Tessili Tecnici Applicati alla Protezione Ambientale

Analisi delle possibili applicazioni dei tessili tecnici per la protezione ambientale.

L’attenzione per l’ambiente, aria, acqua, territorio, quella per gli scarichi, per l’inquinamento è sempre maggiore. I tessili tecnici spesso contribuiscono in modo efficace alla soluzione dei problemi che sono legati a questi temi.

Il campo di indagine è estremamente ampio, in rapida crescita d'interesse e quindi in rapida crescita per quanto riguarda le informazioni disponibili.

Questo documento dà una prima informazione sui temi tecnologici relativi al particolare impiego dei tessili nella protezione dell’ambiente e fornisce possibili stimoli per approfondimenti su singoli problemi o singole applicazioni, agli operatori pubblici e privati che operano nel campo specifico della protezione ambientale da un lato e nel tessile dall’altro.

Il tema della protezione ambientale, nella sua vastità e nei suoi vari aspetti, può essere affrontato da un punto di vista particolare che privilegia l’area dove possono trovare un’applicazione significativa alcuni prodotti tessili definiti come tessili per impieghi tecnici e, dettagliando ulteriormente, i prodotti geotessili e i geosintetici.

L’ipotesi di lavoro è quindi quella di offrire alla domanda di salvaguardia dell’ambiente, nei suoi vari aspetti, alcune opportunità di soluzione costituite dall’impiego dei tessili tecnici.

Spesso queste soluzioni particolare non sono patrimonio di conoscenza comune degli operatori dell'ambito della protezione.

Dall’altro lato queste applicazioni possono costituire, per l’industria tessile, un'opportunità effettiva di sbocco per le proprie produzioni.

Nei paesi più avanzati industrialmente e più sensibili al problema della salvaguardia ambientale, vengono impiegati sempre più spesso i tessili tecnici, perché offrono soluzioni ottime, superiori a quelle più convenzionali e tradizionali.

In termini sintetici il tessile tecnico si presenta come un prodotto polifunzionale, dove possono convivere caratteristiche differenti, spesso antitetiche tra di loro, a costi spesso molto vantaggiosi e comunque competitivi.

Le applicazioni sono molteplici, le soluzioni offerte dai vari tipi di tessile (dai nontessuti ai tessuti trama ordito, alle maglie, alle strutture più complesse), sono spesso le sole che consentono di realizzare le aspettative di protezione ambientale in maniera corretta ed economicamente valida.

La protezione ambientale con prodotti tessili

Si può affermare che i paesi all’avanguardia nell’applicazione dei tessili tecnici alla protezione ambientale sono gli Stati Uniti ed i paesi europei, dove si uniscono la forte attenzione per l’ambiente, la disponibilità di tecnologie (dall’ingegneria civile a quella idrogeologica) avanzate e, non ultima, la presenza di una industria tessile specializzata: infatti le soluzioni non sono mai banali o scontate, ma richiedono un’analisi delle specifiche di progetto e delle potenzialità delle soluzioni prospettate molto accurata, in un ambito economicamente noto.

Naturalmente le soluzioni, oltre che tecnologicamente valide, devono esserlo anche per il rapporto costi/prestazioni.

Un tema, che sembra dominare gli altri per l’interesse che suscita e per la numerosità di soluzioni che prospetta, è quello dei rifiuti, non solo quelli tessili.

Il problema della formazione dei rifiuti, da quelli industriali a quelli urbani, della loro raccolta, dello stoccaggio, della gestione delle discariche e del loro risanamento, è all’ordine del giorno nei paesi più avanzati.

I tessili tecnici consentono la realizzazione di discariche sicure ed anche un recupero ecologicamente valido ed accattivante delle aree, facendo di luoghi un tempo degradati, luoghi di prestigio o comunque completamente salubri.

Un altro tema di grande interesse è quello delle costruzioni, soprattutto di strade, di ferrovie ad alta velocità, dove le soluzioni ingegneristiche prospettate, che prevedono un massiccio ricorso ai tessili tecnici, sono le più valide, le più economiche le più rispettose dell’ambiente.

Un accenno infine ad un elemento strutturale: moltissimi dei tessili tecnici impiegati nella protezione ambientale sono costituiti da fibre chimiche (polipropilene, poliestere in particolare), ma stanno prendendo campo anche prodotti realizzati in fibre naturali (juta ad esempio), e comunque biodegradabili, per alcuni interventi provvisori, che consentano poi alla natura, attraverso la crescita e lo sviluppo della vegetazione, di fare una protezione efficace ed appunto del tutto naturale.

Ci sembra corretto porre il baricentro dell'attenzione sui prodotti geotessili ed affini che sono quelli più direttamente e diffusamente impiegati proprio nella protezione ambientale.

Funzioni dei geotessili

I geotessili svolgono ad alcune funzioni di primario interesse per gli interventi di protezione ambientale:

1. Ruolo meccanico

Separazione, o anticontaminazione; realizzano un'interfaccia continua tra materiali con caratteristiche differenti tra di loro (es. granulare ed argilla fine); il geotessile impedisce che si compenetrino sotto l’azione della manipolazione in messa in opera, del passaggio dei mezzi di cantiere, dalle vibrazioni, ecc.; il geotessile lascia intatte le prestazioni dei differenti strati.

Rinforzo, la presenza del geotessile in una struttura in terra può:

• ridurre ed omogeneizzare la deformabilità, soprattutto introducendo elementi di continuità delle deformazioni nel sistema suolo-geotessile. Il geotessile così si oppone allo sviluppo di rotture localizzate che si avrebbero nelle zone più deboli, aggiungendo la propria resistenza a quella del suolo;

• aumentare la resistenza alla rottura; questo avviene senza ridurre la possibilità di adattamento alle deformazioni elevate; questo grazie alla loro grande capacità di allungarsi ed alla elevata resistenza di rottura alla trazione.

2. Ruolo idraulico

Filtrazione, ovvero trattenere le particelle del suolo in caso di scorrimento dell’acqua:

• l’acqua scolando trattiene particelle in sospensione che il filtro deve trattenere, fino ad arrivare a saturazione;

• si tratta di creare un assieme filtro-suolo in modo che gli scorrimenti interni avvengano senza asportare le particelle.

Drenaggio, molti geotessili hanno la proprietà di assicurare la portata sufficiente a drenare il terreno.

Queste funzioni spesso si accompagnano in maniera ottimale alla crescita controllata della vegetazione quindi ad un risanamento ambientale intenso e naturale.

Gli esempi di impiego dei geotessili sono molteplici; tra i più comuni si possono citare:

  • geotessile sotto pista per strada a traffico limitato: si tratta del ruolo di anticontaminazione, per evitare che il suolo-supporto compenetri con il materiale granulare che deve conservare le sue proprietà meccaniche;
  • geotessile nelle opere di drenaggio;
  • armature di scarpate;
  • schermo anticapillarità sui bordi delle strade;
  • drenaggio nelle scarpate;
  • protezione dei pendii rocciosi;
  • protezione dei tiri di mine;
  • agrotessili: irrigazione, substrati per colture idroponiche, frangi vento, schermi d’ombra e termici, protezione dei fusti, serre, frangivento per limitare l’evaporazione, protezione contro insetti, uccelli, animali selvatici;
  • drenaggio: irrigazione, drenaggi avvolti di nontessuti, con caratteristiche legate a permeabilità, porometria, bagnabilità;
  • acquatessili (tessili tecnici utilizzati nei trattamenti delle acque);
  • reattori biologici;
  • reattori chimici;
  • scorrimento delle acque e trattamenti simultanei;
  • depurazione individuale;
  • risanamento del paesaggio.

3. Background tecnico e merceologico

Materiali e processi di produzione

I geotessili ed i prodotti affini sono materiali tecnici, prevalentemente sintetici, permeabili, ai quali la materia prima e la tecnologia di realizzazione conferiscono proprietà funzionali (meccaniche, idrauliche, chimiche, ecc..) adeguate all’impiego nei vari campi dell’ingegneria civile, prevalentemente in materiali posti a contatto con il terreno.

Le proprietà funzionali sono fortemente dipendenti sia dalla natura chimica del materiale che compone le fibre, sia dalla loro struttura macromolecolare, sia infine dal metodo con cui queste vengono assemblate per costituire il prodotto finale; è utile quindi riportare una sintetica descrizione.

Le informazioni riportate forniscono solo una conoscenza sommaria dell’argomento trattato che coinvolge competenze diverse e specializzate, che vanno dalla chimica dei prodotti polimerici, alla tecnologia tessile e si presenta quindi come molto complesso.

Materie prime: polimeri

La quasi totalità dei geotessili è prodotta con fibre sintetiche, anche se esistono particolari prodotti realizzati con fibre naturali biodegradabili (per esempio la juta).

Un polimero è una macromolecola formata dalla combinazione di uno, due ed occasionalmente tre monomeri, in lunghe catene attraverso il processo di polimerizzazione.

I materiali polimerici sintetici possono essere suddivisi in tre grandi famiglie: termoplastici. termoindurenti e elastomeri, in funzione del diverso comportamento al calore.

Tutti i polimeri impiegati per la produzione dei geotessili sono termoplastici, cioè fondono e solidificano reversibilmente secondo la temperatura (i materiali termoplastici hanno una temperatura di fusione relativamente bassa compresa tra 100° e 250°C). I quattro principali tipi adoperati sono:

  • polietilene,
  • polipropilene,
  • poliammide,
  • poliestere.

Nella struttura di tutti e quattro i polimeri si possono individuare regioni cristalline e regioni amorfe: la prevalenza dell’una o dell’altra è funzione della maggiore o minore regolarità della catena polimerica. Questa regolarità condiziona notevolmente il comportamento fisico-meccanico e costituisce quindi una importante proprietà cui fare riferimento.

Generalmente il processo di polimerizzazione viene effettuato aggiungendo al materiale base numerosi additivi (come catalizzatori, lubrificanti, antiossidanti, bio-stabilizzatori, UV stabilizzatori e pigmenti), i quali permettono di migliorare alcune proprietà del materiale particolarmente importanti per le funzioni di ingegneria civile.

Polietilene

Il polietilene è un polimero dalla struttura molto semplice costituita da lunghe catene di monomeri di etilene. Le principali caratteristiche di questo materiale sono costituite da un alto grado di cristallinità, da una buona resistenza agli agenti chimici ed all’umidità e da un basso costo di produzione. Viceversa, limitazioni nell’uso del polietilene derivano da una mediocre resistenza agli agenti atmosferici e da una scarsa resistenza meccanica. I principali tipi di polietilene disponibili sono:

  • LDPE (polietilene a bassa densità 920-930 kg/m3);
  • HDPE (polietilene ad alta densità 940-960 kg/m3);
  • LLDPE (polietilene lineare a bassa densità 925-945 kg/m3);

questi si differenziano tra loro principalmente per il diverso grado di cristallinità; perciò l’HDPE, che è il più cristallino dei tre, si presenta molto più rigido e resistente del LDPE e del LLDPE.

Il polietilene se lasciato per lunghi periodi all’azione combinata degli agenti atmosferici si deteriora velocemente divenendo estremamente fragile; mentre se viene conservato in ambienti non illuminati e protetti si conserva perfettamente nel tempo.

Polipropilene

Il polipropilene è un prodotto ottenuto dalla polimerizzazione del propilene. Le principali caratteristiche di questo prodotto sono costituite da una resistenza meccanica più alta di quella del polietilene, da una eccellente resistenza agli agenti chimici ed all’umidità e da un basso costo di produzione. Limitazioni scaturiscono da una alta suscettività ai raggi UV ed agli agenti ossidanti.

Poliammide (nylon)

I due più importanti tipi di poliammide adoperati nella fabbricazione delle fibre per geotessili sono il POLIAMMIDE 6 (PA 6) ed il POLIAMMIDE 6.6 (PA 6.6).

Le principali caratteristiche di questo materiale sono costituite da una alta resistenza a trazione, da una buona resistenza all’abrasione, ai solventi ed ai prodotti basici. Viceversa limitazioni nel suo impiego derivano da una notevole sensibilità all’umidità ed ai raggi U.V.

Poliestere

Il poliestere impiegato per la costituzione dei geotessili è costituito dalla polimerizzazione del glicole d’etilene con prodotti tereftalici.

Le principali caratteristiche di questo prodotto sono costituite da una elevata resistenza e rigidità, da un ottimo comportamento al creep ed alla fatica e da una buona resistenza al calore. Le limitazioni vengono invece da una scarsa resistenza nei confronti di sostanze fortemente acide e basiche e nei confronti dei solventi.

Produzione dei componenti base

Il materiale polimerico allo stato grezzo viene fornito, sotto forma di piccole sfere o in polvere, al produttore di fibre per essere sottoposto al processo di filatura per estrusione . Durante tale processo il materiale polimerico viene prima liquefatto in un ambiente privo di ossigeno e di umidità, quindi viene pressato attraverso una filiera contenente migliaia di piccoli fori da cui fuoriesce sotto forma di monofilamenti ed infine viene fatto solidificare in condizioni umide o secche.

Un processo molto simile viene impiegato per l’estrusione di nastri: in questo caso però il materiale polimerico viene pressato attraverso apposite fenditure che possono assumere forme diverse. Le fibre a forma di nastro possono essere ottenute anche attraverso il taglio longitudinale dei film. Durante il processo di solidificazione, oppure a solidificazione avvenuta, le fibre possono venire sottoposte allo stiro.

Questo trattamento finale riduce il diametro delle fibre causando un riordinamento delle catene polimeriche nella direzione dello stiro; aumenta così il grado di cristallinità del polimero e quindi, in ultima analisi, si ottiene un prodotto con una maggiore resistenza a trazione, un maggiore modulo ed una minore deformazione a rottura. In relazione a quanto sopra accennato si impiegano tre tipologie di componenti base:

  • monofilamenti a sezione circolare aventi un diametro di qualche decimo di millimetro (un tipico valore è 0,5 mm) e lunghezza indefinita;
  • nastri a sezione rettangolare aventi una larghezza uniforme di alcuni millimetri (un tipico valore è circa 3 mm), spessore di qualche decimo di millimetro e lunghezza indefinita;
  • film e fogli aventi una ampiezza di alcuni metri e spessore che può variare da qualche frazione di millimetro per i film a diversi millimetri per i fogli.

I componenti base ottenuti come descritto sopra, prima di essere convertiti nel prodotto finale vengono spesso sottoposti ad un processo di trasformazione tipicamente tessile. Infatti i monofilamenti possono essere ritorti tra di loro per formare filati di maggiore diametro, oppure possono essere allineati per formare multifilamenti paralleli (200-300 monofilamenti), oppure ancora possono essere tagliati in fibre di qualche cm di lunghezza per ottenere fibre in fiocco.

Con processi analoghi i nastri vengono ritorti tra di loro, oppure possono essere impiegati dopo aver praticato piccole incisioni longitudinali ottenendo un prodotto denominato nastro fibrillato.

E’ infine importante sottolineare che l’impiego dei materiali sintetici per la costituzione delle fibre ha reso possibile l’utilizzazione di tecniche di filatura che consentono di ottenere una sempre più ampia gamma di prodotti dalle più diverse caratteristiche (es. è possibile estrudere due differenti polimeri in un’unica fibra ottenendo prodotti bicomponenti, oppure è possibile ottenere fibre costituite da una anima centrale di un determinato polimero rivestita da una guaina esterna di un altro polimero).

Processi manifatturieri

Il processo di produzione di un geotessile comprende tre stadi significativi:

  • la produzione del polimero con i suoi vari additivi;
  • la produzione dei componenti base;
  • la conversione di questi ultimi nel prodotto finito.

Delle tre fasi l’ultima è quella che incide maggiormente sulle proprietà meccaniche ed idrauliche del prodotto finito.

In base al metodo di assemblaggio delle fibre, i geotessili possono essere raggruppati in tre grandi famiglie:

  • geotessili tessuti,
  • geotessili nontessuti,
  • prodotti affini.



Questo articolo è pubblicato sulla rivista NT Nuovi Tessili , consulta il sommario.