L utilizzo della fibra di canapa nell isolamento termico e acustico

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1 Applicazioni delle fibre naturali in bioedilizia: l esperienza del CNR ISMAC di Biella L utilizzo della fibra di canapa nell isolamento termico e acustico Claudio Tonin CNR-ISMAC, Istituto per lo Studio delle Macromolecole Politecnico di Torino, Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Tessile c.tonin@bi.ismac.cnr.it Workshop Dalla tradizione all innovazione: LA CANAPA, Monza 25 marzo 2015

2 ISMAC Biella Ricerca di base e ricerca applicata nel settore delle fibre tessili, dei materiali e dei processi tessili Servizi di consulenza, contratti di ricerca industriale e sviluppo sperimentale, caratterizzazione e certificazione dei prodotti tessili 2

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4 Fibre Corteccia Le fibre di canapa si trovano nello stelo della pianta, sotto la corteccia, in gruppi di fibre elementari di mm di lunghezza e μm di diametro, disposti intorno a un fusto legnoso. National Research Council of Canada G. Gea, S. Kjell and H. Jean-François Int. J. Mol. Sci. 2013, 14(6), Le piante come fonti di materiali, 4

5 Le fibre di canapa vengono separate dal fusto legnoso sottoponendo gli steli a trattamenti chimico-fisici (operazioni meccaniche di stigliatura o sfibratura favorite da processi biochimici di macerazione). Canapulo Fibra 5

6 Il canapulo, macinato in diverse granulometrie, trova impiego nella fabbricazione di mattoni, intonaci, cariche per materie plastiche, pellet, ecc. CNR ISMAC Biella 6

7 Le fibre sono incollate da sostanze incrostanti (pectina, emicellulose) in fascetti lunghi fino a 1,5 m; la sezione trasversale delle fibre ha forma poligonale irregolare. CNR ISMAC Biella G. Gea, S. Kjell and H. Jean-François Int. J. Mol. Sci. 2013, 14(6), Le piante come fonti di materiali, 7

8 Il grado di raffinazione delle fibre e il livello di di separazione tra le fibre stesse dipendono dagli impieghi finali: canapa tecnica, canapa tessile, fibra di rinforzo per compositi, produzione di carta di alta qualità. Martin H.B. Snijder, (Lecture) Reinforcement of Commodity Plastics by Hemp and Flax Fibres Extending the Market Opportunity, March 5-12, 2004, Alberta, Canada. CNR ISMAC Biella 8

9 Taglio della canapa verde e macerazione in acqua degli steli per la produzione di canapa tessile

10 Lavorazione della canapa tessile: fibra pettinata, nastro pettinato e tessuti. Temafa Maschinenfabrik GmbH 10

11 Metric Kt Produzione di canapa tessile China Democratic People's Republic of Korea Chile France Hemp tow production of top 4 producers (average ) Source: FAO

12 Usi della fibra di canapa in EU M. Carus et al. The European Hemp Industry: Cultivation, processing and applications for fibres, shivs and seeds, EIHA, June

13 Ricerche in corso presso CNR-ISMAC di Biella sulla valorizzazione delle lana ordinarie Applicazioni High Tech: 1) della cheratina estratta dalla lana 2) dei derivati (di idrolisi) della cheratina 3) delle fibre e dei componenti cellulari Valorizzazione massiva delle lane ordinarie: 4) materiali isolanti termo-acustici AUTOPORTANTI 5) fertilizzanti BIO (Life+ Greenwoolf) Progetto VeLiCa 13

14 EU-27: 100 milioni di capi ovini Ruolo primario dell allevamento ovino in EU: Carne: 1 Mt (81 % del consumo UE 2012) t import da Nuova Zelanda e Australia (Source: EU- CMO Management Committee, EU SHEEP and GOATS Meat Market Situation, 21 June 2012). Trend produzione carne ovina UE: - 16 % nei prossimi otto anni (Source: EU-Press Rel. By Carmen Paun, in Brussels, 22-Jan-2013) Latte: Paesi del Mediterraneo 14

15 Lana: > t/anno in EU ( t in Italia) + scarti dell industria tessile e lana a fine utilizzo (es. moquette) Lana di buona qualità (25%) Lana di bassa qualità (75%) COMMISSION REGULATION: - la lana è un sottoprodotto dell allevamento ovino che necessita di essere smaltito (cat. 3); - lo stoccaggio, il trasporto e lo smaltimento della lana sono regolati dalla normativa (EU 142/2011). 15

16 Applicazioni delle fibre naturali in bioedilizia: materassini in lana Cheratina: proteina molto stabile agli agenti ambientali Non brucia spontaneamente in aria (LOI > 25) 16

17 Applicazioni delle fibre naturali in bioedilizia: Cartonlana Tema: Settore: Pannelli per isolamento termoacustico autoportanti in pura lana Bioarchitettura/Ecodesign Strumento: Contratto di Ricerca Durata: 24 mesi (01/ /2014) Partner: Davifil Srl, Politecnico TO (DAD, Dip. Architett. & Design) Risultati: Prototipi di processo/prodotto Nuove proprietà di manufatti Brevetto nazionale CNR ISMAC Biella 17

18 Taglio e raccolta della canapa tecnica Taglio delle piante portate a maturazione Raccolta in rotoballe Macerazione in campo (dew retting) I. Peroni, G. Giampaoli, C. Quaglia Promoting the cultivation and development of hemp in Italy, 2nd Int. Conf. on Innov. Natural Fibre Comp. for Industr. Applic., Rome, Apr., 15,

19 Macchina sfibratrice per canapa ad uso industriale Brevetto TO2010A000554, R. Delmastro, F. Giraudo CNR IMAMOTER - ASSOCANAPA (maggio 2010) 19

20 CANAPA TECNICA OTTENUTA DALLA PIANTA PORTATA A MATURAZIONE E MACERATA IN CAMPO. Non adatta ad usi tessili Quantità significative di canapulo Lana di SCARTO RIFIUTO SPECIALE (Cat. 3 EC Regulation No 142/2011) L.O.I. (Limiting Oxygen Ind.) > 25 % Contiene ca. 3% di zolfo Diverso comportamento in alcali CNR ISMAC Biella 20

21 La canapa in alcali Alcali (Chemical retting) - Separazione dei fascetti di fibre - Rigonfiamento - Aumento dell idrofilia CNR ISMAC Biella 31

22 La lana in alcali Alcali - Parziale idrolisi della cheratina - Parziale distruzione della struttura fibrosa che forma una matrice proteica adesiva - Formazione di lantionina CNR ISMAC Biella Cistina Lantionina 22

23 Cheratina Proteina molto stabile agli agenti ambientali Non brucia spontaneamente in aria (LOI > 25) Proteina ad alto contenuto di zolfo 23

24 Canapa e lana in alcali Alcali Canapa e lana (2 cm) Le fibre di canapa rigonfiano e vengono incollate dalla matrice proteica Le fibre dopo il trattamento vengono lavate; la cheratina idrolizzata viene in parte rimossa, ma quella legata stabilmente alla fibra funge da collante. Il materiale viene essiccato in stufa. CNR ISMAC Biella 24

25 Materiali compositi lana- canapa CNR ISMAC Biella A.Patrucco, C. Tonin, N. Ravasio, "Materiali isolanti bio-compositi in lana-canapa". In VeLiCa. Da antiche colture materiali e prodotti per il futuro, N. Ravasio, I. Galasso, M.C. Sacchi, G. Ottolina G. Speranza, M. Terreni Eds., pp , ISBN: , Eliocenter s.n.c., 2014, Milano. 25

26 Caratterizzazione dei compositi All aumentare della quantità di fibre di canapa, a parità di intensità di trattamento, i pannelli risultano più porosi, meno densi, meno resistenti alla trazione, meno rigidi e più isolanti. All aumentare dell intensità di trattamento (aumento di: tempo, temperatura e/o [NaOH]) i pannelli risultano meno porosi, più resistenti alla trazione, più densi e meno isolanti. 26

27 Applicazioni per rivestimenti interni visibili Usando canapa maggiormente pulita e fibre corte e/o Tingendo le fibre prima dell asciugatura CNR ISMAC Biella 27

28 Edilizia e bio-edilizia: materiali per la coibentazione a confronto Pannelli di polistirene: Autoportante Cond. termica (λ) 0.03 W/m o K Costo finale contenuto Densità bassa Prodotti a partire da fonti non rinnovabili Non ricliclabili Pessimo comportamento al fuoco Materassini di lana: Ottimo comportamento al fuoco Riciclabili e compostabili Prodotti a partire da fonti rinnovabili di scarto Non autoportanti Cond. Termica (λ) 0.05 W/m o K Costo maggiore Pannelli di LANA&CANAPA: Autoportanti! Buon comportamento al fuoco Riciclabili e compostabili Prodotti partire da fonti rinnovabili di scarto Cond. Termica (λ) 0.05 W/m o K Costo maggiore CNR-ISMAC Biella 28

29 Test in progress : coefficiente di assorbimento acustico ( Hz) Cartonlana: α w = 0.55 (MH) Buone performances a frequenze medio-alte (MH, comportamento tipico dei materiali fibrosi come lana di vetro o lana di roccia a pari densità). INRIM Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, Torino 29

30 Test in progress : conduttività e trasmittanza termica λ eq = 0,034 0,040 W/(m K) U meas = 0,42 0,45 W/(m 2 K) Politecnico di Torino, DAD, Dip. di Architettura e Design 30

31 Test in progress : assorbimento di formaldeide Cartonlana (9 g in 3 l d aria): riduzione della concentrazione CH 2 O in 3 giorni INRIM Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, Torino 31

32 CONCLUSIONI La canapa tecnica può essere utilizzata in modo massivo per fabbricare pannelli AUTOPORTANTI impiegando lana di scarto come legante. E possibile modulare densità, spessore, porosità, proprietà meccaniche e conducibilità termica dei pannelli. Pannelli con caratteristiche estetiche migliori possono essere fabbricati usando fibra di canapa più pulita, tingendo le fibre (semplicemente aggiungendo colorante nel bagno). Brevetto n del 05/09/2014, Materiale composito di origine naturale e metodo per la sua fabbricazione, Titolare CNR, Inventori: Patrucco Alessia, Tonin Claudio, Ravasio Maria Nicoletta, Ramella Pollone Franco, Bianchetto Songia Michela. 32

33 CNR-ISMAC Biella 33

34 Grazie per l attenzione 34