Un'automobile di lusso non è proprio un posto dove cercare qualcosa come il sisal, canapa, o legno. Eppure le case automobilistiche utilizzano fibre naturali da decenni. Alcune berline e coupé di fascia alta li utilizzano in materiali compositi per i pannelli delle portiere interni, per motore, isolamento interno e acustico, e coperchi motore interni, tra gli altri usi.

A differenza dell'acciaio o dell'alluminio, i compositi in fibra naturale non arrugginiscono né si corrodono. Possono anche essere resistenti e facilmente modellabili. I maggiori vantaggi dei compositi polimerici rinforzati con fibre per auto sono la leggerezza, buone proprietà di crash, e caratteristiche di riduzione del rumore e delle vibrazioni. Ma realizzare più parti di un veicolo da fonti rinnovabili è una sfida. I compositi polimerici in fibra naturale possono rompersi, rompere e piegare. Le ragioni includono bassa trazione, resistenza alla flessione e all'urto nel materiale composito.

I ricercatori dell'Università di Johannesburg hanno ora dimostrato che la piantaggine, un tipo amidaceo di banana, è una fonte promettente per un tipo emergente di materiale composito per l'industria automobilistica. Le fibre naturali di piantaggine sono combinate con nanotubi di carbonio e resina epossidica per formare un materiale nanocomposito ibrido polimerico rinforzato con fibre naturali. La piantaggine è un alimento base per tutto l'anno nelle regioni tropicali dell'Africa, Asia e Sudamerica. Molti tipi di platano si mangiano cotti.

I ricercatori hanno modellato un materiale composito da resina epossidica, fibre di piantaggine trattate e nanotubi di carbonio. La quantità ottimale di nanotubi era l'1% in peso della resina epossidica di piantaggine combinata. Il nanocomposito di piantaggine risultante era molto più forte e rigido della resina epossidica di per sé. Il composito aveva il 31% in più di resistenza alla trazione e il 34% in più di resistenza alla flessione rispetto alla sola resina epossidica. Il nanocomposito aveva anche un modulo di trazione superiore del 52% e un modulo di flessione superiore del 29% rispetto alla sola resina epossidica.

"L'ibridazione della piantaggine con nanotubi di carbonio a parete multipla aumenta la resistenza meccanica e termica del composito. Questi aumenti rendono il composito ibrido un materiale competitivo e alternativo per alcune parti di automobili, "dice il professor Tien-Chien Jen, il ricercatore capo dello studio e il capo del Dipartimento di Scienze dell'ingegneria meccanica presso l'Università di Johannesburg.

Fibre naturali vs metalli

La produzione di componenti per auto da fonti rinnovabili ha diversi vantaggi, dice il dottor Patrick Ehi Imoisili, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Scienze dell'Ingegneria Meccanica dell'Università di Johannesburg. "C'è una tendenza all'uso della fibra naturale nei veicoli. Il motivo è che i compositi di fibre naturali sono rinnovabili, a basso costo e a bassa densità. Hanno un'elevata resistenza specifica e rigidità. I processi di produzione sono relativamente sicuri, " dice Imoisili. "Utilizzando parti di automobili realizzate con questi compositi, può ridurre la massa di un veicolo. Ciò può comportare una migliore efficienza del carburante e sicurezza. Questi componenti non arrugginiscono né si corrodono come i metalli. Anche, possono essere rigidi, durevole e facilmente modellabile."

Però, alcuni compositi polimerici rinforzati con fibre naturali attualmente presentano svantaggi come l'assorbimento d'acqua, bassa resistenza agli urti e bassa resistenza al calore, causando effetti come screpolature, piegatura o deformazione di una parte dell'auto, dice Imoisili.

I ricercatori hanno sottoposto il nanocomposito di piantaggine a una serie di test industriali standardizzati. Questi includevano i metodi di prova ASTM D638 e D790, test di impatto secondo lo standard ASTM A-370, e ASTM D-2240. I test hanno mostrato che un composito con l'1% di nanotubi aveva la migliore resistenza e rigidità rispetto alla sola resina epossidica. Il nanocomposito di piantaggine ha anche mostrato un netto miglioramento della micro durezza, resistenza all'urto e conducibilità termica rispetto alla sola resina epossidica.

Modellare un nanocomposito da fibre naturali

I ricercatori hanno fabbricato un oggetto per lo stress test modellato a compressione. Hanno usato una parte di fibre di piantaggine non commestibili, quattro parti di resina epossidica e nanotubi di carbonio a parete multipla. La resina epossidica e i nanotubi provenivano da fornitori commerciali. La resina epossidica era simile alle resine che i produttori di automobili usano in alcune parti di automobili. Le fibre di piantaggine provenivano dai "tronchi" o pseudo-steli, di piante di piantaggine nella regione sud-occidentale della Nigeria. Gli pseudo-fusti sono costituiti da foglie strettamente sovrapposte.

I ricercatori hanno trattato le fibre di piantaggine con diversi processi. Il primo processo è un antico metodo chiamato macerazione ad acqua per separare le fibre vegetali dagli steli. Nel secondo processo, le fibre sono state immerse in una soluzione di soda caustica al 3% per quattro ore. Dopo l'essiccazione, le fibre sono state trattate con radiazioni a microonde ad alta frequenza di 2,45 GHz a 550 W per due minuti. I trattamenti con soda caustica e microonde hanno migliorato il legame tra le fibre di piantaggine e la resina epossidica nel nanocomposito.

Prossimo, i ricercatori hanno disperso i nanotubi in etanolo per prevenire il raggruppamento dei tubi nel composito. Dopo di che, le fibre di piantaggine, nanotubi e resina epossidica sono stati combinati all'interno di uno stampo. Lo stampo è stato quindi compresso con un carico per 24 ore a temperatura ambiente.

Coltura alimentare vs materia prima industriale

Il platano viene coltivato nelle regioni tropicali di tutto il mondo. Questo include il Messico, Florida e Texas in Nord America; Brasile, Honduras, Guatemala in Sud e Centro America; India, Cina, e sud-est asiatico. Nell'Africa occidentale e centrale, gli agricoltori coltivano piantaggine in Camerun, Ghana, Uganda, Ruanda, Nigeria, Costa d'Avorio, e Benin.

L'utilizzo della biomassa delle principali colture alimentari di base può creare problemi di sicurezza alimentare per le persone a basso reddito. Inoltre, l'industria automobilistica avrà bisogno di accedere a fonti affidabili di fibre naturali per aumentare l'uso di compositi in fibra naturale. Nel caso dei platani, le potenziali tensioni tra la sicurezza alimentare e gli usi industriali dei materiali compositi sono basse. Questo perché i coltivatori di platano scartano gli pseudo-steli come rifiuti agricoli dopo il raccolto.