SELEZIONE DELLE FIBRE VEGETALI PER COMPOSITI RESISTENTI ALL'IMPATTO

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1 SELEZIONE DELLE FIBRE VEGETALI PER COMPOSITI RESISTENTI ALL'IMPATTO Carlo Santulli Università di Roma La Sapienza Dipartimento di Ingegneria Elettrica

2 SOMMARIO Perché utilizzare compositi rinforzati con fibre vegetali? Aspetti ambientali Il problema della selezione delle fibre Applicazioni resistenti ad impatto o applicazioni cosmetiche (non strutturali) Proprietà ad impatto e microstruttura Ibridazione con fibre di vetro Possibili direzioni di ricerca

3 USO DELLE FIBRE VEGETALI: MOTIVI PRINCIPALI Ambiente Paesi in via di sviluppo Biomimetica Sostenibili Biodegradabili Uso tecnologie tradizionali Rischio: cash crop? Piante come strutture naturali

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

5 APPLICAZIONI PIU' O MENO STRUTTURALI Nastro di abaca Reti geotessili in fibra di cocco (protezione dall'erosione) Stuoia di agave Fune di canapa Tessuti di juta Borsa di agave henequen Tessuto intrecciato a tubo di canapa

6 PIANTA Abaca Agave Agave henequen Alfa (esparto) Specie vegetali già utilizzate nei compositi in letteratura (l'elenco potrebbe non essere esaustivo) Ananas Bambù Banana Betel nut Canapa Canapa di Sunn Cocco Cotone di Giava (kapok) Erba indiana Formium Ginestra odorosa Ibisco Ibisco cannabino (kenaf) Juta Lino Luffa (spugna vegetale) Okra (bahmia) Palma da datteri Palma da olio Palma reale Panico verga Piassava Ramiè NOME BOTANICO Musa textiles Agave sisalana Agave fourcroydes Lygeum spartum Stipa tenacissima Ananas comosus Vario Musa sapientum Araca catechu Cannabis sativa Crotalaria juncea Cocos nucifera Ceiba pentandra Ceiba occidentalis Sorghastrum nutans Phormium tenax Spartium junceum Hibiscus sabdariffa Hibiscus cannabinus Corchorus sp. Linum usitatissimum Luffa cylindrica Abelmoschus esculentus Phoenix dactylifora Phoenix sylvestris Elaeis guineensis Roystonea regia Oreodoxa regia Panicum virgatum L. Attalea funifera Boehmeria nivea FIBRE ESTRATTE DA Foglia Foglia Foglia Stelo Foglia Stelo Foglia Seme Stelo Stelo Frutto Seme Stelo Stelo Stelo Corteccia Stelo Stelo Stelo Frutto Corteccia Foglia Base della foglia (reticolo) Frutto Foglia Stelo Foglia Stelo

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9 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)

10 VANTAGGI DEI COMPOSITI IN FIBRA VEGETALE PER USI STRUTTURALI Basso peso delle fibre (densità da 0.8 ad 1.6; densità fibre di vetro 2.5) Possibilità di produrre ibridi contenenti sia fibre vegetali che fibre di vetro Accoppiamento con matrici biodegradabili (termoplastiche, p.es. amido-sorbitolo o acido polilattico, o termoindurenti: p.es a base di olio di castoro o di soia) per ottenere un composito completamente sostenibile e biodegradabile

11 PROBLEMI NELLA PRODUZIONE DI COMPOSITI IN FIBRA VEGETALE Estrazione delle fibre (che normalmente le danneggia) Sensibilità al contenuto di umidità Anisotropia delle fibre (anche nella direzione di carico) Scarsità di dati dinamici (es., impatto, fatica)

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

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

15 COMPONENTI DELLE FIBRE Lignina Le fibre vegetali, costituite principalmente da cellulosa, sono cementate da una base di emicellulosa e/o di lignina. Le altri componenti hanno effetto negativo dal punto di vista meccanico, come la pectina (altro polisaccaride), umidità, cera, ceneri, ecc.

16 COMPOSIZIONE TIPICA DELLE FIBRE VEGETALI PIU' USATE NEI COMPOSITI % Agave Juta Lino Canapa Palma da olio Cocco Cellulosa Emicellulosa Lignina Altro ~ ~0 12 Legno duro (es. Pioppo) La composizione dipende tuttavia da: Origine geografica e maturità biologica delle fibre Modalità ed efficienza di estrazione Condizioni climatiche (specie per quanto riguarda il contenuto di umidità)

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18 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)

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

20 CONFRONTO TRA LE MICROSTRUTTURE Juta/poliestere Fibra di vetro-polipropilene (commingled) I compositi in fibra vegetale presentano geometrie irregolari dei fasci di fibre, spesso con fratture interne

21 STRUTTURA ELICOIDALE (LEGNO) E MODO DI FRATTURA La struttura elicoidale della disposizione delle cellule spiega l'eccezionale resistenza del legno a compressione ed il suo elevato lavoro di frattura

22 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

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

24 IMPATTO A CADUTA DI PESO (IFW) Le prove di impatto bidimensionale 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 locali del composito (crossover damage)

25 STUDIO DELLE CURVE DI ISTERESI DELLE PROVE D'IMPATTO

26 MODALITA' DI DANNEGGIAMENTO AD IMPATTO Santulli-Cantwell, 2000 In compositi con sufficiente adesione all'interfaccia, per basse velocità di impatto (no penetrazione, trascurabile vibrazione del laminato) le cricche della matrice si dispongono a pino rovesciato (Abrate 1988). Questo è vero anche per i compositi rinforzati con fibre vegetali.

27 INFLUENZA DEI DIFETTI Difetto nella matrice Danneggiamento ad impatto innescato da difetti superficiali in un laminato fibra di lino/matrice epossidica

28 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)

29 INTORNO AL LIMITE BALISTICO (canapa-polipropilene) V50 (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)

30 PROPRIETA' DOPO IMPATTO 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)

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

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

33 ESEMPI DI PROPRIETA' AD IMPATTO DI COMPOSITI IBRIDI Fibra Matrice Bambù Poliestere Cocco Fibra vegetale (% peso) Fibra di vetro (% peso) Resistenza ad impatto (kj/m²) 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

34 CARATTERIZZAZIONE DEGLI IBRIDI (fibra di lino) (Arbelaiz, 2005) Figure 5 Effect of glass/flax ratio on the flexural strength (open symbols) and modulus (solid symbols) of hybrid composites (Reprinted from Arbelaiz A, Fernandez B, Cantero G, Llano-Ponte R, Valea A, Mondragon I, Mechanical properties of flax fibre/polypropylene composites. Influence of fibre/matrix modification and glass fibre hybridisation, Composites Part A 36, 2005, pp , with permission from Elsevier) Il miglioramento delle proprietà ottenuto con il trattamento con l'anidride maleica consente inserire una maggior quantità di fibre a parità di proprietà d'impatto

35 STUDI SUGLI IBRIDI IN LETTERATURA Plant Fibre Bamboo Bamboo Banana Coir Flax Flax Jute Jute Jute Oil palm Oil palm Palmyra Plant fibre % wt. 15 to 35 9 to to to 45 6 to to to to 27 4 to 36 8 to Max. total fibre % wt Sisal 6 to Sisal Sisal 2 to 6 4 to Manufacturing method Reference Injection moulding Compression moulding Vacuum impregnation & hand lay-up Pre-preg and punch pressing Hot pressing Compression moulding Filament winding Hand lay-up Compression moulding Vacuum impregnation & hand lay-up Pre-preg & Intermingled mats Hand lay-up Thwe & Liao Dieu et al., 2004 Agarwal et al., 2003 Pavithran et al., 1991 Benevolenski et al., 2000 Motye & Wool, 2005 Mohan et al., 1983 Clark & Ansell, 1986 Varma et al., 1989 Eichhorn & Young, 2004 Sreekala et al., 2000 Velmurugan & Manikandan, 2005 Kalaprasad et al., 2004 Compression moulding after solution mixing Hand lay-up Injection moulding after intimate mixing John K, Naidu SV, 2004 Kalaprasad et al., 2000 L'approccio agli ibridi si è modificato nel tempo, dagli studi volti ad inserire la massima quantità possibile di fibre vegetali, all'ottenimento di un migliore consolidamento con una minore quantità di fibre

36 POSSIBILI ALTERNATIVE Selezione delle fibre (confronto tra le prestazioni) Nanocompositi di cellulosa ricostituita Ibridi innovativi (es., con altre fibre naturali)

37 MICROFIBRE DI CELLULOSA O DI CHITINA Le microfibre di cellulosa o di chitina hanno proprietà molto variabili che possono essere (teoricamente) modificate in funzione dell'applicazione richiesta

38 IBRIDI INNOVATIVI PIUME DI POLLO E FIBRE DI ASPEN (populus tremula) (WINANDY 2003) Il problema dell'utilizzo delle piume è la sanitizzazione, che modifica il profilo ambientale con l'introduzione di ulteriori sostanze chimiche

39 WHISKER DI TUNICINA (cellulosa animale dalle corazze dei tunicati: ascidie) Diazona violacea Ascidia involuta Migliore compatibilità con matrici a base di amido, ma proprietà molto dipendenti dall'umidità di estrazione

40 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. La cheratina è parzialmente idrofila ed appare ideale per fare da anello di congiunzione in un ibrido con fibre vegetali ed una matrice idrofobica. Tuttavia, i risultati iniziali di compatibilità non sono totalmente soddisfacenti (scarso controllo sulla qualità e sul contenuto di melanina delle piume).

41 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 penetrazione (ed anche oltre, per l'impatto balistico)

42 ESEMPIO DI POSSIBILE APPLICAZIONE Materiali utilizzati: Abaca Lino Francia Lino Lituania (due tipi) Juta Bangladesh Contenuto fibre: 30 o 40% Pannello portiera (Volvo) Il prototipo viene stampato per compressione con polipropilene standard per usi autmobilistici. Si è anche tentato uno stampaggio con resine a base di amido (mais/patate, sorbitolo, acido polilattico)