Introduzione alle nanotecnologie ed ai materiali ... - DiMaPla
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TINA<br />
Tecnologie Innovative<br />
per la realizzazione di<br />
NAnocompositi polimerici<br />
<strong>Introduzione</strong> <strong>alle</strong> <strong>nanotecnologie</strong> <strong>ed</strong><br />
<strong>ai</strong> <strong>materiali</strong> polimerici nanostrutturati<br />
Prof. Michele Modesti<br />
Progetto di ricerca industriale, sviluppo precompetitivo e trasferimento tecnologico cofinanziato<br />
dalla Regione Veneto con DGR n. 603 del 05/03/04, DOCUP Obiettivo Obietti vo 2, 2000 2000 2006 2006
III Priorità tematica:<br />
A.T.S. T.I.NA. T.I.NA .<br />
Sesto Programma Quadro di Ricerca e<br />
Sviluppo Tecnologico (2002- 2006)<br />
- Nanotecnologie e nanoscienze,<br />
- Materiali multifunzionali basati sulla conoscenza,<br />
- Nuovi processi e dispositivi di produzione.<br />
Budget assegnato: 1 . 429 milioni di Euro
(2007 – 2013)
NANOTECNOLOGIE: COSA SONO?<br />
Manipolazione della materia<br />
su scala nanometrica<br />
Le <strong>nanotecnologie</strong> interessano:<br />
- lo sviluppo di <strong>materiali</strong> funzionali,<br />
dispositivi e sistemi attraverso il<br />
controllo della materia a livello<br />
nanometrico (da 1 a 100 nm).<br />
- l‛esplorazione dei nuovi fenomeni e<br />
delle proprietà (fisiche, chimiche,<br />
biologiche, meccaniche, elettriche,<br />
ecc.) che si manifestano su scala<br />
nanometrica.
VANTAGGI<br />
Materiali compositi tradizionali a matrice polimerica<br />
MICROCOMPOSITI<br />
- Azione di rinforzo<br />
meccanico<br />
- Miglioramento del<br />
comportamento al fuoco<br />
- Riduzione dei costi<br />
SVANTAGGI:<br />
-Diminuzione - Diminuzione della resilienza<br />
-Diminuzione - Diminuzione dell‛allungamento<br />
-Aumento - Aumento di peso<br />
Rigidità, HDT<br />
Resilienza
Materiali compositi a matrice polimerica<br />
NANOCOMPOSITI<br />
Micro- Micro - particella Nano- Nano - particella<br />
Particelle<br />
Argille lamellari<br />
Nanotubi in carbonio
MIGLIORANO…<br />
1 . Proprietà Propriet à meccaniche (mod. elastico, carico massimo, resistenza all‛ all ‛urto, urto,<br />
ecc. );<br />
2. Proprietà Propriet à barriera <strong>ai</strong> gas;<br />
3. Stabilità Stabilit à termica e comportamento al fuoco;<br />
4. Proprietà Propriet à termiche (Vicat ( Vicat, , HDT);<br />
5. Proprietà Propriet à elettriche;<br />
Materiali compositi a matrice polimerica<br />
NANOCOMPOSITI<br />
6. Resistenza al graffio <strong>ed</strong> effetto autopulente;<br />
7. Ritiri finali dei manufatti stampati;
MIGLIORAMENTO delle PROPRIETA‛<br />
Elevato grado di INTERAZIONE matrice- matrice - carica<br />
E‛ necessario massimizzare il<br />
grado di DISPERSIONE della carica
Nanocompositi - GRADO DI DISPERSIONE<br />
Il grado di dispersione della carica dipende:<br />
1 . COMPATIBILITÀ polimerica<br />
tra carica e matrice<br />
2. PROCESSO di preparazione del nanocomposito
Nanocompositi - GRADO DI DISPERSIONE<br />
Tattoide<br />
Struttura intercalata<br />
Grado di DISPERSIONE<br />
Struttura esfoliata
Argille naturali: struttura
(sp. 1nm)<br />
Argille naturali: struttura
Argille naturali: organo modifica (OMLS)<br />
Argilla naturale<br />
Sostituzione<br />
degli ioni<br />
inorganici<br />
interlamellari<br />
con sali organici
Argille naturali: organo modifica (OMLS)<br />
POLIMERI APOLARI<br />
(es ( es. . : poliolefine)<br />
POLIMERI POLARI<br />
(es ( es. . : tecnopolimeri,<br />
tecnopolimeri ,<br />
nylon, PS)
POLIMERO<br />
<strong>Introduzione</strong> di<br />
gruppi funzionali<br />
polari<br />
(es ( es. . : anidride<br />
maleica)<br />
Funzionalizzazione del polimero
Struttura dei nanocompositi polimerici a base OMLS<br />
10 nm<br />
Tattoide Struttura esfoliata<br />
Situazione reale
Preparazione di nanocompositi a matrice polimerica<br />
Metodi in SOLUZIONE<br />
Intercalazione del FUSO<br />
POLIMERIZZAZIONE<br />
in situ<br />
INTERCALAZIONE<br />
VANTAGGI (RISPETTO AI METODI IN SOLUZIONE)<br />
•MINORI • MINORI COSTI<br />
•ALTA • ALTA PRODUTTIVITA‛<br />
PRODUTTIVITA ‛<br />
•COMPATIBILITA<br />
• COMPATIBILITA‛ ‛ CON LE ATTUALI<br />
TECNOLOGIE INDUSTRIALI
ESTRUSORE<br />
Intercalazione del fuso<br />
MONOVITE<br />
BIVITE<br />
CONTRO- CONTRO - ROTANTE<br />
CO- CO - ROTANTE<br />
Trasporto<br />
(scarsa miscelazione)<br />
Alta miscelazione
NANOCOMPOSITI – Proprietà meccaniche<br />
1 988 -<br />
- Presso i laboratori Toyota Central Research in Giappone, venne<br />
sintetizzato un Nylon 6 nanocomposito in seguito commercializzato commercializzat o dalla<br />
UBE Industries <strong>ed</strong> è attualmente utilizzato per la realizzazione della<br />
“timing belt cover” nei motori delle vetture Toyota. Toyota .
NANOCOMPOSITI – Proprietà barriera<br />
La presenza di particelle disperse<br />
costituisce un ostacolo per il<br />
trasferimento di gas durante la<br />
MICROCOMPOSITO<br />
diffusione<br />
NANOCOMPOSITO<br />
La presenza di particelle ben disperse induce quindi una notevole<br />
DIMINUZIONE di PERMEABILITA‛ AI GAS. GAS<br />
.
Proprietà barriera: applicazioni<br />
Films industriali<br />
Packaging<br />
ACTIVE PACKAGING<br />
Trasparenza<br />
Effetti superficiali “anti “ anti- - fogging” fogging ”<br />
Proprietà meccaniche<br />
Oxygen scavengers<br />
Assorbimento di umidità<br />
Rilascio di CO 2<br />
Azione antimicrobica
Nanocompositi polimerici: comportamento al fuoco<br />
Azione sinergica con i tradizionali ritardanti di fiamma<br />
agenti in fase gassosa: formazione di una barriera fisica<br />
alla trasmissione del calore <strong>ed</strong> al passaggio dei gas di<br />
pirolisi
Nanocompositi polimerici: comportamento al fuoco<br />
Senza<br />
organoclay<br />
Con<br />
organoclay<br />
Applicazioni settore elettrico:<br />
• R<strong>alle</strong>ntamento della combustione<br />
• Assenza di gocciolamento<br />
• Basse emissioni di agenti<br />
tossico- tossico - nocivi se utilizzati in<br />
combinazione con ritardanti di<br />
fiamma “halogen “ halogen free” free ”
Nanocompositi polimerici: proprietà elettriche<br />
isolante<br />
antistatico<br />
dissipante<br />
Antistatico con 20<br />
30 wt% di cariche<br />
tradizionali
Nanocompositi polimerici: proprietà elettriche<br />
20 % di carbon black<br />
EQUIVALE<br />
2 % di nanotubi
CONCLUSIONI<br />
1. Le <strong>nanotecnologie</strong> <strong>ed</strong> in particolare i <strong>materiali</strong><br />
polimerici nanostrutturati sembrano avere enormi<br />
potenzalità;<br />
2. Il numero di ricercatori impegnati <strong>ed</strong> i finanziamenti<br />
stanziati sono in continuo aumento;<br />
3. Al momento i risultati ottenuti sono ancora limitati ma<br />
si ritiene di avere un elevato pay-off entro 10-15 anni.