Ingegnerizzazione di materiali nanostrutturati fotocataliticamente attivi

Il lavoro oggetto di questa tesi è rivolto alla sintesi e alla caratterizzazione di materiali nanostrutturati costituiti da biossido di titanio e ossido di silicio da utilizzare come fotocatalizzatori per la depurazione delle acque. L’obiettivo è stato quello di realizzare un sistema in fase solida costituito da una matrice inerte, la silice, e una fase fotocataliticamente attiva, la nano-TiO2. Tale sistema si inserisce perfettamente nel settore di ricerca che studia la sintesi colloidale di eterostrutture nano e micro cristalline che combinano materiali diversi in un’unica particella. Il progetto nasce all’interno dell’ISTEC-CNR di Faenza, dove è stato svolto il lavoro.

Accessori per sistemi in cavo nella trasmissione dell'energia elettrica in HVDC: definizione di modelli fisici per la caratterizzazione di materiali isolanti, semiconduttivi e varioresistivi

Lo studio intrapreso si è posto come obiettivo la caratterizzazione dal punto di vista elettrico dei materiali coinvolti nella realizzazione di accessori per applicazioni in HVDC, in particolare mescole isolanti, semiconduttive e varioresistive. La necessità di un lavoro di questo tipo viene giustificata dalla costante espansione dei sistemi in DC nella trasmissione dell’energia elettrica, i quali presentano caratteristiche fisiche che si differenziano sensibilmente da quelle tipiche dei tradizionali sistemi in AC, dunque richiedono componenti e materiali opportunamente progettati per garantire condizioni di servizio sicure e affidabili. L’obiettivo della trattazione consiste nello studio di analogie e differenze tra le proprietà elettriche fornite da prove su diverse configurazioni di provini, nella fattispecie di tipo piano e cilindrico cavo. In primo luogo si studiano i provini di tipo piano al fine di ricavare informazioni basilari sul materiale e sulla mescola che lo costituisce e di prendere decisioni relative al proseguimento dei test. Dopo aver effettuato un sufficiente numero di test su varie tipologie di provini piani e aver riconosciuto le mescole più performanti dal punto di vista elettrico, meccanico e termico, si procede alla realizzazione di provini cilindrici stampati, su cui si intraprendono le medesime misure effettuate per la configurazione piana. Questa seconda fase di caratterizzazione è fondamentale, in quanto consente di verificare che le proprietà già studiate su piastra si conservino in una geometria molto più simile a quella assunta dal prodotto finale evitando di sostenere costi onerosi per la produzione di un accessorio full-size. Il lavoro è stato svolto nel laboratorio elettrico di alta tensione della divisione R&D del gruppo Prysmian di Milano, leader mondiale nella produzione di sistemi in cavo per alte e altissime tensioni.

Ottimizzazione dei flussi dei materiali e delle persone all'interno di un impianto di produzione. Il caso Galletti spa.

La tesi in oggetto è stata svolta presso la Galletti spa. L'obiettivo iniziale era quello di studiare un percorso all'interno dello stabilimento produttivo al fine di enfatizzare le peculiarità della produzione tenendo conto dei fattori riguardanti la sicurezza. E' stata inoltre realizzata, con l'aiuto di una agenzia di comunicazione, una piattaforma di comunicazione. Analizzando il processo produttivo è emersa un'ulteriore problematica: l'elevata quantità di work in progress stoccati a bordo linea. In particolare, in questa tesi è stata fatta un'analisi preliminare circa una linea di produzione. Sono stati analizzati, in termini di quantità, i prodotti che vengono assemblati in essa, e i codici dei semilavorati utili. In seguito sono state studiate le operazioni che vengono svolte in ogni postazione di lavoro e, in funzione del ciclo di lavoro gli sono stati assegnati i codici dei semilavorati. L'analisi si è conclusa studiando i consumi medi. Le prossime fasi dell'analisi prevedono lo studio dei volumi dei codici e di conseguenza la definizione delle aree di stoccaggio e lo studio dei lotti di produzione.

Ottimizzazione di materiali e trattamenti per componenti critici destinati a motociclette da competizione

L’attività svolta durante il dottorato è stata incentrata su due tematiche riguardanti: (i) la modifica della composizione chimica delle classiche leghe di alluminio da fonderia per incrementarne la resistenza e stabilità termica; (ii) lo studio del comportamento a fatica di acciai innovativi alto-resistenziali, allo scopo di valutarne il loro utilizzo per la produzione di alberi motore e distribuzione in sostituzione dei tradizionali acciai utilizzati dopo bonifica e trattamento superficiale di nitrurazione. La messa a punto di una lega di alluminio da fonderia con elevata resistenza in temperatura ha richiesto, oltre all’individuazione della composizione chimica, l’ottimizzazione del trattamento termico e una completa caratterizzazione meccanica statica a fatica sia a temperatura ambiente sia a 200°C. L’attività ha permesso di sviluppare una lega, ottenuta aggiungendo 1,3% in peso di rame alla classica lega A357 (Al-Si-Mg), cha ha mostrato avere proprietà meccaniche superiori a quelle delle tradizionali leghe Al-Si-Mg-Cu quali la A354 e C355 sia a temperatura ambiente che a 200 °C dopo lunga esposizione in temperatura. Per quanto riguarda gli acciai innovativi, dopo una preliminare analisi di mercato per individuare quali acciai potessero essere oggetto di studio, è stato valutato come migliorarne le prestazioni a fatica, anche in presenza d’intaglio, attraverso la scelta del trattamento termico più opportuno e del processo di pallinatura. I risultati delle caratterizzazioni microstrutturale e meccanica svolte hanno permesso di individuare due acciai (nomi commerciali K890 e ASP2017) ottenuti per metallurgia delle polveri, ad oggi utilizzati solo per la produzione di stampi e/o utensili, in grado di sostituire gli acciai con cui vengono oggi realizzati i componenti, senza la necessità di eseguire il trattamento di nitrurazione

Sacra dell'Italia medio adriatica in età repubblicana. Aspetti materiali, profili ideali, interazioni culturali

La ricerca tenta di descrivere le fisionomie storico-archeologiche della colonizzazione romano-latina dell’Italia medio adriatica dalla prospettiva dei fenomeni religiosi e delle dinamiche attinenti al culto. Ci si interroga, in particolare, sui rapporti tra romanizzazione e sfera del “sacro” e su quali siano stati gli esiti e i riflessi sul piano religioso della dialettica culturale tra Tirreno e Adriatico in età repubblicana. Ovvero, su come le dinamiche proprie del culto e del rito fossero coinvolte, riflettendoli, nei più ampi processi di scambio e di interazione culturale correlati alla colonizzazione romano-latina del comparto medio adriatico della Penisola tra III e I secolo a.C. Partendo dalla sistematizzazione razionale di una base documentaria significativa e attraverso il riesame critico di un dossier storico-archeologico eterogeneo, la ricerca procede con taglio tematico verso la ricostruzione dei cd. “sacra coloniali” e dei principali aspetti che concorrono alla definizione di una fenomenologia del sacro della colonizzazione romano-latina dell’Italia medio adriatica.

Membrane elettrofilate a base di miscele polimeriche per la modifica strutturale di compositi laminati

I compositi laminati presentano problematiche legate alla delaminazione, ovvero al distaccamento delle lamine costituenti, ed allo scarso smorzamento delle vibrazioni (damping). L’obiettivo del presente elaborato di tesi è lo sviluppo e la produzione di membrane nanofibrose prodotte mediante elettrofilatura di blend polimeriche per la modifica strutturale di compositi laminati al fine di migliorarne la proprietà di damping e la resistenza alla delaminazione. Particolare attenzione è stata posta all’ottimizzazione sia dei parametri della soluzione (principalmente concentrazione e sistema solvente) che dei parametri di processo (portata, voltaggio applicato e distanza ago-collettore). La morfologia delle nanofibre è stata osservata mediante microscopia a scansione elettronica (SEM), la quale ha confermato la presenza di nanofibre con diametro nanometrico (200-800 nm), e prive di difetti (beads). Inoltre, le membrane sono state caratterizzate termicamente (TGA e DSC) e meccanicamente (prove di trazione).

Adsorbimento di Blu di metilene su materiali a base Grafene

Nel presente lavoro di tesi è stato studiato il processo di adsorbimento di molecole su materiali a base grafene, la cui elevata area superficiale può essere misurata esclusivamente tramite la quantificazione di tali processi fisici. L’obiettivo principale di questo studio è stato quello di ottenere un protocollo sperimentale utile alla determinazione delle aree superficiali di materiali a base grafenica in soluzione. La molecola usata come standard per l’adsorbimento in liquido è stata il blu di metilene (MB), già ampiamente utilizzata in letteratura. Nello stato dell’arte attuale gran parte dei materiali sono stati analizzati unicamente tramite l’adsorbimento di gas in fase solida (N2 o Ar), ma per materiali composti a strati le diverse condizioni di aggregazione della polvere in secco e in soluzione portano ad una diversa stima dell’effettiva area superficiale. Con il presente lavoro è stato dimostrato che per substrati con aree superficiali comprese fra 6 e 1600 m2/g il MB è un'eccellente molecola standard per calcolare l’area superficiale in soluzione, trascurando la presenza di microporosità.

Adsorbimento dinamico di CO2 in compositi innovativi a base geopolimerica

Fra le alternative proposte per la riduzione delle emissioni di CO2, le tecniche di Carbon Capture si presentano come un’efficace soluzione per il breve e medio termine. Fra queste, l’adsorbimento su fase solida per la rimozione di CO2 da correnti gassose si prospetta come una valida alternativa rispetto al convenzionale assorbimento ad umido. Questo lavoro di tesi si è occupato della sintesi di un composito a base geopolimerica presso l’ISTEC/CNR di Faenza, da impiegare per l’adsorbimento di CO2 a bassa temperatura, e dell’analisi del suo comportamento in regime di adsorbimento dinamico. Tale materiale è stato sintetizzato tramite attivazione con soluzione alcalina di metacaolino 1200S addizionato con polveri di zeolite Na13X. Esso costituisce una opzione interessante per la cattura di CO2, mostrando capacità di adsorbimento superiori a 1 mmol/g per concentrazioni di CO2 del 14% (a pressione atmosferica), simili a quelle presenti in molti processi industriali. Le prestazioni in regime dinamico risultano inoltre simili a quelle registrate nel regime statico. Le prove sperimentali hanno evidenziato la criticità della rigenerazione del materiale, in particolare riguardo all’eliminazione dell’acqua. Una temperatura di 130°C si mostra adatta per ottenere un’elevata rigenerazione del materiale, con rimozione sia di CO2 che dell’umidità adsorbita. Dalle prove svolte è risultato evidente come non sia conveniente operare con desorbimenti a temperatura ambiente e pressione atmosferica, ma sia necessario operare combinando swing di pressione e temperatura. È stato inoltre valutato l’effetto di una più bassa temperatura di adsorbimento (2°C), che porta ad un aumento della capacità del materiale. Sviluppi futuri in questo campo potrebbero essere la produzione di monoliti geopolimerici a porosità strutturate tramite tecniche innovative quali il freeze-casting e l’utilizzo di compositi integrati con additivi che ne migliorino le performance in termini di conducibilità termica.

Materiali ceramici a struttura Aurivillius per la produzione di solar fuels

Solar fuels from CO2 is a topic of current large scientific and industrial interest. In particular, photo-electrochemical cells (PECs) represent today one of the most promising technology for storing sun energy as chemical bonds exploiting carbon dioxide as starting reagent. In this thesis, the possibility of using Aurivillius-type compounds for the production of solar fuels was deeply investigated. Aurivillius-type perovskites, with general formula Bi(n+1)Fe(n-3)Ti3O(3n+3), were synthesized and fully characterized to study the influence of the number of perovskite layers as well as of the synthesis parameters onto their final properties. In particular, 8 different systems were considered increasing the amount of iron and, as a consequence, the number of perovskite layers. These compounds were synthesized through a standard solid-state reaction method as well as via a sol-gel technique and characterized by XRD, SEM and BET analyses. The band gap value and the photocatalytic activity towards Rhodamine B decomposition were assessed as well. For each system, a screen-printing ink was formulated to be deposited as photo-electrodes onto transparent conducting supports. The photo-electrodes were morphologically characterized by XRD and SEM analysis, and their electrochemical properties (cyclic and linear voltammetry, EIS, Mott-Schottky analysis) were determined. Finally, the most promising materials were tested as photo-cathode inside PEC cell under different illumination conditions, to quantify their ability to convert CO2. The obtained results show the potentiality of Aurivillius-type compounds as innovative material for carbon dioxide photo-electrochemical reduction.

Sintesi per microemulsione di materiali fotocatalitici ed elettrocatalitici basati su nanoparticelle di ossido di titanio

Il catalizzatore studiato per questa reazione è principalmente l’ossido di titanio (TiO2) per la sua disponibilità. Le modifiche principali riguardano l’inserimento nella struttura della TiO2 di altri elementi, principalmente N, e la deposizione di particelle di metalli nobili come co-catalizzatori. In questo elaborato vengono studiate una serie di sintesi per via microemulsione (ME). L’introduzione di una base (NaOH o NH4OH) è stata utilizzata per produrre delle modifiche nella morfologia dei catalizzatori. Alcuni parametri operativi delle sintesi, quali: tempo di agitazione del precursore, agente neutralizzante e trattamenti a riflusso sono stati studiati. Ottimizzando le sintesi in ME è stato possibile ottenere polveri di TiO2 con densità inferiore al campione di riferimento prodotto per ME, con valori inferiori a 1 g/mL. Le dimensioni delle particelle sono state osservate e risultano anch’esse inferiori, solitamente sotto 10 nm. L’area superficiale delle polveri è di solito superiore a 100 m2/g. Ulteriori modifiche introdotte riguardano la presenza di N nella struttura della TiO2, che ha permesso un miglioramento nell’assorbimento di luce nello spettro visibile. Inoltre, sfruttando la versatilità delle ME è stato possibile mettere a punto delle sintesi che permettono la precipitazione di specie di Ag sotto forma di nanoparticelle, della dimensione di 1 nm. I catalizzatori sono poi stati testati in fotocatalisi eterogenea, usando condizioni pressione atmosferica, temperatura di 30°C e utilizzando come solvente acqua. L’attività catalitica dei campioni è risultata promettente e si pensa che ulteriori studi di ottimizzazione dei parametri delle sintesi possano portare a successivi miglioramenti. I catalizzatori prodotti per neutralizzazione hanno mostrato una maggiore reattività e tra questi, quello trattato con NaOH, per effetto sinergico della densità e delle dimensioni dei cristalliti, ha esibito un’attività superiore agli altri.

Produzione di sfere composite geopolimero-idrotalcite e loro utilizzo nell'adsorbimento dei coloranti

Una tra le maggiori problematiche ambientali è la presenza di numerosi composti chimici nelle riserve e nei corsi d’acqua, provocando un impatto molto dannoso per l'ambiente e l'uomo, con quantità in costante aumento a causa della crescente industrializzazione. Un forte contributo deriva dai coloranti, molto impiegati dall’industria; in letteratura sono riportate numerose metodologie di rimozione come: scambio ionico, filtrazione su membrana, trattamento elettrochimico o termico. Tra tutte, lo scambio ionico risulta il più efficiente ed economico. Negli studi effettuati presso ISTEC-CNR (Faenza RA) si è valutata la capacità adsorbente di sfere geopolimeriche ottenute tramite diverse tecnologie di processo, usando blu di metilene come colorante modello di tipo cationico. L’utilizzo dell’adsorbente in forma di sfere con diametro di 2–3mm ne favorisce l’applicabilità su scala industriale. Per estenderne il campo di applicazione dei geopolimeri (adsorbono cationi) è necessario produrre compositi con l’aggiunta di cariche in grado di adsorbire altre specie chimiche. L’idrotalcite viene usata come adsorbente per specie anioniche, grazie alla sua elevata capacità di scambio. Scopo del presente lavoro è stato ampliare il campo di applicazione di adsorbenti geopolimero-idrotalcite, approfondendo la letteratura relativa ai processi di adsorbimento nei materiali di partenza e nei loro compositi. I compositi geopolimero-idrotalcite sono stati prodotti in forma sferica sfruttando la gelazione ionotropica dell’alginato di sodio, fornendo un composito ibrido organico (alginato)/ inorganico (geopolimero). Dopo la formatura e la caratterizzazione dei compositi, è stato studiato l’adsorbimento del Blu di metilene (cationico), dell’Acid Blue 9 (zwitterionico) e dell’Acid Black 194 (anionico), per valutare la variazione della capacità di adsorbimento in seguito all’aggiunta di idrotalcite e la funzione adsorbente del composito nei confronti di coloranti cationici e anionici.

Sintesi e caratterizzazione di materiali polimerici water-soluble per applicazioni nel campo del fotovoltaico organico

The need to use renewable energy sources, due to the massive production of pollution for the energy production, has led to the development of new technologies for the use of solar energy. The purpose of this thesis project is to synthesize and characterize new thiophene-based polymeric materials processable in water, a green solvent, for the construction of organic solar cells, promising and versatile devices used for the production of electric energy. For this, a highly regioregular polymer was synthesized through GRIM polymerization (Grignard Metathesis Polymerization) on which a study was performed to identify the optimal reaction time.

Efficacia della rimozione di fosforo in soluzioni acquose mediante tre diversi mezzi filtranti a base di biochar

Il fosforo è una risorsa fondamentale per il mondo agricolo le cui riserve si stanno esaurendo. Ciò implica l’urgenza di modificarne la sua gestione, caratterizzata attualmente da un eccessivo uso, seguito da perdite sostanziali, in particolare verso i corpi idrici superficiali, alimentando la problematica dell’eutrofizzazione. L’obiettivo della tesi è quello di valutare l’efficacia di rimozione di fosfato da acque, sia sintetiche che reali, mediante tre materiali filtranti a base di biochar. Il primo è un biochar utilizzato tal quale prodotto dall’azienda Romagna Carbone, gli altri due sono biochar prodotti in muffola a 850 °C costituiti da un 60% di biomassa di legno e il 40% costituito da due differenti tipologie di materiale carbonatico. I test di adsorbimento dei fosfati sono stati svolti su acque sintetiche prodotte in laboratorio caratterizzate da concentrazione nota di fosfato: 10, 100 e 1000 mg/l. Gli stessi test sono stati ripetuti anche su acque reflue reali provenienti dalla bioraffineria Caviro Extra. I test sono stati condotti ponendo i differenti compositi in contatto con l’acqua da trattare in rapporto solido-liquido di 1:1000 per differenti tempi di contatto: 15, 30 e 60 minuti. L’acqua poi viene filtrata e analizzata in cromatografia ionica con colonna anionica. I risultati sono ottenuti confrontando la concentrazione di fosfati presenti nell’acqua prima e dopo il trattamento. Il biochar modificato con materiale carbonatico si è dimostrato essere un materiale efficace per il trattamento di acque reflue prima del loro smaltimento con percentuali di fosfato rimosso fino al 99%, risultano invece inefficaci i trattamenti con il solo biochar di Romagna Carbone. Determinante è stata l’addizione di materiale carbonatico al biochar che ne ha modificato la carica superficiale – solitamente negativa - trasformandola in positiva e quindi capace di avere interazione con gli anioni del fosfato comportandone una rimozione dall’acqua.

Theoretical and experimental study of novel hybrid composite and metal-composites interfaces

The growing demand for lightweight solutions in every field of engineering is driving the industry to seek new technological solutions to exploit the full potential of different materials. The combination of dissimilar materials with distinct property ranges embodies a transparent allocation of component functions while allowing an optimal mix of their characteristics. From both technological and design perspectives, the interaction between dissimilar materials can lead to severe defects that compromise a multi-material hybrid component's performance and its structural integrity. This thesis aims to develop methodologies for designing, manufacturing, and monitoring of hybrid metal-composite joints and hybrid composite components. In Chapter 1, a methodology for designing and manufacturing hybrid aluminum/composite co-cured tubes is assessed. In Chapter 2, a full-field methodology for fiber misalignment detection and stiffness prediction for hybrid, long fiber reinforced composite systems is shown and demonstrated. Chapter 3 reports the development of a novel technology for joining short fiber systems and metals in a one-step co-curing process using lattice structures. Chapter 4 is dedicated to a novel analytical framework for the design optimization of two lattice architectures.

Numerical and experimental analysis of 3D printed smart structures and systems

Three dimensional (3D) printers of continuous fiber reinforced composites, such as MarkTwo (MT) by Markforged, can be used to manufacture such structures. To date, research works devoted to the study and application of flexible elements and CMs realized with MT printer are only a few and very recent. A good numerical and/or analytical tool for the mechanical behavior analysis of the new composites is still missing. In addition, there is still a gap in obtaining the material properties used (e.g. elastic modulus) as it is usually unknown and sensitive to printing parameters used (e.g. infill density), making the numerical simulation inaccurate. Consequently, the aim of this thesis is to present several work developed. The first is a preliminary investigation on the tensile and flexural response of Straight Beam Flexures (SBF) realized with MT printer and featuring different interlayer fiber volume-fraction and orientation, as well as different laminate position within the sample. The second is to develop a numerical analysis within the Carrera' s Unified Formulation (CUF) framework, based on component-wise (CW) approach, including a novel preprocessing tool that has been developed to account all regions printed in an easy and time efficient way. Among its benefits, the CUF-CW approach enables building an accurate database for collecting first natural frequencies modes results, then predicting Young' s modulus based on an inverse problem formulation. To validate the tool, the numerical results are compared to the experimental natural frequencies evaluated using a digital image correlation method. Further, we take the CUF-CW model and use static condensation to analyze smart structures which can be decomposed into a large number of similar components. Third, the potentiality of MT in combination with topology optimization and compliant joints design (CJD) is investigated for the realization of automated machinery mechanisms subjected to inertial loads.