Studio e implementazione del processo di polarizzazione in AC su materiali piezoelettrici nanofibrosi

I materiali piezoelettrici sono una classe di materiali che hanno la capacità di convertire energia elettrica in meccanica, e viceversa. I piezoelettrici si suddividono in tre classi: naturarli, ceramici e polimerici. Quest'ultimi, seppur mostrando coefficienti piezoelettrici non elevati rispetto ai primi due, presentano grandi vantaggi in termini di proprietà meccaniche, essendo per esempio molto flessibili, grazie anche all'ausilio delle nanotecnologie. In questo elaborato si è utilizzato il PVDF-TrFE, un materiale polimerico, prodotto sotto forma di nanofibre tramite il processo di elettrofilatura. La struttura nanofibrosa incrementa le proprietà piezoelettriche, che dipendono dalla superficie totale del materiale, poiché massimizza il rapporto superficie/volume. Lo scopo dell'elaborato è quello di ottimizzare il processo di polarizzazione, e quindi incrementare la risposta elettromeccanica dei provini a seguito di una sollecitazione, applicando una tecnica innovativa. Questa prevede l'applicazione di un campo elettrico AC sinusoidale, partendo da un valor nullo fino a un valore massimo di regime, continuando successivamente con un campo in DC avente la stessa apiezza massima. Questa tecnica è stata applicata a differenti provini di PVDF-TrFE, variando alcuni parametri come frequenza, numero di cicli e temperatura. I valori misurati sono stati suddivisi in diversi grafici al variare della temperatura, mostrando notevoli miglioramenti rispetto alle tecniche già note di polarizzazione. È stata inoltre mostrata la struttura in scala nanometrica delle fibre, valutando così l'effetto della temperatura di esercizio sui provini durante il processo di polarizzazione.

Tenacizzazione di laminati compositi mediante l'utilizzo di nanofibre in PVDF

Analisi riguardante la tenacizzazione della matrice di laminati compositi. Lo scopo è quello di aumentare la resistenza alla frattura di modo I e, a tal proposito, sono stati modificati gli interstrati di alcuni provini tramite l’introduzione di strati, di diverso spessore, di nanofibre in polivinilidenfluoruro (PVDF). La valutazione di tale metodo di rinforzo è stata eseguita servendosi di dati ottenuti tramite prove sperimentali svolte in laboratorio direttamente dal sottoscritto, che si è occupato dell’elaborazione dei dati servendosi di tecniche e algoritmi di recente ideazione. La necessità primaria per cui si cerca di rinforzare la matrice risiede nel problema più sentito dei laminati compositi in opera da molto tempo: la delaminazione. Oltre a verificare le proprietà meccaniche dei provini modificati sottoponendoli a test DCB, si è utilizzata una tecnica basata sulle emissioni acustiche per comprendere più approfonditamente l’inizio della delaminazione e i meccanismi di rottura che si verificano durante le prove. Quest’ultimi sono illustrati servendosi di un algoritmo di clustering, detto Fuzzy C-means, tramite il quale è stato possibile identificare ogni segnale come appartenente o meno ad un determinato modo di rottura. I risultati mostrano che il PVDF, applicato nelle modalità esposte, è in grado di aumentare la resistenza alla frattura di modo I divenendo contemporaneamente causa di un diverso modo di propagazione della frattura. Infine l’elaborato presenta alcune micrografie delle superfici di rottura, le quali appoggiano i risultati ottenuti nelle precedenti fasi di analisi.

Influence of additives on the performance of a PVDF membrane

The field of use of membranes is wide and ranges from the automotive industry to biomedical uses. Many formulations and compositions find a niche where they are able to improve efficiency, running cost and quality of the product. The aim of this research is to expand GVS’s product portfolio introducing a new membrane formulation. A series of additives were researched and evaluated, adding them to the membrane solutions, which were then cast and characterised using techniques like Scanning Electron Microscopy (SEM), poroscopy, FT-IT ATR and measurements like Water Break Through (WBT), Air Flow (AF), thickness. This study ultimately focused on one additive, which effect on the membranes was studied in various compositions. Interesting insights were also collected on the stability of the polymer solutions over time, which was found to change the membrane properties significantly, mainly affecting airflow and water breakthrough. Properties of the membranes were studied to find possible correlations to the amount of additive. The additive seems however to change the membrane porometry considerably depending on the time of immersion in the water bath. A new procedure to yield uniform unsupported polymeric membranes for tensile tests was developed. The additive was found to reduce elongation at break and decrease tensile strength of the membranes, possibly hinting toward plasticization of the product.

Scaffold piezoelettrici in PVDF/PCL per la rigenerazione del tessuto nervoso periferico

Le lesioni del sistema nervoso periferico, causate da eventi traumatici o da patologie degenerative, costituiscono un danno che può portare alla perdita di specifiche funzionalità motorie o sensoriali. In questi casi, la terapia chirurgica è necessaria per riparare la perdita di continuità assonale. Il gold standard operatorio attuale è costituito dal trapianto nella sede lesionata di un nervo da donatore o dallo stesso soggetto affetto dal danno. Recentemente, un approccio basato su tecniche di ingegneria dei tessuti propone l’impianto di biomateriali modellati come condotti che favoriscano la rigenerazione assonale. Ne è un esempio chiaro un recente lavoro di ricerca, nel quale Cheng et al. propongono una strategia basata sull’impiego di scaffold piezoelettrici prodotti attraverso una tecnica di "casting annealing displacement " che utilizza Polivinilidenfluoruro (PVDF) e Policaprolattone (PCL). Confrontando in vitro scaffold in PCL, in PVDF e PCL/PVDF, in particolare analizzandone le proprietà piezoelettriche e quelle meccaniche, si rilevano i vantaggi della copolimerizzazione. Questi risultati di interesse vengono inoltre confermati dai risultati funzionali ottenuti con l’impianto in vivo in topi con una lesione di 15 mm al nervo sciatico.

Corona Poling per film polimerici di P(VDF-TrFE): applicazione e ottimizzazione

Negli ultimi anni, il copolimero piezoelettrico P(VDF-TrFE), poli(vinildenfluoruro-trifluoroetilene), ha suscitato un grande interesse nella ricerca scientifica per le potenziali applicazioni elettroniche come, ad esempio, l’energy harvesting per la produzione di dispositivi indossabili e auto-alimentabili, sensori biocompatibili e memorie non volatili. In questo elaborato viene descritta l'indagine sperimentale di ottimizzazione eseguita su campioni di P(VDF-TrFE) polarizzati tramite la tecnica innovativa del corona poling, la quale è stata applicata con l'ausilio di una cella appositamente progettata per lo scopo. Questa tecnica si distingue dalle precedenti per il fatto che non sia necessario un diretto contatto tra gli elettrodi e il materiale da polarizzare. Per questo motivo essa presenta numerosi vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali, riservando grandi potenzialità. I risultati sulla risposta piezoelettrica, matematicamente rappresentata dal coefficiente di deformazione d33 [C/N], dimostrano che sia possibile ottenere valori comparabili a quelli ottenibili con la tecnica tradizionale di DC poling.

Crystallization and morphology of the PLLA phase within random poly (L-lactide-ran-ɛ-caprolactone)

This work has mainly focused on the poly (L-lactide) (PLLA) which is a material for multiple applications with performances comparable to those of petrochemical polymers (PP, PS, PET, etc. ...), readily recyclable and also compostable. However, PLLA has certain shortcomings that limit its applications. It is a brittle, hard polymer with a very low elongation at break, hydrophobic, exhibits low crystallization kinetics and takes a long time to degrade. The properties of PLLA may be modified by copolymerization (random, block, and graft) of L-lactide monomers with other co-monomers. In this thesis it has been studied the crystallization and morphology of random copolymers poly (L-lactide-ran-ε-caprolactone) with different compositions of the two monomers since the physical, mechanical, optical and chemical properties of a material depend on this behavior. Thermal analyses were performed by differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetry (TGA) to observe behaviors due to the different compositions of the copolymers. The crystallization kinetics and morphology of poly (L-lactide-ran-ε-caprolactone) was investigated by polarized light optical microscopy (PLOM) and differential scanning calorimetry (DSC). Their thermal behavior was observed with crystallization from melt. It was observed that with increasing amounts of PCL in the copolymer, there is a decrease of the thermal degradation. Studies on the crystallization kinetics have shown that small quantities of PCL in the copolymer increase the overall crystallization kinetics and the crystal growth rate which decreases with higher quantities of PCL.

Studio del comportamento di poli-alfa-olefine come modificatori di viscosità negli oli lubrificanti

Il buon funzionamento di una qualsiasi tipologia di motore prevede l’utilizzo di un componente che abbia il compito di lubrificare le parti meccaniche in movimento, come, ad esempio, l’olio motore per l’automobile. Un fattore determinante nella scelta dell’olio è la variazione della sua viscosità in relazione alla variazione di temperatura, poiché la temperatura di esercizio di un macchinario è solitamente diversa dalla temperatura di avviamento. Tale valore viene identificato in maniera assoluta dal Viscosity Index (VI). L’olio motore è una formulazione complessa in cui sono presenti l’olio base ed una serie di additivi, tra cui molto importante è il modificatore di viscosità (Viscosity Index Improver, VII), che migliora il VI e permette di utilizzare lo stesso olio a basse ed alte temperature (olio multigrade). Come VII possono essere utilizzate diverse tipologie di polimeri solubili in olio, che variano per caratteristiche e target di mercato. La famiglia presa in esame in questa tesi è quella delle poli-alfa-olefine, utilizzate prevalentemente con oli base minerali, e più precisamente copolimeri etilene/propilene. Sono state analizzate le proprietà che questa famiglia ben nota di OCP (Olefin CoPolymer) ingenera nel sistema base-polimero. In particolare si è cercato di correlare le proprietà molecolari del polimero (composizione, peso molecolare e paracristallinità) con le proprietà “tecnologico-applicative” di ispessimento, stabilità meccanica al taglio, punto di non scorrimento, avviamento a freddo, pompabilità a freddo. L’attività è proseguita con la progettazione di un modello fisico, con l’obiettivo di predire il comportamento tecnologico del sistema olio-polimero in funzione delle proprietà molecolari di polimeri appartenenti alla classe delle poli-alfa-olefine lineari, esaminando anche le proprietà tecnologiche di un omopolimero sperimentale.

The effect of poly(lactide)-poly(carbonate) based block copolymers on the morphology and crystallization of double crystalline poly(lactide)/poly(ε-caprolactone) blends

Block copolymers of poly(lactide) and poly(carbonate) were synthetized in three different compositions and characterized by 1H-NMR and ATR analyses. The compatibilization effect of this copolymers on 80/20 (w/w%) PLA/PCL blend was evaluated. SEM micrographs show that all the blends exhibit the typical sea-island morphology characteristic of immiscible blends with PCL finely dispersed in droplets on a PLA matrix. Upon the addiction of the copolymers a reduction on PCL droplets size is observable. At the same time, a Tg depression of the PLA phase is detected when the copolymers are added in the blend. These results indicate that these copolymers are effective as compatibilizers. The copolymer that acts as the best compatibilizer is the one characterized by the same amount of PLA and PC as repeating units. As result, in the blend containing this copolymer PLA phase exhibits the highest spherulitic growth rate. An analyses on PLA phase crystallization behaviour from the glassy state within the blends was evaluated by DSC experiments. Isothermal cold crystallization of the PLA phase is enhanced up an order of magnitude upon the blending with PCL. Annealing experiments demonstrated that the crystallization of the PCL phase induces the formation of active nuclei in PLA when cooled above cooled below Tg. When the crystallization rate of PCL is retarded, a reduction on PLA nucleation is observed.

Study of the second hyperpolarizability of poly(3-alkylthiophenes) using the third-harmonic scattering technique

During the past years, the considerable need in the domain of communications for more potent photonic devices has focused the research activities into the nonlinear optical (NLO) materials which can be used for modern optical switches. In this regard, a lot of research activities are focused on the organic materials and conjugated polymers which offer more advantages compared to the inorganic ones. On this matter, poly(3-alkylthiophene) (P3AT), an organic conjugated polymer, can be investigated as potential optical material with in particular the focus on the NLO properties such as the first- and second-hyperpolarizability, β and γ respectively. The activities carried out at the Laboratory of Polymer Synthesis of the KU Leuven, during the master's thesis work, focused on the study of conjugated polymers in order to evaluate their NLO properties for the future purpose of applications in optical systems. In particular, three series of polythiophenes functionalized with an alkyl side chain in the 3-position were synthesized: poly(3-hexylthiophene) (P3HT), poly[3-(2-ethylhexyl)thiophene] (P3EHT) and random copolymer of the two regio-isomers of P3HT. They were made in order to study the influence of molar mass, branching and regio-irregularity on the γ-value. The Kumada catalyst transfer condensative polymerization (KCTCP) and the Pd(RuPhos)-protocol were used for the polymerizations in order to have control over the molar mass of the growing chain and consequently to obtain well-defined and reproducible materials. The P3AT derivatives obtained were characterized by gel permeation chromatography (GPC), spectroscopic techniques (1H-NMR, UV-Vis) and the γ-value was investigated using the third-harmonic scattering (THS) technique. In particular, the THS technique is useful to investigate the optical behavior of the series of polymers in solution.