Polimeri: se innovativi li trovi qui

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«Un materiale o una tecnologia, per quanto siano evoluti, se non sono usati in modo creativo e intelligente dal designer non possono vedere sfruttato tutto il loro potenziale applicativo», a sostenerlo è Micol Costi, direttore dell’archivio e della ricerca sui materiali di Material ConneXion Italia, la sede nazionale di Material ConneXion, il più grande centro internazionale di ricerca e consulenza sui materiali innovativi e sostenibili. Con lei abbiamo approfondito due tendenze trainanti, sostenute dal design, nel mercato dei polimeri: l’ampliamento delle possibilità di utilizzo delle materie plastiche già esistenti e la riduzione del loro impatto sull’ambiente.

La stampa 3D

Fino a poco tempo fa la stampa 3D era confinata al mondo della prototipazione, ma oggi il mercato sta rapidamente cambiando e vi sono sempre più prodotti disponibili per la creazione di oggetti progettati in 3D. Strumenti musicali, accessori moda, calzature e numerosi altri prodotti possono essere stampati in multimateriale e in multicolore, persino a casa. Gli apparecchi per uso domestico, tuttavia, permettono in genere di stampare piccoli oggetti (per esempio fino a volumi di 20 cm3), almeno per ora, e vi sono aziende che si stanno organizzando con linee di prodotto dedicate, che il cliente può anche ordinare su Internet scegliendo le caratteristiche desiderate.

Pezzi realizzati con stampanti 3D
Pezzi realizzati con stampanti 3D

Ma la stampa 3D è entrata anche nel settore medicale per la creazione di protesi e di dispositivi di ausilio per il movimento e la riabilitazione. È il caso di un esoscheletro – il Wilmington Robotic Exoskeleton (WREX) – che permette a pazienti affetti da artrogriposi multipla congenita, una patologia caratterizzata da rigidità articolare già presente alla nascita e che colpisce soprattutto le braccia, di muovere in modo autonomo gli arti superiori per nutrirsi e impugnare oggetti. In 3D si possono stampare anche protesi sostitutive di arti amputati o protesi facciali che ricostruiscono a livello estetico in modo sorprendente la pelle e gli occhi usate, per esempio, quando a pazienti affetti da tumori sia stata asportata una parte del viso o per i grandi ustionati.

Il Wilmington Robotic Exoskeleton (WREX): una protesi in plastica stampata in 3D che permette a pazienti affetti da artrogriposi multipla congenita di muovere gli arti superiori
Il Wilmington Robotic Exoskeleton (WREX): una protesi in plastica stampata in 3D che permette a pazienti affetti da artrogriposi multipla congenita di muovere gli arti superiori

«Rispetto a quando le protesi su misura erano costosissime e avevano tempi di realizzazione molto lunghi, con le conseguenze che possiamo immaginare nel caso di rottura e della necessità di sostituirle, con la stampa 3D è sufficiente che una struttura ospedaliera o un laboratorio attrezzato possano riprodurre il pezzo danneggiato perché il paziente ne disponga in modo veloce ed economico – sottolinea Micol Costi –. In questi casi il design non è solo al servizio della funzionalità, ma presenta anche contenuti elevati di ricercatezza estetica, come nelle protesi per gambe che riproducono alle estremità anche le calzature».

Riciclato e filato

«Tra le nuove possibilità di elaborazione e trasformazione delle materie plastiche, ve ne sono alcune applicate ai polimeri più comuni, per esempio il polipropilene (PP), mediate da tecnologie tipiche del settore alimentare come la filatura dello zucchero», segnala Costi. Il risultato è una fibra facile da modellare, costituita da polipropilene riciclato al 100%. Il processo può rappresentare una soluzione al problema della separazione di materiali compositi nei vari costituenti prima del riciclaggio. «La plastica è dapprima ridotta in frammenti, quindi introdotta in un forno rotante. Attraverso dei piccoli fori, la plastica fusa è poi proiettata dalla forza centrifuga sulla superficie di un tamburo. Nell’intercapedine che separa il forno dal tamburo, il polipropilene ha modo di raffreddarsi e indurirsi, creando delle fibre. Il materiale può essere facilmente rifuso per dare vita a nuovi oggetti dalle caratteristiche diverse. Il prodotto finale assume il colore del materiale di scarto utilizzato, ma può anche essere tinto nel colore desiderato. Nella forma base, ha la consistenza e l’aspetto della lana, ma tramite fusione in stampi di metallo può riprodurre con esattezza le caratteristiche superficiali di altre texture».

Con le tecniche mediate dall’industria alimentare, come quella di filatura dello zucchero, il polipropilene riciclato diventa una fibra per creare o rivestire oggetti
Con le tecniche mediate dall’industria alimentare, come quella di filatura dello zucchero, il polipropilene riciclato diventa una fibra per creare o rivestire oggetti

In alternativa, si può usare una tecnica di rivestimento diretto in cui un oggetto o una struttura a rete inseriti direttamente all’interno di una macchina sono rivestiti da uno spesso strato di fibra isolante e protettivo. «L’azienda produttrice del macchinario incoraggia l’uso del PP raccolto dai clienti – fa notare Costi –, ma se necessario può fornire la materia prima in sacchi nel grado di compattezza specificato dal cliente. L’azienda produttrice può inoltre fornire prodotti stampati, anche con superfici lisce su un lato e disomogenee sull’altro. Le applicazioni riguardano moda, imballaggi, prodotti di vario genere e beni di consumo».

Tessili più resistenti…

Personalizzare un prodotto significa anche conferirgli prestazioni tecniche per usi specifici e caratteristiche che in origine non avrebbe. È il caso di un nuovo rivestimento per prodotti tessili pensato per conferire un’elevata resistenza all’abrasione e quindi adatto a creare abbigliamento militare e per sport estremi, calzature e tute da motociclismo. Per realizzarlo, sono state incorporate particelle di ceramica in una matrice polimerica e depositate tramite stampa su tessuti ortogonali o a maglia, dove formano sporgenze coniche di forma appiattita. Queste creano una struttura che protegge dalle abrasioni e dai tagli causati da oggetti non affilati, come quelli che potrebbero essere provocati da una caduta in moto ad alta velocità.

Rivestimento tecnico per prodotti tessili
Rivestimento tecnico per prodotti tessili

«Durante le prove di impatto il materiale ha fornito risultati nettamente migliori rispetto alla pelle di alta qualità, resistendo a diversi urti alla velocità di 120 km/h – spiega Micol Costi –. Il tessuto stampato protegge efficacemente anche dal calore, come quello che si sviluppa dall’attrito generato per scivolamento, poiché i coni contenenti la ceramica resistono all’abrasione e formano una sorta di intercapedine d’aria fra il tessuto e la superficie riscaldata». Il prodotto è disponibile in un vasto assortimento di spessori e filati, tra cui poliestere, nylon, Kevlar e altri materiali tecnici. È stato utilizzato anche per realizzare borse in ecopelle di alta gamma.

…e antimicrobici

Un altro esempio di innovazione tecnica nel campo dei tessuti è la creazione di un prodotto antimicrobico che deve questa sua proprietà alla superficie biomimetica che lo caratterizza, ispirata al mondo animale, cioè alla pelle di squalo. Il tessuto è un’alternativa atossica ai trattamenti antimicrobici di tipo chimico. «Uno specifico motivo geometrico è impresso su una membrana adesiva durevole, costituita da acrilico abbinato a poliestere (PMMA su PET), che è quindi applicata alla superficie sulla quale si desidera inibire la proliferazione di batteri», continua Costi.

Dal jeans e dal poliestere riciclati, pressati e miscelati ad amido e adesivo si ottengono pannelli e materiali per edilizia, mobili e accessori
Un tessuto antibatterico a base di PMMA e PET in membrana adesiva che mima la pelle dello squalo, naturalmente rivestita di scaglie che impediscono il depositarsi di microrganismi

Il disegno superficiale della membrana riproduce le caratteristiche antimicrobiche della pelle di squalo, creando una superficie energeticamente instabile, che risulta inospitale per i microrganismi. La struttura microscopica del materiale imita infatti la configurazione dei denticoli dermici (o scaglie placoidi) degli squali, allineati in modo da creare solchi sottili longitudinali lungo il corpo, e si compone di milioni di minuscole formazioni in rilievo, organizzate secondo una disposizione a rombo altamente specifica. «In genere la membrana deve essere sostituita ogni 90 giorni – aggiunge Costi –. Sottoposta a un “finger-touch test” (simulazione del contatto con dito), ha resistito a 10.000 cicli prima di esibire un deterioramento dello 0,05%. La particolare microstruttura può anche essere realizzata direttamente sulla superficie che si vuole rendere resistente ai microrganismi, per esempio con stampaggio a iniezione. Il prodotto è fornito in rotoli e le membrane possono essere dotate o meno di proprietà autoadesive ed essere ritagliate su misura tramite taglio laser, per applicazioni specifiche. Il materiale è particolarmente indicato per superfici sottoposte a uso frequente in ambienti pubblici come le porte dei bagni, le porte a spinta e i contenitori igienici da bagno, oltre che per realizzare fascette da polso, cateteri e protesi ossee».

Basso impatto ambientale

La riduzione dell’impatto dei materiali sull’ambiente è oggi uno dei temi che guidano la progettazione dei manufatti in plastica, a partire dagli imballaggi (ecodesign). «A New York, per esempio, c’è stato un ampliamento della tipologia di prodotti che possono essere correttamente dismessi dopo l’uso e destinati alla raccolta differenziata e al riciclo: non più solo imballaggi, ma anche tutti gli oggetti in plastica rigida, incluso i complementi di arredo e i giocattoli. L’operazione porterà a contenere il numero di rifiuti gettati in discarica: secondo le previsioni, 50.000 tonnellate in meno», riferisce Costi. Da segnalare anche l’iniziativa chiamata “The Perpetual Plastic Project” dello studio olandese di design Better Future Factory: una postazione itinerante in cui è possibile conferire degli oggetti che vengono immediatamente lavati, macinati ed estrusi sul posto per essere trasformati in nuovi manufatti attraverso lo stampaggio in 3D. «Il cittadino che partecipa all’iniziativa si presenta con un vecchio manufatto di cui vuole disfarsi e se ne va via con un nuovo oggetto tra le mani. L’idea è nata per scopo didattico e per spiegare ai consumatori che la plastica è un materiale che merita di essere valorizzato».

Dal jeans e dal poliestere riciclati, pressati e miscelati ad amido e adesivo si ottengono pannelli e materiali per edilizia, mobili e accessori
Dal jeans e dal poliestere riciclati, pressati e miscelati ad amido e adesivo si ottengono pannelli e materiali per edilizia, mobili e accessori

Oggi esistono anche prodotti realizzati in gomma riciclata devulcanizzata. Storicamente, la vulcanizzazione è sempre stata un processo irreversibile che ha comportato l’impossibilità di riciclare la gomma vulcanizzata e di usarla per fabbricare nuovi prodotti in gomma. Ma grazie alla devulcanizzazione, un trattamento chimico che con l’aiuto di un reagente brevettato rompe il reticolo dei legami di zolfo all’interno della gomma, si può ottenere un materiale, commercialmente chiamato “Green Rubber”, con caratteristiche simili a quelle della gomma vergine, da usare in molte applicazioni.

Non si butta via niente: con i vestiti usati si possono costruire pannelli leggeri e compatti per pareti, divisori per ambienti, segnaletica, mobili e accessori. Il tessuto riciclato post-consumo è ridotto in strisce, miscelato con un adesivo a base di amido modificato, lavorato in una pressa ad alta temperatura, tagliato a misura e rifinito. I materiali sono il cotone e il poliestere in blu denim o altri colori.

Nuova vita per i compositi

«Tra le applicazioni più interessanti – segnala Micol Costi – figura un materiale riciclabile, interamente composto da polipropilene autorinforzato (SRP), risultato di un processo ibrido di saldatura a nastro (tape welding) e coestrusione, e caratterizzato da un’elevata rigidità e da una densità ridotta: 0,78 g/cm3, rispetto, per esempio, alla termoplastica vetrorinforzata che ha una rigidità di 1,1 g/cm3. Il materiale ha una buona resistenza agli urti anche alle temperature molto basse (-40 °C) e può essere termoformato in forme diverse». Mediante laminazione a caldo di più fogli è possibile ottenere prodotti di spessore maggiore. Si usa nell’edilizia, nel settore automotive e per svariate tipologie di beni di consumo.

Nuovi compositi termoplastici completamente riciclabili, rigidi e resistenti agli impatti
Nuovi compositi termoplastici completamente riciclabili, rigidi e resistenti agli impatti

Infine, una tecnologia brevettata chiamata PURE ha permesso di creare compositi termoplastici rigidi completamente riciclabili che sono commercializzati in forma di tessuti ortogonali a nastro in polipropilene e sono caratterizzati da una buona resistenza agli impatti (migliorata da 2 a 15 volte rispetto ai comuni termoplastici e compositi) e rigidità. «Il composito è più sicuro da maneggiare rispetto a quelli caricati con vetro», conclude Costi. Si può usare per valigeria o articoli sportivi.

Micol Costi è intervenuta lo scorso 14 novembre alla 19a edizione del “Congresso delle materie plastiche” organizzato da Tecniche Nuove e dall’Associazione dei Tecnici delle Materie Plastiche (TMP)

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