ITGE20120029A1 - Processo di lavorazione della lana, materiali di lana prodotti con detto processo e articoli comprendenti detti materiali di lana - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: “Processo di lavorazione della lana, materiali di lana prodotti con detto processo, e articoli comprendenti detti materiali di lana†,
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda il ramo della lavorazione della lana e, più in particolare, riguarda un processo di lavorazione della lana, specialmente della lana di scarto e di riciclo, materiali di lana prodotti con tale processo, e articoli comprendenti tali materiali di lana.
La lana, ottenuta mediante tosatura dal vello di ovini, leporidi, camelidi e bovini, rappresenta tradizionalmente una risorsa importante e preziosa a livello mondiale per via della sue peculiari caratteristiche che la rendono un materiale estremamente versatile e adatto per numerose applicazioni.
Al microscopio, la fibra di lana ha un aspetto simile a quello di una pigna. Infatti, la sua struttura esterna à ̈ costituita da un rivestimento di scaglie tra loro sovrapposte come le tegole di un tetto, fatte di una sostanza proteica denominata cheratina, la stessa sostanza presente nei capelli e nelle unghie. Sotto il rivestimento esterno, le cellule formano una struttura, detta a mattoni e calce perché ricorda quella dei muri, che rende la fibra molto robusta. La lana à ̈ la fibra più igroscopica che esista, essendo in grado di assorbire il vapore acqueo fino ad un terzo del suo peso. Questo accade perché la fibra à ̈ costituita da amminoacidi in grado di attirare e incorporare le molecole di acqua nella struttura della fibra stessa. Pertanto, in caso di clima umido o intensa sudorazione, la lana attiva un processo di traspirazione attraverso cui assorbe l'umidità e la restituisce all'ambiente. Ma la principale caratteristica nota della lana à ̈ quella di tenere caldo, ovvero di possedere un elevato potere di isolamento termico. Il potere di isolamento termico di un materiale fibroso à ̈ sostanzialmente proporzionale alla quantità di aria che le sue fibre riescono ad intrappolare: più aria viene catturata, maggiore à ̈ il potere isolante. Nel caso della lana, il rivestimento di scaglie delle fibre di lana conferisce alla stesse una ruvidezza che le tiene separate le une dalle altre, aumentando la superficie. Il risultato à ̈ che le fibre di lana riescono ad immagazzinare e trattenere una maggiore quantità di aria (un tessuto di lana comprende generalmente 10% di fibra contro 90% di aria). Inoltre, la lana possiede anche una grande resilienza, ovvero la capacità di tornare allo stato originario anche dopo una deformazione prolungata, e un elevato potere ignifugo: prende fuoco con difficoltà , non propaga la fiamma, sviluppa poco calore e poco fumo, e non fonde.
In Italia, il patrimonio ovino nazionale (circa 8 milioni di capi) Ã ̈ costituito da razze da latte per il 55% circa, da razze da carne o carne/lana per il 15% circa, e da altre razze o incroci per la percentuale restante. Sfortunatamente, la lana delle razze da latte o da carne non rappresenta una buona materia prima per le applicazioni tessili, ragione per cui viene spesso trattata come un materiale di scarto e destinata allo smaltimento.
Tuttavia, il riciclaggio dei prodotti biodegradabili e rinnovabili à ̈ alla base dello sviluppo sostenibile promosso e perseguito dall'attuale politica e legislazione europea. Ad esempio, in recenti lavori di ricerca, la lana di scarto viene proposta come fertilizzante ad alto tenore di azoto (vedere ad esempio S . Herfort, Use of Sheep Wool Vegetation Mats for Roof Greening and Development of a Sheep Wool Fertilizer, World Green Roof Congress 2010, Mexico City; S . J. McNeil et al. Resources, Conservation and Recycling 51 (2007) 220-224).
Come altro esempio, il documento US6685838 divulga un metodo per adsorbire metalli pesanti, come cesio e stronzio, da una soluzione alcalina attraverso l'uso della cheratina derivata, tra le altre fonti, dalla lana di scarto (vedere anche Tratnyek, J.P., Waste Wool as a Scavenger for Mercury Pollution in Waters, Environmental Protection Agency, U.S . Printing Office, Washington D.C., 1972).
Inoltre, nel documento US4232123, la lana di scarto viene adoperata come materiale di partenza di un metodo per produrre un idrolizzato di cheratina idrosolubile utile come agente cosmetico, il metodo comprendendo il trattamento del materiale di partenza con un acido ad alta temperatura per effettuare un'idrolisi blanda, e la successiva degradazione enzimatica del prodotto risultante in un bagno d'acqua in presenza di urea, usando una proteinasi alcalina avente un'attività ottimale nel campo da pH 9 a pH 13.
Come ulteriore esempio, il documento CN1995016 divulga un metodo per estrarre la cistina da lana di scarto attraverso un processo di idrolisi acida.
Nel ramo esiste quindi la costante necessità di valorizzare le fibre di lana di scarto di basso valore.
Parallelamente, i materiali di origine naturale suscitano notevole interesse, in particolare nel campo delle costruzioni (bio-edilizia, bio-architettura) e dei trasporti. Nel settore edilizio, la lana viene attualmente utilizzata come materiale isolante per riempire intercapedini o viene depositata in strati appoggiati, sotto forma di feltri o materassini agugliati con fibre sintetiche o legati con resine, per ottenere una certa consistenza. Ad esempio, il documento WO8904886A1 divulga un metodo per produrre un'ovatta termoisolante da un materiale di lana di scarto, detta ovatta comprendendo fino al 25% di fibre leganti di un materiale termoplastico. Tuttavia, tali prodotti della tecnica anteriore non sono autoportanti e, come se non bastasse, non sono totalmente biologici e biodegradabili.
Esistono anche bio-compositi a matrice biologica, ma non a base proteica (M.J. John, S. Thomas, Carbohydrate Polymers 71 (2008) 343-364).
Pertanto, uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di trattare le fibre di lana di scarto attraverso un processo che permetta di trasformarle in materiali provvisti di una varietà di caratteristiche vantaggiose e utili per una molteplicità di scopi.
In particolare, la presente invenzione si propone di realizzare materiali esclusivamente costituiti da fibra di lana di scarto, senza impiego di fibre sintetiche, resine tossiche o altre sostanze leganti, e dunque interamente biologici, riciclabili, biodegradabili e compostabili, che mantengano le convenienti proprietà intrinseche della lana e che possano essere vantaggiosamente usati, ad esempio, per applicazioni di isolamento termoacustico e di supporto nel settore delle costruzioni e in quello dei trasporti.
La presente invenzione riguarda un processo di lavorazione di una materia prima di fibre di lana, comprendente i passaggi di:
a) preparare una soluzione di un alcale forte ad una data temperatura operativa;
b) trattare detta materia prima di fibre di lana con detta soluzione a detta temperatura operativa allo scopo di idrolizzare ed estrarre parte della proteina presente nelle fibre di lana;
c) risciacquare il prodotto del passaggio b) con acqua allo scopo di rimuovere almeno parte di detta soluzione;
d) essiccare il prodotto del passaggio c) allo scopo di solidificare la proteina idrolizzata ed estratta.
In una forma esecutiva del processo secondo la presente invenzione, dopo il passaggio di risciacquo c) e prima del passaggio di essiccazione d), il processo comprende il passaggio addizionale di:
c l) neutralizzare almeno parzialmente la soluzione di alcale forte rimanente mediante aggiunta di una soluzione acida.
Preferibilmente, Falcale forte à ̈ selezionato dal gruppo costituito da idrossido di sodio (NaOH), idrossido di potassio (KOH), idrossido di calcio (Ca(OH)2), idrossido di bario (Ba(OH)2) e idrossido di magnesio (Mg(OH)2). Più preferibilmente, Falcale forte à ̈ idrossido di sodio (NaOH), ed à ̈ presente in soluzione ad una concentrazione nel campo da circa 0, 1 g/1 a circa 20 g/1.
Preferibilmente, la temperatura operativa della soluzione dell'alcale forte nel passaggio a) si trova nel campo da circa 40°C a circa 80°C.
In un'altra forma esecutiva del processo secondo la presente invenzione, il passaggio di trattamento b) viene condotto sotto agitazione.
In un'ulteriore forma esecutiva del processo secondo la presente invenzione, il passaggio di essiccazione d) viene condotto in forno ad una temperatura nel campo da circa 60°C a circa 80°C.
In ancora un'altra forma esecutiva del processo secondo la presente invenzione, il passaggio di essiccazione d) viene condotto in uno stampo allo scopo di impartire una forma al prodotto essiccato.
Preferibilmente, la materia prima di fibre di lana adoperata nel processo secondo la presente invenzione à ̈ costituita da fibre di lana di scarto, sia cardata che non cardata.
Inoltre, la presente invenzione riguarda materiali di lana prodotti attraverso il processo della presente invenzione, e articoli realizzati con tali materiali di lana.
La Figura 1 Ã ̈ un'immagine al microscopio elettronico a scansione, con ingrandimento 1000X, di una fibra di lana trattata secondo il processo della presente invenzione, ricoperta di sostanza legante (proteina) estratta dalla fibra stessa;
la Figura 2 Ã ̈ un'immagine di tre campioni A, B e C ottenuti modulando le variabili di trattamento secondo il processo della presente invenzione;
la Figura 3 Ã ̈ un'immagine al microscopio elettronico a scansione, con ingrandimento 50X, di un provino di pannello poroso ottenuto attraverso il processo della presente invenzione;
la Figura 4 Ã ̈ un'immagine che mostra l'aspetto esteriore del provino di pannello poroso della Figura 3 ;
la Figura 5 Ã ̈ un'immagine al microscopio elettronico a scansione, con ingrandimento 50X, di un provino di pannello compatto ottenuto attraverso il processo della presente invenzione;
la Figura 6 Ã ̈ un'immagine che mostra l'aspetto esteriore del provino di pannello compatto della Figura 5; la Figura 7 Ã ̈ un'immagine che mostra un provino di pannello sagomato ottenuto attraverso il processo della presente invenzione; e
le Figure 8a e 8b mostrano rispettivamente, a scopo di confronto, un provino di pannello ottenuto secondo il processo della presente invenzione e un provino di pannello di polistirene.
Nel processo inventivo, la lana viene trattata con una soluzione di un alcale forte, ad esempio idrossido di sodio, ad una concentrazione compresa tra circa 0, 1 g/1 e circa 20 g/1 e ad temperatura operativa compresa tra circa 40°C e circa 80°C, con o senza agitazione, per tempi compresi tra alcuni minuti (15-20 minuti) e alcune ore; l'agitazione viene aggiunta quando si desidera applicare condizioni più drastiche allo scopo di velocizzare il processo. La soluzione alcalina deve essere portata alla temperatura operativa prima di inserire le fibre perché, in caso contrario, la reazione di infeltrimento della lana andrebbe a competere con quella di estrazione proteica, ottenendo un materiale diverso da quello desiderato. Questo trattamento causa l'idrolisi e l'estrazione di parte della proteina (cheratina) che costituisce le fibre di lana. Dopo il trattamento, il materiale viene risciacquato in acqua fredda, e la soluzione di idrossido di sodio residua può essere eliminata, totalmente o parzialmente, mediante neutralizzazione con una soluzione acida (ad un pH maggiore di 2 per evitare la precipitazione della cheratina estratta che agisce da legante). Il materiale risultante viene nuovamente risciacquato ed essiccato in forno (ad esempio, a temperature comprese tra 60°C e 80°C). Questo passaggio di essiccazione solidifica la cheratina idrolizzata estratta dalle fibre di lana e forma una matrice cheratinica che ingloba le fibre di lana rimaste, producendo così un materiale compatto provvisto di una struttura rinforzata. Per ottenere un materiale omogeneo, l'essiccazione deve essere condotta con le fibre ancora intrise di liquido. Opzionalmente, per conferire una forma al materiale prodotto, il passaggio di essiccazione può essere condotto dentro uno stampo, in particolare con il materiale non completamente neutralizzato.
La Figura 1 à ̈ un'immagine al microscopio elettronico a scansione, con ingrandimento 1000X, di una fibra di lana trattata secondo il processo della presente invenzione. Come si può notare dalla figura, la fibra di lana trattata à ̈ ricoperta della cheratina estratta dalla fibra stessa che agisce ora da sostanza legante, o matrice, rendendo la fibra appiccicosa e capace di aderire a fibre di lana limitrofe.
I seguenti esempi vengono forniti esclusivamente a scopo illustrativo, e non intendono limitare l'ambito della presente invenzione che à ̈ invece definito dalle rivendicazioni allegate.
Esempio A
In una beuta contenente 2000 mi di idrossido di sodio 4 g/1 ad una temperatura di 60°C, sono stati caricati 40 g di lana. La lana à ̈ stata poi lasciata idrolizzare per 24 h senza agitazione meccanica. Il prodotto risultante à ̈ stato versato in uno stampo per pannelli ed essiccato in stufa a 50°C senza neutralizzazione, ottenendo un provino di pannello A (vedere la Figura 2).
Esempio B
In una beuta provvista di mezzi agitatori meccanici e contenente 800 mi di idrossido di sodio 11 ,25 g/1 ad una temperatura di 60°C, sono stati caricati 40 g di lana. La lana à ̈ stata lasciata idrolizzare per 1 h sotto forte agitazione. Il prodotto risultante à ̈ stato neutralizzato con acido solforico a pH 2,5, versato in uno stampo per pannelli ed essiccato in stufa a 70°C, ottenendo un provino di pannello B (vedere la Figura 2).
Esempio C
In una beuta provvista di mezzi agitatori meccanici e contenente 800 mi di idrossido di sodio 9 g/1 ad una temperatura di 60°C, sono stati caricati 40 g di lana. La lana à ̈ stata lasciata idrolizzare per 1 h sotto forte agitazione. Il prodotto risultante à ̈ stato neutralizzato con acido solforico a pH 2,5, versato in uno stampo per pannelli ed essiccato in stufa a 70°C, ottenendo un provino di pannello C (vedere la Figura 2).
Esempio D
Proprietà dei pannelli realizzati con i materiali di lana inventivi
I provini di pannello realizzati negli Esempi A, B e C sono stati sottoposti ad una varietà di misurazioni e prove, riepilogate nella Tabella 1 seguente.
Tabella 1
Carico Recupero
Densità Allungamento Conducibilità Provino a di
apparente a rottura termica rottura umiditÃ
(kg/dm<3>) (N/cm<2>) (%) (%) (W/m-K)
A 0,47 818,0 3,8 8,8 0,3
B 0, 16 39,3 4,5 8,9 0,2
C 0, 12 24,3 5,0 9,2 0, 1
Come si può osservare dalla Tabella 1 , la densità apparente dei pannelli à ̈ compresa tra 0, 12 kg/dm (Provino C) e 0,47 kg/dm (Provino A), fermo restando che gli inventori ritengono possibile realizzare pannelli ancora più leggeri.
Dal punto di vista meccanico, il carico alla rottura dei provini à ̈ compreso tra 818,0 N/cm (Provino A) e 24,3 N/cm (Provino C), mentre il loro allungamento percentuale alla rottura à ̈ compreso tra 5,0% (Provino C) e 3,8% (Provino A).
Il comportamento dei provini nei confronti dell'umidità à ̈ stato valutato tramite misurazione del recupero percentuale di umidità sotto condizioni standard (20°C; 65% U.R.), ottenendo valori compresi tra 8,8% (Provino A) e 9,2% (Provino C).
La conducibilità termica à ̈ stata misurata attraverso lo strumento Zweigle T675 Alambeta, ottenendo valori compresi tra 0, 1 W/m*K (Provino C) e 0,3 W/m*K (Provino A).
Inoltre, per valutare la proprietà di resistenza al fuoco, i provini sono stati anche sottoposti al test della piccola fiamma su una faccia secondo la norma UNI 8457, risultando autoestinguenti (tempi nulli di persistenza della fiamma e di incandescenza residua; indice limite dell'ossigeno (LOI) >25%). L'assenza di propagazione della fiamma e la mancata formazione di detriti e fori hanno permesso di classificare questi materiali nella Categoria 1 secondo UNI 8457.
Come si può notare dagli esempi che precedono, le caratteristiche dei materiali ottenuti attraverso il processo inventivo possono essere notevolmente variate modulando il tempo di trattamento, la temperatura di trattamento, la concentrazione dell'alcale adoperato e il grado di neutralizzazione. Ne consegue che il processo della presente invenzione consente di realizzare materiali provvisti di una varietà di caratteristiche e adatti per una molteplicità di scopi.
Ad esempio, la concentrazione residua di idrossido di sodio influenza la formabilità ; ad un pH maggiore di 8, i materiali ottenuti attraverso il processo inventivo assumono la forma dello stampo (vedere il provino di pannello della Figura 7) poiché le fibre vengono attaccate dall'ambiente basico anche durante il passaggio di essiccazione. Ad un pH neutro, i materiali ottenuti attraverso il processo inventivo sono ancora formabili ma meno aderenti allo stampo, poiché le fibre non vengono attaccate dall'ambiente basico durante il passaggio di essiccazione come nel caso precedente.
Inoltre, con tempi di trattamento lunghi e/o concentrazioni e/o temperature elevate si ottengono pannelli più rigidi e meno porosi (Figure 5 e 6) adatti per applicazioni di supporto, mentre una lavorazione sotto condizioni più blande produce pannelli più porosi, flessibili e resilienti, adatti per applicazioni di isolamento termico e acustico come pannelli anticalpestio e rivestimenti per pareti e coperture (Figure 3 e 4).
I vantaggi ottenuti grazie al processo della presente invenzione comprendono, ma senza limitazioni:
• l'opportunità di adoperare vantaggiosamente biomasse di basso costo e elevato impatto ambientale che, altrimenti, rimarrebbero inutilizzate o formerebbero, nel caso delle lane grossolane, un materiale da smaltire;
• l'estrema semplicità del processo, unitamente al basso costo e alla grande disponibilità dei reagenti adoperati nello stesso;
• i materiali ottenuti attraverso il processo inventivo sono interamente biologici, biodegradabili e compostabili (la proteina idrolizzata e le fibre residue apportano azoto e altri nutrienti con rilascio graduale);
• i materiali ottenuti attraverso il processo inventivo sono autoestinguenti, senza dunque richiedere l'aggiunta di ritardanti alla fiamma, e sono compatibili con l'ambiente basico di cementi e intonaci;
• la possibilità di realizzare pannelli autoportanti che possono sostituire, in certe applicazioni, i pannelli sintetici o i pannelli costituiti da materiali biologici ma comprendenti resine tossiche o altre sostanze leganti;
• la possibilità di modulare la porosità , e dunque la traspirabilità , dei materiali ottenuti attraverso il processo inventivo;
• gli articoli realizzati con i materiali ottenuti attraverso il processo inventivo, essendo costituiti di lana, sono resilienti in quanto recuperano parzialmente le deformazioni in modo elastico, al contrario ad esempio del polistirene espanso o estruso, e possono essere tinti con i tradizionali coloranti per lana;
• gli articoli realizzati con i materiali ottenuti attraverso il processo inventivo sono facili da tagliare, sagomare e modellare;
• la fibre che costituiscono i materiali ottenuti attraverso il processo inventivo sono igroscopiche, e dunque interagiscono con l'umidità ambientale cedendo o assorbendo il calore di idratazione per raggiungere le condizioni di equilibrio: in pratica, svolgono una funzione termoregolatrice;
• la proteina della lana reagisce con alcuni composti organici volatili (VOC, Volatile Organic Compound ), eliminandoli dall'ambiente. Pertanto, i materiali prodotti attraverso il processo inventivo sono dei risanatori dell'aria inquinata da fumo di sigarette, prodotti di combustione degli idrocarburi, formaldeide rilasciata da mobili e vernici, ecc. La letteratura riporta studi sull'impiego della lana contro la sindrome dell'edificio malato (SBS, Sick Building Sindrome ) (Claudio Tonin, La lana come isolante reattivo verso gli inquinanti indoor, 3° Convegno nazionale TESSILE e SALUTE, 20-21 marzo 2003, Biella, Italia).
I materiali e gli articoli ottenuti attraverso il processo della presente invenzione trovano applicazione nel settore delle costruzioni, in particolare della bio-architettura (ad esempio come isolanti acustici e termici da parete, sottotetto, piani anticalpestio, supporti e pareti, articoli di arredamento), ma anche nel settore dei trasporti, dove possono essere impiegati come isolanti acustici e termici o pannelli (ad esempio per cappelliere, interni per tettucci e portiere, tappetini, ecc.).
Claims (12)
- RIVENDICAZIONI 1. Processo di lavorazione di una materia prima di fibre di lana, comprendente i passaggi di: a) preparare una soluzione di un alcale forte ad una temperatura operativa; b) trattare detta materia prima di fibre di lana con detta soluzione a detta temperatura operativa allo scopo di idrolizzare ed estrarre parte della proteina presente nelle fibre di lana; c) risciacquare il prodotto del passaggio b) con acqua allo scopo di rimuovere almeno parte di detta soluzione; d) essiccare il prodotto del passaggio c) allo scopo di solidificare la proteina idrolizzata ed estratta.
- 2. Processo secondo la rivendicazione 1 , in cui, dopo il passaggio di risciacquo c) e prima del passaggio di essiccazione d), il processo comprende il passaggio addizionale di: c l) neutralizzare almeno parzialmente la soluzione di alcale forte rimanente mediante aggiunta di una soluzione acida.
- 3. Processo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui Falcale forte à ̈ selezionato dal gruppo costituito da idrossido di sodio, idrossido di potassio, idrossido di calcio, idrossido di bario e idrossido di magnesio.
- 4. Processo secondo la rivendicazione 3, in cui Falcale forte à ̈ idrossido di sodio.
- 5. Processo secondo la rivendicazione 4, in cui l'idrossido di sodio à ̈ presente in soluzione ad una concentrazione nel campo da circa 0, 1 g/1 a circa 20 g/1.
- 6. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la temperatura operativa della soluzione dell'alcale forte nel passaggio a) si trova nel campo da circa 40°C a circa 80°C.
- 7. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il passaggio di trattamento b) viene condotto sotto agitazione.
- 8. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il passaggio di essiccazione d) viene condotto in forno ad una temperatura nel campo da circa 60°C a circa 80°C.
- 9. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il passaggio di essiccazione d) viene condotto in uno stampo allo scopo di impartire una forma al prodotto essiccato.
- 10. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la materia prima di fibre di lana à ̈ costituita da fibre di lana di scarto e di riciclo.
- 11. Materiale di lana prodotto attraverso il processo secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10.
- 12. Articolo realizzato con o comprendente il materiale di lana secondo la rivendicazione 11 , come ad esempio isolanti acustici e termici, sottotetto, piani anticalpestio, supporti e pareti per l'edilizia, articoli di arredamento, cappelliere per automobili, interni per tettucci e portiere di automobili, tappetini.
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| GB546529A (en) * | 1940-12-07 | 1942-07-17 | Bleachers Ass Ltd | Improvements in the treatment of woollen fibre or textile material to reduce its tendency to shrink and felt |
| US2367273A (en) * | 1939-10-30 | 1945-01-16 | Tootal Broadhurst Lee Co Ltd | Treatment of wool |
| GB966762A (en) * | 1959-12-31 | 1964-08-12 | Gustav Adolf Barth | Fibrous fleeces and methods of producing same |
| JP2010168719A (ja) * | 2008-12-24 | 2010-08-05 | Ist Corp | 漆黒色獣毛繊維、漆黒色羊毛繊維および布帛 |
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2012
- 2012-03-07 IT IT000029A patent/ITGE20120029A1/it unknown
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