Sustainable Fabrication of FDM-Printed Jute/PLA Biocomposites: Effect of Fiber Volume Fraction on Mechanical and Thermal Performance

Sintesi Tecnica: Fabbricazione Sostenibile di Biocompositi Juta/PLA Stampati mediante FDM

Problematica
Il rapido accumulo di rifiuti plastici non biodegradabili e l'esaurimento delle materie prime di origine petrolchimica hanno reso necessaria lo sviluppo di alternative sostenibili nella manifattura additiva. Sebbene il Poli(acido lattico) (PLA) sia un termoplastico biodegradabile leader derivato da feedstock rinnovabili, esso soffre di limitazioni intrinseche, tra cui l'elevata fragilità, una bassa temperatura di deflessione termica (55–60 °C) e la degradazione termica alle temperature di lavorazione superiori a 200 °C. Sebbene l'ibridazione del PLA con fibre naturali come la juta offra una via per migliorare la rigidità, la resistenza e la stabilità termica, gli effetti specifici della frazione volumetrica di fibra ($V_f$) e della cura termica post-stampa sulle prestazioni termo-meccaniche dei biocompositi juta/PLA prodotti mediante Fused Deposition Modeling (FDM) rimangono insufficientemente compresi. Inoltre, la natura idrofila delle fibre di juta spesso porta a una scarsa adesione interfacciale con la matrice idrofobica del PLA, causando la formazione di vuoti e distacchi.

Metodologia
Lo studio ha impiegato un approccio sistematico per fabbricare e caratterizzare biocompositi juta/PLA mediante FDM.

• Materiali: Il PLA commerciale (NatureWorks 3052D) è servito come matrice, mentre sono state utilizzate fibre di juta corte non trattate (lunghezza 4–6 mm) come rinforzo.
• Fabbricazione: I filamenti compositi sono stati prodotti tramite estrusione a vite coassiale (twin-screw extrusion) con frazioni volumetriche di fibra target del 10, 20 e 30 vol.% (con la caratterizzazione che si estende al 50% nei risultati). I campioni sono stati stampati con una stampante FDM con un ugello da 0,40 mm, riempimento (infill) al 100% e un angolo di raster di ±45°.
• Post-Processing: Un processo di cura termica controllata è stato applicato in un forno ad aria calda a temperature comprese tra 160 °C e 180 °C per investigare l'integrità interfacciale e la cristallinità.
• Caratterizzazione: Lo studio ha utilizzato una suite completa di tecniche analitiche:
  • Meccanica: Test di trazione, flessione e durezza (standard ASTM).
  • Fisica: Misurazioni di densità e assorbimento d'acqua.
  • Termica: Calorimetria Differenziale a Scansione (DSC) per la temperatura di fusione e la cristallinità; Analisi Termogravimetrica (TGA) per la stabilità termica e il residuo carbonioso (char).
  • Microstrutturale/Molecolare: Microscopia Elettronica a Scansione (SEM), Microscopia Elettronica in Trasmissione (TEM), Microscopia a Forza Atomica (AFM), Spettroscopia Infrarossa a Trasformata di Fourier (FTIR) e Diffrazione di Raggi X (XRD).
  • Modellazione: Calcoli teorici basati sulla Regola delle Miscele e concetti di modellazione agli elementi finiti sono stati utilizzati per validare i dati sperimentali.

Contributi Chiave
Questa ricerca stabilisce una robusta correlazione processo-struttura-proprietà per i biocompositi juta/PLA prodotti tramite FDM. I contributi chiave includono:

1. Ottimizzazione della Frazione Volumetrica di Fibra: Lo studio identifica un intervallo ottimale di carico di fibra (25–35 vol.%) che massimizza le prestazioni meccaniche minimizzando difetti quali agglomerazione e porosità.
2. Effetti della Cura Termica: Dimostra che la post-cura a 160–165 °C migliora significativamente il legame interfacciale, la cristallinità e la stabilità termica rispetto a temperature di cura più elevate che possono indurre il rilassamento termico.
3. Caratterizzazione Multiscala: Il lavoro fornisce un'analisi dettagliata che collega le interazioni molecolari (legami a idrogeno tra i gruppi ossidrilici della cellulosa e i gruppi esterei del PLA) alle proprietà meccaniche macroscopiche e alla morfologia superficiale.
4. Metriche Quantitative: Il lavoro quantifica i miglioramenti in termini di resistenza alla trazione, modulo di flessione e cristallinità, offrendo punti dati specifici per la progettazione di componenti strutturali sostenibili.

Risultati Chiave

• Prestazioni Meccaniche: La prestazione meccanica ottimale è stata raggiunta con un contenuto di fibra del 25–35 vol.% con cura a 160–165 °C.
  • Resistenza alla Trazione: È aumentata di circa il 14%, raggiungendo un massimo di 72 MPa (al 30% $V_f$, 160 °C) rispetto ai 63 MPa del PLA puro.
  • Resistenza alla Flessione: Ha mostrato un miglioramento drammatico, salendo da 100 MPa (PLA puro) a un picco di 315 MPa al 35% $V_f$ e 160 °C.
  • Modulo: Il modulo di Young è aumentato di circa il 10% (fino a 3,85 GPa), e il modulo di flessione è più che raddoppiato (da 4,0 GPa a 8,5 GPa) nelle condizioni ottimali.
  • Durezza: La durezza Barcol ha raggiunto il picco di 38 per il contenuto di fibra del 25–30% a 160 °C.
• Osservazioni Microstrutturali:
  • Dispersione: SEM e TEM hanno rivelato una dispersione uniforme delle fibre e una buona bagnabilità della matrice ai carichi intermedi. Tuttavia, sono stati osservati agglomerazione delle fibre, vuoti e distacchi ai carichi elevati (≥45–50%), che portano a una riduzione delle prestazioni.
  • Rugosità Superficiale: L'analisi AFM ha indicato una riduzione della rugosità superficiale ($R_a$) da 37,8 nm a 20,0 nm all'aumentare del contenuto di fibra, suggerendo una migliore consolidazione.
  • Interfaccia: TEM e FTIR hanno confermato la formazione di una regione di interfase distinta con legami a idrogeno, facilitando un efficace trasferimento degli sforzi.
• Proprietà Termiche:
  • Cristallinità: I risultati XRD e DSC hanno mostrato un aumento della cristallinità del PLA dal 22,3% al 27,5% con l'aumento del carico di fibra, attribuito all'effetto di nucleazione eterogenea delle fibre di juta.
  • Temperatura di Fusione: La temperatura di fusione del composito è aumentata da 162,5 °C a 165,1 °C con l'aumento del contenuto di fibra.
  • Stabilità Termica: La TGA ha mostrato un aumento del residuo carbonioso dall'8,2% al 15,1% all'aumentare del contenuto di fibra, indicando una migliore stabilità termica, sebbene l'inizio della degradazione sia influenzato dalla minore stabilità termica della fibra naturale rispetto al PLA.
• Assorbimento d'Acqua: L'assorbimento d'acqua è aumentato monotonicamente con il contenuto di fibra a causa della natura idrofila della juta, passando dallo 0,5% (PLA puro) al 22% con il 50% $V_f$. Temperature di cura più elevate hanno parzialmente mitigato questo fenomeno riducendo il contenuto di vuoti.

Significatività
L'articolo conclude che i biocompositi juta/PLA fabbricati tramite FDM rappresentano un'alternativa viabile, leggera ed ecologicamente sostenibile ai convenzionali polimeri rinforzati con fibre sintetiche per applicazioni di ingegneria strutturale. Lo studio elucida il delicato equilibrio richiesto tra la frazione volumetrica di fibra e i parametri di lavorazione termica per ottenere biocompositi ad alte prestazioni. Confermando che carichi moderati di fibra (25–35%) e una cura controllata (160–165 °C) ottimizzano la resistenza meccanica, la stabilità termica e l'integrità interfacciale, il lavoro fornisce una guida essenziale per la progettazione di materiali biodegradabili di prossima generazione. Le scoperte supportano lo sviluppo di componenti ad alte prestazioni ed eco-compatibili senza dipendere da rinforzi sintetici.