» Fibre naturali per il settore automobilistico

di Gianluca Cicala, Giuseppe Recca, Alberta Latteri, Giuseppe Cristaldi

Fibre naturali: classificazione e proprietà

Le fibre naturali e rinnovabili vengono distinte in due tipologie principali sulla base della loro origine: vegetali ed animali [1]. Tra le fibre animali due delle più famose sono la lana e la seta, ampiamente diffuse nel settore tessile. Per l’applicazione nei materiali compositi le fibre vegetali sono le più interessanti e diffuse. Queste possono essere classificate come mostrato in figura 1 [2].

La produzione annuale mondiale per queste fibre è mostrata in tabella 1 [3]. I costituenti principali di queste fibre sono la cellulose, l’emicellulosa e la lignina (tabella 2) e la microstruttura è organizzata in modo gerarchico come mostrato in figura 2.

Le proprietà meccaniche delle fibre vegetali dipendono dal tipo di cellulose e dalla geometria della cella elementare come mostrato in tabella 3 [4].

Se si considerano le proprietà delle fibre convenzionali (tabella 4) e si confrontano alle fibre vegetali si possono trarre le seguenti conclusioni:

• le fibre vegetali hanno densità minori (rispetto a vetro e aramidiche) o uguali (rispetto al carbonio) delle fibre convenzionali

• la resistenza e il modulo a trazione delle fibre vegetali sono minori rispetto alle fibre convenzionali

• le fibre vegetali sono più economiche delle fibre convenzionali.

Le fibre naturali, di tipo vegetale, possiedono anche una buona capacità di isolamento termico ed acustico e bassa abrasività. Tuttavia, il vantaggio principale delle fibre vegetali è legato alla bassa energia richiesta per la loro produzione rispetto alle fibre sintetiche quali vetro e carbonio (fig.3). Un parametro che descrive meglio l’impatto ambientale è il cosiddetto “embodied Energy” calcolato tenendo conto delle operazioni di coltivazione, estrazione e trasformazione delle fibre nonché dei materiali utilizzati in queste fasi. La figura 4, relativa al lino in mat e tessuto con fili ritorti, mostra come solo i mat siano realmente “verdi”, mentre i filati ritorti in lino richiedono, per la produzione, una “embodied Energy” superiore (80GJ/ton vs 54GJ/ton) dovuta alle operazioni di finitura necessari per ottenere filati ritorti di qualità. Questo risultato è importante anche perché spiega il maggior costo dei tessuti con filati intrecciati rispetto ai mat dove le fibre corte sono orientate casualmente e hanno lunghezze e forme differenti.

MATRICI PER I COMPOSITI A BASE DI FIBRE NATURALI

Le matrici utilizzate per i compositi in ambito automobilistico sono varie: il polipropilene (PP) è largamente utilizzato per applicazioni ad alto volume nelle quali la velocità di produzione è un requisito; i poliesteri termoplastici sono preferiti al PP se è richiesta resistenza a temperature superiori; i poliesteri insaturi sono utilizzati per applicazioni a piccolo e medio volume; i poliuretani per applicazioni a medio-alto volume; le resine epossidiche in quelle applicazioni che necessitano di elevate prestazioni meccaniche. Tutte queste matrici sono utilizzate con fibre di vetro e possono essere applicate alle fibre vegetali. Borealis ha sviluppato un ampia gamma di PP denominati Daplen per pennellature automobilistiche. Altre serie di prodotti (ie.GB) disponibili sono quelli modificati con fibre di vetro. Le proprietà di questi prodotti sono riportate in tabella 5.

Sabic, Dow e LyondellBasell sono altri grandi produttori nella vendita di PP per il settore automobilistico. Per le pennellature del corpo macchina ha sviluppato un’intera gamma di prodotti denominati Hifax e per le applicazioni sotto il cofano e le applicazioni strutturali

propone una serie denominata Hostacom, rinforzata con fibre di vetro. Una classe speciale di materiali realizzata con fibre di vetro E “miscelati” con filati in PP o PET è commercializzata dalla Owens Corning con il nome Twintex. Questo materiale offre vantaggi considerevoli in quanto è lavorabile per stampaggio sotto vuoto e con diaframma garantendo, al contempo, proprietà simili o

superioni ai materiali lavorati con stampaggio a compressione. Per le resine poliestere insature, che sono tra le più diffuse, esistono diversi prodotti commerciali proposti da differenti compagnie: Reichold, Dow, Ashland, ScottBader, DSM, Cray Valley, Polyone, Hexion etc. Reichold, per esempio, offre una vasta serie di prodotti con il nome Polylite le cui proprietà sono riportate in tabella 6. La maggioranza delle compagnie che vende resine poliestere ha in catalogo anche resine epossidiche adatte al settore automobilistico.

Bayer ha lanciato sul mercato un preimpregnato innovativo denominato Baypreg ® F, caratterizzato da una matrice poliuretanica, progettato per la produzione di interni automobilistici tramite stampaggio a compressione. Rivestimenti interni a parete sottile e fodere leggere possono essere prodotte con questo prodotto con un processo a minor impatto ambientale essendo il rinforzo in fibre vegetali. Altri prodotti simili ma con matrice a base di PP sono venduti da FlexForm Technologies. Recentemente, l’aumento di pressione sulle questioni ambientali ha spinto molti produttori di resine a sviluppare e lanciare sistemi che contengono determinati quantitativi di monomero da fonte rinnovabile. Per esempio, Reichold propone un sistema denominato ENVIROLITE® 31325-00. Questa resina è un sistema mediamente reattivo con bassa viscosità basata sulla chimica poliestere insatura. Nello specifico, questo prodotto è basato su olio di soia e ha un contenuto di monomero “green” di circa il 25%.

DSM ha introdotto due resine bio per l’industria automobilistica: una resina termoindurente per produrre pannelli per il corpo macchina e un termoplastico adatto all’utilizzo nel vano motore. La resina termoindurente, Palapreg® ECO P55-01, è progettata per essere usata nei processi SMC e BMC in applicazioni che vanno dai pannelli non a vista a pannelli esterni in classe A. Questo sistema contiene un 55% di monomeri da fonte rinnovabile. La seconda resina bio, denominata EcoPaXX™, è basata su una poliammide (PA410) ad alte prestazioni, basso assorbimento di umidità ed eccellente resistenza a sostanze chimiche.

Circa il 70% dei materiali è derivato da olio di ricino. Le applicazioni in campo automobilistico includono componenti nel vano motore in cui la resistenza chimica e idrolitica è essenziale.

Altre resine commercializzate come bio sono il sistema Envirex della Ashland e la Super Sap della Entropy Resins.

Componenti sotto il cofano, strutturali e pannellature possono essere prodotte con le resine della Entropy Resins. L’impatto ambientale delle resine della Entropy è ridotto utilizzando olio di pino ottenuto come sottoprodotto della lavorazione della polpa di legno e oli vegetali ottenuti dagli scarti della lavorazione dei biocombustibili. Come sostituti naturali alle matrici termoplastiche derivate dal petrolio la scelta è, per lo più, tra il PLA e le matrici derivate dalla cellulosa. Diversi produttori offrono questi sistemi ma, al momento, il loro uso è limitato dai costi più alti rispetto alle matrici tradizionali.

APPLICAZIONI DEI COMPOSITI A BASE DI FIBRE NATURALI

Sin dai primi anni ’30, Henry Ford studiò l’applicazione di svariati materiali naturali, tra i quali: cantalupi, carote, mais, cavoli e cipolle, come base per la realizzazione di macchine con corpo organico. Il modello T della Ford, realizzato tra il 1908 e il 1927, aveva alcune parti realizzate con matrici derivate dalla soia. Nel 1941 Ford dimostrò la resistenza di questo materiale colpendo con una mazza il prototipo (fig.5), reclamando per questo materiale, una resistenza all’impatto 10 volte superiore al metallo. L’interesse verso i materiali naturali diminuì con l’affermarsi di alternative più durevoli, come i metalli, e sino agli anni ’40 le fibre naturali non tornarono in auge. Nel 1950 il corpo della macchina della Germania dell’Est, la Trabant, fu uno dei primi esempi di veicolo costruito in fibra naturale. Il cotone fu utilizzato impregnandolo con resina poliestere.

Negli anni ’90, la Daimler Chrysler iniziò a utilizzare fibre di lino e agave per i rivestimenti interni dei suoi veicoli. L’interesse per questi materiali continuò sino alla realizzazione dei pannelli degli sportelli della Mercedes Benz E- Class nel 1996 (fig.6).

Nel 2000 la direttiva Europea 2000/53/EC ha promosso l’uso di prodotti compatibili con l’ambiente e che riducono il conferimento in discarica. La direttiva stabiliva che la frazione conferita per veicolo fosse pari al 15% nel 2005 per ridursi, gradualmente, al 5% nel 2015. Questa direttiva, e altre simili pubblicate in USA hanno spinto diverse OEM ad aumentare l’utilizzo di materiali compositi con fibre naturali. Oggigiorno, esistono numerosi modelli di automobili che utilizzano diversi componenti basati su fibre naturali (tabelle 7 e 8).

I produttori Tedeschi Mercedes (Daimler/Chrysler), BMW e Audi/Volkswagen sono i più attivi nel definire e qualificare materiali a base di fibre naturali rispetto a produttori di massa. Tuttavia, poiché i fornitori di componenti di questi produttori sono gli stessi dei produttori di massa si è verificato, e continua a verificarsi, un trasferimento di competenze tra queste aziende. Oggigiorno, tutti i modelli BMW e Mercedes usano fibre naturali per alcuni componenti quali: fodere, rivestimenti e cappeliere. Altri OEM, ad esempio Ford, Opel, Renault, Peugeot, Citroen e FIAT lavorano meno alla definizione dei materiali ma li utilizzano ugualmente.

Johnson Controls, uno dei principali fornitori di panneli di sportelli di FIAT e tra i maggiori fornitori mondiali, presenta una vasta gamma di materiali compositi a base di fibre naturali sviluppati internamente. Fibrowood, ad esempio, è un composito con matrice acrilica e fibre derivate dal legno che può essere trasformato per stampaggio a compressione in stampi ad alta temperatura. Il contenuto di fibra nel Fibrowood è del 70%. Questo prodotto è utilizzato per: copertura di sportelli (fig.7), coperture per pannelli di strumentazione, coperture per sedili. Fibrowood è in produzione dal 1998 ed è utilizzato da Ford, Kia, Mercedes- Benz, Opel, Hyundai.

Fibrit è un prodotto realizzato con processi simili alla produzione della carta. Il contenuto di fibra naturale è pari al 94%, una percentuale alta che assicura al prodotto stabilità di prezzo rispetto alle variazioni delle risorse da combustibile fossile. Fibrit è basato su fibre derivate dal legno e un legante acrilico, è in produzione dal 1954 ed è utilizzato da Opel. La figura 8 mostra un pannello per sportello realizzato in Fibrit. Johnson Controls produce anche compositi con fibra naturale (lino o canapa) impregnati con resina epossidica. Questi pre-impregnati sono lavorati per stampaggio

in presse ad alta temperatura. Il contenuto di fibra naturale dichiarato è del 70%. Il materiale è in produzione dal 2003 ed è utilizzato da BMW. Johnson Controls ha fatto passi avanti considerevoli introducendo anche cicli virtuosi di utilizzo del materiale in produzione.

Ad esempio, gli scarti del processo di punzonatura dei mat naturali, quali il Fibrowood, sono lavorati e legati con PP per produttore dei granuli di PP rinforzato. I granuli a loro volta vengono lavorati per stampaggio ad iniezione per produrre fermi, ganci e braccioli (fig.10). Questo materiale è in produzione dal 2006 ed è utilizzato per lo più da Mercedes-Benz. Visteon ha lanciato un prodotto denominato R-flax (fig.11) che consiste di PP rinforzato con paglia di lino e fibre corte.

Fornitori come Johnson Control focalizzano la loro attenzione anche su prodotti interamente realizzati con materiali naturali. Ad esempio, la linea di prodotti Fasertec, basata su fibre da noce di cocco e latex naturali. Un composito al 100% naturale, le cui sue proprietà permettono ottime performance per sedili (fig.12) e poggiatesta. Questo prodotto è in commercio dal 2002 ed è utilizzato da Maybach, Mercedes-Benz, Volkswagen. Un altro prodotto diffuso nel mercato automobilistico è WOOD-STOCK (fig.13). Si tratta di un foglio estruso in termoplastico costituito da una matrice poliolefinica e un mat in fibra naturale. Nella fase di trasformazione il mat è pre-riscaldato in un forno all’infrarosso e poi stampato in uno stampo a bassa temperatura. Il prodotto è sul mercato dal 1982 ed è utilizzato da FIAT, Lancia e Alfa Romeo. Un altro prodotto disponibile per i produttori di automobile è il preimpregnato Acrodur della Bafs, basato su un copolimero acrilico che permette di ottenere contenuti di fibra dal 70 al 90%. La chiave del prodotto è la realizzazione di un preimpregnato con struttura porosa (fig.14) che ha permesso al produttore Dräxlmaier Group di eliminare le fasi di punzonatura laser necessari con i termoplastici convenzionali per l’applicazione del vuoto durante la laminazione. Con questo prodotto si realizzano gli sportelli della serie 7 della BMW (fig.15). Faurecia, un altro fornitore mondiale, ha sviluppato una linea denominata Lignoflex, che utilizza il 70% di fibra derivata dal legno un 20% di PET e un 10% di legante basato su resina fenolformaldeide.

Questa soluzione presenta pesi e costi ridotti rispetto ai compositi termoplastici rinforzati in vetro e migliori caratteristiche di assorbimento acustico. I pannelli (fig. 16 e 17) sono più leggeri di quelli convenzionali in composito termoplastico e con aspetto simile alla radica [5]. I compositi in fibra naturale sono utilizzati anche per altri componenti. Per esempio, la figura 18 mostra un contenitore realizzato con compositi su una fibra lunga e matrice PP (LFT-PP) che ha rimpiazzato un prodotto realizzato con PP caricato con talco sulla MY Ford Flex CUV del 2009.

La figura 19 mostra i pannelli, destro e sinistro, della console lanciati nel 2010 per la Lincoln MKT CUV, realizzati in LFTPP. Ad oggi, queste sono le parti più realizzate in classe A per un veicolo di fascia alta. Anche il produttore Giapponense Toyota ha continuato ad investire nelle bioplastiche lanciando nel 2010 sulla Lexus HS250h dei componenti in tessuto non tessuto forniti da Toyota Boshoku e Toray Industries.

PROSPETTIVE E SVILUPPI FUTURI

L’utilizzo di materiali compositi a base di fibre naturali è una realtà consolidata nel settore automobilistico. Il trend è confermato da progetti come l’autovettura Kestrel, che è mirato a realizzare un’autovettura con struttura interamente in composito naturale (fig.20) o dall’uso di tali compositi per macchine ad alte prestazioni come la Lotus Eco Elise (fig.21).

Gli sviluppi futuri saranno indirizzati all’ottimizzazione delle prestazioni meccaniche dei compositi a fibra naturale. Molte ricerche, ad esempio, sono focalizzate sullo sviluppo di tessutti ottimizzati come, ad esempio, i tessuti basati su fili ritorti (fig.22). Tali tessuti innovativi (ie. Biotex e Envirotextile) mirano a superare le limitazioni dei mat attraverso la tessitura di fili continui ben orientati. I miglioramenti in prestazioni meccaniche sono evidenti (fig.23) [6]. Ulteriori miglioramenti sono attesi dagli studi sulla interfaccia tra fibra e matrice e dalla standardizzazione della qualità delle fibre. Tutti questi sviluppi lasciano sperare in un brillante futuro verde e naturale.

Bibliografia

[1] A.K. Bledzki, J. Gassan Prog. Polym. Sci. 24 (1999) 221-274.
[2] Brett C. Suddell FIMMM, ADAS Rosemaund Industrial Fibres: Recent and Current Developments
Proceedings of the Symposium on Natural Fibres Rome 20 October 2008.
[3] Jan E.G. van Dam Wageningen Environmental benefits of natural fibre production and
use Proceedings of the Symposium on Natural Fibres Rome 20 October 2008.
[4] A.K. Bledzki, O. Faruk, V. E. Sperber Macromol. Mater. Eng. 2006, 291, 449-457.
[5] P.Malnati, Composites Technology August 2010 http://www.compositesworld.com/ articles/
interior - innovation - the - value - proposition.
[6] G.Cicala, G.Cristaldi, A.Latteri e G.Recca “Compositi rinforzati con fibre di canapa: tessuti
a base di fili ritorti” 1° Convegno Nazionale Assocompositi, 25-26 Maggio 2011, Milano.