Multifunctional nanocomposites obtained by hierarchical structures

The present work is focused on the development of novel multifunctional nanocomposites based on the use of hierarchical structuring. For this purpose, polymer nanofibers were produced by electrospinning. This process uses high voltage (about 10 20 kV) to electrically charge a polymer solution for producing ultra-fine fibers. Furthermore, two different applications have been proposed for the obtained thermoplastic membranes. In the first one, they were used in order to manufacture toughened and nanorinforced (by using MWCNT) composite laminates by Resin Transfer Molding (RTM) and other infusion techniques. While in the second application, they were modified with inorganic nanoparticles and used as active membranes for water filtration. The need to toughen composite materials arises because they are subject to delamination along interlaminar planes. The proposed solution to this problem was the use of nanofibers that can be small enough to reinforce regions of the matrix located in between adjacent plies of the laminate. For this purpose different polymers were electrospun and used as tougheners in composite laminates. The characterization of these laminates, modified with the nanofibers, shows thermo-mechanical properties similar to those of systems toughened using the standard procedure. Moreover, in order to impart other functionalities such as fire resistance, lightining-strike, self-sensing, etc. to the composite, systems of epoxy resins with nanofillers have been studied and characterized. Talking about membranes for water filtration, currently, polymeric membranes are mostly used for filtering applications due to their good properties and low costs if compared to inorganic membranes. Accordingly, filtration mechanisms of these membranes are mostly based on mechanical driven sieving effects, thus no chemical removal of toxic substances can be achieved resulting also in fouling effects limiting membrane performances. The idea was to develop advanced membranes for active water filtering, characterised by combined sieving, photo-catalytic and antibacterial properties. For this purpose, ZnO crystalline nanowires was grown by a Chemical Bath Deposition process on PES ES fibres. The obtained hybrid membranes show a good photo-catalytic activity. Furthermore, antibacterial PES membranes were produced by a one-step procedure starting from a polimeric solution with silver nanoparticles precursors. The conversion from silver precursor to silver nanoparticles is confirmed by UV-vis Spectroscopy.

Il presente lavoro è focalizzato sullo sviluppo di nanocompositi multifunzionali innovativi basati sull'uso di una struttura gerarchica. A questo scopo, nanofibre polimeriche sono state prodotte per electrospinning. Questo processo utilizza un' alta tensione (circa il 10-20 kV) per caricare elettricamente una soluzione polimerica per la produzione di fibre ultra-sottili. Due diverse applicazioni sono stati proposte per le membrane termoplastiche ottenute. Nella prima, esse sono state utilizzate per fabbricare laminati compositi tenacizzati e nanorinforzati (utilizzando MWCNT) mediante Resin Transfer Molding (RTM) e altre tecniche di infusione. Mentre nella seconda applicazione, tali membrane sono state modificate con nanoparticelle inorganiche e utilizzate come membrane attive per filtrazione dell'acqua. La necessità di tenacizzare materiali compositi si pone perché essi sono soggetti a delaminazione lungo piani interlaminari. La soluzione proposta a questo problema è stato l'uso di nanofibre che possono essere abbastanza piccole da rinforzare regioni della matrice che si trovano tra strati adiacenti del laminato. A questo scopo sono stati elettrofilati diversi polimeri e sono stati utilizzati come tenacizzanti in laminati compositi. La caratterizzazione di questi laminati, modificati con nanofibre, mostra proprietà termo-meccaniche simili a quelle dei sistemi ottenuti utilizzando la procedura standard. Inoltre, al fine di conferire altre funzionalità quali resistenza al fuoco, lightining-strike, auto-sensing, ecc al composito, sistemi di resine epossidiche con nanocariche sono stati studiati e caratterizzati. Parlando di membrane per la filtrazione dell'acqua, attualmente, membrane polimeriche sono per lo più utilizzate per applicazioni di filtraggio grazie alle loro buone proprietà e bassi costi rispetto alle membrane inorganiche. Di conseguenza, i meccanismi di filtrazione di queste membrane si basano principalmente sugli effetti meccanici come setacciatura, quindi nessuna rimozione chimica delle sostanze tossiche può essere realizzata, questo porta ad effetti di fouling che limitano le prestazioni della membrana. L'idea è stata quella di sviluppare le membrane attive per il filtraggio dell'acqua, caratterizzate da un effetto combinato, setacciatura, proprietà foto-catalitiche e proprietà antibatteriche. A questo scopo, nanofili di ZnO cristallino sono stati cresciuti con un processo chimico da un bagno di deposizione sulle fibre PES ES. Le membrane ibride ottenute mostrano una buona attività fotocatalitica. Inoltre, membrane di PES antibatteriche sono state ottenute da un procedimento one step a partire da una soluzione polimerica con nanoparticelle d'argento precursori. La conversione da precursori argento a nanoparticelle di argento è confermata dalla spettroscopia UV-vis.