Utilizzo di complessi polielettrolitici a base nanocellulosa per la produzione di materiali porosi = Use of nanocellulose based polyelectrolyte complexes for porous materials production

La crescente necessità di energia ci porta ancora a dipendere principalmente dalle fonti fossili, ma ciò ha causato un’attuale emergenza ecologia. Per affrontare questo problema, è necessario passare da un’economia lineare, basata sulla quantità e sul profitto, a un’economia circolare che miri a migliorare l’utilizzo delle risorse e considerare i rifiuti come una potenziale risorsa. Questo approccio promuove il riciclo, il riuso delle materie e la transizione verso i prodotti bio-based. Malgrado gli sforzi per sostituire i materiali fossili con quelli naturali, come la nanocellulosa (CNF), è importante considerare anche le sfide associate all’utilizzo di tali materiali. Ad esempio, la CNF presenta una bassa resistenza alla fiamma e instabilità meccanica. Nonostante ciò, la CNF è attraente per l’elevata resistenza meccanica, rapporto di forma e la biodegradabilità. Le sue caratteristiche chimico-fisiche, come la carica superficiale e la possibilità di essere modificata chimicamente, la rendono adatta per la produzione di materiali porosi a bassa densità (aerogel) e come componente di complessi polielettrolitici (PECs) per la produzione di rivestimenti funzionali. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di utilizzare la CNF come costituente di un aerogel con proprietà di ritardo alla fiamma e come parte integrante di un rivestimento ritardato alla fiamma per schiume di poliuretano (PU), sfruttando i principi che governano la formazione dei complessi polielettrolitici (PECs). Nel presente lavoro è stato utilizzato l’acido desossiribonucleico (DNA) come polielettrolita per la preparazione di aerogel a base CNF. Il DNA svolge un duplice ruolo: legante tra le fibrille di cellulosa per migliorare le proprietà meccaniche e ritardante di fiamma grazie alle sue caratteristiche intumescenti (all in one). Gli aerogel sono stati preparati a partire dalla complessazione dei componenti in fase acquosa mediante due metodi differenti il primo dei quali è a freddo, il secondo è a caldo al fine di favorire la denaturazione reversibile del DNA e la formazione di un numero maggiore di complessi. Gli aerogel con le migliori proprietà sono quelli con soluzioni contenente CNF all’80%wt e DNA al 20%wt, sia prodotti a caldo che a freddo. Infatti, mostrano un picco del rilascio del calore durante la combustione (pkHRR) rispettivamente di 64,9 e 59,3 kW/m2, corrispondendo ad una riduzione del 17,3% e 24,5% rispetto al pkHRR della cellulosa di riferimento. Nella seconda parte di questo studio, la CNF è stata utilizzata come componente di un sistema CNF/clay/fitato di sodio per conferire proprietà di ritardo alla fiamma alle schiume di PU tramite la tecnica Layer by Layer. I campioni preparati sono stati sottoposti a due diversi metodi di asciugature: in stufa e tramite liofilizzazione. La scelta della CNF, della clay e del fitato sodico tengono conto del fatto che la CNF ha la propensione a formare char; le clays hanno un’elevata stabilità termica e possono agire come barriera al flusso di calore; il fitato sodico è un ritardante alla fiamma naturale con proprietà intumescenti. Da uno studio preliminare si è evidenziato che il sistema CNF/sepiolite/fitato di sodio è in grado di garantire l’autoestinguenza della schiuma trattata a seguito dell’applicazione diretta della fiamma. Inoltre, la presenza del coating liofilizzato ha permesso di migliorare le proprietà di isolamento termico della schiuma. Infatti, la conducibilità termica è inferiore all’8% rispetto alla schiuma non trattata.