Course Syllabus
Obiettivi
Il corso intende promuovere l'apprendimento dei processi di preparazione e trasformazione di diverse classi di polimeri con particolare attenzione ai polimeri funzionali. Verranno trattati metodi e processi tecnologici tradizionali e recenti per migliorare le loro proprietà chimiche, fisiche e meccaniche, nonché le basi scientifiche sottostanti, che collegano le proprietà macroscopiche a concetti fondamentali nella scienza dei polimeri. Verranno introdotti i principi e i concetti più rilevanti insieme a case study di processi realmente impiegati nell'industria.
Contenuti sintetici
Il corso include processi tecnologici avanzati nella sintesi e trasformazione dei polimeri, compresi i più recenti metodi di sintesi dei polimeri, ed un'introduzione ai materiali ibridi con particolare attenzione alla preparazione e caratterizzazione dei materiali polimerici dotati di interfacce eterogenee e nuove proprietà funzionali.
Programma esteso
- Concetti generali
Classificazione and settori polimerici: commodities, specialities e tecnolopolimeri
Polimeri come materiali: interazioni intermolecolari e legami incrociati e loro influenza sulle proprietà di resistenza all'urto e al calore
Autoassemblaggio di catene polimeriche e proprietà ottiche
Reticolazione dei polimeri
Polimeri ad alte prestazioni: ammidi ed esteri aromatici (i casi di Kevlar, Nomex), polietere etere chetone PEEK.
Polimeri di interesse industriale: poliuretani e loro proprietà
Fluoropolimeri: strutture e proprietà
Sintesi avanzata di polimeri allo stato solido e allo stato confinato: fenomeni di replica e fabbricazione di architetture polimeriche innovative
Aerogel polimerici: sintesi, proprietà e applicazioni
Compositi polimerici rilevanti per applicazioni industriali: integrazione di materiali ibridi, come argille modificate, nei polimeri per migliorare le proprietà meccaniche e ottiche
Principi per la formazione delle schiume: proprietà e applicazioni
Sintesi e applicazioni di fibre e tessuti ad alte prestazioni
Caratterizzazione delle interfacce estese mediante metodi avanzati
- Applicazioni industriali e case studies
Lavorazione del polimero fuso: estrusione, stampaggio a iniezione, soffiaggio e colata di film. Focus sul processo di estrusione e le sue applicazioni.
Parametri di lavorazione, compreso il pretrattamento, e conseguenze sulle proprietà finali.
Processi tecnologici avanzati con l'obiettivo finale di migliorare le proprietà funzionali dei polimeri. Polimerizzazione e post-trattamento: ricottura e saldatura del polimero.
Principi di estrusione reattiva e utilizzo della maleimmide per compatibilizzare le poliolefine.
Tipologie di estrusori, masterbatch e loro inserimento nella produzione di polimeri.
Lavorazione dei polimeri in soluzione: filatura e rivestimento delle fibre, spalmatura. Elettrofilatura.
Polimeri per applicazioni biomediche. Polimeri per lenti a contatto, descrizione dei metodi sintetici e di fabbricazione per lenti a contatto rigide e per lenti a contatto morbide.
Il processo di laminazione per la preparazione di materiale da imballaggio multistrato, illustrando le problematiche di adesione tra diversi polimeri e con altri substrati.
Tubi polimerici multistrato, il problema della diffusione del gas nei polimeri, focus sulla preparazione dell'alcool polivinilico.
Riciclaggio di polimeri, inclusa la compatibilizzazione di rifiuti polimerici misti utilizzando compatibilizzatori multiblocco sviluppati. Depolimerizzazione.
Biopolimeri di origine agricola e loro trasformazione. Le numerose modificazioni della cellulosa (nitrocellulosa, acetato di cellulosa, ecc.). Film polimerici da rifiuti agricoli trattati.
Elastomeri per l'industria automobilistica, il processo di vulcanizzazione, principali argomenti di degradazione, stabilità e riciclaggio della rete polimerica. Questioni aperte nel riciclo, elastomeri termoplastici, reticolazione fisica e reversibile.
Autoassemblaggio di catene polimeriche per il rilascio di farmaci, impalcature cellulari e altre applicazioni nanomediche e per la preparazione di superfici modellate per l'elettronica.
Polimeri autoriparanti. Miscele di polimeri (esempio, HIPS).
Il corso prevede seminari tenuti da esperti nel campo della chimica dei polimeri e sarà integrato da visite ad aziende polimeriche del territorio.
Lo studente è invitato a proporre un argomento di suo interesse nel settore da presentare alla classe
Prerequisiti
• Buona conoscenza della chimica macromolecolare, inclusi i principali tipi di reazioni di polimerizzazione (a stadi, a catena).
• Conoscenza di base della termodinamica tra cui i concetti di transizione di fase nei polimeri inclusa la transizione vetrosa e la fusione.
• Conoscenza di base delle proprietà meccaniche dei polimeri.
Modalità didattica
Lezioni frontali, seminari su argomenti specifici, seminari di esperti del settore, e visite a laboratori di ricerca industriale.
Materiale didattico
- Introduction to Physical Polymer Science, L. H. Sperling. Wiley-Interscience (2006).
- Polymer Chemistry. S. Koltzenburg, M. Maskos, O. Nuyken. Springer (2017).
- Hybrid Materials: Synthesis, Characterization, and Applications. Editor: G. Kickelbick. Wiley-VCH (2007). ISBN: 978-3-527-31299-3
- Slides delle lezioni
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo anno, secondo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale:
Valutazione delle conoscenze acquisite durante il corso e presentazione di un argomento a scelta nel campo della chimica e tecnologia dei materiali. Possono anche essere richiesti i concetti di base nella scienza dei polimeri, e la struttura dei più comuni polimeri.
Orario di ricevimento
Su appuntamento.
Sustainable Development Goals
Aims
The aim of the course is to explore the preparation and transformation processes of several classes of polymers with particular attention to functional polymers. Traditional and recent methods and technological processes to improve their chemical, physical and mechanical properties, as well as the underlying scientific basis, linking the macroscopic properties to fundamental concepts in polymer science will be covered. Most relevant principles and concepts will be introduced along with case studies of actual industrial process.
Contents
The course encompasses advanced technological processes in the synthesis and transformation of polymers, including new methods of polymer synthesis, introduction to hybrid materials with particular emphasis to preparation and characterization of polymer materials endowed with heterogeneous interfaces and new functional properties.
Detailed program
- General Concepts
Classification and polymeric sectors: commodities, specialities and engineering polymers
Polymers as materials: intermolecular interactions and cross-links and their influence on impact and heat resistance properties
Self-assembly of polymer chains and optical properties
Formation of polymeric networks
High performance polymers: aromatic amides and esters (the case studies of Kevlar, Nomex), polyether ether ketone
Polymers of industrial interest: polyurethanes and their properties
Fluoropolymers: structures and properties
Advanced polymer synthesis in the solid state and in the confined state: replica phenomena and fabrication of innovative polymeric architectures
Polymeric aerogels: synthesis, properties and applications
Relevant polymeric composites for industrial applications: integration of hybrid materials, such as modified clays, into polymers for improving mechanical and optical properties
Principles for the formation of foams: properties and applications
Synthesis and applications of high performance fibers and textiles
Characterization of the extended interfaces by advanced methods
- Industrial applications and case studies
Polymer melt processing: extrusion, injection molding, blow molding, and film casting. Focus on the extrusion process and its applications.
Processing parameters, including pretreatment, and consequences on the final properties.
Advanced technological processes with the final aim to improve the functional properties of polymers. Curing and post-treatment: polymer annealing and welding.
Principles of reactive extrusion, and the use of maleimide to compatibilize polyolefins.
Types of extruders, masterbatches and their insertion in polymer manufacturing.
Polymer solution processing: fiber spinning and coating. Electrospinning.
Polymers for biomedical applications. Polymers for contact lenses, description of the synthetic and manufacturing methods for rigid and for soft contact lenses.
The lamination process for the preparation of multilayer packaging material, illustrating the issues of adhesion between different polymers and with other substrates.
Multilayered polymer tubing, the issue of gas diffusion in polymers, focus on the preparation of polyvinylalcohol.
Polymer recycling, including the compatibilization of mixed polymer waste using developed multi-block compatibilizers. Depolymerization.
Biopolymers from agricultural sources and their transformation. The many modifications of cellulose (nitrocellulose, cellulose acetate, ect.). Polymer films from treated agrowaste.
Elastomers for the automotive industry, the vulcanization process, main topics of polymer network degradation, stability, and recycling. Open issues in recycling, thermoplastic elastomers, physical and reversible crosslinking.
Self-assembly of polymeric chains for drug delivery, cellular scaffolding, and other nanomedical applications, and for the preparation of patterned surfaces for electronics.
Self-healing polymers. Polymer blends (example, HIPS).
The course includes seminars by experts in the field of polymer chemistry and will be integrated by visits to polymer companies of the area.
The student is requested to propose a subject of his/her interest in the field to be presented to the class
Prerequisites
• Good knowledge of macromolecular chemistry, including the main types of polymerization reactions (step-growth, chain-growth).
• Basic knowledge of thermodynamics including the concepts of phase transitions in polymers including glass transition and melting.
• Basic knowledge of the mechanical properties of polymers.
Teaching form
Lectures , seminars on specific topics, seminar of experts in the field and visits to industrial research laboratories.
Textbook and teaching resource
- Introduction to Physical Polymer Science, L. H. Sperling. Wiley-Interscience (2006).
- Polymer Chemistry. S. Koltzenburg, M. Maskos, O. Nuyken. Springer (2017).
- Hybrid Materials: Synthesis, Characterization, and Applications. Editor: G. Kickelbick. Wiley-VCH (2007). ISBN: 978-3-527-31299-3
- Lecture Notes.
Semester
1st year, 2nd semester.
Assessment method
Oral Exam:
Evaluation of the acquired knowledge during the course and presentation of a chosen topic in the field of materials chemistry and technology. The structure of commonplace polymers and the basic concepts in polymer science can also be required.
Office hours
By appointment.
