta temperatura e damping;
  • schiume e rivestimenti refrattari;
  • stampi ed anime per la fonderia.

I geopolimeri sono polimeri inorganici sintetici a base alluminosilicatica o fosfatica legati chimicamente a T<300 °C. Hanno una grande tolleranza alle alte temperature poiché sono incombustibili, non sviluppano gas o fumi, non sono tossici e non “esplodono”, dato che contrariamente ai cementi idraulici tradizionali non contengono acqua in struttura. È importante sottolineare che i materiali geopolimerici termo-strutturali sono sempre compositi: la resina geopolimerica funge da collante per le cariche che funzionalizzano o rinforzano il materiale. In particolare, per materiali compositi a base geopolimerica si possono indicare tre tipologie di prodotti:

  • una matrice geopolimerica composita per produrre la quale si introducono le cariche particellari nell’impasto, quali sabbie, carbonio, ossidi metallici o carburi per aumentare la refrattarietà, aggregati leggeri per aumentare la leggerezza, fibre sintetiche o naturali anche di scarto, ecc;
  • una matrice geopolimerica composita porosa, ovvero nella quale si generano pori mediante tecniche di foaming per aumentare la leggerezza e il potere isolante;
  • un materiale composito che prevede l’impregnazione di fibre lunghe e tessuti o l’annegamento di un rinforzo interno in un impasto geopolimerico, con tecniche del tutto analoghe a quelle utilizzate per le resine organiche e i loro relativi materiali compositi.

Questa tematica riguarda i progetti POR FESR EEE-CFCC e FIREMAT, il progetto bandiera Ritmare, il progetto MISE LAMPO e EIT Raw Materials FENICE.

Strumenti e Processi

Il processo di geopolimerizzazione è una reazione tra una polvere alluminosilicatica e una soluzione acquosa di idrossidi o silicati alcalini che, in base al catione (comunemente Na+, K+, ma anche Li+, Cs+), influisce sulle proprietà meccaniche e termiche finali. I materiali geopolimerici a base fosfatica sono i prodotti della reazione acido-base di ossidi metallici bi- e tri-valenti con fosfati acidi in soluzione acquosa. Le temperature di sintesi sono inferiori ai 100 °C per gli “alcalini” e inferiori a 300 °C per i fosfatici. È necessaria una miscelazione meccanica per completare la reazione. CNR-ISSMC è dotato di shear mixer (Planetary Centrifugal Mixer “THINKY MIXER” ARE-500).

Processi di hand lay-up e vacuum bagging o vacuum infiltration vengono utilizzati per compositi fibrorinforzati. Questa tecnologia consente la produzione di materiali con proprietà ceramiche con le stesse modalità di alcune materie plastiche, rimuovendo gli equipaggiamenti pesanti e le alte temperature dagli impianti ceramici industriali. I manufatti in geopolimero, infatti, possono essere prodotti per stampaggio e senza l’ausilio di ulteriori finiture. CNR-ISSMC ha formulato resine inorganiche che si adattassero a tecnologie, come ad esempio il vacuum bagging e autoclave, comunemente utilizzate per i fibrorinforzati a base polimerica (FRP), con conseguente semplificazione del processo produttivo e relativa riduzione dei costi. L’attività di CNR-ISSMC è stata svolta nell’ambito di un contratto di ricerca industriale grazie al quale Aeronautical Service srl ha attivato una nuova linea di produzione e ha stilato protocolli di validazione per immettere sul mercato i prodotti.

Principali collaborazioni

Progetti

Pubblicazioni e brevetti