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 per l'ambiente e lo sviluppo dei paesi poveri

2 FIBRE IN NATURA Cheratina (piume, lana, mohair, cashmere, ecc,) Fibre da proteine (aminoacidi) Fibre da polisaccaridi (amido, cellulosa, ecc.) Fibroina e sericina (seta del baco e dei ragni) Collagene (tendini, precursore dell'osso) Fibre del legno Paglia (di grano, orzo, segale, farro, ecc) Fibre da piante legnose Fibre da piante erbacee Cellulosa animale (alghe, tunicati) e batterica (Acetobacterium, p.es.) Chitina/chitosano (da molluschi) Amianto Fibre minerali Altre (wollastonite, attapulgite, halloysite)

3 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

4 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

5 COMPONENTI STRUTTURALI DELLE FIBRE VEGETALI Cellulosa (regolare, lineare, tendenzialmente cristallina, forma fibrille e fibre, abbastanza idrofobica, tendente a rigonfiare) Emicellulosa (irregolare, non strutturale, semicollosa, idrofilica) 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.

6 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)

7 STRUTTURA DELLE FIBRE CELLULOSICHE: GERARCHIZZAZIONE 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 della forza applicata.

8 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

9 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)

10 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.

11 PRODOTTI IN FIBRA A BASE DI CELLULOSA Naturali Estratti dalle piante (stelo, foglia, frutto, seme) Rayon Artificiali Lyocell Cellulosa ricostituita Viscosa Acetato di cellulosa I prodotti artificiali possono in realtà essere costituiti da miscele variabili di cellulosa e di lignina con altri additivi Derivati (es. Arboform)

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

13 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)

14 In particolare, la filiera diviene particolarmente interessante ed a valore aggiunto nel momento in cui si ha la possibilità di produrre bio combustibili e/o bio masse

15 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.

16 POLITICA E FIBRE NATURALI

17 CANAPA ED AUTARCHIA Dissertazioni sulla canapa (Grazia, 1941) Orti di guerra (Roma ) La canapa, che ha tecnologie di estrazione molto più semplici rispetto alla ginestra, ha avuto anch'essa un notevole successo durante il periodo dell'autarchia, insieme ad iniziative didattiche, oltre che economiche, come gli orti di guerra.

18 IL RITORNO DELLA CANAPA Antichi telai per la lavorazione della canapa Macerazione Musei dellla canapa sono presenti a Sant'Anatolia di Narco (PG), Pisoniano (Roma), Carmagnola (Torino), mentre coltivazioni sperimentali sono di nuovo attive, per esempio ad Acerra (NA) ed a Scarlino (GR), grazie alla disponibilità di varietà di canapa a bassissimo contenuto di cannabinoidi.

19 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

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

21 LA GINESTRA E L'ORTICA La ginestra ha avuto un significativo periodo d'interesse prima dell'ultima guerra, anche per motivi legati alla non disponibilità delle materie prime per cordami, tende e tessili resistenti. In Italia tra il 1937 ed il 1946 sono stati in funzione 60 ginestrifici sperimentali, localizzati in particolare in Toscana ed in Calabria, dove alcuni di essi erano. preesistenti, come a Longobucco. Un ginestrificio era anche ad Orvieto. Si era creata una filiera di lavorazione della ginestra, che oltretutto è una pianta, come p.es. anche la robinia, molto efficace nella protezione dall'erosione. Nastro di ortica (Nepal) Piante in origine infestanti ricevono recentemente maggior attenzione, anche d'immagine, come per esempio l'ortica, che ha una lunghissima tradizione di utilizzo nel tessile in molti paesi del mondo, o la Vetiveria Zizanoides (una varietà di erba tipica del Sud Est asiatico), dalle radici della quale si estrae un olio essenziale.

22 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.

23 CARATTERISTICHE STRUTTURALI CHE FACILITANO L'IMPIEGO DELLE FIBRE Massima lunghezza utile della fibra estraibile Sezione quasi cilindrica Resistenza a rottura, al piegamento, all'attorcigliamento (twisting) Facilita l'impiego nei materiali compositi Consente di creare strutture con meno difetti Riduce la necessità del trattamento Permette di filare e tessere le fibre Rende più facile l'impregnazione con resine Essenziale nella produzione di tessuti, cordami, reti, strutture di supporto

24 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)

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 RIASSUMENDO: LA SCELTA POSSIBILE Fibre dallo stelo Juta, lino, canapa, ibisco, ginestra Fibre dal seme Cotone, kapok Fibre dal frutto Noci di varie palme (p.es., cocco) Fibre dalla foglia Ananas, banana, formium, palme Inoltre, in funzione delle caratteristiche fisiche delle fibre, si possono ottenere tessuti di diverso tipo (esempi sono mostrati sotto) oppure stuoie non tessute o feltri

27 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.

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

29 MACERAZIONE DELLE FIBRE DA STELO (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

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

31 ESEMPIO DI PRODOTTO: ARBOFORM L'ARBOFORM sono miscele di polveri pressate a caldo da lignina, scarti di legno ed additivi naturali. Hanno delle proprietà notevoli risultando superiori ai laminati di legno sia meccanicamente che come resistenza al fuoco. In questo caso, la variabilità del contenuto di lignina e di additivi è dichiarata dal produttore. Confronto proprietà Arboform con laminati e truciolato Prove di resistenza alla fiamma

32 IL LINOLEUM Migliore penetrazione del colore nel linoleum rispetto al PVC Il linoleum è costituito da olio di lino, farina di legno, farina di sughero, pigmenti coloranti calandrati su un tessuto di juta naturale. Ha quindi una struttura molto simile ai geocompositi, anche se gli utilizzi non coinvolgono il contatto fisico e chimico col suolo. Risulta superiore dal punto di vista della resistenza alla penetrazione da parte dell'ameba e quindi dal punto di vista della resistenza antibatterica rispetto ai laminati di pino o di faggio, specialmente dopo anni di utilizzo. Recentemente si parla di trattamenti anti odore che evitino lo sviluppo delle aldeidi dovute alla degradazione degli acidi grassi dell'olio di lino, come l'acido linoleico, linolenico ed oleico. 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 rilasciato diossine.

33 GEOTESSILI (protezione dall erosione) In fibra di cocco (1 e 2) In fibra di juta (3) 1 2 Applicazione alla sponda d'un fiume 3 I geotessili in fibre naturali, invece che in polietilene o poliestere, possono essere meglio orientati alla piantumazione ed alle caratteristiche chimiche del suolo.

34 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 Bagasse (residuo della lavorazione dello zucchero da canna, quindi contenente amidi, cellulosa e ceneri): viene utilizzata anche come combustibile (etanolo della cellulosa) 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

35 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 valore) 89% di cristallinità 300 nm Unità di glucosio Imperial College London Cellulosa (Ø = 1 2 nm) 35

36 CONCLUSIONI Le fibre naturali possono avere interesse per materiali sostenibili, posto che si tanga conto dei seguenti fattori: Presenza di filiere locali e di tecnologie tradizionali Valutazione dell'impatto ambientale di un eventuale trattamento Compatibilità con possibili utilizzi con biopolimeri Diversificazione degli impieghi e rinnovo dell'immagine Attenzione rispettosa per la cultura rappresentata dalla fibra Possibilità di creazione di ibridi o di compositi di qualità controllabile per miglioramento delle proprietà specifiche