Fibre naturali nel settore dei compositi: confronto fibre di lino vs. fibre di carbonio

I materiali compositi possiedono proprietà funzionali e di resistenza sempre più performanti grazie alla natura dei rinforzanti in fibra di carbonio, i quali però sono caratterizzati da criticità relative al processo di trasformazione altamente energivoro e dispendioso, all’inquinamento collegato alla produzione delle fibre e al trattamento di sizing, nonché alla difficoltà nello stadio di separazione dei costituenti del manufatto composito e del conseguente riciclo. A causa di queste problematiche sono stati introdotti in produzione materiali a matrice epossidica rinforzata con fibre di lino. Lo studio è stato indirizzato verso la caratterizzazione delle materie prime che compongono i manufatti, quindi fibre e semilavorati, mediante analisi termiche dinamiche in DSC e TGA con il fine di determinare la composizione e resistenza dei singoli componenti e la misura della variazione nel comportamento quando sono uniti per comporre i prepreg. Sono state eseguite delle prove di igroscopicità, umidità e densità per ottenere una panoramica precisa sulle differenze nella struttura delle fibre in carbonio e lino che le differenzia in modo apprezzabile. Sono stati laminati compositi reticolati secondo tecnologia in autoclave, le cui proprietà sono state definite mediante prove termiche dinamiche in DSC, TGA, DMA, prove alla fiamma mediante conocalorimetro, prove fisiche di igroscopicità, umidità e densità, prove ottiche al SEM in seguito ad una rottura in trazione. Parte del progetto seguito è stato direzionato all’ottimizzazione del ciclo produttivo in autoclave. La simulazione del nuovo ciclo di cura industriale, RAPID, è stata eseguita per valutare la variazione della Tg finale e il grado di curing, nonché le proprietà termiche e meccaniche già valutate nel ciclo di cura, STANDARD.

Nuovo copolimero multiblocco a base di acido polilattico e acido 2,5-furandicarbossilico 100% biobased e compostabile per packaging sostenibile

Questo progetto di tesi sperimentale è incentrato sulla sintesi di un copolimero multiblocco alifatico/aromatico a partire da reagenti aventi origine da fonti rinnovabili. L’applicazione proposta per il prodotto è nell’ambito del packaging sostenibile. E’ stato prima sintetizzato il poli(pentametilene furanoato) idrossil-terminato (PPeF-OH) a partire dall’acido 2,5-furandicarbossilico; esso è stato poi sottoposto ad una reazione di estensione di catena con acido poli-L-lattico (PLLA) parzialmente depolimerizzato. L’innovativa strategia di sintesi utilizzata è in linea con i principi della green chemistry, partendo da building block bio-based ed evitando l’uso di solventi. Il copolimero finale, definito P(LLA50PeF50)-CE, è stato caratterizzato dal punto di vista molecolare, strutturale e termico attraverso, rispettivamente, analisi NMR e GPC, WAXS, TGA e DSC. Sono state anche effettuate prove a trazione, test delle proprietà barriera e valutazione della compostabilità. I risultati dimostrano che la stabilità termica del PLLA è stata migliorata, determinando anche un allargamento della finestra di processabilità del materiale; la rigidità e la fragilità del PLLA sono state ridotte, rendendo il nuovo materiale idoneo alla realizzazione di film per imballaggi flessibili. La permeabilità all’ossigeno del PLLA è stata migliorata del 40% circa e un analogo miglioramento è stato riscontrato anche rispetto all’anidride carbonica. Infine, la compostabilità del PLLA non è stata compromessa.

Preparazione e caratterizzazione di nuovi nanocompositi elastomerici mediante stampa 3D

Il presente lavoro di tesi si è incentrato sulla preparazione e caratterizzazione di manufatti elastomerici mediante Additive Manufacturing, sfruttabili per l'abbigliamento sportivo. Sono stati studiati diversi parametri di stampa, tra cui la geometria di riempimento, angoli di deposizione, infill e velocità di stampa, al fine di ottenere prestazioni ottimizzate confrontabili con materiali convenzionali. Inoltre sono state utilizzate per lo scopo diverse matrici elastomeriche caratterizzate da differente durezza Shore A. Le proprietà termiche dei manufatti stampati sono state studiate attraverso analisi TGA e DSC. Invece, le prestazioni meccaniche sono state analizzate attraverso DMA, prove di trazione e prove di compressione/espansione. Infine, è stato sviluppato un materiale innovativo nanocomposito al fine di ampliare il campo di utilizzo della FDM. Il materiale è stato caratterizzato tramite le classiche tecniche di analisi termiche e meccaniche.

Produzione di un filamento a base di acido polilattico additivato con rinforzo di origine naturale per additive manufacturing

Scopo dell'elaborato è stato la produzione di un materiale bio-composito formato da PLA ed un rinforzo di origine naturale derivante dal settore agricolo, nell'ottica di diminuire i costi dei manufatti costituiti da tale materiale, riducendo il contenuto di PLA, e rivalorizzare lo scarto di farine in applicazioni di stampa 3D. Inizialmente le farine sono state studiate mediante analisi spettroscopiche (FT-ATR), osservazioni al microscopio ottico e analisi TGA. Dopodiché sono stati prodotti filamenti per stampa 3D di materiale composito al 10% e caratterizzati termicamente (DSC, TGA, Cp) e meccanicamente (DMA). Successivamente alla stampa 3D di questi filamenti, sono stati analizzati comportamenti termici (CTE, DSC) e meccanici (prove di trazione, DMA) dei provini stampati. Si è infine valutata l'influenza del trattamento termico di ricottura sui provini stampati mediante analisi DSC e DMA.

Recupero di fibre di carbonio mediante pirogassificazione per la realizzazione di materiali di seconda generazione verso un modello di economia circolare

Lo scopo del presente elaborato di tesi è quello di ottimizzare il recupero, tramite pirogassificazione, delle fibre di carbonio derivanti da scarti e rifiuti di materiali compositi. Inoltre è stato valutato il riutilizzo delle fibre di carbonio riciclate per la produzione di materiali compositi di seconda generazione. Sono stati investigati diversi agenti di sizing per valutare un eventuale miglioramento dell'adesione fibra-matrice. Sulle singole fibre di carbonio riciclate è stata effettuata la caratterizzazione meccanica (prove a trazione) e morfologica (SEM). Inoltre, i materiali compositi realizzati sono stati caratterizzati meccanicamente (prove a trazione, a flessione e DMA), termicamente (TGA, DSC) e morfologicamente (SEM).

Membrane elettrofilate di cheratina e poli(butilene succinato): effetti della composizione della miscela sulle proprietà chimico-fisiche delle membrane e sulla cinetica di rilascio di farmaci

In ambito biomedicale una delle applicazioni che ad oggi sta riscuotendo un interesse crescente è lo studio di dispositivi performanti per il rilascio controllato di farmaci. La realizzazione di materiali nanofibrosi a base di polimeri di origine naturale e sintetica costituisce una strada molto interessate. In particolare, la cheratina, che può essere ricavata da un’ampia quantità di sottoprodotti delle industrie zootecniche e tessili, presenta ottima biocompatibilità e caratteristiche che le consentono di svolgere il ruolo di carrier per molteplici tipologie di sostanze. La fragilità e la difficile processabilità della cheratina possono essere migliorate mediante miscelazione con polimeri di origine sintetica, come il poli(butilene succinato) (PBS), un poliestere alifatico biodegradabile e biocompatibile, caratterizzato da un buona stabilità termica e da ampia lavorabilità. Nel presente lavoro di Tesi sono state realizzate miscele e membrane elettrofilate a base di PBS e cheratina a diversa composizione, ed è stato valutato l'effetto della composizione sulle proprietà chimico-fisiche delle membrane elettrofilate e sulla cinetica di rilascio di farmaci. Per prima cosa è stata analizzata la stabilità della cheratina nel solvente; sono state quindi svolte analisi sul comportamento reologico delle miscele in tre rapporti di peso ed i tappetini elettrofilati sono stati caratterizzati da un punto di vista morfologico (SEM), termico (TGA e DSC) e meccanico (prove di trazione e di adesione). Le prove di rilascio sono state effettuate impiegando rodamina, una molecola modello, e le membrane sono state analizzate prima e dopo il rilascio tramite FTIR, per valutare eventuali variazioni compositive. Dai risultati ottenuti, emerge che è stato possibile modulare sia le proprietà delle membrane sia i profili di rilascio, agendo semplicemente sulla composizione delle miscele, ad indicare un’ampia versatilità per applicazioni in ambito di rilascio controllato di farmaco.

Studio di compositi per stampa 3D a matrice termoplastica rinforzati con fibre di carbonio riciclate

In questo lavoro di tirocinio si sono caratterizzati compositi a matrice termoplastica rinforzati con fibre di carbonio. Le fibre di carbonio impiegate per le differenti formulazioni sono fibre vergini e fibre ottenute tramite un processo di piro-gassificazione di compositi di scarto, quindi riciclate. Questo progetto di ricerca ha come obiettivo quello di validare l’utilizzo delle fibre di carbonio riciclate, per l’ottenimento di compositi per stampa 3D, andando a confrontare le proprietà dei compositi con fibre vergini. Come matrici termoplastiche si è scelto di utilizzare l’acido polilattico (PLA) che è uno dei materiali più comunemente impiegati per la stampa 3D, e polipropilene (PP) che essendo facilmente riciclabile potrebbe portare alla formulazione di un materiale composito interamente da riciclo. Le proprietà termiche sono state determinate mediante analisi DSC e TGA ed è stato determinato il CTE dei materiali. Le proprietà meccaniche sono state analizzate attraverso DMA e prove di trazione.

Studio sperimentale di barriere di sicurezza integrate e delle opere di sostegno

Il problema del rumore derivante dai volumi di traffico sempre crescente richiede la ricerca di svariate soluzioni, tra cui l'installazione di barriere di sicurezza e antirumore, definite anche integrate. La tesi, svolta in collaborazione con Piacentini Ingegneri srl, dopo un primo inquadramento del problema dei livelli di rumore eccessivi e dei limiti imposti da normativa, descrive le possibili soluzioni trovate nel tempo e in corso di ricerca. Vengono dunque descritte nel dettaglio le barriere integrate, specialmente quelle trovate nei tratti autostradali di Genova e Milano nel corso del tirocinio svolto presso Piacentini Ingegneri srl. È stata eseguita una modellazione FEM delle barriere Integauto-s e diverse prove sperimentali sui new jersey e sulle opere di supporto alle barriere (pull-out, carotaggi, prove a trazione, ecc). Dai certificati delle prove si ricavano i parametri di resistenza degli elementi (barriera e cordoli di sostegno) grazie ai quali, in aggiunta alla documentazione originale fornita da Autostrade per l'Italia, si raggiunge il Livello di Conoscenza accurato, il massimo possibile: LC3. Ciò è indispensabile per rispettare la procedura per il rialzamento delle barriere integrate concordate tra le 2 società sopracitate. Quindi, si procede con le verifiche delle barriere e delle opere di supporto alle barriere (cordolo su terreno, cordolo con micropali o pali, cordolo su opera d'arte esistente, pile da ponte). L'intera tesi è finalizzata alla definizione delle altezze delle barriere integrate, in quanto per motivi di sicurezza erano state abbassate. I calcoli strutturali, la modellazione FEM e le prove condotte hanno portato alla conoscenza massima possibile delle seguenti barriere: Integauto-s, NJBP C1.2 Martellona, e NJBP Ecotecnica (trovate nei tratti autostradali oggetto di rialzamento).

Progettazione di un sistema di taratura per dispositivi di misura delle tensioni residue mediante hole-drilling

Nel seguente elaborato è stato sviluppato un metodo di validazione per dispositivi di misura delle tensioni residue mediante la tecnica dell'hole drilling. Esso si basa sul confronto tra tensioni residue ottenute per via teorica e sperimentale su un provino soggetto a carico imposto. Inizialmente si è proceduto attraverso lo studio della normativa di riferimento ASTM E837-20. In essa viene definito il metodo sperimentale di esecuzione dei test di hole drilling e di calcolo delle tensioni residue. In seguito è stata progettata un'attrezzatura di prova in grado di indurre un gradiente di tensione noto nello spessore del provino sollecitato. L'attrezzatura di prova in questione è stata verificata sia mediante calcoli numerici, che mediante software di simulazione agli elementi finiti. La fase di prototipazione seguente ha consentito di realizzare l'attrezzatura necessaria per l'esecuzione dei test sperimentali. Le forature sono state effettuate prima su provini scarichi, al solo scopo di scongiurare la presenza di tensioni residue e, in seguito, su provini soggetti a momento flettente noto. Le deformazioni ottenute tramite le letture degli estensimetri sono state impiegate per il calcolo delle tensioni secondo normativa ASTM E837-20. infine è stato possibile valutare l'efficacia del metodo paragonando tali risultati con quelli teorici.

Aspetti microstrutturali, proprietà meccaniche e ottimizzazione del trattamento termico di un acciaio inossidabile PH processato con laser powder bed fusion

L’attività di ricerca svolta in questa tesi ha riguardato gli aspetti microstrutturali, le proprietà meccaniche e l’ottimizzazione del trattamento termico di un acciaio inossidabile indurente per precipitazione processato mediante tecnologia additiva Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). I provini, realizzati presso il competence center Bi-REX (Bologna) e lavorati presso il laboratorio di Metallurgia del DIN, sono stati oggetto di vari trattamenti termici sperimentali in cui è stata fatta variare la temperatura e la durata di mantenimento in forno, al fine di identificare la combinazione ottimale di temperatura e tempo sia per la fase di solubilizzazione che di invecchiamento. Nello specifico, la scelta dei parametri di solubilizzazione e invecchiamento è stata fatta solo sulla base dei trend di durezza. Da queste attività sono stati scelti i parametri di trattamento che garantissero elevata durezza, prossima alla massima ottenibile, senza durate di invecchiamento eccessive. L'esito della sperimentazione ha permesso di ridurre sensibilmente temperatura e durata di solubilizzazione rispetto al trattamento benchmark senza penalizzazione della durezza risultante. Dopodiché è stata eseguita una caratterizzazione microstrutturale e meccanica dell’acciaio, in termini di durezza, trazione e resilienza, per confrontare il trattamento termico ottimizzato con la condizione As-Built (AB) e con il trattamento termico standard indicato dal produttore. L’elevata durezza misurata dopo invecchiamento si deve alla presenza di precipitati di rinforzo in grado di ostacolare il moto delle dislocazioni. Le prove meccaniche hanno confermato l’ottenimento di elevata resistenza a snervamento e a trazione, superiore al benchmark, ma di un basso allungamento a rottura e bassissima resilienza a causa di difetti quali porosità, mancate fusioni e spattering. Infine, lo studio delle superfici di frattura ha permesso di analizzare i meccanismi di rottura dei campioni di trazione e resilienza.

Sviluppo di biocompositi rinforzati con fibre naturali

Negli ultimi anni sta diventando sempre più insistente la necessità di sviluppare nuovi materiali in grado di sostituire le comuni plastiche derivanti dal petrolio con bioplastiche ottenute da biopolimeri che spesso vengono rinforzate mediante riutilizzo di scarti agricoli, come fibre di bambù, in grado di conferire proprietà meccaniche migliori, dando vita ai biocompositi. In particolare, una delle risorse rinnovabili più promettenti al giorno d'oggi è la cellulosa, come quella contenuta nella fibra di bambù, che, usata come filler rinforzante, permette di ottenere biocompositi con caratteristiche meccaniche e termiche migliori rispetto alle matrici polimeriche pure tipo PHB e PLA. Questa nuova generazione di biocompositi può essere vista come evoluzione dei vecchi compositi e punta l’attenzione alla sostenibilità ed ecoefficienza ponendosi sul mercato come prodotti sostenibili, ecologici e competitivi, utilizzabili in svariati ambiti, dal packaging alimentare ai complementi d’arredo, dall’automotive all’edilizia, dall’industria tessile alle applicazioni biomedicali. Lo scopo di questo lavoro di Tesi è stato quello di realizzare e caratterizzare dal punto di vista termico e meccanico biocompositi a base di PLA con tre percentuali crescenti di filler naturale ed a base di PHB con le stesse percentuali di filler. I sei biocompositi sono stati realizzati tramite plastografo Brabender. In seguito, sono state effettuate le seguenti prove: 1) Calorimetria a scansione differenziale (DSC); 2) Stampaggio ad iniezione per la realizzazione dei campioni secondo la normativa; 3) Prove di trazione, al fine di capire se il filler avesse modificato il modulo di Young e l’allungamento a rottura della matrice pura; 4) Prove di impatto, effettuate per studiare la tenacità del materiale al variare delle diverse percentuali di filler; 5) Microscopio a scansione elettronica (SEM), con lo scopo di osservare l’adesione matrice-filler.

Analisi delle prestazioni tecnico-meccaniche di polimeri rigenerati

Il progetto alla base della presente tesi è stato sviluppato all’interno di Raviplast, società cooperativa nata nel 2013 dall’intenzione di un gruppo di lavoratori e tecnici di grande professionalità di dare seguito ad una lunga storia industriale. Raviplast si occupa della produzione di imballaggi flessibili in polietilene a bassa densità (LDPE), in particolare sacchi collati, saldati, a valvola, a tasca, a bocca aperta, tubolari e cappucci monopiega. L’intera gamma di prodotti viene ottenuta attraverso un unico processo industriale cioè la co-estrusione a bolla di film. All’interno di questo elaborato di tesi verrà descritto come le proprietà meccaniche, termiche e chimiche di prodotti formati da polietilene a bassa densità vergine differiscano rispetto a quelle di un prodotto con percentuale di polietilene a bassa densità riciclato crescente. Nel corso dell’esperienza sono state indagate le caratteristiche del granulo di polimero vergine riciclato per verificare l’omogeneità di proprietà come temperatura di fusione, densità e melt flow index (MFI), e poter operare al meglio la produzione. Sul prodotto finito, sia vergine che rigenerato, sono state testate la trazione longitudinale e trasversale al dinamometro, la temperatura di fusione tramite calorimetria differenziale a scansione (DSC) e prove ad impatto tramite caduta di dardo. Le proprietà indagate sono state confrontate per valutare con occhio critico quali accorgimenti adottare nel corso della produzione.

Analisi fem, simulazione e sperimentazione di un azionamento brushless con convertitore boost integrato per DC fast charge

L'elaborato analizza il funzionamento di un integrated boost converter, operante come sistema di interfaccia per la ricarica di un veicolo elettrico operante a 800V con la colonnina di ricarica a 400V. Il convertitore utilizza le fasi dell'azionamento di trazione come induttanze di filtro. Mediante un’analisi agli elementi finiti sono stati estratti i parametri del motore elettrico di un veicolo stradale operante a 800V. Il funzionamento del convertitore è studiato in ciascuna delle configurazioni proposte in ambiente Simulink. Poi, sono state individuate le posizioni che permettono il funzionamento ottimale del sistema ed infine sono state eseguite le prove a banco per verificare le previsioni dei modelli matematici dell'integrated boost converter. Si è quindi ottenuta una configurazione dell'azionamento a bordo del veicolo che permette il trasferimento di energia tra batteria e colonnina di ricarica a tensione inferiore, seppur siano richiesti sviluppi futuri per poter avere una ricarica completa della batteria.

Sviluppo di un modello previsionale del comportamento magnetico di leghe Fe-Si

Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di implementare un modello previsionale del comportamento magnetico di leghe Fe-Si in regime statico e dinamico, mediante l’identificazione e l’ottimizzazione dei parametri caratteristici del modello di Jiles-Atherton. Tale fine è stato perseguito attraverso l’uso del software di calcolo Matlab-Simulink. Il modello, validato mediante i dati reperibili in letteratura, permette di simulare la curva di prima magnetizzazione e il ciclo di isteresi per materiali ferromagnetici soft mediante la conoscenza di un set limitato di dati sperimentali ricavabili dalle prove magnetiche. Il modello è stato impiegato per eseguire la simulazione anche su campioni prodotti industrialmente in acciaio al silicio a grano non orientato forniti allo stato fully-processed M470-50A preventivamente sottoposti a caratterizzazione microstrutturale, mediante microscopia ottica, elettronica e analisi EBSD, e meccanica, attraverso le prove di trazione. I risultati ottenuti dalla simulazione presentano ottimale accuratezza, in particolar modo nel caso statico sia in termini di estrazione dei parametri sia di definizione del ciclo; risulta ancora da migliorare ulteriormente il grafico in frequenza. Al fine di rendere fruibile il modello realizzato è stata progettata una Graphical User Interface. Nell’ottica di una mobilità green in accordo con gli obiettivi globali, l’implementazione del presente modello pone quindi le basi per uno studio futuro del comportamento dei materiali magnetici per la realizzazione di motori elettrici sempre più performanti in funzione dei parametri di produzione e delle condizioni di utilizzo, aspetti che incidono notevolmente sulle proprietà di tale materiale.