Compositi in fibra cellulosica per uso strutturale, Università dell ...

SELEZIONE DELLE FIBRE CELLULOSICHE
PER COMPOSITI STRUTTURALI
Carlo Santulli
Università di Roma – La Sapienza
Dipartimento di Ingegneria Chimica, Materiali e Ambiente
carlo.santulli@uniroma1.it
SOMMARIO
Composizione delle fibre vegetali
Il problema della selezione delle fibre
Aspetti ambientali ed economici
Applicazioni resistenti ad impatto o applicazioni “cosmetiche”
Possibili alternative (es. cellulosa non da fibre)
Proprietà ad impatto e microstruttura
Ibridazione con fibre di vetro, con altre fibre vegetali, ecc.

PERCHE’ L’IMPATTO
Problema frequente nel servizio
Caduta oggetto estraneo
Danneggiamento per urto
Requisito per utilizzo strutturale
Perdita proprietà meccaniche
Valutazioni sulla sostituzione
del pezzo danneggiato
Anche su un guscio di telefonino
(p.es. in PLA/kenaf)
le proprietà ad impatto possono avere importanza

FIBRE IN NATURA
Cheratina (piume, lana, mohair,
cashmere, alpaca, 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)
Fibre minerali
Amianto
Basalto
Altre
(wollastonite, attapulgite, halloysite)

PRODOTTI IN FIBRA A BASE DI CELLULOSA
Naturali
Estratti dalle piante
(stelo, foglia, frutto, seme)
Artificiali
(cellulosa aspecifica)
Viscosa (soluzione)/Rayon (fibra filata)
Acetato di cellulosa
(fibra e plastica)
Lyocell (cellulosa frantumata in N-metilmorfolina-N-Ossido-monoidrato)

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

RUOLO DELLE FIBRE NELLA FILIERA
Prodotti di scarto
di coltivazione polivalente
Prodotti di scarto
di coltivazione monovalente
Prodotti importanti/primari
di coltivazione in sviluppo
Prodotti importanti/primari
di coltivazione in declino
Cocco
Ananas
Lino
Juta
Prodotti unici
di pianta spontanea
Agave Canapa
Ginestra/
Ortica
Interesse
economico
Necessità
incentivi

In particolare, la filiera diviene più interessante ed a “valore aggiunto”
se si ha la possibilità di produrre bio-combustibili e/o bio-masse

APPLICAZIONI PIU' O MENO STRUTTURALI
Nastro di abaca
Reti geotessili in fibra di cocco
(protezione dall'erosione)
Stuoia di agave
Fune di canapa
Tessuto intrecciato a tubo
di canapa
Tessuti di juta
Borsa di agave
henequen
Spago di lino

PROPRIETA' MECCANICHE MATERIALI NATURALI
(diagrammi di Ashby-Wegst)
La maggior parte delle fibre naturali, essendo polimeri
che usano l'acqua come solvente, hanno una densità vicina ad 1.

COMPONENTI DELLE FIBRE VEGETALI
Le fibre vegetali sono costituite da tre tipi di polisaccaridi strutturali:
• Cellulosa (regolare, lineare, tendenzialmente cristallina, forma fibrille
e fibre, abbastanza idrofobica, tendente a rigonfiare)
• Emicellulosa (irregolare, non strutturale, semicollosa, idrofila)
• Lignina (condensata, molto reticolata, assolutamente idrofobica)
Cellulosa
Una struttura dell’emicellulosa (xilano)
Ci sono due principali forme
di cellulosa, la Cellulosa I
(o cristallina) (orientata)
e la Cellulosa II (o amorfa).
Precursori lignina
Pectina
Le altre componenti, come la pectina (altro polisaccaride), umidità, cera e ceneri
hanno effetto negativo sulle proprietà meccaniche

LIGNINA E PRODOTTI
La lignina può offrire vari prodotti, p.es.:
Additivi per matrici polimeriche
Bioregolatori (crescita piante)
Biomasse
Polioli (per la produzione di polimeri,
p.es. nella catena dei poliuretani)
La cellulosa si distingue per un maggiore
ordine strutturale (orientazione preferenziale)
Alcuni prodotti basati sulla lignina, come l'Arboform
(legno liquido), che con aggiunta di resina cellulosica
forma una bioplastica facilmente termoformabile,
utilizzabile anche per pezzi di forma complessa.

STRUTTURA DELLE FIBRE
LIGNOCELLULOSICHE: GERARCHIZZAZIONE
La struttura portante delle fibre vegetali sono microfibrille di cellulosa disposte ad elica secondo
un angolo dipendente dalla specie e dall’origine della pianta (angolo microfibrillare).
Le principali caratteristiche delle strutture gerarchizzate sono:
•Costruzione della struttura dalla ripetizione di unità cellulari (“dal basso”)
•Correzione progressiva dei difetti durante la crescita
Si tratta di un approccio diverso alla progettazione (auto-assemblaggio o design biomimetico).

FIBRE DI CELLULOSA
Le fibre di cellulosa si possono modellare
come formate da micro-fibrille con parti orientate
(cristalliti) e parti in direzione random (amorfe),
ovvero parti in cellulosa I e parti in cellulosa II
(altre forme meno comuni, annch’esse amorfe
sono state definite come III e IV).
La sollecitazione richiede la ri-orientazione
delle parti amorfe nella direzione del carico.
In pratica si parla di parti della fibra “spostate”
rispetto all’asse principale (o “kink bands”)
In generale, è comune nelle strutture biologiche un miglioramento
delle prestazioni per interposizione di parti più resistenti e più deboli

MICROSTRUTTURA DI UNA FIBRA VEGETALE
Filamenti di forma irregolare (4-12 µm) con lumen interno e struttura composita
fino al livello cellulare (materiale legno-cellulosico rinforzato con bande
elicoidali di cellulosa)
L'angolo microfibrillare, formato dalle eliche, dipende, oltre che dalla specie, dalla
maturità delle fibre, ed influenza la loro resistenza e lunghezza: il modulo
elastico delle fibre decresce con l’aumentare dell’angolo microfibrillare
Modificazioni progressive del diametro e del lumen
in una fibra di cotone durante il trattamento
di mercerizzazione (con soda caustica)
Lumen della fibra di Phormium Tenax
Variazione del modulo elastico con l’angolo microfibrillare

RESISTENZA MECCANICA FIBRE
NATURALI
• La resistenza delle fibre naturali, essendo variabile per un gran numero di
fattori, può essere valutata da calcoli probabilistici secondo la teoria di Weibull
(o dell’anello debole), tenendo presente che la fibra naturale non è uniforme,
ma è costituita da un certo numero di segmenti.
Inoltre, siccome le fibre
naturali hanno diametro
(oltre che porosità) variabile,
anche il volume V del rinforzo
sarà variabile.
Infine, dato che i difetti aumentano
proporzionalmente alla lunghezza
delle fibre, al di là di un certo valore
di tratto utile, tutte le fibre naturali
tendono a degradare le loro proprietà
meccaniche.

IMPORTANZA DEL LUMEN DELLA FIBRA
“Technical plant stem”
(rinforzo per composito fibrorinforzato biomimetico)
(Milwich et al., Patent, Freiburg, 2006)
“Bleeding composites”
Le fibre forate possono fornire una migliore
visualizzazione del danneggiamento e
possibilmente autoripararsi (self-healing)
(Bond, U. of Bristol, 2003)
Maggiore funzionalità
Le fibre forate possono fornire un migliore isolamento termico ed elettrico
(bio-dielettrici)

VANTAGGI DEI COMPOSITI IN FIBRA VEGETALE
• 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 (o
altre)
• Accoppiamento con matrici biodegradabili (biopolimeri): termoplastiche, p.es.
amido-sorbitolo o acido polilattico, o epossidizzate, p.es a base di olio di ricino,
di soia o cardanolo, per ottenere un composito completamente sostenibile e
biodegradabile
Anacardi e cardanolo
(alcool aromatico)
Per entrare in certi settori (es., nautica),
è necessaria la disponibilità di matrici termoindurenti

PROBLEMI NELLA PRODUZIONE
DI COMPOSITI IN FIBRA VEGETALE
• Estrazione delle fibre (che normalmente le danneggia)
• Sensibilità al contenuto di umidità
• Anisotropia delle fibre (anche nella direzione di carico)
• Scarsità di dati dinamici (es., impatto, fatica)
Geometrie irregolari
Fratture complesse
Scarsa adesione tra
fibra e matrice
Struttura composito
juta/poliestere
Frattura di una fibra
di okra bahmia
Fibrillazione canapa

FATTORI PER LA SELEZIONE DELLE FIBRE
Costi di trasporto (le fibre locali possono essere preferibili: “zero km”)
Adattabilità all'applicazione
Trattamento richiesto per il miglioramento delle proprietà
Aspetti ambientali (LCA: Life Cycle Analysis)
Aspetti biologici (origine e maturità delle fibre, estrazione)
Appartenenza ad un “sistema produttivo” complesso
Esistenza di tecnologie tradizionali
Sistema produttivo: per esempio il lino può servire anche alla
produzione di fibre per abbigliamento, cordami,
olio (per usi alimentari, medici, cosmetici e bio-diesel),
semi per usi commestibili (mangimi).

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, 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)

COMPOSIZIONE TIPICA DELLE FIBRE
VEGETALI PIU' USATE NEI COMPOSITI

Proprietà meccaniche e densità delle varie fibre naturali:
la grande variabilità nei diametri è dovuta alla necessità di isolare
la “fibra tecnica”, cioè il minimo insieme di filamenti su cui si possano effettuare
operazioni meccaniche, dalla trazione alla torcitura.

ESTRAZIONE (RETTING)
L'estrazione permette la rimozione della pectina dalle fibre
(in particolare quelle estratte dallo stelo, cioè decorticate)
Estrazione naturale (macerazione)
(in campi allagati, ad opera dei batteri)
Estrazione enzimatica (lino)
per mezzo di pectinasi
(danneggia meno le fibre)
Per aumentare la durezza superficiale delle fibre ottenute e/o per consentirne l’incorporazione
in una matrice polimerica, può essere necessario un trattamento (di solito chimico)

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.

Esperienze di ripresa della coltivazione della canapa in Italia (Scarlino (GR))
Campo di canapa prima della cimatura (luglio)
(Assocanapa)

PARTI E PRODOTTI DELLA PIANTA DI CANAPA
Foglie Stelo e corteccia Semi
Fusti di canapa, da cui:
Fibre lunghe (da tessere)
Fibre corte (per stuoie)
Canapulo
Cellulosa (per carta, p.es.)

La fitorimediazione è una possibilità per rendere più sostenibile la filiera
(posto che le fibre naturali non vanno piantate su nuovi terreni)

CATENA PRODUTTIVA STUOIE DI CANAPA
RACCOLTA TRASPORTO DECORTICAZIONE DEFIBRATURA
ASCIUGATURA BINDING STRATIFICAZIONE PRESSATURA

GRAFTING DELL'ANIDRIDE MALEICA
SUL POLIPROPILENE
L'anidride maleica forma dei legami con la catena del polipropilene tali
da aumentare la compatibilità delle fibre vegetali.
Questo permette un più efficiente utilizzo di procedimenti industriali,
come lo stampaggio a compressione e l'uso combinato di fibre polimeriche e
di rinforzo (commingling)

TRATTAMENTI BASATI SUI SILANI
I silani organo-funzionali sono sostanze ibride, nel senso di mostrare sia
caratteristiche organiche sia inorganiche. Possono essere utilizzati come
modificatori di superficie (riducendo la natura idrofila delle fibre) o come
agenti di accoppiamento.

APPROCCIO AI COMPOSITI STRUTTURALI
IN FIBRA VEGETALE
Matrici polimeriche
Fibre vegetali
(cellulosiche)
Compatibilità
(adesione fibra-matrice)
Proprietà dinamiche
(impatto, fatica)
Aspetti ambientali
(Life Cycle Analysis)
Database

IMPATTO A CADUTA DI PESO (IFW)
Le prove di impatto bidimensionale (ASTM D7136)
consentono di avere informazioni su:
Caratterizzazione del danneggiamento
Evoluzione del danneggiamento con l'energia di impatto
Comportamento di isteresi meccanica (assorbimento di
energia) ed energia di penetrazione del materiale
Il danneggiamento può dipendere tuttavia dalle proprietà
locali del composito (crossover damage)
Altri fattori che possono influenzare la propagazione e la
gravità del danneggiamento sono la geometria e la
dimensione dell'impattatore ed il modo in cui il provino è
supportato (vincolato con un piatto di acciaio forato, o
appoggiato in un sistema di flessione)
L'impatto bidimensionale a caduta di peso si differenzia dall'impatto monodimensionale
con pendolo (Charpy, Izod: ISO256), dove invece si misura soltanto l'energia assorbita
e la dispersione dei dati è maggiore per effetto delle proprietà locali

PROBLEMI PRATICI NELL'ESEGUIRE
PROVE D'IMPATTO A CADUTA DI PESO
SU COMPOSITI IN FIBRA VEGETALE
Necessità di basse energie
Le torri per impatto a caduta di peso divengono di solito
imprecise per altezze di caduta al di sotto dei 100 mm.
E' pertanto ragionevole, per ridurre l'energia, usare
masse le più piccole possibili.
Modi di smorzamento complessi
E' molto difficile predire le modalità di smorzamento,
anche in termini di energia assorbita, di materiali tanto
anisotropi, come i compositi in fibra vegetale.
Applicazione del carico (vincolo),
effetti locali
Oltre alla dipendenza dal modo di applicazione del carico,
gli effetti locali possono avere un forte effetto
(per es., incroci trama-ordito in compositi tessuti)
ed anche la geometria e dimensione dell'impattatore.
Conseguenza: mentre in generale le prove d'impatto a caduta di peso
sui compositi danno all'incirca lo stesso danneggiamento, a pari energia,
comunque ottenuta (quale massa da quale altezza),
questo non è per nulla certo per i compositi in fibra vegetale.

MODI DI ASSORBIMENTO DI ENERGIA E
INNESCO E PROPAGAZIONE DEL DANNEGGIAMENTO
DURANTE L'IMPATTO
Si può distinguere tipicamente quattro fasi in un evento d'impatto su compositi:
(1) propagazione dell'onda di tensionamento durante caricamento elastico, (2) schiacciamento,
(3) rotazione (4) danneggiamento globale (con penetrazione)
oppure recupero elastico (con rimbalzo).
L'aspetto del danneggiamento sulla faccia impattata del composito in fibra vegetale,
quando il provino è vincolato, di solito comprende proporzioni variabili di danneggiamento
circonferenziale e danneggiamento radiale con “croce” visibile.

MODALITA' DI DANNEGGIAMENTO
AD IMPATTO
Santulli-Cantwell, 2000
In In compositi con con sufficiente adesione all'interfaccia, per per basse velocità di di
impatto (no (no penetrazione, trascurabile vibrazione del del laminato) le le cricche
della matrice si si dispongono “a “a pino pino rovesciato” (Abrate 1988).
Questo è vero vero anche per per i i compositi rinforzati con con fibre fibre vegetali.

INFLUENZA DEI DIFETTI
Difetto nella matrice
Danneggiamento ad ad impatto
innescato da da difetti superficiali
in in un un laminato fibra di di lino/matrice epossidica

INFLUENZA DELL'ORIENTAZIONE DELLE FIBRE
(compositi in fibra di canapa e resina epossidica)
Fibre unidirezionali
Fibre orientate a 0/90
Fibre orientate random
Il diametro non costante delle fibre
naturali, anche se trattate, e la non
totale compatibilità con la matrice
causa una notevole variazione
nell'orientazione delle fibre nelle stuoie
e rende poco prevedibili le proprietà
ad impatto.
Con l’utilizzo di tessuti di rinforzo
questo problema è ridotto.

STUDIO DELLE CURVE DI ISTERESI
DELLE PROVE D'IMPATTO

ISTERESI ED AREE
Si possono individuare tre tipi di
aree nei cicli di isteresi ad impatto:
A1, che rappresenta l'assorbimento
di energia elastico (fino al carico max),
A2 che rappresenta la deformazione
plastica e la rotazione,
A3 che rappresenta l'energia di
restituzione elastica (nel caso di rimbalzo)
oppure l'energia di attrito (o smorzamento)
conferita dal materiale all'impattatore
(nel caso di penetrazione).
La curva in alto si riferisce ad un
provino di lino-epossidica al 50% in peso
di fibre, mentre quella in basso ad un
provino in formium-epossidica al 15% in
peso di fibra.

IMPATTO BALISTICO
Juta/polipropilene
Rigonfiamento localizzato da entrambi
i lati del percorso del proiettile.
Delaminazione della faccia non impattata
(spalling) (minori ostacoli all'apertura di cricca)
Canapa-polipropilene
Ingrandimento del foro provocato
verso la faccia non impattata
Il modo di frattura prevalente
cambia durante la penetrazione
(Wambua et al., 2007)

INTORNO AL LIMITE BALISTICO
(canapa-polipropilene)
L50 (limite balistico) (qui 413 m/s):
Velocità alla quale la probabilità di penetrazione dei
proiettili è uguale a 0.5
La frattura si è sviluppata al crescere della velocità di impatto da cricche
nella matrice a rottura di fibre, poi delaminazione e spalling (quest'ultimo
non varia molto con l'aumentare della velocità)
(Wambua et al., 2007)

PROPRIETA' DOPO IMPATTO
(es. juta/poliestere)
Progressione del danneggiamento durante prove di flessione dopo impatto su
laminati juta/poliestere per mezzo di localizzazione degli eventi di emissione acustica
(% riferita alla resistenza a flessione)
(Santulli, 2006)

APPROCCI AI LAMINATI IBRIDI RINFORZATI
CON FIBRE VEGETALI E DI VETRO
Introdurre una piccola quantità di fibre vegetali, con l'obiettivo
di avere un vantaggio ambientale con un'altrettanto modesta
(se possibile nulla) riduzione della prestazione ad impatto
(applicazioni automobilistiche)
Introdurre una maggiore quantità di fibre vegetali all'interno del
laminato (core) per ottenere una sufficiente dissipazione del
danneggiamento (giubbotti antiproiettile)
In generale: determinazione del rapporto ottimale fibre di vetro/fibre vegetali
compatibile con l'applicazione (in dipendenza da processo di produzione,
trattamento della fibra e matrice utilizzata)

IMPATTO DI LAMINATI IBRIDI
(LINO-EPOSSIDICA/VETRO-EPOSSIDICA)
Faccia impattata Bordo
L'interno del laminato in in lino-epossidica mostra una
certa azione di di dissipazione del danneggiamento

ESEMPI DI PROPRIETA' AD IMPATTO
DI COMPOSITI IBRIDI
Fibra Matrice Fibra vegetale
(% peso)
Fibra di vetro
(% peso)
Resistenza ad impatto
(kJ/m²)
Bambù Poliestere 6.2 18.8 32
Cocco Poliestere 15 30 40
Juta Poliestere 6 8 44
Agave Poliestere 2.7 5.3 5.76
Lino Polipropilene 30 20 43.2
Lino Olio di soia 16 25 33.6
Canapa Polipropilene 30 10 75 J/m (con intaglio)
La quantità di fibre vegetali introdotta può essere anche
modesta, con l'idea che una limitata perdita di proprietà
d'impatto venga compensata da un certo beneficio
ambientale

CARATTERIZZAZIONE DEGLI IBRIDI
(es., fibra di lino)
(Arbelaiz, 2005)
Il Il miglioramento delle proprietà ottenuto con il il trattamento
con l'anidride maleica consente inserire una maggior
quantità di di fibre a parità di di proprietà d'impatto

STUDI SUGLI IBRIDI IN LETTERATURA
Plant Fibre Plant fibre Max. total fibre Manufacturing method
Reference
% wt.
% wt.
Bamboo 15 to 35 40 Injection moulding Thwe & Liao. 2002
Bamboo 9 to 15 30 Compression moulding Dieu et al., 2004
Banana 25 to 37 40 Vacuum impregnation & hand lay-up Agarwal et al., 2003
Coir 30 45 Pre-preg and punch pressing Pavithran et al., 1991
Flax 20 to 45 50 Hot pressing Benevolenski et al., 2000
Flax 6 to 31 41 Compression moulding Motye & Wool, 2005
Jute 16 to 33 75 Filament winding Mohan et al., 1983
Jute 14.5 to 31 30 Hand lay-up Clark & Ansell, 1986
Jute 25 to 27 35 Compression moulding Varma et al., 1989
Oil palm 4 to 36 40 Vacuum impregnation & hand lay-up Eichhorn & Young, 2004
Oil palm 8 to 32 40 Pre-preg & Intermingled mats Sreekala et al., 2000
Palmyra 48 58 Hand lay-up Velmurugan & Manikandan,
2005
Sisal 6 to 14 20 Compression moulding after solution Kalaprasad et al., 2004
mixing
Sisal 2 to 6 14 Hand lay-up John K, Naidu SV, 2004
Sisal 4 to 16 20 Injection moulding after intimate mixing Kalaprasad et al., 2000
L'approccio agli ibridi si è modificato nel tempo, dagli studi volti
ad inserire la massima quantità possibile di fibre vegetali, ad ottenere
un migliore consolidamento con una minore quantità di fibre

POSSIBILI ALTERNATIVE
Selezione delle fibre (confronto tra le prestazioni)
Nanocompositi di cellulosa ricostituita
Ibridi innovativi (es., con altre fibre naturali)
Uso di altro materiale cellulosico

ALCUNI ESEMPI DI CELLULOSA
NON DIRETTAMENTE DA FIBRE
Cellulosa da alghe rosse
Compositi con fibre di cellulosa da giornali
Gli scarti agricoli, come pula, p.es. di orzo
o farro, e crusca di riso hanno maggior
contenuto di silicio, ma minore orientazione
dele molecole di zucchero nel polisaccaride
Resina epossidica con pula di farro
Divengono determinanti in questi utilizzi, dal punto di vista ambientale,
la necessità di utilizzare prodotti chimici per il riutilizzo, es. per la rimozione
dell'inchiostro dalle fibre di carta, e per la neutralizzazione dei pesticidi
nel caso della crusca e simili.

CELLULOSA BATTERICA
Cultura batterica
Sintesi della
cellulosa batterica
(prodotto extracellulare)
Medium
(nutrienti
essenziali)
Batteri
(Acetobacter xylinum)
200 nm
SEM
Fibra (Ø = 25 −100 nm)
Modulo elastico della singola
nanofibrilla:
78 GPa (le fibre estratte
arrivano forse al 10% di questo
valore)
89% di cristallinità
Unità di
glucosio
300 nm
© Imperial College London 52
Cellulosa
(Ø = 1 −2 nm)
Fibrill
a

MICROFIBRE DI CELLULOSA O DI CHITINA
Le microfibre di cellulosa o di chitina hanno proprietà molto variabili
che possono essere (teoricamente) modificate in funzione
dell'applicazione richiesta

ESTRAZIONE NANOCELLULOSA
Un'altra possibilità, competitiva specie in termini di costo, è l'estrazione
della nanocellulosa cristallina dagli scarti colturali attraverso un
processo di idrolisi.
Nanocristalli (whisker)
di cellulosa
Elettrofilatura (electrospinning) dalla soluzione di cellulosa
a formare nanotessuti: la forza elettrostatica si trasforma
in forza di trazione, quindi in allungamento.

WHISKER DI TUNICINA
(cellulosa animale dalle corazze dei tunicati:
ascidie)
Diazona violacea
Ascidia involuta
Migliore compatibilità con matrici a base di amido,
ma proprietà molto dipendenti dall'umidità di estrazione

IBRIDI INNOVATIVI
PIUME DI POLLO E FIBRE DI ASPEN (populus tremula) (WINANDY 2003)
Il problema dell'utilizzo delle piume è la sanitizzazione, che modifica il profilo ambientale con
l'introduzione di ulteriori sostanze chimiche.
Tuttavia, data la loro abbondanza come materiale di scarto, recentemente sono state
proposte, insieme con una matrice epossidizzata a base di olio di soia e ritardanti di fiamma
privi di alogeni, per produrre schede per circuiti stampati (PCB).

POSSIBILE RUOLO DELLE FIBRE
CHERATINICHE (dalle piume)
Le fibre cheratiniche si prestano
solo parzialmente al loro ruolo
nei compositi, anche perché sono
“progettate” per essere sollecitate a
compressione nelle ali.
Altri possibili utilizzi sono in intonaci o
cementi, dove il carico di
compressione è prevalente.
La cheratina è parzialmente idrofila ed appare ideale per fare da anello di
congiunzione in un ibrido con fibre vegetali ed una matrice idrofobica.
Tuttavia, i risultati iniziali di compatibilità non sono totalmente soddisfacenti
(scarso controllo sulla qualità e sul contenuto di melanina delle piume).

ALTRE FIBRE CHERATINICHE: LANA
Matrice: cheratina con 8% di zolfo, con
struttura disordinata
Filamenti intermedi: cheratina con 1.5-
2% di zolfo, con struttura ad elica alfa.
Cuticola: cheratina con 8% di zolfo, con
struttura a strati beta.
RANDOM
ELICA ALFA
STRATI BETA
CHERATINA NANOFILATA
La lana è oggi considerata come uno scarto, trattandosi di un materiale
di cui la produzione continua, a fronte di una richiesta sempre più bassa.

POSSIBILE APPLICAZIONE
Pannello portiera (Volvo)
Fibre utilizzate:
Abaca
Lino Francia
Lino Lituania (due tipi)
Juta Bangladesh
Contenuto fibre: 30 o 40%
La Trabant, nota vettura della
Germania Est, aveva una carrozzeria
in resina fenolica rinforzata con
scartidell'industria tessile.
Il prototipo viene stampato per compressione con
polipropilene standard per usi automobilistici.
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 (resina di PLA/fibra di PLA/fibra di lino)
Ford “hemp car” (1941)

0
MERCEDES SERIE A: SPERIMENTAZIONI CON COMPOSITI IN
FIBRA VEGETALE (LINO, BANANA)
source: DC
Bernhard R. Scherubl

Parti interne di treni
(NPSP, Olanda) in compositi
con stuoie in fibra di lino o di canapa

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)