Nuovi copolimeri triblocco biodegradabili a base di PLA per imballaggi alimentari

Nella presente Tesi si procede alla preparazione e caratterizzazione di nuovi poliesteri alifatici a base di PLLA che offrano garanzie di completa biodegradabilità e presentino caratteristiche chimico/fisiche adeguate ad applicazioni nell’ambito dell’imballaggio alimentare. La modifica chimica del PLLA è stata realizzata per introduzione in catena di segmenti opportunamente sintetizzati che fungono da iniziatori nell’apertura dell’anello di lattide nella ROP. I copolimeri triblocco, poli(lattico)-block-poli(propilene/neopentil glicole succinato) PLLAnP(PS80NS20)m, si differenziano per il diverso rapporto in peso tra i due diversi tipi di blocco, quello hard di PLLA e quello soft di P(PS80NS20). I risultati ottenuti sono di rilevante interesse applicativo: i copolimeri presentano migliorate proprietà meccaniche rispetto al PLLA, una maggiore velocità di biodegradazione, senza che abbia avuto luogo un peggioramento della stabilità termica e delle proprietà barriera, addirittura migliore al gas test O2.

Elettrofilatura di miscele di cheratina e PLA caricate con ossido di grafene per la produzione di materiali nanofibrosi

In questo elaborato di tesi sperimentale sono state preparate delle nanofibre elettrofilate di cheratina e PLA caricate con differenti percentuali in peso di grafene ossido. In questo particolare sistema, la dimensione del nano-rinforzo è paragonabile alla dimensione delle nanofibre (circa 150 nm), contrariamente alle convenzionali dimensioni dei rinforzi utilizzati per creare materiali compositi. La matrice polimerica utilizzata è una miscela costituita da cheratina e PLA che ha mostrato interazioni positive di interfase tra i due polimeri. Sono stati studiati gli effetti dei parametri di processo di elettrofilatura sulla morfologia delle nanofibre ottenute. Inoltre, è stata studiata l’influenza del grafene ossido sul processo di elettrofilatura, sulla morfologia delle nanofibrose, sulla viscosità delle miscele dei due polimeri e sulle proprietà termiche e meccaniche delle membrane nanofibrose elettrofilate. Tutte le miscele preparate sono state elettrofilate con successo ed i diametri delle nanofibre ottenute variano da 60-400 nm. I dati sperimentali hanno mostrato una diminuzione del diametro delle nanofibre all’aumentare della concentrazione di grafene ossido dovuta alla diminuzione di viscosità e probabile aumento della conducibilità delle soluzioni contenenti. Le analisi termiche hanno messo in evidenza che c’è un effetto nucleante del grafene ossido che induce, probabilmente, l’organizzazione delle catene proteiche. Le analisi meccaniche in trazione hanno mostrato un aumento del modulo di Young e del carico a rottura delle nanofibre elettrofilate caricate con grafene ossido.

Membrane elettrofilate di miscele cheratina/PLA caricate con grafene ossido per il rilascio controllato di farmaci

Nell’ultimo periodo, si è sviluppato un forte interesse nella produzione di materiali a base proteica per il settore biomedicale e cosmetico, in particolare per il rilascio controllato di farmaci. In questo studio sono stati sviluppati, tramite elettrofilatura, dei materiali nanocompositi, costituiti da una matrice di cheratina, ottenuta da lana, e PLA caricata con grafene ossido e con Rodamina-B, un indicatore particolarmente usato in chimica analitica per valutare il rilascio di determinati sistemi. Tali materiali, caratterizzati morfologicamente e strutturalmente, sono stati testati in vitro come sistemi per il rilascio controllato di farmaci, usando la Rodamina per la maggiore facilità di rilevazione, valutando soprattutto l’influenza del grafene ossido sull’entità del rilascio. I risultati ottenuti hanno evidenziato come l’ossido di grafene influisca in maniera significativa sull’entità del rilascio, rallentando la quantità di Rodamina rilasciata nelle prime 48 ore. Studi per l’applicazione di questi materiali nell’ingegneria tissutale e nella medicina rigenerativa saranno oggetto di studi futuri.

Evaluation of recycled carbon fibers as PLA reinforcement for additive manufacturing applications

The increased exploitation of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) is inevitably bringing about an increase in production scraps and end-of-life components, resulting in a sharp increase in CFRP waste. Therefore, it is of paramount importance to find efficient ways to reintroduce waste into the manufacturing cycle. At present, several recycling methods for treating CFRPs are available, even if all of them still have to be optimized. The step after CFRP recycling, and also the key to build a solid and sustainable CFRP recycling market, is represented by the utilization of Re-CFs. The smartest way to utilize recovered carbon fibers is through the manufacturing of recycled CFRPs, that can be done by re-impregnating the recovered fibers with a new polymeric matrix. Fused Filament Fabrication (FFF) is one of the most widely used additive manufacturing (3D printing) techniques that fabricates parts with a polymeric filament deposition process that allows to produce parts adding material layer-by-layer, only where it is needed, saving energy, raw material cost, and waste. The filament can also contain fillers or reinforcements such as recycled short carbon fibers and this makes it perfectly compliant with the re-application of the shortened recycled CF. Therefore, in this thesis work recycled and virgin carbon fiber reinforced PLA filaments have been initially produced using 5% and 10% of CFs load. Properties and characteristics of the filaments have been determined conducting different analysis (TGA, DMA, DSC). Subsequently the 5%wt. Re-CFs filament has been used to 3D print specimens for mechanical characterization (DMA, tensile test and CTE), in order to evaluate properties of printed PLA composites containing Re-CFs and evaluate the feasibility of Re-CFs in 3D printing application.

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.

“Study of Electro-thermal Effects on PLA Materials Fed with AC Currents”

Given the rise in the emergence of new composite materials, their multifunctional properties, and possible applications in simple and complex structural components, there has been a need to unravel the characterization of these materials. The possibility of printing these conductive composite materials has opened a new area in the design of structural components which can conduct, transmit, and modulate electric signals with no limitation from complex geometry. Although several works have researched the behaviour of polymeric composites due to the immediate growth, however, the electrothermal behaviour of the material when subjected to varying AC applied voltage (Joule’s effect) has not been thoroughly researched. This study presents the characterization of the electrothermal behaviour of conductive composites of a polylactic acid matrix reinforced with conductive carbon black particles (CB-PLA). An understanding of this behaviour would contribute to the improved work in additive manufacturing of functional electro-mechanical conductive materials with potential application in energy systems, bioelectronics, etc. In this study, the electrothermal interplay is monitored under applied AC voltage, varying lengths, and filament printing orientations (longitudinal, oblique, and transverse). Each sample was printed using the fused deposition modeling technique such that each specimen has three different lengths (1L, 2L, 2.75L). To this end, deductions were made on properties that affect composite’s efficiency and life expectancy. The result of this study shows a great influence of printing orientation on material properties of 3D printed conductive composites of CB-PLA. The result also identifies the contribution of AC applied voltage to composites' stabilization time. This knowledge is important to provide experimental background for components' electrothermal interplay, estimate possible degradation and operating limits of composite structures when used in applications.