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MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
CENTROINTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCAINDUSTRIALEPOLY-LAB
POLY-LABIl nuovo laboratorio dei polimeri
della Università di Bologna
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
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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
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
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1. SINTESI E MODIFICA
2. CARATTERIZZAZIONE MATERIALI E MANUFATTI
3. TECNOLOGIA E PROCESSI
4. DURABILITA’, AFFIDABILITA’ E CICLO DI VITA
OUTLINE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
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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]