Le materie plastiche, che si sono sviluppate diffusamente con il boom degli anni ’60, fanno ormai parte integrante della nostra vita quotidiana, trovando applicazione in moltissimi settori: dagli imballaggi alimentari all’abbigliamento e all’arredo, dall’elettronica alla meccanica, dai mezzi di trasporto all’edilizia e al settore biomedicale. Inoltre la possibilità di rinforzare le materie plastiche con fibre ad elevate prestazioni meccaniche ha consentito negli anni una rapida diffusione dei cosiddetti materiali compositi, caratterizzati da prestazioni meccaniche molto elevate e leggerezza, grazie all’intrinseca bassa densità.
L’Italia ha avuto un ruolo di primo piano nello sviluppo di questi materiali a partire dalla sintesi del polipropilene isotattico, invenzione che nel 1963 è valsa al professor Giulio Natta l’attribuzione del premio Nobel per la chimica (unico Italiano finora) assieme al tedesco Karl Ziegler. Nel 2016 la produzione mondiale di materie plastiche ha raggiunto la cifra di 335 milioni di tonnellate delle quali circa 60 milioni in Europa. Sempre nel 2016, in Europa l’industria delle materie plastiche è rappresentata da circa 60.000 aziende nella quali lavorano più di 1.5 milioni di persone con un fatturato di oltre 350 miliardi di euro (fonte www.statista.com). Questi numeri pongono l’industria delle materie plastiche al 7° posto fra i settori industriali per valore economico aggiunto, allo stesso livello delle industrie farmaceutiche e chimiche. E' quindi evidente che l’importanza del settore è tale da rendere impossibile rinunciare all’uso delle materie plastiche. Tuttavia, se non gestito correttamente, il fine vita della plastica e della gomma può porre dei problemi di contaminazione dell’ambiente, argomento balzato prepotentemente all’attenzione della cronaca in tempi recenti. Lo sviluppo sostenibile passa quindi anche attraverso una corretta gestione della raccolta e del riciclo delle materie plastiche e la progressiva introduzione di biopolimeri, ossia di plastiche ottenute da fonti rinnovabili e/o biodegradabili.
Nel Laboratorio Polimeri e Compositi (PC-Lab) e nei laboratori collegati (Laboratorio di Prove Meccaniche, Laboratorio Processing, Laboratorio Analisi Termiche) operativi presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Trento vengono condotte varie attività di ricerca e sviluppo nell’ambito delle materie plastiche, degli elastomeri (gomme) e dei compositi a matrice polimerica. Il laboratorio dispone infatti di attrezzature e macchinari per la trasformazione delle materie plastiche quali estrusori a vite singola o doppia, mescolatori interni, una pressa per stampaggio a iniezione, presse a piani caldi, e stampanti 3D a filamento.
Il PC-Lab dispone inoltre di un’ampia strumentazione per la caratterizzazione di campioni o manufatti polimerici e relativi compositi. Fra le varie tecniche di misura a disposizione del PC-Lab si possono annoverare la calorimetria differenziale a scansione, la termogravimetria, l’analisi termica dinamico-meccanica, le prove meccaniche (sia statiche che dinamiche e a varie temperature), le prove di impatto strumentate, la spettroscopia all’infrarosso e alcune misure tecnologiche di particolare rilevanza per il settore delle materie plastiche, quali le misure di indice di flusso (MFI) e di massima temperatura di uso continuo (HDT-Vicat).
Numerose sono le collaborazioni intercorse negli anni con aziende italiane e straniere per attività di ricerca. Questi alcuni esempi: lo studio di filtri polimerici riscaldabili elettricamente per effetto Joule in collaborazione con UFI Innovation Center; lo studio di elastomeri per l’accumulo e il rilascio di energia termica in collaborazione con Novurania; l’analisi di fibre polimeriche nanocaricate in collaborazione con Aquafil. Altri progetti hanno riguardato i nuovi materiali polimerici per la stampa 3D,in collaborazione con Sharebot e Sigma, i nuovi materiali compositi autoriparanti, con il Centro Ricerche Fiat, il riutilizzo della gomma devulcanizzata, in collaborazione con Rubber Conversion. Numerosi sono inoltre i progetti finanziati su base competitiva, sia locali che nazionali ed europei, che hanno coinvolto i ricercatori del PC-Lab.
Il laboratorio offre inoltre un servizio di consulenza e di prove che negli anni ha aperto la strada a numerose collaborazioni con aziende locali e nazionali. Le competenze e gli strumenti di misura disponibili presso il PC-Lab consentono, infatti, di affrontare molti dei problemi che le aziende riscontrano nell’utilizzo delle materie plastiche: dalla selezione dei materiali più idonei per una specifica applicazione alla messa a punto delle tecnologie di processo; dalla caratterizzazione di manufatti e componenti alla previsione del comportamento in esercizio, alla “failure analysis”.
Il PC-Lab comprende attualmente circa 20 persone fra personale docente e tecnico, ricercatori post-doc, studenti di dottorato e studenti che svolgono attività di ricerca relative a tesi di laurea magistrale o triennale. Il gruppo di lavoro: Claudia Gavazza, Amabile Penati, Alfredo Casagranda, Sithiprumnea Dul, Andrea Dorigato, Daniele Rigotti, Alessandro Pegoretti, Francesco Montagnaro, Thierry Hermann Tatsayem, Mayara Cristina Bertolini, Jianbo Sun, Daniele Valentini, Zampedri Fabio, Denis Lorenzi, Yauheni Sarokin, Luca Fambri, Surafel Ashenafi Jemberu, Haroon Mahmood, Giulia Fredi, Francesco Valentini, Silvio Plazzer.
FROM 3D PRINTING TO PLASTIC DERIVED FROM RENEWABLE RESOURCES
PC-Lab: the skills and industry collaborations of the Polymers and Composites Laboratory
Plastics, which were developed extensively during the boom of the 1960s, are now an integral part of everyday life, with applications in a wide range of sectors: from food packaging to clothing and furnishings, from electronics to mechanics, and from transport to building to the biomedical sector. In addition, the ability to reinforce plastics with fibres that have good mechanical performance has led to a rapid diffusion of so-called composite materials, which have excellent mechanical performance and are lightweight, due to their intrinsic low density. Italy has played a major role in the development of these materials, starting with the synthesis of isotactic polypropylene, an invention that in 1963 earned Professor Giulio Natta the Nobel prize for chemistry (the only Italian to win this prize to date), together with the German Karl Ziegler.
In 2016, world production of plastics reached 335 million tons, of which 60 million are produced in Europe. In the same year, the European plastics industry consisted of 60,000 companies, with over 1.5 million employees and a turnover of over 350 billion euros (source: www.statista.com). These figures put the plastics industry in 7th place among industrial sectors in terms of economic value added, at the same level as the pharmaceutical and chemical industries. The importance of this sector therefore makes it impossible to stop using plastics. However, if not correctly managed, the end of the life-cycle of plastics and rubber can create environmental problems, a topic that has been much in the news recently. Sustainable development therefore means effective management of the collection and recycling of plastics and the progressive introduction of biopolymers, plastics obtained from renewable resources or biodegradable.
In the Polymers and Composites Laboratory and in related laboratories (Mechanical Testing Laboratory, Processing Laboratory and Thermal Analysis Laboratory) in the Department of Industrial Engineering at the University of Trento, various research and development activities are conducted in the field of plastics, elastomers (rubbers) and polymer matrix composites. The laboratory has equipment and machinery for the transformation of plastic materials, such as single and double screw extruders, internal mixers, an injection moulding machine, heat presses, and filament-based 3D printers.
The PC-Lab also has a wide range of equipment for the characterisation of samples or items made of polymers or polymer composites. The measurement techniques available include differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis, dynamic mechanical thermal analysis, mechanical testing (both static and dynamic and at different temperatures), instrumented impact testing, infrared spectroscopy and several technological measurements of particular importance to the plastics sector, such as the melt flow index (MFI) and the maximum temperature of continuous use (HDT-Vicat).
The laboratory has undertaken numerous research collaborations over the years with both Italian and foreign companies. Examples include the development of polymeric filters that are electrically heated by the Joule effect, in collaboration with the UFI Innovation Center; the development of elastomers for the storage and release of thermal energy in collaboration with Novurania; and the analysis of nanofilled polymeric fibres in collaboration with Aquafil. Other projects have involved new polymeric materials for 3D printing, in collaboration with Sharebot and Sigma; new self-healing composites, in conjunction with CRF, the Centro Ricerche Fiat; and the re-use of devulcanised rubber, in collaboration with Rubber Conversion. Researchers at the PC-Lab have also been involved in many projects financed on a competitive basis, whether locally, nationally, or at European level.
In addition, the laboratory offers an advisory and testing service, which has led to numerous collaborations with local and national companies. The skills and measurement equipment available at the PC-Lab mean that companies can deal with many of the problems they encounter in the use of plastics: selection of the most suitable materials for a specific application, development of processing technologies, characterisation of products and components, prediction of the behaviour of a material, and failure analysis.
The PC-Lab is currently made up of approximately 20 people, including teaching and technical staff, post-doc researchers, doctoral students, and students conducting research for bachelor’s or master’s degree theses. PC- Lab team: Claudia Gavazza, Amabile Penati, Alfredo Casagranda, Sithiprumnea Dul, Andrea Dorigato, Daniele Rigotti, Alessandro Pegoretti, Francesco Montagnaro, Thierry Hermann Tatsayem, Mayara Cristina Bertolini, Jianbo Sun, Daniele Valentini, Zampedri Fabio, Denis Lorenzi, Yauheni Sarokin, Luca Fambri, Surafel Ashenafi Jemberu, Haroon Mahmood, Giulia Fredi, Francesco Valentini, Silvio Plazzer.