CNFP: Ottimo sostituto alla plastica!

NFC plastica nanofibre cellulosa sostenibile strutturale
Erosa dalle onde, dalla luce del sole e dagli animali marini, una singola borsa di plastica può rompersi generando 1.75 milioni di frammenti microscopici, chiamati micro plastiche. (Immagine: via pixabay/CC0 1.0)

La plastica è un tipo di materiale artificiale ampiamente utilizzato, leggero, resistente e poco costoso da usare. Tuttavia ne siamo rimasti invasi. Gran parte dei rifiuti del materiale non riciclato finiscono nell’oceano, l’ultimo pozzo della Terra. Qui, erosa dalle onde, dalla luce del sole e dagli animali marini, una singola borsa di plastica può rompersi generando 1.75 milioni di frammenti microscopici, chiamati micro plastiche.

La maggiore risorsa green del pianeta

Attraverso il pesce che mangi e l’acqua che bevi, questi frammenti potrebbero alla fine entrare nel tuo sangue e nel tuo corpo. Eppure, durante il lungo periodo di evoluzione delle piante sulla Terra, i materiali in cellulosa sono stati utilizzati come veri e propri materiali strutturali di supporto. Infatti la cellulosa esiste principalmente sotto forma di nanofibre di cellulosa (NFC), con eccellenti proprietà meccaniche e termiche. Si tratta della più abbondante risorsa completamente green sulla Terra, derivabile dalle piante o producibile dai batteri.

Su scala nanometrica l’NFC è un componente ideale per la costruzione di materiali macroscopici ad alte prestazioni. Possiede infatti resistenza (2 GPa) e modulo (138 GPa) più elevati rispetto al Kevlar e all’acciaio. Ha invece un coefficiente di dilatazione termica inferiore (0,1 ppm K-1) al vetro siliconico. La costruzione di materiali strutturali sostenibili e ad alte prestazioni, come nel caso di questo materiale biodegradabile e a base biologica, promuoverà notevolmente la sostituzione della plastica evitando di restarne sommersi.

CNFP
Il materiale strutturale CNFP sfuso derivato dalla nanofibra di cellulosa e la sua caratterizzazione. (a) Fotografia di CNFP di grandi dimensioni con un volume di 320 × 220 × 27 mm³. (b) La solida rete di nanofibre 3D di CNFP. Numerosi NFC sono intrecciati tra loro e combinati insieme da legami di idrogeno. (c) Parti con forme diverse di CNFP prodotte per una fresatrice. (d) Diagramma di Ashby dell’espansione termica rispetto alla resistenza specifica del CNFP , in confronto ai polimeri tipici, metalli e ceramica. (e) Diagramma di Ashby dell’espansione termica rispetto alla resistenza all’urto specifica del CNFP in confronto a polimeri tipici, metalli e ceramiche. Copyright 2020, American Association for the Advancement of Science. (Immagine: Shu-Hong)

Sostenibile e ad alte prestazioni

In questi giorni un team condotto dal Professor Shu-Hong dell’Università della scienza e della Tecnologia della Cina ha parlato di lastra in nano fibra di cellulosa (CNFP) (Fig. a e c). È un materiale strutturale sostenibile ad alte prestazioni, costruito con NFC a base biologica (fig. b), pronto a sostituire la plastica in molti campi. Questo CNFP ha un’alta resistenza specifica (~ 198 MPa / Mg m³), superiore a quella della tradizionale plastica e lega di alluminio. È inoltre di 4 volte superiore a quella dell’acciaio.

Inoltre, il materiale possiede una resistenza all’impatto specifica più elevata (~ 67 kJ m-2 / (Mg m³)) rispetto alla lega di alluminio e solo metà della sua densità (1,35 g cm³). A differenza della plastica o di altri materiali a base di polimeri, il CNFP presenta un’eccellente resistenza a temperature estreme e shock termici. Il suo coefficiente di dilatazione termica è inferiore a 5 ppm K-1 da -120 ° C a 150 ° C. Questo valore è simile ai materiali ceramici e molto più basso dei polimeri e dei metalli tipici. Inoltre, anche dopo 10 rapidi shock termici tra 120 ° C in forno e -196 ° C in azoto liquido, mantiene la sua forza. Questi risultati dimostrano la sua eccezionale stabilità dimensionale e termica.

Possiede quindi grande potenziale come materiale strutturale utilizzabile a temperature estreme e ad alternanze di raffreddamento e riscaldamento. Grazie alla vasta gamma di materie prime di cui è composto e al processo di sintesi bio-assistita, è un materiale a basso costo. Costa solo $ 0,5 / kg, somma inferiore alla maggior parte delle plastiche. Grazie alla sua bassa densità, all’eccezionale resistenza e tenacità e una grande stabilità dimensionale termica, supera le proprietà dei metalli tradizionali, della ceramica e dei polimeri (Fig. d ed e). Si può considerare un’alternativa ad alte prestazioni e rispettosa dell’ambiente per esigenze ingegneristiche, in particolare per applicazioni aerospaziali.

Il CNFP può sostituire la plastica e salvarci dal rimanerne sommersi. Cosa ulteriore, ha anche un grande potenziale come prossima generazione di materiali strutturali sostenibili e leggeri.

Fornito da: Università di Scienze e Tecnologia della Cina [Nota: i materiali possono essere modificati per contenuto e lunghezza.]

Articolo in inglese: https://www.visiontimes.com/2020/05/09/sustainable-structural-material-for-plastic-substitute.html

Tradotto da: Massimiliano Volpato