Pieter Samyn – SIRRIS
Gli additivi bio funzionali potrebbero sostituire i comuni riempitivi di origine fossile o minerale nei polimeri, adesivi e rivestimenti offrendo una prestazione migliore, la biodegradazione, la riciclabilità o l’atossicità. Le nuove varianti da micro a nano della cellulosa con varie dimensioni, forme e morfologie possono essere recuperate da differenti fonti e sostituire i riempitivi tradizionali quali la grafite, il grafene, i nanotubi di carbonio o la silice. Recentemente, la produzione industriale della nanocellulosa è stata possibile parallelamente alla riduzione dell’energia meccanica richiesta dalla produzione per il trattamento precedente o l’uso di solventi alternativi. Può essere considerata l’eventuale modificazione superficiale per migliorare la disperdibilità, per affinare la compatibilità d’interfaccia oppure per offrire proprietà superficiali di idrofobicità. Nella cornice del progetto comune di ricerca e disseminazione AddBio, Sirris, Belgio, ha compiuto uno studio approfondito di screening sulla prestazione di diverse varianti di nanocellulosa nei rivestimenti epossidici.
Aggiungendo diverse tipologie di micro e nanocellulosa nelle formulazioni di rivestimenti epossidici con il reticolante a base acquosa fenalcammina, sono stati analizzati sistematicamente gli effetti esercitati sulle condizioni di processo e sulla prestazione del rivestimento. La formazione del film di un’epossidica a base acquosa è un processo eterogeneo regolato dalla coalescenza di particelle disperse in acqua, comparabile ai meccanismi di essiccazione di altri rivestimenti a base di lattice e a base acquosa. Per via della natura idrofila e dell’estesa area superficiale della nanocellulosa, essa è compatibile con un’epossidica a base acquosa e può interferire durante il processo di reticolazione.
Fig. 1 – Prestazione dei rivestimenti epossi/fenalcammina a base acquosa con diversi additivi di nanocellulosa, (a) morfologia epossidica/CNC, (b) morfologia epossidica/CNF, (c) usura da abrasione e angolo di contatto dell’acqua per i rivestimenti con varie concentrazioni di additivi di nanocellulosa (numeri sull’asse X in peso%)
Le interazioni fra la nanocellulosa e la matrice epossidica possono introdurre legami a ponte di idrogeno reversibili oppure una reticolazione permanente. Sono state valutate variazioni della viscosità, delle proprietà termiche e termomeccaniche, della risposta meccanica, dell’abrasione, degli angoli di contatto dell’acqua e le morfologie del rivestimento. Gli additivi selezionati comprendono la cellulosa microcristallina (MCC) da 1 a 10 in peso % e i nanocristalli di cellulosa (CNC), le nanofibre di cellulosa (CNF), le microfibre di cellulosa (CMF) e le microfibre di cellulosa idrofobicamente modificate (mCMF) da 0,1 a 1,5 in peso %. I profili di viscosità sono determinati dalle caratteristiche intrinseche dell’additivo con forte effetto di diluizione da forza di taglio per l’epossidica/CNF, mentre l’epossidica/mCMF fornisce una viscosità inferiore e una superiore compatibilità della matrice dovuta alla lubrificazione della cera incapsulata. La reticolazione dell’epossidica/CNF è favorita e rimandata per l’epossidica/ (CNC, CMF, mCMF) in quanto le interazioni più forti fra l’epossidica e CNF sono confermate da un aumento della temperatura di transizione vetrosa e dalla riduzione del fattore di smorzamento. L’alto grado di reticolazione per i rivestimenti epossidici determina una elevata resistenza chimica, termostabilità e una prestazione meccanica migliore.
Le proprietà meccaniche indicano l’elevata durezza e la resistenza all’urto delle epossidiche/CNF, dando come risultato il minimo grado di usura da abrasione, ma la duttilità aumenta e il grado di usura si riduce per l’epossidica/mCMF insieme alla protezione idrofobica. Oltre a questo, l’analisi al microscopio ha confermato il rinforzo meccanico dovuto all’organizzazione specifica di un reticolo di nanocellulosa a concentrazioni e soglia di percolazione di 0,75 in peso%; l’analisi dà un incremento della temperatura di transizione vetrosa di 2,6°C (CNF) o 1,6°C (CNC), aumento del modulo E, al 50% (CNF) o 20% (CNC), un aumento della durezza al 37% (CNF) o 32% (CNC) e una inferiore usura da abrasione al 58% (CNF) o 33% (CNC) rispetto all’epossidica pura, mentre possono essere aggiunte concentrazioni superiori di 1,5% in peso di mCMF.
Fig. 2 – Resistenza ai graffi sulla superficie di rivestimenti epossidici/fenalcaminici con diversi additivi e concentrazioni di nanocellulosa, come osservato attraverso la microscopia ottica della traccia di graffio.
Questa ricerca dimostra chiaramente che la nanocellulosa è compatibile direttamente con il reticolante fenalcammina a base acquosa e che contribuisce attivamente alla reticolazione dei rivestimenti epossidici a base acquosa, modificando le temperature di transizione vetrosa intrinseche e la durezza, direttamente correlate alla prestazione meccanica del rivestimento. L’analisi morfologica dei rivestimenti nanocompositi epossidici (Fig. 1 a, b) illustra l’effetto rinforzante della nanocellulosa (CNC e CNF) attraverso la formazione di un reticolo simile a quello della fibra, fornendo una variazione della durezza del rivestimento e resistenza all’usura insieme alla protezione dall’ingresso dell’acqua (Fig. 1 c).
Sono state studiate le differenze nel comportamento meccanico dei rivestimenti con frattura fragile o duttile sulla superficie dopo aver fatto valutazioni di graffiatura (Fig. 2).
La resina epossidica/CNC sviluppa principalmente una singola fessurazione dietro la punta a causa di una frattura più fragile, la resina epossidica/CMF presenta anche gravi fratture in massa, mentre la resina epossidica/CNF e la resina epossidica/mCMF presentano graffi più lisci e duttili. La tendenza ai meccanismi di frattura fragile e/o duttile può essere correlata all’assorbimento di energia dei rivestimenti nanocompositi e ovviamente la tendenza migliora per rivestimenti con maggiore durezza.
