- Polimeri Eco-friendly per impieghi nel food packaging, edilizia sostenibile, coating
- Sintesi e caratterizzazione
di nuovi materiali polimerici per uso biomedicale.
- Studi di processi di cristallizzazione di
polimeri
- Analisi complesse di fenomeni dinamici e della
struttura di materiali polimerici.
- Preparazione e caratterizzazione di nanocompositi "Eco-friendly" per applicazioni nel food packaging e nel biomedicale.
- Sintesi e caratterizzazione di nuovi poliesteri contenenti ponti S-S.
- Sintesi e caratterizzazione di poliuree da fonte rinnovabile.
- Valorizzazione scarti agro-alimentari
- Studi di biodegradazione in suolo, mare e compost
Polimeri Eco-friendly per impieghi nel food
packaging, edilizia sostenibile,
coating
Lo scopo principale di questo filone di ricerca consiste nella
sintesi e caratterizzazione di nuovi polimeri e copolimeri che
offrano garanzie di completa biodegradabilità e presentino
caratteristiche chimico/fisiche adeguate agli scopi desiderati.
L'obiettivo è¨ quello di trovare relazioni
proprietà -struttura fondamentali nel design di materiali su
misura per una determinata applicazione. Ad esempio, per ciò che
riguarda il campo del food-packaging, imballaggi
alimentari biodegradabili o green devono possedere diversi
requisiti di base; tra essi spiccano le proprietà barriera,
le proprietà ottiche, buone proprietà meccaniche, la
facilità di smaltimento, le proprietà antistatiche e
tali materiali devono risultare sicuri per gli alimenti con cui
vengono a contatto. Molto spesso un omopolimero non riesce a
soddisfare tutti i requisiti richiesti per una specifica
applicazione; al fine dunque di migliorarne le proprietà non
soddisfacenti senza alterare quelle già buone, vengono
considerate la copolimerizzazione e la miscelazione reattiva e
fisica di polimeri commerciali e non. Tali approcci consentono,
inoltre, di modulare favorevolmente le proprietà finali del
materiale, agendo sul tipo, quantità relativa, distribuzione
delle unità comonomeriche presenti lungo la catena polimerica
o, in caso di miscele, variando gli omopolimeri di partenza e la
composizione della miscela.
I polimeri sintetizzati con le metodologie sopradescritte sono
sottoposti ad un'approfondita caratterizzazione sia sfruttando le
diverse attrezzature disponibili presso i laboratori del
Dipartimento, sia utilizzando apparecchiature collocate presso
altre Strutture di Ricerca.
Materiali polimerici per uso biomedicale
Il gruppo ha concentrato negli ultimi anni numerosi sforzi nella
ricerca di polimeri impiegabili quali biomateriali in campo
biomedicale. I prodotti devono rispettare determinati standard, su
tutti biocompatibilità e biodegradabilità.
L'attività di ricerca si focalizza su due aspetti
fondamentali dell'ingegneria biomedicale: 1) ingegneria tissutale,
2) rilascio controllato di farmaci.
Ingegneria tissutale. Gli studi nell'ambito
dell'ingegneria tissutale hanno aggiunto agli sforzi per lo
sviluppo di una sempre maggiore varietà di costrutti
ingegnerizzati, la considerazione delle qualità funzionali e
meccaniche che questi devono avere per adempiere le funzioni e
soddisfare gli intenti perseguiti: primo fra tutti superare i
limiti dei trattamenti convenzionali di trapianto d'organo e
impianto protesico. In quest'ottica, occorre menzionare, ad
esempio, che l'elasticità della matrice influisce
notevolmente sulla differenziazione cellulare.
Rilascio controllato di farmaci. L'uso di sistemi
polimerici consente la distribuzione del farmaco in siti precisi di
attività all'interno del corpo. Dato l'alto numero di
variabili in gioco, tra cui la tipologia del farmaco, la
quantità da somministrare, il sito d'azione, la durata della
terapia, la stabilità delle molecole attive, etc, è
necessario che i sistemi di rilascio controllato forniscano un
campo di utilizzo molto ampio: ecco che polimeri o copolimeri con
proprietà "ad hoc" risultano ancora una volta la strategia
vincente per superare le problematiche connesse con questa
specifica tecnologia.
Studi di processi di cristallizzazione di
polimeri
L'interesse di questi studi risiede nel fatto che, come ben noto
da letteratura, la struttura morfologica (forma, perfezione e
orientazione dei cristalliti), che si forma per cristallizzazione
dallo stato fuso o dallo stato vetroso, influenza marcatamente le
proprietà di un materiale. Ne consegue che lo studio del
fenomeno della cristallizzazione rappresenta un campo di ricerca
interessante e fondamentale per l'ottimizzazione delle condizioni
di processo di lavorazione e per l'ottenimento di un prodotto con
determinate proprietà . Per condurre tale studi si utilizano
la calorimetria differenziale a scansione (DSC) e la microscopia
ottica (MO), disponibili presso i laboratori del Dipartimento. La
tecnica MO, oltre a permettere la misura della velocità di
crescita sferulitica, permette di ottenere informazioni sulla
morfologia della fase cristallina, che, per molti polimeri, cambia
al cambiare del grado di sottoraffreddamento e quindi della
temperatura di cristallizzazione. Le ricerche prevedono studi di
cinetica di cristallizzazione dal fuso in condizioni sia isoterme
che non isoterme. La cinetica di cristallizzazione isoterma
viene studiata utilizzando il trattamento teorico sviluppato
da Avrami, mediante il quale è possibile calcolare la costante
cinetica globale del processo di cristallizzazione. I dati relativi
al processo di cristallizzazione in condizioni non isoterme sono
invece analizzati tramite le equazioni Tobin ed Ozawa. Il processo
di cristallizzazione è studiato anche utilizzando apparecchiature
collocate presso altre Strutture di Ricerca tra cui:
diffrattometria a Raggi X (XRD), microscopia a Forza Atomica (AFM),
Spettroscopia Dielettrica (DETA).
La velocitè di cristallizzazione viene in ultima analisi
posta in correlazione con la struttura del polimero, in modo da
arrivare ad individuare correlazioni
proprietà -struttura fondamentali per la
progettazione di un materiale con caratteristiche "ad hoc". Nel
caso di copolimeri, i parametri del processo di cristallizzazione
sono correlati alla composizione (copolimeri statistici) e,
all'architettura molecolare, cioè alla lunghezza dei blocchi
cristallizzabili (copolimeri a blocchi).
Analisi complesse di fenomeni
dinamici e della struttura di materiali polimerici.
Come noto, i moti molecolari che hanno luogo nella fase amorfa
risentono fortemente del grado di cristallinità del campione
dato che per temperature superiori a Tg i segmenti
amorfi sono costretti a rilassare tra le regioni cristalline. Tale
vincolo influenza notevolmente il meccanismo di dissipazione
dell'energia. Conseguentemente, proprietà fisiche di
notevole importanza, come la forza e la stabilità meccanica
risultano dipendenti dalla cristallinità. Scopo di queste
ricerche è stato dunque quello di individuare delle correlazioni
tra i moti molecolari, studiati mediante la spettroscopia
dielettrica, e il grado di ordine presente nel sistema, individuato
tramite misure diffrattometriche a raggi X. Tali correlazioni sono
infatti di importanza fondamentale per poter ottimizzare le
proprietà fisiche di un materiale. Tali studi sono stati
possibili grazie alla collaborazione con il gruppo spagnolo
coordinato dal Dr. Ezquerra (CSIC-Madrid).
Preparazione e caratterizzazione di nanocompositi "Eco-friendly" per applicazioni nel food packaging e nel biomedicale.
Le competenze sviluppate dal gruppo di ricerca nell’ambito dello sviluppo di materiali nanocompositi a matrice polimerica sono nate da specifiche esigenze del settore dei materiali polimerici sempre più orientato verso la produzione di materiali ad alte prestazioni, caratterizzati da proprietà altamente specifiche e con basso impatto ambientale. Per quanto riguarda i nanocompositi il gruppo di ricerca si è occupato principalmente di nanofillers di tipo inorganico come i nanotubi di carbonio. Scopo della ricerca è ottenere materiali caratterizzati da proprietà con elevate prestazioni meccaniche, maggiore resistenza termica, ridotta permeabilità ai gas. I parametri fondamentali che vengono ottimizzati al fine di ottenere le migliori prestazioni possibili in tutti i casi sono le caratteristiche chimico fisiche della fase inorganica, il grado di dispersione e l’adesione all’interfaccia con la matrice. La dispersione dei fillers nelle matrici polimeriche è realizzata uitlizzando estrusori bivite co-rotanti. Nell’ambito invece dei materiali nanocompositi "green" la ricerca si è focalizzata sulla preparazione di materiali a base di PBS, poli(butilene succinato), che costituisce uno dei maggiori biopolimeri emergenti. Per migliorare le proprietà meccaniche e barriera del PBS sono stati preparati nanocompositi contenti nanofibre di cellulosa. Ottimi risultati sono stati ottenuti in termini di adesione all’interfaccia, resistenza all’impatto e modulo elastico, senza alterare chimicamente le fibre e sviluppando quindi un materiale completamente “bio”.
Sintesi e caratterizzazione di poliuree da fonte rinnovabile
Negli ultimi anni i carbonati organici (OC) hanno attirato un grande interesse, risultando un'importante classe di molecole con un'ampia gamma di applicazioni. Gli OC possono essere impiegati con successo come intermedi chimici, grazie alla loro atossicità e biodegradabilità, ma anche come solventi aprotici “green”, per il loro alto punto di ebollizione e l'elevata solvibilità. Inoltre, gli OC in presenza di una ammina possono reagire portando a uree e poliuree (PU). Questi materiali sono caratterizzati da stabilità chimiche, termiche e meccaniche superiori rispetto ai corrispondenti poliuretani e possono essere lavorati sotto forma di fibre e film per idonee applicazioni nel campo medico e nella conservazione degli alimenti. Nonostante i PU siano conosciuti da anni, recentemente, sulla base delle loro elevate prestazioni, sono allo studio nuove applicazioni (rivestimenti speciali, elastomeri innovativi, produzione di materiali compositi speciali con proprietà uniche). L'inconveniente principale delle PU è legato al loro processo di sintesi che prevede l'aggiunta di composti piuttosto tossici come poliisocianati. Per questo motivo, la possibilità di utilizzare OC per la produzione di PU rappresenta un’interessantissima sfida. Un valore aggiunto è dato anche dal recente sviluppo di diverse ammine bio-based; la butano diammina e la pentaniammina sono state ottenute rispettivamente dalla lisina e dall'ornitina, aprendo nuove prospettive per la sintesi del bio-PU. Tra le diverse vie proposte, la reazione dei carbonati ciclici -come carbonato di propilene o carbonato di difenile, DPC- con diammine o poliammine. è piuttosto promettente. Tuttavia, queste reazioni devono essere condotte a temperature superiori a 90 ° C e richiedono ore per ottenere conversioni elevate; inoltre, per aumentare la velocità e la resa finale, si utilizzano catalizzatori e, per garantire soluzioni omogenee, vengono spesso utilizzati solventi come il tetrametilene solfone o il toluene. Per uperare questi inconvenienti, si è messo a punto un nuovo processo di sintesi in presenza di carbonato di catecolo. Dai lavori pubblicati in letteratura si evince una buona reattività in presenza di alcoli e polioli alifatici, come il glicerolo, per ottenere i corrispondenti carbonati simmetrici e carbonato di glicerolo. Per questo motivo, CC è stato impiegato in un nuovo processo di policondensazione senza né solvente nè catalizzatore in presenza di diverse diammine potenzialmente biobased, come 1,4-butandiammide, 1,5-pentandiammina e 1,6-esandiammina, al fine di ottenere bio-PU .
Il processo "one-pot" per la preparazione della poliurea è stato applicato con successo, portando a PU altamente cristallini. Questa nuova strategia sintetica apre nuove possibilità per la produzione di poliuree evitando l’uso di isocianat.. Inoltre, è di grande rilievo il recupero semplice e quantitativo del catecolo, isolato in cristalli puri per l'85 e il 100%. Se si tiene altresì conto che 1,4-butandiammina, 1,5 -pentandiammina e 1,6-esametilendiammina sono ottenibili da risorsa rinnovabile, il processo messo a punto è nel pieno rispetto dei principi della “green chemistry”. I prodotti sono stati completamente caratterizzati mostrando una stabilità termica davvero elevata che li rende adatti per applicazioni ad alta temperatura.
