utilizzo delle fibre naturali per la produzione di materiali sostenibili

UTILIZZO DELLE FIBRE NATURALI
PER LA PRODUZIONE DI MATERIALI SOSTENIBILI
Carlo Santulli
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SOMMARIO
 Opportunità e problemi
 Sostenibilità ambientale
 Materiali ottenibili (es., biocompositi)
 Situazione e prospettive
“Ma più saggia, ma tanto
Meno inferma dell'uom, quanto le frali
Tue stirpi non credesti
O dal fato o da te fatte immortali”
(G. Leopardi, “La ginestra, o il fiore del deserto”, 1837)
FIBRE IN NATURA
Cheratina
(piume, lana, mohair, cashmere, ecc,)
Fibre da proteine
(aminoacidi)
Fibre da polisaccaridi
(amido, cellulosa, ecc.)
Fibroina e sericina
(seta del baco e dei ragni)
Collagene
(tendini, precursore dell'osso)
Fibre del legno
Paglia (di grano, orzo, segale, farro, ecc)
Fibre da piante legnose
Fibre da piante erbacee
Cellulosa animale (alghe, tunicati)
e batterica (Acetobacterium, p.es.)
Chitina/chitosano (da molluschi)
Amianto
Fibre minerali
Altre
(wollastonite, attapulgite, halloysite)
PRODOTTI IN FIBRA A BASE DI CELLULOSA
Naturali
Estratti dalle piante
(stelo, foglia, frutto, seme)
Rayon
Lyocell
Artificiali
Cellulosa ricostituita
Viscosa
Acetato di cellulosa
I prodotti artificiali possono in realtà
essere costituiti da miscele variabili
di cellulosa e di lignina con altri additivi
Derivati (es. Arboform)
ESEMPIO DI PRODOTTO: ARBOFORM
L'ARBOFORM® sono miscele di polveri pressate a caldo da lignina, scarti di
legno ed additivi naturali. Hanno delle proprietà notevoli risultando superiori
ai laminati di legno sia meccanicamente che come resistenza al fuoco.
In questo caso, la variabilità del contenuto di lignina e di additivi è dichiarata dal
produttore.
Confronto proprietà Arboform
con laminati e truciolato
Prove di resistenza alla fiamma
COMPOSIZIONE TIPICA
DI ALCUNE SPECIE VEGETALI
%
A g a v e J u ta
C e llu lo s a 7 8
E m ic e llu lo s a1 0
L ig n in a
8
64
12
12
L in o
64
17
2
C a n a p aP a lm a d a o Clioo c c o
70
18
4
65
~ 0
19
43
45
< 1
L e g n o d u ro
R a m ié
(e s . P io p p o )
72
45
15
20
< 1
30
La composizione dipende tuttavia da:
 Origine geografica e maturità biologica delle fibre
 Modalità ed efficienza di estrazione
 Condizioni climatiche
(specie per quanto riguarda il contenuto di umidità)
Per altro, si intende pectina, ceneri, cere ed umidità
COMPONENTI STRUTTURALI
DELLE FIBRE VEGETALI
• Cellulosa (regolare, lineare,
tendenzialmente cristallina,
forma fibrille e fibre,
abbastanza idrofobica,
tendente a rigonfiare)
• Emicellulosa (irregolare, non
strutturale, semicollosa,
idrofilica)
• Lignina (condensata, molto
reticolata, assolutamente
idrofobica)
Si è parlato di un rapporto di “amore-odio” tra questi tre componenti,
pur essendo tutti e tre a base di polisaccaridi: hanno proprietà
molto diverse, ma in effetti assicurano tutti la tenuta delle fibre.
STRUTTURA DELLE FIBRE NATURALI
(es. cellulosiche): GERARCHIZZAZIONE
Le principali caratteristiche delle strutture gerarchizzate sono:
• La costruzione della struttura dalla ripetizione di unità cellulari
(“dal basso”),
• La variabilità del prodotto ottenuto
(la “correzione” dei difetti avviene progressivamente)
GERARCHIZZAZIONE E LEGGEREZZA
(STRUTTURE CELLULARI)
Struttura interna
della piuma di un uccello
Fibra di ananas
Fibre di ibisco
Il contenuto di vuoto nelle strutture vegetali è elevatissimo, del tutto
paragonabile a quello di strutture animali, come le piume, però la
densità è notevolmente diversa, essendo da 0.4 a 1.5 circa contro
lo 0.05-0.1 delle piume, per via della presenza di fluidi e per il fatto delle
parti della pianta contenenti una maggior quantità di lignina
STRUTTURE CELLULARI NATURALI:
I VARI TIPI DI CELLE DELLE PIANTE
COLLENCHIMA
(vasti spazi intercellulari)
PARENCHIMA
(poligoni con 12-14 lati)
SCLERENCHIMA
(pareti cellulari spesse e lumen)
EPIDERMIDE
(cellule piatte e allungate
di forma variabile)
CARATTERISTICHE STRUTTURALI
CHE FACILITANO L'IMPIEGO DELLE FIBRE
Massima lunghezza utile
della fibra estraibile
Sezione “quasi” cilindrica
Resistenza a rottura, al piegamento,
all'attorcigliamento (twisting)
Facilita l'impiego nei materiali compositi
Consente di creare strutture con meno difetti
Riduce la necessità del trattamento
Permette di filare e tessere le fibre
Rende più facile l'impregnazione con resine
Essenziale nella produzione di tessuti,
cordami, reti, strutture di supporto
GEOTESSILI (protezione dall’erosione)
In fibra di cocco
(1 e 2)
In fibra di juta
(3)
1
2
Applicazione alla sponda d'un fiume
3
I geotessili in fibre naturali, invece che in polietilene o poliestere, possono
essere meglio orientati alla piantumazione ed alle caratteristiche chimiche del suolo.
GEOCOMPOSITI
Un geocomposito è costituito da una combinazione di geotessili o strutture a
rete (in funzione della dimensione decrescente delle maglie si parla di
geogrids, geonets e geomembrane) in un’unità industriale.
Ognuna di queste quattro tipologie di materiale può essere combinata con un
ulteriore materiale (p.es., laminati plastici deformati o cavi d’acciaio) o
persino col suolo.
Recentemente sono stati
sviluppati anche geocompositi
formati da poliuretani biodegradabili
ottenuti da residui di lignina o dalle
cosiddette “melasse di lignina”, ottenute
come sottoprodotto dell'industria della
carta.
Le notevoli proprietà meccaniche
li rendono promettenti come
geostabilizzatori.
IL LINOLEUM
Migliore penetrazione del colore
nel linoleum rispetto al PVC
Il linoleum è costituito da olio di lino, farina di legno,
farina di sughero, pigmenti coloranti calandrati
su un tessuto di juta naturale.
Ha quindi una struttura molto simile ai geocompositi,
anche se gli utilizzi non coinvolgono il contatto
fisico e chimico col suolo.
Risulta superiore dal punto di vista della resistenza
alla penetrazione da parte dell'ameba
e quindi dal punto di vista della resistenza antibatterica
rispetto ai laminati di pino o di faggio, specialmente
dopo anni di utilizzo.
Recentemente si parla di trattamenti anti-odore ̈
che evitino lo sviluppo delle aldeidi dovute alla
degradazione degli acidi grassi dell'olio di lino,
come l'acido linoleico, linolenico ed oleico.
Rispetto ai prodotti vinilici con cui è in competizione, il linoleum è simile quanto
a flessibilità e durabilità, e può risultare inizialmente meno brillante e traslucido,
anche se col tempo la differenza si attenua.
Il PVC è meno infiammabile, ma la (relativa) infiammabilità è dovuta ai composti clorurati
che poi in caso di incendio rilasciato diossine.
FATTORI PER LA SELEZIONE DELLE FIBRE

Costi di trasporto (le fibre locali possono essere
preferibili)

Adattabilità all'applicazione

Trattamento richiesto per il miglioramento delle proprietà

Aspetti ambientali (LCA: Life Cycle Analysis)

Aspetti biologici (origine e maturità delle fibre,
estrazione)
Il lino può essere assunto come esempio per l'impatto ambientale
di qualunque fibra estratta da stelo (juta, canapa, kenaf, ecc.).
L'estrazione di fibre da foglia presenta maggiore impatto sulla filatura,
di solito più difficile e che richiede più trattamenti chimici.
USO DELLE FIBRE VEGETALI
(cellulosiche, ligno-cellulosiche):
MOTIVI PRINCIPALI
Ambiente
Significatività locale
Biomimetica
Sostenibili
Biodegradabili
Possibile accoppiamento con altri
materiali biodegradabili
(biopolimeri, materiali di scarto,
altre fibre vegetali)
Tecnologie tradizionali
Filiere corte
Recupero d'immagine
Piante come “strutture” naturali
STRUTTURE ALTERNATIVE
Luffa cylindrica (spugna vegetale)
Finora il valore delle fibre è stato dato
dalla possibilità di tesserle
in modo strutturato ed ordinato.
Ci sono tuttavia fibre che formano dei
tessuti semi-spontanei (fico d’india)
od una specie di massa dura e
spugnosa (luffa)
Cladodo di un fico d'india
PROBLEMATICHE
DELLE FIBRE NATURALI
Assorbimento di umidità
Attacchi di microbi e funghi
Disponibilità variabile
Stagionale: spesso un solo raccolto annuale
Degradazione a circa 200°C
Proprietà molto variabili
Con la zona d'origine
Col tempo di raccolta
Col metodo d'estrazione
APPLICAZIONI PIU' O MENO STRUTTURALI
Nastro di abaca
Stuoia di agave sisal
Spago di lino
Fune di canapa
Tessuti di juta
Borsa di agave
henequen
Tessuto intrecciato a tubo
di canapa
LA SCELTA POSSIBILE
Fibre dallo stelo
Juta, lino, canapa, ibisco, ginestra…
Fibre dal seme
Cotone, kapok
Fibre dal frutto
Noci di varie palme (p.es., cocco)
Fibre dalla foglia
Ananas, banana, formium, palme…
Inoltre, in funzione delle caratteristiche fisiche delle fibre, si possono ottenere tessuti
di diverso tipo (esempi sono mostrati sotto) oppure stuoie non tessute o feltri
LA GINESTRA E L'ORTICA
La ginestra ha avuto un significativo
periodo d'interesse prima dell'ultima
guerra, anche per motivi legati alla non
disponibilità delle materie prime
per cordami, tende e tessili resistenti.
.
In Italia tra il 1937 ed il 1946 sono stati
in funzione 60 ginestrifici sperimentali,
localizzati in particolare in Toscana
ed in Calabria, dove alcuni di essi erano
preesistenti, come a Longobucco.
Si era creata una filiera di lavorazione della ginestra,
che oltretutto è una pianta, come p.es. anche la robinia,
molto efficace nella protezione dall'erosione.
Piante in origine infestanti ricevono recentemente
maggior attenzione, anche d'immagine, come per esempio
l'ortica, che ha una lunghissima tradizione di utilizzo nel
tessile in molti paesi del mondo, o la Vetiveria
Zizanoides (una varietà di erba tipica del Sud-Est asiatico),
dalle radici della quale si estrae un olio essenziale.
Nastro di ortica (Nepal)
E NATURALMENTE LA CANAPA…
Usi tradizionali (e meno) della canapa:

Cordami

Carta

Supporti per allevamento di animali

Tessili e fibre per compositi

Pannelli isolanti per edilizia

Usi medicinali e cosmetici

Biomasse per etanolo e metanolo
La coltivazione della canapa è stata
gradatamente ridotta dagli anni '60,
anche in seguito ad accordi internazionali.
Le tipiche colture a canapa del Piemonte,
della Campania, dell'Emilia o della Valnerina
sono state trasformate in altre colture per uso
alimentare o abbandonate.
Produzione di canapa a livello mondiale
CANAPA ED AUTARCHIA
“Dissertazioni sulla canapa”
(Grazia, 1941)
“Orti di guerra” (Roma 1940-41)
La canapa, che ha tecnologie di estrazione molto più semplici rispetto alla
ginestra, ha avuto anch'essa un notevole successo durante il periodo
dell'autarchia, insieme ad iniziative didattiche, oltre che economiche, come gli orti
di guerra.
IL RITORNO DELLA CANAPA
Antichi telai per la lavorazione della canapa
Macerazione
Musei dellla canapa sono presenti a Sant'Anatolia di Narco (PG), Pisoniano (Roma),
Carmagnola (Torino), mentre coltivazioni sperimentali sono di nuovo attive,
per esempio ad Acerra (NA) ed a Scarlino (GR), grazie alla disponibilità di varietà
di canapa a bassissimo contenuto di cannabinoidi.
RUOLO DELLE FIBRE NELLA COLTIVAZIONE
Prodotti di scarto
di coltivazione polivalente
Cocco
Prodotti di scarto
di coltivazione monovalente
Sedano
Prodotti importanti/primari
di coltivazione in sviluppo
Lino
Prodotti importanti/primari
di coltivazione in declino
Canapa
Prodotti unici
di coltivazione spontanea
Ginestra
Agave?
Interesse
economico
Necessità
incentivi
La noce di cocco per esempio...
Dove sono le fibre del cocco
Separazione
Estrazione
Tessitura
Le fibre estratte dalla noce di cocco presentano una serie di vantaggi: sono
molto vicine al legno come composizione, non richiedono macerazione per
l'estrazione, sono inserite in una filiera industriale che dà anche altri prodotti ed
inoltre sono state utilizzate tradizionalmente per millenni in alcuni paesi (es. Sri
Lanka, Kerala nell’India meridionale)
In particolare, la filiera diviene particolarmente interessante ed a “valore aggiunto”
nel momento in cui si ha la possibilità di produrre bio-combustibili e/o bio-masse
ESTRAZIONE (RETTING)
L'estrazione permette la rimozione della pectina dalle fibre
(in particolare quelle estratte dallo stelo, cioè decorticate)
Estrazione naturale per macerazione
(in campi allagati, ad opera dei batteri)
Estrazione enzimatica (lino)
per mezzo di pectinasi
(danneggia meno le fibre)
Se non si ottengono sufficienti proprietà meccaniche,
può essere necessario un trattamento delle fibre
TRATTAMENTI
Sbiancamento
(uniformazione di colore)
Asportazione materiale non strutturale
e regolarizzazione di forma
Ipoclorito di sodio (candeggina)
Ipoclorito di sodio (candeggina)
Soda caustica (trattamento generale)
Acetilazione
Benzoilazione
Effetto di applicazione di soda caustica
su fibre di cotone
Ricopertura/protezione
Anidride maleica
Silanizzazione
Gommalacca
Si possono poi avere trattamenti fisici, come per esempio quello con raggi ultravioletti
o attraverso una scarica elettrica (effetto corona)
Specie vegetali utilizzate
per produrre materiali
sostitutivi della vetroresina:
(l'elenco potrebbe non essere esaustivo)
La maggior parte delle fibre
vengono o estratte dalle foglie
di grandi strutture vegetali
(tipicamente esotiche: es., palme,
banani, agavi, canne),
oppure dallo stelo di arbusti
(malvacee, linacee).
Alcuni tentativi si sono fatti dalle
leguminose, dalle graminacee e
dalle urticacee (es. ramié), per la grande
disponibilità e spontaneità.
Eccezioni: fibra di cocco, fibra di ananas,
fibra di kapok (simile al cotone
con estrazione di filamenti dal seme)
VANTAGGI DEI COMPOSITI IN FIBRA VEGETALE
PER USI STRUTTURALI
• Basso peso delle fibre
(densità da 0.8 ad 1.6; densità fibre di vetro 2.5)
• Possibilità di produrre ibridi contenenti sia fibre vegetali che
fibre di vetro
• Accoppiamento con matrici biodegradabili (biopolimeri):
termoplastiche, p.es. amido-sorbitolo o acido polilattico, o
epossidizzate, p.es a base di olio di ricino o di soia, per
ottenere un composito completamente sostenibile e
biodegradabile
COMPOSITI IN FIBRA VEGETALE
RESISTENTI ALL'IMPATTO?
Fattori determinanti:

Selezione delle fibre con fattori oggettivi

Considerazione dell'ibridazione nel senso più generale possibile

Il trattamento (se richiesto) non deve annullare i benefici
ambientali

Generazione di una vasta base di dati di prove di impatto e
post-impatto, per conoscenza del comportamento fino a
penetrazione (ed anche oltre, per l'impatto balistico)
ESEMPIO DI POSSIBILE APPLICAZIONE
Materiali utilizzati:
Abaca
Lino Francia
Lino Lituania (due tipi)
Juta Bangladesh
Pannello portiera
(Volvo)
Anche nella Mercedes serie A
sono stati introdotti tra l'altro
pezzi in composito in fibra di
banana
La Trabant, nota vettura della
Germania Est, aveva una carrozzeria
in resina fenolica rinforzata con scarti
dell'industria tessile.
Il prototipo viene stampato per compressione con
Contenuto
fibre: 30 o 40%
polipropilene
standard per usi autmobilistici.
Si è anche tentato uno stampaggio con resine a base
di amido (mais/patate, sorbitolo, acido polilattico)
Un composito automobilistico dedicato recentemente
sviluppato è il Biotex (PLA/fibra di lino).
IBRIDAZIONE
Vetroresina-lino
L'ibridazione è una soluzione
possibile per ridurre l'impatto
ambientale quando sono richieste
prestazioni particolarmente elevate.
BIOPOLIMERI
BIOPOLIMERI:
Polimeri ottenuti da sorgenti naturali
biodegradabili e non tossici da produrre
rinnovabili,
spesso
Sintetizzati chimicamente da
Prodotti da sistemi biologici
molecole di origine biologica
Esempi:
Piante
Animali Micro-organismi
Dall'amido
Da zuccheri
Da oli o grassi
35
POLIMERI IN NATURA
POLISACCARIDI
(es. amido: da polpa o bucce di frutti e tuberi)

POLIESTERI TERMOPLASTICI (PHA)
(da cellulosa o legno fermentato)


PROTEINE (dalle fibre animali)

GOMMA NATURALE (dall'albero del caucciù)

GOMMALACCA (shellac) (dall'insetto Kerria Lacca)
LIGNINA
(dal legno o da fibre legnose estratte dal fusto di piante)

36
APPLICAZIONI POLIMERI BIODEGRADABILI
Imballaggio (packaging)
Orticultura
Raccolta differenziata
Tessili (se formati in fibre)
Collanti per compositi (binder)
Resine per compositi (specie con fibre naturali: materiale interamente
bio-degradabile)
Applicazioni biomediche (es. protesi, sistemi per il rilascio dei
medicinali) (materiali biocompatibili e in qualche caso assorbibili)
E' importante vedere se c'è una sovrapposizione di utilizzi con le fibre
naturali (l'inserimento delle fibre naturali può anche essere visto come
utilizzo di materiali di scarto, i cosiddetti “agrowaste”)
37
DEFINIZIONI (ASTM D-6400)
DEGRADAZIONE: Processo irreversibile, che porta ad un cambiamento della
struttura del materiale, sotto forma di perdita di proprietà meccaniche,
danneggiamento, frammentazione o depolimerizzazione. La degradazione è
influenzata dall'ambiente e può presentare una velocità costante o variabile
nel tempo
POLIMERI BIODEGRADABILI:
Materie plastiche degradabili per effetto di micro-organismi naturali, come
batteri, funghi o alghe
POLIMERI COMPOSTABILI:
Materie plastiche che si degradano durante il compostaggio, liberando anidride
carbonica, acqua, composti inorganici e biomassa ad una velocità di
degradazione compatibile con quella di altri materiali compostabili
COMPOSTABILITA'
Misurata in condizioni simulate con un'analisi finale della qualità del compost
ottenutio in seguito a processi di degradazione meccanica, termica e chimica
POLIMERI TERMOPLASTICI
A BASE DI AMIDO
E' importante sapere se ci sono o meno
cariche minerali, che vengono aggiunte
in quantità variabile a seconda delle
caratteristiche meccaniche richieste:
p. es. talco, argilla,
anche in forme diverse
(v. sotto), carbonato di calcio
Alcuni prodotti dall'amido: Mater-Bi (mais), Solanyl (patata), Plantic (mais),
Vegemat (mais), Polytriticum (glutine), Cereplast (acido polilattico), Braskem (polietilene da zucchero), NatureWorks (acido polilattico), o dai trigliceridi: Cognis
Tribest (acrilato dall'olio di soia)
CONCLUSIONI
Le fibre naturali possono avere interesse per materiali sostenibili,
posto che si tanga conto dei seguenti fattori:
•
•
•
•
•
•
Presenza di filiere locali e di tecnologie tradizionali
Valutazione dell'impatto ambientale di un eventuale
trattamento
Compatibilità con possibili utilizzi con biopolimeri
Diversificazione degli impieghi e rinnovo dell'immagine
Attenzione didattica alla cultura rappresentata dalla fibra
Possibilità di creazione di ibridi o di compositi di qualità
“controllabile” per miglioramento delle proprietà specifiche