Progetto lauree scientifiche SCIENZA DEI MATERIALI · fili di cotone nitrato (Rayon) ... Che...
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NanocompositiNanocompositi polimerici:polimerici:
Progetto lauree scientifiche Progetto lauree scientifiche
SCIENZA DEI MATERIALI SCIENZA DEI MATERIALI
NanocompositiNanocompositi polimerici:polimerici:
Relatore : Annalisa ColomboRelatore : Annalisa Colombo Milano Bicocca 7/4/2011Milano Bicocca 7/4/2011
PoSyLIFE:
(Polymer Synthesis forLIFE improving)
GRUPPO GRUPPO DIDI RICERCA: RICERCA: PoSyLIFEPoSyLIFE
Studio: Laurea triennale in restauro di
dipinti policromi mobili;
Sito:
www.mater.unimib.it/utenti/simonutti/
dipinti policromi mobili;
Laurea triennale e specialistica in
Scienza dei Materiali
Ricerca: Dottorato in Nanostrutture e
Nanotecnologie
Cosa faccio…..
Nanocompositi polimerici per l’illuminazione
e per la protezione dei dipinti
Introduzione Introduzione
Particelle inorganiche nanometriche
Matrice polimerica
Nanocompositi polimerici
Dimensioni nano: 10-9 Metri Matrice di plastica, gomma…
�� TrasparenzaTrasparenza
�� Assorbimento Assorbimento UV e IRUV e IR
La possibilità di modulare alcune proprietà:
�� Assorbimento Assorbimento UV e IRUV e IR
�� Stabilità termicaStabilità termica
�� LuminescenzaLuminescenza
�� Proprietà meccanicheProprietà meccaniche
�� Indice di rifrazioneIndice di rifrazione
Filtro UV svolto dalle nanoparticelle di titania!
Che cos’è un polimero? Che cos’è un polimero?
Un polimero è una MACROMOLECOLAMACROMOLECOLA
E’ una molecola grande la cui struttura deriva
dall’unione di unità ripetitive, monomeri, legate
con legami covalenti
E’ una molecola grande la cui struttura deriva
dall’unione di unità ripetitive, monomeri, legate
con legami covalenticon legami covalenticon legami covalenti
Unità
(monomeri)
Polimero
Immagine AFM (Da Wikipedia)
Che cos’è un polimero? Che cos’è un polimero?
AmorfoAmorfo Semicristallino Semicristallino
Nello stato solidoNello stato solido
AmorfoAmorfo Semicristallino Semicristallino
Che cos’è un polimero? Che cos’è un polimero?
OMOPOLIMERIOMOPOLIMERI
LINEARILINEARI RAMIFICATIRAMIFICATI
Un solo tipo di Un solo tipo di monomeromonomero
A scalaA scalaA PETTINEA PETTINE
Che cos’è un polimero? Che cos’è un polimero?
COPOLIMERICOPOLIMERI Diversi tipi di Diversi tipi di monomerimonomeri
ALTERNATI
STATISTICO (RANDOM)
A BLOCCHI
Che cos’è un polimero? Che cos’è un polimero?
• i polimeri naturali sono quelli che si trovano in natura:
proteine, poli-isopreni (guttaperca, caucciù ecc ),
polisaccaridi (cellulosa, amido, proteine...) e acidi nucleici
(quali l'acido ribonucleico o RNA e l'acido
desossiribonucleico o DNA)
L‘origineL‘origine
desossiribonucleico o DNA)
• i polimeri sintetici sono quelli prodotti dall'uomo. A tale categoria di
polimeri appartengono numerosi composti, tra cui i plastomeri (o
polimeri plastici), gli elastomeri (o polimeri elastici) e le fibre.
Estrazione
petroliopetrolioraffinazione
polimerizzazioneplastica
Immagine da: google immagini
META’ DEL ‘800 1839 Charles Goodyear mescola il caucciù allo zolfo
(vulcanizzazione) producendo un materiale gommoso
1855 Georges Audemars ottiene seta artificiale a partire da
fili di cotone nitrato (Rayon)
INIZIO ‘900 Prima definizione: macromolecola
Che cos’è un polimero? Che cos’è un polimero?
Dai polimeri artificiali ai polimeri Dai polimeri artificiali ai polimeri sintetici…sintetici…
INIZIO ‘900 Prima definizione: macromolecola
1907-09 Leo Hendrik Baeckeland, Bachelite, primo
termoindurente (stampaggio)
Produzione di polimeri dal petrolio (gomma sintetica)
Alla DuPont si eseguono le ricerche che portarono alla
produzione del nylon e del neoprene
PRIMA GUERRA
MONDIALE
1963 Giulio Natta, nobel per la messa a punto di catalizzatori
stereospecifici per la polimerizzazione stereochimica selettiva
delle alfa-olefine
META’ DEL ‘900
PLASTICA GOMMA
Dove li puoi trovare? Dove li puoi trovare?
VERNICI
Che cos’è un polimero? Che cos’è un polimero?
TESSUTI
Immagine da: google immagini
Come si fa un polimero ? Come si fa un polimero ?
Sintesi POLIMERIZZAZIONEPOLIMERIZZAZIONE
Radicalica
Cationica
Anionica • Poliesteri (PET-bottiglie)
• Poliammidii (nylon, kevlar)
(Perdita di molecola a basso peso molecolare)
per condensazioneper addizione
Anionica
Coordinativa (Natta) • Poliammidii (nylon, kevlar)
• Policarbonati (compact disc)
• Resine fenoliche (montature di occhiali,
caschi, coperchi)
• Poliuretani (schiume, vernici)
• Polisilossani, siliconi (tubi, isolanti)
PS (polistirolo, piatti, bicchieri)
PE (tappi bottiglie, sacchetti, contenitori)
PMMA (pannelli trasparenti)
PP (scatole, pannelli)
PTFE (Teflon)
Nuovi metodi (Nuovi metodi (radicaliciradicalici pseudoviventipseudoviventi))
Nuovi polimeri (copolimeri, polimeri
ramificari dendrimeri)
Come si analizza un polimero? Come si analizza un polimero?
SPETTROSCOPIA SPETTROSCOPIA
INFRAROSSO (IR)
RISONANZA MAGNETICA
NUCLEARE (NMR)
UV-VISIBILE
MASSA
MICROSCOPIA MICROSCOPIA
OTTICA
SEM (ELETTRONICA A SCANSIONE)
TEM (ELETTRONICA A TRASMISSIONE)
A SONDA (STM, AFM)
CARATTERIZZAZIONECARATTERIZZAZIONE
SPETTROSCOPIA SPETTROSCOPIA MICROSCOPIA MICROSCOPIA
ANALISI DINAMICO
MECCANICA (DMA)
MECCANICA MECCANICA TERMICA TERMICA
CALORIMETRIA A SCANSIONE
DIFFERENZIALE(DSC)
CROMATOGRAFIA CROMATOGRAFIA
A PERMEAZIONE
DI GEL (GPC)
Cosa sono le Cosa sono le nanoparticellenanoparticelle? ?
Uso delle NPs nella storia
a) Coppa romana; b) vetro
color rubino barocchi;
c) colloidi di NPs di oro (size
quantum effect)L’area superficiale delle NPs
� Produzione dei celle fotovoltaiche piu’ efficienti e meno
costose di quelle attuali
� Creazione di materiali porosi per l’immagazzinamento e
trasporto di idrogeno
Alcuni esempiAlcuni esempi
� Miglioramento delle prestazioni delle batterie
� Fabbricazione di materiali ultraleggeri e robusti per la
produzione di automezzi a bassi consumi
�
Storia dell’IlluminazioneStoria dell’Illuminazione
E. F. Schubert et al., Science, 2005, 308, 5726
XX secolo
Luce a gasLuce a gas
Inizio del XXI sec.
Lampadina di EdisonLampadina di Edison
Metà del XXI sec.
Lampadina a Lampadina a
fluorescenzafluorescenza
Oggi
LED allo stato solidoLED allo stato solido
EfficienzaEfficienza luminosaluminosaIl rapporto tra flusso
luminoso (in lumen) e la
potenza (in watts)
Proprietà essenziali della luceProprietà essenziali della luce
E. F. Schubert et al., Science, 2005, 308, 5726 Q.Dai et al., Small, 2010, 6, No. 15, 1577-1588
ResaResa del del colorecoloreL’abilità della sorgente di luce di riprodurre il colore di un oggetto illuminato il
piu’ fedelmente possibile rispetto ad una sorgente ideale o naturale
Spazio di coloreSpazio di colore
LED
Problemi:
Sorgenti allo Stato Solido Sorgenti allo Stato Solido
ModerneModerne
E. F. Schubert et al., Science, 2005, 308, 5726
Problemi:
a) Temperatura
b) Tempo di vita
LED + fosfori
Problemi:
Sorgenti allo Stato Solido Sorgenti allo Stato Solido
ModerneModerne
Problemi:
Bassa modulazione
del colore
Sorgente non
omni-direzionale
E. F. Schubert et al., Science, 2005, 308, 5726 Q.Dai et al., Small, 2010, 6, No. 15, 1577-1588
Illuminazione “a sponda”Illuminazione “a sponda”
I LED sono posizionati su un bordo di una lastra
trasparente che fa da guida d’onda della luce.
NuovoNuovo dispositivodispositivo usandousando LED LED blublu ((InGaNInGaN))
NuovaNuova forma: forma: foglio polimerico nanocomposito
Polimetilmetacrilato − Transparenza ~98% su 1 m
Luce bianca caldaLuce bianca calda
Blue Blue Blue Blue Blue Blue Blue Blue LED LED LED LED LED LED LED LED LightLightLightLightLightLightLightLight
Presenza di diffusori:
Luce bianca caldaLuce bianca calda
NuovoNuovo dispositivodispositivo usandousando LED LED blublu ((InGaNInGaN))
Blue Blue Blue Blue Blue Blue Blue Blue LED LED LED LED LED LED LED LED LightLightLightLightLightLightLightLight
New device using a blue LED light source (New device using a blue LED light source (InGaNInGaN))
PresenzaPresenza didi ““convertitoriconvertitori” e ” e diffusoridiffusori::
Luce bianca
Luce bianca caldaLuce bianca calda
Blue Blue Blue Blue Blue Blue Blue Blue LED LED LED LED LED LED LED LED LightLightLightLightLightLightLightLight
Cielo e SoleCielo e Sole
Immagine presa dopo un’ora dal
tramonto a 500 m di altezza
guardando verso il sole che è caduto
Rayleigh Scattering
Matrice polimerica
Particelle inorganiche Nanoparticelle inorganiche
Matrice polimerica
I diffusoriI diffusori
COMPOSITO POLIMERICO NANOCOMPOSITO POLIMERICO
Le dimensione delle nanoparticelle deve essere intorno ai 100 nm in MMA
1) Cromofori
- Alta resa (~100%)
- Basso tempo di vita
2) Fosfori convenzionaliPerdita in trasparenzaPerdita in trasparenzaPerdita in trasparenzaPerdita in trasparenza
I Convertitori I Convertitori
E. F. Schubert et al., Science, 2005, 308, 1274 Q.Dai et al., Small, 2010, 6, No. 15, 1577-1588
S Nizamoglu et al., Nanotechnology , 2007,18
- Dimensione minima ~4-5µm
- Basso assorbimento (alta concentrazione)
- Bassa tunabilità dell’emissione
- Resa intermedia (~70%, minore per rosso)
3) Nanocristalli semiconduttori (QDs)
Perdita in trasparenzaPerdita in trasparenzaPerdita in trasparenzaPerdita in trasparenza
1) Preparazione della lastra1) Preparazione della lastra
PrepolimerizzazionePrepolimerizzazione
Monomero MMA AIBN
H3C
CH3
CN
N N
C
CH3
N
CH3
70 °C 30 min
Sciroppo
N
Sciroppo.avi
Nanoparticelle di TiO2
funzionalizzateDispersione in monomero
Dispersione delle Dispersione delle nanoparticellenanoparticelle
e aggiunta convertitorie aggiunta convertitori
Selezione
gravimetrica
Sciroppo Soluzione colloidale
MescolamentoMescolamento
Polimerizzazione:
48 h, 50–70 °C
Curing: 24 h, 95 °C
Lastre di PMMA caricate con 1000 ppm di nanoparticelle di
titania.