SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI - TERNI

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PERUGIA Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale * Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria dei Materiali * Rete Europea di Eccellenza sui Polimeri Nanostrutturati e Nanocompositi * Centro Europeo sulle Nanotecnologie dei Materiali Polimerici ECNP S.c.a.r.l. SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI - TERNI

2 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PERUGIA Attività di Formazione Attività di Ricerca e Trasferimento Tecnologico Attività di Laboratorio e prove in conto terzi Rete Europea di Eccellenza sulle Nanotecnologie dei Materiali Polimerici Progetti di Ricerca Regionali, Nazionali ed Europei SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI - TERNI

3 Laboratorio STM - Attività di Formazione - Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria dei Materiali: Tecnologia dei Polimeri Scienza e Tecnologia dei Materiali Compositi Nanotecnologie dei Materiali Biomateriali Materiali Ceramici Corrosione e Protezione dei Materiali Tecnologie Metallurgiche Master in Nanotecnologie dei Materiali Polimerici Dottorato di Ricerca Corsi di formazione per l industria

4 Laboratorio STM - Attività di Ricerca - * Processi di produzione di polimeri, compositi e nanocompositi * Trattamento di superficie: rivestimenti e film sottili * Caratterizzazione di materiali polimerici e compositi * Sviluppo e caratterizzazione di materiali nanostrutturati * Problemi di adesione e di interfaccia polimero-metallo * Impatto ambientale e tecnologie di riciclo dei materiali * Analisi del ciclo di vita (LCA) dei materiali * Simulazione FEM di strutture e di processi tecnologici * Applicazioni di materiali polimerici e compositi per l energia (fotovoltaico, eolico), l industria aeronautica, dell auto, l edilizia, l elettronica, gli imballaggi, i biomateriali, ecc.

5 Laboratorio STM - Attrezzature - Il Gruppo STM dispone dei seguenti laboratori e attrezzature scientifiche: Laboratorio di lavorazione e riciclo di materiali plastici e compositi Laboratorio di trattamento delle superfici: sintesi e caratterizzazione di film sottili e nanostrutturati Laboratorio di caratterizzazione fisico-meccanica dei materiali Laboratorio FEM di progettazione strutturale e di processi Laboratorio di analisi termica Laboratorio di microscopia avanzata: SEM, AFM, STM Laboratorio biomateriali

6 Laboratorio STM - Progetti Industriali - Distretto Tecnologico dell Umbria Tarkett Novamont Meraklon Bayer Alcantara Angelantoni Thyssen Krupp Progetti Vision Bizzirri FAE SAME CF CONTINUA-LIGHT Maestrale BRAI

7 Laboratorio STM - Progetti Europei - SUPER LIGHT CAR (Volkswagen, FIAT, Renault ): Sviluppo di nuovi materiali compositi per automobile leggeri. MULTIHYBRIDS (Basell, Politecnico di Torino): Controllo della produzione di nuovi materiali nanocompositi polimerici POCO (EADS, Airbus, Centro Ricerche FIAT): Nuovi materiali nanocompositi per l auto e l aerospazio INNOFOOT: Materiali innovativi per l industria delle scarpe NAPOLYDE: Rivestimenti innovativi funzionali e strutturali HIVCOMP (Samsonite): Soluzioni innovative a basso peso.

8 Laboratorio STM - Spin-offs - GREEN CONSULTING: Sviluppo di tecnologie innovative e sostenibili. Tecnologie innovative di marketing (web) MDP SRL: Sviluppo e applicazioni di tecnologie di nuovi materiali MITES SRL: Materiali plastici codificati anti-contrafazione ECNP SCARL: Centro Europeo per i polimeri nanostrutturati (sede operativa Terni con 5 ricercatori)

9 Gruppo STM - Laboratorio di Analisi Termica - Tale laboratorio è utilizzato prevalentemente per lo studio delle proprietà chimico fisiche dei materiali polimerici e dei compositi in funzione della temperatura. Esso è dotato delle seguenti apparecchiature: Due calorimetri a scansione differenziale (DSC), che permettono di determinare le proprietà termiche dei materiali (transizione vetrosa, cristallizzazione, fusione, reazioni chimiche, degradazione) in un campo di temperature che va da -150 C a 600 C Un analizzatore termogravimetrico (TGA) in simultanea con un analizzatore termico differenziale (DTA) che permette di misurare la perdita di peso di un campione, per degradazione o perdita di solvente, in un campo di temperature che va dalla temperatura ambiente a 1200 C Un analizzatore termomeccanico (TMA) per la determinazione dei coefficienti di espansione termica lineare e volumetrica

10 Gruppo STM - Lab. Caratterizzazione Fisico-Meccanica - Utilizzato prevalentemente per lo studio delle proprietà meccaniche, dinamico-meccaniche e reologiche dei materiali, è dotato delle seguenti apparecchiature: Un dinamometro universale che può misurare le proprietà meccaniche a trazione, flessione, compressione, fatica e creep dei materiali in un campo di forze che va da pochi kg a 3 tonnellate Una torre per prove ad impatto (ball-drop impact tester), che permette la valutazione delle proprietà di resistenza al crash di strutture in materiali metallici, compositi e ibridi metallo-composito. Può provocare impatti di 2000 J su strutture piane, che vanno da pochi cm 2 a 1 m 2 Un reometro e analizzatore dinamico meccanico. Esso permette di misurare la viscosità di polimeri in funzione della temperatura in un campo che va da -150 C a 750 C. L apparecchiatura inoltre permette di valutare le proprietà dinamico meccaniche di materiali solidi in funzione della temperatura Un viscosimetro rotazionale per liquidi e fusi polimerici

11 Gruppo STM - Lab. Film Sottili e Nanostrutturati - L'apparato per la produzione di film nanostrutturati è costitutito da un generatore a radiofrequenze con cui è possibile garantire uniformità delle caratteristiche del rivestimento anche su campioni di dimensioni estese (100X100 mm). La metodologia di deposizione è basata su un apparato di nuova concezione a plasma pulsato (PECVD). La deposizione può essere effettuata sia a temperatura ambiente che ad alta temperatura (700 C). I film nanostrutturati depositati vengono caratterizzati morfologicamente e tribologicamente tramite: Una levigatrice e di una lappatrice per levigare e lucidare i substrati prima di sottoporli al trattamento al plasma AFM (Microscopio a forza atomica) per misure di topografia, rugosità superficiale e angolo di contatto STM (Microscopio ad effetto Tunnel) per misure di topografia superficiale con risoluzione spaziale < 10 nm e spettrometria I/V Sistema per nanoindentazione (carico max. 500 mn) in grado di misurare durezza e proprietà elastiche di film sottili dello spessore di decine di nm. Lo strumento consente inoltre di effettuare misure di creep e di adesione del rivestimento al substrato

12 Gruppo STM - Lab. Caratterizzazione Chimico-Fisica - Le proprietà chimico-fisiche dei materiali possono essere determinate per mezzo delle seguenti apparecchiature: Uno spettrofotometro a raggi infrarossi FTIR per la caratterizzazione chimica di sistemi in stato solido ed in soluzione Uno 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 Due analizzatori di impedenza (misure I/V da 1 Hz a 1.2 GHz) per la caratterizzazione dielettrica dei materiali in un intervallo di temperature compreso tra 4.2K e 500K Un microscopio ottico a luce polarizzata, dotato di hot-stage per il controllo di temperatura del provino analizzato

13 Gruppo STM - Lab. Processing Materiali Plastici - È costituito da un impianto pilota che riproduce in piccola scala le apparecchiature industriali di produzione e riciclo di materiali polimerici. Esso è dotato delle seguenti apparecchiature: Un mulino per la macinazione di materiali polimerici di riciclo Due estrusori (bivite e monovite) per la miscelazione e trasformazione dei materiali polimerici termoplastici Una pressa di 30 Ton per lo stampaggio ad iniezione di polimeri termoplastici Una pressa verticale a piani caldi per lo stampaggio a compressione Un apparato per la determinazione del melt flow index (MFI) Quattro forni (di cui uno dotato di pompa a vuoto) per la cura di polimeri termoindurenti Un miscelatore con impianto di degasaggio Un apparato per Resin Transfer Moulding (RTM)

14 Gruppo STM - Laboratorio Biomateriali - La struttura di questo laboratorio rende possibile la preparazione e l'analisi di campioni per applicazioni bioingegneristiche. Le apparecchiature presenti sono le seguenti: Una glove box (cappa biologica di classe III) a tenuta stagna ad atmosfera controllata per la manipolazione e la preparazione di composti sia inorganici che organici, organometallici e biochimici Una centrifuga da banco per ricerche biologiche, microbiologiche e biochimiche Un misuratore da banco ph/mv/temperatura Un ph-metro con possibilità di autocalibrazione su tre punti, compensazione manuale/automatica della temperatura, risoluzione regolabile 0,001-0,01-0,1 di ph, un timer interno e un'uscita seriale RS-232 per interfacciamento a stampante o computer

15 NANOFUN-POLY European Network of Excellence Centro Europeo per Ie Nanotecnologie dei Materiali Polimerici Coordinator: Prof. José M. Kenny INSTM-University of Perugia

16 NANOFUN-POLY Partners 1 Italian Consortium for Science and Technology of Materials Italy 2 Ingénierie des Matériaux Polymères - CNRS France 3 Centre National de la Recherche Scientifique Polymer Group France 4 Institut fur Polymerforschung Dresden Germany 5 Deutsches Kunstoff Institut - Federal Institute of Materials Research and Testing Germany 6 Cons. of Research on Nanostructured and Crosslinked Polymer Materials Czech Rep. 7 CSIC: Consejo Superior de Investigaciones Científicas Spain 8 Fundacion INASMET Spain 9 Utrecht University Netherlands 10 National Technical University of Athens Greece 11 Foundation for Research and Technology Hellas Greece 12 University of Minho Portugal 13 Lund University Sweden 14 SICOMP Sweden 15 Centro Ricerche Plast-optica (FIAT) Italy 16 Technion Israel Institute of Technology Israel 17 Politechnika Lodzka (Technical University of Lodz) Poland 18 Romanian Consortium for Nanostructured Polymers Romania 19 National Institute of Chemistry Slovenia 20 TUBITAK-Marmara Research Center Turkey 21 Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales Argentina 22 Polytechnic University USA 23 University of the Basque Country Spain 24 Rete Ventures Italy 25 Beijing University of Chemical Technology China 26 Parco Tecnologico dell Umbria-Sitech Italy

17 NANOFUN-POLY PARTNERS USA New-York Argentina Mar-del-Plata China Beijing Prof. J. M. Kenny Coordinator Univ. Perugia Prof. J. F. Gérard Vice- Coordinator INSA Lyon/Univ. Lyon I INSA - IMP vice-coordinator coordinator INSTM coordinator

18 INDUSTRIAL PARTNER NAME COUNTRY TYPE SECTOR NAME OF CONTACT NANOFUN INDUSTRIAL COUNCIL Akzo Nobel Wood Coatings s.r.l. I No SME Materials Supplier, research K. Lindell, V.Bazzanini AVO CZ ASSOC. Research association Vaclav Neumajer Basf D No SME Materials supplier, research Marcos Gomez Bayer Polymer Group D No SME Materials supplier, research Paula Rodrigues BETEK TK No SME Paint and Coating Tahir Altinbulduk Ceast I SME Instrumentation Enrico Corazza Continental D No SME Transformer, End user Kai N. Kruger Degussa D No SME Materials supplier, research A. Gutsch, R. Richter DIOMED TK SME End user, Biomedical Tanil Kocagoz Dow Benelux NL No SME Materials supplier, research C. Bosman FIAT Auto I No SME End user, automotive Enrico Indino Forschungsgesetlschaft D Assoc. Industrial Association W. Wunderlich Freudenberg D Assoc. Polymer Association Klaus Beck Inauxa ES SME Transformer, end user Agustin Morales MDP I SME Technology developer Emiliano Frulloni Metalco PL SME Recycling R. Bulka Polymaterials AG D SME Materials supplier, research Gerhard Maier Polymerexpert F SME Technology developer PROPLAST I No SME Research Consortium Piero Cavigliasso Repsol E No SME Materials supplier, research Santamaria SAMPE Europe CH Assoc. Materials Association K. Drechler SOLVAY B No SME Materials supplier, research L. Lerot SEIMA Italiana I No SME End user, automotive F. Favotto Tergal Fibres F No SME Fibres Tergal Abres Ticonia D No SME Materials supplier Arnold Schneller Tolsa E No SME Nanofillers Julio Santaren Wacker-Chemie D No SME Materials supplier Herbert Barthel

19 GRUPPO SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI Gruppo di ricerca coordinato dal prof. J.M. Kenny

20 Possibili settori di applicazione dei nanocompositi polimerici High Performance Light Weight Housing/ Consumer Energy Saving Environmental Protection Automotive Aerospace

21 Possibili settori di applicazione dei nanocompositi polimerici Hybrid Power System: Lithium Ion Battery, Fuel Cell Motor Mounts: Reduced vibration Nanofibre di carbonio, Fullerene, Nanotubi Body Panels: Reduced weight and cost, better thermal performance Hoses and belts: lower maintenance Paint and Finish: Improved paintability, lower application cost Seals: lower cost, reduced noise Tires: Improved durability, traction, fuel efficiency and cost

22 Materials Manufacturing Products Hummer H2 sport utility truck Made with about seven pounds of nanocomposite material, the cargo bed Hummer's H2 SUT is lighter and more scratch proof than older plastics. Besides the weight advantage, GM says the nanocomposite parts don't change shape when exposed to temperature changes. Business Week Self-cleaning concrete An exterior view shows U.S. architect Richard Meier's Jubilee Church, located in the Tor Tre Teste area of Rome, in this 2003 file photo. It is made of self-cleaning concrete that helps keep the surface shiny white. The Associated Press, July 2005

23 Possibili settori di applicazione dei nanocompositi polimerici Carbon laminate Carbon sandwich Fiberglass Aluminum Aluminum/steel/titanium pylons

24 Possibili settori di applicazione dei nanocompositi polimerici Le proprietà di conducibilità di alcuni nanorinforzi quali nanotubi di carbonio, fulerene, TiO2, consentono di ottenere celle fotovoltaiche con migliore efficienza, o schermi alle onde elettromagnetiche.

25 Possibili settori di applicazione dei nanocompositi polimerici Le proprietà di effetto barriera a gas e umidità consentono di applicare i nanocompositi nel settore del packaging.

26 Application of nanocomposites

27 Electronics Products Samsung 8 GB compact flash card This flash memory unit boasts a fat 8 gigabytes of memory, room for loads of songs, photos and PowerPoint presentations. Business Week OLED digital camera Organic light-emitting diodes (OLEDs) are much brighter than the liquid crystals (LCDs) used in many of today's flat-screen TVs and computer monitors. They boast a wider viewing angle than LCDs, which must be viewed head-on. OLEDs don't require backlighting as LCDs do, reducing power consumption. Forbes 2003

28 Electronics Products There are also a tremendous amount of... electronic applications out there that are effecting our every day lives. Just take a trip to your local electronics mega-store and you will see a multitude of these including: faster and more powerful computers, palm pilots (blackberries), flash drives, digital cameras and displays, cell phones, LCDs, LEDs, MP3 s, electronic ink displays, thin film batteries, and flexible electronics to name a few. All of these applications are possible and affordable due to the ability to work effectively and efficiently at the nano-scale. National Nanotechnology Infrastructure Network

29 Sports Products Tennis rackets The Nanotube Power and VS Nanotube Drive lightweight, oversized-head models are made out of high modulus graphite with carbon nanotubes... One hundred times stronger than steel, yet one-sixth the weight, carbon nanotubes increase the rigidity of the stabilizers on each side of the racket's sweet spot... VS Nanotube rackets are five times more rigid than current carbon rackets and pack significantly more power. Business Week Tennis balls Wilson Double Core tennis balls, with... InMat's Air D-Fense nanocomposite product inside, remain playable for four weeks.... InMat makes it harder for the air to escape by coating the ball's inner core with 20 microns thick of layered sheets of clay polymer nanocomposites--each 1 nanometer thin. Business Week NanoDynamics golf ball This ball is engineered with nanoparticles to spin less, which should mean less slices and hooks. The bad news? Lower spin could mean shorter drives. Business Week Stronger golf clubs More accurate bowling balls

30 Clothing Products In the clothing world, we have pants that repel water and won t stain shirts and shoe inserts that keep you cool in the summer and warm in the winter, and nano socks that don t stink due to the inclusion of nanotech materials (nanosized sliver particles). National Nanotechnology Infrastructure Network Breathable waterproof ski jacket Nanotechnology makes the two-layer laminate windproof, waterproof, breathable and grime resistant--great for those bums who don't get around to washing their jackets until after the season. The result: a jacket with a long, functional life superior to coated jackets and competitive with Gore-Tex products. Forbes 2003 Wrinkle-resistant, stain-repellent threads Nano-Tex researchers attached molecular structures to cotton fibers, forming a barrier that causes liquids and stains to bead up on the surface and prevent absorption. Treated fabrics are not only wrinkle-proof but repel stains from perennial offenders like soda, coffee, wine, mayonnaise and syrup. Forbes 2003 Color-changing fabrics Thread developed for military but may soon be used by clothing companies.

31 Cosmetics Products Skin care L Oreal's Plenitude line of cosmetics contains nanocapsules, which help active ingredients get to the skin's deeper layers. The nanocapsules are also in L'Oreal's higher-end brands such as Lancome. Small Times, March 2004 Novasome capsules can deeply penetrate skin and don't degrade while on the shelf Nanocrystalline Sunscreen Its main ingredient is Z-COTE, a substance made with nanotechnology... Nano-dispersed zinc oxide.... Zinc oxide provides broad-spectrum protection against UVA and UVB rays, but its characteristic white pasty goop often leaves sunbathers and lifeguards feeling like they're wearing clown makeup. The nanotechnology in Z-Cote produces a highpurity nanocrystalline zinc oxide, which allows the sunscreen to go on clear. Forbes 2003

32 Products with Protective Coatings Glare-reducing and fog-resistant coatings for eyeglasses and windshields Sunglasses To give the glasses antireflection and scratch-resistance functionality, Nanofilm deposits coating layers of 150 nanometers and 20 microns thick, respectively. Then it uses chemical self-assembly to form a polymer coating, three to ten nanometers thin, on the outer layer of the antireflective lenses. This not only seals and repels grime and skin oils but also makes the lenses more responsive. Forbes 2003 High-Performance Ski Wax Nanowax produces a hard, fast-gliding surface. The ultrathin coating lasts much longer than conventional waxing systems, while leaving the base free of buildup. And here's the "intelligent" part: Cerax Nanowax hardens as temperatures drop, adapting to the ski bases and snow crystals, so you can reach top speed from the first few feet on. Forbes 2003 No-wax car finish--for example, by Mercedes.

33 The Perfect Fridge? Some products combine different kinds of nanotechnology, such as the Samsung Nano SilverSeal refrigerator Samsung has rolled out a line of fridges and washing machines that use nanocoatings to prevent nasty bugs from growing. Specks of silver, as small as one nanometer across, are used to coat surfaces. These nanoparticles are so electrically active that they inhibit the growth of harmful bacteria and fungs. In its fridge, Samsung used the nanosilver in the deodorizer unit and water dispenser to sanitize the air and water that passes over them. Business Week