Sintesi e caratterizzazione di nanopolveri composite allumina-zirconia

Il presente lavoro di tesi riguarda la sintesi di nanopolveri allumina-zirconia, seguendo tre differenti metodologie (sintesi per coprecipitazione, sintesi con il metodo dei citrati, sintesi idrotermale assistita da microonde) e il trattamento termico (calcinazione) delle polveri ottenute, mediante tecniche di riscaldamento convenzionali ed alternative (microonde). Lo scopo del lavoro è consistito nell’individuare, tra le tecniche esaminate, quella più idonea e conveniente, per la preparazione di nanopolveri cristalline 95 mol% Al2O3 – 5 mol% ZrO2 e nell’esaminare gli effetti che la calcinazione condotta con le microonde, ha sulle caratteristiche finali delle polveri, rispetto ai trattamenti termici convenzionali. I risultati ottenuti al termine del lavoro hanno evidenziato che, tra le tecniche di sintesi esaminate, la sintesi idrotermale assistita da microonde, risulta il metodo più indicato e che, il trattamento termico eseguito con le microonde, risulta di gran lunga vantaggioso rispetto a quello convenzionale. La sintesi idrotermale assistita da microonde consente di ottenere polveri nano cristalline poco agglomerate, che possono essere facilmente disaggregate e con caratteristiche microstrutturali del tutto peculiari. L’utilizzo di tale tecnica permette, già dopo la sintesi a 200°C/2ore, di avere ossido di zirconio, mentre per ottenere gli ossidi di alluminio, è sufficiente un ulteriore trattamento termico a basse temperature e di breve durata (400°C/ 5 min). Si è osservato, inoltre, che il trattamento termico condotto con le microonde comporta la formazione delle fasi cristalline desiderate (ossidi di alluminio e zirconio), impiegando (come per la sintesi) tempi e temperature significativamente ridotti. L’esposizione delle polveri per tempi ridotti e a temperature più basse consente di evitare la formazione di aggregati duri nelle nanopolveri finali e di contrastare il manifestarsi di fenomeni di accrescimento di grani, preservando così la “nanostruttura” delle polveri e le sue caratteristiche proprietà.

Studio di metodi di preparazione e caratterizzazione di nanostrutture per la funzionalizzazione di materiali ceramici

This thesis was carried out in the context of a co-tutoring program between Centro Ceramico Bologna (Italy) and Instituto di Tecnologia Ceramica, Castellón de la Plana (Spain). The subject of the thesis is the synthesis of silver nanoparticles and at their likely decorative application in the productive process of porcelain ceramic tiles. Silver nanoparticles were chosen as a case study, because metal nanoparticles are thermally stable, and they have non-linear optical properties when nano-structured, and therefore they develop saturated colours. The nanoparticles were synthesized by chemical reduction in aqueous solution, a method chosen because of its reduced working steps and energy costs. Besides such a synthesis method uses non-expensive and non-toxic raw material. By adopting this synthesis technique, it was also possible to control the dimension and the final shape of the nanoparticles. Several syntheses were carried out during the research work, modifying the molecular weight of the reducing agent and/or the firing temperature, in order to evaluate the influence such parameters have on the Ag-nanoparticles formation. The syntheses were monitored with the use of UV-Vis spectroscopy and the average dimension as well as the morphology of the nanoparticles was analysed by SEM. From the spectroscopic data obtained from each synthesis, a kinetic study was completed, relating the progress of the reaction to the two variables (ie temperature and molecular weight of the reducing agent). The aim was finding equations that allow the establishing of a relationship between the operating conditions during the synthesis and the characteristics of the final product. The next step was finding the best method of synthesis for the decorative application. For such a purpose the amount of nanoparticles, their average particle size, the shape and the agglomeration are considered. An aqueous suspension containing the nanoparticles is then sprayed over the fired ceramic tiles and they are subsequently thermally treated in conditions similar to the industrial one. The colorimetric parameters of the obtained ceramic tiles were studied and the method proved successful, giving the ceramic tiles stable and intense colours.

Environmental weathering of natural and artificial stones used in historical architecture: influence of microstructure and new restoration methods

For some study cases (the Cathedral of Modena, Italy, XII-XIV century; the Ducal Palace in Mantua, Italy, XVI century; the church of San Francesco in Fano, Italy, XIV-XIX century), considered as representative of the use of natural and artificial stones in historical architecture, the complex interaction between environ-mental aggressiveness, materials’ microstructural characteristics and degradation was investigated. From the results of such analyses, it was found that materials microstructure plays a fundamental role in the actual extent to which weathering mechanisms affect natural and artificial stones. Consequently, the need of taking into account the important role of material microstructure, when evaluating the environmental aggressiveness to natural and artificial stones, was highlighted. Therefore, a possible quantification of the role of microstructure on the resistance to environmental attack was investigated. By exposing stone samples, with significantly different microstructural features, to slightly acidic aqueous solutions, simulating clean and acid rain, a good correlation between weight losses and the product of carbonate content and specific surface area (defined as the “vulnerable specific surface area”) was found. Alongside the evaluation of stone vulnerability, the development of a new consolidant for weathered carbonate stones was undertaken. The use of hydroxya-patite, formed by reacting the calcite of the stone with an aqueous solution of di-ammonium hydrogen phosphate, was found to be a promising consolidating tech-nique for carbonates stones. Indeed, significant increases in the mechanical prop-erties can be achieved after the treatment, which has the advantage of simply con-sisting in a non-hazardous aqueous solution, able to penetrate deeply into the stone (> 2 cm) and bring significant strengthening after just 2 days of reaction. Furthermore, the stone sorptivity is not eliminated after treatment, so that water and water vapor exchanges between the stone and the environment are not com-pletely blocked.

The incomplete ionization of substitutional dopants in Silicon Carbide

This thesis analyzes theoretically and computationally the phenomenon of partial ionization of the substitutional dopants in Silicon Carbide at thermal equilibrium. It is based on the solution of the charge neutrality equation and takes into account the following phenomena: several energy levels in the bandgap; Fermi-Dirac statistics for free carriers; screening effects on the dopant ionization energies; the formation of impurity bands. A self-consistent model and a corresponding simulation software have been realized. A preliminary comparison of our calculations with existing experimental results is carried out.

Erosioni dentali nei bambini affetti da GERD

L’erosione dentale è definita come una perdita progressiva e irreversibile dei tessuti duri del dente, a causa di un processo chimico che non coinvolge i batteri. La sua prevalenza è accresciuta negli ultimi anni nella popolazione generale, particolarmente nei bambini e negli adolescenti e rappresenta attualmente un’enorme sfida per la cura della salute orale. L'eziologia delle erosioni è difficile da diagnosticare perché può essere il risultato di una varietà di fattori e si può manifestare in maniera differente in base alla causa che l’ha determinata. L’eziologia può essere intrinseca, cioè derivante dal contenuto acido dello stomaco associato a disordini alimentari come l’anoressia, la bulimia nervosa, il reflusso gastro-esofageo e il regurgito, o estrinseca, derivante dal contenuto acido proveniente dall’ambiente esterno (cibi dietetici, bevande analcoliche, succhi di frutta, ecc). L’erosione è particolarmente frequente nei bambini e poiché i soggetti che presentano erosioni in dentizione decidua hanno un rischio aumentato di manifestare erosioni in dentizione permanente, una diagnosi precoce e una prevenzione attuata in tenera età, aiuterà a prevenire il danno a carico dei denti permanenti. Inoltre se l’erosione dentale non è controllata e stabilizzata, il bambino potrebbe soffrire di severe perdite di superfici dentali, sensibilità dentale, malocclusione, inestetismi o anche ascessi dentali dei denti affetti. Lo studio caso-controllo è stato condotto dalla Sezione di Odontostomatologia del Dipartimento Testa - Collo, in collaborazione con l’Unità Operativa Complessa di Gastroenterologia Pediatrica dell’Azienda Ospedaliera-Univesitaria di Parma. Il gruppo di studio comprende 60 pazienti di età compresa tra i 4 e i 13 anni. Dei 60 bambini arruolati, 30 presentano sintomi e storia clinica di GERD, mentre gli altri 30 sono bambini sani senza alcun sintomo di GERD o di altri disturbi gastrointestinali. Il gruppo campione A include anche soggetti affetti, oltre che dal reflusso gastro-esofageo, da varie forme di disabilità, in alcune delle quali il GERD sembra essere parte del quadro sindromico. I risultati ottenuti dallo studio hanno dimostrato una prevalenza maggiore di erosioni dentali nel gruppo di bambini affetti da GERD, rispetto ai bambini sani, in accordo con quanto riportato dalla letteratura.

Sustainable inorganic Binders and Their Applications in Building Engineering: A Green Alternative to Ordinary Portland Cement

In the last decades, the building materials and construction industry has been contributing to a great extent to generate a high impact on our environment. As it has been considered one of the key areas in which to operate to significantly reduce our footprint on environment, there has been widespread belief that particular attention now has to be paid and specific measures have to be taken to limit the use of non-renewable resources.The aim of this thesis is therefore to study and evaluate sustainable alternatives to commonly used building materials, mainly based on ordinary Portland Cement, and find a supportable path to reduce CO2 emissions and promote the re-use of waste materials. More specifically, this research explores different solutions for replacing cementitious binders in distinct application fields, particularly where special and more restricting requirements are needed, such as restoration and conservation of architectural heritage. Emphasis was thus placed on aspects and implications more closely related to the concept of non-invasivity and environmental sustainability. A first part of the research was addressed to the study and development of sustainable inorganic matrices, based on lime putty, for the pre-impregnation and on-site binding of continuous carbon fiber fabrics for structural rehabilitation and heritage restoration. Moreover, with the aim to further limit the exploitation of non-renewable resources, the synthesis of chemically activated silico-aluminate materials, as metakaolin, ladle slag or fly ash, was thus successfully achieved. New sustainable binders were hence proposed as novel building materials, suitable to be used as primary component for construction and repair mortars, as bulk materials in high-temperature applications or as matrices for high-toughness fiber reinforced composites.

New eco-friendly polyesters from renewable resources

Nowadays the development of sustainable polymers, with convenient properties to substitute the traditional petroleum-based materials, is one of the major issues for material science. The utilization of renewable resources as feedstock for biopolyesters is a challenging target.The research work described in the present thesis is strictly connected to these urgent necessities and is focused mainly in finding new biopolymers, in particular biopolyesters, which are obtainable from biomass and characterized by a wide range of properties, in order to potentially substitute polyolefins and aromatic polyesters (for example, poly(ethylene terephthalate))

Problemi di consolidamento di matrici lapidee di differente microstruttura esposte a sollecitazioni ambientali e microclimatiche di varia origine

Questa ricerca presenta i risultati di una indagine volta a verificare la reale efficacia di rinforzo corticale su rocce carbonatiche di differenti caratteristiche mineralogiche, utilizzando consolidanti inorganici in soluzione acquosa quali l’Ossalato Ammonico (AmOX) e il Diammonio Fosfato Acido (DAHP). Le matrici carbonatiche scelte sono quelle del marmo invecchiato e una biomicrite. Sui campioni sono state effettuate indagini (SEM,MIP,XRD,MO,TG-DTA) di caratterizzazione prima e dopo i trattamenti volte a valutare eventuali effetti di rinforzo e misure fisiche di suscettività all’acqua. L’efficacia dei consolidanti inorganici è stata comparata con diversi consolidanti organici e ibridi presenti in commercio ed utilizzati in ambito conservativo. L'efficacia si è mostrata fortemente legata al fabric del materiale e alle modalità di strutturazione del prodotto di neomineralizzazione all’interno della compagine deteriorata. Nel caso del trattamento con AmOx il soluzione acquosa al 4%, la whewellite è l’unica fase di neoformazione riscontrata; la sua crescita avviene con un meccanismo essenzialmente topochimico. Nei materiali carbonatici compatti si possono ottenere solo modesti spessori di coating di neoformazione; per le rocce porose, contenenti difetti come lesioni, pori o micro-fratture, l’efficacia del trattamento può risultare più incisiva. Questo trattamento presenta lo svantaggio legato alla rapidissima formazione dei cristalli di whewellite che tendono a passivare le superfici impedendo la progressione della reazione; il vantaggio è connesso alla facile applicazione in cantiere. Nel caso del DAHP sulla matrice carbonatica trattata, si formano cluster cristallini contenenti specie più o meno stabili alcune riconducibili all’idrossiapatite. La quantità e qualità delle fasi, varia fortemente in funzione della temperatura, pH, pressione con conseguenze interferenza nelle modalità di accrescimento dei cristalli. Il trattamento alla stato attuale appare comunque di notevole interesse ma allo stesso tempo difficilmente applicabile e controllabile nelle reali condizioni operative di un cantiere di restauro.

Autenticazione d’origine, stima della Freshness quality e studio del profilo nutrizionale come elementi fondanti per la valorizzazione dell’alimento ittico

Questa tesi è dedicata alla qualità dell'alimento ittico in tre delle sue possibili accezioni. Dopo aver spiegato il complicato rapporto del consumatore con gli alimenti ittici e come l'Unione Europea abbia cercato di fare chiarezza al riguardo, gli argomenti di discussione saranno: Autenticazione d'origine La polpa di 160 esemplari di spigola (Dicentrachus labrax), suddivisi tra selvatici, allevati intensivamente e allevati estensivamente, provenienti dall'Italia e dall'estero per un totale di 18 fonti indagate, è stati analizzata individualmente per caratterizzarne la componente lipidica, isotopica e minerale e verificare le potenzialità di queste informazioni ai fini della autenticazione di origine in senso lato. Stima della Freshness Quality Numerosi lotti di seppia (Sepia officinalis), nasello (Merluccius merluccius) e triglia di fango (Mullus barbatus) sono stati sottoposti a due possibili modalità di stoccaggio sotto ghiaccio fondente, per indagare come, nell’arco della loro vita commerciale, ne evolvessero importanti connotati chimici (cataboliti dell’ATP e loro rapporti), fisici (proprietà dielettriche dei tessuti) e sensoriali (Quality Index Methods specie-specifici. Studio del profilo nutrizionale La componente lipidica di numerosi lotti di mazzancolla (Penaeus kerathurus), canocchia (Squilla mantis) e seppia (Sepia officinalis) è stata caratterizzata allo stato crudo e dopo cottura secondo tecniche “dedicate” per stabilire il contributo di queste matrici come fonte di acidi grassi polinsaturi della serie omega 3 e per pervenire alla determinazione dei loro coefficienti di ritenzione vera.

Physiological and structural aspects of fruit and vegetable mild processing

Over the past years fruit and vegetable industry has become interested in the application of both osmotic dehydration and vacuum impregnation as mild technologies because of their low temperature and energy requirements. Osmotic dehydration is a partial dewatering process by immersion of cellular tissue in hypertonic solution. The diffusion of water from the vegetable tissue to the solution is usually accompanied by the simultaneous solutes counter-diffusion into the tissue. Vacuum impregnation is a unit operation in which porous products are immersed in a solution and subjected to a two-steps pressure change. The first step (vacuum increase) consists of the reduction of the pressure in a solid-liquid system and the gas in the product pores is expanded, partially flowing out. When the atmospheric pressure is restored (second step), the residual gas in the pores compresses and the external liquid flows into the pores. This unit operation allows introducing specific solutes in the tissue, e.g. antioxidants, pH regulators, preservatives, cryoprotectancts. Fruit and vegetable interact dynamically with the environment and the present study attempts to enhance our understanding on the structural, physico-chemical and metabolic changes of plant tissues upon the application of technological processes (osmotic dehydration and vacuum impregnation), by following a multianalytical approach. Macro (low-frequency nuclear magnetic resonance), micro (light microscopy) and ultrastructural (transmission electron microscopy) measurements combined with textural and differential scanning calorimetry analysis allowed evaluating the effects of individual osmotic dehydration or vacuum impregnation processes on (i) the interaction between air and liquid in real plant tissues, (ii) the plant tissue water state and (iii) the cell compartments. Isothermal calorimetry, respiration and photosynthesis determinations led to investigate the metabolic changes upon the application of osmotic dehydration or vacuum impregnation. The proposed multianalytical approach should enable both better designs of processing technologies and estimations of their effects on tissue.

Sviluppo, ottimizzazione delle prestazioni e caratterizzazione di materiali compositi a matrice amorfa

Durante l'attività di ricerca sono stati sviluppati tre progetti legati allo sviluppo e ottimizzazione di materiali compositi. In particolare, il primo anno, siamo andati a produrre materiali ceramici ultrarefrattari tenacizzati con fibre di carburo di silicio, riuscendo a migliorare il ciclo produttivo e ottenendo un materiale ottimizzato. Durante il secondo anno di attività ci siamo concentrati nello sviluppo di resine epossidiche rinforzate con particelle di elastomeri florurati che rappresentano un nuovo materiale non presente nel mercato utile per applicazioni meccaniche e navali. L'ultimo anno di ricerca è stato svolto presso il laboratorio materiali di Ansaldo Energia dove è stato studiato il comportamenteo di materiali per turbine a gas.

Sintesi, modifica e caratterizzazione di polimeri da fonti rinnovabili

Gli argomenti trattati all’interno di questa tesi di dottorato riguardano la sintesi e la modifica di polimeri ottenuti a partire da fonti rinnovabili. L’acido polilattico (PLA) è stato modificato per ottenere film estensibili per uso alimentare. La scelta del materiale si è basata sull’analisi del suo ciclo di vita e perché è riconosciuto come sicuro per l’utilizzo nel campo alimentare. Le formulazioni testate, a base di PLA, sono state preparate con l’aggiunta di una serie di additivi utilizzati per migliorare le proprietà meccaniche del materiale. La lavorazione è stata eseguita mediante estrusione, ottenendo dei pellet a composizione omogenea successivamente lavorati nell’estrusore a bolla, modalità industriale di produzione dei film estensibili. È stata poi effettuata la sintesi diretta di nuovi poliesteri insaturi a base di dimetil succinato e 1,6-esandiolo. L’insaturazione della catena è stata ottenuta mediante l’uso, durante la sintesi, di derivati dell’olio di ricino, l’acido ricinoleico e il suo derivato insaturo metil undecenoato. Un’altra molecola insatura utilizzata è stata il citronellolo, scelto tra i terpeni. I polimeri così ottenuti sono stati modificati tramite reazioni radicaliche indotte con radiazioni UV utilizzando sostanze antibatteriche (sale 3-esadecil-1-vinilimidazolo bromuro) al fine di ottenere materiali con attività biocida a lungo termine e senza rilascio. Si è proceduto inoltre alla polimerizzazione reversibile di monomeri furanici con oli vegetali utilizzando una strategia di tipo double click. Si è partiti dalla sintesi di monomeri derivanti da oli vegetali contenenti eterocicli furanici attaccati mediante addizione tiol-enica (prima reazione click chemistry) e si è proseguito con la loro successiva polimerizzazione attraverso una reazione di tipo Diels-Alder con molecole con gruppi maleimmidici (seconda reazione click chemistry). I polimeri così ottenuti sono materiali potenzialmente auto-riparanti, grazie alla possibilità di spostare l’equilibrio verso i prodotti o i reagenti semplicemente variando le condizioni di temperatura.

Development of glass-ceramics from combination of industrial wastes together with boron mining waste

The utilization of borate mineral wastes with glass-ceramic technology was first time studied and primarily not investigated combinations of wastes were incorporated into the research. These wastes consist of; soda lime silica glass, meat bone and meal ash and fly ash. In order to investigate possible and relevant application areas in ceramics, kaolin clay, an essential raw material for ceramic industry was also employed in some studied compositions. As a result, three different glass-ceramic articles obtained by using powder sintering method via individual sintering processes. Light weight micro porous glass-ceramic from borate mining waste, meat bone and meal ash and kaolin clay was developed. In some compositions in related study, soda lime silica glass waste was used as an additive providing lightweight structure with a density below 0.45 g/cm3 and a crushing strength of 1.8±0.1 MPa. In another study within the research, compositions respecting the B2O3–P2O5–SiO2 glass-ceramic ternary system were prepared from; borate wastes, meat bone and meal ash and soda lime silica glass waste and sintered up to 950ºC. Low porous, highly crystallized glass-ceramic structures with density ranging between 1.8 ± 0,7 to 2.0 ± 0,3 g/cm3 and tensile strength ranging between 8,0 ± 2 to 15,0 ± 0,5 MPa were achieved. Lastly, diopside - wollastonite (SiO2-Al2O3-CaO )glass-ceramics from borate wastes, fly ash and soda lime silica glass waste were successfully obtained with controlled rapid sintering between 950 and 1050ºC. The wollastonite and diopside crystal sizes were improved by adopting varied combinations of formulations and heating rates. The properties of the obtained materials show; the articles with a uniform pore structure could be useful for thermal and acoustic insulations and can be embedded in lightweight concrete where low porous glass-ceramics can be employed as building blocks or additive in cement and ceramic industries.

Zirconia in dentistry

The above factors emphasize the scope of this thesis for further investigations on zirconia, the improvement of all-ceramic zirconia restorations, and especially the interaction of zirconia and veneering and its influence on the performance of the whole restoration. The introduction, chapter 1, gave a literature overview on zirconia ceramics. In chapter 2, the objective of the study was to evaluate the effect of abrading before and after sintering using alumina-based abrasives on the surface of yttria-tetragonal zirconia polycrystals. Particular attention was paid to the amount of surface stress–assisted phase transformation (tetragonal→monoclinic) and the presence of microcracks. Chapter 3 is based on the idea that the conventional sintering techniques for zirconia based materials, which are commonly used in dental reconstruction, may not provide a uniform heating, with consequent generation of microstructural flaws in the final component. As a consequence of the sintering system, using microwave heating, may represent a viable alternative. The purpose of the study was to compare the dimensional variations and physical and microstructural characteristics of commercial zirconia (Y-TZP), used as a dental restoration material, sintered in conventional and microwave furnaces. Chapter 4 described the effect of sandblasting before and after sintering on the surface roughness of zirconia and the microtensile bond strength of a pressable veneering ceramic to zirconia.