Introduzione alle nanotecnologie ed ai materiali ... - DiMaPla

TINA
Tecnologie Innovative
per la realizzazione di
NAno­compositi polimerici
Introduzione alle nanotecnologie ed
ai materiali polimerici nanostrutturati
Prof. Michele Modesti
Progetto di ricerca industriale, sviluppo precompetitivo e trasferimento tecnologico cofinanziato
dalla Regione Veneto con DGR n. 603 del 05/03/04, DOCUP Obiettivo Obietti vo 2, 2000­ 2000 ­2006 2006

III Priorità tematica:
A.T.S. T.I.NA. T.I.NA .
Sesto Programma Quadro di Ricerca e
Sviluppo Tecnologico (2002- 2006)
- Nanotecnologie e nanoscienze,
- Materiali multifunzionali basati sulla conoscenza,
- Nuovi processi e dispositivi di produzione.
Budget assegnato: 1 . 429 milioni di Euro

(2007 – 2013)

NANOTECNOLOGIE: COSA SONO?
Manipolazione della materia
su scala nanometrica
Le nanotecnologie interessano:
- lo sviluppo di materiali funzionali,
dispositivi e sistemi attraverso il
controllo della materia a livello
nanometrico (da 1 a 100 nm).
- l‛esplorazione dei nuovi fenomeni e
delle proprietà (fisiche, chimiche,
biologiche, meccaniche, elettriche,
ecc.) che si manifestano su scala
nanometrica.

VANTAGGI
Materiali compositi tradizionali a matrice polimerica
MICROCOMPOSITI
- Azione di rinforzo
meccanico
- Miglioramento del
comportamento al fuoco
- Riduzione dei costi
SVANTAGGI:
-Diminuzione - Diminuzione della resilienza
-Diminuzione - Diminuzione dell‛allungamento
-Aumento - Aumento di peso
Rigidità, HDT
Resilienza

Materiali compositi a matrice polimerica
NANOCOMPOSITI
Micro- Micro - particella Nano- Nano - particella
Particelle
Argille lamellari
Nanotubi in carbonio

MIGLIORANO…
1 . Proprietà Propriet à meccaniche (mod. elastico, carico massimo, resistenza all‛ all ‛urto, urto,
ecc. );
2. Proprietà Propriet à barriera ai gas;
3. Stabilità Stabilit à termica e comportamento al fuoco;
4. Proprietà Propriet à termiche (Vicat ( Vicat, , HDT);
5. Proprietà Propriet à elettriche;
Materiali compositi a matrice polimerica
NANOCOMPOSITI
6. Resistenza al graffio ed effetto autopulente;
7. Ritiri finali dei manufatti stampati;

MIGLIORAMENTO delle PROPRIETA‛
Elevato grado di INTERAZIONE matrice- matrice - carica
E‛ necessario massimizzare il
grado di DISPERSIONE della carica

Nanocompositi - GRADO DI DISPERSIONE
Il grado di dispersione della carica dipende:
1 . COMPATIBILITÀ polimerica
tra carica e matrice
2. PROCESSO di preparazione del nanocomposito

Nanocompositi - GRADO DI DISPERSIONE
Tattoide
Struttura intercalata
Grado di DISPERSIONE
Struttura esfoliata

Argille naturali: struttura

(sp. 1nm)
Argille naturali: struttura

Argille naturali: organo modifica (OMLS)
Argilla naturale
Sostituzione
degli ioni
inorganici
interlamellari
con sali organici

Argille naturali: organo modifica (OMLS)
POLIMERI APOLARI
(es ( es. . : poliolefine)
POLIMERI POLARI
(es ( es. . : tecnopolimeri,
tecnopolimeri ,
nylon, PS)

POLIMERO
Introduzione di
gruppi funzionali
polari
(es ( es. . : anidride
maleica)
Funzionalizzazione del polimero

Struttura dei nanocompositi polimerici a base OMLS
10 nm
Tattoide Struttura esfoliata
Situazione reale

Preparazione di nanocompositi a matrice polimerica
Metodi in SOLUZIONE
Intercalazione del FUSO
POLIMERIZZAZIONE
in situ
INTERCALAZIONE
VANTAGGI (RISPETTO AI METODI IN SOLUZIONE)
•MINORI • MINORI COSTI
•ALTA • ALTA PRODUTTIVITA‛
PRODUTTIVITA ‛
•COMPATIBILITA
• COMPATIBILITA‛ ‛ CON LE ATTUALI
TECNOLOGIE INDUSTRIALI

ESTRUSORE
Intercalazione del fuso
MONOVITE
BIVITE
CONTRO- CONTRO - ROTANTE
CO- CO - ROTANTE
Trasporto
(scarsa miscelazione)
Alta miscelazione

NANOCOMPOSITI – Proprietà meccaniche
1 988 -
- Presso i laboratori Toyota Central Research in Giappone, venne
sintetizzato un Nylon 6 nanocomposito in seguito commercializzato commercializzat o dalla
UBE Industries ed è attualmente utilizzato per la realizzazione della
“timing belt cover” nei motori delle vetture Toyota. Toyota .

NANOCOMPOSITI – Proprietà barriera
La presenza di particelle disperse
costituisce un ostacolo per il
trasferimento di gas durante la
MICROCOMPOSITO
diffusione
NANOCOMPOSITO
La presenza di particelle ben disperse induce quindi una notevole
DIMINUZIONE di PERMEABILITA‛ AI GAS. GAS
.

Proprietà barriera: applicazioni
Films industriali
Packaging
ACTIVE PACKAGING
Trasparenza
Effetti superficiali “anti “ anti- - fogging” fogging ”
Proprietà meccaniche
Oxygen scavengers
Assorbimento di umidità
Rilascio di CO 2
Azione antimicrobica

Nanocompositi polimerici: comportamento al fuoco
Azione sinergica con i tradizionali ritardanti di fiamma
agenti in fase gassosa: formazione di una barriera fisica
alla trasmissione del calore ed al passaggio dei gas di
pirolisi

Nanocompositi polimerici: comportamento al fuoco
Senza
organoclay
Con
organoclay
Applicazioni settore elettrico:
• Rallentamento della combustione
• Assenza di gocciolamento
• Basse emissioni di agenti
tossico- tossico - nocivi se utilizzati in
combinazione con ritardanti di
fiamma “halogen “ halogen free” free ”

Nanocompositi polimerici: proprietà elettriche
isolante
antistatico
dissipante
Antistatico con 20­
30 wt% di cariche
tradizionali

Nanocompositi polimerici: proprietà elettriche
20 % di carbon black
EQUIVALE
2 % di nanotubi

CONCLUSIONI
1. Le nanotecnologie ed in particolare i materiali
polimerici nanostrutturati sembrano avere enormi
potenzalità;
2. Il numero di ricercatori impegnati ed i finanziamenti
stanziati sono in continuo aumento;
3. Al momento i risultati ottenuti sono ancora limitati ma
si ritiene di avere un elevato pay-off entro 10-15 anni.