Preparazione e caratterizzazione di nanocompositi a base di materiali polimerici biodegradabili

Il progetto di ricerca si propone come naturale prosecuzione del progetto PRIN2007 (2007HPJ2WX_002) positivamente valutato ma non finanziato. Scopo principale del progetto è la preparazione di materiali nanocompositi a matrice polimerica biodegradabile tramite lavorazione di matrici termoplastiche e nanocariche nel fuso adoperando apparecchiatura convenzionali di trasformazione e formatura e avendo come obiettivo la determinazione delle relazioni proprietà-struttura-morfologia-lavorazione. Sia i materiali che il tipo di processo attraggono l'interesse sia da un punto di vista scientifico sia per le potenziali applicazioni industriali in settori come l'agricoluta, gli imballaggi e vari dispositivi biomedicali. Le attività di ricerca previste per il primo hanno comprendono la selezione e la caratterizzazione delle matrici biodegradabili e delle nanoparticelle. Le matrici biodegradabili si individueranno tra poliesteri biodegradabili come ad esempio omo e copolimeri di L-lattide, D-lattide, L-D lattide ma anche con altri sistemi polimerici biodegradabili contenenti frazioni di amido come ad esempio il MaterBi. Tali materiali offrono, in prospettiva, il maggiore sviluppo in termini di applicazioni e di volumi. Per quanto riguarda le nanocariche, si investigheranno gli effetti di particelle nanostrutturate in una (lamelle), due (nanofibre, nanotubi) o tutte e tre le dimensioni (nanoparticelle propriamente dette). Relativamente alla prima categoria si investigheranno compositi contenenti argille lamellari (montmorillonite, hectorite) eventualmente modificate con sali organici per migliorare la compatibilità con la matrice. Altre nanocariche lamellari oggetto del presente lavoro sarà anche il grafene, eventualmente in versione modificata/ossidata. Si utilizzeranno anche nanofibre di carbonio e nanoparticelle di carbonato di calcio e nerofumo per completare il quadro relativo all'effetto della forma e della tipologia di nanocariche sui materiali finali. Per tutte le nanocariche si potrà prevedere uno stadio di modifica in soluzione o in assenza di solvente (ad esempio tramite raggi UV o plasma) per introdurre specifici gruppi funzionali atti a migliorare la compatibilità con la matrice promuovendo l'adesione con essa. Si adotteranno diverse modalità di processo. Le indagini preliminari saranno effettuate su piccole quantità utilizzando miscelatori discontinui per poi trasferire il processo su apparecchiature di tipo industriale quali estrusori mono e bivite, co e controrotanti. In questa fase, si esploreranno gli effetti della variazione delle variabili di processo (temperatura, velocità, concentrazione, essiccamento, modalità di alimentazione) sulle proprietà dei materiali. Su tutti i materiali nanocompositi si effettueranno prove di caratterizzazione volte alla determinazione delle proprietà meccaniche (trazione, flessione), termomeccaniche (prove dinamico.-meccaniche, temperatura di distorsione termica), morfologiche (microscopia elettronica a scansione e a trasmissione, diffrattometria a raggi X), reologiche (reometro rotazionale e a capillare; flusso di taglio ed elongazionale), calorimetriche (calorimetria differenziale a scansione, termogravimetria)e barriera (tramite gas-permeabilimetro). Ove necessario, le nanocariche saranno caratterizzate con metodi spettroscopici (spettroscopia infrarossa, Raman) e morfologiche con le stesse modalità sopra riportate. Al termine dello studio, sarà possibile ottenere una completa mappatura delle proprietà dei materiali ottenuti, conoscendo l'influenza della matrice polimerica adottata, del tipo di nanocarica aggiunta e delle eventuali modifiche o additivazioni introdotte. In particolare, scopo ultimo del lavoro di ricerca è quello di orientare la scelta della diverse coppie polimero biodegradabile/nanocarica verso applicazioni specifiche per le proprietà che presentano e quindi verso la filatura, filmatura, stampaggio ad inienzione, trafilatura.