Transcript biomateriali derivati dalla canapa

BIOMATERIALI DERIVATI
DALLA CANAPA
NUOVE ALTERNATIVE SOSTENIBILI
AI CLASSICI MATERIALI
CANAPA INDUSTRIALE – Futuro sostenibile
INDICE
INTRODUZIONE
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MATERIALI DERIVATI DALLA CANAPA
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Caratteristiche tecniche della pianta di canapa:
La cellulosa:
Applicazioni della canapa nei biomateriali:
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I.
II.
III.
Plastiche
Biocompositi per l’edilizia e materiali isolanti
Usi del canapulo
CONTATTI
9
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16
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CANAPA INDUSTRIALE – Futuro sostenibile
INTRODUZIONE
Sono un giovane laureato in Chimica Industriale che ha intrapreso la laurea
magistrale in Biotecnologie presso l’Università Nova di Lisbona.
Il seguente lavoro di ricerca ha l’intento di raccogliere il maggior numero di dati,
informazioni ed esperienze riguardo i nuovi biomateriali derivati dalla canapa, tra
cui le nuove tecnologie plastiche biodegradabili e i materiali compositi,
estremamente utili e duttili nella crescente bioedilizia.
Il potenziale di sviluppo e d’applicazione della canapa industriale e dei suoi derivati
è tale da rendere incomprensibile come mai essa sia soltanto una realtà di nicchia,
conosciuta e soprattutto sovvenzionata da pochi. Il vuoto lasciato dalla suo mancato
utilizzo nei decenni passati si ripercuote sul presente con la assenza di tecnologie e
di conoscenza al riguardo.
È compito di tutti noi giovani ricercatori e lavoratori di tutto il mondo rilanciare
questa materia prima dalle infinite possibilità, lavorando e vivendo sempre con un
approccio ai problemi e alle esigenze di tutti i giorni in modo sostenibile ed
ecologico.
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CANAPA INDUSTRIALE – Futuro sostenibile
MATERIALI DERIVATI DALLA CANAPA
CARATTERISTICHE TECNICHE DELLA PIANTA DI CANAPA:
L’habitat originario della canapa si ritiene essere l’Asia Centrale, dove tuttora cresce
spontaneamente in Iran, Afghanistan, nella parte meridionale del Kazakistan ed in
alcune zone della Siberia meridionale. Da queste zone si è diffusa nel corso dei
secoli verso tutte le altre parti del mondo.
Il noto studioso dell’argomento De Mejier ha descritto in un lavoro risalente al 1999
quattro gruppi genici della specie Cannabis sativa L., a seguito della selezione
naturale, artificiale e naturalizzazione, rapportandoli al loro profilo chemiotipico; da
tali gruppi genici hanno origine tutte le varietà coltivate attualmente esistenti nel
Mondo (Tab. 1.1).
GRUPPI
GENICI
1
AREA D’ ORIGINE
UTILIZZO
Russia, Area Mediterranea ed
Estremo Oriente
Fibra, canapulo e
seme
2
Sud Asia, Sud-Est Asia, Africa e
America
Marihuana
3
Nord India, Nepal, Medio Oriente
Hashish
4
Afghanistan e Pakistan
Hashish
PROFILO
CHEMIOTIPICO
bassa in Δ9-THC
e da media a alta
in CBD
alta in Δ9-THC e
bassa in CBD
alta in Δ9-THC e
da bassa a media
in CBD
alta in Δ9-THC e
da bassa ad alta in
CBD
Tab.1.1 Gruppi genici della Cannabis sativa L.
I quattro gruppi genici vengono raggruppati in due gruppi ad un livello di
valutazione superiore: Cannabis sativa (gruppi 1, 2, 3 – comunemente detti “sativa”)
e Cannabis indica (gruppo 4 – distinto dagli altri tre gruppi per l’elevato contenuto
percentuale in CBD).
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CANAPA INDUSTRIALE – Futuro sostenibile
Le piante definite comunemente canapa industriale appartengono al primo gruppo
genetico, esse infatti presentano valori praticamente nulli di Δ9-THC, inferiori al
0,3%, rendendole così esenti da possibili utilizzi ricreativi, illegali in alcuni paesi.
In Tab. 1.1 è evidenziato che la destinazione d’uso della canapa industriale è la
lavorazione della piata per ottenere fibra, canapulo e seme, i tre elementi costitutivi
della pianta. La pianta di canapa è costituita fisicamente da un elevata percentuale
di cellulosa, come mostrato in Tab 1.2, che supera il 70%, materiale dalla larga
duttilità e applicazione nei settori dell’industria moderna.
Peso %
Cellulosa
Pectina
Emicellulosa
Lignina
Cere e olii
70.2-76.12
0.9-1.55
12.28-22.4
3.7-5.7
0.8-1.59
Tab 1.2 Rappresentazione schematica dei principali costituenti della pianta di canapa.
Le fibre di canapa sono un prodotto molto pratico data l’abbondanza di cellulosa, in
Tab 1.3 è stata riportata la loro composizione chimica. In Tab 1.5 sono state invece
messe a confronto le proprietà meccaniche di diversi tipi di fibre con i relativi costi.
Si può notare come le fibre di canapa presentino ottime proprietà meccaniche
mantenendo una bassa densità e un buon prezzo di mercato se paragonate alle altre.
Peso %
Cellulosa
Pectina
Emicellulosa
Lignina
77,5
2,9
10,0
6,8
Cere e
Materiali
olii
solubili in acqua
0,9
1,8
Tab 1.3 Composizione chimica delle fibre di canapa
Tab. 1.5 Proprietà meccaniche delle fibre naturali e sintetiche.
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Il canapulo è fisicamente la parte centrale, la “polpa” della pianta, esso presenta un
minor contenuto in cellulosa rispetto alla fibra e una maggior ricchezza in
emicellulosa e lignina. In Tab 1.4 è riportata la sua composizione chimica:
Cellulosa Emicellulosa
Peso %
44-55
16-18
Lignina
Sostanze estraibili
Altre sostanze
4-28
4-18
6-7
Tab 1.4 Composizione chimica del canapulo
Data l’abbondanza di materiale cellulosico presente nella pianta di canapa, e
particolarmente nelle fibre, è stato dedicato un approfondimento sulla struttura
chimica della cellulosa.
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LA CELLULOSA:
La cellulosa è un polisaccaride, ovvero una macromolecola polimerica costituita da
unità monometriche di glucosio. Questo polimero naturale presente una struttura
organizzata in fasci (Fig.1), l’unità base è costituita da un numero che va da 10 a 20
diverse stringe di cellulosa aggregate tra loro grazie alla presenza di legami ad
idrogeno, formando così le fibrille elementari. Questi fasci altamente ordinati al loro
volta si aggregano tra loro andando a formare le microfibrille.
Fig 1.1 Organizzazione fibrillare della cellulosa.
Ogni fibra ha un struttura gerarchica (Fig.1.2) costituita da tre parti principali: la
parete primaria, la spessa parete secondaria e il lume, quest’ultimo costituisce la
cavità centrale. Le cellule della fibra sono collegate tra loro per mezzo della lamella
mediana, molto ricca in pectine e lignina.
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La parete primaria è costituita principalmente da cellulosa, emicellulosa, pectine,
proteine e acqua. La parete secondaria, ripartita a sua volta in tre strati, è costituita
principalmente da microfibrille di cellulosa disposte in spirali e legate alla
emicellulose.
Fig 1.2 Struttura gerarchica delle fibre vegetali.
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APPLICAZIONI DELLA CANAPA NEI BIOMATERIALI:
I.
Plastiche
Le fibre naturali derivate dalla canapa presentano alcune delle migliori proprietà
meccaniche di tutte le fibre naturali, esse risultano essere molto interessanti per il
rinforzo di polimeri termoplastici. Le fibre presentano prezzi a buon mercato, sono
abbondanti e rinnovabili, hanno buone proprietà specifiche data la loro bassa
densità, esse sono biodegradabili e riciclabili. Fino a poco tempo fa i materiali
rinforzati con fibre naturali sono stati utilizzati principalmente nel settore edilizio e
automobilistico, mercati dalle vastissime dimensione e dai grandi margini di
sviluppo.
Le applicazioni però non finiscono qui, sono in via di sviluppo nuovi materiali che
richiedono elevate prestazioni meccaniche e bassi impatti ambientali. In Fig 1.3
sono stati riportati i principali campi di applicazione della fibra di canapa, dato che
risale al 2010 ma che da una idea della situazione europea al riguardo.
Fig 1.3 Applicazioni per la fibra di canapa europea nel 2010, in totale 26.000 tonn.
Le proprietà di questi nuovi materiali sono direttamente legate alle proprietà
meccaniche dei loro componenti base, le fibre e la matrice, dalla microstruttura
generata, e quindi dalla forza di adesione interfacciale trai componenti.
Diversi studi mostrano che materiali polimerici compositi, ottenuti da polietilene e
polipropilene rinforzati con fibre di canapa, presentano ottime qualità meccaniche e
diversi vantaggi ecologici rispetto ai classici materiali plastici derivati dal petrolio.
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La resistenza meccanica di questi compositi supera quella dei materiali
convenzionale, in particolare la resistenza alla trazione . Inoltre questi materiale
offrono molti altri vantaggi significanti tra cui l’impossibile attacco batterico, una
elevata resistenza all'umidità, mancato impiego di prodotti chimici dannosi nei
trattamenti e la lenta corrosione in ambienti acquosi. I materiali ottenuti non sono
tossici per l’ambiente e vengono facilmente riciclati, questo li rende un valida
alternativa alla convenzionale plastica, avendo però un impatto sostenibile positivo
sull’ambiente naturale.
Le migliori proprietà meccaniche, come riportato in Tab 1.6, sono evidenziate nei
materiali compositi con una matrice in polietilene ad alta densità (HDPE) con il 40%
in volume di fibra, mostrato ottime qualità nella resistenza alla trazione (60 MPa)
modulo elastico e resistenza alla flessione.
Tab 1.6 Risultati di test di flessura per i composti plastici a base di canapa.
L'interfaccia fibra-matrice è stata migliorata trattando la fibra di canapa con
idrossido di sodio NaOH al 4%, questo processo districa il complicato intreccio in
cui si trovano le fibre cellulosiche, rendendo i gruppi ossidrilici (-OH) della cellulosa
più disponibili al legame con la matrice polimerica. Questo processo inoltre rimuove
pectine, cere e lignina dalla superficie della fibra, aumentando la rugosità della
stessa e migliorando la coesione con la matrice.
Per mostrare la praticità di questi materiali plastici nella vita di tutti i giorni sono
stati riportati in Fig 1.4 esempi di alcuni prodotti già commercialmente disponibili
ottenuti a partire da fibre di canapa. Alcuni di essi sono prodotti dalla azienda
australiana Zeoform®, all’avanguardia nel settore delle bioplastiche con prodotti dal
raffinato design e dalle ottime qualità meccaniche ed ecologiche.
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Fig 1.4 Esempi di prodotti plastici ottenuti a partire dalla fibra di canapa.
e stampaggio ad iniezione, che viene utilizzato con fibre naturali in diversi beni di
consumo, ad esempio vassoi per la macinazione dischi, urne e anche in alcune
applicazioni interni automobilistici.
Nuove applicazioni made in Italy arrivano dalla neonata start up Kanèsis, in grado
di ottenere un biopolimero ottenuto dalla cellulosa di canapa utilizzato come
materia prima nelle stampanti 3D.
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II.
Biocopositi per l’edilizia e materiali isolanti
I tradizionali materiali utilizzati nell’edilizia, e in particolare per l’isolamento
termico, come vetro, lana di roccia, polistirolo e poliuretano espanso, presentano
notevoli problemi riguardo al loro impatto ambientale, sia in fase di produzione che
nella fase di smaltimento. Questi materiali sono derivati da fonti non rinnovabili,
petrolio in primis, e presentano alte temperature di lavorazione, con conseguenti
alti costi di fabbricazione, e spesso non possono essere riciclati.
Come alternativa a questi comuni materiali esistono nuovi prodotti per l’edilizia
con una spiccata sostenibilità ambientale. Questi materiali sono definiti compositi e
contengono fibre naturali ottenute dall’agricoltura unite ai classici materiali edili
come sabbia o calce. I nuovi biomateriali presentano un migliore impatto sulla
salute umana, in quanto sono esenti da leganti organici tossici, come la formaldeide,
ritenuta cancerogena per l’uomo, o la lana minerale.
Le fibre naturali presentano diverse caratteristiche positive come bassa
conducibilità termica, bassa densità e buona resistenza specifica. Inoltre, le fibre
naturali sono ottenuti da risorse rinnovabili, rendendo il loro impatto ambientale
sensibilmente inferiore rispetto a quello dei tradizionali materiali isolanti. Tra le
possibili fonti di fibra la canapa
(Cannabis sativa L.) ha ricevuto
molte attenzioni per la sua buona
proprietà di isolamento termico e
acustico, le buone proprietà
meccaniche, la rapidità di crescita e
produzione di biomassa. In Fig 1.5
sono riportati alcuni esempi di
pannelli isolanti per l’edilizia.
Fig 1.5 Pannelli isolanti in fibra di canapa
Pannelli di questo tipo sono utilizzati in edilizia come materiali coibentanti
all’interno della struttura rigida dell’edificio, creando pareti multistrato in grado di
conferire ottimo isolamento termico (sia dal caldo che dal freddo) e acustico. Inoltre
i materiali hanno un bassissimo impatto ambientale dato l’utilizzo si materie prime
rinnovabili e data la capacità di assorbire CO2, rendendoli estremamente ecologici e
adatti per la realizzazione di pareti e contro-pareti isolanti, specialmente su vecchie
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murature, garantendo allo stesso tempo un elevato comfort termico ed una costante
asciugatura degli elementi edili, impedendo così la formazione di condense e muffe.
La canapa è utilizzata per creare il cosiddetto "cemento di canapa" cioè, una mistura
di canapa, calce idraulica, acqua e, in alcuni casi, sabbia. Questo materiale
innovativo quanto ecologico viene utilizzato come muratura isolante per i muri
tamponati esternamente, nella coibentazione interna ed esterna di pareti già
esistenti e per creare parete divisorie ad alto isolamento acustico.
In Tab 1.7 Sono state riportate caratteristiche tecniche di alcuni mattoni naturali in
calce e canapa.
Tab 1.7 Dati tecnici di mattoni in calce e canapa
Le proprietà dei biomateriali di canapa variano a seconda delle dimensioni a cui le
fibre vengono ridotte, con la possibilità di creare pannelli a bassa, media e alta
densità. I pannelli a bassa densità sono stati progettati per l’isolamento termico
degli edifici, mentre pannelli media e alta densità sono stati progettati come
possibili sostituti dei materiali utilizzati nell’edilizia e nell’industria del mobile come
ottimi sostituti del legno.
In Fig 1.6 vengono mostrati in dettaglio alcuni tipi di pannelli compositi di canapa, i
trucioli utilizzati hanno dimensioni diverse a seconda del tipo di densità richiesta
per il materiale (Low, Medium e High Density).
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CANAPA INDUSTRIALE – Futuro sostenibile
Fig 1.6 Pannelli di diverse densità in materiale composito di canapa.
Quest’ultimi materiali sono ottenibili tramite una tecnica chiamata ResinaTransfer-Moulding (RTM), che viene utilizzato per prodotti ad alte prestazioni come
mobili (sedie e tavoli) e altri oggetti dalle grandi dimensioni.
I nuovi compositi sono stati specificatamente sviluppati nella creazione di pareti
multistrato: ponendo i pannelli a bassa densità all’interno e all’esterno dell’edificio
forniscono l'isolamento termico; gli strati ad alta densità usati per fornire resistenza
alla struttura e sicurezza ignifuga.
.
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III.
Usi del Canapulo:
Per l'economia dei produttori di fibre di canapa è molto importante anche la
produzione di canapulo che, pur avendo un valore di mercato che è circa metà di
quello delle fibre, riscuote un gran interesse trai produttori, infatti per ogni
chilogrammo prodotto di fibra di canapa si ottengono circa 1,7 kg di canapulo come
sottoprodotto.
Ad oggi il mercato più importante per il canapulo risiede nella zoologia, infatti sono
in commercio lettiere ad alte prestazioni per i cavalli e altri animali. Il canapulo è in
grado di assorbire l'umidità fino a 4 volte il loro peso secco. Essi sono efficaci per
molto più tempo rispetto ad altri materiali e una volta che la lettiera marcisce,
questa diventa un eccellente compost.
Un interessante mercato nuovo e crescente sta usando canapulo in combinazione
con la calce per la costruzione. Qui la quota di mercato è del 15%, negli ultimi anni
infatti centinaia di case private sono state costruite in Francia, Regno Unito e
Irlanda con questo nuovo materiale, che viene posto in un telaio di legno come
mostrato in Fig 1.7. Il
materiale è facile da
maneggiare, si trova ad un
prezzo competitivo, mostra
buone
proprietà
di
isolamento per essere un
materiale da costruzione e
mostra buone proprietà
antisismiche.
Fig 1.7 Casa ecosostenibile in legno e canapa
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CONTATTI
Matteo Maria Melosini
+39 393 2556496
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Largo Ludwig Van Beethoven, 1
Gallarate (VA) 21013
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