NUOVI MATERIALI A BASE DI NANOCELLULOSA ESTRATTA DALLE PIANTE. Carlo Santulli

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Luciana Arcuri
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1 NUOVI MATERIALI A BASE DI NANOCELLULOSA ESTRATTA DALLE PIANTE Carlo Santulli Nanocellulosa cristallina (NCC) Dimensioni nell ordine di nanometri (1 nanometro = 10-9 m)

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 (derivati dagli zuccheri) 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)

..) Fibre lignocellulosiche Cellulosa animale (alghe, tunicati) e batterica Chitina/chitosano (da molluschi) Amianto (vari silicati: proibito, Legge n.

cellulosa rigenerata) (Chardonnet 1883) Sostituzione nitrocellulosa con

3 ALCUNE DATE STORICHE Osservazione fibre baco da seta (Hooke 1665) Examen de la soye des araignées (Réaumur 1710) Sviluppo della viscosa (da cellulosa rigenerata) (Chardonnet 1883) Sostituzione nitrocellulosa con acetato nelle pellicole cinematografiche (1951) FIBRA DI VISCOSA FILM NITRATO DEGRADATO

4 SORGENTI DI CELLULOSA Cellulosa rigenerata Cellulosa estratta dalle piante

5 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, tipicamente con soda caustica NaOH (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. Cristallo triclino Gli ioni sodio deformano il reticolo cristallino, rendendolo più stabile. Cristallo monoclino

Cellulosa Nella cellulosa nativa I si distinguono poi a loro volta due forme, Iα e Iβ, la prima triclina e la seconda monoclina.

6 SPECIFICITA FIBRE LIGNOCELLULOSICHE

7 ESTRAZIONE DELLE FIBRE NATURALI ESTRAZIONE DELLE FIBRE DALLA JUTA LINO MACERATO STELI E FIBRE DELLA GINESTRA FIBRE DI ALFA ESPARTO TRATTATE

8 STRUMENTI PER LA LAVORAZIONE DELLA CANAPA

9 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

abbastanza idrofobica, tendente a rigonfiare) Emicellulosa (irregolare, non

10 STRUTTURA DELLE FIBRE (gerarchizzata con geometria a spirale) 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)

11 CELLULOSA NON DIRETTAMENTE DA FIBRE Cellulosa da alghe rosse Compositi con fibre di cellulosa da giornali Estrazione cellulosa animale (tunicina) dalle corazze dei tunicati (qui Diazona violacea) Resina epossidica con pula di farro (presenza anche di silicio) 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 dalla carta, e per la neutralizzazione dei pesticidi nel caso della crusca e simili.

silicio) Divengono determinanti in questi utilizzi, dal punto di vista ambientale, la necessità di utilizzare prodotti chimici

12 I DUE APPROCCI POSSIBILI ALLA STRUTTURAZIONE DEL MATERIALE NATURALE Top - down Esempio: estrazione fibre dell euforbia Bottom up L obiettivo futuro è combinare i due approcci (fibre gerarchizzate e funzionalizzate)

fibre dell euforbia Bottom up L obiettivo futuro è

14 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) Elettrofilatura (electrospinning) dalla soluzione di cellulosa a formare nanotessuti: la forza elettrostatica si trasforma di cellulosa in forza di trazione, quindi in allungamento.

15 Struttura ad aghi della nanocellulosa (sx) estratta dalle fibre di Phormium Tenax (dx) Birifrangenza della sospensione, che mostra che i nanocristalli formano due fasi, una cristallina chirale nematica (allineata nel flusso) ed una isotropica.

sospensione, che mostra che i nanocristalli formano due

16 NANOCHERATINA FELTRI DI LANA DI SCARTO FIBRA DI CHERATINA AL MICROSCOPIO STRUTTURA GERARCHICA FIBRA DI CHERATINA CHERATINA NANOFILATA PER ELETTROFILATURA La cheratina è estratta dalla lana per frattura ossidativa dei legami disolfuro della cistina a formare residui di cisteina.

NANOFILATA PER ELETTROFILATURA La cheratina è estratta dalla lana per

17 APPLICAZIONI Carta, cartone, pannellature Finitura fibre tessili Biomedicale Sostituzione legno e truciolato Compositi Componentistica, membrane, ecc. AEROGEL DI NANOCELLULOSA (uso per la nautica, abbattimento oli, ecc.)

truciolato Compositi Componentistica, membrane, ecc.

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