Preparation and characterization of multifunctional bio-based polymers exhibiting enhanced properties

Driven by environmental reasons and the expected depletion of crude oil, bio-based polymers are currently undergoing a renaissance in the attempt to replace fossil-based ones. The present work aims at contributing in the development of the steps that start from biomass and move to new polymeric multifunctional materials. The study focuses on two bio-based building blocks (itaconic and vanillic acids) characterized by exploitable functionalities, i.e. a lateral double bond and a substituted aromatic ring respectively, able to confer interesting properties to the final polymers. The lateral double bond of dimethyl itaconate was functionalized via thia-Michael addition reaction obtaining a thermo-stable building block that can undergo polycondensation under classical conditions of reaction. The addition of a long lateral chain allows the polymer to express antimicrobial activity against Staphylococcus aureus making it attractive for packaging and targeting antimicrobial applications. Moreover, the architecture of the homopolymer was modified by means of copolymerization with dimethyl 2,5-furandicarboxylate thus improving the rigidity and obtaining a thermo-processable material. Potential applications as thermoset or thermoplastic material have been discussed. As concerns vanillic acid, the presence of aromatic rings on the polymer backbone imparts high thermal stability, but brittle behaviour in the homopolymer. Therefore, the architecture of the polyester was successfully tuned by means of copolymerization with a flexible bio-based comonomer, i.e. ω-pentadecalactone, providing processable random copolymers. An in depth investigation of water transport mechanism has been undertaken on the synthesized polyesters. Since the copolymers present a succession of aromatic and aliphatic units, as a consequence of the chemical structure water vapor permeability interposes between polyethylene and poly(ethylene terephthalate) proving that the copolyesters are suitable for packaging applications. Moving towards a sustainable model of development, novel sustainable synthetic pathways for the eco-design of new bio-based polymeric structures with high value functionalities and different potential applications have been successfully developed.

Mode-I fracture parameters of quasi-brittle materials: direct evaluation using DIC and relationship with Mode-II interfacial parameters

The objective of this thesis is the investigation of the Mode-I fracture mechanics parameters of quasi-brittle materials to shed light onto the influence of the width and size of the specimen on the fracture response of notched beams. To further the knowledge on the fracture process, 3D digital image correlation (DIC) was employed. A new method is proposed to determine experimentally the critical value of the crack opening, which is then used to determine the size of the fracture process zone (FPZ). In addition, the Mode-I fracture mechanics parameters are compared with the Mode-II interfacial properties of composites materials that feature as matrices the quasi-brittle materials studied in Mode-I conditions. To investigate the Mode II fracture parameters, single-lap direct shear tests are performed. Notched concrete beams with six cross-sections has been tested using a three-point bending (TPB) test set-up (Mode-I fracture mechanics). Two depths and three widths of the beam are considered. In addition to concrete beams, alkali-activated mortar beams (AAMs) that differ by the type and size of the aggregates have been tested using the same TPB set-up. Two dimensions of AAMs are considered. The load-deflection response obtained from DIC is compared with the load-deflection response obtained from the readings of two linear variable displacement transformers (LVDT). Load responses, peak loads, strain profiles along the ligament from DIC, fracture energy and failure modes of TPB tests are discussed. The Mode-II problem is investigated by testing steel reinforced grout (SRG) composites bonded to masonry and concrete elements under single-lap direct shear tests. Two types of anchorage systems are proposed for SRG reinforced masonry and concrete element to study their effectiveness. An indirect method is proposed to find the interfacial properties, compare them with the Mode-I fracture properties of the matrix and to model the effect of the anchorage.

A methodological approach for the performance optimization of transient seepage models through inverse analysis

The topic of the Ph.D project focuses on the modelling of the soil-water dynamics inside an instrumented embankment section along Secchia River (Cavezzo (MO)) in the period from 2017 to 2018 and the quantification of the performance of the direct and indirect simulations . The commercial code Hydrus2D by Pc-Progress has been chosen to run the direct simulations. Different soil-hydraulic models have been adopted and compared. The parameters of the different hydraulic models are calibrated using a local optimization method based on the Levenberg - Marquardt algorithm implemented in the Hydrus package. The calibration program is carried out using different types of dataset of observation points, different weighting distributions, different combinations of optimized parameters and different initial sets of parameters. The final goal is an in-depth study of the potentialities and limits of the inverse analysis when applied to a complex geotechnical problem as the case study. The second part of the research focuses on the effects of plant roots and soil-vegetation-atmosphere interaction on the spatial and temporal distribution of pore water pressure in soil. The investigated soil belongs to the West Charlestown Bypass embankment, Newcastle, Australia, that showed in the past years shallow instabilities and the use of long stem planting is intended to stabilize the slope. The chosen plant species is the Malaleuca Styphelioides, native of eastern Australia. The research activity included the design and realization of a specific large scale apparatus for laboratory experiments. Local suction measurements at certain intervals of depth and radial distances from the root bulb are recorded within the vegetated soil mass under controlled boundary conditions. The experiments are then reproduced numerically using the commercial code Hydrus 2D. Laboratory data are used to calibrate the RWU parameters and the parameters of the hydraulic model.

Development and chemo-mechanical characterization of eco-compatible extenders containing REOB and recycled tyres’ rubber for the production of greener bituminous binders

The concepts of circular economy and sustainability are the basis of the present experimental research that seeks to reduce the environmental impact of traditional road construction materials. This study mainly focuses on the development and the chemo-mechanical characterization of bitumen extenders containing rubber (R) from end-of-life tyres (ELTs) and re-refined engine oil bottoms (REOBs) for the production of innovative and eco-friendly extended bitumens (i.e. bituminous binders containing 25%wt. of recycled products) and asphalt mixtures. In order to create more sustainable asphalt mixes, also recycled aggregates are used for partial replacement of virgin natural aggregates in the aggregate skeleton. The experimental program encompassed five successive steps: (i) the evaluation of physicochemical properties of R and REOB, (ii) the definition of the optimal extenders by the development of a new protocol and their characterizations, (iii) the realization and investigation of the chemo-rheological responses of the extended bitumens at different boundary conditions, (iv) the assessment of the effectiveness of analytical method to predict the rheological parameters of extended bitumens and, finally, (v) the analysis of the mechanical performances of the corresponding asphalt mixtures. A standard 50/70 penetration grade bitumen was chosen as a reference material and the main constituent of the innovative bituminous products. The results of this study underlined the importance of material characterization. The incorporation of R-REOB extenders strongly affects the chemo-rheological responses of the resulting extended bitumens and asphalt mixtures overall the boundary conditions. While the presence of R and the consequent formation of a polymer network improves the elasticity of the final products, especially at high test temperatures; the addition of REOB, softens the bituminous binders and asphalt mixes increasing their response at low test temperatures. Nonetheless, the use of recycled products increased the susceptibility of bituminous material under damaging conditions, which would need further investigations.

Confronto dei metodi di conservazione della carta fra Italia e Cina : indagini scientifiche e tecniche di restauro per il materiale cartaceo

I metodi di conservazione per i materiali cartacei in Italia e in Cina sono nati in diversi contesti storici. L’idea di questo studio nasce dalla necessità di sviluppare analisi specifiche sul metodo di restauro cartaceo cinese, per introdurre metodi e tecnologie efficaci ed innovative.

Sintesi e proprietà fotovoltaiche di polimeri contenenti gruppi elettron donatori e accettori in catena principale

Negli ultimi anni è notevolmente aumentato l’interesse nei confronti dei materiali organici semiconduttori da utilizzare in diversi dispositivi, come, ad esempio, celle fotovoltaiche organiche (OPV). In questo campo si inseriscono i polimeri coniugati ed in particolar modo i polialchiltiofeni (PATs). In questa tesi di laurea magistrale vengono descritte sintesi di monomeri e polimeri tiofenici 3-alchil-sostituiti contenenti un'unità elettron accettrice di benzotiadiazolo. In particolar modo sono stati sintetizzati poli-4,7-bis-(3-esiltiofen-2-il)benzo [1,2,5]tiadiazolo e poli- 4,7 -bis-(3-metossiesiltiofene-2-il)benzo[1,2,5]tiadiazolo, studiando l’effetto dell’ossigeno presente in catena laterale sulle proprietà del materiale. È stata effettuata la caratterizzazione chimico fisica dei polimeri tramite analisi termiche DSC e TGA, cromatografia a permeazione su gel (GPC) e analisi UV-Vis e PL. Sono state inoltre effettuate prove di conducibilità testando i polimeri come materiali fotoattivi in celle fotovoltaiche SMOCs e BHJ, per valutare l’effetto dell’unità di benzotiadiazolo sul trasporto delle cariche.

Application of an equivalent frame model for the analysis of typical Dutch masonry structures

A partire dal 1986, nell’Olanda settentrionale si sta verificando un incremento di fenomeni sismici superficiali di medio-bassa intensità. Siccome la zona è considerata a basso rischio sismico, tali fenomeni sono legati all’estrazione di gas nella regione Groningen situata a nord-est del paese, la quale rappresenta il più grande giacimento d’Europa. Di conseguenza, si sono verificati danni ingenti sulle strutture che sorgono in zona, che di fatto non erano state progettate per resistere a forze orizzontali legate all’accelerazione del suolo. Ricercatori, aziende e università sono stati coinvolti nel progetto di ricerca finalizzato alla valutazione della vulnerabilità sismica delle costruzioni esistenti, in modo da poter avviare interventi di miglioramento o adeguamento sismico. A questo scopo, presso l’università tecnica di Delft sono stati svolti diversi test sperimentali e analitici su murature non rinforzate tipiche olandesi, che rappresentano la tipologia costruttiva più diffusa e si distinguono per la presenza di maschi murari snelli, grandi aperture e inadeguatezza delle connessioni tra gli elementi strutturali. Lo scopo della tesi è verificare l’adeguatezza del modello a telaio equivalente implementato nel software 3Muri per la modellazione di due tipiche case a schiera in muratura non rinforzata. Tali case, precedentemente ricostruite e testate in laboratorio attraverso un’analisi pushover, differiscono per metodologia costruttiva ed i materiali utilizzati.

Design di nuovi poliesteri a base di polibutilene succinato per la preparazione di scaffold per l’ingegneria tissutale del miocardio: struttura chimica e architettura molecolare come tool efficienti per modulare le proprietà chimico-fisiche

L’ingegneria dei tessuti molli, quali il miocardio, sta sempre più emergendo come approccio alternativo alle terapie tradizionali. In questo ambito, i poliesteri costituiscono una classe di polimeri promettente, poiché le variegate strutture chimiche che li caratterizzano permettono di soddisfare un’ampia gamma di esigenze. Negli ultimi anni, l’attenzione della ricerca si è incentrata sul poli(butilene succinato)(PBS). Il PBS, tuttavia, possiede proprietà meccaniche non ottimali per l’ingegneria dei tessuti molli; inoltre i tempi di degradazione sono lunghi; ciò è dovuto al grado di cristallinità e all’idrofobicità, entrambi elevati. Nell’ottica di migliorare le proprietà non soddisfacenti di tale omopolimero, sono stati sintetizzati e caratterizzati nuovi copoliesteri alifatici a base di PBS biocompatibili e biodegradabili. In particolare, sono stati realizzati un copolimero a blocchi e uno statistico a base di Pripol 1009, un diacido commerciale (Croda), e un copolimero a blocchi a base di neopentil glicole, valutando sia l’effetto del tipo di comonomero introdotto nel PBS (Pripol 1009 vs. neopentil glicole) che quello dell’architettura molecolare (copolimero statistico vs. copolimero multiblocco). I materiali sintetizzati sono stati processati in forma di film attraverso pressofusione e di scaffold tramite elettrofilatura. Oltre alla caratterizzazione molecolare, film e scaffold sono stati sottoposti anche ad analisi termica, diffrattometrica, meccanica e a studi di degradazione idrolitica in condizioni fisiologiche. I risultati ottenuti hanno evidenziato la possibilità di modulare sia le proprietà meccaniche che la velocità di degradazione in condizioni fisiologiche. Tutti i copolimeri, infatti, presentano caratteristiche di elastomeri termoplastici e dei profili di degradazione variabili rispetto all’omopolimero, che li rendono adatti per applicazioni nel campo dell’ingegneria dei tessuti molli.

Nuovo copoliestere multiblocco a base di acido 2,5-furandicarbossilico contenente sequenze PEG-like per la realizzazione di film compostabili per il packaging flessibile ecosostenibile

La società civile pone oggi particolare attenzione al tema della sostenibilità ambientale, di qui la crescente necessità di progettare e sviluppare imballaggi ecosostenibili e/o biodegradabili con elevate prestazioni. I materiali polimerici, in particolare i poliesteri, presentano sicuramente una valida soluzione. Un monomero proveniente da fonti rinnovabili che consente la realizzazione di polimeri dalle eccellenti proprietà meccaniche e barriera è l'acido 2,5-furandicarbossilico. Tuttavia, i poliesteri furan-based non possiedono le caratteristiche di biodegradabilità desiderate, inoltre sono materiali duri e fragili e quindi non idonei per l’imballaggio flessibile. In tale contesto si inserisce il presente lavoro di tesi che ha come scopo la realizzazione di un nuovo poli(estere uretano) multiblocco a base di acido 2,5-furandicarbossilico, caratterizzato da proprietà migliorate rispetto all’omopolimero di partenza (poli(esametilene 2,5-furanoato)), il quale presenti una maggiore velocità di degradazione, combinata con un comportamento meccanico elastomerico, e eccellenti proprietà barriera. Per questo sono state prese in considerazione due diverse unità copolimeriche: una cosiddetta “hard” il poli(esametilene 2,5-furanoato) e l’altra “soft” il poli(trietilene 2,5-furanoato). L’alternanza di queste due porzioni ha permesso di realizzare un copolimero tenace, con un’elevata temperatura di fusione (dovuta all’elevato grado di cristallinità del segmento hard), e con un basso modulo elastico ed un elevato allungamento a rottura (tipici invece del segmento soft). I risultati ottenuti hanno evidenziato come la copolimerizzazione abbia aumentato la flessibilità del materiale, la velocità di degradazione, entrambi grazie al ridotto grado di cristallinità. Infine il copolimero presenta eccellenti proprietà barriera, grazie alla presenza di una fase bidimensionale ordinata (mesofase).

Caratterizzazione di bioelettrodi elastici a polimero semiconduttore nano-strutturato

Nell'ambito della medicina bioelettronica vi è un grande interesse nello sviluppo di bioelettrodi elastici ad interfaccia nanostrutturata per la rilevazione dei segnali elettrici del sistema nervoso. Uno dei materiali organici più performanti è il polimero conduttivo 3,4-polietilenediossitiofene (PEDOT), drogato col polianione polistirene sulfonato (PSS) a formare il PEDOT:PSS nanocomposito. Questo composto tende però a perdere le proprietà elettrochimiche di partenza quando sottoposto a stress meccanico. Per ottenere una caratterizzazione del materiale è stata esaminata la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) come funzione della frequenza temporale di alcuni elettrodi d' oro rivestiti di PEDOT:PSS elettrodepositato, utilizzando dei substrati microfabbricati. Sono stati inoltre eseguiti confronti con bioelettrodi PEDOT:PSS con l'aggiunta di glicole polietilenico (PEG) in fase di deposizione elettrochimica, un plastificante che migliora le proprietà elastiche dei bioelettrodi. Al fine di ottenere una caratterizzazione topologica dei dispositivi, si è fatto uso di un Microscopio a Forza Atomica (AFM). Infine, è stata elaborata una metodologia per caratterizzare i dispositivi sotto l'azione di uno stress meccanico molto ricorrente nelle applicazioni mediche. Si è constato che gli spettri di impedenza dei bioelettrodi possono essere ragionevolmente descritti da un circuito equivalente formato da una resistenza in serie ad una capacità. I parametri ricavati tramite questo modello sembrano suggerire inoltre un'analogia quantitativa nel comportamento del PEDOT:PSS e del PEDOT:PSS:PEG.

Studio della riflessione ondosa di mezzi porosi a confronto tramite analisi di laboratorio.

La riflessione ondosa è uno degli effetti idrodinamici che scaturiscono dall'interazione tra la massa d'acqua libera in movimento e la struttura in cui si imbatte, sia essa in un lago, mare od oceano. Studiare un fenomeno aleatorio e dissipativo come questo in maniera solo analitica, non è sufficiente a raggiungere il grado di precisione che ad oggi si richiede alle opere ingegneristiche, pertanto, una buona prassi sperimentale prevede che la teoria venga integrata e sostenuta da test di laboratorio che, grazie alla condizioni al contorno note e controllate, consentono di circoscrivere il problema reale dando modo all'analisi matematica di interpretarlo correttamente, per poi essere in grado di prevenirlo in maniera efficace. Il presente elaborato nasce dal tema attuale dell' "emergenza plastica" nei mari, e lo applica al problema pratico ingegneristico di assorbimento dell'energia ondosa, ovverosia la necessità di ridurre l'altezza d'onda in corrispondenza di bacini portuali, con lo scopo di prevenire la sovrapposizione di onde riflesse più volte dai corpi immersi a distanza ravvicinata, eventualità che, nell'immediato, renderebbe gli attracchi e in genere le operazioni portuali difficilmente praticabili, e, come sarà descritto in maniera più esaustiva nel terzo capitolo, nel lungo termine potrebbe provocare gravi fenomeni di instabilità alle strutture coinvolte. I test di generazione e analisi di riflessione ondosa oggetto di questo studio, sono stati eseguiti nel laboratorio di Ingegneria Idraulica LIDR del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e dei Materiali, DICAM, dell'Università Alma Mater Studiorum di Bologna, utilizzando il canale a sviluppo longitudinale, il quale, grazie alle sue caratteristiche fisico-geometriche, consente di studiare il moto dei fluidi trascurando l'attrito, e, nel caso specifico delle onde, di applicare al moto ondoso le ipotesi di linearità, presentate nel secondo capitolo.

Nuovi copoliesteri statistici 100% biobased con eccellenti proprietà meccaniche e barriera, per un packaging ecosostenibile

L’incremento mondiale nel consumo di materie plastiche registrato negli ultimi ottant’anni, ha portato all’insorgere di diverse problematiche ambientali, legate allo smaltimento dei rifiuti e all’eccessivo sfruttamento dei giacimenti petroliferi. La situazione risulta particolarmente difficoltosa nel settore di massimo utilizzo delle plastiche: il food packaging. Una delle possibili soluzioni è l’utilizzo di bioplastiche, soprattutto quelle derivanti da biomassa. Fra queste, di particolare interesse sono i biopolimeri a base di acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA), come il poli(butilene furanoato) (PBF) dotato di ottime proprietà meccaniche, termiche e barriera, ma caratterizzato al contempo da eccessiva rigidità. Il presente lavoro di Tesi Magistrale si propone di modulare le proprietà del PBF, mediante copolimerizzazione con acido isoftalico, monomero biobased e in grado di conferire buone proprietà barriera al materiale finale. I due monomeri aromatici, in diversa percentuale molare, sono stati polimerizzati con 1,4-butandiolo, ottenendo un sistema copolimerico poli(butilene furanoato-co-isoftalato) 100% biobased. I materiali sintetizzati sono stati sottoposti a caratterizzazione molecolare (1H-NMR, 13C-NMR e GPC), termica (TGA e DSC), diffrattometrica (WAXS), analisi meccanica e prove barriera. Essi hanno mostrato ottime proprietà meccaniche, con riduzione del modulo elastico e aumento dell’allungamento a rottura all’aumentare della percentuale di unità isoftalica impiegata, ottima stabilità termica (oltre 350°C) e proprietà barriera confrontabili con quelle dei polimeri di derivazione petrolchimica, attualmente utilizzati nel campo degli imballaggi. I risultati ottenuti mostrano come la copolimerizzazione abbia permesso di migliorare le proprietà non soddisfacenti del PBF, senza andare a detrimento di quelle già buone, nell’ottica dell’applicazione finale.

Valutazione della resistenza all’impatto di laminati compositi

Nel presente lavoro di tesi è stato studiato il comportamento all’impatto di laminati compositi di varia natura, valutando il danneggiamento ad impatti a bassa velocità. Il comportamento dei diversi campioni è stato osservato prendendo come riferimento un laminato in fibra di carbonio e resina epossidica. Al fine di studiare e migliorare la risposta dei materiali a questo tipo di sollecitazioni sono stati utilizzati diversi approcci: introduzione di strati eterogenei di natura differente e uso di tessuti ibridi (fibre di carbonio e fibre polimeriche). I campioni sono stati quindi sottoposti ad impatti a diversa energia, con lo scopo di valutare l’energia assorbita e la loro deformazione. I provini danneggiati sono stati quindi sottoposti ad analisi di caratterizzazione microscopica, termica e meccanica.

Fibre naturali nel settore dei compositi: confronto fibre di lino vs. fibre di carbonio

I materiali compositi possiedono proprietà funzionali e di resistenza sempre più performanti grazie alla natura dei rinforzanti in fibra di carbonio, i quali però sono caratterizzati da criticità relative al processo di trasformazione altamente energivoro e dispendioso, all’inquinamento collegato alla produzione delle fibre e al trattamento di sizing, nonché alla difficoltà nello stadio di separazione dei costituenti del manufatto composito e del conseguente riciclo. A causa di queste problematiche sono stati introdotti in produzione materiali a matrice epossidica rinforzata con fibre di lino. Lo studio è stato indirizzato verso la caratterizzazione delle materie prime che compongono i manufatti, quindi fibre e semilavorati, mediante analisi termiche dinamiche in DSC e TGA con il fine di determinare la composizione e resistenza dei singoli componenti e la misura della variazione nel comportamento quando sono uniti per comporre i prepreg. Sono state eseguite delle prove di igroscopicità, umidità e densità per ottenere una panoramica precisa sulle differenze nella struttura delle fibre in carbonio e lino che le differenzia in modo apprezzabile. Sono stati laminati compositi reticolati secondo tecnologia in autoclave, le cui proprietà sono state definite mediante prove termiche dinamiche in DSC, TGA, DMA, prove alla fiamma mediante conocalorimetro, prove fisiche di igroscopicità, umidità e densità, prove ottiche al SEM in seguito ad una rottura in trazione. Parte del progetto seguito è stato direzionato all’ottimizzazione del ciclo produttivo in autoclave. La simulazione del nuovo ciclo di cura industriale, RAPID, è stata eseguita per valutare la variazione della Tg finale e il grado di curing, nonché le proprietà termiche e meccaniche già valutate nel ciclo di cura, STANDARD.

Sviluppo di un sensore elettrochimico modificato per la determinazione quantitativa di ammoniaca in fase gassosa

Oggigiorno, a causa dell’aumento delle emissioni gassose di ammoniaca, occorre far fronte alla necessità di salvaguardare l’ambiente e la salute degli esseri viventi. A tale scopo, stanno acquisendo sempre più interesse dispositivi portatili che forniscano quantificazioni accurate. Grazie alle interessanti prestazioni esibite dai transistor elettrochimici organici (OECTs) a base di PEDOT:PSS, per la quantificazione di analiti in ambiente acquoso, nasce l’idea di realizzare un sensore elettrochimico ad essi ispirato e in grado di effettuare determinazioni in fase gas. Si vuole realizzare una tipologia di sensore a due terminali che unisca l’elettronica di lettura semplificata, l’amplificazione del segnale e il basso apporto di energia necessario garantito dagli OECTs, ad una geometria adeguata anche per applicazioni non convenzionali. Tale dispositivo viene modificato tramite elettrodeposizione di particelle di IrO2 per rendere il canale polimerico sensibile alle variazioni di pH e sottoposto a dip coating in un idrogel semi-solido per garantire la presenza di un’interfaccia efficace tra il materiale sensibile e l’aria circostante in cui si vuole quantificare ammoniaca. Questo lavoro di tesi ha comportato una prima fase di progettazione del sensore, dove vengono valutati i parametri di deposizione e caratterizzazione delle particelle sintetizzate e del materiale composito finale, la corretta formulazione del substrato gel per un’interfaccia solido-gas efficace ed una seconda, dove l’attenzione è invece volta all’ottimizzazione della risposta elettrochimica e delle prestazioni del sensore, con particolare riguardo verso ripetibilità, riproducibilità delle misure, tempo di risposta e limite di rivelabilità. Al termine del lavoro si raggiunge l’ottimizzazione di un sensore elettrochimico a due terminali per la quantificazione di ammoniaca gassosa che, grazie alla sua geometria, si presta anche ad applicazioni wearable nel campo dei materiali intelligenti.