The field of nanotechnology is one of the most popular areas for current research and development in a large number os technical disciplines. These obviously include polymer science and technology and even in this field the investigations cover a broad range of topics. The studies presented in this dissertation are focused on some specific aspects resulting from researches involving several years in the field of polymer based nanocomposites, in particuar, dealing with the effects of processing techniques and conditions on the structure and properties of composite materials as well as with the consequences of the partial thermal degradation of nanostructured additives during the manufacturing process (melt blending) and the behavior of these ones when they are blended in multiphase polymer matrices. Four different kinds of engineered polymers have been choosen, with increasing complexity dealing with their structure and morphology: an homopolimer (polyamide 66, PA66), a copolymer (acrylonitrile-butadiene-styrene, ABS) and two polymer blends characterised by phase separation in their structure (polycarbonate/ABS and PA66/polyamide 12). They all belong to the group of the so called engineered polymers, which are polymers that can conjugatedifferent and often anthitetical properties to be used in hi-tech applications. The high costs of these enginereed polymers justifies the use of nanostructured additives, that strongly influences the final cost of composite materials. The work discussed in this dissertation allows the comprension, for the specifific cases studied, of the role of clay’s surfactants in the dispersion process as well as of the relationships existing between nanocomposite’s structure and process parameters allowing the dispersion of nanodimensional structures also if severe thermal and mechanical stress conditions are present. The efficiency and potential of low temperature solution intercalation processes and innovative additives characterised by high thermal stability properties have also been investigated and proved. An innovative technique for morphological characterisation, based on laser induced fluorescence (LIF) of optical probes, has been purposed, applied and its correctness has been confirmed by comparison with the results of traditional characterisation techniques (TEM, SEM). Moreover LIF can be applied on larger scale in the industrial manufacturing and testing of organically modified layered silicates. Very complex systems, in terms of structure and morphology of the multiphase polymer matrix, have been studyed and considered in order to investigate and understand the compatibilising effect of nanostructured additives in phase separated blends and the interactions between different kinds of additives when mixed togheter(organically modified layered silicates and carbon nanotubes). A semi empirical model, based on the classic models often used to describe and predict polymer composites properties, has been purposed in order to estimate the exfoliation ratio of polymer based nanocomposites from mechanical characterisation and X-ray diffraction data only.

Le nanotecnologie applicate alla scienza e tecnologia dei materiali polimerici rappresentano attualmente un’area di assoluto interesse e fermento per la ricerca e lo sviluppo di base ed applicati. Il lavoro svolto e discusso in questa tesi mira ad approfondire alcune criticità emerse da anni di studi effettuati nel campo dei nanocompositi a matrice polimerica, in particolare relativamente agli effetti del tipo di processo di dispersione adottato e dei parametri operativi scelti nonchè le ripercussioni della parziale degradazione degli additivi nanostrutturati durante la preparazione dei compositi ed il comportamento degli stessi quando additivati matrici polimeriche particolarmente complesse. Sono state innanzitutto individuate quattro tipologie di tecnopolimeri a complessità crescente dal punto di vista della struttura e della morfologia: un omopolimero (poliammide 66, PA66), un copolimero (acrilonitrile-butadiene stirene (ABS) e due miscele polimeriche a separazione di fase (miscela policarbonato/ABS e PA66/poliammide 12). Tutte afferiscono alla categoria dei cosiddetti tecnopolimeri, ovvero materiali polimerici particolarmente interessanti dal punto di vista del connubio fra diverse proprietà, spesso antitetiche, che li caratterizzano e, per questo, spesso impiegati in applicazioni ad elevato contenuto tecnologico. A livello applicativo l’elevato costo dei tecnopolimeri nonché il notevole valore aggiunto dei sistemi nei quali vengono impiegati giustifica l’impiego di additivi nanostrutturati, che indubbiamente influiscono sul costo finale dei materiali ottenuti. Il lavoro svolto ha permesso di chiarire, nei casi specifici trattati, il reale ruolo degli additivi compatibilizzanti nel processo di dispersione dei silicati lamellari organomodificati in matrici polimeriche nonché le correlazioni fra la struttura dei compositi ottenuti ed i parametri di processo che, se correttamente impostati, consentono di ottenere dispersioni nanometriche anche in condizioni di stress termico particolarmente gravose. Si sono valutate le potenzialità e l’efficienza di processi produttivi alternativi al melt blending e di additivi modificati con compatibilizzanti sperimentali dalle notevoli caratteristiche di stabilità termica alle alte temperature. E’ stato inoltre proposta, applicata e validata con interessanti risultati una tecnica di caratterizzazione innovativa che si basa sulla fluorescenza indotta da laser (LIF) di opportune sonde ottiche, facilmente trasferibile su larga scala nella produzione industriale di additivi. Sono stati considerati e studiati sistemi particolarmente complessi al fine di comprendere l’effetto degli additivi nanostrutturati nella compatibilizzazione delle miscele polimeriche a separazione di fase e le interazioni fra diverse tipologie di additivi (nello specifico silicati lamellari e nanotubi in carbonio) dispersi in miscele polimeriche complesse. E’ stato infine proposto un modello che, basandosi sui classici modelli predittivi sviluppati per i compositi polimerici, permette, a partire da dati di caratterizzazione fisico meccanica e diffrattometrica, di stimare il grado di esfoliazione in un nanocomposito polimerico contenente silicati lamellari organomodificati.

Ottimizzazione formulativa e di processo nella sintesi di tecnopolimeri nanocompositi / Besco, Stefano. - (2009 Jan).

Ottimizzazione formulativa e di processo nella sintesi di tecnopolimeri nanocompositi

Besco, Stefano
2009-01

Abstract

The field of nanotechnology is one of the most popular areas for current research and development in a large number os technical disciplines. These obviously include polymer science and technology and even in this field the investigations cover a broad range of topics. The studies presented in this dissertation are focused on some specific aspects resulting from researches involving several years in the field of polymer based nanocomposites, in particuar, dealing with the effects of processing techniques and conditions on the structure and properties of composite materials as well as with the consequences of the partial thermal degradation of nanostructured additives during the manufacturing process (melt blending) and the behavior of these ones when they are blended in multiphase polymer matrices. Four different kinds of engineered polymers have been choosen, with increasing complexity dealing with their structure and morphology: an homopolimer (polyamide 66, PA66), a copolymer (acrylonitrile-butadiene-styrene, ABS) and two polymer blends characterised by phase separation in their structure (polycarbonate/ABS and PA66/polyamide 12). They all belong to the group of the so called engineered polymers, which are polymers that can conjugatedifferent and often anthitetical properties to be used in hi-tech applications. The high costs of these enginereed polymers justifies the use of nanostructured additives, that strongly influences the final cost of composite materials. The work discussed in this dissertation allows the comprension, for the specifific cases studied, of the role of clay’s surfactants in the dispersion process as well as of the relationships existing between nanocomposite’s structure and process parameters allowing the dispersion of nanodimensional structures also if severe thermal and mechanical stress conditions are present. The efficiency and potential of low temperature solution intercalation processes and innovative additives characterised by high thermal stability properties have also been investigated and proved. An innovative technique for morphological characterisation, based on laser induced fluorescence (LIF) of optical probes, has been purposed, applied and its correctness has been confirmed by comparison with the results of traditional characterisation techniques (TEM, SEM). Moreover LIF can be applied on larger scale in the industrial manufacturing and testing of organically modified layered silicates. Very complex systems, in terms of structure and morphology of the multiphase polymer matrix, have been studyed and considered in order to investigate and understand the compatibilising effect of nanostructured additives in phase separated blends and the interactions between different kinds of additives when mixed togheter(organically modified layered silicates and carbon nanotubes). A semi empirical model, based on the classic models often used to describe and predict polymer composites properties, has been purposed in order to estimate the exfoliation ratio of polymer based nanocomposites from mechanical characterisation and X-ray diffraction data only.
Le nanotecnologie applicate alla scienza e tecnologia dei materiali polimerici rappresentano attualmente un’area di assoluto interesse e fermento per la ricerca e lo sviluppo di base ed applicati. Il lavoro svolto e discusso in questa tesi mira ad approfondire alcune criticità emerse da anni di studi effettuati nel campo dei nanocompositi a matrice polimerica, in particolare relativamente agli effetti del tipo di processo di dispersione adottato e dei parametri operativi scelti nonchè le ripercussioni della parziale degradazione degli additivi nanostrutturati durante la preparazione dei compositi ed il comportamento degli stessi quando additivati matrici polimeriche particolarmente complesse. Sono state innanzitutto individuate quattro tipologie di tecnopolimeri a complessità crescente dal punto di vista della struttura e della morfologia: un omopolimero (poliammide 66, PA66), un copolimero (acrilonitrile-butadiene stirene (ABS) e due miscele polimeriche a separazione di fase (miscela policarbonato/ABS e PA66/poliammide 12). Tutte afferiscono alla categoria dei cosiddetti tecnopolimeri, ovvero materiali polimerici particolarmente interessanti dal punto di vista del connubio fra diverse proprietà, spesso antitetiche, che li caratterizzano e, per questo, spesso impiegati in applicazioni ad elevato contenuto tecnologico. A livello applicativo l’elevato costo dei tecnopolimeri nonché il notevole valore aggiunto dei sistemi nei quali vengono impiegati giustifica l’impiego di additivi nanostrutturati, che indubbiamente influiscono sul costo finale dei materiali ottenuti. Il lavoro svolto ha permesso di chiarire, nei casi specifici trattati, il reale ruolo degli additivi compatibilizzanti nel processo di dispersione dei silicati lamellari organomodificati in matrici polimeriche nonché le correlazioni fra la struttura dei compositi ottenuti ed i parametri di processo che, se correttamente impostati, consentono di ottenere dispersioni nanometriche anche in condizioni di stress termico particolarmente gravose. Si sono valutate le potenzialità e l’efficienza di processi produttivi alternativi al melt blending e di additivi modificati con compatibilizzanti sperimentali dalle notevoli caratteristiche di stabilità termica alle alte temperature. E’ stato inoltre proposta, applicata e validata con interessanti risultati una tecnica di caratterizzazione innovativa che si basa sulla fluorescenza indotta da laser (LIF) di opportune sonde ottiche, facilmente trasferibile su larga scala nella produzione industriale di additivi. Sono stati considerati e studiati sistemi particolarmente complessi al fine di comprendere l’effetto degli additivi nanostrutturati nella compatibilizzazione delle miscele polimeriche a separazione di fase e le interazioni fra diverse tipologie di additivi (nello specifico silicati lamellari e nanotubi in carbonio) dispersi in miscele polimeriche complesse. E’ stato infine proposto un modello che, basandosi sui classici modelli predittivi sviluppati per i compositi polimerici, permette, a partire da dati di caratterizzazione fisico meccanica e diffrattometrica, di stimare il grado di esfoliazione in un nanocomposito polimerico contenente silicati lamellari organomodificati.
polymer nanocomposites, carbon nanotubes, melt blending, processing conditions, organically modified layered silicates
Ottimizzazione formulativa e di processo nella sintesi di tecnopolimeri nanocompositi / Besco, Stefano. - (2009 Jan).
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