Produzione di fibrille di lino e canapa e loro utilizzo ... · Fibre Cellulosiche Purificate...

M. Zoccola 1, A. Montarsolo 1, F. Bertini 2, M. Canetti 2, P. Stagnaro 3, F. Giunco 3, S. Losio 2, L. Fantauzzi 2 e C. Tonin 1

1 C. N. R.- ISMAC, Corso G. Pella 16, 13900 Biella. 2 C. N. R.- ISMAC, Via Bassini 15, 20133 Milano

3 C. N. R.- ISMAC, Via De Marini 6, 16149 Genova

m.zoccola@bi.ismac.cnr.it

Negli ultimi anni i nanocompositi sono stati oggetto di un crescente interesse per le loro migliori pro prietà meccaniche e stabilità termica rispetto ai pol imeri puri o ai compositi convenzionali. In questo settore si sta a ttualmente studiando l’applicazione delle nanocellu lose per le loro caratteristiche uniche e potenzialm ente utili tra cui l'abbondanza del materiale di partenza, l’alta resi stenza, la rigidità, il peso non elevato e la biode gradabilità. L’obiettivo di questo studio è stato qu ello di estrarre ed isolare fibrille cellulosiche a partire da fibre liberiane con un trattamento chimico/fisico combinato con l’u tilizzo della tecnologia degli ultrasuoni e di prod urre e caratterizzare biocompositi diversi utilizzando cellulosa micro e na nofibrillata come fillers in matrici di poli(metil met acrilato) (PMMA) e poli (1,4-butilene adipato-co-te reftalato) (PBAT).

�Micro e nanofibrille di cellulosa sono state prodotte co n un trattamento chimico-meccanico a partire da fibre di canapa e lino.�Le fibrille prodotte sono state testate come rinforzo d i materiale compositi in matrici di PMMA e PBAT.�Le fibrille svolgono un ruolo protettivo nel processo ter modegradativo della matrice d PMMA.�Entrambi i biocompositi mostrano un incremento in modul o, ma una diminuzione del carico a rottura rispetto al p olimero iniziale.

Produzione di fibrille di lino e canapa e loro Produzione di fibrille di lino e canapa e loro utilizzo come rinforzo in compositiutilizzo come rinforzo in compositi

ConclusioniConclusioni

Le fibre di canapa e lino sono state pretrattate con mercerizzo (NaOH 17% w/w per la canapa e 10% w/w pe r il lino) seguito da idrolisi acida con HCl 1 M a 8 0°C per 2 ore e trattamento con NaOH al 2% w/w per 1 ora. Il pre-tra ttamento chimico in 3 passaggi delle fibre di canapa e lino è stato effettuato per eliminare parte della matrice costituita principalmente da lignina, emicellulosa e pectina, i ncorporate nelle fibrille di cellulosa. Successivam ente è stato eseguito un processo di cryo-crushing in azoto liquido per migliorare il rilascio di fibrille ed infine è s tato utilizzato un trattamento ad ultrasuoni.

Canapa e Lino Tessile

Pre-Trattamento ChimicoFibre Cellulosiche

Purificate Chimicamente

Cryo-crushing Ultrasonicazione

Micro e nanofibrille

ProduzioneProduzione delledelle fibrillefibrille

Dopo trattamento

chimico(500x)

Dopo criocrushing(500x)

Dopo ultrasuoni (SEM 5000x) (film ottenuto per casting)

Canapa non

trattata(500x)

La caratterizzazione morfologica ha evidenziato il rilascio di materiale cellulosico e la riduzione delle dimensio ni delle fibre dovuta ai trattamenti chimici e al cryo-crushing. E ’ stato anche possibile rilevare il rilascio di micro e nanofibril le dopo il processo ad ultrasuoni.L’analisi FT-IR ha confermato i risultati dell’anal isi morfologica evidenziando sia il risultato della mercerizzazione con soda (passaggio da cellulosa I a cellulosa II), sia l’el iminazione della matrice in cui sono immerse le fibrille di cellulosa .

BiocompositiBiocompositi con PBAT con PBAT –– poli (1,4poli (1,4 --butilene butilene adipatoadipato --coco --tereftalatotereftalato )) BiocompositiBiocompositi con PMMAcon PMMA -- poli (poli ( metilmetil metacrilato)metacrilato)

riscaldamento

PMMA

Fibrille in DMF

casting

200 °°°°C, 2 ore

Biocompositi

PMMA/fibrille

Nella preparazione del primo tipo di biocomposito, per impedire l'aggregazione dopo essiccazione, le fibrille ottenute in acqua sono state dapprima disperse con polietilenossido (PEO Mw=400000) e poi liofilizzate per ottenere una polvere di fibrille/PEO 80/20 w/w. Il biocomposito (PBAT/fibrille 95/5 w/w) ottenuto da PBAT e fibrille/PEO è stato preparato in due modi distinti: i) miscelazione nel fuso seguita da pressatura a caldo; ii) miscelazione in solvente seguita da pressatura a caldo. Quando il calore è applicato in camera di miscelazione il PEO (Tm 77°C) fonde prima del PBAT (Tm 117°C) permettendo alle fibrille di disperdersi nella matrice di PBAT.

Con l’aggiunta di fibrille di cellulosa il PBAT può raggiungere un elevato modulo iniziale. I film PBAT/fibrille mostrano un miglioramento del 27% nel modulo iniziale mentre diminuisce del 15% il loro carico a rottura.

Per il secondo tipo di composito il solvente acquos o in cui erano state prodotte le fibrille è stato sostituito per scambio di solvente con dimetilformammide (DMF) in cui è solubile il PMMA. Successivamente, granuli di PMMA sono stati disciolti in DMF alla concentrazione di 50 mg/ml e crescenti quantità di fibrille di cellulosa in DMF s ono state disperse nella soluzione di PMMA in rapporti ponderali prestabiliti con agitazione magnetica per 30 min a 50 °C.Infine, per la preparazione dei film di biocomposit o, le dispersioni di micro e nano fibrille in PMMA sono state essiccate in stufa a 200 °C per 2 ore. I film ottenuti per casting contengono una quantitàdi fibrille cellulosiche fino al 20% in peso.

Le prove termogravimetriche hanno mostrato interazione tra i due componenti e la presenza delle fibrille svolge un ruolo protettivo nel processo termo-degradativo della matrice polimerica .

Le prove meccaniche hanno mostrato un aumento di rigidità del composito PMMA/fibrille: nel caso migliore è stato ottenuto circa il 71% di aumento in modulo nei film di PMMA/fibrille 5% w/w rispetto al PMMA di riferimento, mentre Il carico a rottura mostra un comportamento negativo nei compositi.

Fibrille inacqua

Fibrille in DMF

Caratteristiche meccanicheCaratteristiche meccaniche

Caratteristiche meccanicheCaratteristiche meccaniche

CaratteristicheCaratteristiche termichetermiche (TGA)(TGA)

Cryo-crushing Ultrasonicazione

CaratteristicheCaratteristiche spettroscopichespettroscopiche (IR)(IR)

Convegno Finale Progetto Convegno Finale Progetto VeLiCaVeLiCaRegione Lombardia, 3 febbraio 2014Regione Lombardia, 3 febbraio 2014