Sistemi adesivi a base bio per pavimentazioni in PVC che utilizzano principi biologici provenienti dalla natura

Gli adesivi industriali vengono utilizzati in una varietà di situazioni diverse e sono quindi soggetti a un profilo di requisiti molto ampio, che va dalla forza di adesione estremamente elevata alla facilità di distacco. Adesivi che combinano entrambe queste proprietà sono molto difficili da sviluppare. Di conseguenza, lo sviluppo si concentra principalmente sulla garanzia della forza di adesione, rendendo difficile il distacco e la rimozione dei componenti incollati. È il caso, ad esempio, dei rivestimenti per pavimenti come il PVC, che spesso sono molto difficili da rimuovere correttamente.
Allo stesso tempo, la maggior parte degli adesivi oggigiorno sono realizzati con polimeri a base di petrolio, che rilasciano sostanze altamente volatili e dall’odore forte che possono essere pericolose per la salute umana.
Ciò significa che è necessario attuare numerose misure costose lungo tutta la catena del valore, dall’estrazione allo smaltimento, per proteggere le persone e l’ambiente.

Il progetto KleBoSpin ha sviluppato sistemi adesivi per rivestimenti elastici per pavimentazioni (come il PVC) che forniscono una forza di adesione sufficientemente elevata da soddisfare i requisiti loro imposti. Il valore aggiunto degli adesivi per pavimenti a base bio è che possono essere facilmente staccati e rimossi. Con questo progetto Fraunhofer IVV intende trasferire il principio utilizzato dai ragni per catturare le prede in sistemi adesivi per pavimentazioni. Il lavoro di sviluppo è finalizzato alla creazione di un sistema adesivo che fornisca un’adeguata forza di adesione pur essendo più facile da staccare durante la rimozione dei rivestimenti del pavimento. A differenza degli adesivi convenzionali, il prodotto sarà inoltre esente da formaldeide e da qualsiasi sostanza dannosa per la salute umana, il che significa che non sono necessarie intensive misure di salute e sicurezza sul lavoro o costose durante la produzione, l’uso e lo smaltimento.
Lorenzo Tomei spiega il progetto e l’ispirazione da cui nasce il nuovo sviluppo dell’adesivo.

Il progetto Klebospin sta sviluppando sistemi adesivi per rivestimenti elastici per pavimentazioni. Qual è la sfida più grande da affrontare in campo di formulazione dell’adesivo?
Tomei: “Nel nostro progetto di ricerca ‘KleBoSpin’ abbiamo ricercato un sistema adesivo che fosse completamente basato su materie prime di origine naturale e, specificamente, completamente da biomassa vegetale. Lo sviluppo era indirizzato verso un sistema adesivo per rivestimenti elastici per pavimentazioni.
La grande, ma allo stesso tempo stimolante sfida, non è stata soltanto ottenere un sistema completamente a base biologica che garantisca sufficiente aderenza per l’applicazione. Infatti, la nostra idea era anche di creare un adesivo che permetta di rimuovere il rivestimento per pavimentazione con sufficiente facilità, in modo da poter eventualmente riciclarlo per successive applicazioni.
Pertanto, il nostro scopo era di trovare una soluzione sostenibile dal punto di vista della scelta di materiali naturali, non tossici e non derivanti da fonti petrolifere, bensì da biomassa vegetale rinnovabile, e allo stesso tempo che tenesse in mente l’aspetto di sostenibilità riguardanti il ciclo di vita e il riutilizzo di materiali ampiamente utilizzati come il PVC per rivestimenti. Bilanciare tutti questi aspetti durante la fase di scelta dei materiali e della loro formulazione, è stato un percorso che ha richiesto svariate iterazioni, una buona conoscenza delle proprietà tecno-funzionali di materiali biogenici per applicazioni tecniche da parte del Fraunhofer IVV e, naturalmente, una buona dose di creatività!”.

In un adesivo, la componente più importante è il polimero, come si riesce a sviluppare un polimero a base bio che equivalga in prestazioni rispetto a quelli tradizionali?
“Per avere un adesivo performante, sicuramente il primo punto da cui partire è un polimero con un’ottima funzionalità legante. Sebbene esistano già alcune soluzioni drop-in, come ad esempio polimeri epossidici ottenuti da fonti biologiche e con strutture chimiche analoghe alle loro controparti petrolchimiche, noi abbiamo preferito osservare il problema da un’altra prospettiva e cercare di trovare una soluzione out of the box. Invece di concentrare tutti i nostri sforzi nel ricercare di imitare polimeri convenzionali e di ottenerli da fonti vegetali rinnovabili, abbiamo pensato: perché non cercare una soluzione efficace che è già presente in natura e cercare di imitarne il principio fisico per il nostro scopo di interesse? Ed ecco che è nato il progetto KleBoSpin (dal tedesco Klebstoff = adesivo, Bodenbelag = rivestimento per pavimentazioni, e Spinne = ragno) proprio per cercare di rispondere a questa domanda.

Quale risorsa naturale state sfruttando per la formulazione dell’adesivo?
“Lo scopo del nostro progetto era innanzitutto dimostrare che il principio naturale funzionava anche al di fuori del suo ambiente naturale e che poteva essere riprodotto anche su scala più grande. In tal senso questo è stato possibile. Tuttavia, diverse domande rimangono ancora aperte per una concreta traduzione della nostra idea in un prodotto vero e proprio. Quello che sarebbe ancora interessante da investigare è, ad esempio, se il nostro sistema adesivo è compatibile con tutti i tipi di rivestimenti elastici e di massetti, come variano le proprietà adesive in diverse condizioni di umidità ambientale e temperatura, in quali condizioni è possibile stoccare le formulazioni e quanto a lungo, come poter scalare la produzione delle formulazioni.
Essendo il Fraunhofer IVV un istituto di ricerca applicata, la sfida di trovare soluzioni che abbiano una utilità pratica e che possano essere utilizzate un domani da un’azienda è quello che ci stimola e che ci spinge a trovare sempre nuove idee. Pertanto siamo ben più che aperti ad aziende che siano interessate a portare avanti l’idea generata e testata nel progetto “KleBoSpin” e a collaborare per portare la tecnologia sviluppata un passo più avanti”.

Alcuni produttori, per sviluppare gli adesivi, guardano al comportamento dei militi. Per il vostro progetto cosa vi ha ispirato?
“Per sviluppare il nostro sistema adesivo ci siamo per l’appunto ispirati all’esempio meraviglioso delle tele di ragno, come appunto accennato dal nome del progetto.
La natura è già di suo una miniera infinita di idee geniali ed efficienti. I ragni, infatti, sfruttano le loro tele per catturare le loro prede, che, una volta in contatto con la tela, vi rimangono attaccate e il ragno può allora gustarsi il suo pasto. Un fatto molto interessante è che alcuni ragni, detti cribellati, non utilizzano alcuna sostanza adesiva per rendere le loro tele delle trappole adesive, ma sfruttano in modo semplice e ingegnoso la cera naturale che ricopre la cuticola delle loro prede. Infatti, molti insetti dispongo di una cera per evitare che i loro arti si secchino eccessivamente. Quando questi insetti vengono a contatto con la tela del ragno, la loro cera cuticolare inizia a penetrare per capillarità e forze elettrostatiche in una fittissima rete di pori, che risulta dalla struttura filamentosa della tela. Infatti, i ragni cribellati sono in grado di filare complesse strutture fibrose, costituite da due fibre assiali che fungono da struttura di supporto e da migliaia di nano-fibre con un diametro di 20-30 nm costituite da una speciale proteina fibrosa, la cosiddetta fibroina. Questa miriade di nano-fibre costituisce una nuvola lanosa attorno alle due fibre assiali che presenta una superficie specifica incredibilmente ampia per via della dimensione nanometrica. Questa area superficiale così immensa è la ragione per cui le forze capillari ed elettrostatiche permettono l’assorbimento della cera cuticolare della preda e garantiscono l’adesione sulla tela. Ed è proprio questo principio fisico che avviene su scala nanoscopica che noi abbiamo cercato di imitare e ricreare anche su una scala più grande”.

Fraunhofer è stata già affiancata da aziende produttrici che vogliono investire nel progetto per differenziare la loro produzione?
“Innanzitutto, per imitare e ricreare la nano-struttura porosa delle tele dei ragni cribellati siamo andati a cercare una soluzione nella combinazione di proteine e carboidrati.
Grazie alla nostra pluridecennale esperienza in materia di proteine per applicazioni tecniche, avevamo già chiaro in mente che per ottenere una struttura porosa avremmo potuto fare conto sull’ottima capacità delle proteine vegetali di incorporare arie e stabiliz-zarla in forma di schiume. Tutti abbiamo un po’ di esperienza, d’altronde: basti pensare come l’albumina, la principale proteina degli albumi, sia in grado di formare schiume incredi-bilmente stabili quando le uova vengono montate a neve. Lo step che ci mancava era capire come poter sta-bilizzare queste strutture fortemente areate in un materiale stabile e in grado di tollerare le sollecitazioni in compressione di un rivestimento elastico per pavi-mentazioni. Ed è qui che entrano in gioco la cellulosa e i suoi derivati. La cellulosa, il biopolimero più presente sulla superficie terrestre e che costituisce l’elemento strutturale delle pareti cellulari delle piante, era la perfetta soluzione per rinforzare tale struttura schiumosa. Tramite svariate iterazioni, diversi rapporti di miscelazione e molteplici formulazioni di proteine, cellulosa e derivati della cellulosa, siamo arrivati ad ottenere una struttura porosa e allo stesso tempo stabile che si potesse adattare per un rivestimento flessibile per pavimentazioni.

Quello che ancora mancava era come ricreare la cera cuticolare degli insetti. E qui la risposta è venuta dalla grande diversità messa a disposizione dalle cere vegetali, come ad esempio la cera di carnauba o di candelilla, utilizzate spesso per lucidare scarpe o addirittura automobili. Tramite un processo di emulsificazione, abbiamo ottenuto delle formulazioni a base di cera vegetale che potessero avere una viscosità tale sia da poter esser spalmate con facilità su un massetto, sia da poter penetrare velocemente nella struttura porosa precedentemente descritta. La scelta del tipo di cera è stata dettata anche dalla possibilità di poter rimuovere con facilità il rivestimento per pavimentazione tramite riscaldamento e conseguente riduzione di viscosità della cera e, quindi, di adesione. Tramite queste tre semplici classi di ingredienti naturali, siamo riusciti a produrre un prototipo di sistema adesivo in formato A4 che ha validato la nostra idea e il principio di funzionamento della tela di ragno anche su una scala più grande”.