Un gruppo di ricerca ha messo a punto una nuova famiglia di materiali bio-compositi flessibili, utilizzando fibre naturali continue e carbone di bambù all’interno di una matrice di poliuretano termoplastico (TPU). Lo studio, pubblicato su Polymer Testing, dimostra miglioramenti significativi nelle prestazioni meccaniche, nella capacità di assorbimento energetico e nella resistenza alla fiamma, senza rinunciare alla processabilità tramite stampa 3D.
Collaborazioni e team di sviluppo
Il progetto è nato dalla collaborazione tra il National Composites Centre nel Regno Unito, lo studio di design e consulenza FAR, Nottingham Trent University e la società RHEON, specializzata in metamateriali per l’assorbimento di energia. Queste realtà hanno unito competenze diverse: il National Composites Centre ha curato la fase di caratterizzazione dei materiali, FAR ha contribuito al design e all’ottimizzazione per la stampa, Nottingham Trent University ha condotto test di laboratorio avanzati e RHEON fornirà presumibilmente la propria esperienza di commercializzazione grazie al suo portfolio di prodotti per l’abbigliamento sportivo e le attrezzature protettive.
Scelta dei materiali e processo di stampa
La matrice di base impiegata è un TPU di origine parzialmente bio-derivata. Al suo interno sono stati incorporati:
- Carbone di bambù in polvere (grana 25 μm), per migliorare la resistenza al fuoco e le proprietà di smorzamento delle vibrazioni.
- Fibre continue di lino, pretrattate per garantire un’ottima adesione interfaccia fibra-matrice.
Il filament composito è stato prodotto con un estrusore a perle 3DEVO, successivamente abbinato in co-estrusione con le fibre di lino mediante una stampante Original Prusa MINI+ modificata con un sistema a due alimentazioni. L’uso di macchine accessibili come queste rende replicabile il processo sia in laboratorio che in piccoli centri di produzione additiva.
Proprietà meccaniche e comportamento al fuoco
Le prove di trazione mostrano un incremento della resistenza alla rottura pari al 1.571 % rispetto al TPU non rinforzato; i test di assorbimento energetico in trazione ciclica evidenziano un miglioramento del 933 % nella capacità di dissipazione. Sul fronte della sicurezza antincendio, la presenza del carbone di bambù riduce il tasso di combustione del 52 % e consente di ottenere la classe UL-94 V-1, oltre a un indice di ossigeno limite (LOI) di circa il 29,5 % in volume. Questi valori pongono il materiale in una fascia adatta ad applicazioni in cui la resistenza alle fiamme è un requisito fondamentale.
Analisi microscopica e comportamento dinamico
Le immagini ottenute con microscopia elettronica a scansione (SEM) confermano una distribuzione uniforme del carbone e delle fibre di lino, senza evidenti micro-vuoti all’interfaccia. L’analisi dinamico-meccanica (DMA) registra un aumento del modulo di conservazione, segno di maggior rigidezza strutturale, pur mantenendo livelli adeguati di flessibilità per garantire il comfort in applicazioni indossabili.
Ambiti applicativi
Le caratteristiche di questi bio-compositi li rendono candidati per diversi settori:
- Abbigliamento protettivo e caschi: grazie alla capacità di dissipare energia, il materiale può essere utilizzato per imbottiture in caschi da ciclismo o da motocross e inserti in giubbotti protettivi.
- Scarpe sportive: l’integrazione in suole e componenti interni potrebbe amplificare il ritorno di energia durante il passo.
- Componenti per veicoli: elementi interni di automobili e moto, dove leggerezza e resistenza alle fiamme sono essenziali.
- Arredo urbano e design: superfici decorative o elementi di sedute dove la combinazione di estetica naturale e prestazioni elevate fa la differenza.
Prospettive di riciclo e sostenibilità
Il materiale è in gran parte di origine biologica e progettato per essere riciclabile meccanicamente: una volta triturato, può trovare nuova vita in pannelli per pavimentazioni o isolamenti. La possibilità di rigenerare il TPU e riutilizzare i componenti naturali lo inserisce in un’economia circolare più efficiente rispetto alle tradizionali fibre sintetiche.
L’approccio 3D/4D printing con fibre continue di lino e carbone di bambù apre nuove strade per lo sviluppo di materiali sostenibili ad alte prestazioni. Grazie all’impiego di tecnologie a basso costo e di risorse naturali, la ricerca dimostra che è possibile ottenere prestazioni paragonabili a quelle dei compositi a base di fibre di vetro o carbonio, con vantaggi ambientali e applicativi.
