La produzione delle schiume 36

Esistono svariate metodologie per la produzione di schiuma, metodologie che hanno come identica filosofia di base l’introduzione di gas, solitamente aria, all’interno di una soluzione contenente tensioattivi o una miscela di tensioattivi e altre sostanze. Come si è compreso dalla lettura dei paragrafi precedenti, la concentrazione di tensioattivo gioca un ruolo di fondamentale importanza per la qualità e la stabilità della schiuma prodotta. Il gas può essere introdotto nel liquido in svariati modi quali, ad esempio, agitazione meccanica, emissione di aria in pressione attraverso un ugello, sfruttando opportune reazioni chimiche o anche mediante condensazione, ovvero mediante degassificazione di un liquido soprassaturo, cioè di un liquido contenente un valore superiore a quello di normale saturazione di un soluto ad una certa temperatura, attraverso un incremento di temperatura o una riduzione di pressione. Ovviamente una schiuma deve essere quanto più omogenea possibile e, a tal fine, tutti i suoi costituenti devono essere in grado di miscelarsi adeguatamente gli uni agli altri.

Un fattore di fondamentale importanza nella generazione delle schiume è certamente quello relativo all’energia fornita al sistema in questa fase che si è visto influenzare significativamente la qualità della schiuma stessa in termini di dimensioni delle bolle, stabilità complessiva del sistema e viscosità: la forza meccanica applicata alla miscela è necessaria per far crescere in maniera efficace l’area superficiale. In particolare è stato dimostrato sperimentalmente che, nel caso di generazione delle schiume per agitazione meccanica, aumentando la velocità di miscelazione di 3,3 volte, le dimensioni delle bolle diminuivano di 4,5 volte mentre la stabilità e la viscosità si incrementavano del 100% [18]: la miscelazione del gas e della soluzione in presenza di sforzi di taglio molto elevati permette di ottenere schiume molto omogenee caratterizzate da

37

bolle di più piccole dimensioni, caratteristica, quest’ultima, direttamente correlata ad una maggiore stabilità e viscosità della schiuma prodotta. Alla luce di ciò si evince che la caratteristica principale che devono possedere tutti i generatori di schiuma, al fine di ottenere una produzione efficace ed efficiente, è quella di effettuare la miscelazione con sforzi di taglio sufficientemente elevati.

È utile rimarcare come l’agitazione imposta al sistema riduce enormemente il tempo di adsorbimento delle molecole di tensioattivo all’interfaccia fino all’ordine dei millisecondi; infatti, se nel caso di sistemi statici la migrazione delle molecole di tensioattivo verso l’interfaccia avviene prevalentemente attraverso il fenomeno della diffusione, nei sistemi dinamici, ossia in presenza di agitazione esterna, risulta preponderante la convezione.

Dunque un’ottima omogeneità della schiuma può essere ottenuta mediante la miscelazione meccanica di gas nella soluzione contenente tensioattivi. Un meccanismo semplice ma, al contempo, estremamente efficace è quello di far passare la soluzione dentro un tubo di apposita lunghezza all’interno del quale il moto è turbolento. A tal proposito, il tubo potrebbe essere riempito con perline o anelli di adeguato diametro che favoriscono la formazione di sottili film di liquido e, conseguentemente, la generazione di schiuma. Questo è proprio il sistema di sovente impiegato nei generatori per la produzione di schiuma per il settore dei calcestruzzi cellulari [19]. Ma oltre a questo sistema, ne esistono altri in cui la produzione di schiuma viene effettuata utilizzando altre tecniche di miscelazione meccanica, tra le quali si richiama quella che sfrutta l’iniezione di gas nella soluzione attraverso un mezzo poroso come, ad esempio, filtri, rocce porose o legno, Figura 2.18 a), spesso impiegata nell’ambito della pulizia degli acquari, o quella che sfrutta un sistema a rotore-statore, Figura 2.18 b), impiegato in diversi generatori di schiuma presenti in commercio come, ad esempio, il Top Mix prodotto dalla Hansa Industrie Mixer, Figura 2.18 c), in cui la produzione di schiuma può essere controllata modificando la velocità del rotore e/o il flusso di aria e soluzione in ingresso per la miscelazione. Questa tipologia di generatori viene utilizzata soprattutto nell’industria alimentare e nel campo della plastica. Il sistema rotore-statore è costituito da un rotore con lame taglienti che ruota ad elevata velocità all’interno di uno statore fermo dotato di fori. Grazie all’alta velocità del rotore, il fluido viene aspirato automaticamente in senso assiale e successivamente espulso in senso radiale per effetto centrifugo attraverso le finestre del sistema; date le alte forze di accelerazione presenti, il materiale è sottoposto ad altissime forze di taglio e di spinta. Nell’interstizio fra il rotore e lo statore si forma, inoltre, un’elevata turbolenza che da luogo ad una miscelazione ottimale della sospensione.

38

Figura 2.18 Differenti sistemi impiegati per la produzione di schiuma: iniezione di gas attraverso un mezzo

poroso a); sistema rotore-statore b) impiegato nel Top Mix c) prodotto dalla Hansa Industrie Mixer Produzione delle schiume impiegate nel presente lavoro di ricerca

Le schiume impiegate nel presente lavoro di ricerca sono state realizzate utilizzando un generatore appositamente costruito, illustrato in Figura 2.19 a).

Il suo principio di funzionamento ricalca quello proprio dei classici generatori di schiuma per calcestruzzi presenti sul mercato: la schiuma viene prodotta, infatti, mediante una dispersione di gas (aria) in pressione in una soluzione di acqua e tensioattivo. In particolare, vengono anzitutto miscelati l’acqua, il cui punto di ingresso è indicato in Figura 2.19 con il punto 2, e il tensioattivo, il cui punto di ingresso è evidenziato con il numero 3 e la cui concentrazione viene regolata mediante una pompa dosatrice automatica, punto 7; successivamente la miscela di acqua e tensioattivo incontra l’aria, ingresso in corrispondenza del punto 4, ad una certa pressione, regolata per mezzo del riduttore di pressione, punto 10; infine, la miscela di acqua, tensioattivo e aria in pressione viene fatta scorrere attraverso il tubo di miscelazione, punto 12, all’interno del quale si viene a formare la schiuma. Il tubo di miscelazione è riempito con opportuni anelli d’ottone, Figura 2.20 (a) e (b), che, innescando un moto turbolento, favoriscono la generazione di una schiuma omogenea e stabile.

Rispetto ai generatori di schiuma presenti in commercio quello realizzato consente di avere un controllo maggiore sulle variabili che entrano in gioco nella produzione della schiuma. Infatti le variabili solitamente controllabili e regolabili nei generatori di schiuma presenti sul mercato sono: la portata d’acqua e la pressione dell’aria in ingresso al generatore e la concentrazione del tensioattivo.

Il generatore mostrato in Figura 2.19 a), oltre al controllo della portata d’acqua, della pressione dell’aria e della concentrazione di tensioattivo, permette di regolare sia il flusso di aria immesso nel circuito, attraverso un’apposita valvola evidenziata con il punto 9 in Figura 2.19 a) e riportata nel particolare di Figura 2.20 c), che il flusso della soluzione di acqua e tensioattivo attraverso un apposito rubinetto posizionato a monte dell’input di aria compressa. La possibilità di regolare questi flussi permette di ottimizzare la qualità macroscopica della schiuma prodotta in funzione degli effettivi input di acqua e di aria; ciò garantisce la produzione di un’ottima schiuma in qualunque situazione, anche in presenza di possibili oscillazioni della portata di acqua in ingresso al sistema dalla rete idrica, permettendo un corretto funzionamento del generatore sia in condizioni di portata di acqua in ingresso molto elevata che estremamente ridotta.

39

Figura 2.19 Generatore di schiuma impiegato per la produzione delle schiume utilizzate nel presente lavoro

di ricerca a); particolare della pompa dosatrice automatica per la concentrazione di tensioattivo b) e del riduttore di pressione dell’aria c)

Figura 2.20 Alcuni particolari del generatore di schiuma: anelli di ottone presenti all’interno del tubo di

miscelazione a); dimensione degli anelli b); valvola per la regolazione del flusso di aria immesso all’interno del circuito c)

Il sistema, inoltre, è dotato di un circuito parallelo, punto 8 della Figura 2.19 a) che, grazie ad un sistema di rubinetti opportunamente posizionato, permette di bypassare l’ingresso del tensioattivo, così da agevolare le operazioni di pulizia del sistema di produzione, soprattutto del tubo di miscelazione, molto importante al fine di salvaguardare la durabilità del sistema e la bontà della schiuma prodotta nel tempo.

Si riportano di seguito i diversi elementi che compongono il generatore di schiuma evidenziati in Figura 2.19 a):

1. centralina di comando delle elettrovalvole con timer;

2. ingresso acqua, la cui portata può essere regolata tramite un rubinetto interposto tra la rete idrica e il generatore stesso;

 a) b) c)

40 3. ingresso tensioattivo;

4. ingresso aria compressa: il tubo azzurro è collegato ad un compressore;

5. elettrovalvola per l’apertura sincronizzata delle saracinesche che regolano l’ingresso dell’acqua e dell’aria nel circuito (l’altra elettrovalvola è posizionata in prossimità del punto 9);

6. filtro per l’acqua;

7. pompa dosatrice automatica, si veda anche il particolare riportato in Figura 2.19 b), per l’aspirazione continua del tensioattivo, con concentrazioni comprese tra l’1% e il 5%, in funzione della portata di acqua;

8. circuito parallelo per bypassare l’ingresso del tensioattivo e agevolare le operazioni di pulitura del sistema;

9. valvola per la regolazione del volume di aria immesso nel circuito, si veda anche il particolare di Figura 2.20 c);

10. riduttore di pressione con manometro per la regolazione della pressione dell’aria in ingresso al circuito da 0 a 12 bar, si veda anche il particolare riportato in Figura 2.19 c);

11. rubinetto per la regolazione del flusso di acqua e tensioattivo da miscelare con l’aria compressa;

12. tubo di miscelazione in cui, grazie al riempimento con anelli di ottone, Figura 2.20 a) e b), si innesca il moto turbolento che consente la realizzazione di una schiuma omogenea e stabile;

13. output della schiuma; 14. corrente elettrica.

Al fine di ridurre il numero delle variabili in gioco nella produzione della schiuma e studiare specificatamente l’influenza sulle caratteristiche delle schiume prodotte di altri fattori fondamentali come la concentrazione del tensioattivo e la pressione dell’aria immessa nel circuito, si è scelto di settare a priori sia la portata di acqua in ingresso al generatore e la parzializzazione del volume di aria. In particolare, la portata di acqua è stata fissata e mantenuta sempre pari alla massima portata in arrivo dalla rete idrica, lasciando il rubinetto di input posto a monte del generatore completamente aperto. Fissato questo parametro, si è proceduto con il regolare la valvola relativa al volume di aria immesso nel circuito e il rubinetto di parzializzazione del flusso della soluzione di acqua e tensioattivo posto a monte dell’ingresso dell’aria compressa in modo tale che la schiuma fosse generata con continuità, senza interruzioni nell’erogazione dovute ad un eccessivo volume di aria compressa o, equivalentemente, ad un flusso di soluzione troppo ridotto. Inoltre, accorgimenti di limitata entità sulla regolazione della parzializzazione del flusso di soluzione di acqua e tensioattivo tramite l’apposito rubinetto, non modificando invece il volume di aria in ingresso al circuito, hanno permesso di mantenere costante la qualità della schiuma prodotta, nonostante le piccole variazioni stagionali del flusso di acqua proveniente dalla rete idrica. La portata media di acqua in ingresso dalla rete idrica presso il laboratorio di strutture del Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi di Messina è stata valutata essere pari a 20,62 litri al minuto.

41