Nuovi compositi con fibre di lino della Nuova Zelanda. Verifica del comportamento strutturale con emissione acustica

I compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre naturali attraggono negli ultimi anni 
l’attenzione della comunità tecnico-scientifica per alcuni vantaggi che presentano rispetto ai 
più tradizionali e diffusi compositi in fibre di vetro, grazie ai bassi costi ed alla natura 
rinnovabile della materia prima, al basso peso specifico, al processamento in condizioni di 
temperatura inferiore, agli indiscussi benefici ambientali derivanti dalla riciclabilità ed eco-
sostenibilità sfruttabili alla fine del ciclo vitale del prodotto. In questa tesi di laurea si 
focalizza l’attenzione sulle potenzialità delle fibre del lino della Nuova Zelanda (phormium 
tenax, Agavaceae) per realizzare compositi epossidici ad utilizzi tecnici in settori industriali 
di largo consumo; le fibre, ottenute dalle foglie dell’arbusto, hanno ormai una diffusione 
geografica estesa a livello globale, con buone proprietà di resistenza e tenacità tuttavia poco 
esplorate in senso tecnico. 
Alcuni pannelli in resina rinforzati con fibre di phormium tenax (lunghezza 2 cm con 
orientazione casuale) sono stati sottoposti a prove di trazione e di flessione; una parte dei 
provini conteneva fibre trattate chimicamente con soluzioni di idrossido di sodio, un 
intervento che in condizioni di concentrazione, temperatura e durata ottimizzate riduce le 
disomogeneità superficiali e l’incompatibilità con la natura idrofoba della resina,  
migliorando l’adesione a livello interfacciale e talvolta le prestazioni meccaniche. Le prove a 
flessione sono state monitorate in tempo reale con l’emissione acustica, osservando anche 
l’evoluzione della difettologia del materiale sotto carico; un ulteriore riscontro sul 
comportamento strutturale si è avuto dalle frattografie al microscopio ottico ed elettronico 
(SEM). Il composito con fibre non trattate è stato inoltre testato a flessione con un ridotto 
numero di cicli di carico e scarico e conclusiva prova di flessione a rottura; in questo caso 
l’emissione acustica si è dimostrata efficace anche sui compositi con fibre naturali per la 
localizzazione dei difetti ed il calcolo del rapporto di Felicity, dimostrando l’affidabilità 
della struttura fino agli ultimi cicli.  
L’analisi dei risultati ottenuti nelle prove di laboratorio ed il confronto con i dati 
disponibili in letteratura di compositi in fibre di vetro e/o fibre naturali con simile contenuto 
di rinforzo, hanno consentito di individuare alcuni campi di applicazione industriale e di 
considerare la realizzazione di materiali compositi ibridi contenenti fibre di phormium tenax 
unitamente ad altre fibre naturali (sisal) o fibre di vetro.                                                                                   
 
Introduzione 
 
Dopo decenni dedicati allo sviluppo delle fibre sintetiche e al loro utilizzo in modo 
esaustivo, le fibre naturali conquistano l’attenzione della comunità tecnico-scientifica 
che si propone di risolvere l’annoso problema sull’inquinamento e sulla riciclabilità 
delle risorse non rinnovabili. Non a caso il 2009 è stato designato dalle Nazioni Unite 
come l’Anno Internazionale delle Fibre Naturali, grazie al quale con nuovo risalto sarà 
sottolineato il ruolo delle fibre naturali a livello mondiale. Secondo quanto affermato 
dalla FAO questo contribuirà a sensibilizzare l’opinione pubblica e gli Organi 
Governativi al rispetto dell’ambiente e della salute umana, portando ad un aumento 
della domanda dei prodotti che utilizzano le fibre naturali e ad un miglioramento 
dell’economia agricola (e non solo) dei paesi esportatori. 
L’impiego delle fibre naturali anche come materiale di rinforzo all’interno dei 
compositi polimerici viene dunque sempre più frequentemente  considerato negli 
ultimi anni, per la combinazione delle proprietà fisiche, chimiche e meccaniche che le 
stesse fibre sono in grado di dare insieme alla l’elevata eco-sostenibilità del prodotto. 
Tale combinazione rappresenta una indubbia attrattiva per molti settori del campo 
industriale che, oltre agli indiscussi benefici ambientali, si avvantaggiano anche sotto il 
profilo della produzione, con risparmi sui costi di realizzo, sulla manutenzione dei 
macchinari, sull’aumentata efficienza in fase di esercizio.  
I settori in cui i compositi rinforzati con fibre naturali sembrano offrire le migliori 
prospettive sono quelli delle costruzioni, dei trasporti, dell’arredamento, degli 
imballaggi e molti altri settori di largo consumo in cui non sono richieste elevate 
prestazioni, restando quello delle alte tecnologie una ‘nicchia’ riservata alle fibre 
sintetiche (carbonio, aramidiche). La scienza e la tecnologia si muovono dunque in 
questi campi sperimentando e proponendo compositi e biocompositi che sempre 
meglio soddisfino le richieste di mercato e che risultino in competizione con i 
tradizionali compositi in fibre sintetiche; grazie ai progressi raggiunti dalla ricerca si 
persegue dunque l’ottimizzazione dei cicli produttivi e, talvolta, si interviene sulla 
materia prima ricorrendo all’ingegneria genetica. 
Con la presente tesi di laurea si tratterà dei materiali compositi polimerici rinforzati 
in fibra naturale, focalizzando l’attenzione sulle fibre del lino della Nuova Zelanda 
(phormium tenax), un arbusto  che oggi è diffuso in molte località del globo e che, 
nonostante le buone proprietà di tenacità e resistenza, resta poco conosciuto per  
utilizzi industriali di largo consumo. L’efficacia delle stesse fibre come rinforzo in 
materiali compositi polimerici sarà valutata nella sezione sperimentale, dove si 
realizzeranno pannelli epossidici rinforzati con fibre grezze e fibre trattate da 
sottoporre a prove di trazione e flessione; l’evoluzione del comportamento strutturale 
sarà seguita in tempo reale durante le prove di flessione con l’emissione acustica.  
Di seguito si riporta una sintesi dei capitoli in cui si articola la tesi.  
Nel primo capitolo si forniscono le nozioni fondamentali che riguardano le fibre 
vegetali, mettendo in evidenza la stretta relazione tra la composizione chimica e le 
proprietà fisiche, tra la particolare struttura ed il comportamento meccanico, notando 
anche come alcune peculiarità che non trovano riscontro nelle fibre sintetiche (es. la 
presenza del lumen) possano essere dei punti di forza per specifici campi applicativi 
(ad es. per l’isolamento termico, elettrico, acustico); nel particolare si osserva la 
morfologia delle foglie e delle fibre di phormium tenax.  
Delle modalità di estrazione delle fibre dalla pianta, che rappresentano un 
fondamentale passaggio nel ciclo di lavorazione prima della realizzazione del 
composito, si scende nel dettaglio per le fibre di maggiore interesse industriale.      
Insieme alla presentazione delle principali fibre naturali si riportano le applicazioni e 
gli utilizzi tecnici che hanno un riscontro nell’industria; si annoverano i vantaggi e gli 
svantaggi dei compositi polimerici rinforzati con fibre naturali, esaminando gli aspetti 
che influiscono sulle prestazioni del prodotto finale e tenendo presenti le analogie o le 
differenze rispetto alla controparte rinforzata in fibre di vetro.  
In chiusura di capitolo si propongono i trattamenti superficiali (fisici e chimici) 
come uno degli interventi possibili da applicare sulle fibre per contrastare le 
disomogeneità strutturali, la loro instabilità termica, le incompatibilità con la matrice 
polimerica, tutti fattori che contribuiscono a ridurre le prestazioni di un composito.  
Il secondo capitolo è dedicato alla trattazione del phormium tenax e delle sue fibre, 
accennando alle vicende storiche che in passato hanno portato all’alternanza tra le fasi 
di boom e di tracollo economico nel mercato nazionale neozelandese e nelle 
esportazioni oltreoceano; attualmente gli utilizzi del lino della Nuova Zelanda sono 
legati alla radicata tradizione Maori e rappresentano il principale motivo di commercio 
nazionale che, con incentivi statali e strategie economiche, il governo neozelandese 
cerca di rilanciare verso un mercato di respiro internazionale.  
Nel dettaglio si osservano le modalità di coltivazione della pianta e se ne affronta 
una trattazione nell’ottica delle coltivazioni intensive; si osserva in particolare il 
vantaggio degli accorgimenti poco impegnativi anche nel fronteggiare la malattia della 
foglia gialla. Nei cicli di produzione industriale, insieme alle corrette modalità di 
raccolta e alla potatura delle foglie, si nota come i costi di esercizio e di manutenzione 
restino contenuti; della fase di estrazione si riporta sia il metodo manuale (haro) sia 
quello quasi completamente automatizzato (operaio-macchinario), con gli accorgimenti 
più opportuni per ottenere fibre dalle proprietà chimiche e fisiche soddisfacenti.  
Nello stato dell’arte che riguarda gli utilizzi del phormium tenax come fonte di fibre 
naturali all’interno di compositi polimerici e biopolimerici si riportano gli studi fino ad 
oggi condotti; si nota in particolare come la caratterizzazione sistematica delle fibre 
resti ancora poco dettagliata. In questo paragrafo si riportano le proprietà fisiche e 
meccaniche esplorate e si confrontano i valori con quelli di altre fibre naturali (ad es. il 
sisal, che appartiene alla stessa famiglia delle Agavaceae).  
Negli ultimi paragrafi vengono presentati gli utilizzi della pianta (sfruttata 
completamente e non solo come fonte di fibre), riportando le applicazioni attuali 
soprattutto per il commercio e l’industria neozelandese. Nel settore tessile, domestico, 
delle costruzioni e della carta il phormium tenax trova ampia diffusione e anche in 
applicazioni mediche e dell’alimentazione ha proprietà terapeutico-nutrizionali ormai 
riconosciute. L'arbusto è un elemento fondamentale anche per l'equilibrio 
dell’ecosistema, della flora e della fauna, risultando determinante nella stabilità 
geologica dei terreni, per questo sfruttabile con la funzione di contenimento delle 
esondazioni delle acque lungo i fiumi e i corsi d’acqua.  
In conclusione di capitolo si riporta un quadro dei progetti di ricerca e sviluppo 
avviati in Nuova Zelanda degli ultimi anni e di quelli attualmente in corso per 
incentivarne il mercato.  
Il terzo capitolo si apre con una panoramica sulla produzione attuale e sulle 
prospettive a breve e medio termine sui materiali compositi rinforzati con fibre naturali 
e biocompositi, fornendo in particolare un quadro socio-politico della situazione 
europea. Successivamente si presentano i compositi rinforzati con fibre naturali con 
particolare riferimento ai settori industriali in cui essi vengono impiegati con successo; 
oltre al ruolo delle fibre si noterà quello della matrice (polimerica) che è analogamente 
fondamentale per ottenere il composito dalle proprietà richieste.  
Degli ibridi si constata il buon compromesso tra eco-sostenibilità e prestazioni 
meccaniche qualora il rinforzo sia composto da fibre naturali e fibre di vetro: la 
realizzazione di tali compositi, dopo un’analisi sulla compatibilità delle fibre e sul loro 
contenuto relativo, può rappresentare un’ottima soluzione in settori dove si richiedono, 
ad esempio, più elevate prestazioni e leggerezza; alcune considerazioni di massima 
vengono fatte sulla compatibilità tra le fibre di phormium e le fibre di sisal nella 
prospettiva di realizzare un ibrido completamente bioderadabile.  
Si analizzano poi le tecniche di processamento più diffuse nell’industria per i 
compositi in fibre naturali e, anche in questo caso, la loro influenza  sulla qualità finale 
del prodotto. Per un confronto obiettivo tra fibre naturali e fibre di vetro in materiali 
compositi polimerici, ci si riferirà ai concetti fondamentali dell’analisi del ciclo vitale 
(life cycle assessment, LCA) e, basandosi su alcuni esempi che riguardano i processi 
ed i prodotti di un composito, si commenterà quale può essere il reale futuro delle fibre 
naturali e di altre risorse rinnovabili, sulla loro competitività, sulla potenziale 
sostituzione con le fibre di vetro nei casi in cui esse forniscano prestazioni equivalenti 
o superiori.  
In conclusione di capitolo si presenta l’emissione acustica, un metodo non 
distruttivo diffuso in settori dell’alta tecnologia e degli impianti chimici, che sempre 
con maggior frequenza viene applicato in altri settori industriali; negli ultimi anni 
questa tecnica è applicata anche sui compositi rinforzati in fibre naturali, ad esempio 
con verifiche sull’affidabilità dei componenti nel settore delle automobili o 
dell’arredamento.  
Nella parte sperimentale (quarto capitolo) vengono riportate le esperienze effettuate 
in laboratorio: sono stati realizzati campioni in resina epossidica rinforzata con fibre di 
phormium tenax ad orientazione casuale e su di essi sono state condotte prove di 
trazione e di flessione a tre punti; insieme alle prestazioni dei campioni rinforzati con 
fibre grezze sono state osservate quelle di campioni con fibre di phormium alcalizzate a 
due concentrazioni diverse di idrossido di sodio, osservando su questi ultimi gli effetti 
del trattamento chimico sulla risposta meccanica.  
Le prove di flessione sui pannelli sono state affiancate all’emissione acustica, con 
un riscontro in tempo reale sull’evoluzione della difettologia. Oltre a descrivere le 
procedure seguite per il trattamento chimico delle fibre e la realizzazione dei pannelli, 
si commentano gli accorgimenti presi durante alcune fasi e le condizioni operative che 
influiscono sull’esecuzione del composito.  
Nel quinto capitolo si discutono i risultati ottenuti durante le prove sperimentali e si 
confrontano i dati ottenuti con quelli disponibili in letteratura per altri compositi (con 
fibre di vetro o altre fibre naturali). Le conclusioni riassumono i risultati ottenuti e con 
essi i settori industriali di possibile applicazione per i compositi rinforzati con fibre di 
phormium tenax. Molteplici sono gli spunti emersi nel corso delle esperienze di 
laboratorio e che si prestano ad approfondire le conoscenze su queste fibre; gli sviluppi 
futuri che in tal senso le riguardano sono ferventi.  
In conclusione d’opera è stata inserita una appendice dove si racchiudono alcuni 
approfondimenti sui quali non ci si è soffermati nel corso della tesi: la tassonomia del 
phormium tenax (il criterio di classificazione botanica cui si è fatto riferimento e 
perché); la differenza tra monocotiledoni e dicotiledoni (il phormium tenax è un 
monocotiledone); il tessuto vegetale, per meglio definire la terminologia utilizzata nei 
vari punti della tesi dove si è fatto riferimento ad aspetti sulla morfologia e 
sull’istologia delle piante.