ITCN20110013A1 - Fibre naturali composite e ibride con struttura cellulosica ed inorganica - Google Patents

Description

TITOLO: FIBRE NATURALI COMPOSITE E IBRIDE CON STRUTTURA CELLULOSIC INORGANICA

2. DESCRIZIONE

2.1 STATO ANTERIORE DELLA TECNICA

Le fibre naturali come la SisaL che si ottiene dalle foglie dell’agave sisaliana, o la fibra di cocco (coir in inglese), clic si ottiene dalla polpa cellulosica del guscio della noce di cocco, in passato hanno conosciuto un largo uso per cordami, sacchi , sporte, tappeti, panni per lucidatura ed altri manufatti in cui fibre resistenti erano richieste. L’avvento delle fibre sintetiche ottenute a partire da derivati del petrolio le ha soppiantate soprattutto per le prestazioni e spesso anche per i prezzi. Altre fibre sintetiche inorganiche hanno trovato largo uso nei materiali compositi come la libra di vetro, la lana di roccia e la fibra di carbonio. Le fibre a matrice cellulosica tuttavia si stanno riscoprendo per ragioni ambientali, essendo prodotti rinnovabili che si producono in aree ad economia emergente. L’avvento della produzione su scala industriale e la meccanizzazione dei processi produttivi delle suddette fibre le rende nuovamente interessanti dut punto di vista commerciale. Agli usi tradizionali si stanno aggiungendo nuove applicazioni in materiali compositi a matrice polimerica termoplastica o termoindurente per l’industria automobilistica (Discover Naturai Fibre 2009, Proceedings of the Symposium on naturai fìbres. Rome 2008 20 Oct. 2008, Technical paper n. 56).

Inoltre si stanno sviluppando anche applicazioni ne ’ambito dell’isolamento sia acustico sia termico in svariati settori Lra cui molto importante è quello edilizio. Bisogna menzionare che il loro uso è spesso dovuto alla necessità di abbassare l'impatto ambientale del prodotto, introducendo componenti naturali e rinnovabili, relegandole tuttavia in parli non sottoposte a sforzi considerevoli o a strutture portanti.

LI trattamento chimico e fisico delia cellulosa e di altre fibre naturali sia di origine vegetale sia animale, è un fatto noto industria sia cartiera che tessile da tempo immemorabile, il processo di tintura in primis. Ciò nonostante modifiche chimiche della fibra per migliorarne le prestazioni nei compositi sono per lo più indirizzate a renderle compatibili con certe resine e polimeri per favorirne la miscelazione e l'interazione con altri componenti, se non per formare veri e propri legami chimici, ma senza che avvenga un cambiamento che non sia localizzato in superficie, come nel caso dei trattamenti con si Ioni.

Le fibre minerali come la lana di roccia, la libra di vetro e l’amianto, che è stato bandito, presentano scarsa conducibilità termica, buone caratteristiche meccaniche ed un’elevata stabilità termica molto maggiore a qualsiasi fibra di origine vegetale, ma alcune delle suddette fibre minerali presentano un’elevata fragilità, come la fibra di vetro o la lana di roccia per esempio. Tuttavia le fibre minerali e i whiskers sono considerati potenziali cancerogeni quando sono ridotte alle dimensioni di fibre respirabili, che I sistemi biologici non sono in grado di smaltire.. Del resto, anche quando le dimensioni iniziali della fibra siano tali da non essere assorbite dall’organismo, per la loro intrinseca fragili là possono suddividersi in frammenti potenzialmente pericolosi per attrito o sforzi a cui sono sottoposte, durante fasi della lavorazione conte la miscelazione nella preparazione dei compositi. Sono stati proposti dei compositi o nanocompositi a base di cellulosa e silicato di calcio a partire da soluzione di cellulosa e dispersione di particelle di silicato nella matrice di cellulosa senza preservare le fibre originali (Li et ai, “Syndiesis of cellulose-calcium silicati; nanocomposites in ethanol/water mixed solvents and their charaeterization”' Carbohydrate Polymers 80 (2010) 270-275). Inoltre in questi processi te particelle di silicato di calcio sono disperse e non precipitate nella cellulosa (Jia d al, '‘Microwave-assisted ioniec liquid preparation and charaeterization of cellulose/calcium stimate nancomposites in ethylene glycol” Materials Lettera 65 (201 1) 918-921). Si intravvedono comunque possibili benefici di stabilità termica dei suddetti compositi se paragonati alia cellulosa originale.

2.2, OBBIETTIVO CHE L'INNOVAZIONE PRETENDE RAGGIUNGERE

Unire i vantaggi delle fibre naturali quali flessibilità, deformabilità, bassa conducibilità termica,bassa durezza, biodegradabilità, caratteristiche tali che non le rendono tossiche o potenziali cancerogeni, con i vantàggi delle fibre minerali già menzionate, potrebbe essere un significativo progresso verso l’uso delle fibre naturali in un contesto tecnologico molto distinto dall’attuale, rendendole un prodotto con un notevole valore aggiunto. A questo scopo è stato sviluppato un processo che porta a delle fibre naturali di origine vegetale che sono ricoperte e contengono al loro interno sali inorganici con caratteristiche ceramiche come silicati, titanati, alluminati, solfati, solfuri o carbonati di metalli alcalino terrosi o di altri elementi che termino sali insolubili, quali lo zirconio con il silicato a lo zinco con il solfuro eee, Ciò è differente dai trattamenti chimici che hanno lo scopo dì alterare chimicamente la cellulosa, nel nostro caso non vi è reazione chimica. Le fibre risultanti sono fibre ibride, con una struttura cellulosica e un componente inorganico che ricopre e compenetra la fibra naturale, che manifestano proprietà tipiche sia delle fibre naturali sia delle fibre minerali o ceramiche.

2.3, METODO ATTRAVERSO CUI SI PLO REALIZZARE L’INVENZIONE E CARATTERISTICHE DELL’INVENZIONE

Il procedimento per ottenere le suddette fibre è così descritto: le fibre vengono prima impregnate in una soluzione contenente un sale solubile dell’anione (ione silicato, titanato, solfato o carbonato eco.) che si intende precipitare e successivamente dopo un’asciugatura a bassa temperatura, vengono impregnate in una soluzione di un sale solubile dei catione metallico (ione calcio, magnesio, bario o zirconio eco,) che si intende precipitare, essendo insolubile il sale risultante dall'anione della prima soluzione con il catione della seconda (per esempio, silicato di calcio), A questo punto si procede a una serie di lavaggi e asciugature successive per eliminare il sale piecipitato in superfìcie che genera un aspetto polveroso e il processo tonnina con un 'asciugatura finale. Il procedimento descritto permette di far precipitare sia superficialmente sia internamente alla fibra i suddetti composti ceramici cioè anche nei pori e negli interstizi tra le fibrille. la nuova fibra Si può considerare un composto -ibrido in quanto che la matrice inorganica e quella organica sono strettamente in contatto tra loro, inoltre vi sono anche delle interazioni di legame idrogeno tra gii ossigeni degli ossianioni (silicato, carbonato, solfato ecc,} e gli atomi di idrogeno dei gruppi ossidrilici della cellulosa e viceversa dato che non pochi gruppi ossidrilici saranno presenti anche nei sali inorganici come nel caso dei stianoli nei silicati. Interazioni simili sono possibili con altri clementi non metallici quali lo zolfo nei solfuri o il fluoro nei fluoruri ecc. L' esistenza di queste interazioni diffuse è dovuta al latto che si è proceduto a partire da una impregnazione in fase acquosa in cui interazione prevalente tra cellulosa e gli atomi del ossianone è senz’altro il legame idrogeno. E possibile, inoltre, precipitare differenti sali nelle fibre come solfuro di zinco e solfato di bario, che possono coprecipitare se si parte da soluzioni di solfato di zinco e solfuro di bario, o impregnando la fibra in più di due fasi, In questo modo sì potrebbero avere copresenti sali con differenti caratteristiche come abrasivi c lubrificanti, eco,

Al legame idrogeno e al contenuto di materiale inorganico si deve in parte la maggiore stabilità termica della fibra ìbrida risultante. La degradazione termica della fibra risultante, a partire dai 400 "C, è del 15-20% inferiore rispetto a quella naturale in fibre di Siseri che contengono circa il 10% di silicato di calcio per esempio. Questa proprietà rende la libra ibrida ottenuta specialmente adatta ad essere utilizzata in materiali compositi (matrici termoplastiche o termoindurenti) dove si richieda una certa stabilità termica. Nonostante alte temperature la combustione della cellulosa lascia comunque uno scheletro ceramico che ricalca la forma originale della fibra e che può esercitare ancora alcune funzioni strutturali dipendendo del contenuto iniziale di sale inorganico. Tanto maggiore sarà il contenuto di materiale ceramico precipitato tanto più alta sarà la stabilità termica della fibra ibrida,

2.4 , ESEMPI

a) li primo esempio dì come ottenere le suddette fibre ibride e composite è di seguito indicato, Fibre di sìsal in quantità di 2 g vengono immerse iti una soluzione acquosa al 10% in peso dì silicato di sodio per 24 ore e successivamente asciugate a temperatura ambiente. Le fibre cosi trattate vengono immerse in una soluzione acquosa satura di [diossido di calcio, ottenuta a partire da calce spenta, tale da indurre la precipitazione del silicato di calcio nella fibra, prima che esso possa dissolversi e diffondersi nella soluzione. L'asciugatura elimina gran parte dell’acqua, affinché quando la fibra venga immersa nella soluzione satura di (diossido di calcio, questa soluzione tenda a penetrare nella fibra e a far precipitare il silicato di calcio senza che questo fuoriesca dalla fibra. Le fibre vengono lasciate in impregnazione per 2 ore e poi essiccate a 40 “C per 2 ore e successivamente lavate con acqua. L’essiccazione finale è condotta a 40 X per due ore. Durante il trattamento viene dissolta lignina e la libra viene sbiancata, l'aspetto tinaie delle fibre ottenute è molto più chiaro e biancastro- anche per la presenza del silicato di calcio bianco- in confronto a quello originale leggermente brunito, Le curve termogravimetriche della fibra originale e della fibra ibrida mostrano un andamento mollo simile lino a circa 380 °C, dopodiché incomincia la decomposizione massiva della cellulosa e la perdita in peso delia fibra trattata risulta essere del 14% inferiore rispetto alla fibra originale a 390 "C, La massa rimanente (inorganica) della libra trattata si stabilizza a un valore finale a 900 "C del 25 % contro un 12% della fibra originale {Tàvola 1), indicando che il contenuto di silicato di calcio della fibra ibrida (trattata) risulta essere del 13%. Il valore medio del modulo di Young della fibra ibrida è di 8.1 GPa con una deviazione standard di 1.1 GPa. abbastanza bassa, mentre la fibra originate ha im modulo di 15,4 GPa ttw con una dispersione- di 8,8 GPa, valore molto alto che ne limita le possibilità applicative dove st richiede uniformità di prestazioni. La Tavola 2 mostra due immagini, una ottenuta con microscopio elettronico a scansione, in cui è osservabile P aspetto della libra sisal non trattata con in caratteri siici "solchi" (A) e un’altra in cui è possibile riconoscere in superfìcie io strato uniforme di silicato di calcia della fibra trattata che non altera comunque la forma originaria della fibra sisal con i menzionali caratteristici solchi (B).

(b) Il secondo esempio è sostanzialmente uguale al primo ma la soluzione di idrossido di calcio è stata scaldata alla temperatura di 90 °C per favorire la penetrazione nella fibra degli elettroliti (cationi e anioni) e incrementare il contenuto di precipitato. La fibra viene estratta ed essiccata senza variare la temperatura.

Claims (6)

1. TITOLO; FIBRE NATURALI COMPOSITE E IBRIDE CON STRUTTURA CELLULOSICA ED INORGANICA 3. RIVENDICAZIONI L Urto o più salì inorganici insolubili in acqua vengono precipitati sia in superficie sia all'interno di fibre naturali rinnovabili per alterare le proprietà fisico chimiche e/o meccaniche della fibra naturale originale.
2. 2. La precipitazione dei sali inorganici a ΙΓ interna delle fibre viene ottenuta impregnando la libra naturale in una o piu fasi separate con due o più soluzioni contenenti i cationi e gli anioni che formano il sale insolubile:
3. 3. I sali inorganici precipitati nella fibra possono essere silicati, tìtanati, carbonati, solfati, idrossidi e solfuri insolubili, © altri sali insolubili a seconda dell' applicazione e delle caratteristiche desiderate.
4. 4. In specifico il silicato di calcio conferisce alla fibra ibrida particolari proprietà di stabilità termica unite a una bassa variabilità del modulo elastico.
5. 5. La fibra ottenuta è ibrida cioè è costituita da una pane organica (cellulosica ), e una parte inorganica a stretto contatto tra loro e conserva la morfologia della fibra naturale di partenza.
6. 6. Le proprietà meccaniche, tribologiche, termiche e/o fisiche delta libra ibrida, tra cui la densità, sono differenti rispetto a quelle della fibra naturale originale.