Influence of extraction methods on the mechanical properties, statistical homogeneity, and moisture regain of Hyphaene thebaica petiole fibers for composite reinforcement

Nella ricerca di materiali più rispettosi del pianeta, gli scienziati si stanno allontanando sempre di più dalle fibre sintetiche derivate dai combustibili fossili e si stanno rivolgendo invece al mondo naturale. Le piante offrono da tempo un'alternativa rinnovabile, ma utilizzare queste nel caso di prodotti robusti e durevoli come componenti automobilistici o pannelli edilizi non è semplice come raccogliere uno stelo e intrecciarlo. Le fibre naturali sono complicate; sono composte da pareti cellulari vegetali che amano assorbire l'acqua, il che può indebolirle e causare il loro rigonfiamento o restringimento. Inoltre, poiché crescono in natura, non esistono due fibre esattamente uguali, il che rende difficile prevedere come un fascio di esse resisterà sotto sforzo. Per rendere questi materiali utili, i ricercatori devono trovare il modo migliore per pulirli e prepararli, un processo che rimuove le parti tenere e non fibrose della pianta per rivelare le robuste fibre portanti all'interno. Il metodo utilizzato per questa pulizia può cambiare drasticamente la forza della fibra, la sua capacità di assorbire acqua e la costanza delle sue prestazioni da un pezzo all'altro.

In uno studio recente, ricercatori in Camerun hanno indagato su un tipo specifico di palma, la palma doum, che cresce abbondantemente nelle regioni aride e sabbiose del Sahel. Sebbene l'albero sia ben noto per i suoi frutti e le sue foglie, i suoi fusti fogliari rigidi, o piccioli, vengono spesso lasciati indietro come scarto. Il team voleva vedere se questi piccioli potessero essere trasformati in un rinforzo utile per compositi a base plastica, ma prima dovevano determinare il modo migliore per estrarre le fibre. Hanno testato tre diversi metodi di pulizia: un processo biologico tradizionale in cui i piccioli vengono immersi in acqua, un secondo metodo biologico in cui vengono sepolti nel terreno, e un metodo chimico utilizzando una forte soluzione alcalina. Confrontando i risultati di questi tre approcci, i ricercatori miravano a trovare un equilibrio tra forza bruta, resistenza all'umidità e l'affidabilità del materiale.

Il team ha iniziato preparando le fibre utilizzando ciascuna delle tre tecniche. Per il metodo dell'acqua, hanno immerso i piccioli puliti in un serbatoio di acqua distillata per trenta giorni, permettendo ai microbi naturalmente presenti di decomporre il tessuto tenero che tiene insieme le fibre. Per il metodo del suolo, hanno sepolto i piccioli in terra umida per trentacinque giorni, affidandosi ai batteri e ai funghi che vivono nel terreno per svolgere un compito simile. Infine, per il metodo chimico, hanno trattato i piccioli con una soluzione riscaldata di idrossido di sodio, un comune alcali, per un'ora. Questo bagno chimico rimuove aggressivamente le componenti non fibrose, inclusi cere e certi zuccheri vegetali, per lasciare la pura struttura di cellulosa. Dopo l'estrazione, ogni lotto di fibre è stato asciugato e meticolosamente testato per misurare quanta forza potessero sopportare prima di rompersi, quanto si allungassero e quanta acqua assorbissero dall'aria.

I risultati hanno rivelato che il trattamento chimico ha prodotto le fibre più forti. Le fibre trattate con l'alcali potevano sopportare uno stress massimo di 47 megapascal, una misura di forza per area, che era significativamente più alta rispetto agli altri due metodi. Questo aumento di forza deriva dal fatto che il bagno chimico rimuove le parti più tenere e amorfe della parete cellulare della pianta, lasciando una struttura più cristallina e densamente impacchettata. Tuttavia, questa forza comportava un compromesso: queste fibre erano meno flessibili e si rompevano in modo più brusco rispetto alle altre. Al contrario, le fibre estratte tramite immersione in acqua erano le più flessibili, allungandosi circa il 2,5 percento prima di spezzarsi, ma erano anche le più deboli, cedendo intorno ai 36 megapascal. Le fibre sepolte nel terreno offrivano una via di mezzo, con una forza di circa 43 megapascal e una flessibilità compresa tra gli altri due gruppi.

Oltre alla forza delle fibre, i ricercatori hanno osservato quanto fossero costanti le proprietà attraverso l'intero lotto di campioni. In ingegneria, un materiale è buono quanto il suo anello più debole, quindi sapere quanto varia la forza da una fibra all'altra è fondamentale. Il team ha utilizzato un approccio statistico per misurare questa coerenza. Hanno scoperto che le fibre sepolte nel terreno erano le più uniformi. Sia misurando la loro forza che la loro rigidità, le fibre estratte dal suolo mostravano la minore variazione, il che significava che erano le più prevedibili e affidabili. Le fibre trattate chimicamente, pur essendo le più forti, mostravano una maggiore variazione nella loro forza e rigidità, suggerendo che l'attacco chimico non fosse perfettamente uniforme su ogni singola fibra. Le fibre estratte con l'acqua si collocavano nel mezzo per quanto riguarda la costanza.

La resistenza all'umidità si è rivelata un altro fattore critico. Poiché le fibre naturali sono fatte di materiale vegetale, attirano naturalmente l'acqua, il che può causare il loro rigonfiamento e indebolimento nel tempo. Lo studio ha dimostrato che il trattamento chimico era il più efficace nel ridurre questo problema. Le fibre trattate con l'alcali assorbivano la minore quantità di acqua, prendendo solo circa il 13,9 percento del loro peso in umidità. Ciò è dovuto al fatto che il processo chimico ha rimosso molte delle componenti vegetali più attratte dall'acqua. Le fibre estratte con l'acqua assorbivano la quantità maggiore, quasi il 14,7 percento, probabilmente perché il delicato processo di immersione lasciava intatte più di quelle componenti affini all'acqua. Le fibre estratte dal suolo avevano prestazioni intermedie, assorbendo circa il 14 percento.

Quando i ricercatori hanno pesato tutti questi fattori insieme, è emersa un'immagine chiara su come utilizzare queste fibre. Se l'obiettivo è creare un materiale composito che necessiti della massima forza e resistenza all'umidità, il trattamento chimico è la scelta superiore, nonostante la leggera inconsistenza delle proprietà delle fibre. Se la priorità è avere un materiale che si comporti in modo molto prevedibile e affidabile sotto sforzo, il metodo della sepoltura nel suolo offre il miglior equilibrio tra forza e uniformità. Il metodo dell'acqua, pur producendo le fibre più flessibili, risulta in un materiale più debole e più incline ad assorbire acqua, rendendolo meno adatto ad applicazioni strutturali impegnative. In definitiva, lo studio conferma che la palma doum è una risorsa promettente per materiali sostenibili, ma il percorso per utilizzarla dipende interamente da quali specifiche proprietà siano più importanti per il prodotto finale. La scelta di come pulire la fibra non è solo un passaggio del processo; è il fattore decisivo per la prestazione futura della fibra.