Il rinforzo dei materiali polimerici mediante l’uso di cariche è una pratica ampiamente consolidata nell’industria della lavorazione dei materiali plastici, tuttavia oggi vi è un crescente interesse nello studiare la possibilità di sostituire i tradizionali compositi, ottenibili da cariche aventi dimensioni micrometriche, con i nanocompositi. I nanocompositi polimerici sono definiti come materiali strutturali e/o funzionali costituiti da nanoparticelle organiche e/o inorganiche disperse in una matrice polimerica; il termine nanoparticelle (o nanocariche) si riferisce a particelle di forma qualsiasi con almeno una dimensione inferiore ai 100 nm. La dispersione uniforme di queste nanoparticelle dà luogo ad una interazione interfacciale estremamente elevata tra matrice e fase dispersa se si pensa che un cubo di quarzo di 50 g ha un’area superficiale di 0,44 m² ma suddiviso in cubetti da 1 nm ha un’area superficiale di 12 km². Questo incremento di area interfacciale tra matrice polimerica e fase dispersa comporta un incremento delle caratteristiche dei materiali compositi ma con una minor quantità di carica e/o il conferimento di particolari funzionalità non possedute dal polimero di partenza. Cariche nanometriche o nanostrutturate consentono così di migliorare le proprietà meccaniche, barriera a gas e vapori, stabilità termica, resistenza all’abrasione e all’usura o conferire proprietà ottiche, magnetiche ed elettriche ai materiali polimerici.

Tra le varie tecniche per l’ottenimento dei sistemi polimerici nanocompositi quelle che sono più facilmente trasferibili su scala industriale sono la miscelazione nel fuso nel caso dei materiali termoplastici e la miscelazione in soluzione per quelli termoindurenti. In entrambi i casi la ricerca in NanoFab è quindi rivolta principalmente alla modifica di polimeri commercialmente disponibili (sotto forma di granuli o di soluzioni liquide) con particelle e nanoparticelle di diversa natura per l’incremento di determinate prestazioni o per il conferimento di proprietà che non sono caratteristiche del polimero di partenza. Tali strategie di modifica permettono di ottenere polimeri nanocaricati che possono essere lavorati con le tipiche tecnologie già presenti nelle aziende che trasformano i materiali polimerici (estrusione, stampaggio a iniezione, soffiaggio, stiro-soffiaggio, termoformatura, hand lay up, spray up, RTM, infusione, ecc).

Questo tipo di tecnologia è utilizzabile in diversi settori industriali per applicazioni nel packaging rigido e flessibile, l’automotive, lo sport-system, l’edilizia, la nautica, l’ottica e l’elettronica, l’arredamento, le vernici e gli adesivi.

Le attività relative ai materiali polimerici vengono svolte sia nel laboratorio chimico che nel laboratorio di lavorazione dei materiali polimerici. Nel primo sono presenti apparati per la sintesi e la funzionalizzazione di polimeri e nanoparticelle di varia natura, un apparato di plasma atmosferico a torcia per l’attivazione superficiale e la deposizione su polimeri (Plasmatreat), un permeabilimetro per la determinazione di permeabilità a O₂ e CO₂ (Multiperm Extrasolution), un reometro rotazionale con geometria piatto-piatto e piatto-cono (TA Instruments Ares G2) per la valutazione delle proprietà viscoelastiche dei materiali, una macchina di prova universale per prove di trazione, flessione, peeling e la determinazione del COF (MTS Instruments GmbH) e un dispositivo per angolo di contatto (First Ten Angstroms Measurments FTA 1000) per la determinazione di energia superficiale e valutazione di idrofobicità/idrofilicità dei materiali. Nel laboratorio di lavorazione dei materiali polimerici sono presenti un miscelatore discontinuo (Brabender W50 GmbH), un estrusore bivite corotante (Brabender TSE20 GmbH) con capacità produttive da 0,5 a 20 Kg/h, dotato di 3 dosatori, di cui uno dedicato alla alimentazione delle polveri, un estrusore monovite con testa di filmatura in bolla (DR Collin GmbH) e una pressa a piatti paralleli (DR. Collin GmbH).

Le principali competenze maturate presso NanoFab nell'ambito dei materiali polimerici riguardano la modifica di polimeri sia di tipo termoplastico (poliolefine, poliesteri e polimeri biodegradabili) che termoindurente (resine poliestere, vinilestere, epossidiche, acriliche) con nanoparticelle di diversa natura mediante miscelazione nel fuso, in soluzione o prima del processo di curing, al fine di incrementarne a seconda dei vari casi, le proprietà meccaniche, la resistenza all’impatto e la resistenza al graffio e all’usura, la resistenza agli agenti chimici, le proprietà barriera ai gas (soprattutto per applicazioni nel campo del packaging), la resistenza al fuoco o conferire proprietà avanzate, come quelle antibatteriche o di luminescenza. Alcune nanocariche sono state opportunamente funzionalizzate per migliorarne la compatibilità e la dispersione all’interno delle varie matrici polimeriche. Sono inoltre stati messi a punto trattamenti superficiali per l’incremento dell’energia superficiale e per il miglioramento della stampabilità e della verniciabilità di substrati polimerici e per la deposizione di rivestimenti a base di silice mediante plasma atmosferico.