SOSTENIBILITA' AMBIENTALE E DESIGN: IL CASO DELLE FIBRE NATURALI

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1 SOSTENIBILITA' AMBIENTALE E DESIGN: IL CASO DELLE FIBRE NATURALI Le fibre naturali hanno una rinnovata importanza per usi non tessili, anche per inserimento in nuovi materiali (specialmente con matrici polimeriche biodegradabili) La FAO ha dichiarato il 2009 Anno delle fibre naturali per la loro importanza ambientale e per lo sviluppo dei paesi poveri

2 VANTAGGI DELLE FIBRE NATURALI Ambiente Paesi in via di sviluppo Biomimetica Design alternativo Biodegradabili (con biopolimeri) Biocompatibili Uso tecnologie tradizionali Rischio: cash crop? Piante come strutture naturali Moduli complessi Compensazione dei difetti

3 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

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5 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)

6 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 té Fune di canapa Tipi di tessuto di juta Tubo di canapa intrecciata

7 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, India meridionale)

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9 CONTROESEMPIO: CANAPA Utilizzi tradizionali della canapa: Cordami Carta Tessili Usi medicinali Produzione di canapa a livello mondiale La coltivazione della canapa è stata gradatamente ridotta dagli anni '60, anche in seguito ad accordi internazionali. Le tipiche colture a canapa della Campania o dell'emilia sono state trasformate in altre colture per uso alimentare o abbandonate.

10 POLITICA E FIBRE NATURALI

11 PARLANDO DI MATERIALI LOCALI... Ginestra Raffia Fico d'india Utilizzo delle ramificazioni dei cladodi per materiali? Altri non vegetali: bisso, corallo...

12 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

13 MATERIALI VEGETALI NON STRETTAMENTE ESTRATTI COME FIBRE (agro-waste) Bagasse (residuo della lavorazione dello zucchero da canna, quindi contenente amidi, cellulosa e ceneri): viene utilizzata anche 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 origine marina: dalle alghe o dai tunicati)

14 ALCUNI ESEMPI DI CELLULOSA NON DIRETTAMENTE DA FIBRE Cellulosa da alghe rosse Compositi con fibre di cellulosa da giornali 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

15 CELLULOSA BATTERICA Cultura batterica Sintesi della cellulosa batterica (prodotto extracellulare) Medium (nutrienti essenziali) SEM Batteri (Acetobacter xylinum) 200 nm Fibra (Ø = nm) Fibrilla Modulo elastico della singola nanofibrilla: 78 GPa (le fibre estratte arrivano forse al 10% di questo Unità di valore) glucosio 89% di cristallinità 300 nm Imperial College London Cellulosa (Ø = 1 2 nm) 15

16 MODALITA' DI ESTRAZIONE FIBRE Stelo della juta Seme del cotone Foglie dell'ananas Frutti della palma

17 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

18 COMPONENTI DELLE FIBRE Lignina Le 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 fibre Modalità ed efficienza di estrazione Condizioni climatiche (specie per quanto riguarda l'umidità)

19 MICROSTRUTTURA DI UNA FIBRA VEGETALE Filamenti di forma irregolare (4-12 µm) con lumen interno Filamenti con struttura composita fino al livello cellulare (materiale legno-cellulosico rinforzato con bande elicoidali di cellulosa) L'angolo microfibrillare, formato dalle eliche, dipende dalla maturità delle fibre, ed influenza la loro resistenza e lunghezza Modificazioni progressive del diametro e del lumen in una fibra di cotone durante il trattamento di mercerizzazione (con soda caustica)

20 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, che entrambe richiedono un approccio diverso alla progettazione (design biomimetico)

21 FIBRE DI CELLULOSA Le fibre di cellulosa si possono modellizzare come formate da micro-fibrille con parti orientate (cristalliti) e parti in direzione random (amorfe). L'applicazione del carico richiede la ri-orientazione delle parti amorfe nella direzione del carico. In generale, è comune nelle strutture biologiche un miglioramento delle prestazioni per interposizione di parti più resistenti e più deboli

22 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 delle piume, per via della presenza di fluidi e per il fatto delle parti della pianta contenenti una maggior quantità di lignina

23 STRUTTURE CELLULARI NATURALI: I VARI TIPI DI CELLE DELLE PIANTE COLLENCHIMA (vasti spazi intercellulari) PARENCHIMA (poligoni con lati) SCLERENCHIMA (grandi pareti cellulari e lumen) EPIDERMIDE (cellule piatte e allungate di forma variabile)

24 ANALISI FRATTALE DELLE STRUTTURE I 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.

25 FIBRE ALTERNATIVE Fibra di sedano (Apium graveolens) 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 (sedano) od una specie di massa dura e spugnosa (luffa)

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