BIOMATERIALI DERIVATI DALLA CANAPA NUOVE ALTERNATIVE SOSTENIBILI AI CLASSICI MATERIALI

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1 BIOMATERIALI DERIVATI DALLA CANAPA NUOVE ALTERNATIVE SOSTENIBILI AI CLASSICI MATERIALI

2 INDICE INTRODUZIONE 3 MATERIALI DERIVATI DALLA CANAPA 4 Caratteristiche tecniche della pianta di canapa: 4 La cellulosa: 7 Applicazioni della canapa nei biomateriali: 9 I. Plastiche 9 II. Biocompositi per l edilizia e materiali isolanti 12 III. Usi del canapulo 15 CONTATTI 16 2

3 INTRODUZIONE Sono un giovane laureato in Chimica Industriale che ha intrapreso la laurea magistrale in Biotecnologie presso l Università Nova di Lisbona. Il seguente lavoro di ricerca ha l intento di raccogliere il maggior numero di dati, informazioni ed esperienze riguardo i nuovi biomateriali derivati dalla canapa, tra cui le nuove tecnologie plastiche biodegradabili e i materiali compositi, estremamente utili e duttili nella crescente bioedilizia. Il potenziale di sviluppo e d applicazione della canapa industriale e dei suoi derivati è tale da rendere incomprensibile come mai essa sia soltanto una realtà di nicchia, conosciuta e soprattutto sovvenzionata da pochi. Il vuoto lasciato dalla suo mancato utilizzo nei decenni passati si ripercuote sul presente con la assenza di tecnologie e di conoscenza al riguardo. È compito di tutti noi giovani ricercatori e lavoratori di tutto il mondo rilanciare questa materia prima dalle infinite possibilità, lavorando e vivendo sempre con un approccio ai problemi e alle esigenze di tutti i giorni in modo sostenibile ed ecologico. 3

4 MATERIALI DERIVATI DALLA CANAPA CARATTERISTICHE TECNICHE DELLA PIANTA DI CANAPA: L habitat originario della canapa si ritiene essere l Asia Centrale, dove tuttora cresce spontaneamente in Iran, Afghanistan, nella parte meridionale del Kazakistan ed in alcune zone della Siberia meridionale. Da queste zone si è diffusa nel corso dei secoli verso tutte le altre parti del mondo. Il noto studioso dell argomento De Mejier ha descritto in un lavoro risalente al 1999 quattro gruppi genici della specie Cannabis sativa L., a seguito della selezione naturale, artificiale e naturalizzazione, rapportandoli al loro profilo chemiotipico; da tali gruppi genici hanno origine tutte le varietà coltivate attualmente esistenti nel Mondo (Tab. 1.1). GRUPPI GENICI AREA D ORIGINE 1 Russia, Area Mediterranea ed Estremo Oriente 2 Sud Asia, Sud-Est Asia, Africa e America UTILIZZO Fibra, canapulo e seme Marihuana 3 Nord India, Nepal, Medio Oriente Hashish 4 Afghanistan e Pakistan Hashish Tab.1.1 Gruppi genici della Cannabis sativa L. PROFILO CHEMIOTIPICO bassa in Δ9-THC e da media a alta in CBD alta in Δ9-THC e bassa in CBD alta in Δ9-THC e da bassa a media in CBD alta in Δ9-THC e da bassa ad alta in CBD I quattro gruppi genici vengono raggruppati in due gruppi ad un livello di valutazione superiore: Cannabis sativa (gruppi 1, 2, 3 comunemente detti sativa ) e Cannabis indica (gruppo 4 distinto dagli altri tre gruppi per l elevato contenuto percentuale in CBD). 4

5 Le piante definite comunemente canapa industriale appartengono al primo gruppo genetico, esse infatti presentano valori praticamente nulli di Δ9-THC, inferiori al 0,3%, rendendole così esenti da possibili utilizzi ricreativi, illegali in alcuni paesi. In Tab. 1.1 è evidenziato che la destinazione d uso della canapa industriale è la lavorazione della piata per ottenere fibra, canapulo e seme, i tre elementi costitutivi della pianta. La pianta di canapa è costituita fisicamente da un elevata percentuale di cellulosa, come mostrato in Tab 1.2, che supera il 70%, materiale dalla larga duttilità e applicazione nei settori dell industria moderna. Cellulosa Pectina Emicellulosa Lignina Cere e olii Peso % Tab 1.2 Rappresentazione schematica dei principali costituenti della pianta di canapa. Le fibre di canapa sono un prodotto molto pratico data l abbondanza di cellulosa, in Tab 1.3 è stata riportata la loro composizione chimica. In Tab 1.5 sono state invece messe a confronto le proprietà meccaniche di diversi tipi di fibre con i relativi costi. Si può notare come le fibre di canapa presentino ottime proprietà meccaniche mantenendo una bassa densità e un buon prezzo di mercato se paragonate alle altre. Cere e Materiali Cellulosa Pectina Emicellulosa Lignina olii solubili in acqua Peso % 77,5 2,9 10,0 6,8 0,9 1,8 Tab 1.3 Composizione chimica delle fibre di canapa Tab. 1.5 Proprietà meccaniche delle fibre naturali e sintetiche. 5

6 Il canapulo è fisicamente la parte centrale, la polpa della pianta, esso presenta un minor contenuto in cellulosa rispetto alla fibra e una maggior ricchezza in emicellulosa e lignina. In Tab 1.4 è riportata la sua composizione chimica: Cellulosa Emicellulosa Lignina Sostanze estraibili Altre sostanze Peso % Tab 1.4 Composizione chimica del canapulo Data l abbondanza di materiale cellulosico presente nella pianta di canapa, e particolarmente nelle fibre, è stato dedicato un approfondimento sulla struttura chimica della cellulosa. 6

7 LA CELLULOSA: CANAPA INDUSTRIALE Futuro sostenibile La cellulosa è un polisaccaride, ovvero una macromolecola polimerica costituita da unità monometriche di glucosio. Questo polimero naturale presente una struttura organizzata in fasci (Fig.1), l unità base è costituita da un numero che va da 10 a 20 diverse stringe di cellulosa aggregate tra loro grazie alla presenza di legami ad idrogeno, formando così le fibrille elementari. Questi fasci altamente ordinati al loro volta si aggregano tra loro andando a formare le microfibrille. Fig 1.1 Organizzazione fibrillare della cellulosa. Ogni fibra ha un struttura gerarchica (Fig.1.2) costituita da tre parti principali: la parete primaria, la spessa parete secondaria e il lume, quest ultimo costituisce la cavità centrale. Le cellule della fibra sono collegate tra loro per mezzo della lamella mediana, molto ricca in pectine e lignina. 7

8 La parete primaria è costituita principalmente da cellulosa, emicellulosa, pectine, proteine e acqua. La parete secondaria, ripartita a sua volta in tre strati, è costituita principalmente da microfibrille di cellulosa disposte in spirali e legate alla emicellulose. Fig 1.2 Struttura gerarchica delle fibre vegetali. 8

9 APPLICAZIONI DELLA CANAPA NEI BIOMATERIALI: I. Plastiche Le fibre naturali derivate dalla canapa presentano alcune delle migliori proprietà meccaniche di tutte le fibre naturali, esse risultano essere molto interessanti per il rinforzo di polimeri termoplastici. Le fibre presentano prezzi a buon mercato, sono abbondanti e rinnovabili, hanno buone proprietà specifiche data la loro bassa densità, esse sono biodegradabili e riciclabili. Fino a poco tempo fa i materiali rinforzati con fibre naturali sono stati utilizzati principalmente nel settore edilizio e automobilistico, mercati dalle vastissime dimensione e dai grandi margini di sviluppo. Le applicazioni però non finiscono qui, sono in via di sviluppo nuovi materiali che richiedono elevate prestazioni meccaniche e bassi impatti ambientali. In Fig 1.3 sono stati riportati i principali campi di applicazione della fibra di canapa, dato che risale al 2010 ma che da una idea della situazione europea al riguardo. Fig 1.3 Applicazioni per la fibra di canapa europea nel 2010, in totale tonn. Le proprietà di questi nuovi materiali sono direttamente legate alle proprietà meccaniche dei loro componenti base, le fibre e la matrice, dalla microstruttura generata, e quindi dalla forza di adesione interfacciale trai componenti. Diversi studi mostrano che materiali polimerici compositi, ottenuti da polietilene e polipropilene rinforzati con fibre di canapa, presentano ottime qualità meccaniche e diversi vantaggi ecologici rispetto ai classici materiali plastici derivati dal petrolio. 9

10 La resistenza meccanica di questi compositi supera quella dei materiali convenzionale, in particolare la resistenza alla trazione. Inoltre questi materiale offrono molti altri vantaggi significanti tra cui l impossibile attacco batterico, una elevata resistenza all'umidità, mancato impiego di prodotti chimici dannosi nei trattamenti e la lenta corrosione in ambienti acquosi. I materiali ottenuti non sono tossici per l ambiente e vengono facilmente riciclati, questo li rende un valida alternativa alla convenzionale plastica, avendo però un impatto sostenibile positivo sull ambiente naturale. Le migliori proprietà meccaniche, come riportato in Tab 1.6, sono evidenziate nei materiali compositi con una matrice in polietilene ad alta densità (HDPE) con il 40% in volume di fibra, mostrato ottime qualità nella resistenza alla trazione (60 MPa) modulo elastico e resistenza alla flessione. Tab 1.6 Risultati di test di flessura per i composti plastici a base di canapa. L'interfaccia fibra-matrice è stata migliorata trattando la fibra di canapa con idrossido di sodio NaOH al 4%, questo processo districa il complicato intreccio in cui si trovano le fibre cellulosiche, rendendo i gruppi ossidrilici (-OH) della cellulosa più disponibili al legame con la matrice polimerica. Questo processo inoltre rimuove pectine, cere e lignina dalla superficie della fibra, aumentando la rugosità della stessa e migliorando la coesione con la matrice. Per mostrare la praticità di questi materiali plastici nella vita di tutti i giorni sono stati riportati in Fig 1.4 esempi di alcuni prodotti già commercialmente disponibili ottenuti a partire da fibre di canapa. Alcuni di essi sono prodotti dalla azienda australiana Zeoform, all avanguardia nel settore delle bioplastiche con prodotti dal raffinato design e dalle ottime qualità meccaniche ed ecologiche. 10

11 Fig 1.4 Esempi di prodotti plastici ottenuti a partire dalla fibra di canapa. e stampaggio ad iniezione, che viene utilizzato con fibre naturali in diversi beni di consumo, ad esempio vassoi per la macinazione dischi, urne e anche in alcune applicazioni interni automobilistici. Nuove applicazioni made in Italy arrivano dalla neonata start up Kanèsis, in grado di ottenere un biopolimero ottenuto dalla cellulosa di canapa utilizzato come materia prima nelle stampanti 3D. 11

12 II. Biocopositi per l edilizia e materiali isolanti I tradizionali materiali utilizzati nell edilizia, e in particolare per l isolamento termico, come vetro, lana di roccia, polistirolo e poliuretano espanso, presentano notevoli problemi riguardo al loro impatto ambientale, sia in fase di produzione che nella fase di smaltimento. Questi materiali sono derivati da fonti non rinnovabili, petrolio in primis, e presentano alte temperature di lavorazione, con conseguenti alti costi di fabbricazione, e spesso non possono essere riciclati. Come alternativa a questi comuni materiali esistono nuovi prodotti per l edilizia con una spiccata sostenibilità ambientale. Questi materiali sono definiti compositi e contengono fibre naturali ottenute dall agricoltura unite ai classici materiali edili come sabbia o calce. I nuovi biomateriali presentano un migliore impatto sulla salute umana, in quanto sono esenti da leganti organici tossici, come la formaldeide, ritenuta cancerogena per l uomo, o la lana minerale. Le fibre naturali presentano diverse caratteristiche positive come bassa conducibilità termica, bassa densità e buona resistenza specifica. Inoltre, le fibre naturali sono ottenuti da risorse rinnovabili, rendendo il loro impatto ambientale sensibilmente inferiore rispetto a quello dei tradizionali materiali isolanti. Tra le possibili fonti di fibra la canapa (Cannabis sativa L.) ha ricevuto molte attenzioni per la sua buona proprietà di isolamento termico e acustico, le buone proprietà meccaniche, la rapidità di crescita e produzione di biomassa. In Fig 1.5 sono riportati alcuni esempi di pannelli isolanti per l edilizia. Fig 1.5 Pannelli isolanti in fibra di canapa Pannelli di questo tipo sono utilizzati in edilizia come materiali coibentanti all interno della struttura rigida dell edificio, creando pareti multistrato in grado di conferire ottimo isolamento termico (sia dal caldo che dal freddo) e acustico. Inoltre i materiali hanno un bassissimo impatto ambientale dato l utilizzo si materie prime rinnovabili e data la capacità di assorbire CO 2, rendendoli estremamente ecologici e adatti per la realizzazione di pareti e contro-pareti isolanti, specialmente su vecchie 12

13 murature, garantendo allo stesso tempo un elevato comfort termico ed una costante asciugatura degli elementi edili, impedendo così la formazione di condense e muffe. La canapa è utilizzata per creare il cosiddetto "cemento di canapa" cioè, una mistura di canapa, calce idraulica, acqua e, in alcuni casi, sabbia. Questo materiale innovativo quanto ecologico viene utilizzato come muratura isolante per i muri tamponati esternamente, nella coibentazione interna ed esterna di pareti già esistenti e per creare parete divisorie ad alto isolamento acustico. In Tab 1.7 Sono state riportate caratteristiche tecniche di alcuni mattoni naturali in calce e canapa. Tab 1.7 Dati tecnici di mattoni in calce e canapa Le proprietà dei biomateriali di canapa variano a seconda delle dimensioni a cui le fibre vengono ridotte, con la possibilità di creare pannelli a bassa, media e alta densità. I pannelli a bassa densità sono stati progettati per l isolamento termico degli edifici, mentre pannelli media e alta densità sono stati progettati come possibili sostituti dei materiali utilizzati nell edilizia e nell industria del mobile come ottimi sostituti del legno. In Fig 1.6 vengono mostrati in dettaglio alcuni tipi di pannelli compositi di canapa, i trucioli utilizzati hanno dimensioni diverse a seconda del tipo di densità richiesta per il materiale (Low, Medium e High Density). 13

14 Fig 1.6 Pannelli di diverse densità in materiale composito di canapa. Quest ultimi materiali sono ottenibili tramite una tecnica chiamata Resina- Transfer-Moulding (RTM), che viene utilizzato per prodotti ad alte prestazioni come mobili (sedie e tavoli) e altri oggetti dalle grandi dimensioni. I nuovi compositi sono stati specificatamente sviluppati nella creazione di pareti multistrato: ponendo i pannelli a bassa densità all interno e all esterno dell edificio forniscono l'isolamento termico; gli strati ad alta densità usati per fornire resistenza alla struttura e sicurezza ignifuga.. 14

15 III. Usi del Canapulo: Per l'economia dei produttori di fibre di canapa è molto importante anche la produzione di canapulo che, pur avendo un valore di mercato che è circa metà di quello delle fibre, riscuote un gran interesse trai produttori, infatti per ogni chilogrammo prodotto di fibra di canapa si ottengono circa 1,7 kg di canapulo come sottoprodotto. Ad oggi il mercato più importante per il canapulo risiede nella zoologia, infatti sono in commercio lettiere ad alte prestazioni per i cavalli e altri animali. Il canapulo è in grado di assorbire l'umidità fino a 4 volte il loro peso secco. Essi sono efficaci per molto più tempo rispetto ad altri materiali e una volta che la lettiera marcisce, questa diventa un eccellente compost. Un interessante mercato nuovo e crescente sta usando canapulo in combinazione con la calce per la costruzione. Qui la quota di mercato è del 15%, negli ultimi anni infatti centinaia di case private sono state costruite in Francia, Regno Unito e Irlanda con questo nuovo materiale, che viene posto in un telaio di legno come mostrato in Fig 1.7. Il materiale è facile da maneggiare, si trova ad un prezzo competitivo, mostra buone proprietà di isolamento per essere un materiale da costruzione e mostra buone proprietà antisismiche. Fig 1.7 Casa ecosostenibile in legno e canapa 15

16 CONTATTI Matteo Maria Melosini Largo Ludwig Van Beethoven, 1 Gallarate (VA)