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Introdurre carta riciclata nei WPC – Wood Plastic Composites per migliorarne le prestazioni meccaniche e ridurre l’impatto ambientale?

Alessia Quitadamo dell’Università di Roma ci ha parlato del suo lavoro mirato alla creazione di compositi per la bioedilizia e la nautica, con importanti ricadute sia per le aziende sia per l’ambiente.

–  Buongiorno Alessia, qual è stato il tuo percorso accademico e quale ruolo ricopri attualmente all’interno dell’università?

Ho conseguito la laurea triennale nel luglio del 2013 in Ingegneria Chimica, presso l’Università di Roma – La Sapienza, presentando un lavoro dal titolo Protezione anodica di apparati per l’Ingegneria Chimica con la supervisione della Professoressa Cecilia Bartuli. Nell’ottobre 2015 ho discusso la tesi di laurea Macinazione ottimale per un recupero e riutilizzo innovativo di carta utilizzata come filler funzionale in compositi termoplastici in Ingegneria Chimica – curriculum materiali con relatore il Professor Marco Valente; ho vinto poi la borsa di studio per un dottorato di ricerca di durata triennale in Ingegneria Elettrica, dei Materiali e delle Nanotecnologie.

Al momento quindi sto svolgendo il primo anno di dottorato in Ingegneria dei materiali presso il DICMA-LIMS (dipartimento di Ingegneria Chimica, Materiali e Ambiente-Laboratorio Ingegneria dei Materiali e delle Superfici), concentrando la mia ricerca sui temi del recupero e riciclo di scarti di carta di derivazione industriale e derivati di natura cellulosica in compositi a matrice termoplastica.

 

– Qual è l’ambito specifico della tua ricerca? Quali sono gli obiettivi della tua indagine?

Il mio progetto di ricerca si inserisce nell’ambito della valorizzazione degli scarti e della riduzione dell’impatto ambientale.

La proposta è introdurre scarti di carta di derivazione industriale e derivati di natura cellulosica in compositi a matrice termoplastica. La matrice scelta è il polietilene ad alta densità (HDPE): si tratta di uno dei più diffusi polimeri adottati e da esso è possibile ottenere facilmente materiale di riciclo.

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Gli scarti di carta adottati sono quelli che non possono essere sottoposti al tradizionale riciclaggio, per cui richiedono uno smaltimento costoso per le aziende e dannoso per l’ambiente. L’obiettivo di riduzione dell’impatto ambientale è perseguito sia tramite una matrice di polimero riciclato anziché vergine sia con l’utilizzo di un filler derivante da scarti industriali.
Uno degli obiettivi della ricerca è il miglioramento e ampliamento delle applicazioni di compositi già esistenti, i WPC (Wood Plastic Composites), ottenendo così un prodotto ottimale per esempio per la bioedilizia e la nautica.
Nella letteratura scientifica, il tema dell’utilizzo di materiale di scarto come filler da usare nei compositi è ampiamente trattato; ciò che invece non è molto approfondito e diffuso è l’utilizzo di scarti di carta di derivazione industriale, presente solo in qualche articolo in riferimento al cartone o al giornale.
Se da un lato la scarsa bibliografia sull’argomento è un limite per approfondire le proprie conoscenze, dall’altro lato si apre un vasto scenario di applicazioni e soluzioni innovative non ancora proposte.

– Quali test conduci e con quali macchine? Quali provini utilizzi?

Lo studio prevede una prima analisi delle tecniche di micronizzazione per ottenere fibre o particelle di dimensioni adatte.

Al variare del processo adottato varia la morfologia del filler ottenuto e quindi le prestazioni offerte dal composito: in base all’applicazione finale è indispensabile valutare quale sia la morfologia adatta e, di conseguenza, individuare la tecnica ottimale di micronizzazione.
Ho adottato due tecniche diverse: un micronizzatore che opera per attrito, taglio e turbolenza e un mulino a lame. Dal primo processo sono state ottenute prevalentemente fibre, mentre dal secondo un misto di fibre e particelle. In base alle prestazioni del componente finale sarà necessario uno o l’altro tipo di micronizzazione.
Il processo di produzione del composito influenza il prodotto ottenuto: usare una tecnica di stampaggio a iniezione a singola vite, un estrusore bi-vite o un miscelatore ad alto numero di giri per minuto (turbomiscelatore) influenza la percentuale di filler che può essere introdotta, l’omogeneità del prodotto finale e i parametri di processo necessari.
Ad esempio, con l’injection moulding non è possibile introdurre alte percentuali di fibre, ma le geometrie ottenibili sono molto versatili. Al contrario, il turbomiscelatore consente alte percentuali di fibre, ottenendo però geometrie più semplici.

Ho realizzato prevalentemente campioni a osso di cane per la prova di trazione, ho analizzato al microscopio a scansione elettronica le superfici di frattura e condotto test di assorbimento d’acqua, di estrazione della vite e di durezza Shore D.
Per la prova di trazione e per quella di estrazione della vite ho adottato la macchina di prova Zwick Roell Z010, con diversi provini in accordo con le rispettive norme.
Per l’analisi al microscopio a scansione elettronica è necessaria una doratura realizzata tramite uno sputter per eseguire l’analisi superficiale.

– Descriveresti le prove effettuate a una persona “non addetta ai lavori”?

Nella prova di trazione, realizzata con la macchina di prova Zwick Z010, viene usata una macchina che ha due traverse, una fissa e una mobile, e il campione è fissato nei morsetti presenti sulle traverse stesse. Durante la prova si imposta una deformazione grazie al movimento della traversa mobile e viene registrato lo sforzo (forza/superficie) con cui il campione si oppone alla deformazione.università roma la sapienza_ingeneria materiali_macchina di prova zwick roell_prova di trazione

Anche la prova di estrazione della vite viene eseguita con macchina Zwick: il campione, ancorato alla traversa fissa, è provvisto di una vite agganciata dalla testa alla traversa mobile. Nel corso della prova si registra quindi la resistenza del campione all’estrazione della vite per effetto dello spostamento della traversa mobile.

L’analisi al microscopio a scansione elettronica permette di studiare le caratteristiche della superficie. Si usa un macchinario che lavora con un fascio di elettroni per “illuminare” la superficie e studiarla a grandi ingrandimenti. Il campione, che deve essere necessariamente conduttivo, è inserito in una camera sotto vuoto e l’immagine è visibile sul monitor di un pc, da cui si eseguono le diverse operazioni (messa a fuoco, ingrandimenti, verifica di luminosità e contrasto).

La prova di assorbimento d’acqua prevede l’immersione totale dei campioni in acqua. Seguendo sempre la normativa, è possibile variare i tempi di immersione fino ad arrivare a saturazione e anche le temperature. Si esegue una misura indiretta dell’acqua assorbita tramite il monitoraggio del peso del campione: ogni aumento di peso del campione è indice di acqua che è stata assorbita.

La prova di durezza con il durometro Shore prevede l’uso di uno strumento portatile molto comodo: questo è provvisto di una punta, variabile in base al materiale da indagare, e di un monitor su cui leggere i risultati della prova. Applicando una pressione dello strumento sulla superficie del campione, tramite il movimento della punta si risale alla durezza superficiale del campione.

– L’offerta Zwick comprende soluzioni uniche/particolari che, in base alle tue esigenze, si sono rivelate particolarmente rilevanti?

La macchina di trazione Zwick ci ha consentito, come detto in precedenza, di svolgere la tradizionale prova di trazione e non solo: grazie a particolari afferraggi è stato possibile condurre anche la prova di estrazione della vite.

– Ad oggi, quali sono le evidenze emerse dai tuoi studi?

Le prove condotte hanno fornito risultati incoraggianti:

l’introduzione della carta riciclata nei WPC ha consentito di migliorarne le prestazioni meccaniche in termini di modulo elastico e carico di rottura, la durezza e l’assorbimento d’acqua. Si evince quindi una favorevole sinergia data dalle particelle di legno e le fibre di carta.

Essendo le cariche idrofile e la matrice invece idrofoba, l’interfaccia tra i filler e la matrice non è ottimale. Come sviluppo futuro si è pensato di introdurre compatibilizzanti ed eseguire trattamenti superficiali per migliorare l’interfaccia.
Dal punto di vista di un composito volto alla riduzione dell’impatto ambientale è interessante anche la possibilità di introdurre una carica di derivazione bio, che consentirebbe inoltre di ridurre ulteriormente la percentuale di polimero di estrazione petrolifera necessaria a parità di volume.

– Quali sono le sfide principali a cui devi far fronte quotidianamente, anche alla luce delle nuove tecnologie e del panorama mondiale? Quali, invece, gli scenari futuri?

Il tema di ricerca legato alla riduzione dell’impatto ambientale attraverso lo sviluppo di una soluzione innovativa nel campo dei rifiuti cellulosici è molto attuale.  Una delle principali sfide è la messa a punto del processo produttivo del composito, sia in termini di processo di micronizzazione della carta di partenza sia in termini di miscelazione e stampaggio. Analizzando il processo produttivo, sarebbe interessante anche riuscire a ottenere una carica da poter alimentare facilmente a sistemi di produzione all’avanguardia come l’additive manufacturing. In tal modo si potrebbe ampliare il campo di prodotti ottenibili.

Per continuare a crescere nell’ambito del progetto è fondamentale interfacciarsi costantemente con altri gruppi di ricerca.

Il confronto e la collaborazione sono indispensabili per riuscire ad approfondire le ricerche condividendo con altri ricercatori le proprie esperienze e magari anche per l’utilizzo di apparecchiature e macchinari non presenti nel proprio laboratorio. In questo senso alcune collaborazioni sono già attive, spero ne nasceranno anche altre in futuro.