Materiali polimerici e compositi

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1 Materiali polimerici e compositi Ravenna, Loris Giorgini Loris.giorgini@unibo.it CIRI Meccanica avanzata e materiali U.O. Materiali strutturati e/o composite per applicazioni avanzate (FAENZA RA)

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3 Considerazioni di impatto ambientale e costo materie prime Listino 16/2/2011 Listino odierno 27/9/ $ al barile 104 $ al barile 50% Uso chimico in materiali plastici solo il 4% Resto in usi automobilistici e produzione di energia

4 LINDUSTRIA DELLA PLASTICA IN ITALIA (2008) 6,000 imprese 161,000 addetti fatturato: 55.0 miliardi Produttori Trasformatori Costruttori di macchine Riciclatori Imprese: 48 Imprese: 5,400 Imprese: 300 Imprese: 400 Addetti: 10,000 Addetti: 136,000 Addetti: 13,000 Addetti: 2,800 Fatturato: 14 mld Fatturato: 32 mld Fatturato: 8 mld Fatturato: 1 mld

5 Previsione al 2012

6 Riciclo chimico di polimeri con ottenimento di miscele complesse di prodotti pirolisi (riscaldamento ad alta temperatura, C, in assenza di ossigeno). In questo caso, ad alta temperatura, possono avvenire molte reazioni contemporaneamente con formazione di una miscela complessa di prodotti di basso peso molecolare e residui carboniosi. idrogenazione un trattamento a base di idrogeno e calore: i polimeri si degradano idrogenandosi e vengono trasformati in idrocarburi liquidi; gassificazione un procedimento basato sul riscaldamento ad alta temperatura ( C) in mancanza di aria con cui si produce una miscela di ossido di carbonio e odrogeno utile nella lavorazione di altre materie; prodotti gassosi, liquidi e residui carboniosi. La composizione dipende sia dalla natura del rifiuto trattato, sia dalle condizioni di trattamento (temperatura, catalizzatori, ossigeno, idrogeno, aria, ecc.)

7 IMPIANTO DI PIROLISI La decomposizione dei polimeri da origine ad un flusso di gas, che successivamente viene in parte condensato (prodotti liquidi) e in parte (frazione gassosa) utilizzato per alimentare il forno di pirolisi, e da un residuo carbonioso (venduto come carbon black per utilizzi industriali). Vantaggi: a) ampio mercato (prodotto di riciclo simile al petrolio) b) lavorare con plastiche miste, resine termoindurenti, gomme e anche compositi (nessuna costosa separazione)

8 Pneumatici e GOMME in generale L'Italia si pone solo al decimo posto tra le nazioni dell'unione Europea per il riciclaggio di pneumatici. Secondo i produttori ogni anno in Italia ne vengono dismesse circa 430 Kton Il 23% viene riutilizzato, parte per la ricostruzione dei pneumatici parte per il riuso vero e proprio il 25% viene bruciato come combustibile (per lo più nei cementifici) il 48 % in discarica in Italia o all'estero Del 4% se ne perdono le tracce

9 LA PLASTICA È UN MATERIALE AD ALTISSIMO VALORE BISOGNA SOLO UTILIZZARLA IN MANIERA INTELLIGENTE

10 Materiali Compositi Polimerici Tradizionali e Innovativi Solo una perfetta conoscenza della struttura microscopica, e quindi della chimica, permette di capire le propriet à di un materiale e consente la progettazione di materiali dalle caratteristiche sempre più sorprendenti KEVLAR Carbonio

11 Studiare nuovi materiali sostitutivi dei materiali convenzionali Studiare nuove formulazioni con migliori prestazioni, con minor impatto ambientale e minor tossicità

12 Approfondire e migliorare l impregnazione di tessuti Resistenza ad usura ed invecchiamento dei Compositi Studiare nuovi processi tecnologici industrialmente sostenibili formatura Uniassiale Strati angolati Poltrusione * Strati incrociati Avvolgimento di fili * * * Casuale nel piano Impregn. manuale * * * * Spruzzo manuale * Casuale in 3 dimensioni Compressione * * * * * RRIM *

13 Strumentazione - Gas-cromatografi - Assorbimento atomico Varian mod. Spectr AA100 con autocampionatore e fornetto di grafite - Forno a muffola Nabertherm: mineralizzazione di campioni aventi diversa origine Temp. max 1200 C, - Spettrofotometro UV-visibile Varian mod. Cry-1E. - Microscopio AFM. - Macchina di trazione per prove materiali - Durometri e Microdurometro Vickers-Knoop - SEM Zeiss Evo 50 EP completo di microsonda EDS - Spettrometro di massa ad alta risoluzione Thermo - Diffrattometro RX gestito da elaboratore elettronico. - Pendolo strumentato 300 J per prove Charpy, Izod, impatto-trazione. - Macchine di trazione di tipo idraulico per prove di materiali. - Macchine per prove di corrosione-fatica. - Analizzatore termogravimetrico Mod. TA Instrument TGA Analizzatore termico Mod. TA Instrument DSC Sistema light scattering per determinazione pesi molecolari - Rifrattometro-interferometro Mod. Wyatt Tecnologies Optilab Rex - Apparecchiature elettrochimiche. - Spettrometri NMR - Spettrofotometri FT-IR - HPLC - Reologia - Viscosimetri - dinamico-meccanico D.M.A. 7 - Etc..

14 Sistema integrato EP SEM / SCA / EDS SEM: Zeiss EVO 50 EP EDS: Oxford Instruments INCA 350 Raman: Renishaw Raman SCA + Invia

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16 DSC (Calorimetria differenziale a scansione) Cure-crossing Temperature onset Tempi e calore in gioco

17 Ci stiamo attrezzando per un laboratorio dedicato a tutte le caratterizzazioni termiche (comprese le resistenze alla fiamma e al calore) su polimeri e compositi in generale. prova di infiammabilità secondo DIN4102 Particolarmente adatta ai materiali autoestinguenti CONOCALORIMETRO

18 Cone Calorimeter Cone calorimetry is an increasingly important technique for assessing the fire behavior of materials. Typically, the subject material is irradiated with a heat intensity similar to that experienced in a fire situation (25 75 kw/m 2 ) The apparatus meets all existing Standards (ISO 5660, ASTM, NFPA, CAN ULC)

19 Additivi per materiali polimerici e compositi: caso studio antifiamma A lot of work has been done for the preparation and the characterization of polymer matrix nanocomposites in which the dispersion of fillers/ reinforcing agents with dimensions in the nanometer scale lead to even higher mechanical performances. The dispersion of nanofillers in polymers is generally rather poor due to their incompatibility with polymers. Therefore, organic surfactants and compatibilizer addition are needed to improve the dispersion. A well known example is represented by layered silicate surfaces (clay) which are hydrophilic and for which proper modification through the use of organic modifiers is needed, the obtained product is known as organoclay.

20 Organoclays can be more or less easily delaminated into nanoscale platelets by the polymer molecules, leading to the formation of polymer layered silicate nano composites (PLSNs). These nanocomposites belong to an emerging class of organic inorganic hybrid materials that exhibit improved mechanical properties at very low loading levels compared to conventional microcomposites together to the enhancement of functional properties such as flame resistance, barrier properties and optical transparency. Strato del silicato lamellare: interstrato o galleria Struttura intercalata Es. Montmorillonite or bentonite

21 Bentonite-based organoclays as innovative flame retardants agents for SBS copolymer Preparation of Organoclay

22 Bentonite-based organoclays as innovative flame retardants agents for SBS copolymer Preparation of organic modifiers (new molecules) Ammonium salts: drawback poor thermal stability. Nitrogen containing heterocyles: inherent fire ratardancy Octadecyltrimethylammonium bromide 1 (OTAB), N2,N4-dihexadecyl-1,3,5-triazine-2,4,6- triamine 2 (DEDMEL).

23 Bentonite-based organoclays as innovative flame retardants agents for SBS copolymer Cone Calorimeter: Characterization of the Nanocomposites The mechanism of the fire retardant action of melamine derivatives is under investigation, however it is well known that when exposed to heat and flames, melamine and derivatives decompose, absorbing heat and causing a cooling effect. Melamines also eliminate nitrogen during decomposition, it is accepted that the formation of inert gases dilute the fuel gases. M. Comes Franchini. J. Nanosci. Nanotechnol. 2008, 8,

24 FP7 NMP Working Document CONFIDENTIAL Halogen-free flame retardant materials