RosinWood: turning Kraft process by-products into value through a fully natural biocomposite for circular furniture

The current model of production and consumption has led to a constant increase in the amount of waste, generating increasingly complex environmental issues, especially with regard to the difficult treatment of certain types of waste. Among these, composite materials represent one of the most urgent challenges, as separating their constituent phases is complex, particularly when these phases do not share the same end-of-life pathway. Among the proposed solutions, the market and the literature suggest the adoption of biocomposite materials as a more sustainable alternative, although the most widespread ones consist of plant fibers dispersed in fossil-based or hybrid epoxy matrices, and are therefore only partially bio-based. The present research has identified natural resins as a potential resource for bio-based matrices, biodegradable polymers that can be obtained not only as spontaneous secretions from vegetable species, but also as by-products of industrial wood processing, for example from black liquor, a by-product of the Kraft process. From this, it is possible to obtain rosin, the solid component of pine resin. Thanks to its potential of exploitation as a by-product, its properties and its high compatibility with natural fibres, rosin is a valuable alternative matrix for biocomposites. The same Kraft process produces wood residues that can be used as natural reinforcement in biocomposites as flour. Within this context, the objective of the thesis is to develop a thermoplastic biocomposite that does not require complex processes, that is made of renewable and bio-based resources as much as possible, has good mechanical properties and low environmental impact, is integrated into a circular strategy in line with the principles of Green Chemistry, and is made from rosin as a matrix and wood flour as a reinforcement. The main value lies in the use of by-products derived from the same production chain, which can potentially be replicated in other cellulose or wood industries, promoting the transition to a circular economy. Market research was then conducted through case studies, which identified furniture as the application sector, making it possible to finalise the objectives and properties of the material to be developed in the experimental phase. The experimental phase then linked the identified objectives to the natural by-products selected and the adoption of mild chemical methods, in line with the principles of Green Chemistry. This led to the development of RosinWood, a biocomposite mainly made of rosin as matrix and wood flour as reinforcing filler. Drawing on the results of the experimentation, two concepts were developed for the target furniture sector. The first focuses on using the material to produce seat shells, exploiting its ability to be thermoformed on site to improve production and shipping. The second concerns a furniture repairing kit intended to extend the furniture’s life and preserve its aesthetic continuity. Future developments include integrating these products into circular production and distribution models to minimise their impact. For instance, in the case of seat shells, a production delocalisation model to make logistics more efficient, while in the case of repairing kits, the involvement of entities such as FabLabs. All this while promoting synergy between the various entities involved, including strategies to optimise RosinWood production. RosinWood demonstrates how the combination of rosin and wood flour is a solution for the development of circular biocomposite materials, capable of compatibilising the biocomposite phases for easy end-of-life management and promoting a circular economy through the valorisation of industrial by-products.

L’attuale modello di produzione e consumo ha determinato un costante aumento della quantità di rifiuti, generando problematiche ambientali sempre più complesse, soprattutto per quanto riguarda il difficile trattamento di alcuni di essi. Tra questi, i materiali compositi rappresentano una delle sfide più urgenti, in quanto separarne le fasi costituenti risulta complesso, soprattutto quando ad esse non corrisponde lo stesso fine vita. Tra le soluzioni, il mercato e la letteratura propongono l’adozione di materiali biocompositi come alternativa più sostenibile, anche se i più diffusi sono costituiti da fibre vegetali disperse in matrici epossidiche fossil-based o ibride e quindi solo parzialmente bio-based. La presente ricerca ha individuato come potenziale risorsa per matrici bio-based le resine naturali, polimeri biodegradabili ricavabili, oltre che come secrezioni spontanee delle specie vegetali, anche come sottoprodotti delle lavorazioni industriali del legno, ad esempio dal liquore nero, scarto del processo Kraft. Da questo è infatti possibile ricavare la rosin, ovvero la componente solida della resina di pino. Grazie al suo potenziale di valorizzazione come sottoprodotto, alle sue proprietà e all’elevata compatibilità con le fibre naturali, la rosin si propone come matrice alternativa di biocompositi. Dallo stesso processo Kraft derivano residui lignei che possono essere impiegati come rinforzo naturale nei biocompositi sottoforma di farina. All’interno di questo contesto si pone dunque l’obiettivo della tesi, ovvero sviluppare un biocomposito termoplastico che non necessiti di processi complessi, il più possibile composto da risorse rinnovabili e bio-based, con buone proprietà meccaniche e basso impatto ambientale, integrato in una strategia circolare in linea con i principi della Chimica Verde e realizzato a partire da rosin come matrice e farina di legno come rinforzo. Il principale valore risiede nella strategia di utilizzare sottoprodotti derivati dalla stessa catena produttiva, potenzialmente replicabile in altre industrie della cellulosa o del legno, favorendo la transizione verso un’economia circolare. È stata poi condotta una ricerca di mercato attraverso dei casi studio con cui è stato individuato l’arredamento come settore applicativo, da cui è stato possibile definire gli obiettivi e le proprietà del materiale da sviluppare nella fase sperimentale. Questa ha quindi legato agli obiettivi identificati i sottoprodotti naturali scelti e l’adozione di processi di chimica dolce, in linea con i principi della Chimica Verde. Nasce così RosinWood, un biocomposito composto prevalentemente da rosin come matrice e farina di legno come filler di rinforzo. Sulla base dei risultati ottenuti dalla sperimentazione, sono stati sviluppati due concept per il settore dell’arredamento identificato in precedenza. Il primo, riguarda l’applicazione del materiale per la realizzazione di scocche per sedute, valorizzandone la capacità di essere termoformato in loco per migliorare la produzione e il trasporto. Il secondo, riguarda la realizzazione di un kit di riparazione per mobili, che ne allunghi la vita e ne preservi la continuità estetica. Sviluppi futuri prevedono l’inserimento dei prodotti in modelli di produzione e distribuzione circolari che ne minimizzino l’impatto. Ad esempio, per il caso delle scocche, un modello di delocalizzazione della produzione per rendere efficiente la logistica mentre, per il caso del kit di riparazione, il coinvolgimento di realtà come quelle dei FabLab. Il tutto promuovendo una sinergia tra le diverse realtà in gioco, prevedendo anche strategie di ottimizzazione della produzione di RosinWood. RosinWood dimostra come la combinazione di rosin e farina di legno sia una soluzione per la realizzazione di materiali biocompositi circolari, capaci di compatibilizzare le fasi del biocomposito per una facile gestione del fine vita e di promuovere un’economia circolare attraverso la valorizzazione di by-products industriali.