il caso delle fibre naturali - carlo santulli home page

PROBLEMATICHEDELLE FIBRE NATURALIAssorbimento di umiditàAttacchi di microbi e funghiDisponibilità variabileStagionale: spesso un solo raccolto annualeDegradazione a circa 200°CProprietà molto variabiliCon la zona d'origineCol tempo di raccoltaCol metodo d'estrazione

Specie vegetali utilizzateper produrre materialisostitutivi della vetroresina:(l'elenco potrebbe non essere esaustivo)La maggior parte delle fibrevengono o estratte dalle fogliedi grandi strutture vegetali(tipicamente esotiche: es., palme,banani, agavi, canne),oppure dallo stelo di arbusti(malvacee, linacee).Alcuni tentativi si sono fatti dalleleguminose, dalle graminacee edalle urticacee, per la grande disponibilitàe spontaneità.Eccezioni: fibra di cocco, fibra di ananas,fibra di kapok (simile al cotonecon estrazione di filamenti dal seme)

Nastro di abaca(pianta simile alla banana)Geotessile in fibra di cocco(protezione dall’erosione)Stuoia di sisal(un tipo di agave)Abaca per bustine da téFune di canapaTipi di tessuto di jutaTubo di canapa intrecciata

La noce di cocco per esempio...Dove sono le fibre del coccoSeparazioneEstrazioneTessituraLe fibre estratte dalla noce di cocco presentano una serie di vantaggi:sono molto vicine al legno come composizione, non richiedonomacerazione per l'estrazione, sono inserite in una filiera industriale chedà anche altri prodotti ed inoltre sono state utilizzate tradizionalmenteper millenni in alcuni paesi (es. Sri Lanka, India meridionale)

CONTROESEMPIO: CANAPAUtilizzi tradizionali della canapa: Cordami Carta TessiliUsi medicinaliProduzione di canapa a livello mondialeLa coltivazione della canapa è statagradatamente ridotta dagli anni '60,anche in seguito ad accordi internazionali.Le tipiche colture a canapa dellaCampania o dell'Emilia sono statetrasformate in altre colture per usoalimentare o abbandonate.

POLITICA E FIBRE NATURALI

PARLANDO DI MATERIALI LOCALI...• Ginestra• Raffia• Fico d'indiaUtilizzo delle ramificazioni dei cladodiper materiali?• Altri non vegetali: bisso,corallo...

RUOLO DELLE FIBRE NELLA COLTIVAZIONEProdotti di scartodi coltivazione polivalenteProdotti di scartodi coltivazione monovalenteProdotti importanti/primaridi coltivazione in sviluppoProdotti importanti/primaridi coltivazione in declinoCoccoSedanoLinoCanapaProdotti unicidi coltivazione spontaneaAgave?GinestraInteresseeconomicoNecessitàincentivi

MATERIALI VEGETALI NON STRETTAMENTEESTRATTI COME FIBRE (agro­waste)• Bagasse (residuo della lavorazione dello zucchero da canna,quindi contenente amidi, cellulosa e ceneri): viene utilizzataanche come combustibile (etanolo della cellulosa)• Crusca di riso od altri cereali (mais, farro, ecc.)• Fibre cellulosiche di riciclo (p.es. dalla carta di giornale)• Cellulosa prodotta in altre forme (es. batterica, oppure di originemarina: dalle alghe o dai tunicati)

ALCUNI ESEMPI DI CELLULOSANON DIRETTAMENTE DA FIBRECellulosa da alghe rosseCompositi con fibre di cellulosa da giornaliResina epossidica con pula di farroDivengono determinanti in questi utilizzi, dal punto di vista ambientale,la necessità di utilizzare prodotti chimici per il riutilizzo, es. per la rimozionedell'inchiostro dalle fibre di carta, e per la neutralizzazione dei pesticidinel caso della crusca e simili

CELLULOSA BATTERICACultura battericaSintesi dellacellulosa batterica(prodotto extracellulare)Medium(nutrientiessenziali)Batteri(Acetobacter xylinum)200 nmSEMFibra (Ø = 25 −100 nm)Modulo elastico dellasingola nanofibrilla:Fibrilla78 GPa (le fibre estrattearrivano forse al 10% di questovalore)Unità diglucosio300 nmCellulosa(Ø = 1 −2 nm)89% di cristallinità© Imperial College London 15

MODALITA' DI ESTRAZIONE FIBREStelo della jutaSeme del cotoneFoglie dell'ananasFrutti della palma

ESTRAZIONE (RETTING)L'estrazione permette la rimozione della pectina dalle fibre(in particolare quelle estratte dallo stelo, cioè decorticate)Estrazione naturale(macerazione e decorticazione)(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

COMPONENTI DELLE FIBRELigninaLe fibre cellulosiche sono cementate da una base di emicellulosa e/o di lignina.Le altre componenti (pectina, umidità, cera, ceneri, ecc.)peggiorano le proprietà meccaniche della fibra.La composizione dipende da:Origine geografica e maturità biologica delle fibreModalità ed efficienza di estrazioneCondizioni climatiche (specie per quanto riguarda l'umidità)

MICROSTRUTTURA DI UNA FIBRA VEGETALE• Filamenti di forma irregolare (4­12 µm) con lumen interno• Filamenti con struttura composita fino al livello cellulare (materialelegno­cellulosico rinforzato con bande elicoidali di cellulosa)• L'angolo microfibrillare, formato dalle eliche, dipende dallamaturità delle fibre, ed influenza la loro resistenza e lunghezzaModificazioni progressive del diametro e del lumen in una fibra di cotonedurante il trattamento di mercerizzazione (con soda caustica)

STRUTTURA DELLE FIBRE NATURALI(es. cellulosiche): GERARCHIZZAZIONELe principali caratteristiche delle strutture gerarchizzate sono:la costruzione della struttura dalla ripetizione di unità cellulari (“dal basso”)la variabilità del prodotto ottenuto,che entrambe richiedono un approccio diverso alla progettazione(design biomimetico)

FIBRE DI CELLULOSALe fibre di cellulosa si possono modellizzarecome formate da micro­fibrille con parti orientate(cristalliti) e parti in direzione random (amorfe).L'applicazione del carico richiede la ri­orientazionedelle parti amorfe nella direzione del carico.In generale, è comune nelle strutture biologiche un miglioramentodelle prestazioni per interposizione di parti più resistenti e più deboli

GERARCHIZZAZIONE E LEGGEREZZA(STRUTTURE CELLULARI)Struttura internadella piuma di un uccelloFibra di ananasFibre di ibiscoIl contenuto di vuoto nelle strutture vegetali è elevatissimo, del tuttoparagonabile a quello di strutture animali, come le piume, però ladensità è notevolmente diversa, essendo da 0.4 a 1.5 circa controlo 0.05­0.1 delle piume, per via della presenza di fluidi e per il fatto delleparti della pianta contenenti una maggior quantità di lignina

STRUTTURE CELLULARI NATURALI:I VARI TIPI DI CELLE DELLE PIANTECOLLENCHIMA(vasti spazi intercellulari)PARENCHIMA(poligoni con 12­14 lati)SCLERENCHIMA(grandi pareti cellulari e lumen)EPIDERMIDE(cellule piatte e allungatedi forma variabile)

ANALISI FRATTALE DELLE STRUTTUREI frattali consentono di valutare quanto una struttura cellulare sia piena/vuota,cioè in pratica quanto più si avvicini ad una forma tridimensionale o bidimensionale,attraverso un coefficiente di riempimento D.Una tipica applicazione dei frattali è la misurazione delle distanze lungo la costa.

FIBRE ALTERNATIVEFibra di sedano(Apium graveolens)Luffa cylindrica (spugna vegetale)Finora il valore delle fibre è stato dato dalla possibilità di tesserlein modo strutturato ed ordinato.Ci sono tuttavia fibre che formano dei tessuti semi­spontanei (sedano)od una specie di massa dura e spugnosa (luffa)

TESSUTI SPONTANEI (« BRANCHUS »)(ORGANIZZAZIONE GERARCHICA CRIPTICA)Esempio: le algheProbabilmente la principale limitazione all'uso delle fibre naturali nei materialiè dovuta essenzialmente al fatto di pensarle come “sostitute” di altri materiali(in particolare la fibra di vetro) copiando la struttura che le fibre di vetrohanno nella vetroresina.