Materiali ri-pensati: prospettive di ricerca sull’uso dei biocompositi nel settore costruttivo

 Abstract
Il documento descrive l’avanzamento della ricerca, sugli aspetti dell’innovazione materica, determinata dalle sperimentazioni tra tecnologia del riciclo, design molecolare, chimica verde, con particolare attenzione, all’evoluzione dei materiali compositi, trasferiti dai comparti industriale, automobilistico, aerospaziale al settore costruttivo. Una innovazione, però, che mostra i suoi svantaggi, soprattutto in termini di gestione dello scenario di fine vita di tali materiali, che, per definizione, avendo una complessa composizione chimica, richiedono un forte dispendio energetico per poter essere reimmessi in processi produttivi circolari. Negli ultimi anni stiamo assistendo, da un punto di vista scientifico ma anche economico, ad un aumento di interesse nei confronti di materiali che, partendo dalla “ricetta” base dei compositi con fibre e matrici sintetiche, puntano ad un innalzamento dei livelli di sostenibilità del prodotto finito, sia in termini di processo produttivo, sia in termini di uso di materiali naturali per le fibre e/o per le matrici. In tal senso, la ricerca sta orientando i propri interessi verso lo studio e la sperimentazione dei biocompositi, in diversi settori industriali e, attualmente, anche in ambito architettonico. Sulla base di tali considerazioni, si presenta una ricerca, tuttora in corso, sull’uso dei biocompositi nel settore costruttivo, che si sta sviluppando all’interno del dottorato di ricerca in Ingegneria strutturale dell’Università Mediterranea di Reggio Calabria e che si colloca nell’ambito dei nuovi scenari di ricerca dei compositi fibrorinforzati con fibre naturali, come possibile risposta per l’innalzamento dei livelli di riciclabilità di tali materiali. Obiettivi, in linea con il Piano nazionale di prevenzione rifiuti, al fine di dare un contributo alla riduzione delle quantità di materiali che, al termine del loro ciclo di vita, debbano essere considerati scarti.

Nel corso degli ultimi decenni si è assistito ad una rilevante evoluzione nello sviluppo di nuove tipologie materiche e tecnologie di processo, che hanno interessato diversi comparti industriali avanzati. L’innovazione materica, è stata e continua ad essere, un campo di sperimentazione e applicazione, in cui convergono, non solo i comparti industriali, ma anche numerose discipline, che, con molteplici, ma comuni, obiettivi di: riduzione del consumo di risorse, riduzione della produzione di rifiuti, risparmio energetico, puntano a realizzare materiali con un peso ambientale ridotto, con prestazioni migliori e con scenari di fine vita che prevedano livelli sempre maggiori di “reversibilità” dei processi di trasformazione della materia.
Rispetto a tale scenario, le innovazioni prodotte nel campo dei materiali, trasferite dal settore industriale, stanno modificando radicalmente il settore delle costruzioni.
Tra le diverse tipologie, i materiali compositi rappresentano un esempio emblematico di trasferimento tecnologico e di evoluzione del raggiungimento di elevate prestazioni in termini di leggerezza e resistenza, come dimostra la rapida crescita del mercato degli stessi, nel settore costruttivo. Le matrici maggiormente utilizzate sono le resine epossidiche; le fibre ed i tessuti sono per lo più di vetro per componenti strutturali e di carbonio, per elementi di rinforzo. Di fatto, parallelamente ad una crescita dei campi applicativi dei compositi e del loro mercato produttivo, la questione della gestione dei loro scarti (sia pre-consumo che post-consumo), si configura sempre più problematica, a causa della loro complessa composizione chimica, che ne rende difficoltosa la possibilità di recupero.
Ad oggi le modalità di recupero dei compositi, come evidenzia la EuCIA, European Composites Industry Association, sono essenzialmente di due tipi:
- attraverso trattamenti meccanici, usando la frazione inorganica come matrice per la produzione di clinker di cemento o altri materiali;
- attraverso trattamenti chimici, allo scopo di estrarre le sostanze polimeriche presenti.
Questo secondo caso è ancora di difficile applicazione sia per i forti problemi di impatto ambientale dei processi di recupero, sia per il costo dell’intervento [EuCIA, 2011].
I problemi legati, quindi, sia allo smaltimento alla fine del loro ciclo di vita, sia ai costi e le emissioni in termini di CO2, dovuti alla produzione delle fibre sintetiche, che determinano una elevata quantità di embodied energy, sta facendo orientare la ricerca, verso la sperimentazione dei biocomposti, ovvero, tipologie di compositi fibrorinforzati, in cui le fibre sono naturali e la matrice può essere formata da materie plastiche biodegradabili e polimeri naturali. L’interesse verso l’uso delle fibre naturali, (di origine vegetale e animale), è legato alla loro biodegradabilità, alla bassa quantità di energia richiesta nella fase di lavorazione, alla bassa emissività di CO2. Molti biocompositi utilizzano materiali riciclati o fibre derivate da piante a rapida crescita. Oltre alla biodegradabilità dei materiali, le fibre naturali hanno capacità idroregolatrice dell’umidità, il che conferisce loro una buona capacità di coibenza termica e termoacustica (Tabella 1).

Tabella 1. Classificazione delle fibre naturali e sintetiche. Dati tratti da Saba et al. [2014] e rielaborati da G. Savoja.

Tali applicazioni, nate inizialmente all’interno dei programmi di sostegno tecnologico alle popolazioni dei Paesi in via di sviluppo, dove l’uso di fibre vegetali era unito allo sviluppo di tecnologie povere di sopravvivenza, oggi sono impiegate in diversi settori dell’ingegneria: automobilistico, aerospaziale e civile, in particolare per la realizzazione di pannelli, pareti, coperture, piani di calpestio. L'applicazione di fibre naturali, con resistenza tensile specifica non molto inferiore a quella delle fibre di vetro, è già storicizzata in settori come quello automobilistico, dove i primi esempi di parti in materiale parzialmente bio-composito risalgono all'utilizzo di resine derivanti dalla soia nel noto modello T della Ford, prodotto tra il 1908 ed il 1927 ed alla realizzazione di autovetture con carrozzeria a base di fibre di canapa, operata sempre da Henry Ford nel 1941 [Cicala et al., 2010].
La combinazione di fibre naturali, con matrici di polimeri di origine sia rinnovabile che non, viene utilizzata per produrre materiali sempre più competitivi rispetto ai compositi sintetici, anche se la loro produzione talvolta richiede attenzioni in più, come una particolare interfaccia tra biofibra e matrice e fasi più articolate di lavorazione. Riducono inoltre il fabbisogno di prodotti derivati dall’industria petrolchimica, in quanto generalmente usano leganti naturali, e privilegiano l’utilizzo di prodotti di origine locale, riducendo quindi anche il costo dei trasporti.
Le ricerche in atto riguardano in primo luogo il settore automobilistico (Tabella 2), come il gruppo Fiat-Chrysler, che sta orientando la ricerca, non solo alla sostituzione delle fibre sintetiche con quelle naturali, ma anche al raggiungimento di processi di riciclo delle matrici termoindurenti, come il polipropilene. [1]

Tabella 2. Compositi a fibra naturale nel settore auto motive. Dati tratti da Cicala, Recca et al. [2011] e rielaborati da G. Savoja.

Se da un lato, per il settore automobilistico è prioritario, infatti, puntare sulla ricerca di materiali a base di origine naturale, per rendere un componente realmente sostenibile dal punto di vista ambientale ed economico, è importante anche riuscire a comprendere i livelli attuali di riciclabilità dei pezzi per arrivare alla chiusura del ciclo di vita degli stessi con una percentuale il più possibile bassa di conferimento in discarica. Un processo sicuramente incentivato dalla Direttiva Europea 2000/53/EC, che ha promosso l’uso di prodotti compatibili con l’ambiente, riducendone il conferimento in discarica, stabilendo che la frazione conferita per veicolo fosse pari al 15% nel 2005 per ridursi, gradualmente, al 5% nel 2015.
Le ricerche sull'aumento dei livelli di sostenibilità dei compositi, nel senso più ampio del termine, vengono portate avanti anche da piccole aziende, start-up e gruppi accademici.
Una ricerca dell'Università di Palermo, ad esempio, condotta dal Dipartimento di Ingegneria, e presentata alla Regione Sicilia [2], unisce questi obiettivi a quelli di uno sviluppo economico locale, agricolo ed industriale, studiando l’utilizzo di fibre derivanti da canapa ed agave, ma anche dalla lavorazione di fibre animali, come quelle ovine e caprine, dove il fine ultimo è giungere ad elevati livelli di riciclabilità delle matrici e ad un utilizzo di materiali rinnovabili per le fibre.
L’interesse verso il trasferimento tecnologico nell’uso dei biocompositi nel settore costruttivo, è dimostrato da diverse ricerche europee, tra cui si evidenzia il progetto BioBuild “Biocomposites for high-performance, low environmental impact, economical building products”. Il progetto ha l’obiettivo di individuare nuove applicazioni dei biocompositi in edilizia, in particolare nella realizzazione di sistemi di facciata, controsoffitti e partizioni interne, al fine di dimezzare l'energia incorporata nei materiali rispetto alle soluzioni esistenti, senza alcun aumento dei costi (Figura 1).

 

Figura 1. Casi studio del progetto Biobuild. Copyright delle immagini ARUP [Fonte: www.biobuildproject.eu].

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Da Baratta A. F. L., Catalano A., Il riciclaggio come pratica virtuosa per il progetto sostenibile, Edizioni ETS, Pisa, 2015