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Tesi etd-04152012-131600


Thesis type
Tesi di laurea specialistica
Author
CARELLA, MARIA ROSARIA
URN
etd-04152012-131600
Title
Preparazione e caratterizzazione di compositi polimerici biodegradabili a base di acido polilattico e nanocellulosa
Struttura
INGEGNERIA
Corso di studi
INGEGNERIA CHIMICA
Supervisors
relatore Prof. Pracella, Mariano
relatore Prof. Paci, Massimo
controrelatore Prof. Lazzeri, Andrea
Parole chiave
  • nanocellulosa
  • PLA
  • polimeri biodegradabili
  • nanocompositi
Data inizio appello
03/05/2012;
Consultabilità
Parziale
Data di rilascio
03/05/2052
Riassunto analitico

Le caratteristiche e la disponibilità a basso costo dei polimeri sentitici derivati da petrolio (commodity) hanno lasciato per lungo tempo poco spazio al mercato dei polimeri biodegradabili (bioplastiche), e solo l'attenzione crescente per gli aspetti ecologici ha di recente rinnovato l'interesse per questa categoria di materiali; infatti, la quantità di anidride carbonica equivalente emessa per produrre plastica derivata da petrolio si aggira intorno ai 4-8 kg di CO2 per kg di plastica rispetto ai 1-6 kg di CO2 per kg di bioplastica prodotta. Un importante aspetto legato all’impiego di questi materiali è la possibilità di rinforzare la struttura con fibre naturali su scala nanometrica. In particolare, i concetti legati alla rinnovabilità delle risorse ad alla riciclabilità dei materiali hanno portato allo sviluppo di nuove tecnologie per la realizzazione di materiali termoplastici rinforzati con fibre naturali, promuovendone l’impiego e nuove applicazioni in vari settori produttivi.
Rispetto ai compositi tradizionali, i nanocompositi polimerici comportano generalmente un basso contenuto di nanocariche disperse omogeneamente nella matrice dal momento che, a causa dell’elevato rapporto superficie/volume delle particelle, le proprietà fisico/meccaniche possono essere significativamente incrementate anche con basse percentuali di rinforzo; da ciò si comprende quanto le nanocariche possano essere considerate come eccellenti opportunità per lo sviluppo di compositi ad alte prestazioni e multifunzionali. Le ragioni che conducono molti enti di ricerca ad investire nella ricerca su questi materiali sono molteplici: principalmente vi è l'impatto industriale significativo, legato alla possibilità di progettare e creare nuovi materiali e strutture con una flessibilità e proprietà fisiche senza precedenti; in secondo luogo, le cariche su scala nanometrica sono quasi prive di difetti e il loro utilizzo nei compositi apre molte opportunità per superare le limitazioni della “più comunemente” usata scala micrometrica.
In questo contesto si inquadra il presente lavoro di tesi cha ha come obiettivi principali: la preparazione e la caratterizzazione di nanocristalli di cellulosa (nanocellulosa) e di nanocompositi a matrice termoplastica biodegradabile (acido polilattico, PLA) rinforzati con i nanocristalli dispersi in poli(vinil acetato) (PVAc).
Partendo da una approfondita ricerca sui dati di letteratura, la prima parte del lavoro sperimentale è stata dedicata allo studio delle condizioni ottimali per l’ottenimento dei nanocristalli da fibre naturali; a questo scopo sono stati impiegati, vari materiali cellulosici che sono stati sottoposti a idrolisi acida (acido solforico). I nanocristalli, sono stati, quindi, caratterizzati morfologicamente mediante impiego di diverse tecnologie di microscopia (microscopia ottica, microscopia elettronica a trasmissione, microscopia elettronica a scansione e microscopia a forza atomica). Sono state condotte anche varie analisi con spettroscopia FT-IR.
Il lavoro sperimentale è stato focalizzato principalmente sulle problematiche connesse alla dispersione dei nanocristalli in mezzi non polari, a causa della loro superficie polare; per questo motivo è stata indagata la possibilità di effettuare una modifica funzionale delle nanofibre mediante innesto di molecole reattive (ad esempio glicidil metacrilato, GMA) per migliorarne la compatibilità con la matrice polimerica.
Inoltre, con l’utilizzo di un miniestrusore, sono state realizzate miscele polimeriche di PLA e PVAc con GMA nel quale sono state disperse le nanoparticelle di cellulosa in diverse percentuali; sono state poi effettuate le analisi per la caratterizzazione chimica, termica e meccanica dei materiali ottenuti.
La tesi è suddivisa in cinque capitoli: nel primo vengono descritte le caratteristiche e gli impieghi dei materiali compositi a matrice biodegradabile rinforzati con fibre naturali di diversa natura e proprietà; nel secondo vengono presentati i materiali nanocompositi rinforzati con fibre di cellulosa e i dati raccolti in letteratura riguardanti la preparazione e la caratterizzazione di nanocompositi e nanoparticelle cellulosiche. Il terzo capitolo descrive, le prove sperimentali condotte durante il lavoro di tirocinio per la preparazione dei nanocompositi. Le caratteristiche dei nanocristalli, delle matrici polimeriche e dei nanocompositi sono discusse nel quarto capitolo, che raccoglie i dati riguardanti la caratterizzazione morfologica, chimica e meccanica dei vari materiali. Nel quinto capitolo, infine, vengono riportate le conclusioni e le attività che verranno sviluppate in futuro partendo da questo lavoro sperimentale.
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