Compositi Innovativi per la Bioedilizia e per le Bioplastiche

Risultato della ricerca:

L’impiego di fibre cellulosiche e lignino-cellulosiche a basso costo direttamente estraibili da vegetali a rapida crescita (ginestra, canapa) oppure da materiali di scarto (carta e cartoni riciclati, rifiuti agro industriali: paglia, pula di riso), quando vengono funzionalizzate in modo da agganciare adeguati raggruppamenti chimici agli idrossili superficiali delle fibre vegetali, consente di ottenere materiali compositi a elevate qualità, al pari delle fibre di carbonio.

Dal punto di vista dei materiali per la bioedilizia è molto importante sottolineare il fatto che alle fibre naturali di tipo vegetale (natura cellulosica) debbano essere abbinati materiali inorganici come cementi (o anche materiali di riciclo come le loppe di altoforno), per formare network misti vegetali-minerali, con elevati valori di moduli elastici ed alte resistenze alla rottura ed alla compressione. I cementi infatti sono costituiti da polveri micrometriche la cui superficie ha una forte analogia chimica con quella delle fibre vegetali. Anche la superficie delle particelle cementizie è in effetti ricoperta da un grande numero di raggruppamenti chimici idrossilici, al pari della superficie delle fibre vegetali. Anche nei confronti di questo tipo di fibra può essere quindi impiegata una strategia di funzionalizzazione delle superfici esterne delle particelle, analoga a quella impiegata nelle fibre di natura vegetale. Questo approccio innovativo, potrà essere impiegato per la realizzazione di veri e propri elementi costruttivi prefabbricati, il cui impiego potrà rivoluzionare letteralmente il campo dell’edilizia. I nuovi compositi saranno più leggeri e, contemporaneamente, più resistenti rispetto a quelli utilizzati finora, dato il modo originale ed innovativo di utilizzare le fibre durante il processo di consolidamento dei compositi (networking chimico).

Inoltre, un recente sviluppo di queste tecniche permette di affrontare un altro problema di grande impatto ambientale ed economico, relativo alla sostituzione delle vaschette in alluminio per il packaging di prodotti alimentari. In questo caso si tratta di realizzare nuovi materiali procedendo alla miscelazione di poliesteri termoplastici biodegradabili e biocompatibili con le fibre naturali ottenute dalla macinazione a pezzatura adeguata (millimetrica) di varietà vegetali quali la ginestra comune e la canapa, separate in due frazioni, ligninica e cellulosica. La lignina e la cellulosa possono anche essere funzionalizzate separatamente per realizzare compositi ancora più performanti.

Riferimento a finanziamenti precedenti:

Progetto MIUR PON MATRECO: sono stati realizzati nuovi compositi per l’industria automobilistica.

Innovatività rispetto a soluzioni già esistenti:

I compositi attualmente esistenti, basati sul contemporaneo impiego di varie tipologie di fibra, ad esempio quelle di origine minerale e quelle di origine vegetale, nei i vari materiali si aggregano tra di loro con legame di natura chimica. Piuttosto vengono fatte mescole aggiungendovi solo dei compatibilizzanti che minimizzano le repulsioni all’interfaccia tra materiali di natura differente. In genere le proprietà meccaniche dei materiali compositi che si ottengono in questo modo sono piuttosto modeste. La funzionalizzazione dei materiali è la realizzazione di processi nei quali i diversi elementi si concatenano chimicamente, porta a proprietà meccaniche molto migliorate. Con l’incremento dei moduli di resistenza ed elasticità si può realizzare elementi costruttivi molto più leggeri, a tutto vantaggio delle tecniche di costruzione, dei relativi costi e della stabilità delle strutture edili.

Titoli di proprietà intellettuale:

1. G. Chidichimo, A. Aloise, M. De Benedittis, A. De Rango, G. Esposito, V. Gallo, S. Manfredi, G. Pingitore, Materiali compositi ottenuti da fibre estratte da due varietà di ginestra, Brevetto Italiano CS2013A000027
2. Chidichimo G., Aloise A., Pingitore G., Esposito G., “Processo Per La Produzione Di Materiali Compositi Ottenuti Utilizzando Rami Di Ginestre E Matrici Polimeriche” CS2011A000035,2011
3. Chidichimo G., Aloise A., Pingitore G., Esposito G., Gallo V.,” Materiali Compositi Ottenuti Da Fibre Estratte Da Due Varietà Di Ginestra E Processo Per Ottenerli.” CS2011A000036, 2011
4. F. Olivito, V. Algieri, A. Tursi, L. Maiuolo, A. Beneduci, A. De Nino, G. Chidichimo, Facile conversione a bassa energia ed alta resa di materiale lignino-cellulosico in bio-oil e prodotti lignino-cellulosici funzionalizzati, brevetto Italiano, 2019 (proposta brevettuale applicata)

Altri brevetti sono in corso di applicazione.

Principali applicazioni e mercato di riferimento:

Produzione di pannelli per la bioedilizia.

Produzione di contenitori per il packaging alimentare.

Il primo mercato di riferimento è quello delle costruzioni. Il settore delle costruzioni è molto importante per l’economia (circa l’11% del PIL europeo e l’impiego di circa 17 milioni di lavoratori; circa il 10% del PIL in Italia e l’occupazione di circa 2 milioni di lavoratori) e l’impatto ambientale. Lo sviluppo di nuove tecnologie di costruzione, che soddisfino la green economy, può contribuire significativamente al miglioramento degli standard di vita. Le “ecocase” possono essere la risposta alla necessità di usare risorse rinnovabili, guadagnando efficienza nelle attività produttive quali industria e agricoltura, non distruggendo i prodotti di scarto e permettendo un risparmio dal punto di vista economico ed energetico, in virtù dei bassi costi dei materiali di partenza, dei bassi costi di fabbricazione e della bassa energia necessaria alla produzione e costruzione.  Da un punto di vista economico, lo sviluppo di questa tecnologia può contribuire alla competitività di diversi settori industriali: dall’industria di produzione delle fibre, ai produttori di materiali compositi rinforzati con fibre naturali, ai produttori di materiali da costruzione, fino all’utente finale per il quale sono state progettate le soluzioni basate sui nuovi materiali. I nuovi materiali compositi saranno economici per i produttori e competitivi, per vigne di grandi dimensioni, sono pari alla metà. L’industria delle costruzioni. Studi consolidati negli ultimi decenni valutano come fortemente positivo l’impatto economico sul recupero degli scarti dell’agricoltura. Ad esempio, la trasformazione energetica di scarti della vite costa circa 100 €/ton mentre i costi di recupero, per una vigna di grandi dimensioni sono pari alla metà.

Il secondo mercato di riferimento è quello del packaging alimentare sostenibile e a impatto zero. È un tema divenuto negli ultimi tempi di grande attualità a causa del forte stato di inquinamento dei mari e della scomparsa di numerose specie marine vegetali e animali, a livello mondiale. Poiché il pianeta non è più in grado di contenere la quantità di plastica prodotta a livello industriale, il mercato si sta orientando sempre più verso la sperimentazione e la produzione di imballaggi eco-compatibili con l’ambiente, riciclabili e biodegradabili; tale approccio è ulteriormente incentivato dalle recenti disposizioni normative europee e globali che prevedono l’uscita dal mercato di prodotti monouso in plastica entro il 2021, nonché l’obbligo dal 2025 di caratterizzare tutte le bottiglie in PET di almeno il 25% di materiale riciclato; percentuale che sale al 30% entro il 2030.  In tale contesto, i mercati chiedono soluzioni efficienti, nuovi materiali in grado di garantire la resa qualitativa dei materiali tradizionali ma una diversa sostenibilità in termini ambientali, superando i limiti di eco-compatibilità dei materiali plastici. L’impiego delle fibre naturali (ginestra, canapa) in tale settore risponde pienamente a queste esigenze, sia per l’imballaggio che per il confezionamento dei prodotti, gettando le basi per una nuova rivoluzione che ha come fondamento l’impiego di fibre completamente naturali e degradabili al 100%

Esigenze per l’ulteriore sviluppo – Industrializzazione:

Realizzazione di impianti per la prima trasformazione delle fibre naturali (canapa, ginestra) per le successive fasi applicative.

Realizzazione di impianti per la produzione di elementi prefabbricati basati sui nuovi materiali.

Realizzazione di impianti pilota per la produzione di film grezzi per lo stampaggio di contenitori per alimenti.