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, e verranno discusse le nozioni scientifiche sottostanti, che collegano le proprietà macroscopiche dei materiali ai concetti fondamentali nella scienza dei polimeri. Verranno introdotti i principi e i concetti più rilevanti insieme a case studies di processi attualmente impiegati nell'industria.
Conoscenza e capacità di comprensione
Al termine del corso, lo studente avrà aquisito conoscenze sui seguenti arrgomenti:
• Le principali classi di materiali polimerici e, in particolare, i materiali polimerici utilizzati a livello industriali e i polimeri funzionali. Tra questi citiamo a titolo di esempio le poliolefine, le poliammidi, il PET e altri poliesteri, le gomme vulcanizzate e i siliconi.
• La relazione tra le proprietà delle macromolecole a livello molecolare, le proprietà macroscopiche dei materiali polimerici e i principali interventi di modifica e formulazione dei polimeri volti alla soluzione di problematiche tecnologiche complesse.
• La preparazione di materiali polimerici funzionali quali fibre, schiume, aerogel, membrane e nanocompositi a base polimerica.
• La preparazione e le applicazioni a livello industriale di materiali polimerici. Queste conoscenze verranno esemplificate attraverso monografie che tratteranno, tra gli altri argomenti, il ricilo dei polimeri, i biopolimeri e le applicazioni in ambito biomedicale.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Al termine del corso, lo studente sarà in grado di comprendere le principali classi di materiali polimerici, capirne la preparazione e le proprietà e valutarne le applicazioni tecnologiche. Lo studente saprà affrontare problematiche relative alla scienza dei polimeri in ambito industriale e contribuire allo sviluppo di materiali polimerici innovativi.
Autonomia di giudizio
Lo studente saprà valutare in maniera critica i principali processi di preparazione dei materiali polimerici e il loro utilizzo in specifiche applicazioni in ambito industriale e di ricerca.
Abilità comunicative
Lo studente saprà esprimere i temi trattati durante il corso utilizzando un linguaggio appropriato e la terminologia tecnica pertinente alla scienza dei polimeri. Sarà in grado di presentare e discutere argomenti di scienza dei polimeri con esperti del settore.
Capacità di apprendimento
Lo studente sarà in grado di applicare le conoscenze acquisite durante il corso per comprendere e discutere la più recente letteratura scientifica, inclusi i brevetti, riguardante la scienza dei polimeri.
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. Verranno presentati i metodi e i processi tecnologici più consolidati per migliorarne le proprietà chimiche, fisiche e meccaniche, insieme ai metodi più recenti e all'avanguardia, discutendone i diversi ambiti di applicazione a livello industriale. Verranno presentate diverse tecniche di caratterizzazione avanzate per chiarire il legame tra le proprietà macroscopiche e i concetti fondamentali nella scienza dei polimeri.
Programma esteso
• Concetti generali
Classificazione e settori polimerici: commodities, specialities e tecnopolimeri.
Polimeri come materiali: correlazione tra la struttura molecolare e l'assemblaggio delle catene polimeriche allo stato solido e le proprietà macroscopiche dei polimeri. Interazioni intermolecolari e processi di reticolazione e loro influenza sulle proprietà di resistenza all'urto e al calore. Autoassemblaggio di catene polimeriche e proprietà ottiche. Formazione di reticoli polimerici estesi.
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: struttura e proprietà. Poliimmidi e polimeri speciali affini: polimeri con elevata resistenza termica e chimica per applicazioni avanzate.
Sintesi e applicazioni di fibre e tessuti ad alte prestazioni.
Principi per la formazione di schiume polimeriche: proprietà e applicazioni.
Aerogel polimerici: sintesi, proprietà e applicazioni.
Membrane polimeriche: metodi di preparazione, loro proprietà e applicazioni a livello industriale.
Sintesi avanzata di polimeri allo stato solido e allo stato confinato: fenomeni di replica e fabbricazione di architetture polimeriche innovative.
Compositi polimerici rilevanti per applicazioni industriali: integrazione di materiali ibridi, come argille modificate, nei polimeri per migliorare le proprietà meccaniche e ottiche. 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.
Processo di laminazione per la preparazione di materiale da imballaggio multistrato. Illustrazione delle 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. 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 nella nanomedicina e per la preparazione di superfici modellate per l'elettronica.
Polimeri autoriparanti. Miscele di polimeri (esempio, HIPS).
Il corso prevede lezioni svolte con la partecipazione di esperti nel campo della chimica dei polimeri.
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
• 9 lezioni da 2 ore svolte in modalità erogativa in presenza.
• 3 lezioni da 2 ore svolte in modalità erogativa in presenza con la partecipazione di esperti del settore.
• 15 lezioni da 2 ore svolte in modalità erogativa nella parte iniziale che è volta a coinvolgere gli studenti in modo interattivo nella parte successiva. Tutte le lezioni sono svolte in presenza.
• 3 lezioni da 2 ore svolte in modalità erogativa in presenza nella parte iniziale che è volta a coinvolgere gli studenti in modo interattivo nella parte successiva. Parteciperanno esperti del settore. Tutte le lezioni sono svolte in presenza.
• Le lezioni saranno in lingua inglese, supportate da presentazioni e video.
Materiale didattico
- 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 4.
- Understanding Polymer Processing. T.A.Osswald. Carl Hanser Verlag GmbH & Company KG (2015).
- Slides delle lezioni.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo anno, secondo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Prova orale.
Colloquio orale su un argomento di approfondimento a scelta dello studente nell’ambito della chimica e tecnologia dei polimeri e sugli argomenti svolti a lezione.
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 course aims to explore the preparation and transformation processes of various classes of polymers, with a particular focus on functional polymers and the fabrication of polymer-based materials. Traditional and recent methods and technological processes for improving the chemical, physical, and mechanical properties of polymers, as well as the underlying scientific basis linking these macroscopic properties to fundamental concepts in polymer science, will be covered. Key principles and concepts will be introduced alongside case studies of actual industrial processes.
Knowledge and understanding
By the end of the course, the student will have acquired knowledge on:
• The main classes of polymeric materials, with a specific focus on industrial and functional polymers. This specifically includes polyolefins, polyamides, polyesters such as PET, as well as crosslinked rubber and silicone-based polymers.
• The relation between the molecular properties of macromolecules and the macroscopic properties of polymeric materials, and how the modification or formulation of a polymer can adjust these properties to solve complex technological issues.
• The processes to obtain functional polymeric materials, such as fibers, foams, aerogels, membranes and polymer-based nanocomposites.
• Selected examples and applications of polymeric materials in the industry, with a specific focus on polymer recycling, biopolymers and biomedical applications.
Applying knowledge and understanding
By the end of the course, the student will be able to understand the main classes of polymeric materials, their preparation and properties, and evaluate their technological applications. The student will be able to address problems related to polymer science and contribute to the development of innovative polymeric materials.
Making judgements
The student will be able to critically evaluate the main preparation processes of polymeric materials and their applications in specific industrial and research fields.
Communication skills
The student will be able to communicate the topics covered during the course in a suitable language, using the technical terms relevant to polymer science. He will be able to present and discuss topics of polymer science with experts in the field.
Learning skills
The student will be able to apply the knowledge acquired during the course to understand and discuss the most recent scientific literature, including patents, regarding polymer science.
Contents
The course encompasses advanced technological processes in the synthesis and transformation of polymers, including new methods of polymer synthesis and introduction to hybrid materials with particular emphasis on preparing and characterising polymer materials endowed with heterogeneous interfaces and new functional properties. The most well-established methods and technological processes to improve their chemical, physical, and mechanical properties will be presented along with recently introduced and state of the art methods, discussing their relative scope in the industry. Several advanced characterization techniques will be presented to elucidate the link between the macroscopic properties and fundamental concepts in polymer science.
Detailed program
• General Concepts
Classification and polymeric sectors: commodities, specialities and engineering polymers.
Polymers as materials: correlation of molecular structure and polymer chain assembly with macroscopic properties additionally affected by processing. 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 and cross-linked materials.
High-performance polymers: aromatic amides and esters (the case studies of Kevlar, Nomex), polyether ether ketone (PEEK). Polymers of industrial interest: polyurethanes and their properties. Fluoropolymers: structures and properties. Polyimide and related specialty polymers: high-temperature and solvent-resistant polymers for advanced applications.
Synthesis and applications of high-performance fibers and textiles.
Principles for the formation of foams: properties and applications.
Polymeric aerogels: synthesis, properties and applications.
Polymeric membranes: preparation, properties and selected industrial applications.
Advanced polymer synthesis in the solid and in the confined state: replica phenomena and fabrication of innovative polymeric architecture.
Relevant polymeric composites and nanocomposites for industrial applications: integrating hybrid materials, such as modified clays, into polymers to improve mechanical and optical properties. 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 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 (for example, HIPS).
The course includes lessons with the participation of experts in the field of polymer chemistry.
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
• 9 two-hour lectures, in person, delivered didactics.
• 3 two-hour lectures as delivered didactics, in person, with the participation of experts.
• 15 two-hour lessons, delivered didactically in the initial part, which aims to involve students interactively in the subsequent part. All lessons are held in person.
• 3 two-hour lessons, delivered didactically in the initial part, which aims to involve students interactively in the subsequent part. Industry experts will participate. All lessons are held in person.
• Lectures will be given in English, supported by video projection of text, schemes, diagrams, pictures and movies.
Textbook and teaching resource
- 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 4.
- Understanding Polymer Processing. T.A. Osswald. Carl Hanser Verlag GmbH & Company KG (2015).
- Lecture Notes.
Semester
First year, second semester.
Assessment method
Oral Exam.
Oral interview about the acquired knowledge during the course and presentation of a chosen topic in the field of polymer chemistry and technology.
The structure of commonplace polymers and the basic concepts in polymer science can also be required.
Office hours
By appointment.
