INSTM - Consorzio Interuniversitario Nazionale per la Scienza e Tecnologia dei Materiali

CONSORZIO INTERUNIVERSITARIO NAZIONALE
PER LA SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI

Centro di Riferimento INSTM:
Laboratorio di Nanocompositi e Ibridi Polimerici Multifunzionali - NIPLAB


Coordinatore del Centro

Coordinatore: Jose M. Kenny
E-mail: kenny@unipg.it
Qualifica: Prof. Straordinario
Categoria di afferenza: B
Sezione: 6. Materiali polimerici funzionali e strutturali
Unità di Ricerca: Perugia
Università o Ente: Università  di Perugia
Dipartimento: Dip. di Ingegneria Civile ed Ambientale
Telefono: 0744-492939
Fax: 0744-492925

 


Ricercatore INSTM del Centro

Ricercatore: Ilaria Armentano
E-mail: ilaria.armentano@unipg.it
Qualifica: Assegnista
Categoria di afferenza: A
Sezione: 4.Salute e alimentazione
Unità di Ricerca: Perugia
Università o Ente: Università di Perugia
Dipartimento: UniPG - Dip. Ingegneria Civile e Ambientale
Telefono: 0744-492914
Fax: 0744-492950

 


Ricercatore INSTM del Centro

Ricercatore: Laura Ricco
E-mail: ricco@chimica.unige.it
Qualifica: Ricercatore INSTM
Categoria di afferenza: A
Sezione: 6
Unità di Ricerca: Genova
Università o Ente: Università di Genova
Dipartimento: Dip. di Chimica e Chimica Industriale
Telefono: 010-3538722
Fax: 010-3536198

 


Altre Unità di Ricerca partecipanti al Centro di Riferimento

Università di Perugia Dip. di Ingegneria Civile ed Ambientale
Università di Trento Dip. di Ingegneria dei Materiali e Tecnologie Industriali
Università di Genova Dip. di Chimica e Chimica Industriale
Università di Brescia Dip. di Chimica Fisica per l
Università di Modena e Reggio Emilia Dip. di Ingegneria dei Materiali e dell
Politecnico di Torino Dip. di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica - Centro di Cultura per le Materie Plastiche

 


Obiettivi del Centro di Riferimento

Il centro di riferimento, organizzato come rete di sei unità di ricerca dislocate sul territorio nazionale, si propone molteplici obiettivi che sono focalizzati principalmente sulle varie classi dei materiali compositi e ibridi per applicazioni strutturali e funzionali. La ricerca, infatti, sarà suddivisa sulle seguenti aree principali: i materiali compositi strutturali tradizionali, i nanocompositi a matrice polimerica e lo sviluppo e la caratterizzazione di nanorinforzi a base carbonio nell'ottica di un loro utilizzo come applicazioni strutturali e funzionali per nanocompositi avanzati, i materiali ibridi (polimero-polimero o di altra natura) per applicazioni funzionali o speciali.
Per quanto riguarda i compositi strutturali tradizionali, il principale obiettivo è di approfondire ed allargare le conoscenze sui tali materiali, tramite la loro caratterizzazione e lo sviluppo e l'aggiornamento di modelli in grado di rappresentare l'evoluzione delle principali proprietà durante la lavorazione. Il raggiungimento di quest'obiettivo permetterà la creazione di una metodologia globale di progettazione del materiale composito che, partendo dalle proprietà dei costituenti, possa provvedere a una completa caratterizzazione dei materiali e fornisca dati fondamentali sulla tecnologia da utilizzare per la produzione di manufatti. Lo sviluppo di una tale metodologia permetterà l'estensione delle conoscenze acquisite per le matrici classiche termoplastiche e termoindurenti a nuovi sistemi con differenti caratteristiche.
Per quanto riguarda le matrici termoindurenti, saranno caratterizzati e studiati sistemi dotati di una superiore resistenza alla fiamma ottenuta tramite l'aggiunta di additivi funzionali organici al posto di riempimenti inorganici che fanno diminuire le proprietà meccaniche delle matrici. Per quanto riguarda invece le matrici termoplastiche si perseguiranno due obiettivi: uno sarà relativo ai nuovi sistemi termoplastici resistenti ad elevate temperature; tali polimeri di recente sviluppo uniscono alle ottime proprietà termiche, intrinseche difficoltà di lavorazione dovute alle elevate viscosità ed alla cristallinità. Anche per questo tipo di matrici sarà necessario un accurato studio dei principali fenomeni termo-fisici che accadono durante la lavorazione al fine di migliorare la lavorazione stessa. Un altro obiettivo sarà orientato al miglioramento delle proprietà meccaniche e di lavorazione di matrici termoplastiche comuni, tramite la miscelazione con altri polimeri e/o elastomeri.
L'esperienza acquisita dal gruppo dell'UdR di Perugia, in oltre 15 anni di lavoro su tali tematiche, sarà trasferita allo studio dei materiali nanostrutturati. Per tali materiali, infatti, ci si propone di sviluppare modelli cinetici e chemoreologici in grado di prevedere l'evoluzione della viscosità, del grado di reazione e d'altri parametri che assumono importanza durante la lavorazione. Ci si propone di sviluppare e caratterizzare nuovi materiali nanocompositi che possano essere applicati ed utilizzati quali materiali strutturali e funzionali.
Il raggiungimento di tali scopi sarà perseguito tramite un grande utilizzo di tecniche sperimentali, in primo luogo l'analisi termica con tecniche di calorimetria tradizionale sarà utilizzata per valutare tutti fenomeni termocinetici che accompagnano la produzione dei materiali studiati. Data la similitudine delle matrici utilizzate per i compositi tradizionali e quelle dei nanocompositi, saranno valutati gli effetti della presenza di un rinforzo nanometrico sul comportamento termocinetico delle matrici. Le modifiche sostanziali ai modelli di comportamento saranno analizzate al fine di sviluppare, come per i compositi tradizionali, tecniche di preparazione e d'analisi dei nanocompositi. Tecniche termogravimetriche (TGA) verranno utilizzate ai fini di studiare la durabilità di tali materiali e di valutare l'effetto di temperature elevate sui medesimi, cosi come tecniche dilatometriche e dielettriche saranno utilizzate per comprendere e simulare le principali fasi che avvengono durante la preparazione e la lavorazione dei nanocompositi come ad esempio il processo di intercalazione e di esfoliazione. Tali tecniche saranno prese in considerazione anche per la caratterizzazione dei materiali compositi tradizionali al fine di sviluppare tecniche migliorate per il monitoraggio della lavorazione, e fornire strumenti per sviluppare e progettare nuove tecnologie di produzione. Un ampio studio reologico sarà inoltre eseguito per mettere in relazione le proprietà di scorrimento e di flusso delle matrici polimeriche con la loro lavorazione, con l'evoluzione del grado di reazione per le resine termoindurenti o con la cristallinità per le resine termoplastiche.
Un particolare settore di ricerca che verrà sviluppato riguarda i materiali ibridi per applicazioni biomedicali, con attenzione verso sistemi nanostrutturati, in grado di promuovere volute risposte biologiche, o anche bio-ibridi.
Le relazioni lavorazione-struttura-proprietà saranno nell'arco della durata del progetto uno dei principali prodotti della ricerca per tutti i materiali studiati, in quando esse rappresentano la chiave per l'applicazione e la diffusione dei materiali compositi e ibridi.
Gli obiettivi scientifici della presente proposta progettuale, possono essere individuati in due aree principali di ricerca, relative alla fabbricazione e caratterizzazione di nanocompositi strutturali e allo sviluppo di metodologie per applicazioni funzionali. Le ricerche saranno coordinate dall'UdR di Perugia in collaborazione con le altre unità di ricerca aderenti al centro con i seguenti obiettivi scientifici e relativi risultati attesi.
Obiettivo 1. Nanocompositi polimerici e ibridi per applicazioni strutturali.
Questo obiettivo si propone di sviluppare, caratterizzare e valutare processi e tecnologie per materiali compositi strutturali tradizionali e, parallelamente, sviluppare nuovi materiali nanostrutturati, modellarne il comportamento e, tramite una caratterizzazione chimico fisica e reologica dei materiali, porre le basi per il controllo, la simulazione ed il monitoraggio dei relativi processi di produzione.
Per quanto riguarda tale obiettivo sarà anche opportuno eseguire lo studio del comportamento meccanico dei materiali in oggetto, con particolare riferimento a:
- comportamento a piccole e grandi deformazioni;
- resistenza a frattura;
- viscoelasticità;
- comportamento dinamico.
Inoltre la comprensione dei meccanismi deformazionali responsabili del comportamento meccanico complessivo e la loro dipendenza dalle caratteristiche strutturali del materiale giocherà un ruolo fondamentale per lo sviluppo dei medesimi ai fini delle loro applicazioni strutturali.
Obiettivo 2. Nanocompositi polimerici e ibridi per applicazioni funzionali.
Questo obiettivo si propone lo sviluppo di concetti innovatori per la sintesi di nuovi strutture ibride, la produzione e lo studio di nanostrutture ordinate e superfici sensibili con specifiche multi-funzionalità e, infine, l'utilizzo per potenziali applicazioni (ad esempio biomedicali). Nello specifico il programma di ricerca si svilupperà nel campo delle nanostrutture funzionali e dell'ingegneria di superficie per la formazione delle strutture ibride complesse e funzionali in film sottili e sulle superfici di nanotubi di carbonio (CNTs). L'obiettivo ultimo consisterà quindi nella capacità di controllare la disposizione e le interazioni su nanoscala tramite interazioni funzionali. Nello specifico gli obiettivi previsti sono la produzione di nanotubi, mediante le tecniche di Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition, la sintesi di polimeri conduttori, lo sviluppo di tecnologie di funzionalizzazione non covalente di CNTs, lo studio delle interazioni tra biopolimeri e nanotubi e lo sviluppo di dispositivi optoelettronici nanometrici.
Tra gli argomenti di ricerca, verranno anche studiati sistemi nanostrutturati ed ibridi con specifiche attività biologiche, per applicazioni nel settore biomedicale, in grado di promuovere risposte progettate sulla base delle caratteristiche morfologico-strutturali dei materiali proposti.
Risultati attesi 1.1. Ottimizzazione di una metodica per la produzione dei CNTs basata sulla tecnica PECVD.
Risultati attesi 1.2. Sviluppo di metodologie di funzionalizzazione covalente e/o non di CNTs.
Risultati attesi 1.3. Studio delle interazioni all'interfaccia CNTs/organico.
Risultati attesi 1.4. Sviluppo di dispositivi e/o sensori nanometrici ibridi.
Risultati attesi 1.5: Sintesi di polimeri coniugati.
Risultati attesi 1.6: Studio delle cinetiche di reazione allo stato solido.
Risultati attesi 1.7: Sviluppo di sistemi ibridi per applicazioni biomedicali

 


Offerta del Centro all'industria

Il Centro di Riferimento svolgerà attività di orientamento e formazione al fine di creare profili professionali specializzati negli ambiti tecnico-scientifici di interesse per le finalità del Centro di Riferimento e, in secondo ordine, per orientare opportuni profili professionali alle attività di trasferimento di conoscenze e tecnologie.
L'attività di formazione verrà sostenuta dal Centro attraverso le seguenti tipologie di intervento:
1. progettazione e realizzazione di piani di formazione indirizzati specificamente al settore dei materiali innovativi, in collaborazione con esperti del settore a livello nazionale e internazionale;
2. sviluppo di percorsi formativi per giovani laureati e ricercatori con lo scopo di creare profili professionali che siano in grado di trasferire tecnologie dei materiali innovativi in applicazioni industriali.
L'obiettivo finale consiste nel trasmettere competenze di esperti a giovani interessati ad operare nel campo della Scienza e dell'Ingegneria dei Materiali, rendendoli in grado di: conoscere le tematiche di base sui materiali strutturali avanzati; definire i requisiti tecnologici con particolare riferimento alle proprietà microscopiche e nanostrutturali; partecipare alla progettazione e realizzazione di materiali strutturali avanzati; seguire le attività di integrazione, caratterizzazione e test; conoscere adeguatamente il sistema di regole sviluppato per il controllo di qualita'; prendere parte al trasferimento di tecnologie ad imprese produttive.
Ulteriori e più dettagliati compiti educativi potranno venire individuati, in relazione a particolari esigenze che possano venire in luce in futuro.
Il Centro fornirà inoltre collaborazione a progetti industriali che richiedano l'uso di materiali ibridi e nanostrutturati, con l'identificazione di prodotti e processi innovativi, per aree applicative diverse. Tra queste, le possibili aree di collaborazione industriale riguardano l'industria automobilistica, l'industria aereonatica, il settore dell'energia, l'industria biomedicale.

 


Dotazione strumentale

Descrizione strumentazione
Cono calorimetro
DSC Q1000 TA Instruments
Estrusore Leistritz ZSE18 corotante completo di dosatori
Estrusore Leistritz ZSE27 corotante completo di dosatori
Gas Cromatografo GC Autosystem XL Perkin Elmer con pirolizzatore e rivelatori: Spettrometro di massa e FID
Miscelatore interno Brabender
Pressa a compressione
Pressa a iniezione ARBURG da 50 tonnellate
Pressa a iniezione DEMAG 100 tonnellate
Reometro capillare
Sistema TGA/FTIR Pyris 1-Spectrum GX Perkin Elmer
Spettrofotometro UV-vis Lambda 40 Perkin Elmer con sfera di integrazione
TGA Q500 TA Instruments
Apparato per prove dinamico-meccaniche (DMTA), Polymer Lab. Ltd (UK)
Dinamometro Instron 3360
DSC modulato, TA Instruments Q100
Reometro capillare, Ceast Rheologic 5000
Apparato per cromatografia ad esclusione sterica SEC
Estrusore monovite
Pendolo per prove di impatto strumentate, Ceast
Calorimetro differenziale a scansione
Microscopio Elettronico a Scansione con Microsonda a Raggi X
Microscopio Elettronico a Trasmissione
Spettrometro FT-IR BRUKER IFS 66 ed accessori, celle termostatate per misure in trasmissione
FT-NMR Brucker Avance DPX200
Microscopio AFM Park Autoprobe
Microscopio SEM Philips XL-30
Microscopio TEM Philips JEM 2010
Calorimetro differenziale a scansione TA DSC 2010
Estrusore bivite Haake
FT-IR Thermo Nicolet Avatar 330
HPLC/GPC Waters 1515 (con detector UV Waters 1487 e RI Waters 2410)
Mescolatore interno Haake
Strumento per la misura dell'angolo di contatto Data Physics OCA20
Viscosimetro piatto-cono Kaake
Calorimetro a scansione differenziale (DSC) e analizzatore termogravimetrico (TGA) e per analisi termica al fine di valutare tutti fenomeni termocinetici che accompagnano la produzione dei materiali studiati.
Microscopio a Forza Atomica dotato di testa per misure ad effetto tunnel
Nanoindenter per misure superficiali di nanodurezza
Sistema di deposizione al plasma generato a radiofrequenze (13.56 MHz e potenza massima 300W)per deposizione di nanotubi a base carbonio. Radiofrequency Glow Discharge
Spettrofotometro UV-VIS con sfera di integrazione per misure in riflessione e trasmissione a doppio raggio ottico per lo studio del coefficiente di assorbimento e dei gap ottici dei composti ottenuti.
Dinamometri
DSC modulato
ESEM
Estrusore bivite Haake
GPC, HPLC
Microscopio AFM con STM
Pressa ad iniezione
Reometro Rheometrics