Come le schiume a base di fibre potrebbero sostituire i polimeri inquinanti nello sport, nella sicurezza e nell’edilizia
Le schiume di plastica sono ovunque: nei caschi da bicicletta, negli imballaggi, nei pannelli da costruzione e negli interni delle automobili. Ma la maggior parte di esse è costituita da polimeri di origine fossile che non si decompongono, generano inquinamento da microplastiche e non possono essere riciclati. Il progetto BreadCell(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, ha sviluppato un processo di schiumatura basato su fibre di cellulosa provenienti dalla produzione di pasta di carta. Questi materiali rinnovabili sono stati trasformati in schiume composite leggere e biodegradabili, in grado di eguagliare le prestazioni delle alternative a base di plastica e già testate in attrezzature sportive e di sicurezza.
Dalle sospensioni di fibre liquide ai dispositivi di sicurezza funzionali
BreadCell ha sviluppato un nuovo metodo per trasformare sospensioni umide di cellulosa e fibre ricche di xilano in schiume porose e strutturate. Queste sono stati poi modellate in dimostratori, tra cui uno skateboard, un casco e un bodyboard, mostrando il loro potenziale nelle applicazioni reali. Durante i test sui caschi è emersa una proprietà particolare: la capacità della schiuma di ridurre l’accelerazione rotazionale negli impatti della testa, uno dei principali fattori di rischio per le lesioni cerebrali. Le schiume di fibre di BreadCell hanno dimostrato di assorbire e disperdere efficacemente questo momento angolare. A livello ingegneristico, la sfida principale consisteva nel capire come si comportano le schiume quando si asciugano e si induriscono. «Le sorprese ingegneristiche più grandi sono state legate al fatto che il terreno è rimasto così intatto da poter analizzare lo sviluppo della porosità durante la trasformazione delle schiume umide in schiume secche», afferma Tiina Nypelö, coordinatrice di BreadCell.
Regolazione della struttura dei pori per ottenere resistenza e stabilità
Per comprendere meglio il comportamento meccanico, il team ha utilizzato l’imaging Micro-CT per studiare l’evoluzione della rete di pori interni della schiuma. Queste scansioni 3D hanno rivelato forti gradienti di densità che influenzano direttamente la resistenza alla compressione, soprattutto in applicazioni critiche per la sicurezza come caschi o interni di automobili. I test hanno dimostrato che le variazioni di densità all’interno della schiuma riducono la rigidità apparente. Per colmare questa lacuna è stata sviluppata una tecnica di metamodellizzazione che combina i dati Micro-CT e i risultati di sollecitazione-deformazione. Come spiega Florian Feist, partner del progetto, «gli attuali metodi di prova sottovalutano il vero potenziale meccanico della schiuma di oltre il 50 %». Nelle applicazioni nel settore edile, i pannelli sandwich semi-ibridi che combinano anime in schiuma con rivestimenti in carta kraft hanno dimostrato un notevole miglioramento della resistenza alla compressione, alla flessione e allo strappo. I test meccanici hanno confermato che queste strutture stratificate superano le prestazioni della schiuma da sola, mostrando maggiore rigidità e durata.
Progettare per la sicurezza, la scalabilità e la sostenibilità
I materiali BreadCell non sono solo efficaci, ma anche sicuri e scalabili. Il team ha convalidato la non tossicità di tutti gli ingredienti e ha dimostrato che le schiume sono biodegradabili e riciclabili, come la carta, secondo i protocolli CEPI(si apre in una nuova finestra). Il progetto si è concentrato su materie prime già ampiamente disponibili. «I nostri principali componenti in schiuma sono disponibili a livello industriale su larga scala, il che rappresenta un grande vantaggio», afferma Nypelö. Le fibre di cellulosa non sono sottoprodotti ma il principale prodotto delle cartiere, con una produzione annua di oltre 160 milioni di tonnellate. Lo xilano è presente anche nella maggior parte delle paste chimiche, soprattutto in quelle utilizzate per la fabbricazione della carta. Questa ampia disponibilità, unita ai principi di sicurezza fin dalla progettazione e alla conformità ambientale, posiziona BreadCell come alternativa scalabile alle schiume sintetiche, con applicazioni nei settori dell’imballaggio, della mobilità, dello sport e dell’ambiente costruito.
