Caratterizzazione chimica e strutturale di compositi epossidici a base di ramia rinforzati con biochar da gusci di noce di macadamia

Trasformare gli scarti agricoli in materiali resistenti

I prodotti moderni, dalle automobili ai pannelli per l’edilizia, richiedono materiali che siano contemporaneamente resistenti e sostenibili. Questo studio esplora un modo intelligente per convertire due sottoprodotti agricoli — le fibre della pianta di ramia e i gusci scartati della noce di macadamia — in un materiale composito leggero che potrebbe sostituire alcune plastiche derivate dal petrolio e parti in fibra di vetro. Trasformando i gusci in una fine polvere di carbonio chiamata biochar e miscelandola con fibre vegetali e resina epossidica, i ricercatori mostrano come i rifiuti agricoli possano diventare componenti robusti e durevoli per l’ingegneria sostenibile del futuro.

Perché contano le fibre vegetali e i gusci

I compositi tradizionali, come quelli rinforzati con fibre di vetro o di carbonio, offrono eccellente resistenza ma richiedono molta energia per la produzione e sono difficili da riciclare. Al contrario, le fibre vegetali sono rinnovabili, più leggere e possono contribuire a ridurre l’impronta ambientale dei prodotti. La ramia, una coltura fibrosa ampiamente coltivata in Asia, è particolarmente interessante perché le sue fibre sono naturalmente forti e rigide. Allo stesso tempo, il fiorente settore della macadamia produce grandi quantità di gusci duri che di norma hanno scarso valore. Questi gusci sono ricchi di carbonio e, se riscaldati in assenza di ossigeno, possono essere convertiti in biochar — un materiale poroso simile al carbone che può agire come mineri­a di rinforzo all’interno delle matrici plastiche.

Dal guscio al biochar ad alta superficie

Il gruppo di ricerca ha innanzitutto trasformato i gusci di macadamia in un riempitivo utile. Hanno pulito e asciugato i gusci, quindi li hanno riscaldati in un forno a bassa ossigenazione a circa 350 °C. Questo processo, noto come pirolisi, ha eliminato le frazioni volatili della biomassa lasciando un char ricco di carbonio. Dopo macinazione con palline e setacciatura, la polvere risultante era costituita da particelle fini di pochi micrometri, con una superficie ruvida e fessurata piena di pori. Test avanzati hanno mostrato che questo biochar possiede una grande area superficiale interna e una struttura carboniosa parzialmente ordinata. Queste caratteristiche implicano numerosi punti di contatto in grado di aggrappare la resina e le fibre circostanti, oltre a una stabilità termica sufficiente a sopportare le alte temperature implicate nella reticolazione dell’epossidica.

Costruire il composito verde

Successivamente i ricercatori hanno combinato tre ingredienti: fibre di ramia trattate, resina epossidica e diverse quantità di biochar da macadamia. Hanno mantenuto il contenuto totale di ramia al 40 percento in peso e variato il biochar tra l’1, il 3 e il 5 percento, nominando i campioni MR1, MR3 e MR5. Il biochar è stato prima disperso nella resina liquida mediante miscelazione e ultrasuoni per favorire una distribuzione omogenea delle particelle. Poi la resina è stata versata su fasci allineati di fibre di ramia in uno stampo, pressata e indurita. I pannelli ottenuti sono stati tagliati in provini standardizzati. Il team ha quindi misurato la resistenza a trazione e flessione, la capacità di assorbire urti, la durezza superficiale e il comportamento rispetto a calore e acqua.

Trovare il punto ottimale per la resistenza

Il risultato più rilevante è stato il composito con il 3 percento di biochar (MR3). Rispetto alla versione con l’1 percento, MR3 ha mostrato circa un terzo in più di resistenza a trazione, quasi un quinto in più di resistenza a flessione e circa la metà in più di resistenza agli urti. Le immagini microscopiche hanno spiegato il motivo: le particelle di biochar in MR3 erano ben distribuite attorno alle fibre di ramia, riempiendo piccoli vuoti e creando un’interfaccia ruvida e interbloccata. Questo ha permesso agli sforzi di distribuirsi in modo uniforme tra fibre e resina e ha costretto le crepe a tortuosi percorsi ramificati invece di propagarsi linearmente. Con il 5 percento di biochar, tuttavia, le particelle hanno iniziato ad aggregarsi. Questi ammassi hanno creato punti deboli e microvuoti che hanno lievemente ridotto resistenza e tenacità nonostante l’aumento del contenuto di riempitivo.

Calore, acqua e durabilità a lungo termine

Oltre ai semplici test di resistenza, il team ha studiato come i compositi reagiscono a calore e umidità — due sfide fondamentali per l’impiego reale. L’analisi termica ha mostrato che MR3 resiste a temperature di decomposizione più elevate e lascia più char protettivo rispetto agli altri campioni, il che indica maggiore stabilità in ambienti caldi. I test di immersione in acqua hanno rivelato che MR3 ha assorbito meno umidità, suggerendo che il biochar può contribuire a bloccare i percorsi attraverso i quali l’acqua si insinua lungo le fibre vegetali. Anche dopo immersione e asciugatura, MR3 ha mantenuto oltre il 95 percento della sua resistenza a trazione e a flessione originale e quasi tutta la resistenza agli urti, indicando una buona durabilità in condizioni umide o bagnate.

Cosa significa per i prodotti di uso quotidiano

In termini pratici, questo lavoro mostra che esiste una quantità «giusta» di biochar da guscio che trasforma i compositi ramia‑epossidici in materiali più resistenti, tenaci e termicamente stabili senza sacrificare la leggerezza. Intorno al 3 percento di biochar, il composito presenta prestazioni migliori rispetto a cariche inferiori o superiori perché le particelle sono ben disperse e fortemente legate a fibre e resina. Sfruttando il valore degli scarti agricoli, tali materiali potrebbero un giorno comparire in parti leggere per automobili, pannelli per l’edilizia o altri componenti in cui ridurre peso e impatto ambientale è importante.

Citazione: Palaniappan, M., Kumar, P.M., Sivanantham, G. et al. Chemical and structural characterization of ramie-based epoxy composites reinforced with macadamia nut shell biochar. Sci Rep 16, 9374 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39764-1

Parole chiave: compositi con biochar, materiali a base di fibre naturali, riuso di scarti agricoli, polimeri sostenibili, strutture leggere