Le membrane

La tecnologia delle membrane è utilizzata in tutto il mondo in edifici di ogni dimensione: come tetti fissi o retrattili di teatri all’aperto, stadi, piscine, come coperture di piazze o stand per fiere. Inizialmente, le membrane, nelle costruzioni, erano usate come protezione dalla pioggia o dal sole o per manifestazioni temporanee. La presenza sul mercato di nuovi materiali ha introdotto il loro uso anche quali coibenti termici e acustici.
Una membrana è un materiale da costruzione flessibile, stabilizzata solo sotto tensione. Per questo motivo le caratteristiche essenziali sono la resistenza a trazione e il comportamento elastico.

Tipi

Le membrane possono essere costituite di tre tipi di materiali:

  • tessuto;
  • tessuto spalmato con resine polimeriche;
  • laminato.

Tessuti

I filati utilizzati per i tessuti sono fibre di vetro o di polimeri fluorurati o. anche, di cotone ritorto. I tessuti in fibre di vetro sono incombustibili e utilizzati per membrane a uso interno. Possono essere prodotti in diversi colori e tessitura. I tessuti in PTFE (politetrafluoroetilene) presentano le migliori caratteristiche per quanto riguarda la ripiegabilità della membrana e ottima impermeabilità alla pioggia, e alta resistenza alle macchie e al sudiciume. Questi tessuti lasciano diffondere la luce senza alterarne la tonalità. Tuttavia, a causa della bassa resistenza a trazione e degli alti costi, sono utilizzati solo per costruzioni speciali.
I tessuti in cotone, trattati con ritardanti di fiamma, possono essere utilizzati per scopi temporanei sia in interni sia all’esterno. Quando le giunzioni fra i teli sono eseguite con molta cura, il rigonfiamento del cotone bagnato fa sì che la membrana sia impervia alla pioggia. Alcune membrane presentano anche ottimi valori di assorbanza acustica.

Tessuti spalmati con resine polimeriche

La membrana è composta da una struttura interna fibrosa, da uno strato superficiale di rivestimento (spalmatura) e da un rivestimento finale esterno o vernice.
Il tessuto di base, o supporto, è l’elemento che conferisce le caratteristiche meccaniche al prodotto finito. Le fibre, in forma di fili, sono assemblate grazie a un processo di tessitura continua con incrocio dei fili tra ordito e trama. La spalmatura rende il tessuto impermeabile e caratterizza la membrana per gli aspetti estetici e di resistenza agli agenti esterni e al fuoco. Il rivestimento la protegge dagli agenti atmosferici e in particolare dai raggi UV.
Il tessuto greggio, dopo una serie di pre-trattamenti, è ricoperto su ambedue le facce con PVC (cloruro di polivinile) o silicone, nel caso di tessuti in fibre di poliestere o con PTFE (politetrafluoroetilene) o silicone, nel caso di tessuti in fibre di vetro. Ambedue i tipi di membrane rispondo¬no molto bene all’utilizzo all’esterno.
I tessuti in poliestere spalmati con PVC rifiniti con una vernice a base di fluoropolimeri, accoppiano – alla bassa infiammabilità – notevole economicità, buone proprietà meccaniche e resistenza alla fessurazione quando sono ripiegati. Sono pertanto idonei a essere utilizzati per tetti retrattili. Presentano, anche, buona resistenza alla sporcizia. D’altra parte non sono indicati quando l’esposizione ai raggi UV è molto intensa o quando si è in presenza di forti variazioni della temperatura esterna.
L’altro grande gruppo di materiali rivestiti, i tessuti di fibre di vetro con PTFE, è caratterizzato da ottima durabilità e da incombustibilità. Inoltre, il basso coefficiente di adesione conferisce loro una superficie autopulente.
Un nuovo sviluppo dei tessuti in vetro prevede che il tessuto non sia spalmato con il polimero: su ambedue le facce è posto un film trasparente di PTFE. Il vantaggio risiede nell’aumento del grado di traslucidità (fino al 50%).
Le membrane tessute in vetro con PTFE e quelle poliesteri con PVC sono alternative le une alle altre in termini di resistenza meccanica. Le prime sono più costose. Il mediocre comportamento alle piegature e la maggiore tendenza all’abrasione del tessuto vetro – PTFE, rispetto al poliestere – PVC, richiede maggiore attenzione nella fabbricazione, nell’installazione e nella “vita” in genere di questo tipo di materiale.
Minore utilizzo hanno i tessuti in vetro spalmati con silicone poiché sono inadatti all’utilizzo esterno in quanto facilmente macchiabili.

Laminati

Le lamine, in genere, sono di ETFE, THV’ e PVC. Questi laminati sono estrusi e calandrati allo scopo di realizzare materiali con spessore costante. In questo modo si assicura anche uniformità di trasparenza. In alternativa i film soffiati, cioè prodotti mediante taglio lungo una generatrice del polimero gonfiato come un palloncino, sono idonei per costruzione di serre in agricoltura, non raggiungendo mai un alto livello qualitativo.
I migliori risultati si ottengono con i laminati a base di fluoropolimeri, quali 1’ETFE. Questi sono utilizzati anche in due o più strati nelle costruzioni pneumatiche (pressostrutture). Rispetto ad altri materiali polimerici trasparenti o al vetro essi offrono molti vantaggi:

  • basso peso specifico (meno di 1 kg/m1);
  • riciclabilità completa;
  • alta traslucidità ai raggi UV;
  • autopulizia.

Possono essere prodotte membrane microperforate in ETFE con buone proprietà acustiche in termini di assorbimento dei suoni.
I laminati in THV, polimero questo simile all’ETFE, sono molto meno utilizzati. Infatti, pur essendo trasparenti, elastici e di facile lavorazione. sono meno resistenti allo strappo rispetto ai laminati ETFE.
I laminati in PVC sono idonei per uso interno e per piccole campate. come per esempio nelle fiere per gli stand. La loro bassa resistenza li rende inadatti all’utilizzo esterno per applicazioni permanenti. Presentano. inoltre, un notevole scorrimento viscoso (creep). La resistenza allo strappo dipende dalla temperatura di esercizio. In questi ultimi tempi, per motivi estetici, si sono diffuse lamine in reti di acciaio inossidabile.

 

Giunture

Dopo il taglio dei teli o dei laminati, che può essere manuale o con macchine, le superfici sono unite per cucitura, per saldatura (ad alta frequenza o termica) o con adesivi. Oggi sono in commercio macchine computerizzate in grado di cucire e saldare.

Caratteristiche

Luce

La luce massima dipende, da una parte, dai calcoli strutturali della membrana e questi valori dipendono dal raggio di curvatura, dal vento e dal peso della neve. D’altra parte, le caratteristiche meccaniche del materiale rappresentano un fattore limitante. Alla luce di quanto sopra esposto non possono essere assegnati valori esatti. In linea di massima, si va da 1,5 m per una membrana a singolo strato, sino a 50 m per speciali membrane composte di tessuti spalmati.

Resistenza alla trazione

Si determina misurando il punto di rottura di una striscia di membrana di 5 x 20 cm. I valori sono espressi in kN/5 cm. La resistenza delle membrane varia da 0,2 kN/5 cm (laminati leggeri) a 10 kN/5 cm, nel caso dei tessuti spalmati.

Resistenza allo strappo

Si determina la resistenza offerta allo strappo da un campione di membrana quadrato o trapezoidale in accordo con le norme DIN 53356 oppure DIN 53363.

Durabilità

Le membrane utilizzate per uso esterno, sia in laminati sia in tessuti spalmati, devono essere resistenti ai raggi UV e all’esposizione all’atmosfera. Nelle membrane semoventi il fattore limitante è la resistenza al logoramento meccanico e la suscettibilità del materiale ai piegamenti.
Materiali che non contengono plasticizzanti e sono costituiti solo da fluoropolimeri, come i tessuti in vetro spalmati con PTFE o laminati di ETFE, non mostrano segni di deterioramento apprezzabile, in seguito all’esposizione al sole e all’atmosfera, anche dopo 25 anni di utilizzo.
I tessuti in poliesteri spalmati con PVC hanno, invece, una vita più breve: tra 15 e 25 anni. Tali membrane offrono, d’altra parte, alta sicurezza contro il pericolo d’incendio, per il lento collasso della membrana alle alte temperature.
Nel caso di utilizzo interno, per tutti i materiali si prevede una vita più lunga.

Infiammabilità

In genere è richiesta bassa infiammabilità corrispondente alla classe B 1 DIN 4102. Molti materiali sono non combustibili, hanno cioè classe A2 DIN 4102.

Effetto autopulente

La resistenza delle membrane alla sporcizia è un fattore importante sia per l’estetica sia per i costi di pulizia. Grazie alla loro struttura molecolare e alle caratteristiche delle superfici, i fluoropolimeri sono superiori a tutti gli altri materiali.

Colore

Le membrane costituite da tessuti poliesteri spalmati con PVC offrono la più ampia varietà di colori. Invece, nel caso dei tessuti in vetro spalmati con PTFE è possibile l’utilizzo di pochi colori poiché, per l’elevata temperatura raggiunta in fase di produzione, per questi materiali si devono adoperare solo pigmenti resistenti al calore.

Trasmissione luminosa

Si tratta di una caratteristica importante delle membrane. Il passaggio della luce può influenzare il risultato finale della struttura. Altrettanto interessante è la possibilità di utilizzare membrane che non lascino passare la luce: questo consente di effettuare all’interno delle strutture allestimenti particolari per manifestazioni quali rappresentazioni teatrali, convegni o riunioni.

Acustica

Il comportamento acustico dipende oltre che dalla forma anche dalla struttura del materiale. Lamine leggere microperforate raggiungono eccellenti valori di assorbanza. Quando è richiesto un elevato isolamento acustico, è necessario disporre diversi strati di membrane a opportuna distanza tra loro.

Isolamento termico

È chiaro che, nonostante la bassa conduttività termica delle materie plastiche, materiali con spessori di 0,2-1,5 mm, non possono offrire un buon isolamento termico. La soluzione è nel disporre un doppio strato con isolante interposto che ne aumenta la resistenza, anche se si riduce al contempo la capacità d’illuminazione naturale. Alternativa, è avere più membrane separate da strati di aria.

Polimeri utilizzati

Fluoropolimeri

I polimeri fluorurati possiedono prestazioni straordinarie, compensate però dall’alto costo. La principale caratteristica di questi polimeri risiede nel fatto che gran parte dei legami chimici presenti è del tipo C-F (carboniofluoro), uno dei legami covalenti a più alta energia. Ne consegue che le molecole sono molto stabili, in grado di sopportare alti livelli di sollecitazione termica e aggressione chimica, più di quanto riescano altri polimeri.
Le caratteristiche delle membrane in fluoropolimeri possono essere così riassunte.

  • Bassa adesione. L’energia superficiale è molto bassa, quindi offrono eccellenti prestazioni contro il bagnamento e l’adesione di sostanze estranee (per esempio sporcizia).
  • Resistenza ambientale. Sono trasparenti ai raggi UV, resistenti all’ossidazione e mantengono le loro proprietà anche a temperature molto al disotto di 0°C. Inoltre, sono resistenti all’attacco di microrganismi e non biodegradabili.
  • Trasmissione della luce. Possiedono elevati valori di trasmissione della luce e un indice di rifrazione basso.
  • Resistenza al degrado. Resistono agli aggressivi chimici in un ampio intervallo di temperatura.
  • Resistenza al calore. Alcuni polimeri fluorurati resistono a una temperatura di servizio superiore a 200 °C. – Resistenza al fuoco.
  • Resistenza all’usura. Basso coefficiente di attrito e quindi bassa abrasione.

La gamma dei polimeri fluorurati è assai diversificata. Il più noto è il politetrafluoroetilene (PTFE) indicato con le denominazioni commerciali più conosciute di Teflon, Fluon, Algoflon. Altri materiali della serie, di ampio uso, sono il copolimero etilene tetrafluoroetilene (ETFE), che però è dotato di caratteristiche di resistenza termica e chimica un po’ inferiori. e il THV un polimero di tetrafluoroetilene, ex afluoropropilene e vinili-denfluoruro, dotato di ottima resistenza chimica e stabilità ai raggi UV.

 

PVC

I polivinili costituiscono una classe di composti, a basso costo, ottenuti dalla polimerizzazione di molecole contenenti il radicale vinile. Il PVC, essendo piuttosto rigido, può essere usato per un numero esiguo di applicazioni se al materiale di base non sono aggiunte sostanze che lo rendano processabile e convertibile in prodotti finiti. In genere, il PVC è addizionato di stabilizzanti, lubrificanti, plastificanti ecc. Gli stabilizzanti sono indispensabili per evitare la degradazione del polimero durante la lavorazione o allorché è esposto all’aria. I lubrificanti sono aggiunti per facilitare la trasformazione del polimero e per ridurre l’attrito durante la lavorazione (calandratura, estrusione). I plastificanti sono aggiunti per rendere il materiale più flessibile.

Poliestere

Il poliestere ha catene principali d’idrocarburi contenenti legami esteri, da cui il nome. I gruppi esteri nella catena polimerica del poliestere sono polari, l’atomo di ossigeno carbonilico ha una carica in un certo senso negativa e il carbonio ha una carica in un certo senso positiva. Le cariche positive e negative dei diversi gruppi esteri si attraggono l’una con l’altra. Questo permette ai gruppi esteri delle catene vicine di allinearsi una con l’altra in materiali cristallini. I maggiori utilizzi di queste resine richiedono che la struttura molecolare del materiale sia orientata. L’orientamento (stiro) incrementa la resistenza a trazione e riduce la permeabilità ai gas e la trasmissione di vapor acqueo.
I poliesteri più comuni sono le resine polietilentereftaliche conosciute con i nomi commerciali di Dracon, Terital. Una particolare famiglia di poliesteri sono i policarbonati, materiali trasparenti utilizzati per realizzare laminati leggeri o vetri infrangibili.