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 ambientale e per lo sviluppo dei paesi poveri
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
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
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)
Nastro di abaca
(pianta simile alla banana)
Geotessile in fibra di cocco
(protezione dall’erosione)
Stuoia di sisal
(un tipo di agave)
Abaca per bustine da té
Fune di canapa
Tipi di tessuto di juta
Tubo di canapa intrecciata
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)
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.
POLITICA E FIBRE NATURALI
PARLANDO DI MATERIALI LOCALI...
• Ginestra
• Raffia
• Fico d'india
Utilizzo delle ramificazioni dei cladodi
per materiali?
• Altri non vegetali: bisso, corallo...
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
MATERIALI VEGETALI NON STRETTAMENTE
ESTRATTI COME FIBRE (agro-waste)
• Bagasse (residuo della lavorazione dello zucchero da canna,
quindi contenente amidi, cellulosa e ceneri): viene utilizzata
anche come combustibile (etanolo della cellulosa)
• Crusca di riso od altri cereali (mais, farro, ecc.)
• Fibre cellulosiche di riciclo (p.es. dalla carta di giornale)
• Cellulosa prodotta in altre forme (es. batterica, oppure di origine
marina: dalle alghe o dai tunicati)
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
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
CELLULOSA BATTERICA
Cultura batterica
Sintesi della
cellulosa batterica
(prodotto extracellulare)
Medium
(nutrienti
essenziali)
SEM
Batteri
(Acetobacter xylinum)
200 nm
Fibra (Ø = 25 −100 nm)
Fibrilla
Modulo elastico della singola
nanofibrilla:
78 GPa (le fibre estratte
arrivano forse al 10% di questo Unità di
valore)
glucosio
89% di cristallinità
300 nm
© Imperial College London
Cellulosa
(Ø = 1 −2 nm)
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MODALITA' DI ESTRAZIONE FIBRE
Stelo della juta
Seme del cotone
Foglie dell'ananas
Frutti della palma
ESTRAZIONE (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
COMPONENTI DELLE FIBRE
Lignina
Le fibre cellulosiche sono cementate da una base di emicellulosa e/o di lignina.
Le altre componenti (pectina, umidità, cera, ceneri, ecc.)
peggiorano le proprietà meccaniche della fibra.
La composizione dipende da:
Origine geografica e maturità biologica delle fibre
Modalità ed efficienza di estrazione
Condizioni climatiche (specie per quanto riguarda l'umidità)
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)
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)
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
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 0.05-0.1 delle piume, per via della presenza di fluidi e per il fatto delle
parti della pianta contenenti una maggior quantità di lignina
STRUTTURE CELLULARI NATURALI:
I VARI TIPI DI CELLE DELLE PIANTE
COLLENCHIMA
(vasti spazi intercellulari)
PARENCHIMA
(poligoni con 12-14 lati)
SCLERENCHIMA
(grandi pareti cellulari e lumen)
EPIDERMIDE
(cellule piatte e allungate
di forma variabile)
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.
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)
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.
