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MECCANICA AVANZATA E MATERIALI CENTRO INTERDIPARTIMENTALE DI RICERCA INDUSTRIALE POLY-LAB POLY-LAB Il nuovo laboratorio dei polimeri della Università di Bologna

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MECCANICA AVANZATA E MATERIALI

CENTROINTERDIPARTIMENTALE

DI RICERCAINDUSTRIALEPOLY-LAB

POLY-LABIl nuovo laboratorio dei polimeri

della Università di Bologna

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MISSIONEPOLY‐LAB nasce dalla fusione dei principali centri di competenza sui polimeri e dell’ingegneria industriale dell’Università degli Studi di Bologna:

• per sviluppare la conoscenza e l’innovazione in un’area tecnologica particolarmente critica per la competitività dell’industria manifatturiera.

• per trasferire la conoscenza e la innovazione sui polimeri nei settori della produzione industriale e fornire nuove opportunità di cooperazione tra industria e ricerca.

• per promuovere l’integrazione industriale e la partecipazione a progetti di ricerca internazionali

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3

1. SINTESI E MODIFICA

2. CARATTERIZZAZIONE MATERIALI E MANUFATTI

3. TECNOLOGIA E PROCESSI

4. DURABILITA’, AFFIDABILITA’ E CICLO DI VITA

OUTLINE

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SINTESI E MODIFICA

1. Poliesteri aromatici e alifatici

2. Policarbonato

3. Monomeri e polimeri da fonti rinnovabili

4. Sintesi di copolimeri mediante miscelazione reattiva

5. Produzione di nanocompositi polimerici 

6. Funzionalizzazione di superfici mediante processo sol‐gel

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processi di policondensazione :

Poliesteri aromatici e alifatici

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processi di policondensazione :

Policarbonato

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Sintesi di monomeri e polimeri da fonti rinnovabili

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processi di miscelazione reattiva:

Copolimeri

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Produzione di nanocompositi polimerici per migliorare:

• le proprietà termo‐meccaniche

•le proprietà barriera

•le proprietà ottiche

•la resistenza alla fiamma.

Montmorillonite 

(argilla modificata)

esfoliataintercalata

Argilla dispersa (tattoidi)

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OOHO O

sol TiO2dip-coating

TiO2

FEP 200C                                                                           5 min, 80 °C3 min, 120/200 °C

Funzionalizzazione di superfici mediante processo sol‐gel:

coating ibridi organico‐inorganici

deposizione di ossidi metallici

nano‐strutturati trasparenti radio‐opachi

filtro‐UV

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CARATTERIZZAZIONE DI MATERIALI E MANUFATTI

1. Proprietà termiche

2. Proprietà elettriche

3. Proprietà meccaniche e viscoelastiche

4. Struttura e morfologia

5. Permeabilità a gas e vapori

6. Reologia

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Caratterizzazione proprietà termiche

CALORIMETRIA (DSC)DSC Q100 TA Instruments (‐180°C ÷ 500°C)

• Transizioni termiche (transizione vetrosa, cristallizzazione, fusione) • Grado di cristallinità• Cinetiche di cristallizzazione

• Energie di attivazione• Composizione sistemi multifase• Contenuto di carica

STABILITA’ TERMICA (TGA‐MS)Termogravimetria accoppiata a spettrometria di massa(in atmosfera inerte/ossidante)

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Proprietà elettriche in cc e ca:• permittività, fattore di perdita • conducibilità in bulk e di superficieCampo temperatura: ‐100 ÷ 300 °C, in aria, gas inerte e sotto vuoto 

• Processi di rilassamento molecolare

• Controllo dispersione• Cariche e nanocariche

Caratterizzazione proprietà elettriche

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Resil Impactor CEAST (P/N 6957)Prove di Resilienza strumentate fino a 50 J

Caratterizzazione proprietà meccaniche e viscoelastiche

Dinamometro Instron (trazione, flessione e compressione)(Celle dinamometriche 1 kN e 100 kN)• modulo elastico• sforzo e deformazione a snervamento e a rottura• tenacità

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‐ Rilassamenti viscoelastici‐ Prove di: 

‐ creep‐ stress‐relaxation‐ stress strain

‐ Costruzione master curves

Analizzatore dinamico meccanico (DMTA Q800, TA Instruments)(T: ‐150°C ÷ 600°C; frequenze: 0.01Hz ÷200Hz)

CompressioneTrazione

Flessione

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Caratterizzazione morfologica• Microscopia ottica in luce polarizzata con tavolino riscaldante (da

-20°C a 350°C)

• Microscopia ottica stereoscopica

• Microscopia elettronica a scansione e trasmissione (SEM, TEM)

• Microscopia a forza atomica (AFM, Nanoscope 3D )

Caratterizzazione strutturale e morfologica

Diffrattometria di raggi X ad alto angolo(temperatura da -150°C a 450°C)• Identificazione fasi cristalline

• Grado di cristallinità

• Orientazione dei cristalli (grado e tipo )

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Caratterizzazione della permeabilità a gas e vapori di materiali, film e coating  polimerici 

Misura della permeabilità ad O2 vs. composizione del coating (ASTM D1434)

Materiali cellulosici idrofili a diversa microstruttura per packaging

1 2

3 4

Materiale polimerico con coating ibrido organico‐inorganico per packaging

LDPE

Coating 

1

23

4

1

23

4

1

23

4Umidità assorbita

Umidità esterna

Permeabilità a ossigeno

Umidità esterna

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Modellazione processi di  trasporto di materia

Polimero con nanolamelle attraversato da Ossigeno

Profilo di concentrazione di gas con frazione di acqua assorbita 15% vol

Creazione domini acquosi pseudo‐random

Materiale polimerico idrofilo attraversato da Ossigeno

Profilo di concentrazione di ossigeno e permeabilità

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Modellazione processi produttivi

Cinetica di espansione in schiuma di polistirene

100 m 100 m 100 m

tempo

Fluidodinamica di filtro a membrana metallica per purificazione idrogeno

Simulaz. profilo di velocità miscela gas

Simulaz. profilo di concentrazione gas

tube side H2 fraction Red: =35%Blue: =0%

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Proprietà reologiche

Reometro Rotazionale Anton Paar

(-40°C - +200°C)• Gomme• Fusi polimerici• Soluzioni polimeriche

Soluzione elastomero-normal ottano

• Coatings e lubrificanti• Biofluidi• Cibi e bevande

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TECNOLOGIA E PROCESSI

1. Elettrofilatura

2. Estrusione

3. Processi di trasformazione

4. Saldatura laser

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APPLICAZIONI•Riparazione tessutale cutanea e rilascio controllato di principi attivi•Materiali conduttivi per impianti fotovoltaici •Materiali compositi •Energy‐storage•Filtrazione e depurazione acque

Elettrofilatura di fibre nanometriche

Macchina per la produzione su media scala di nanofibre elettrofilate

DC

FABBRICAZIONE DI MATERIALE NANOSTRUTTURATO(coating e/o autosupportato)

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Estrusione di materiali polimerici

Potenzialità:• Estrusione reattiva per la preparazione di nuovi materiali polimerici;

• Dispersione di additivi (ad es. tenacizzanti, plastificanti, fibre di rinforzo…) in matrici polimeriche;

• Preparazione di nanocompositi a matrice polimerica con fillers nanometrici (nanoclays, nanotubi  di carbonio, …)

Applicazioni:• Miglioramento proprietà meccaniche e barriera (5% nanoclay in PBT)• Materiali polimerici conduttivi e con proprietà di schermo di radiazione e.m. (EMI shielding);

• Miglioramento della resistenza alla fiamma (nanoclays o idrotalciti)

Micrografia TEM di PBT con 5% nanoclay

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Studio di processi di trasformazione

Es: Processo di Tubular Film Extrusion o Film Blowing 

Studio della instabilità di bolla

Mappa dell’instabilità in 

blends LDPE/LLDPE in funzione di shear 

rate e %LDPE 

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Tecnologie Laser per il trattamento e saldatura di materiali polimerici

Laser beam: Power, P : 75 -1500 WWavelength, : 1.064 nm

(PA, PET, PC, PP)

Defocused distance, fd 0 ~40 mm

Shielding gas: Ar (N2) 50 l/min

Plastics

Metals(Steels, Al and Ti alloys)

Welding speed, v7.5 – 60 mm/s Welding direction

Reinforced Plastics

(40% Fiber Glass, 30% Fiber Carbon)

Sono possibili le combinazioni:• Plastica ‐ Plastica• Metallo ‐ Plastica

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DURABILITA’, AFFIDABILITA’ E CICLO DI VITA

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‐Invecchiamento e affidabilità in condizioni di sollecitazioni semplici (termica, meccanica, elettrica e ambientale) e combinate: variazioni strutturali, microstrutturali  e delle proprietà

‐ Caratterizzazione statica, dinamica (fatica), creep e ad impatto di materiali e manufatti

Proprietà meccaniche vs invecchiamentoEs: Resistenza a trazione XLPE in aria

‐Modellazione di processi di invecchiamento indotti da condizioni ambientali e loro correlazione con le proprietà chimico‐fisiche (incluse termiche ed elettriche) e meccaniche

DURABILITA’, AFFIDABILITA’ E CICLO DI VITA

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Principali referenti

Prof. Luca Tomesani, [email protected]. Maria Stella Scandola, [email protected]. Antonio Motori, [email protected]. Ferruccio Doghieri, [email protected]