proprietà del nuovo Materiale

11.1) il Modello di coMpound: carica organica e poliMerica.

Risulta chiaro ormai come le esigenze di sistema, mirate ad una diversificazione dei prodotti uscenti, abbiano sostanzialmente rivelato la necessità di implementazione di un nuovo materiale. Sulla base delle esigenze di sistema riportate nel

capitolo precedente, bisogna però che tale materiale sia ottimale non solo per il raggiungimento di un nuovo prodotto sistemico, ma anche per il mantenimento della stabilità del processo produttivo. Questo “modello” di materiale dovrà perciò lavorare su due livelli: il raggiungimento dell’obiettivo finale ed il mantenimento delle condizioni produttive. La materia prima proposta, destinando le proprie funzioni a due attività quasi opposte, rivela immediatamente la necessità di declinare due versioni ben distinte della sua composizione, con proprietà chimico/fisiche adatte alle loro destinazioni di sistema. Tuttavia, per non complicare troppo le operazioni richieste al sistema, si è cercato di ottenere le due versioni delle materie prime attraverso un unico modello di realizzazione, quello della formulazione “compound”.

In modo molto semplice, il processo di compounding consiste nel preparare formulazioni materiche mescolando matrici polimeriche attraverso lavorazioni fisiche, o miscelando polimeri e altre matrici diverse attraverso lavorazioni chimiche e poi fisiche. Queste miscele sono dosate automaticamente con percentuali di carica fisse, garantite attraverso alimentatori sequenziati posizionati negli estrusori del compound, e nel quale le matrici polimeriche sono integrate con additivi esterni, come antiossidanti, stabilizzatori UV e altri agenti di valore aggiunto, talvolta anche con componenti di rinforzo come la fibra di vetro. Durante la fase di compounding, è possibile integrare le matrici polimeriche anche con componenti organiche, sebbene non sia un’attività così diffusa nell’ambiente delle produzioni tecniche. La possibilità garantita dal compound di effettuare integrazioni tra matrici polimeriche ed altre sostanze, in modo chimico o fisico, ci permette quindi di poter proporre due soluzioni materiche attraverso un unico modello, lasciando libertà al progettista di definire le singole componenti del compound in base alle necessità.

Il processo di compounding è solitamente fatto per estrusione, attraverso estrusori a monovite per la miscelatura di una sola matrice, e bivite per l’unione in cariche separate di due matrici diverse. All’interno del canale di estrusione, la tramoggia alimenta l’inizio della vite, che trasporta gradualmente le resine separate nella zona di miscelatura dal quale si originerà l’estruso finale. Il compound estruso, che ha l’aspetto di lunghi fili di plastica, viene poi raffreddato in un bagno

d’acqua mentre il nastro trasportatore lo sposta verso il granulatore. Il granulatore rompe infine i trafilati di compound nei pellet finali, tagliati nelle dimensioni più idonee ai macchinari di inserimento. Attraverso la collaborazione con IdeaPlast, laboratorio di materie plastiche con sede a Lainate (MI), è stato possibile formulare la composizione di un compound a matrice organica con nuove funzionalità

chimico/fisiche, originato dal rifiuto solido urbano relativo agli scarti di caffè. La collaborazione con il laboratorio,in possesso di un estrusore bivite, ha permesso di effettuare prove e sperimentazioni preliminari, riuscendo ad arrivare ad un risultato finale di compound adeguato, processabile dalle tecnologie della Cornaglia.Il compound a matrice organica finale, funzionale alla realizzazione di prodotti per un mercato diversificato, rivela però le sue prime criticità una volta valutato il ritmo di fornitura della componente organica, che possiede ritmi di scarto completamente diversi da quelli dello scarto plastico. Questo fattore rende il compound organico ideale per il raggiungimento di una diversificazione di mercato, ma lo fa a discapito della stabilità totale del processo produttivo. Quindi, come prima anticipato, è risultato necessario formulare una seconda proposta, con il quale poter riutilizzare solamente la porzione di scarto plastico. Al fine di rendere concreta la seconda proposta, il compound polimerico è stato formulato in una versione realizzabile attraverso processi di trasformazione fisica dello scarto, con successiva trafilatura, per la realizzazione di prodotti in grado di sostituire le versioni in plastica vergine attualmente sul mercato.

Introdotti brevemente gli scenari di appartenenza delle due versioni di compound, andremo di seguito ad approfondire la descrizione della loro formulazione e delle nuove proprietà concesse.

Compound a matrice organica: Il compound organico è ottenuto attraverso la collaborazione esterna con IdeaPlast, integrando, in peso, una percentuale del 40% di Polipropilene ed un 60% di scarti di caffè, additivizzandoli attraverso stabilizzatori UV ed antiossidanti. La forte carica di caffè garantisce al materiale proprietà percettive notevoli, arrivando ad emanare l’aroma della sostanza fino ad un metro di distanza, in condizioni favorevoli. Gli stimoli forniti dal caffè possono essere percepiti anche attraverso la presenza di un pattern superficiale, che ricorda molto il macinato del caffè, per forma e dimensioni. La forte componente organica influisce però pesantemente sulle prestazioni strutturali del materiale, diminuendo in modo sostanziale le capacità tecniche e meccaniche garantite dai prodotti finali.Le fasi principali del processo di compounding del materiale consistono nella preparazione delle due cariche, nella deumidificazione del caffè e del granulo termoplastico, e nell’unione delle cariche attraverso l’inserimento in un estrusore bivite, che scaldando le due cariche le fonde e le miscela insieme, durante il percorso delle viti, estrudendo alla fine un trafilato di PP e caffè distribuito secondo le percentuali prefissate. Tale trafilato viene poi tagliato per ottenere il granulato della nuova materia prima termoplastica originata dagli scarti di caffè.

Compound a matrice polimerica: Il compound polimerico è invece il risultato della rimacinatura fisica di un tecnopolimero frequentemente utilizzato dalla Cornaglia, denominato Hytrel, con altre matrici polimeriche di scarto. Il materiale Hytrel, realizzato dalla DuPont, è un elastomero termoplastico appartenente alla famiglia dei Poliesteri, con grande resistenza al calore ed agli agenti chimici, e

notevoli qualità di flessione, durezza e resilienza. La caratteristica per il quale è stato selezionato l’Hytrel come matrice di base del compound polimerico è però la sua grande resistenza alla degradazione, che permette un suo riutilizzo anche al 100%

di materiale rimacinato, se correttamente gestito. Le notevoli proprietà meccaniche del rimacinato, unite alla forte resistenza verso gli effetti di downcycling, rendono Hytrel la base ideale sul quale costruire nuove proposte di materia prima plastica.

Il nuovo compound polimerico potrà perciò rispondere a prestazioni tecniche

importanti, con il 100% di materiale proveniente da attività di recupero. L’unico limite del compound sarà quello di non poter essere reinserito nell’ambito di produzione tecnica automotive dal quale proviene lo scarto che lo compone. Ciò a causa di un semplice fattore di profitto economico, relativo agli elevati costi di gestione e pulizia dello scarto in rispetto degli esigui costi di acquisto della materia prima vergine. Per il raggiungimento dei parametri tecnici richiesti dai macchinari ad alte tirature ed a cicli veloci, è stato definita la miscelatura dell’Hytrel con gli altri polimeri di scarto con la seguente percentuale in peso: 70% Hytrel e 30% scarto termoplastico tra cui PE, PP, PC o Nylon.

11.2) analisi chiMico/fisica della carica organica del coMpound.

Il prodotto dal quale si origina la nostra carica organica è il caffè, la seconda merce più scambiata al mondo dopo il petrolio, con 80 paesi che lo coltivano ed esportano.

Il caffè è anche la seconda bevanda più facilmente accessibile e consumata, a livello internazionale, dopo il tè. Recenti studi, condotti da M. Saberian, hanno dimostrato che il caffè potrebbe ridurre i rischi di malattie cardiache, malattie

neurodegenerative, disturbi cardiovascolari e alcuni tumori, pertanto, sta diventando sempre più popolare ^[1]. Da quì, il processo produttivo del caffè ha guadagnato nel tempo sempre più popolarità, con conseguente aumento del volume di produzione e tasso di crescita dei ritmi di consumo pari al 1,9% annuo. Sulla base di tale tasso di crescita e del consumo attuale di caffè, monitorato nel 2019 ad un quantità di 9.8 milioni di tonnellate di caffè consumato, si può stimare un consumo finale di 11.6 milioni di tonnellate di caffè entro il 2025, con Brasile, Vietnam, Colombia, Honduras, India e Indonesia come maggiori produttori mondiali. ^[1]

Oltre alla quantità disponibile ed i trend di consumo attuali del caffè, risulta importante in questa fase definire e prevedere anche i ritmi di consumo futuri, in quanto la disponibilità di carica organica che si è scelto di implementare ne è direttamente associata. I fondi di caffè sono infatti un sottoprodotto del processo di consumo del caffè, sia a livello industriale, sia a livello domestico. Nel 2016, è stato riportato da Saberian che l’industria del caffè è responsabile della generazione di più di 6 milioni di tonnellate di rifiuti ogni anno. ^[1]

Approfondendo gli aspetti chimici dello scarto di caffè, possiamo innanzitutto affermare come questo contenga composti altamente tossici per l’ambiente, come la caffeina, che perdurano a lungo nel tempo; ciò a causa delle copiose quantità di ossigeno necessarie per decomporre il materiale organico. La maggioranza questi scarti vengono ancora smaltiti in discarica come rifiuti solidi urbani classici, sebbene il loro smaltimento non sia appunto così semplice, come la maggior parte degli altri materiali di scarto. Infatti, a causa dell’elevata composizione organica degli scarti di caffè, se non trattati e smaltiti in grandi quantità, esiste anche l’alto rischio che vengano prodotte quantità eccessive di metano ed anidride carbonica, in grado di generare fenomeni di combustione spontanea o di fermentazione del materiale.

Sulla base di tali considerazioni, è quindi realistico poter dire come lo scarto di caffè possa porre dei rischi ambientali e logistici nelle destinazioni finali nel quale viene stazionato attualmente.Introdotte le motivazioni per il quale si è effettuata la scelta della tipologia di carica organica, andremo, nel testo che segue, a definire in modo preciso e dettagliato le caratteristiche fisiche e chimiche rilevate negli scarti di caffè.

1_ M. Saberian, J. Li, “Recycling of spent coffee grounds in construction materials: A review”, 2021

Foto di Tim Douglas da Pexels

Tali caratteristiche sono molto importanti, poiché selezionate sulla base dell’alto grado di influenza che esercitano sulle attività progettuali, finalizzate all’ottenimento di prodotti realizzati con lo scarto di caffè. Possiamo perciò definire le principali caratteristiche fisico/chimiche dello scarto di caffè in questo modo:

Grado di porosità: durante le sperimentazioni, è stato definito come gli scarti di caffè possano essere considerati materiali non porosi, in quanto il volume totale dei pori, su di una superficie specifica di caffè di scarto, è più piccolo di quelli del caffè fresco. L’acqua, attore principale del processo che trasforma il caffè fresco in caffè di scarto, è anche la responsabile del restringimento delle porosità del materiale.

Stabilità termica: Lo scarto di caffè contribuisce anche ad aumentare le proprietà termiche dei materiali compositi nel quale viene inserito, riducendo la perdita di calore fino al 50%, e continuando a soddisfare gli standard di isolamento termico anche integrato all’interno di prodotti con sollecitazioni termiche ripetute e frequenti.

Isolamento acustico: La composizione microscopica dei fondi di caffè, insieme all’alto grado di comprimibilità, li rendono idonei ad assorbire il suono a media e alta frequenza, rendendoli un’aggiunta molto pratica nella progettazione di elementi d’arredo antirumore.

Umidità: A causa del processo di fermentazione e delle attività di filtraggio avvenute durante la fase di consumo, gli scarti di caffè hanno un contenuto di umidità naturale molto alto. Durante le sperimentazioni, il contenuto di umidità è stato infatti rilevato, nelle situazioni più ideali, al 60% del peso totale del prodotto, mentre in quelle più sfavorevoli al 150%.

Contenuto organico: Gli scarti di caffè contengono diversi composti organici, tra cui emicellulosa, acidi grassi, cellulosa, lignina, proteine, lipidi e altri polisaccaridi. Il contenuto organico è stato riportato essere di circa l’86%-89%. [43]

Livello di ph: Il valore del pH dei fondi di caffè riportato in laboratorio è stato riscontrato nell’intervallo acido, da 4,53 a 5,8, valore tipico di un prodotto agricolo soggetto agli agenti atmosferici naturali e coltivato in una vasta varietà di regioni, principalmente tropicali.