Andrea Dorigato

In questo lavoro di tesi verranno considerate diverse tipologie di polimeri bio-based (possibilmente biodegradabili) da utilizzare come matrici per lo sviluppo di compositi polimerici innovativi ed eco-sostenibili a base di nanochitina, per applicazioni nel settore del packaging. All’ottimizzazione dei materiali, dei processi produttivi e delle formulazioni seguirà un’estesa caratterizzazione morfologica e termo-meccanica.

I materiali piezoelettrici, convertendo sforzi o deformazioni meccaniche in energia elettrica, sono dei validi candidati per lo sviluppo di nuovi attuatori, dispositivi per lo stoccaggio di energia e devices medici. Il progetto di tesi proposto sarà quindi incentrato sullo sviluppo di nanocompositi polimerici eco-sostenibili e multifunzionali, dotati di elevate proprietà piezoelettriche, da utilizzare nel campo dell’energy harvesting (attuatori e dispositivi per la conversione e lo stoccaggio energetico). All’ottimizzazione del processo di sintesi dei nanofillers ceramici seguirà un’approfondita caratterizzazione strutturale e microstrutturale. I nanofillers saranno quindi introdotti in diverse matrici polimeriche bio-based e/o biodegradabili, con proprietà adatte all’applicazione in esame, aggiungendo agenti compatibilizzanti per favorire la dispersione delle nanocariche. I campioni per le analisi verranno prodotti tramite tecnologie net-shape a basso impatto ambientale (es. additive manufacturing). Alla determinazione delle proprietà microstrutturali e termo-meccaniche dei nanocompositi preparati seguirà un'estesa caratterizzazione elettrica e piezoelettrica, per valutarne l'idoneità in applicazioni di energy harvesting.

Attualmente il condizionamento estivo è responsabile di oltre il 25% del consumo totale di elettricità nel mondo, e si prevede che questa cifra aumenterà ulteriormente nel prossimo decennio. L'effetto barocalorico (BCE) appartiene alle tecnologie frigorifere a stato solido emergenti. La natura a stato solido dei refrigeranti evita il rilascio accidentale di refrigeranti nell'atmosfera, a differenza di quanto accade con i sistemi tradizionali a compressione di vapore. Pertanto, l’obiettivo di questo progetto di tesi è sviluppare nuovi compositi polimerici per applicazioni barocaloriche, dotati di elevata versatilità, alta resistenza a fatica, elevata efficienza e rapido trasferimento di calore durante il ciclo termo-meccanico.

In questo progetto di tesi verrà considerata la possibilità di sviluppare schiume polimeriche sintetiche (es. poliuretano, resina fenolica) ad elevato isolamento termico e ridotto impatto ambientale, utilizzando materiale isolante di riciclo, al fine di ridurre l’impatto ambientale alla produzione degli isolanti. I materiali verranno miscelati in fase di produzione, verranno definite le formulazioni e le condizioni di processo ottimali. I campioni risultanti verranno caratterizzati in maniera completa dal punto di vista morfologico e termo-meccanico.

All'interno di questo progetto di tesi verrà sviluppato un innovativo rivestimento per il suolo (top soil cover), basato su un bio-composito biodegradabile con proprietà di regolazione dell'acqua. Questo materiale multifunzionale dovrebbe controllare l'assorbimento dell’acqua piovana ed il tasso di evaporazione del terreno, al fine di ridurre l'erosione e il dilavamento dei nutrienti. Questo rivestimento consentirà nuovi metodi di semina per espandere le foreste e contribuirà a piantare alberi giovani su siti sfavorevoli (ad esempio in regioni aride). Il top soil cover prodotto verrà quindi caratterizzato dal punto di vista fisico, meccanico e chimico. Sarà inoltre eseguito uno studio LCA per valutarne l'impatto ambientale dell’innvazione introdotta.

E’ stato dimostrato come l’introduzione di nanocariche conduttive all’interno di polimeri fibrorinforzati permetta il monitoraggio elettrico della salute strutturale e dello stress nei materiali prodotti. Inoltre l’utilizzo di matrici polimeriche con temperatura di fusione relativamente bassa in abbinamento a matrici polimeriche per compositi strutturali può consentire la riparazione del danno all’interno del materiale per effetto termico. L’idea del presente lavoro è quella di sviluppare dei sistemi compositi in grado di monitorare il danno per via elettrica ed in grado di auto-ripararsi per effetto Joule grazie all’introduzione di nanocariche elettricamente conduttive. Saranno prese in considerazione diverse matrici polimeriche (biodegradabili e non) e diverse nanocariche carboniose.

L’attività verrà svolta all’interno del progetto europeo NORUBTREET_4_LIFE. Il lavoro di tesi intende affrontare la sfida posta dal regolamento UE che vieta l'uso di pneumatici usati come materie prime secondarie nella produzione di aree giochi per bambini e campi sportivi, poiché rilasciano idrocarburi policiclici aromatici (IPA), sostanze dimostrate pericolose per la salute umana e per l'ambiente. Una soluzione efficace a questo problema comporta la progettazione di un processo di riciclaggio a ciclo chiuso per pneumatici usati, cioè produrre pneumatici da pneumatici. Questo mitigerebbe l'impatto delle restrizioni sopra citate introdotte dai nuovi regolamenti dell'UE nella gestione a fine vita degli pneumatici usati. In queste nuove miscele di gomma si raggiungerà un contenuto zero di IPA. Questo creerà le condizioni per l'eliminazione ab initio dell'impatto degli IPA, non solo nella fase di riciclaggio degli pneumatici, ma anche durante la vita primaria, con ovvie conseguenze positive sulla salute e sull'ambiente. Si intende inoltre esplorare la fattibilità dell'eliminazione degli IPA dai materiali in gomma ottenuti dagli pneumatici usati progettando un idoneo processo di riciclaggio, durante il quale le sostanze contenenti IPA verranno eliminate, pur fornendo materiali in gomma completamente conformi alle prestazioni specifiche richieste e alla legislazione esistente. Questi materiali privi di IPA verranno testati e convalidati, sia per quanto riguarda le loro proprietà funzionali che il loro comportamento di emissione. 

I poliesteri furanoati rappresentano un’alternativa innovativa e sostenibile ai tradizionali polimeri da fonte petrolchimica. In questo lavoro di tesi verranno utilizzate diverse tipologie di furanoati per la produzione tramite un processo di elettrofilatura di tessuti non tessuti (TNT), da impiegare in due settori cruciali per lo sviluppo della società moderna, cioè la produzione di patch transdermiche a rilascio di farmaco, da applicare nel settore biomedico, e la realizzazione di membrane separatrici porose per batterie al litio. I materiali saranno quindi processati tramite elettrofilatura, ottimizzando le condizioni di processo in funzione dell’applicazione prevista. Le reti sviluppate saranno quindi soggette ad un’approfondita caratterizzazione microstrutturale, chimica e termo-meccanica, e le formulazioni più promettenti saranno in seguito soggette ad un’estesa campagna di validazione tecnologica, per determinare il potenziale tecnico-economico dell’innovazione introdotta. 

Il lavoro verrà svolto in parte presso lo stabilimento SETA Polymers Srl (Fontanive, PD) ed in parte presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale di UNITN. L’attività di tesi consisterà nella preparazione di nuovi compound polimerici, da utilizzare nel settore calzature, miscelando tre diverse tipologie di matrici polimeriche (TPU, EVA e PE), utilizzando materiale derivante da riciclo. I materiali verranno lavorati secondo le tecnologie di lavorazione dei materiali espansi. La prima parte del lavoro consisterà nell’individuazione delle formulazioni più promettenti per le miscele espanse, che verranno in seguito caratterizzate dal punto di vista morfologico e termo-meccanico.

Il lavoro verrà svolto nel contesto del progetto GENTEXT (towards a new generation of eco-sustainable multifunctional textiles), finanziato dal programma PRIN 2022. L'obiettivo del lavoro di tesi è sviluppare una nuova generazione di fibre tessili completamente biobased, realizzate con polimeri biobased modificati con nuovi additivi biobased, in grado di conferire proprietà funzionali (come stabilità UV, attività antiossidante e antimicrobica) ed una buona lavorabilità alle fibre prodotte. Polimeri biobased con diversi livelli di innovazione (acido polilattico, poliidrossialcanoati e succinato di polibutilene) ed additivi biobased appositamente realizzati, preparati a partire da risorse rinnovabili e senza l'uso di sostanze nocive, saranno prodotti per melt compounding. Le formulazioni più promettenti saranno quindi filate e completamente caratterizzate, prestando attenzione alle proprietà funzionali e definendo la loro idoneità in diversi campi tessili. Il vantaggio ambientale di questa innovazione sarà valutato attraverso l'Analisi del Ciclo di Vita (LCA).