Formulazione e caratterizzazione di idropitture con materie prime “Bio-Based”

The market for paint products with raw materials derived from renewable sources is growing rapidly in the building industry. When high performance in wet scrub resistance is required, “washable” paints are used. However, formulating products with Bio-Based raw materials generally results in a decrease in performances compared to similar products with raw materials from fossil sources. Therefore, a new formulation approach is needed to characterize polymeric binders from renewable sources and to consider the synergistic effects given by blends of polymeric binders of different origin and chemical structure. To date, the development of new formulations that imply less environmental impact is necessary if these products have to remain competitive in the marketplace. During the trainingship in IVAS S.p.A., washable paints with different PVC (Pigment Volume Concentration) were formulated and tested, evaluating whether the performance of paints with polymeric binders obtained from renewable sources was comparable to those with polymeric binders from fossil sources. The binders were chemically characterized by DSC, FT-IR and NMR analysis. Characterization tests of paints were focused on the evaluation of degree of whiteness, hiding power, dirt setting, and wet scrub resistance. Following the results obtained from the available binder combinations, it was possible to formulate two washable paints with comparable performances to those from fossil sources: paint A with 20 % of alkydic polymer and 80 % styrene/acrylic polymer and paint B with 40 % of alkydic polymer and 60 % styrene/acrylic polymer. Finally, the formulation was completed by adding the mainly Bio-Based derived additives generally used for this category of paints.

Preparazione di una resina epossidica bio-based e studio delle relative proprietà

Epoxy resins are very diffused materials due to their high added value deriving from high mechanical proprieties and thermal resistance; for this reason they are widely used both as metallic coatings in aerospace and in food packaging. However, their preparation uses dangerous reagents like bisphenol A and epichlorohydrin respectively classified as suspected of causing damage to fertility and to be carcinogen. Therefore, to satisfy the ever-growing attention to environmental problems and human safeness, we are considering alternative “green” processes through the use of reagents obtained as by-products from other processes and mild experimental conditions, and also economically sustainable and attractive for industries. Following previous results, we carried out the reaction leading to the formation of diphenolic acid (DPA), its allylation and the following epoxidation of the double bonds, all in aqueous solvent. In a second step the obtained product were cross-linked at high temperature with and without the use of hardeners. Then, on the obtained resin, some tests were performed like release in aqueous solution, scratch test and DSC analysis.

Development and scale-up studies of bio-based poly(ester-amide)s

Plastics are polymers of conventional and extensive use in our day-to-day life. This is due to their light weight, adaptability to different uses and low prices. A downside of such extensive use is the environmental pollution arising from plastic production and disposal. Indeed, many commodity polymers are produced from non-renewable resources while other do not bio-degrade after their end-of-life disposal. Consequently, the ideal polymer comes from renewable raw materials and bio-degrades after its disposal, meaning that it would do little or no harm to the environment from the beginning to the end of its life cycle. In this thesis project a class of bio-based and bio-degradable co-polymers, namely poly(ester-amide)s, was investigated because of their tunable mechanical and bio-degradation properties as well as their renewable origin. Such polymers were synthetized and characterized thermically and mechanically. Furthermore, a scale-up procedure was developed and applied to one polymer and processing trials were made with the material obtained after scale-up.

Sostituzione dell'epicloridrina con derivati del glicerolo nella preparazione di prepolimeri per resine epossidiche bio-based.

La recente e innovativa filosofia della green chemistry che si sta diffondendo nell’industria chimica e l’incombente esaurimento di risorse fossili, stanno indirizzando la ricerca del settore chimico verso la realizzazione di processi sempre più sostenibili. Tra i processi che necessitano maggiormente di questi cambiamenti, vi è quello della produzione di resine epossidiche che per il 90% è costituito attualmente da resine a base di bisfenolo-A, neuro tossico e pericoloso per la riproduzione umana, ed epicloridrina cancerogena; entrambi ottenuti da risorse fossili. Per tali motivi, in questo elaborato si è cercato di sviluppare un processo di sintesi il più possibile “green”, per l’ottenimento di una molecola derivante da risorse rinnovabili, da sostituire all’epicloridrina nella sintesi di prepolimeri per resine epossidiche bio-based. Lo sviluppo del lavoro è avvenuto tramite lo studio dei reagenti, solventi e parametri operativi, ottenendo il glicidil tosilato a partire da glicerolo e tosil cloruro attraverso una reazione in sistema bifasico, semplice dal punto di vista pratico e senza l’utilizzo di composti tossici. Il glicidil tosilato è meno problematico in quanto meno volatile rispetto all’epicloridrina, ed inoltre le prove di reazione con il bisfenolo-A hanno portato all’ottenimento del prepolimero con rese maggiori rispetto a quelle ottenute nelle stesse condizioni con epicloridrina.

Nuovi copoliesteri multiblocco bio-based per applicazioni biomedicali: Correlazioni proprieta-struttura.

Sintesi e caratterizzazione di nuovi poliesteri alifatici per uso biomedicale.

Resine bio-based da oli vegetali: applicazioni industriali in prodotti vernicianti rinnovabili a basso impatto ambientale

La tesi riguarda lo studio di resine polimeriche derivanti da oli vegetali, impiegabili come leganti nei prodotti vernicianti per l’edilizia ed altri settori. I prodotti vernicianti plant-based sono stati confrontati con altri prodotti attualmente commercializzati, provenienti da fonti fossili. Considerata la produzione ingente dei prodotti vernicianti su base mondiale (8,31 kg/persona) sarebbe determinante impiegare delle fonti rinnovabili per garantirne una produzione sostenibile, diminuendo l’inquinamento, ritardando l’esaurimento del petrolio e riducendo le emissioni di CO2 e di conseguenza l’effetto serra ed il cambiamento climatico. Sono state trattate, quindi, alcune vie di sintesi “green” di leganti poliuretanici ed epossidici per prodotti vernicianti ad elevate prestazioni. Gli oli vegetali sono stati scelti come materie prime in quanto relativamente economici e disponibili in grandi quantità, risultando adatti per produzioni su scala industriale. Sono inoltre riportati i metodi di formulazione di uno smalto opaco bio-based per esterni (ad es. infissi e staccionate) e una vernice opaca per parquet (interni). Le formulazioni sperimentali sono state poi caratterizzate e confrontate con altri prodotti fossil-based presenti in commercio. I prodotti vernicianti sono stati sottoposti a test di brillantezza (gloss), adesione, presa di sporco, durezza, resistenza all’abrasione e resistenza chimica.

Extraction of antioxidants from corn by-products for applications in bio-based polymer matrices

The objective of this dissertation is the evaluation of the exploitability of corn cobs as natural additives for bio-based polymer matrices, in order to hone their properties while keeping the fundamental quality of being fully bio-derived. The first part of the project has the purpose of finding the best solvent and conditions to extract antioxidants and anti-degrading molecules from corn cobs, exploiting room and high-temperature processes, traditional and advanced extraction methods, as well as polar and nonpolar solvents. The extracts in their entirety are then analysed to evaluate their antioxidant content, in order to select the conditions able to maximise their anti-degrading properties. The second part of the project, instead, focuses on assessing chemical and physical properties of the best-behaving extract when inserted in a polymeric matrix. To achieve this, low-density polyethylene (LDPE) and poly (butylene succinate – co – adipate) (PBSA) are employed. These samples are obtained through extrusion and are subsequently characterised exploiting the DSC equipment and a sinusoidally oscillating rheometer. In addition, extruded polymeric matrices are subjected to thermal and photo ageing, in order to identify their behaviour after different forms of degradation and to assess their performances with respect to synthetically produced anti-degrading additives.

Teos-based consolidants for stone conservation: evaluation of the effects and testing by x-ray imaging

Natural stones have been widely used in the construction field since antiquity. Building materials undergo decay processes due to mechanical,chemical, physical and biological causes that can act together. Therefore an interdisciplinary approach is required in order to understand the interaction between the stone and the surrounding environment. Utilization of buildings, inadequate restoration activities and in general anthropogenic weathering factors may contribute to this degradation process. For this reasons, in the last few decades new technologies and techniques have been developed and introduced in the restoration field. Consolidants are largely used in restoration and conservation of cultural heritage in order to improve the internal cohesion and to reduce the weathering rate of building materials. It is important to define the penetration depth of a consolidant for determining its efficacy. Impregnation mainly depends on the microstructure of the stone (i.e. porosity) and on the properties of the product itself. Throughout this study, tetraethoxysilane (TEOS) applied on globigerina limestone samples has been chosen as object of investigation. After hydrolysis and condensation, TEOS deposits silica gel inside the pores, improving the cohesion of the grains. X-ray computed tomography has been used to characterize the internal structure of the limestone samples,treated and untreated with a TEOS-based consolidant. The aim of this work is to investigate the penetration depth and the distribution of the TEOS inside the porosity, using both traditional approaches and advanced X-ray tomographic techniques, the latter allowing the internal visualization in three dimensions of the materials. Fluid transport properties and porosity have been studied both at macroscopic scale, by means of capillary uptake tests and radiography, and at microscopic scale,investigated with X-ray Tomographic Microscopy (XTM). This allows identifying changes in the porosity, by comparison of the images before and after the treatment, and locating the consolidant inside the stone. Tests were initially run at University of Bologna, where characterization of the stone was carried out. Then the research continued in Switzerland: X-ray tomography and radiography were performed at Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, while XTM measurements with synchrotron radiation were run at Paul Scherrer Institute in Villigen.

Natural Wax-Based Water Vapour Barrier Coatings on PLA for MAP Food Packaging

PLA is a bio-based polymer that is obtained from renewable resources and it is very promising for a sustainable packaging manufacturing. However, its gas and vapour barrier properties are not enough to comply with the requirements of MAP packaging of fresh foods, which need specific concentration of water and oxygen to avoid spoilage and to keep the organoleptic properties unaltered throughout their shelf-life. The use of waxes from natural renewable sources such as plants (e.g., candelilla wax, carnauba wax, rice bran wax, sunflower wax) or animals (e.g., beeswax) could tackle down the permeation of water vapour through the packaging without affecting its bio-based content. The core of this work is developing wax-based coatings with enhanced thermo-mechanical properties so that they can undergo thermoforming and a proper adhesion to the PLA substrate can be ensured. Chemical modifications and crosslinking of waxes are performed to produce wax-based alkyd resins. The synthesised materials are characterised both by DSC and FTIR. Films of the wax-based alkyds are produced in order to assess their water vapour permeability.

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.

Polyhydroxyalkanoates production from salted food waste using mixed microbial cultures.

Plastic is an essential asset for the modern lifestyle, given its superiority as a material from the points of view of cost, processability and functional properties. However, plastic-related environmental pollution has become nowadays a very significant problem that can no longer be overlooked. For this reason, in recent decades, the research for new materials that could replace fossil fuel-based plastics has been focused on biopolymers with similar physicochemical properties to fossil fuel-based plastics, such as Polyhydroxyalkanoates (PHA). PHAs are a family of biodegradable polyesters synthesized by many microorganisms as carbon and energy reserves. PHA appears as a good candidate to substitute conventional petroleum-based plastics since it has similar properties, but with the advantage of being biobased and biodegradable, and has a wide range of applications (e.g., packaging). However, the PHA production cost is almost four times higher (€5/kg) than conventional plastic manufacturing. The PHA production by mixed microbial cultures (MMC) allows to reduce production costs as it does not require aseptic conditions and it enables the use of inexpensive by-products or waste streams as these cultures are more amenable to deal with complex feedstocks. Saline wastewaters (WWs), generated by several industries such as seafood, leather and dairy, are often rich in organic compounds and, due to a strong salt inhibition, the biological treatments are inefficient, and their disposal is expensive. These saline WWs are a potential feedstock for PHA production, as they are an inexpensive raw material. Moreover, saline WWs could allow the utilization of seawater in the process as dilution and cleaning agent, further decreasing the operational costs and the environmental burden of the process. The main goal of the current project is to assess and optimize the PHA production from a mixture of food waste and brine wastewater from the fishery industry by MMC.

Nuove procedure sintetiche sostenibili per la preparazione di strutture poliuretaniche

Questo lavoro di tesi si inserisce in un contesto di ricerca molto attuale, il quale, studia nuove procedure sintetiche sostenibili per la preparazione di strutture poliuretaniche. Partendo dall’etilene carbonato e dall’esametilendiammina, due molecole che possono essere ricavate da fonti rinnovabili, sono state ottimizzate la sintesi e la purificazione di un carbammato: bis(2-idrossietil)-esan-1,6-diildicarbammato (BHEDC), senza l’impiego di solventi ed in condizioni blande. Il BHEDC è conosciuto in letteratura, ma è poco studiato e non viene attualmente utilizzato come monomero. In questo lavoro il bis(2-idrossietil)-esan-1,6-diildicarbammato è stato polimerizzato in massa con diverse percentuali di bis(2-idrossietil)-tereftalato (BHET), il quale non è ricavabile da fonti naturali ma è ottenibile dal riciclo chimico del Poli-Etilene Tereftalato (PET). Sono state successivamente analizzate la struttura chimica e le proprietà termiche nonché spettroscopiche dei nuovi composti poliuretanici, così da poterne definire le correlazioni tra la struttura e le prestazioni finali. Infine, è stata messa a punto una procedura di tipo one-pot per la preparazione dei poliuretani sopra citati; questa prevede la sintesi diretta dei polimeri senza la necessità dello stadio di purificazione del bis(2-idrossietil)-esan-1,6-diildicarbammato.

Valutazione dell’adenina come indurente da fonte rinnovabile per resine epossidiche commerciali e per la produzione di materiali compositi

Le resine più utilizzate industrialmente per la produzione di materiali compositi sono quelle epossidiche a base di diglicidil etere del bisfenolo A. Tipicamente, a livello industriale vengono utilizzate diammine sintetizzate da precursori tossici per l’ambiente e per l’uomo. Prendendo atto dell’intrinseca pericolosità di questi sistemi, sono state valutate delle alternative per rendere il processo di produzione dei materiali compositi più sostenibile e sensibile verso l’ambiente e la salute degli operatori. Questo progetto di tesi di laurea sperimentale è il proseguimento di un lavoro precedentemente svolto dal gruppo di ricerca che ha individuato l’adenina come un’alternativa non tossica e bio-based agli attuali agenti reticolanti. Nel presente lavoro di tesi, sono stati effettuati studi di formulazione e reticolazione dell’adenina con resine epossidiche commerciali da infusione e da impregnazione già utilizzate a livello industriale. L’obbiettivò è stato quello di ottenere formulati di resina e adenina capaci di dare un prodotto completamente reticolato, utilizzabile commercialmente e con elevati valori di Tg. Le formulazioni più promettenti così ottenute per ogni tipo di resina sono state utilizzate insieme a fibre di carbonio (vergini e riciclate), fibre di lino e di juta per la produzione di materiali compositi a fibra corta. Le formulazioni di resina e i compositi ottenuti sono stati caratterizzati mediante Analisi Termogravimetrica (TGA), Calorimetria Differenziale a Scansione (DSC) e Analisi Dinamico Meccanica (DMA).

Studio dell’adenina come indurente per resine epossidiche e produzione di materiali compositi da fonti rinnovabili

A causa di una maggiore preoccupazione ambientale, la ricerca si sta muovendo verso lo sviluppo di nuovi prodotti bio-based. Il progetto è stato incentrato sulla possibilità di produrre materiali compositi utilizzando un sistema resina-indurente interamente ottenuto da fonti rinnovabili con fibre naturali totalmente green e sintetiche. In particolare, è stata studiata la possibilità di utilizzare l’adenina, una molecola atossica e derivante da fonte rinnovabile, per la produzione di compositi con fibre di lino, juta, carbonio vergine e riciclato con resina epossidica da fonte bio. In particolare è stato ottimizzato il ciclo di cura e sono state caratterizzate le proprietà termiche e meccaniche dei materiali prodotti mediante analisi DSC (Differential Scanning Calorimetry), DMA (Dynamic Mechanical Analysis) e TGA (Termo-Gravimetric-Analysis). Per comprendere meglio la reticolazione delle resine epossidiche, si è studiato il meccanismo di reazione tra l’adenina e un precursore epossidico attraverso spettroscopia 1H-NMR (Nuclear Magnetic Resonance).

Produzione di poliidrossialcanoati mediante la tecnologia B-PLAS

L’impianto B-PLAS si prepone l’obiettivo di convertire fanghi di depurazione di origine agroalimentare in una bioplastica completamente bio-based e biodegradabile: i poliidrossialcanoati (PHA). La produzione di PHA in questo contesto, si basa sull’integrazione di tecnologie dal diverso grado di maturità industriale: carbonizzazione idrotermale (HTC), digestione anerobica, produzione di PHA tramite colture microbiche miste (MMC) e sua estrazione. Lo scopo del presente lavoro è consistito nel monitoraggio di tale impianto in tutte le sue unità di processo ed in tutte le sue fasi di produzione, valutandone l’efficienza attraverso lo studio di parametri indicativi, con particolare attenzione al COD: parametro che indica la frazione di carbonio organico disponibile per i microorganismi sia anaerobici che aerobici, ed è quindi strettamente correlato alle rese globali di processo. Il PHA ottenuto da tale impianto è stato estratto e sottoposto a caratterizzazione mediante determinazione del peso molecolare e delle proprietà termiche, caratteristiche di particolare interesse per la definizione dell’applicabilità commerciale dello stesso. Infine, è stato realizzato uno studio comparativo per la valutazione della biodegradabilità aerobica ed anaerobica del polimero ottenuto dall’impianto B-PLAS, il poliidrossibutirrato (PHB), posta a confronto con la biodegradabilità di altri biopoliesteri quali: polibutileneadipato-co-tereftalato (PBAT), policaprolattone (PCL) e acido polilattico (PLA).