Progettazione di materiali innovativi a base di polietilene per applicazioni ingegneristiche avanzate

La tesi si è incentrata sullo studio, l’analisi, la realizzazione e la caratterizzazione fisica-meccanica-calorimetrica di materiali polimerici innovativi a base di polietilene per diverse applicazioni ingegneristiche in tre ambiti applicatici: quello industriale, energetico e biomedico. Per soddisfare le esigenze della micro tecnologia in ambito industriale, si è fatta spazio la saldatura laser in trasmissione di polimeri che, ormai da diversi anni, riveste un ruolo sempre più importante tra i vari metodi di giunzione per via dei numerosi vantaggi che offre all’utilizzatore. In particolare, in questo lavoro di tesi, è stato studiato il polietilene nella forma UHMWPE, di natura trasparente al fascio laser, e a esso sono stati aggiunti particolari pigmenti (filler) di dimensione nanometrica, per rendere il materiale assorbente alla radiazione laser, il che è condizione necessaria affinché la saldatura in esame possa avere esito positivo. Tali pigmenti sono le nanoparticelle di Carbonio (C), nanoparticelle di Argento (Ag) e nanoparticelle di biossido di Titanio (TiO2). L’innovazione, rispetto a quanto finora presente nella letteratura scientifica, sta nel ridurre al minimo la percentuale di riempitivo, in modo tale da creare un giunto che abbia delle caratteristiche meccaniche apprezzabili e che, contemporaneamente, sia più gradevole visivamente. Infatti, riducendo le particelle di carbonio disperse nella matrice polimerica, il colore del materiale si schiarisce sempre più, avvicinandosi al tipico colore bianco latte del polietilene puro. Lo scopo di tale studio è stato quello valutare l’efficacia di questo tipo di saldatura (double-lap) sui vari materiali polimerici sottoponendo i giunti polimerici a dei test superficiali e di “bulk” che consentono di delinearne le condizioni di sicurezza in esercizio, oltre che permettere una previsione della vita utile della giunzione. A completamento di questo progetto di sperimentazione, si è posta l’attenzione sulle diverse percentuali di filler assorbente, per ottimizzare la composizione chimica del materiale. Lo studio morfologico della zona saldata ha mostrato, infatti, che la resistenza meccanica del giunto dipende da vari fattori, tra cui la quantità di particelle di riempitivo usate. Il polietilene nella forma di LLDPE funzionalizzato è alla base di adesivi e sigillanti da utilizzare nell’ambito energetico, quale adesivo per celle solari. Per verificare il carattere adesivo del polietilene con il vetro, in questa tesi è stato scelto di testare due materiali polimerici basati su LLDPE con molecole chimiche funzionali: uno è un polietilene reticolabile (PE-MAH) e l'altro è una resina polietilenica ionomerica (EMAA). Al fine di simulare una cella solare e studiarne le caratteristiche dell’incapsulante testandone l’efficacia adesiva e compararne le proprietà meccaniche, si è scelto di realizzare dei sistemi adesivi vetro/ polimero adesivo/vetro. I risultati mostrati in questa tesi hanno dimostrando che l’adesivo PE-MAH, a causa della sua struttura reticolata, ha mostrato la migliore potenza adesiva, la migliore stabilità termica, la minore bagnabilità (resistendo quindi più a una possibile azione idrolitica dell'acqua) e la minore permeabilità ai gas, rispetto all'EMAA e per questo, è risultato essere un ottimo adesivo incapsulante adatto per le celle solari ed un ottimo materiale per la sigillatura. Infine, in ambito biomedico, sono studiati prodotti in UHMWPE impiegati nelle protesi articolari e sulla progettazione di tecniche innovative messe a punto al fine di limitare il fenomeno dellʼusura, possibile causa di fallimento della protesi articolare. Obiettivo raggiunto di questa tesi è stato quello di formulare un innovativo materiale nanocomposito costituito da UHMWPE di grado biomedico, nanofiller carbonioso e olio di paraffina, con incrementate proprietà di resistenza all’usura. La degradazione dei materiali polimerici è stata eseguita in liquido sinoviale simulato (SSF) a 37 °C, durante determinati periodi (1-2-4-8 settimane) al fine di riprodurre le condizioni di una articolazione mobile e per valutarne l’evoluzione nel tempo “in vitro”. La necessità di lavorarlo insieme ad additivi quali l’olio di paraffina ed il filler carbonioso è nata dal fatto che l’olio di paraffina ne facilita la lavorabilità in quanto ne abbassa l’estrema viscosità ed inoltre elimina i difetti reticolari nel cristallo polimerico incrementandone grado di ordine e conseguentemente, proprietà meccaniche. Inoltre la presenza del filler carbonioso implementa la resistenza meccanica dell’UHMWPE quando esso viene disperso mediante la tecnologia del Ball Milling, che assicura una interna miscelazione tra polimero ed agente di rinforzo. In termini ingegneristici ciò indica che il tempo d’impiego di una protesi con questa nuova formulazione in situ potrebbe essere incrementato rispetto alle protesi comunemente utilizzate.