È stato sviluppato un nuovo composito con struttura a sandwich dagli strati superficiali di poliidrossialcanoato (PHA) e dallo strato intermedio di acido polilattico e microfibre di cellulosa. Le microfibre di cellulosa biodegradabili possono essere modificate chimicamente con un processo sol-gel per migliorare la compatibilità tra il rinforzo naturale e la matrice polimerica.
Mentre le microfibre di cellulosa modificate sono state sviluppate chimicamente attraverso diversi processi per migliorare la compatibilità del rinforzo naturale sulla matrice polimerica, le microfibre di cellulosa modificate hanno mostrato caratteristiche altamente idrofobiche con dispersione omogenea nella matrice di acido polilattico.
Masoud Dadras Chomachayi e un gruppo di ricerca dell’Università Laval, in Canada, hanno osservato che le analisi termogravimetriche dei costrutti hanno mostrato una migliore stabilità termica. Hanno migliorato le proprietà meccaniche delle strutture per aumentarne il modulo di trazione e la resistenza. Quando gli scienziati hanno aggiunto fibre non trattate alle strutture, la permeabilità al vapore acqueo del composito sandwich è aumentata, dimostrando la superiorità delle microfibre di cellulosa modificate rispetto alle microfibre di cellulosa non trattate per sviluppare involucri edilizi.
La ricerca è pubblicata sulla rivista Scientific Reports .
L'arte di costruire un involucro edilizio
L'involucro dell'edificio è una parte essenziale della struttura dell'edificio che protegge gli occupanti dagli impatti ambientali esterni tra cui sole, pioggia, neve, vento e inquinamento. Questo elemento passivo multistrato è significativo per l'efficienza energetica e per mantenere la salute e il comfort dei residenti nell'edificio. Il processo di perdita d’aria, trasferimento di calore e diffusione dell’umidità può avere effetti significativi sull’involucro dell’edificio. Ad esempio, nei climi freddi, la concentrazione di massa del vapore acqueo all'interno dell'edificio è maggiore rispetto all'esterno, provocando la migrazione dell'umidità attraverso le pareti dell'edificio.
Di conseguenza, l’umidità diffusa può favorire la crescita di muffe, riducendo l’efficacia dell’isolamento e il deterioramento dei materiali dell’involucro edilizio. Attualmente, nel settore edile vengono utilizzate diverse membrane barriera, tra cui fogli di plastica e isolanti in schiuma rigida. Tra questi materiali, i polimeri sono sempre più utilizzati per costruire gli involucri. Gli scienziati dei materiali utilizzano fogli estrusi di polietilene come importante membrana di barriera al vapore; tuttavia, il suo uso eccessivo è dannoso per l'ambiente.
Poiché il poliidrossialcanoato e l’acido polilattico sono biopolimeri importanti nell’industria della plastica, lavori recenti hanno visto l’uso di riempitivi rinnovabili a base di cellulosa come compositi polimerici. In questo lavoro, quindi, Chomachayi e colleghi hanno sviluppato una nuova membrana barriera strutturata a sandwich da materiali di origine biologica, dove hanno aggiunto poliidrossialcanoato agli strati superficiali delle membrane grazie alle sue eccellenti proprietà di barriera al vapore e quindi hanno aggiunto acido polilattico come strato intermedio, insieme alle microfibre di cellulosa. per benefici ambientali ed economici.
Gli scienziati hanno caratterizzato i compositi sandwich preparati rispetto alla loro morfologia, stabilità termica, proprietà meccaniche e prestazioni di barriera al vapore. Hanno quindi condotto un test di durabilità per studiare l'effetto dell'invecchiamento accelerato sulle proprietà meccaniche e di barriera dei materiali.
I ricercatori hanno esaminato la morfologia superficiale delle microfibre di cellulosa prima e dopo la modifica e hanno esaminato i risultati con la microscopia elettronica a scansione. Per conferire ruvidità alle fibre di cellulosa, il team ha incorporato nanoparticelle di silice sferiche con un diametro su scala nanometrica, dove hanno derivato le nanoparticelle dall'idrolisi e dalla nucleazione del precursore del tetraetilortosilicato sulle fibre di cellulosa.
Utilizzando l’analisi infrarossa in trasformata di Fourier, Chomachayi e colleghi hanno determinato la struttura chimica delle microfibre di cellulosa prima e dopo la modifica sol-gel. Gli scienziati hanno caratterizzato i compositi sandwich preparati in relazione alla loro morfologia, stabilità termica e proprietà meccaniche.
Nel suo meccanismo d'azione, durante la modifica sol-gel delle microfibre di cellulosa con tetraetilortosilicato ed esadeciltrimetossisilano, il team ha mescolato i materiali combinati in un dispenser e ha incluso nanoparticelle di biossido di silicio sulla superficie del materiale. Dopo la reazione, hanno centrifugato la miscela e hanno ottenuto microfibre di cellulosa idrofile, che hanno liofilizzato per due giorni e macinato per ottenere una polvere di cellulosa. Per preparare le membrane con struttura a sandwich, hanno creato compositi interstrato di acido polilattico/microfibra di cellulosa mediante colata di solvente e hanno essiccato sotto vuoto i pellet di PHA durante la notte per rimuovere l'umidità.
Gli scienziati hanno poi sviluppato i compositi strutturati a sandwich tramite stampaggio a compressione e li hanno caratterizzati tramite una serie di metodi tra cui la microscopia elettronica a scansione, le misurazioni dell'angolo di contatto, le analisi termogravimetriche e la calorimetria a scansione differenziale.
Per valutare l'impatto della modifica sol-gel sull'idrofobicità delle microfibre di cellulosa, hanno studiato i risultati utilizzando misurazioni dell'angolo di contatto. Ad esempio, i valori dell’angolo di contatto delle microfibre di cellulosa combinate e dell’esadeciltrimetossisilano erano più alti rispetto alle superfici non trattate. Il team ha condotto una serie di esperimenti per caratterizzare la composizione della superficie del materiale, la chimica dei costrutti e le loro proprietà meccaniche.
Poiché il concetto di durabilità del materiale ha guadagnato molta attenzione in Canada, ad esempio, il team ha cercato di valutare la durata dei fogli di polietilene per un uso a lungo termine durante le applicazioni di membrane barriera al vapore.
In questo modo, Masoud Dadras Chomachayi e il suo team hanno sviluppato una membrana con struttura a sandwich utilizzando materiali di origine biologica, tra cui poliidrossialcanoato, acido polilattico e microfibre di cellulosa. Le membrane barriera regolavano la migrazione del vapore acqueo attraverso le pareti per prevenire l'accumulo di umidità e la stabilità a lungo termine dei materiali da costruzione. Il team di ricerca ha sviluppato compositi multistrato utilizzando fogli di poliidrossialcanoato e fibre rinforzate con compositi di acido polilattico per creare microfibre di cellulosa modificate ricoperte con nanoparticelle di silice sferiche sulle superfici.
Anche l’idrofilicità e la stabilità termica delle microfibre di cellulosa sono state migliorate dopo il processo di modificazione sol-gel. I risultati hanno mostrato come il modulo di Young dei materiali aumentasse incorporando due materiali chiave nei compositi. I risultati positivi simboleggiano il potenziale dei biopolimeri come utili alternative ai materiali convenzionali a base di petrolio durante le applicazioni edili. Ulteriori studi mirano a migliorare la flessibilità dei compositi per applicazioni più ampie.
Ulteriori informazioni: Dadras Chomachayi et al, Sviluppo di un nuovo composito con struttura a sandwich da biopolimeri e microfibre di cellulosa per applicazioni nell'involucro edilizio, Rapporti scientifici (2023). DOI:10.1038/s41598-023-49273-0
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