Conductive Polymer Composites

In recent years, nanotechnologies have led to the production of materials with new and sometimes unexpected qualities through the manipulation of nanoscale components. This research aimed primarily to the study of the correlation between hierarchical structures of hybrid organic-inorganic materials such as conductive polymer composites (CPCs). Using a bottom-up methodology, we could synthesize a wide range of inorganic nanometric materials with a high degree of homogeneity and purity, such as thiol capped metal nanoparticles, stoichiometric geomimetic chrysotile nanotubes and metal dioxide nanoparticles. It was also possible to produce inorganic systems formed from the interaction between the synthesized materials. These synthesized materials and others like multiwalled carbon nanotubes and grapheme oxide were used to produce conductive polymer composites. Electrospinning causes polymer fibers to become elongated using an electric field. This technique was used to produce fibers with a nanometric diameter of a polymer blend based on two different intrinsically conducting polymers polymers (ICPs): polyaniline (PANI) and poly(3-hexylthiophene) (P3HT). Using different materials as second phase in the initial electrospun polymer fibers caused significant changes to the material hierarchical structure, leading to the creation of CPCs with modified electrical properties. Further study of the properties of these new materials resulted in a better understanding of the electrical conductivity mechanisms in these electrospun materials.

Valutazione analitica delle aree di delaminazione in materiali compositi avanzati soggetti ad impatti a bassa velocità

In questo lavoro di tesi è stato elaborato un modello analitico al fine di ottenere una stima dell’ampiezza di delaminazione a seguito di impatti a bassa velocità in laminati in composito, in particolare carbon/epoxy. Nel capitolo 2 è descritto il comportamento meccanico di tali laminati (equazioni costitutive della singola lamina, dell’intero laminato e costanti ingegneristiche dell’intero laminato per qualsiasi sistema di riferimento). Nel capitolo 3 viene descritta la filosofia di progettazione damage tolerance per tali materiali sottoposti a low-velocity impact (LVI) e richiamato il concetto di structural health monitoring. In particolare vengono descritti i tipi di difetti per un laminato in composito, vengono classificati gli impatti trasversali e si rivolge particolare attenzione agli impatti a bassa velocità. Nel paragrafo 3.4 sono invece elencate diverse tecniche di ispezione, distruttive e non, con particolare attenzione alla loro applicazione ai laminati in composito. Nel capitolo 4 è riportato lo stato dell’arte per la stima e la predizione dei danni dovuti a LVI nei laminati: vengono mostrate alcune tecniche che permettono di stimare accuratamente l’inizio del danno, la profondità dell’indentazione, la rottura delle fibre di rinforzo e la forza massima di impatto. L’estensione della delaminazione invece, è difficile da stimare a causa dei numerosi fattori che influenzano la risposta agli impatti: spesso vengono utilizzati, per tale stima, modelli numerici piuttosto dispendiosi in termini di tempo e di calcolo computazionale. Nel capitolo 5 viene quindi mostrata una prima formula analitica per il calcolo della delaminazione, risultata però inaffidabile perché tiene conto di un numero decisamente ristretto di fattori che influenzano il comportamento agli LVI. Nel capitolo 6 è mostrato un secondo metodo analitico in grado di calcolare l’ampiezza di delaminazione mediante un continuo aggiornamento della deflessione del laminato. Dal confronto con numerose prove sperimentali, sembra che il modello fornisca risultati vicini al comportamento reale. Il modello è inoltre fortemente sensibile al valore della G_IIc relativa alla resina, alle dimensioni del laminato e alle condizioni di vincolo. É invece poco sensibile alle variazioni delle costanti ingegneristiche e alla sequenza delle lamine che costituiscono il laminato. La differenza tra i risultati sperimentali e i risultati del modello analitico è influenzata da molteplici fattori, tra cui il più significativo sembra essere il valore della rigidezza flessionale, assunto costante dal modello.

Valutazione degli effetti dei parametri operativi nel processo di laser ablation su materiali compositi CFRP a matrice epossidica

L’attività sperimentale presentata in questo elaborato riguarda lo studio di una particolare applicazione che impiega la tecnologia laser per la lavorazione di materiali compositi ed è stata interamente svolta, in particolar modo nella sua parte operativa, presso i laboratori della Facoltà di Ingegneria a Bologna. Il lavoro di tesi ha come obiettivo fondamentale la valutazione degli effetti che i parametri di processo possono avere sulla qualità risultante nel procedimento di ablazione per i materiali compositi. Per questa indagine sono stati utilizzati campioni piani (tutti identici tra loro) con rinforzo in fibra di carbonio e matrice in resina epossidica, i quali sono stati lavorati con un laser Nd:YAG (λ = 1064 nm) funzionante in regime continuo. L’idea alla base dell’intera attività sperimentale è stata quella di realizzare una ablazione ottimale, rimuovendo dai campioni esclusivamente la resina (in maniera locale) e tentando, allo stesso tempo, di ottenere il minimo danneggiamento possibile per le fibre. Le prove effettuate non costituiscono naturalmente un punto di arrivo, bensì rappresentano piuttosto un punto di partenza per acquisire informazioni preliminari che potranno consentire, nel prossimo futuro, di proseguire con il perfezionamento del processo e la messa a punto dei parametri, al fine di conseguire una lavorazione che dia risultati effettivamente ottimali ed interessanti per l’eventuale applicazione industriale.

Applicazione di reticoli di Bragg "chirped" per il monitoraggio strutturale di laminati CFRP

L’uso dei materiali compositi è andato aumentando negli ultimi decenni per la loro elevata rigidezza, la resistenza specifica e il possibile risparmio, notevole in termini di peso dell’intera struttura. Tali materiali introducono però nuove problematiche riguardanti le modalità di danneggiamento e il comportamento a fatica. Mentre questi fenomeni sono relativamente ben compresi nei materiali metallici, per una struttura in composito non esistono ancora modelli in grado di predire con sufficiente affidabilità l’evoluzione del danneggiamento. Negli ultimi anni la ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di sistemi in grado di rilevare la presenza e l’evoluzione del danno, definiti Structural Health Monitoring Systems, ovvero sistemi di monitoraggio strutturale. Il danneggiamento strutturale può così essere individuato e identificato per mezzo di sensori distribuiti integrati nella struttura stessa, aventi la possibilità di trasmettere queste informazioni a un sistema di analisi esterno permettendo di valutare lo stato di degrado della struttura in tempo reale. In questo contesto si inseriscono le attività di ricerca sulle strutture intelligenti che, inglobando al loro interno opportune tipologie di sensori e attuatori, sono in grado di monitorare l’ambiente fisico operativo, raccoglierne e interpretarne le informazioni per poi rispondere ai cambiamenti della struttura in modo appropriato attraverso gli attuatori. L’impiego di sensori e attuatori inglobati nelle strutture offre molteplici vantaggi rispetto ai sistemi di trasduzione e attuazione convenzionali. L’attività di ricerca condotta in questa tesi è rivolta all’indagine di tecniche di SHM per mezzo di sensori a fibra ottica. Essi presentano molteplici peculiarità che li rendono i candidati ideali per queste applicazioni. Esistono diversi tipi di sensori che utilizzano le fibre ottiche. Nel presente lavoro si sono utilizzati sensori di deformazione basati sui reticoli di Bragg (FBG) chirped. Questi sensori sono costituiti da un reticolo inscritto all’interno della fibra, che ha l’effetto di riflettere solo alcune lunghezze d’onda della luce incidente. Se le proprietà geometriche del reticolo cambiano per effetto di una deformazione, cambia anche la forma dello spettro riflesso. Inoltre, con il tipo di sensore usato, è possibile correlare lo spettro con la posizione di eventuali danneggiamenti interni al materiale. Gli obbiettivi di questa ricerca sono di verificare gli effetti della presenza di una fibra ottica sulle caratteristiche meccaniche di un laminato e di trovare un legame tra la risposta in frequenza del sensore FBG e lo stato tensionale e il grado di danneggiamento di un componente in composito.

Interaction between axial force, shear and bending moment in reinforced concrete elements

Il collasso di diverse colonne, caratterizzate da danneggiamenti simili, quali ampie fessure fortemente inclinate ad entrambe le estremità dell’elemento, lo schiacciamento del calcestruzzo e l’instabilità dei ferri longitudinali, ha portato ad interrogarsi riguardo gli effetti dell’interazione tra lo sforzo normale, il taglio ed il momento flettente. Lo studio è iniziato con una ricerca bibliografica che ha evidenziato una sostanziale carenza nella trattazione dell’argomento. Il problema è stato approcciato attraverso una ricerca di formule della scienza delle costruzioni, allo scopo di mettere in relazione lo sforzo assiale, il taglio ed il momento; la ricerca si è principalmente concentrata sulla teoria di Mohr. In un primo momento è stata considerata l’interazione tra solo due componenti di sollecitazione: sforzo assiale e taglio. L’analisi ha condotto alla costruzione di un dominio elastico di taglio e sforzo assiale che, confrontato con il dominio della Modified Compression Field Theory, trovata tramite ricerca bibliografica, ha permesso di concludere che i risultati sono assolutamente paragonabili. L’analisi si è poi orientata verso l’interazione tra sforzo assiale, taglio e momento flettente. Imponendo due criteri di rottura, il raggiungimento della resistenza a trazione ed a compressione del calcestruzzo, inserendo le componenti di sollecitazione tramite le formule di Navier e Jourawsky, sono state definite due formule che mettono in relazione le tre azioni e che, implementate nel software Matlab, hanno permesso la costruzione di un dominio tridimensionale. In questo caso non è stato possibile confrontare i risultati, non avendo la ricerca bibliografica mostrato niente di paragonabile. Lo studio si è poi concentrato sullo sviluppo di una procedura che tenta di analizzare il comportamento di una sezione sottoposta a sforzo normale, taglio e momento: è stato sviluppato un modello a fibre della sezione nel tentativo di condurre un calcolo non lineare, corrispondente ad una sequenza di analisi lineari. La procedura è stata applicata a casi reali di crollo, confermando l’avvenimento dei collassi.

Studio sperimentale del comportamento a fatica di calcestruzzi rinforzati con fibre sintetiche

La presente tesi di Laurea Magistrale ha lo scopo di studiare sperimentalmente il comportamento a fatica dei calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche (Macro Synthetic Fiber Reinforced Concrete, MSFRC). Sono condotte prove cicliche di flessione su tre punti al fine di caratterizzare il comportamento dei calcestruzzi fibrorinforzati in regime fessurato nel caso di fatica ad alto numero di cicli (High Cycle Fatigue, HCF). Oltre a prove di fatica sono condotte anche prove monotone a flessione al fine di ottenere la caratterizzazione meccanica del materiale determinandone i principali parametri di frattura; i risultati di tali prove sono utili anche a definire la procedura di prova definitiva da adottare durante i test di fatica. Le testimonianze presenti in letteratura sul comportamento a fatica degli FRC rinforzati con fibre sintetiche sono molto limitate, specialmente nel caso di fatica ad alto numero di cicli; inoltre le prove cicliche, a differenza delle prove monotone, non sono prove standardizzate e quindi definite dalla normativa. Nel corso della presente campagna sperimentale si cercherà quindi di definire una procedura per poter eseguire in maniera stabile le prove di flessione, monotone e di fatica, su campioni prismatici di calcestruzzo fibrorinforzato. L’idea alla base della campagna sperimentale oggetto di questa tesi è quella di riprodurre, mediante prove di fatica, le usuali condizioni di esercizio a cui sono sottoposte, durante la loro vita utile, strutture come pavimentazioni stradali o industriali; infatti il traffico stradale o il transito di macchinari possono indurre su strutture del genere dei carichi ripetuti nel tempo tali da provocarne il collasso per fatica. La presente tesi è articolata in otto capitoli nei quali verranno evidenziate le principali proprietà, sia meccaniche che fisiche, del materiale composito oggetto dello studio, saranno definite le procedure dei test eseguiti e verranno discussi i risultati derivanti da essi.

Pulmonary surfactant coating of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) influences their oxidative and pro-inflammatory potential in vitro

Background Increasing concern has been expressed regarding the potential adverse health effects that may be associated with human exposure to inhaled multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). Thus it is imperative that an understanding as to the underlying mechanisms and the identification of the key factors involved in adverse effects are gained. In the alveoli, MWCNTs first interact with the pulmonary surfactant. At this interface, proteins and lipids of the pulmonary surfactant bind to MWCNTs, affecting their surface characteristics. Aim of the present study was to investigate if the pre-coating of MWCNTs with pulmonary surfactant has an influence on potential adverse effects, upon both (i) human monocyte derived macrophages (MDM) monocultures, and (ii) a sophisticated in vitro model of the human epithelial airway barrier. Both in vitro systems were exposed to MWCNTs either pre-coated with a porcine pulmonary surfactant (Curosurf) or not. The effect of MWCNTs surface charge was also investigated in terms of amino (−NH2) and carboxyl (−COOH) surface modifications. Results Pre-coating of MWCNTs with Curosurf affects their oxidative potential by increasing the reactive oxygen species levels and decreasing intracellular glutathione depletion in MDM as well as decreases the release of Tumour necrosis factor alpha (TNF-α). In addition, an induction of apoptosis was observed after exposure to Curosurf pre-coated MWCNTs. In triple cell-co cultures the release of Interleukin-8 (IL-8) was increased after exposure to Curosurf pre-coated MWCNTs. Effects of the MWCNTs functionalizations were minor in both MDM and triple cell co-cultures. Conclusions The present study clearly indicates that the pre-coating of MWCNTs with pulmonary surfactant more than the functionalization of the tubes is a key factor in determining their ability to cause oxidative stress, cytokine/chemokine release and apoptosis. Thus the coating of nano-objects with pulmonary surfactant should be considered for future lung in vitro risk assessment studies. Keywords: Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs); Pulmonary surfactant (Curosurf); Macrophages; Epithelial cells; Dendritic cells; Triple cell co-culture; Pro-inflammatory and oxidative reactions

Development of Optically Based pH Sensing Hydrogel and Controlled Nitric Oxide Release Polymer

Nitric oxide has the potential to greatly improve intravascular measurements by locally inhibiting thrombus formation and dilating blood vessels. pH, the partial pressure of oxygen, and the partial pressure of carbon dioxide are three arterial blood parameters that are of interest to clinicians in the intensive care unit that can benefit from an intravascular sensor. This work explores fabrication of absorbance and fluorescence based pH sensing chemistry, the sensing chemistries' compatibility with nitric oxide, and a controllable nitric oxide releasing polymer. The pH sensing chemistries utilized various substrates, dyes, and methods of immobilization. Absorbance sensing chemistries used sol-gels, fumed silica particles, mesoporous silicon oxide, bromocresol purple, phenol red, bromocresol green, physical entrapment, molecular interactions, and covalent linking. Covalently linking the dyes to fumed silica particles and mesoporous silicon oxide eliminated leaching in the absorbance sensing chemistries. The structures of the absorbance dyes investigated were similar and bromocresol green in a sol-gel was tested for compatibility with nitric oxide. Nitric oxide did not interfere with the use of bromocresol green in a pH sensor. Investigated fluorescence sensing chemistries utilized silica optical fibers, poly(allylamine) hydrogel, SNARF-1, molecular interactions, and covalent linking. SNARF-1 covalently linked to a modified poly(allylamine) hydrogel was tested in the presence of nitric oxide and showed no interference from the nitric oxide. Nitric oxide release was controlled through the modulation of a light source that cleaved the bond between the nitric oxide and a sulfur atom in the donor. The nitric oxide donor in this work is S-nitroso-N-acetyl-D-penicillamine which was covalently linked to a silicone rubber made from polydimethylsiloxane. It is shown that the surface flux of nitric oxide released from the polymer films can be increased and decreased by increasing and decreasing the output power of the LED light source. In summary, an optical pH sensing chemistry was developed that eliminated the chronic problem of leaching of the indicator dye and showed no reactivity to nitric oxide released, thereby facilitating the development of a functional, reliable intravascular sensor.

Análisis teórico-experimental de pilares y vigas de hormigón armado reforzados con fibra de carbono

El presente trabajo se refiere al estudio teórico-experimental del comportamiento de pilares y vigas de hormigón armado reforzados con fibra de carbono o CFRP. El análisis se realiza considerando que los pilares se refuerzan mediante la técnica de adhesión de tejidos de fibra de carbono, generando un efecto de confinamiento. Las vigas se refuerzan mediante la incorporación de barras del mismo material, con refuerzos a cortante. El objetivo es poder comparar el estudio analítico de este tipo de refuerzos con resultados experimentales obtenidos con anterioridad a la realización de este documento, y así poder obtener conclusiones de las posibles diferencias. Hay que señalar que los modelos experimentales no forman parte de este estudio. Los ensayos en pilares fueron realizados en sección cuadrada y circular evaluando la rotura a compresión de las piezas, habiendo sido éstas escaladas con un factor de reducción de 2,3. Los ensayos correspondientes a vigas se realizaron en sección rectangular, centrándose en la evaluación de la rotura a flexión y habiendo sido escaladas igualmente, pero con un factor de reducción de 1:2. El documento se estructura en cuatro capítulos, cuyo contenido se expone de forma concisa a continuación. En el capítulo uno o marco teórico se exponen los principios de comportamiento y tipologías de los pilares y vigas de hormigón armado, las bases teóricas de su refuerzo y confinamiento, así como las diversas técnicas de refuerzo existentes. Se detalla la técnica con FRP, comparando y analizando sus ventajas e inconvenientes. En el capítulo dos se expone el proceso de fabricación, refuerzo y resultados de los modelos experimentales realizados para ambos elementos estructurales. La obtención de los modelos teóricos forma parte del capítulo tres, comparándose con los resultados experimentales en el cuarto capítulo. Finalmente, en el último capítulo se presentan las conclusiones obtenidas al realizar esta comparativa en el refuerzo de vigas y pilares con fibra de carbono. This work refers to the theoretical and experimental study of the behavior of CFRP reinforced concrete columns and beams. The analysis was done considering that the pillars are reinforced by CFRP wrapping technique, resulting in a confinement effect. The beams are reinforced by the addition of bars of the same material, with shear reinforcements. The objective is to compare the analytical study of this type of reinforcement with experimental results obtained prior to the performance of this document, and draw conclusions for any differences. Notice that experimental models are not part of this study. The tests were performed on circular and square section pillars, evaluating compression fracture of the pieces, having been scaled down with a factor of 2.3. The tests were performed on rectangular section beams, focusing on evaluation of the bending fracture and being scaled down equally, but with a factor of 1:2. The document is divided into four chapters, whose content is set out concisely below. The chapter one or theoretical framework sets out the principles of behavior and types of columns and beams of reinforced concrete, the theoretical basis of its reinforcement and confinement, as well as various existing reinforcement techniques. CFRP technique it’s detailed, comparing and analyzing their advantages and disadvantages. Chapter two describes the process of manufacture, reinforcement and results of experimental models made for both structural elements. Chapter three shows the obtaining of the theoretical models, comparing them with the experimental results in the fourth chapter. Finally, the last chapter presents the conclusions to make this comparison in the strengthening of beams and columns with carbon fiber.