Riassunto analitico
Negli ultimi decenni la ricerca scientifica si è addentrata sempre più nello sviluppo delle scienze e tecnologie della nanoscala, grazie soprattutto alla recente disponibilità di strumenti ed approcci innovativi che permettono l'indagine dei materiali con una risoluzione vicino al livello atomico. Dal punto di vista tecnologico i nanomateriali risultano essere molto interessanti poiché mostrano un comportamento che è intermedio tra quello di un solido macroscopico e quello di un sistema atomico o molecolare, in gran parte correlato sia al grande numero di atomi superficiali, frazione significativa del numero totale di atomi che li compongono, sia alla ampia area superficiale specifica il cui contributo prevale su quello della piccola massa del materiale. Questa caratteristica si traduce sia in nuove che aumentate proprietà chimiche, fisiche, elettroniche ed ottiche rispetto ai corrispondenti tradizionali materiali solidi. In particolare, nanopolveri ceramiche e metalliche, utilizzate sia tali e quali che per la preparazione di materiali compositi, sono materiali particolarmente studiati grazie alle applicazioni in svariati ambiti industriali. Il nostro studio si inserisce proprio in questo settore e si prefigge lo scopo di sviluppare e comprendere metodiche di sintesi innovative per la preparazione di materiali compositi nanostrutturati a matrice polimerica. Nello specifico si sono sviluppati compositi ibridi costituiti da una matrice polimerica di tipo epossidico e da una carica nanometrica inorganica di tipo ceramico e metallico. Un importante vantaggio dell’utilizzo di cariche nanometriche, legato all’aumento dell’area superficiale specifica, risiede nel fatto che a parità di proprietà finali del composito è possibile inserire in matrice una quantità di carica molto inferiore rispetto all’uso di cariche micrometriche. Inoltre, l’abbassamento considerevole della percentuale in peso di carica in matrice apporta una migliorata lavorabilità del composito. Esistono però anche molte problematiche nella realizzazione di questi materiali una delle quali riguarda l’alta facilità di aggregazione delle nanoparticelle che comporta una loro disomogenea dispersione in matrice e una peggiorata interazione tra le due fasi. Pertanto, con lo scopo di migliorare la dispersione e l’adesione tra le due fasi, sono stati presi in considerazione differenti metodiche di preparazione dei compositi. Nello specifico lo studio si è articolato nello sviluppo di compositi tramite sintesi in situ con due modalità differenti: 1) sintesi di materiali ibridi per via sol-gel, 2) sintesi delle nanocariche in un componente precursore della matrice e successiva preparazione della matrice. Nonostante, infatti, il metodo di miscelazione meccanica di carica e matrice sia quello più utilizzato, spesso non è il metodo migliore per l’ottenimento di un composito omogeneo caratterizzato da un’alta dispersione e da una bassa agglomerazione delle nanoparticelle. In particolare con il primo approccio sono state preparate resine epossidiche con silice, titania e zirconia mentre, con il secondo approccio, argento nanometrico è stato sintetizzato in ammine e poliammine successivamente utilizzate per la reticolazione della resina epossidica. Le nanopolveri sono state caratterizzate tramite studi morfologici, mineralogici e chimici, mentre i nanocompositi preparati sono stati analizzati anche per valutarne proprietà elettriche, ottiche, antibatteriche e, qualora utilizzati come coating, caratteristiche di resistenza al graffio.
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Abstract
In recent decades, scientific and technology development on nanoscale are an important issue for scientific research, thanks to the recent availability of tools and innovative approaches that allow materials investigation with atomic resolution.
From the technological point of view nanomaterials appear very interesting because they show an intermediate behavior between a macroscopic solid and an atomic or molecular material. This behavior is largely related to the considerable number of surface atoms that is a significant fraction of the total and to the specific surface area whose contribution prevails over that of the small mass of material. This feature is reflected both in new and increased chemical, physical, electronic and optical properties compared to the corresponding conventional solid materials.
In particular, ceramics and metal nanopowders are used to composite materials preparation because these materials have more interesting applications in various industrial fields. This study are insert in this field and aims to develop and understand innovative synthesis methods for the preparation of nanostructured composite materials with a polymer matrix. Specifically, composites with epoxy polymer matrix with ceramic and metal nanofiller have been developed.
An important advantage of using nanofillers in place of micrometric filler to composites preparations, related to the increase specific surface area, is a less amount of filler to obtain the same final properties.
In addition, substantial lowering of the weight percentage of filler in the matrix improves the composite workability. One of the main problem in the realization of these materials is that nanoparticles have high tendency to aggregation resulting in inhomogeneous dispersion into the matrix with a consequent deteriorated interaction between two phases.
Therefore, in order to improve dispersion and adhesion between matrix and filler different composites preparation methods have been considered. In particular, the study consisted in the development of composites through in situ synthesis by two different ways: 1) synthesis of hybrid materials by sol-gel technique, 2) nanofillers synthesis in a matrix component and subsequent curing of the resins. Although, in fact, the mechanical mixing method is most commonly used to mix filler and matrix, often it is not the best method for obtaining a homogeneous composite characterized by highly dispersed and low agglomerate nanoparticles.
In particular, with the first approach, epoxy resins have been prepared with silica, titania and zirconia nanofiller, while with the second approach, nanometer silver was synthesized in amines and polyamines subsequently used for the curing of epoxy resin.
The obtained nanopowders have been characterized by morphological, mineralogical and chemical analysis while the prepared nanocomposites have been also analyzed to evaluate their electrical, optical, antibacterial, and, when used as coatings, scratch resistance.
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