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Tesi etd-11202017-094705


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
FRANCISCHELLO, ROBERTO
URN
etd-11202017-094705
Title
Preparazione di un concentratore solare luminescente a matrice epossidica e caratterizazione tramite tecniche calorimetriche e di spettroscopia ottica, dielettrica e NMR a stato solido
Struttura
FISICA
Corso di studi
FISICA
Commissione
relatore Prof. Pucci, Andrea
relatore Prof. Capaccioli, Simone
Parole chiave
  • 25-bis(6-aminohexyl)-3
  • 2
  • Hostasol-red GG
  • Concentratore solare luminescente
  • processi diffusivi
  • cinetica di reazione
  • resina epossidica
  • 5H)-dione
  • 4(2H
  • 4-c]pyrrole-1
  • 6-di(thiophen-2-y)pyrrolo[3
Data inizio appello
11/12/2017;
Consultabilità
completa
Riassunto analitico
Il presente lavoro di tesi si inserisce in un progetto relativo alla sintesi e caratterizzazione di un materiale polimerico fluorescente per la realizzazione concentratori solari luminescenti.
Sono state realizzate due serie di concentratori solari luminescenti usando come matrice una resina epossidica e due coloranti organici: uno di natura commerciale, Hostasol-red GG, ed uno sintetizzato in un laboratorio dell'Università di Pisa, 2,25-bis(6-aminohexyl)-3,6-di(thiophen-2-y)pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4(2H,5H)-dione.
La fase iniziale è stata dedicata alla realizzazione dei materiali e all'affinamento della tecnica di preparazione. Tale fase ha previsto l’ottimizzazione del processo di addizione dei componenti della resina epossidica e la progettazione di uno stampo capace di diminuire le perdite di resina e facilitare il distacco dei concentratori dopo cottura in una stufa termostata.
Gli obbiettivi della tesi sono due: la caratterizzazione ottica dei concentratori solari luminescenti al variare della concentrazione di colorante e lo studio della cinetica di reticolazione del sistema, ovvero il processo che consiste nella formazione di legami covalenti tra le molecole di resina ed indurente che generano una struttura tridimensionale amorfa della geometria voluta al fine della realizzazione del concentratore solare.

Relativamente alla caratterizzazione ottica dei concentratori, si è misurato lo spettro di emissione, di assorbimento e l'incremento di potenza generata da una cella fotovoltaica utilizzata insieme al concentratore solare. Le misure di fluorescenza sono state caratterizzate da un progressivo spostamento verso il rosso della banda di emissione del fluoroforo all'aumentare della concentrazione di colorante a causa dei fenomeni di auto assorbimento. In particolare il sistema impiegato per misurare l'efficienza ottica dei campioni è stato ri-progettato al fine di aumentare la riproducibilità delle misure, renderle più veloci ed incrementarne la precisione. Il colorante commerciale ha fornito al concentratore migliori prestazioni in termini di incremento della potenza generata dalla cella fotovoltaica.

Lo studio della cinetica di reticolazione è stato complicato dall'incremento della viscosità della resina durante la fase di indurimento, cioè dal suo passaggio da uno stato liquido poco viscoso a uno vetroso. La cinetica è dominata, in questo stadio, da un regime diffusivo.
Le tecniche utilizzate durante lo studio sono state: la calorimetria a scansione differenziale (DSC), la spettroscopia Infra-Rossa (IR), la spettroscopia dielettrica e la Risonanza Magnetica Nucleare (RMN) nel dominio del tempo (bassa risoluzione) e in quello delle frequenze (alta risoluzione). Tra queste tecniche solo la calorimetria a scansione differenziale e risonanza magnetica nucleare nel dominio dei tempi sono state in grado di evidenziare l'effetto del colorante sulla cinetica di reazione.

Con la tecnica DSC si è osservato che dopo 50 minuti non si registra più uno scambio di calore associabile al processo di reticolazione per nessuno dei campioni. La spettroscopia IR ha confermato, qualitativamente, questa scala temporale per la reazione monitorando la scomparsa dei tipici assorbimenti associati ai raggruppamenti epossidici.
La spettroscopia dielettrica ha permesso di valutare la mobilità dei dipoli molecolari e il loro numero; quantità collegabili al coefficiente di diffusione.
Per poter eseguire queste misure è stato necessario predisporre un apposito sistema di controllo termico con una cella di Peltier. Il criostato ad azoto, utilizzato normalmente, era infatti troppo lento nel variare e stabilizzare la temperatura del campione, con una conseguente mancanza di controllo della temperatura nei primi istanti della reticolazione, i più importanti per lo studio cinetico. Grazie alla nuova cella appositamente messa a punto, queste misure si sono rivelate utili per seguire i primi minuti della reazione. Purtroppo, la tecnica diviene troppo lenta per monitorare la parte finale della reazione, a causa dei tempi di acquisizione troppo lunghi necessari per acquisire spettri a bassa frequenza. Per questo motivo queste misure non sono state in grado di rilevare l'effetto dei coloranti sulla reticolazione.
Le misure di spettroscopia RMN ad alta risoluzione nel dominio della frequenza sono state eseguite sui nuclei 13C solo alla fine del processo di reticolazione, perché l’ottenimento di un rapporto segnale-rumore soddisfacente richiedeva un tempo di misura superiore al tempo di reticolazione del nostro campione. Lo spettro acquisito è stato confrontato con i risultati noti in letteratura ottenendo informazioni sul tipo di legami chimici formati all'interno della molecola.
Con le misure di RMN a bassa risoluzione nel dominio del tempo abbiamo operato in condizioni di risonanza registrando il segnale dei nuclei 1H in funzione del tempo di acquisizione (Free Induction Decay, FID), dal quale è stato possibile distinguere la frazione vetrosa di composto, che mostra un rilassamento gaussiano, da quella liquida, che mostra un rilassamento esponenziale.
Da un'analisi preliminare emerge che in tutti e tre i casi, dopo 10 minuti, si hanno variazioni minime nel tempo di rilassamento ed un comportamento tipico di un materiale vetroso. A causa della complessità del materiale macroscopico, i tempi di rilassamento, per la frazione simil-liquida, a processo terminato sono diversi tra i vari campioni. Questo fatto è probabilmente legato ad una diversa struttura sovra-molecolare data anche dalla presenza del colorante in concentrazione più alta.
In conclusione emerge che non è necessario un tempo di indurimento (o di reticolazione) di 4 ore, valore individuato in un precedente lavoro di tesi (Matteo Sottine, Concentratori solari luminescenti a matrice epossidica, Università di Pisa), per ottenere il grado di reticolazione desiderato ai fini dell’ottenimento di un materiale epossidico utile per l’applicazione come concentratore solare. Si può quindi ottimizzare il tempo di produzione del materiale epossidico tridimensionale riducendo il tempo di indurimento a 2 ore. Questo valore inoltre riduce la probabilità di avere eventi secondari e parassiti durante il processo di reticolazione in stufa rispetto ad un processo condotto in uno strumento di misura termostato.
Emerge anche l'importanza di testare l'effetto dei coloranti sulla reazione di reticolazione in quanto esso risulta non facilmente prevedibile. La presenza del colorante può infatti indurre variazioni nel grado di reticolazione che compromettono la stabilità e l'efficienza del concentratore solare luminescente.
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