Fracture toughness characterization of aluminium-epoxy adhesive joints reinforced with electrospun Nylon 6,6 nanofibers

The use of adhesives to join two different substrates is an efficient replacement to classic joining technologies such as welding and soldering. One the one hand adhesion has different advantages over those techniques such as an improved stress distribution and the potential weight reduction of the structure; on the other hand, two of the most important drawbacks are a relatively low fracture toughness and the need of an accurate surface preparation. These two aspects will be accurately analysed in the present work: the use of Nylon nanofibers as reinforcement for the adhesive should increase fracture toughness, while a surface preparation method consisting of mechanical and chemical treatments will be developed. After the specimens are produced, they will be tested in mode I fracture using a DCB (Double Beam Cantilever) test, which allows to measure the fracture toughness during crack propagation. At the end of the test, the surfaces of the adherends will be visually observed and SEM (Scanning Electronic Microscope) analysed in order to evaluate if adhesive or cohesive fracture occurred, and thus if surface treatments has been well developed to allow a better adhesive-aluminium joining.

L'influenza di nanofibre di nylon sulla tenacità a frattura di un incollaggio

L’obiettivo di questa tesi è la valutazione dell’influenza nell’incollaggio di aderendi di alluminio di un tappetino di nanofibre nylon 6.6 utilizzato come carrier della resina, mediante prove DCB. Dopo una prima fase di studio degli argomenti di base, è stato predisposto un piano delle attività comprendente il dimensionamento e la realizzazione dei provini e dell'attrezzatura per l'incollaggio, la produzione dei nanotappetini, la tenacizzazione dell'adesivo, l'incollaggio e infine la realizzazione delle prove DCB. Successivamente sono stati elaborati i dati forniti dalle prove e confrontati i valori della tenacità a frattura dei giunti realizzati con e senza l'inserimento dei nanotappetini.

Experimental analysis of fiber reinforced cementitious matrix (FRCM) confined masonry columns

The increasing use of Fiber Reinforced methods for strengthening existing brick masonry walls and columns, especially for the rehabilitation of historical buildings, has generated considerable research interest in understanding the failure mechanism in such systems. This dissertation is aimed to provide a basic understanding of the behavior of solid brick masonry walls unwrapped and wrapped with Fiber Reinforced Cementitious Matrix Composites. This is a new type of composite material, commonly known as FRCM, featuring a cementitious inorganic matrix (binder) instead of the more common epoxy one. The influence of the FRCM-reinforcement on the load-carrying capacity and strain distribution during compression test will be investigated using a full-field optical technique known as Digital Image Correlation. Compression test were carried on 6 clay bricks columns and on 7 clay brick walls in three different configuration, casted using bricks scaled respect the first one with a ratio 1:2, in order to determinate the effects of FRCM reinforcement. The goal of the experimental program is to understand how the behavior of brick masonry will be improved by the FRCM-wrapping. The results indicate that there is an arching action zone represented in the form of a parabola with a varying shape according to the used configuration. The area under the parabolas is considered as ineffectively confined. The effectively confined area is assumed to occur within the region where the arching action had been fully developed.

Studio di nuovi processi catalitici per la sintesi di acido adipico

L’acido adipico (AA) è un importante intermedio chimico prodotto in quantità pari a circa tre milioni di tonnellate annue, i cui usi riguardano principalmente la produzione di Nylon-6,6. Tutti i processi industriali odierni per la produzione dell’AA hanno in comune lo stadio finale di ossidazione con acido nitrico dell’ultimo intermedio di sintesi, che in genere è una miscela di cicloesanolo e cicloesanone (KA Oil). Esistono diversi problemi riguardanti questo processo, come la pericolosità che deriva dall’uso di acido nitrico concentrato. Dal punto di vista ambientale, il problema principale riguarda la produzione di protossido di azoto e di altri ossidi di azoto durante l’ultima fase di ossidazione con HNO3, per questo motivo, tutte le aziende che producono AA devono essere munite per legge di sistemi di abbattimento quantitativi o di recupero degli ossidi di azoto, che però risultano essere molto incisivi sul costo del processo. A livello industriale, quindi, il problema riguarda principalmente la sostenibilità economica, ma poiché queste procedure hanno un prezzo in termini di materiali ed energia, si ha anche un forte legame con la sostenibilità ambientale. Gli studi riguardanti nuovi processi per la produzione di AA sono numerosi; alcuni hanno portato a vie più “green”, ma solo pochi esempi sono veramente sostenibili dal punto di vista sia ambientale che economico. Il presente lavoro di tesi è diviso in due parti, entrambe riguardanti vie di sintesi alternative per la produzione di AA. La prima parte riguarda lo studio del secondo passaggio di una via di sintesi in due step che parte da cicloesene e che ha come intermedio l’1,2-cicloesandiolo.Sono stati provati catalizzatori eterogenei a base di nanoparticelle di Au supportate su MgO per il cleavage ossidativo in fase liquida del diolo con O2 in ambiente basico. La seconda parte invece riguarda il processo di sintesi dell’AA a partire da cicloesanone mediante l’ossidazione con perossido di idrogeno a e- caprolattone e la successiva ossidazione ad AA. Nello specifico, è stato studiato il meccanismo di reazione del primo passaggio in quanto evidenze sperimentali ottenute nel corso di lavori precedenti avevano dimostrato la presenza di un cammino di reazione differente da quello tipico per un’ossidazione di Baeyer-Villiger. In questa parte, si è studiato l’effetto di alcuni catalizzatori eterogenei a base di acidi di Lewis sui prodotti ottenuti nel primo stadio ossidativo.

Utilizzo industriale di cfrp (carbon fiber reinforced polymers) nanomodificati con nanofibre prodotte per elettrospinning

Attraverso questo studio sono state indagate le proprietà di compositi laminati in fibra di carbonio (CFRP) nano-modificati con nanofibre in Nylon 6.6, in termini di resistenza al danneggiamento da impatti a bassa velocità (con caratterizzazione Drop Weight at Low Velocity) e di smorzamento della vibrazione (con caratterizzazione a damping). Sono stati indagate due configurazioni di nanorinforzo differenti, confrontate con le prestazioni di provini vergini laminati tradizionalmente. Sono infine state operate delle analisi grafiche delle micrografie di campioni sezionati per trarre conclusioni di carattere tecnologico.

On the influence of polymeric nanofibers in laminated composite materials. Studio dell'influenza di nanofibre polimeriche in materiali compositi laminati

During the last years an increased interest about the reinforcement of laminated composites by means of polymeric nanofibers has been growth. During this master-degree-thesis work, unidirectional and plane-textile composites have been interleaved with Nylon 6.6, PCL and mixed (Nylon 6.6+PCL) nanofibrous mats and the DCB (mode I interlaminar fracture toughness), ENF (mode II interlaminar fracture toughness and DMA (damping capability) tests have been performed. Regarding the interlaminar fracture toughness, marked increases have been recorded; while further investigation about damping capability is requested.

Preparazione mediante elettrofilatura di membrane polimeriche composite per scopi catalitici.

Vi è un crescente interesse verso lo studio di materiali compositi nanostrutturati. Tra questi risultano di particolare interesse le membrane polimeriche composite. Questi materiali presentano proprietà uniche, sono già largamente utilizzate in ambito bio-medicale, industriale e in molti processi di separazione di effluenti liquidi e gassosi. Un’altra applicazione di grande interesse è l’utilizzo di queste membrane come catalizzatori, in particolare per lo sviluppo di sistemi in flusso. Le membrane polimeriche composite per scopi catalitici vengono prodotte inserendo una fase attiva inorganica nella matrice polimerica; una delle tecniche di produzione è l’elettrofilatura. Questa tecnica permette di ottenere fibre polimeriche di diametro sub-micrometrico, sfruttando l’azione di un intenso campo elettrico. In questo lavoro è stata studiata la preparazione di membrane catalitiche aventi come matrice polimerica il Nylon 6,6 e il polietileneossido (PEO), contenenti come fase attiva Au e Pd. La produzione di queste membrane viene studiata per una possibile applicazione in sistemi in flusso per l’ossidazione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale (5-HMF) ad acido 2,5 furan-dicarbossilico (FDCA). Questa reazione è molto importante, in quanto consente di ottenere monomeri plastici di origine vegetale, come può essere l’FDCA.

Theoretical and experimental studies of gold catalysts for glucose oxidation

The glucaric acid (GLA) has been identified as a “top value-added chemical from biomass” that can be employed for many uses; for instance, it could be a precursor of adipic acid, a monomer of Nylon-6,6. GLA can be synthetized by the oxidation of glucose (GLU), passing through the intermediate gluconic acid (GLO). In recent years, a new process has been sought to obtain GLA in an economic and environmental sustainable way, in order to replace the current use of HNO3 as a stoichiometric oxidant, or electrocatalysis and biochemical synthesis, which show several disadvantages. Thereby, this work is focused on the study of catalysts based on gold nanoparticles supported on activated carbon for the oxidation reaction of GLU to GLA using O2 as an oxidant agent and NaOH as base. The sol-immobilization method leads us to obtain small and well dispersed nanoparticles, characterized by UV-Vis, XRD and TEM techniques. Repeating the reaction on different batches of catalyst, both the synthesis and the reaction were confirmed to be reproducible. The effect of the reaction time feeding GLO as reagent was studied: the results show that the conversion of GLO increases as the reaction time increases; however, the yields of GLA and others increase up to 1 hour, and then they remain constant. In order to obtain information on the catalytic mechanism at the atomistic level, a computational study based on density functional theory and atomistic modeling of the gold nano-catalyst were performed. Highly symmetric (icosahedral and cubo-octahedral) and distorted Au55 nanoparticles have been optimized along with Au(111) and Au(100) surfaces. Distorted structures were found to be more stable than symmetrical ones due to relativistic effects. On these various models the adsorptions of various species involved in the catalysis have been studied, including OH- species, GLU and GLO. The study carried out aims to provide a method for approaching to the study of nanoparticellary catalytic systems.

Sviluppo di un metodo termoanalitico per la quantificazione di microplastiche in matrici complesse

Microplastics (MPs) are highly debated emerging contaminants that are widespread on Earth. Nowadays, assessment of the risk that MPs pose on human health and environment were not developed yet, and standardized analytical methods for their quantification in complex matrices do not exist. Therefore, the formulation of standards which regulating MPs emission in the environment is not possible. The purpose of this study was to develop and apply a method for the analysis of MPs in sewage sludges and water from a wastewater treatment plant (WWTP), due to the relevance of those matrices as important pathway for MPs to enter the environment. Seven polymers were selected, because of their relevance on market production and their frequency of occurrence in such plants: polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polycarbonate (PC), polyvinyl chloride (PVC), and nylon 6 (PA-6). In the study, a pre-treatment procedure was optimised using Fenton’s reagent and analyses carried out by combining thermochemolysis with Py-GC-MS after sample filtration on quartz (0.3 µm). Polymer quantification was performed with solid polymer mixture in silica and good correlations were obtained with internal calibration. As main results, Fenton's reagent negatively affected the recovery of some polymers (PP, PE, PS, PA-6) and a possible matrix interference was noticed, especially for PET and PVC. The WWTP allowed a good abatement of PS, PE, PP and PVC (on average 90 %) and comparable results were hypothesised for the other polymers. Polymer concentrations is sewage sludges ranged between < 2 μg/gdry and 3.5 mg/ gdry, for PC and PVC, respectively. Possible overestimations for PET and PVC, due to matrix interreferences, were taken into account and discussed.