COMPOSITI IN FIBRA NATURALE

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1 COMPOSITI IN FIBRA NATURALE Carlo Santulli Università di Roma La Sapienza Dipartimento di Ingegneria Chimica, Materiali e Ambiente carlo.santulli@uniroma1.it Fibre in natura: vegetali, animali, minerali Il basalto 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.

2 FIBRE IN NATURA Fibre da proteine (aminoacidi) Cheratina (piume, lana, mohair, cashmere, alpaca, ecc,) Fibroina, sericina, spidroina Collagene (tendini, precursore dell'osso) Fibre del legno Fibre da polisaccaridi (amido, cellulosa, ecc.) Paglia (di grano, orzo, segale, farro...) Fibre lignocellulosiche Cellulosa animale (alghe, tunicati) e batterica Chitina/chitosano (da molluschi) Amianto (vari silicati: proibito, Legge n.257, 27/3/1992) Fibre minerali Basalto Wollastonite (silicato di calcio) Attapulgite (fillosilicato di alluminio e magnesio), Halloysite (fillosilicato idrato di alluminio)

3 IL BASALTO Il basalto èuna roccia ignea effusiva basica, composta principalmente daplagioclasi, pirossenie spesso olivina. Rappresenta la roccia effusiva più abbondante della crosta terrestre. Ossido % in peso Vetro % in peso Basalto SiO ,6-57,5 Al 2 O ,9-18,2 CaO ,2-7,8 MgO 0-5 1,3-3,7 B 2 O Na 2 O 0,8 2,5-6,4 K 2 O 0,2-0,8 0,8-4,5 Fe 2 O 3 0,3 4,0-9,5

4 Proprietà peculiari delle fibre di basalto Elevate proprietà meccaniche Maggiore resistenza e modulo elastico delle tradizionali fibre di vetro E ( 15-20%) Elevata stabilità chimica sia in ambiente acido che alcalino (in ambiente acido superiore al vetro) Elevate proprietàdi isolamento termico, acustico e resistenza al fuoco Elevata riciclabilità prodotto naturale senza additivi e solventi Colore scuro possibilità di sostituzione del carbonio p.es. in pannellature e attrezzi sportivi 1 Convegno Nazionale ASSOCOMPOSITI Milano Maggio 2011

5 BASALTO vs. VETRO Proprietà Basalto Vetro E Densità(g/cm 3 ) Resistenza a trazione di singoli filamenti(astm D2101), MPa Modulo di trazione di singoli filamenti(astm D2101), GPa Temperaturadiservizio C Da-260 finoa +560 Da-60 finoa +460 Temperaturadiservizioa breve termine, C Finoa +700 Finoa +550 Conduttività termica, W/(mK) Perdita di peso della fibra dopobollituradi3 ore in soluzione satura di cemento% Perdita di peso della fibra dopo3 ore dibolliturain soluzione1n dihcl% Fonte: Kamenny Vek Il costo delle fibre di basalto èintermedio tra quello delle fibre di vetro E (minore) ed S (maggiore, data anche la maggiore resistenza di queste ultime) 1 Convegno Nazionale ASSOCOMPOSITI Milano Maggio 2011

6 PRODOTTI Bobine (roving) Fibre di basalto chopped Tessuto ibrido con PP (Hybrid PP/basalt fabrics) Rete (mesh) di rinforzo Fibre di basalto macinate (milled) Fonte: Basaltex, Kamenny Vek Tessuto ibrido (Hybrid woven fabrics ) Stuoie isolanti (non woven mats) 1 Convegno Nazionale ASSOCOMPOSITI Milano Maggio 2011 Versatilità non conseguibile finora con le fibre lignocellulosiche Tessuto multiassiale (multiaxial fabrics)

7 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-Ossidomonoidrato)

8 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

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

10 In particolare, la filiera diviene più sostenibile ed a valore aggiunto se si ha la possibilità di produrre bio-combustibili e/o prodotti alimentari

11 COMPONENTI NON STRUTTURALI Una struttura dell emicellulosa (xilano) Pectina Juta non trattata con particelle di cera (sopra) e trattata (sotto) Effetto degli enzimi L effetto degli enzimi consente l estrazione enzimatica delle fibre, come alternativa alla macerazione batterica Inoltre, le fibre contengono normalmente umidità e ceneri (ossidi metallici)

12 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.

13 Esperienzediripresadellacoltivazionedellacanapain Italia (Scarlino(GR)) Campo di canapa prima della cimatura (luglio) (Assocanapa)

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

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

16 La fitorimediazione (ad es., ad opera della canapa) è una possibilità per rendere più sostenibile la filiera (piante per fibre naturali non vanno piantate in sostituzione di coltivazioni per uso alimentare): permette di depurare terreni in cui si trovano metalli pesanti

17 APPLICAZIONI PIU' O MENO STRUTTURALI Stuoia di agave Fune di canapa Tessuti di juta Tessuto intrecciato a tubo (braid) di canapa Nastro di abaca Spago di lino Spesso si usano stuoie non tessute o con fibre random Borsa di agave henequen

18 GEOTESSILI (protezione dall erosione: separazione, filtrazione, drenaggio, rinforzo) In fibra di juta In fibra di cocco Applicazione alla sponda d'un fiume I geotessili in fibre naturali, invece che in polietilene o poliestere, possono essere meglio orientati alla piantumazione ed alle caratteristiche chimiche del suolo

19 GEOCOMPOSITI Un geocomposito è costituito da una combinazione di geotessili o strutture a rete (in funzione della dimensione decrescente delle maglie si parla di geogrids, geonets e geomembrane) in un unità industriale. Ognuna di queste quattro tipologie di materiale può essere combinata con un ulteriore materiale (p.es., laminati plastici deformati o cavi d acciaio) o direttamente col suolo. Si utilizzano a questo scopo melasse di lignina sotto forma di poliuretani biodegradabili o paglia ottenuta da fibre naturali (p.es. lino) anche come geostabilizzatori. Rivoltamento (rotivation) di paglia di lino I geocompositi antierosione in fibra di juta e cocco (preferiti per l alta durezza delle fibre) vanno sottoposti a prove di trazione longitudinale e trasversale secondo la norma EN ISO 13019

20 IL LINOLEUM Il linoleum (F. Walton, 1863) è costituito da olio di lino, farina di legno, farina di sughero, pigmenti coloranti calandrati su un tessuto di juta. Ha quindi una struttura molto simile ai geocompositi. Risulta superiore dal punto di vista della resistenza batterica ed alla penetrazione da parte dell'ameba rispetto ai laminati di pino o di faggio, specialmente dopo anni di utilizzo. Si applicano anche trattamenti anti-odore che evitino lo sviluppo delle aldeidi dovute alla degradazione degli acidi grassi dell'olio di lino (linoleico, linolenico ed oleico). Olio di semi di lino 20 % Tallolo (olio di pino) 13 % Migliore penetrazione del colore nel linoleum rispetto al PVC Colofonia Sughero Farina di legno Pigmento Juta (supporto) 3 % 20 % 31 % 4 % 8 % Composizione di un linoleum (Forbo) Lacca acrilica 1% Rispetto ai prodotti vinilici con cui è in competizione, il linoleum è simile quanto a flessibilità e durabilità, e può risultare inizialmente meno brillante e traslucido, anche se col tempo la differenza si attenua. Il PVC è meno infiammabile, ma la (relativa) infiammabilità è dovuta ai composti clorurati che poi in caso di incendio rilasciano diossine.

21 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.

22 CELLULOSA Ci sono due principali forme di cellulosa, la Cellulosa I (più cristallina: nativa) (orientata) e la Cellulosa II (più amorfa e più termodinamicamente stabile) susseguente a rigenerazione o trattamento alcalino (Mercer 1850). Cellulosa Nella cellulosa nativa I si distinguono poi a loro volta due forme, Iα e Iβ, la prima triclina e la seconda monoclina. In generale, ogni pianta, alga o batterio crea una miscela delle due forme, inoltre con parametri cristallografici differenti da specie a specie. La cellulosa III si forma in atmosfera di ammoniaca liquida e per remissione dell eccesso ammoniacale. Cristallo triclino Cristallo monoclino

23 STRUTTURA DELLE FIBRE VEGETALI 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) Si è parlato di un rapporto di amore-odio tra questi tre componenti, pur essendo tutti e tre a base di polisaccaridi: hanno proprietà molto diverse, ma in effetti assicurano tutti la tenuta delle fibre.

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

25 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).

26 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 (ed eventualmente, laddove esposizione ad ambiente ammoniacale o ad alta temperatura si sia verificata, anche cellulosa 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

27 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 Lumen della fibra di Phormium Tenax Variazione del modulo elastico con l angolo microfibrillare

28 VARIAZIONI DELLE PROPRIETA DELLE FIBRE La tenacità (resistenza al taglio) oltre che la resistenza delle fibre aumenta con l età della pianta in quanto le fibre tendono anch esse ad invecchiare ed indurire (maggiore presenza di sclerenchima) (qui ad esempio sono mostrati dati sul sisal)

29 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.

30 IMPORTANZA DEL LUMEN DELLA FIBRA Technical plant stem ( biomimetico (rinforzo per composito fibrorinforzato (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)

31 VANTAGGI DEI COMPOSITI IN FIBRA VEGETALE Basso peso delle fibre (densità da 0.8 ad 1.6; densità fibre ( 2.5 di vetro 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 Per entrare in certi settori (es., nautica), è necessaria la disponibilità di matrici termoindurenti

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

33 FATTORI PER LA SELEZIONE DELLE FIBRE ( km Costi di trasporto (le fibre locali possono essere preferibili: zero Adattabilità all'applicazione Trattamento richiesto per il miglioramento delle proprietà ( Analysis Aspetti ambientali (LCA: Life Cycle ( estrazione Aspetti biologici (origine e maturità delle fibre, 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).

34 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)

35 COMPOSIZIONE TIPICA DELLE FIBRE VEGETALI PIU' USATE NEI COMPOSITI

36 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.

37 ( RETTING ) ESTRAZIONE L'estrazione permette la rimozione della pectina dalle fibre (in particolare quelle estratte dallo stelo, cioè decorticate) Estrazione naturale (macerazione) (in campi allagati, per azione batterica) 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)

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39 TRATTAMENTI Sbiancamento (uniformazione di colore) Asportazione materiale non strutturale e regolarizzazione di forma Ipoclorito di sodio FIBRE DI CANAPA SBIANCATE E NON Soda caustica (trattamento generale) Acetilazione Effetto di applicazione di soda caustica su fibre di cotone Ricopertura/protezione/compatibilizzazione Anidride maleica Silanizzazione Gommalacca Si possono poi avere trattamenti fisici, come per esempio quello con raggi ultravioletti o attraverso una scarica elettrica (effetto corona)

40 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)

41 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.

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

43 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

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45 ( IFW ) IMPATTO A CADUTA DI PESO 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 ( damage locali del composito(crossover 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

46 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.

47 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.

48 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 sidispongono a a pino pinorovesciato (Abrate 1988). Questo è vero veroanche per per i i compositi rinforzati con con fibre fibre vegetali.

49 INFLUENZA DEI DIFETTI Difetto nella matrice Danneggiamento ad ad impatto innescato da dadifetti superficiali in in un un laminato fibra di dilino/matrice epossidica

50 INFLUENZA DELL'ORIENTAZIONE DELLE FIBRE (compositi in fibra di canapa e resina epossidica) Fibre unidirezionali Fibre orientate random Fibre orientate a 0/90 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.

51 STUDIO DELLE CURVE DI ISTERESI DELLE PROVE D'IMPATTO

52 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.

53 PROPRIETA' DOPO IMPATTO (resistenza residua) 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)

54 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)

55 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)

56 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 (? automobilistiche (applicazioni Introdurre una maggiore quantità di fibre vegetali all'interno del laminato (core) per ottenere una sufficiente dissipazione del (? antiproiettile danneggiamento (giubbotti 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)

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

58 ESEMPI DI PROPRIETA' AD IMPATTO DI COMPOSITI IBRIDI Fibra Matrice Fibra vegetale (% peso) Fibra di vetro (% peso) Resistenza ad impatto (kj/m²) Bambù Poliestere Cocco Poliestere Juta Poliestere Agave Poliestere Lino Polipropilene Lino Olio di soia Canapa Polipropilene 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

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

60 STUDI SUGLI IBRIDI IN LETTERATURA 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

61 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

62 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 degli anelli 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.

63 CELLULOSA BATTERICA Coltura batterica Medium (nutrienti essenziali) Sintesi della cellulosa batterica (prodotto extracellulare) Batteri (Acetobacter xylinum) 200 nm SEM Modulo elastico della nanofibrilla: 78 GPa 89% di cristallinità Unità di glucosio 300 nm Imperial College London Fibra (Ø = nm) Cellulosa (Ø = 1 2 nm) 63 Fibrill a

64 MICROFIBRE DI CELLULOSA O DI CHITINA Aspect ratio = rapporto di forma Le microfibre di cellulosa o di chitina hanno proprietà molto variabili che possono essere (teoricamente) modificate in funzione dell'applicazione richiesta e possono essere anche estratte dalle fibre rigenerate, per esempio da tipi di rayon o Lyocell

65 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 acida (solitamente con acido solforico). 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.

66 WHISKER DI TUNICINA (cellulosa animale dalle corazze dei tunicati: ascidie) Diazona violacea Ascidia involuta Miglioramento meccanico di matrici amido-sorbitolo (33%), ma proprietà molto dipendenti dall'umidità di estrazione

67 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. Il problema dell'utilizzo delle piume è la sanitizzazione, che modifica il profilo ambientale con l'introduzione di ulteriori sostanze chimiche. PP e piume: se la matrice polipropilenica non è compatibilizzata con anidride maleica, l interfaccia è scadente (sfilamento delle fibre con poca deformazione della matrice) POLIETILENE E 20% PIUME (mostra ingiallimento per tensioni residue)

68 IBRIDI INNOVATIVI PIUME DI POLLO E FIBRE DI ASPEN (Populus tremula) CON RESINA FENOLO-FORMALDEIDE (WINANDY 2007) La cheratina è parzialmente idrofila ed appare ideale per fare da anello di congiunzione in un ibrido con fibre vegetali ed una matrice idrofobica (o prevalentemente idrofobica, come i fenoli). I risultati iniziali di compatibilità non sono totalmente soddisfacenti (scarso controllo sulla qualità delle piume e sul loro contenuto di melanina). 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).

69 Paint.lnk COMPOSITO CON FELTRI DI LANA IN TESSUTO DI JUTA (resina epossidica) Il problema, oltre la scarsa compatibilità, è dato specialmente dall insufficiente controllo della porosità interna (porosità oltre alcuni % sono considerate eccessive anche in un composito prodotto per laminazione manuale)

70 NANOCHERATINA CHERATINA NANOFILATA PER ELETTROFILATURA La cheratina è estratta dalla lana per frattura ossidativa dei legami disolfuro della cistina (RSSR) per formare l acido sulfonico (RSSO3H), riduzione col mercaptoetanolo per formare residui di cisteina (RSH). DISTRIBUZIONE DEI DIAMETRI DI FIBRE DI CHERATINA IDROLIZZATA E POLIAMMIDE (pura e trattata con formaldeide)

71 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 scarti dell'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)

72 7 2 MERCEDES SERIE A: SPERIMENTAZIONI CON COMPOSITI IN FIBRA VEGETALE (LINO, BANANA) source: DC Bernhard R. Scherubl

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

74 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 ( balistico penetrazione (ed anche oltre, per l'impatto