Ricerca | Materiali ad alte prestazioni e da simbiosi industriale

Produzione e caratterizzazione di micro e nano particelle per il rilascio controllato di farmaci

Descrizione: Attualmente, numerose applicazioni industriali (farmaci, cosmetici, alimenti e prodotti dell’agricoltura) si basano sulla micro/nano-incapsulazione di solidi o liquidi in matrici polimeriche. La produzione di tali micro/nano sistemi rappresenta indubbiamente una delle più importanti migliorie nello sviluppo di prodotti funzionali e terapeutici appartenenti ai campi industriali prima riportati. In particolare, la micro/nano-incapsulazione è ampiamente utilizzata nei campi farmaceutico e nutraceutico, soprattutto per migliorare la stabilità o modificare il rilascio si principi attivi. Sistemi “smart” sono in grado di rilasciare molecole attive in funzione di stimoli esterni (pH, temperatura, concentrazione elettrolitica). Ad esempio, l’importanza delle formulazioni enteriche, somministrate per via orale, risiede nella capacità di rilasciare principi attivi solamente a pH neutrale/alcalino, dove il principio attivo è assorbito, evitando il rilascio nel pH acido dello stomaco, dove il principio attivo verrebbe degradato.

La produzione di micro-nano sistemi può essere realizzata tramite tecniche convenzionali, tipo doppie emulsioni, eventualmente modificate, oppure utilizzando tecniche innovative, consistenti nell’utilizzo di risorse energetiche alternative, quali atomizzazione ad ultrasuoni, eventualmente accoppiata all’essiccamento a microonde. Tra gli step fondamentali intrapresi nella direzione dell’ottenimento di sistemi da destinare al rilascio controllato di principi attivi vi è stata la sintesi e caratterizzazione di una nuova classe di co-polimeri enterici, poli(metil metacrilato-acido acrilico) o poli(MMA-AA), in grado di sciogliersi al pH desiderato in funzione del rapporto tra i due monomeri iniziali. Tali co-polimeri possono quindi rimpiazzare l’utilizzo di polimeri di diversa natura e struttura presenti in commercio per coprire i diversi pH di dissoluzione richiesti, semplicemente variando la composizione della miscela di partenza (il filmato di una presentazione sulla produzione e caratterizzazione dei copolimeri è disponibile sul canale Youtube del gruppo di ricerca).
Inoltre si è proceduto alla messa a punto di metodi di produzione e caratterizzazione di micro-particelle enteriche tramite il metodo dell’evaporazione del solvente da doppia emulsione, che potrebbe essere opportunamente modificato per adeguarlo a principi attivi, polimeri e dimensioni (nano) diversi a seconda dell’interesse industriale. Di notevole attrattiva è infine la realizzazione di un impianto a ridotto consumo energetico che utilizza un sistema coassiale ad ultrasuoni per l’ottenimento di sistemi micro-particellari del tipo shell-core in grado di proteggere il principio attivo fino al sito d’azione specifico.
Ulteriori informazioni, articoli su rivista, tesi di laurea, attrezzature ed competenze del gruppo di ricerca si possono trovare nella sezione "Ricerca e sviluppo" del sito web www.minerva.unisa.it.

Ricercatori coinvolti: Gaetano Lamberti, Anna Angela Barba, Matteo d'Amore, Annalisa Dalmoro, Sara Cascone

Compositi polimerici nanoibridi per applicazioni avanzate

Descrizione: L’attività di ricerca nel settore dei nanocompositi polimerici riguarda la preparazione e caratterizzazione di sistemi in cui una fase inorganica viene dispersa, in dimensioni nanometriche, in una matrice polimerica organica con lo scopo di creare materiali e manufatti con funzionalità diverse. I filler utilizzati per ottenere dispersioni nanometriche nelle matrici polimeriche sono: argille cationiche e anioniche, nanotubi di carbonio. I metodi di preparazione dei materiali, in dipendenza della natura chimica delle due fasi, sono: a) la miscelazione/intercalazione in soluzione o nel fuso, b) la polimerizzazione in situ, c) l’intercalazione tramite energia meccanica (High Energy Ball Milling). La caratterizzazione strutturale viene effettuata con Raggi X e microscopia elettronica (SEM e TEM) e viene correlata con le proprietà meccaniche, termiche e barriera ai gas e vapori e proprietà elettriche (laddove si utilizzano nanotubi di carbonio). I campi di applicazione dei sistemi nanocompositi ottenuti possono essere così schematizzati: Materiali ritardanti di fiamma Materiali per applicazioni nell’elettronica Imballaggi multifunzionali Applicazioni biomediche

Ricercatori coinvolti: Giuliana Gorrasi

Friction Stir Welding

Descrizione: La Friction Stir Welding, (letteralmente Saldatura per Attrito e Rimescolamento), è un processo di saldatura allo stato solido inventato e brevettato nel 1991 dal The Welding Institute (TWI) di Cambridge, inizialmente utilizzato per la giunzione di leghe di alluminio difficilmente saldabili utilizzando altre tecniche, e attualmente di impiego crescente anche per saldature di rame, acciaio e titanio di notevole spessore.

Durante un processo FSW, un utensile rotante, costituito da uno shoulder ed un pin, è compresso sul materiale da saldare e percorre un tratto corrispondente alla linea di giunzione. Il calore generato per attrito, principalmente al di sotto dello shoulder, aumenta la temperatura del materiale da saldare e lo rammollisce. L’azione di rimescolamento del pin consente la realizzazione di una zona continua di materiale deformato a caldo, consolidato, e di grana generalmente più fine, costituente la saldatura allo stato solido. La scelta di parametri di lavoro ottimali consente di ottenere giunti esenti da vuoti o cricche e caratterizzati da resistenza statica e a fatica prossime a quelle del metallo base. Rispetto a processi di saldatura per fusione, la FSW consente di evitare cricche, porosità e perdita di elementi alliganti per evaporazione. Inoltre non sono richiesti gas protettivi o preparazioni particolari del giunto (cianfrinatura e rimozione degli ossidi). I settori in cui la FSW ha trovato applicazioni di successo sono molteplici: nautico (pannelli, strutture, piattaforme, scafi e ponti), aeronautico ed aerospaziale (ali, fusoliere, serbatoi di combustibile, riparazioni di saldature convenzionali), trasporti stradali e ferroviari (parti di treni e rotaie, chassis, parti di carrozzeria, serbatoi, riparazioni varie), infrastrutture (ponteggi, tubature, scambiatori), elettrico e altri.
L’attività in corso è finalizzata all’analisi degli effetti microstrutturali, dello stato tensionale residuo, delle caratteristiche di resistenza statica e di propagazione di cricche per giunzioni tra materiali simili (alluminio-alluminio, rame-rame, acciaio-acciaio, titanio-titanio) e dissimili (combinazioni dei precedenti) in relazione anche ai parametri di lavoro utilizzati e alle temperature raggiunte dal materiale.

Ricercatori coinvolti: Gaetano Salvatore Palazzo, Pierpaolo Carlone, Gennaro Cuccurullo, Roberto Citarella

Processi Liquid Composite Molding

Descrizione: I processi Liquid Composite Molding (Stampaggio di Compositi Liquidi), quali RTM, VARTM, RIFT, RFI, SCRIMP, caratterizzati dall’impregnazione di una preforma fibrosa secca mediante iniezione o infusione di resina catalizzata, sono sempre più utilizzati per la produzione di materiali compositi a matrice polimerica termoindurente. La crescente applicazione industriale dei processi LCM è dovuta alla richiesta di materiali con performance elevate e produzioni di qualità costante, combinate con la necessità di ridurre l’intervento umano e i costi dovuti a inefficienze di lavorazione. La riduzione della presenza umana è fortemente desiderata anche per evitare problemi di salute collegati all’emissione di stirene durante la reazione della resina. La pianificazione opportuna di processi LCM risulta, tuttavia, molto complessa, essendo il processo caratterizzato da un flusso multifase non stazionario in un dominio poroso tridimensionale con permeabilità anisotropa, dalla reazione di cura che influenza temperatura, grado di cura e viscosità della resina, e dalla deformazione elastica del tessuto dovuta alla pressione applicata, che incide in maniera significativa sulle proprietà della preforma. Allo stato attuale, la pianificazione e l’ottimizzazione del processo è principalmente basata su procedure trial and error, eventualmente supportate da simulazioni computazionali. Sebbene i software esistenti, sviluppati grazie agli sforzi di diversi gruppi di ricerca, hanno portato ad una migliore comprensione e più efficace applicazione dei processi LCM, il monitoraggio on line del flusso di resina e del processo di cura è opportuno nel caso di impreviste variazione delle condizioni di processo. Inoltre, un’accurata valutazione sperimentale delle proprietà di preforma e resina è fondamentale per una simulazione attendibile del processo. Le attività in corso sono focalizzate principalmente sulla simulazione computazionale multiscala (micro-meso-macro) dei processi LCM, sulla caratterizzazione sperimentale del rinforzo (permeabilità, comportamento in compattazione), e sul monitoraggio dielettrico del flusso di resina e della reazione di cura della resina.

Ricercatori coinvolti: Pierpaolo Carlone, Gaetano Salvatore Palazzo, Raimondo Pasquino

Effetti della cristallizzazione e dell'irrigidimento sulla processabilità di polimeri termoplastici

Descrizione: La cristallizzazione di fusi polimerici, che si realizza durante processi di trasformazione, ha un grande impatto sul processo stesso, principalmente poiché causa un grande incremento della viscosità (irrigidimento). La conoscenza della cinetica di irrigidimento è quindi fondamentale per la modellazione e il controllo dei processi di trasformazione. A tal fine è necessario investigare la cinetica di irrigidimento di polimeri durante la cristallizzazione attraverso un lavoro sperimentale e modellistico. Si effettuano esperimenti di cristallizzazione isoterma usando la calorimetria differenziale a scansione (differential scanning calorimetry, DSC) e reometria rotazionale per misurare la viscosità dinamica. L’evoluzione della cristallinità relativa e della viscosità complessa normalizzata sono state correlate attraverso una metodologia originale che permette l’analisi simultanea di molti test sperimentali, anche se le prove calorimetriche e reologiche non sono state realizzate alla stessa temperatura: in particolare ciò è il principale requisito e il limite della tecnica tradizionale. La metodologia sviluppata fornisce una relazione sperimentale tra cristallinità e irrigidimento, cioè l’aumento della viscosità. Inoltre è possibile ottenere una “curva generalizzata” (master curve), misurando la viscosità dinamica a diverse frequenze, che combina l’effetto della velocità di deformazione, temperatura e cristallinità.

Ulteriori informazioni, articoli su rivista, tesi di laurea, attrezzature ed competenze del gruppo di ricerca si possono trovare nella sezione "Ricerca e sviluppo" del sito web www.minerva.unisa.it.

Ricercatori coinvolti: Gaetano Lamberti, Felice De Santis

Supply Chain Management e Logistica Industriale

Descrizione:

La ricerca nell'ambito delle catene e dei network di fornitura si incentra sugli effetti delle scelte (operate ai diversi livelli del processo produttivo esteso) sulle performance percepite dal cliente finale. Si elaborano per questo modelli atti a riprodurre il comportamento dei sistemi di fornitura in forma virtuale, testando gli effetti della rapida trasmissione delle informazioni (per esempio relative ai ritardi stimati in produzione) sull'efficacia del backward scheduling e, più in generale, offrendo strumenti di supporto alle decisioni.

La gestione delle informazioni è al centro degli studi sulla tracciabilità interna (riguardante i flussi logistici dei processi produttivi) ed esterna (network di fornitura) sia nell'ambito di produzione di beni che nell'erogazione di servizi, con il duplice obiettivo di controllo dell'avanzamento di produzione (feedback per l'erogazione) e misura dei tempi impiegati ad effettuarlo (feedback per la pianificazione). La condivisione e la sincronizzazione delle informazioni, infatti, permettono di far dialogare più sistemi consentendo maggiore sicurezza e trasparenza dei processi nonché efficienza in termini di pianificazione e programmazione (che possono tradursi in riduzione dei costi lungo la filiera). Per tali motivi le attività di ricerca mirano ad individuare, all'interno di diversi ambiti di indagine, elementi che consentano di costruire modelli e architetture per una gestione della tracciabilità dinamica, indipendente, distribuita e al tempo stesso integrabile e scalabile.
Un campo di ricerca estremamente prolifico è quello della gestione delle scorte in termini di definizione del lotto ottimo (per esempio EOQ multiprodotto) sotto vincoli di vario genere (spazio, costo del trasporto, ecc.) e di strategia di approvvigionamento (per esempio, Vendor Managed Inventory) anche sulla base della valutazioni delle prestazioni dei fornitori (Vendor Evaluation).
Particolare attenzione è riservata all'integrazione dei flussi logistici diretti con quelli di ritorno, ossia relativi a materiali per i quali si rende necessario lo smaltimento a causa del naturale esaurimento della propria funzione d'uso primaria (reverse logistics).

Ricercatori coinvolti: Raffaele Iannone, Alfredo Lambiase, Salvatore Miranda, Stefano Riemma, Debora Sarno.

Schedulazione operativa delle risorse produttive, Pianificazione e Programmazione dei fabbisogni e Sistemi Informativi Aziendali

Descrizione:

Il problema della pianificazione e programmazione di materiali e risorse ha valore strategico sia per le aziende manifatturiere sia per quelle di servizi in quanto costituisce il primo passo verso elevati livelli di servizio, riduzione dei costi e gestione efficiente della supply chain. In particolare, l'internazionalizzazione (col conseguente ingresso di nuovi competitors nei mercati) ha accentuato il carattere aleatorio della domanda, la frammentazione dei lotti e l'importanza della diversificazione dei prodotti, rendendo indispensabile lo sviluppo di modelli efficienti di previsione del fabbisogno al fine di soddisfare le richieste dei clienti. Tali modelli costituiscono il punto di partenza della ricerca volta alla definizione di sistemi APS (Advanced Planning and Scheduling) che forniscano supporto alla gestione delle attività di produzione in ambienti caratterizzati da elevata dinamicità, nei quali piani di produzione fortemente variabili e diversificati rendono estremamente difficoltoso il rispetto delle date di consegna stimate.
Le attività di ricerca sono dunque incentrate sullo sviluppo di architetture e algoritmi per ottimizzare la fase di pianificazione e programmazione dei materiali e delle risorse produttive (è stato, per esempio, condotto uno studio sull'ottimizzazione dei sistemi Just in Time multistadio - sotto l'aspetto del numero di kanban ottimale - in regime di elevata aleatorietà).
La schematizzazione e modellazione di sistemi produttivi, l'analisi delle potenzialità/limiti dei sistemi informativi aziendali (ERP) e la conoscenza degli strumenti di gestione (distinta base, livelli di scorta, ecc.) sono pertanto finalizzati al consolidamento (per esempio, attraverso l'introduzione di elementi di aleatorietà) delle tecniche di pianificazione di lungo/medio e breve periodo esistenti (MPS, MRP, CRP, MRPII, ecc.) e allo sviluppo di tecniche innovative di ottimizzazione (intelligenza artificiale, simulazione, algoritmi evolutivi, euristiche, fuzzy set theory, ecc.).
Specifica attenzione è dedicata, per esempio, allo scheduling:

• in ambienti job shop;
• in caso di eventi aleatori connessi alle prestazioni dell' elemento umano in processi ad elevata manualità (modellando l'affidabilità dell'uomo in funzione del tempo, delle condizioni dell'ambiente di lavoro, delle condizioni psico-fisiche e giungendo al numero e alla distribuzione delle pause durante il turno);
• a tipologie di processo per le quali i tempi di setup (generalmente considerati i tempi di riferimento nei criteri di sequenziamento) risultano inizialmente sconosciuti ( batch and family scheduling ).

Alla fase di ricerca pura sono affiancate sperimentazioni dei modelli sul campo attraverso opportune customizzazioni. La verifica dei risultati è uno dei motivi della tradizionale attenzione dedicata alla ricerca di modelli per la valutazione delle performance dei sistemi, impiegati in questo caso per il controllo dell'efficienza di pianificazione e programmazione, in termini più generali per creare le condizioni per innestare le logiche di miglioramento continuo all'interno delle organizzazioni.

Il problema della pianificazione e programmazione di materiali e risorse ha valore strategico sia per le aziende manifatturiere sia per quelle di servizi in quanto costituisce il primo passo verso elevati livelli di servizio, riduzione dei costi e gestione efficiente della supply chain. In particolare, l'internazionalizzazione (col conseguente ingresso di nuovi competitors nei mercati) ha accentuato il carattere aleatorio della domanda, la frammentazione dei lotti e l'importanza della diversificazione dei prodotti, rendendo indispensabile lo sviluppo di modelli efficienti di previsione del fabbisogno al fine di soddisfare le richieste dei clienti. Tali modelli costituiscono il punto di partenza della ricerca volta alla definizione di sistemi APS (Advanced Planning and Scheduling) che forniscano supporto alla gestione delle attività di produzione in ambienti caratterizzati da elevata dinamicità, nei quali piani di produzione fortemente variabili e diversificati rendono estremamente difficoltoso il rispetto delle date di consegna stimate.

Le attività di ricerca sono dunque incentrate sullo sviluppo di architetture e algoritmi per ottimizzare la fase di pianificazione e programmazione dei materiali e delle risorse produttive (è stato, per esempio, condotto uno studio sull'ottimizzazione dei sistemi Just in Time multistadio - sotto l'aspetto del numero di kanban ottimale - in regime di elevata aleatorietà).
La schematizzazione e modellazione di sistemi produttivi, l'analisi delle potenzialità/limiti dei sistemi informativi aziendali (ERP) e la conoscenza degli strumenti di gestione (distinta base, livelli di scorta, ecc.) sono pertanto finalizzati al consolidamento (per esempio, attraverso l'introduzione di elementi di aleatorietà) delle tecniche di pianificazione di lungo/medio e breve periodo esistenti (MPS, MRP, CRP, MRPII, ecc.) e allo sviluppo di tecniche innovative di ottimizzazione (intelligenza artificiale, simulazione, algoritmi evolutivi, euristiche, fuzzy set theory, ecc.).
Specifica attenzione è dedicata, per esempio, allo scheduling:

• in ambienti job shop;
• in caso di eventi aleatori connessi alle prestazioni dell' elemento umano in processi ad elevata manualità (modellando l'affidabilità dell'uomo in funzione del tempo, delle condizioni dell'ambiente di lavoro, delle condizioni psico-fisiche e giungendo al numero e alla distribuzione delle pause durante il turno);
• a tipologie di processo per le quali i tempi di setup (generalmente considerati i tempi di riferimento nei criteri di sequenziamento) risultano inizialmente sconosciuti ( batch and family scheduling ).

Alla fase di ricerca pura sono affiancate sperimentazioni dei modelli sul campo attraverso opportune customizzazioni. La verifica dei risultati è uno dei motivi della tradizionale attenzione dedicata alla ricerca di modelli per la valutazione delle performance dei sistemi, impiegati in questo caso per il controllo dell'efficienza di pianificazione e programmazione, in termini più generali per creare le condizioni per innestare le logiche di miglioramento continuo all'interno delle organizzazioni.

Ricercatori coinvolti: Raffaele Iannone, Alfredo Lambiase, Salvatore Miranda, Stefano Riemma, Debora Sarno.

Reattori catalitici a membrana con materiali innovativi per la valorizzazione delle frazioni C1-C4 (CA.RE.N.A. )

Descrizione: L’obiettivo di CARENA è lo sviluppo di materiali nano-strutturati altamente innovative e l’ottimizzazione di reattori a membrane, attraverso il contributo del know-how di 8 aziende leader e 10 istituti di ricerca d’eccellenza operanti in 8 paesi europei. Il Dipartimento di Ingegneria industriale (DIIN) è coinvolto su due temi principali. Il primo si riferisce all sviluppo di un reattore a membrana multi-tubolare per lo steam reforming o il reforming auto-termico di metano. L’obiettivo è il raggiungimento di una conversione di metano del 95% con una purezza dell’idrogeno superiore al 99%. Attività specifica del DIIN è lo studio dell’influenza di diversi supporti (ceramici e metallici, schiume, fili a monoliti con geometria a nido d’ape) sulle prestazioni catalitiche, la stabilità di lunga durata, la progettazione e realizzazione di un reformer catalitico strutturato a singolo tubo. La seconda attività riguarda lo sviluppo di un catalizzatore di bassa temperature per la deidrogenazione del propane, attraverso la sua formulazione e caratterizzazione, sia in forma di polvere, sia di catalizzatore strutturato. In entrambi i casi sarà condotto una screening delle proprietà termiche e geometriche dei supporti strutturati. Saranno studiate le proprietà di trasporto di calore e di materia di differenti supporti. Saranno definiti i parametri caratteristici dei migliori supporti. La sperimentazione con I reattori catalitici si avvarrà di un sistema di analisi multi-point che sarà di valido supporto alla comprensione del ruolo della fluidodinamica del reattore e della sua dipendenza dai fattori geometrici. Il progetto CARENA durerà 4 anni (2011-2014).

Ricercatori coinvolti: Vincenzo Palma, Antonio Ricca

Applicazione delle vibrazioni a letti fluidizzati da gas

Descrizione: La fluidizzazione è un'operazione unitaria usata nell’industria di processo che consente di mettere efficacemente in contatto un flusso gassoso e una fase di particolato solido. Questa operazione presenta l’ulteriore vantaggio derivante dal fatto che il solido particellare, essendo altamente mobilizzato, può essere facilmente trasferito tra apparecchiature differenti. Nelle applicazione industriali della tecnologia delle polveri le vibrazioni sono state associate alla fluidizzazione con lo scopo di superare i problemi di coesione nei trattamenti di solidi particellari, come per esempio nel caso di operazioni di essiccazione di polveri. Le vibrazioni, infatti, sono in grado di interagire direttamente con le strutture che si formano nella fase dispersa per effetto delle forze coesive, quali ad esempio aggregati e canali. Per questo motivo le vibrazioni sono usate per promuovere la fluidizzazione con gas di polveri fini ed ultrafini.

Questa linea di ricerca si propone di studiare l'applicazione di vibrazioni meccaniche a letti di fluidizzati con gas costituiti sia di polveri fini aeratabli, sia di polveri ultrafini e coesive. I parametri investigati sono la frequenza di vibrazione, l’accelerazione e la massa del letto. Gli effetti della applicazione delle vibrazioni su questi letti è stata studiata in termini di espansione del letto, di perdite di carico, di risposta nella oscillazione della superficie libera e, limitatamente alle polveri coesive, di tendenza di queste polveri ad aggregare. Questi studi hanno messo in evidenza le fenomenologie specifiche della fluidizzazione in presenza di vibrazioni meccaniche quali, per esempio, l'espansione letto anche a portate di gas inferiori alla minima per la fluidizzazione, oppure i fenomeni di espansione e di formazione di bolle variabili con la frequenza e l’intensità della vibrazione. Alcuni modelli sono stati sviluppati per correlare i risultati sperimentali e per prevedere le condizioni di risonanza dei letti fluidizzati e di aggregazione delle polveri.
I risultati di questa ricerca possono trovare applicazioni pratica nei processi dell'industria chimica e dei materiali, nell'industria alimentare, nell'industria farmaceutica e nella produzione di energia.

Ricercatori coinvolti: Diego Barletta, Giovanna Ferrari, Massimo Poletto

Scarico di sili caricati con polveri fini e coesive

Descrizione: Polveri e solidi granulari sono usati in gran parte dei processi industriali. Le operazioni di stoccaggio, prelievo e dosaggio di queste polveri sono generalmente condotte in sili dotati di tramoggia o direttamente in tramogge. La progettazione di questi sili dovrebbe seguire procedure ormai consolidate che prevedono l’uso di strumentazioni standard. Molti sili e tramogge, tuttavia, in fase di esercizio soffrono di gravi problemi di flusso delle polveri caricate. In parte questi problemi sono da attribuirsi ad una carente o completa mancanza di applicazione delle procedure di progetto, che purtroppo sono largamente ignorate per la scarsa diffusione dei principi di progetto stessi nei tradizionali curricula formativi dell’ingegneria, ma non di questo Ateneo. Tuttavia, molto spesso i problemi di flusso sono insiti nella naturale tendenza delle polveri fini e coesive a formare strutture stabili che, quando non previste, oltre al flusso della polvere stessa possono compromettere la statica del silo, con conseguenti gravi rischi per la sicurezza degli operatori. Le condizioni che determinano la formazione di queste strutture e le condizioni che ne determinano il cedimento non sono sempre ben comprese e rappresentano uno degli aspetti oggetto di investigazione. Altri aspetti del flusso di polveri che sono studiati presso i nostri laboratori riguardano l’uso di getti d’aria che spesso vengono utilizzati per regolarizzare il flusso di polveri fini e coesive. Per questa tecnologia sono tuttora assenti delle procedure di progetto condivise che possano superare i criteri di natura empirica con cui essa viene applicata. L’individuazione di queste procedure è lo scopo finale delle ricerche in corso. Allo stato attuale, queste hanno portato all’individuazione dei fenomeni principali coinvolti nel flusso aerato, alla definizione di alcune delle procedure di progetto ed alla messa a punto di adeguati strumenti di indagine. Alcuni di questi strumenti riguardano lo studio dei campi di moto con tecniche di PIV in sili modello e, nel caso di polveri caratterizzate da ampie distribuzioni granulometriche, dei fenomeni di segregazione e di rimiscelazione conseguenti alla manipolazione e allo scarico da sili aerati e non aerati.

Le metodologie di indagine e di progettazione sviluppate in questo ambito hanno quindi ricadute trasversali e sicuramente includono l’industria chimica e dei materiali, l’industria alimentare, l’industria farmaceutica e la produzione di energia con particolare riferimento alle nuove fonti rinnovabili costituite dalle biomasse ligno-cellulosiche.

Ricercatori coinvolti: Diego Barletta, Giovanna Ferrari, Massimo Poletto

Proprietà di flusso di polveri fini e coesive

Descrizione: La valutazione delle proprietà di flusso delle polveri è utile non solo per la corretta progettazione di sili e tramogge operanti con solidi fini e coesivi, ma anche alla corretta progettazione di operazioni unitarie dell’industria di processo che preveda il trasporto e la manipolazione di questi solidi. Esistono procedure standardizzate per la misure delle proprietà di flusso delle polveri che prevedono l’uso di tester. Nel Dipartimento, le ricerche svolte in questo ambito, hanno diverse finalità:

1) La individuazione di procedure semplificate e affidabili
Per adattarsi alle esigenze industriali di prove frequenti di caratterizzazione delle polveri, si studiano procedure semplificate che consentano di conservare il senso fisico della misura. Sino ad ora gli studi hanno riguardato il test di compressione uni assiale, un tester per la misura del rapporto laterale terreste e tester disponibili sul mercato e non standardizzati.
2) Misura per le proprietà di flusso a bassi valori del consolidamento
Polveri fini e coesive sono spesso utilizzate in applicazioni in cui i carichi di consolidamento sono molto bassi, per le quali è necessario ricercare procedure di misura alternative a quelle standardizzate. Con queste finalità è stata modificata un tester rotazionale per condurre misure di shear in condizioni aerate, in modo da usare i flussi di aria per sospendere parzialmente le polveri e controbilanciare gli sforzi di compressione. Sempre al fine di valutare alcune proprietà di flusso a bassi valori di consolidamento, in collaborazioni con lo University College of London sono stati sviluppati modelli per l’uso delle misure di momento torcente su turbine rotanti e geometrie tipo Couette operanti con letti di polveri aerate.
2) L’effetto delle condizioni del sistema.
Si misura l’effetto dell’umidità dell’aria e della temperatura sulle proprietà di flusso delle polveri. Nel primo caso sono stati anche sviluppati modelli che consentono di prevedere l’effetto dell’umidità dell’aria sulle proprietà di flusso delle polveri misurate sperimentalmente. Nel secondo caso si è messo a punto un tester rotazionale in grado di operare sino a 500°C.
Le metodologie di indagine e di progettazione sviluppate in questo ambito hanno quindi ricadute trasversali e sicuramente includono l’industria chimica e dei materiali, l’industria alimentare, l’industria farmaceutica e la produzione di energia con particolare riferimento alle nuove fonti rinnovabili costituite dalle biomasse ligno-cellulosiche.

Ricercatori coinvolti: Diego Barletta, Giovanna Ferrari, Massimo Poletto, Igino Tomasetta

Processo, proprietà e degradazione di polimeri biodegradabili per applicazioni di largo consumo a basso impatto ambientale

Descrizione: I polimeri biodegradabili possono contribuire alla riduzione dell'impatto ambientale dell'industria della plastica. Lo studio delle caratteristiche di processabilità, di degradazione (indotta dalla temperatura, dagli sforzi meccanici, dall'esposizione agli agenti atmosferici, dai microorganismi) e delle correlazioni fra queste e la morfologia dei manufatti è indispensabile per definire ed ampliare i campi di utilizzo di questi materiali. Inoltre, la recente introduzione sul mercato di additivi che promuovono la biodegradazione richiede uno studio accurato delle velocità di biodegradazione. A tale proposito, è stato messo a punto un apparato per monitorare (ai sensi delle norme ASTM5338 e ISO14855) la biodegradazione dei manufatti polimerici.

Ricercatori coinvolti: Roberto Pantani, Vito Speranza, Felice De Santis

Effetto della storia termomeccanica sulla morfologia e sulle proprietà dei materiali e dei manufatti polimerici

Descrizione: La morfologia dei materiali polimerici è determinata della storia termomeccanica che i manufatti subiscono durante i processi di lavorazione. Le storie di pressione, temperatura, campi di moto, determinano proprietà fondamentali come la viscosità del fuso e, nel manufatto, il volume specifico, la cristallinità e la distribuzione delle fasi cristalline e della dimensione dei cristalli, l'orientazione molecolare. A loro volta, queste proprietà determinano le caratteristiche degli oggetti in plastica come il ritiro e l'accuratezza dimensionale, la distribuzione di sforzi interni, le proprietà meccaniche e di trasporto (diffusività dei vapori, assorbimento), le proprietà ottiche. L'attività di ricerca del gruppo consiste in uno studio sperimentale e modellistico delle caratteristiche elencate. In particolare, lo studio sperimentale viene condotto sia con apparecchiature tradizionali (ancorchè avanzate come microscopi elettronici e a forza atomica, raggi X) che con apparecchiature appositamente sviluppate per tener conto dei valori estremi delle variabili di interesse (pressione, temperatura e loro variazione nel tempo) che si riscontrano nei processi di trasformazione delle materie plastiche. L'analisi modellistica mira alla descrizione quanto più accurata possibile dell'evoluzione delle proprietà in condizioni di processo al fine di poterle prevedere una volta che sia nota la storia di solidificazione.

Ricercatori coinvolti: Roberto Pantani, Vito Speranza, Felice De Santis, Andrea Sorrentino, Valentina Volpe

Analisi, modellazione e simulazione dei processi di trasformazione di polimeri termoplastici. Applicazione a manufatti tecnologicamente avanzati.

Descrizione: L'attività di ricerca è incentrata sullo studio di problematiche di rilevante interesse industriale quali l'ottimizzazione dei cicli di produzione di manufatti polimerici ed il miglioramento della qualità del manufatto. Nel corso di tutti i processi di trasformazione, i polimeri vengono fusi, portati in forma allo stato fuso e poi fatti solidificare; la simulazione ed ottimizzazione di un processo sia per il ciclo di trasformazione che per le proprietà del manufatto presuppone la descrizione degli aspetti fondamentali delle storie di temperatura, deformazione, pressione, orientazione, cristallinità e morfologia durante tutte le fasi della lavorazione. È inoltre indispensabile la conoscenza di proprietà fondamentali del materiale polimerico, quali: reologia, proprietà volumetriche e termiche, stabilità termica. Il gruppodi ricerca dispone in laboratorio di macchine per la produzione di manufatti ed in particolare, con riferimento allo stampaggio ad iniezione, di una pressa ad iniezione (con possibilità di applicazione alla bi-iniezione, co-iniezione, stampaggio di schiume, micro-iniezione) con stampo strumentato in grado di riprodurre il ciclo di stampaggio con materiali di interesse per le aziende ed in condizioni molto prossime a quelle che si realizzano durante la produzione industriale. Il monitoraggio delle storie di pressione lungo il cammino del fuso polimerico, delle temperature raggiunte dal fuso, dei tempi di solidificazione, consente di avere informazioni circa i fenomeni che hanno luogo durante il processo. All'attività sperimentale si associa la modellazione dei processi (in particolare dello stampaggio ad iniezione e della filmatura piana) con programmi di simulazione sia commerciali che appositamente messi a punto dai ricercatori del gruppo.

Ricercatori coinvolti: Roberto Pantani, Vito Speranza, Felice De Santis, Andrea Sorrentino, Valentina Volpe

Descrizione: La saldatura laser è una valida alternativa ai metodi convenzionali di giunzione dei metalli, perché consente di ottenere giunti di elevata qualità ed un incremento di produttività. A causa di input termici localizzati le saldature sono in profonda penetrazione, con distorsioni piccole e limitate zone termicamente alterate. Ulteriori miglioramenti si ottengono quando viene impiegata una sorgente a disco sottile anziché quelle tradizionali a barretta o piastre, con conseguente incremento della qualità del fascio, poiché la divergenza diminuisce. Il laboratorio di Tecnologie e Sistemi di Lavorazione dispone di un laser a disco modello Trumpf TruDisk 4002 con testa di saldatura D70, mossa da robot ABB IRB 2400/16. Il sistema è impiegato a scopo di ricerca, con prevalente interesse nel settore aerospaziale, dove sono in vigore normative severe. Al fine di trasferire l’applicazione del processo in ambiente industriale, sono condotti intensi studi sulla saldatura di superleghe a base nichel e cobalto, di leghe di titanio e di leghe tradizionali e innovative di alluminio. In funzione sia del materiale, sia della sua forma, viene riservata attenzione particolare ai sistemi di fissaggio e ai dispositivi per l’adduzione dei gas di copertura, in modo da realizzare cordoni strutturalmente integri senza inclusioni o porosità, né ossidazione. Un apparato innovativo che consente la protezione dall’ossidazione di giunti saldati anche a geometria complessa è stato progettato, realizzato e brevettato dall’Università di Salerno (brevetto N. SA2012A000016). In previsione di modellazione ed ottimizzazione delle variabili di risposta, vengono progettati gli esperimenti con approccio “Design of Experiment”. Dopo la preparazione dei campioni, che viene eseguita in situ con l’ausilio di specifiche strumentazioni per troncatura, inglobatura, lappatura ed attacco chimico, il laboratorio è in grado di effettuare l’esame dei cordoni di saldatura in termini di micro struttura e difetti geometrici, con software Nikon NIS-Elements. La valutazione delle caratteristiche meccaniche viene eseguita mediante prove di micro durezza e resistenza a trazione.

Ricercatori coinvolti: Fabrizia Caiazzo, Vittorio Alfieri, Francesco Cardaropoli, Gaetano Corrado, Ilaria Fierro

Sinterizzazione Laser Ambito Aerospaziale

Descrizione: Il processo di sinterizzazione laser prevede la produzione di elementi a partire dalla fusione di polveri metalliche dalla granulometria molto fine mediante tecnica additiva; infatti il pezzo viene costruito strato dopo strato fondendo la polvere seguendo il profilo della parte. Lo spessore dei singoli strati è nell’ordine dei centesimi di millimetro, questo permette di ottenere una buona accuratezza dimensionale. Il metodo costruttivo consente di realizzare pezzi a geometria complessa, includendo anche cavità o canali, senza la necessità di successive operazioni di asportazione di truciolo. La base di partenza è il modello CAD del pezzo che deve essere realizzato; questo viene opportunamente elaborato decidendo l’orientazione e i supporti dello stesso, poiché nel processo considerato l’elemento deve essere posizionato sulla piattaforma di costruzione. La funzione dei supporti è duplice: da un lato impediscono fenomeni di delaminazione, che potrebbero verificarsi nella fase di stratificazione della polvere; dall’altro, trasmettendo il calore in eccesso, si riducono i gradienti termici e quindi gli stress residui che caratterizzerebbero il sinterizzato laser. La macchina adottata per la creazione delle parti è l’EOSINT M270 IM Xtended, la quale consente la gestione delle strategie costruttive e la realizzazione di più elementi sulla stessa piattaforma di costruzione. Tra i campi applicativi della sinterizzazione laser riveste una notevole importanza quello aerospaziale. Nel settore considerato, accanto alle superleghe, vengono largamente utilizzate anche leghe di titanio, soprattutto la lega Ti-6Al-4V. Per risolvere i problemi connessi alla piroforicità e alla tendenza all’ossidazione della polvere in esame e delle polveri in lega di alluminio, la lavorazione viene effettuata in atmosfera controllata con argon adottato come gas inerte. La ricerca che si sta attualmente conducendo è focalizzata sulla soluzione dei problemi connessi con la realizzazione di palette di turbine e la realizzazione di stampi per componenti aerospaziali. Il processo di sinterizzazione laser consente di ottenere caratteristiche meccaniche dell’elemento paragonabili a quelle delle parti ottenute con processi fusori tradizionali o mediante asportazione di truciolo. Inoltre, analisi condotte attraverso controlli non distruttivi come i liquidi penetranti fluorescenti e i raggi X hanno escluso la presenza di difetti nel componente, che possano favorire l’insorgere di cricche.

Ricercatori coinvolti: Fabrizia Caiazzo, Vittorio Alfieri, Francesco Cardaropoli, Gaetano Corrado, Ilaria Fierro

Processi assistiti da fluidi supercritici

Descrizione:

Supercritical AntiSolvent Precipitation (SAS)

The Supercritical Antisolvent precipitation (SAS) is a process, in which the supercritical fluid is used as an anti-solvent that causes the precipitation of the solute dissolved in a liquid solvent, in form of micronized particles. It can be applied to many molecules, that can be dissolved in a wide range of organic solvents. The anti-solvent is selected so as to be completely miscible with the solvent; whereas, the solute is not soluble in it. As a rule, supercritical carbon dioxide is used. We used SAS process to produce expanded microparticles (balloons), micro and nanoparticles of several kind of compounds. Modulating the operating conditions (pressure, temperature, concentration of the liquid solution, the ratio between the CO2 and liquid solution flow rates), different morphologies, nanoparticles (30-200 nm), microparticles (0.5-5 μm), and balloons (5-50 μm) have been obtained. To describe the SAS process, 3 mechanisms and their interactions have to be considered: fluid dynamics of the injected solution in contact with supercritical carbon dioxide (SC-CO2); high pressure vapor liquid equilibria (VLEs) of the system formed by solute, solvent and antisolvent; mass transfer to and from the injected solution. They all contribute to the generation of the solute particles. Using high-pressure VLEs of the system, solvent and antisolvent (i.e., the simplified binary system), it is possible to correlate 3 different particle morphologies (nanoparticles, microparticles and expanded microparticles) to the position of the SAS operating point with respect to the binary mixture critical point (MCP). If precipitation occurs from supercritical phase (above the MCP), nanoparticles are obtained. In this case, droplets do not form and the material precipitates from a gas plume. In proximity of the MCP pressure, micrometric particles can be precipitated, starting from liquid droplets. At pressures lower than the MCP, in subcritical gaseous conditions, expanded microparticles are obtained, starting from the expending droplets. From a fluid dynamic point of view, it is possible to describe the formation of one-phase or multi-phase mixing after jet break-up. It is possible to refer to 2 characteristic times and their competition: the jet break-up time τjb that quantifies the time between the nozzle exit and the appearance of jet break-up; and the interfacial tension degradation time τi, quantifying the time required to degrade the interfacial tension between the injected solution and the bulk CO2. If τjb<τi , the interface between the liquid and the fluid phase disintegrates the liquid jet in droplets after jet break-up. On the contrary, if τjb>τi, the interfacial tension is degraded to zero before the jet break-up and gas-like mixing is obtained. The third aspect governing the SAS process is mass transfer. As long as an interface exists between the injected solution and SC-CO2, mass transport takes place across the phase boundary. Once the interface between injected solution and bulk CO2 has vanished, mass transport takes place according to convection and diffusion driven ‘‘gas-like’’ mixing mechanisms.

Supercritical Assisted Atomization (SAA)

Supercritical Assisted Atomization (SAA) has been developed and patented by our research group in 2002. It is a process based on the solubilization of controlled quantities of supercritical carbon dioxide in liquid solutions in which the solute, to be micronized, has been previously dissolved. The obtained solution is atomized through a nozzle, in a precipitator operating at atmospheric or sub-atmospheric pressure. Microparticles are obtained by droplet evaporation using warm nitrogen. The presence of CO2 solubilized in the liquid solution decreases the viscosity and the surface tension of the system, improving the atomization step; very small droplets and particles are formed. Droplet evaporation is fast and complete to avoid coalescence phenomena and the impingement of the droplets on the precipitator inner surface. SAA offers several advantages on other supercritical and non supercritical based processes, such as no chemical or thermal degradation and the possibility to use water, organic solvents with relatively low boiling point (ethanol, methanol, acetone, etc.) and mixtures of them. It also provides a good particle size and particle size distribution control. Microparticles ranging between 0.2 and 5 μm have been consistently produced. Several kind of materials have been successfully micronized by SAA, such as superconductor and catalyst precursors, dyes, pharmaceutical compounds, enzymes, etc. Different morphologies and amorphous or semi-crystalline or crystalline particles have been obtained as it can be seen in SEM images in the papers indicated in the references. The particle size can be efficiently modulated changing SAA process conditions

Coprecipitates

Particulate systems based on biodegradable carriers are of special interest in pharmaceutical field, since they can be used for controlled or targeted delivery; moreover, they can protect the active molecule during the production and use of the drug delivery system. Microparticulate drug delivery offers several advantages over the conventional dosage forms, such as higher efficacy and flexibility of administration. SAA process can produce also composite microparticles, since multicomponents solutions can be processed when adequate process conditions are selected. Some examples of materials we processed are amoxicillin in chitosan, gentamicin in bovine serum albu-min (BSA). Furthermore, nanostructured microparticles formed by a carrier and suspended nanoparticles can be produced. For example, polymer microparticles loaded with magnetizable nanoparticles or hydroxyapatite, that are of relevant importance in the biomedical field. A test of the efficiency of coprecipitates used as controlled release delivery systems can be obtained by drug release analysis. For example, more than 2 days are needed to release 90% of Ampicillin from Ampicillin-chitosan coprecipitates; whereas, the raw drug dissolves completely in less than 15 min.

Supercritical Emulsion Extraction (SEE)

The delivery of innovative bio-drugs is a technological challenge, due to their short half-life and limited passage through biological barriers. Many of these materials are stable only at low temperatures and loose or compromise their biological activity in a short time at room temperature. Bio-drugs encapsulation into opportune biopolymeric shells can preserve the biological activity even at atmospheric or normal refrigerated temperatures. Nanostructured biopolymer micro-carriers have been produced using a continuous process patented by our research group, that involves the use of supercritical or dense CO2 for the treatment of oil-in-water simple or multiple emulsions at low temperatures. The process named Continuous Supercritical Emulsion Extraction (SEE-C) works faster than the conventional evaporation of emulsions and operates at low temperatures. SEE-C technology prevents also droplets coalescence or aggregation phenomena that typically occur during the solvent evaporation process. We produced biopolymers microparticles (MPs) loaded with biological and thermolabile principles; also nanoparticles have been entrapped in the polymer matrix of MPs. SEE apparatus based on a high pressure packed tower capable of working under pressure has been designed and constructed on purpose. The bench scale-plant consists of a 2 m long column with an internal diameter between 13 mm. The column is filled with stainless steel packing with a high surface and high void degree and is thermally insulated and controlled. Carbon dioxide is fed from the bottom of the column by a high-pressure diaphragm pump at a constant flow rate; whereas, the emulsion is formulated in continuous and fed to the column by a high pressure pump near the column top. A separator located downstream the top of the column is used to recover the extracted oily phase solvent and the pressure in the separator is regulated by a backpressure valve. The microcarriers suspension is collected at the bottom of the column, washed several times by centrifugation with distilled water and, then, recovered by membrane filtration and dried. To obtain an overall process operating in continuous mode, a membrane emulsifier is also designed and set up near the top of the packed tower for the continuous delivery of monodisperse emulsions that will be continuously formed and processed to also produce monodispersed nanostructured devices. The operating parameters, such as pressures, temperatures, and flow rates ratio are optimized by several trials and GMP operations allow the production of several batches for in vitro and in vivo trials. SEE technology also produces microdevices of different biopolymers such as, PLGA, PLLA, PCL, PMMA high efficiency loaded with thermolabile compounds such as β-carotene. Indeed, thanks to the mild temperature condition of the SEE process, sensitive molecules are not damaged during their processing. Optimizing also the gas to liquid ratio in order to obtain the maximum extraction efficiency, very low solvent residues (< 10 ppm) are obtained in the final microparticles suspensions. The size of the particles is tuneable by changing the emulsion formulation and production conditions. PLGA microcarriers loaded with bovine serum insulin of different sizes (2 and 3 μm) and insulin charges (3 and 6 mg/g) were successfully produced by SEE technology. The insulin release profiles were monitored for 21 days in DMEM medium at 37°C and their activity was tested in a static cultivation of embryonic ventricular myoblasts (cell line H9c2 from rat) with a FBS serum free medium to monitor cell viability and growth in dependence of insulin released. Good cell viability and growth were observed on 3 μm microdevices loaded with 3 mg/g of insulin. SEE-C process has been applied to the encapsulation of metal nanoparticles sensitive to an external stimulus, such as IR or UV radiation, to produce drug delivery devices capable to be activated on demand. Gold nanoshells have been dispersed in PLGA microparticles encapsulating rhodamine as model drug. Tests of release under NIR have been performed. Titanium oxide nanoparticles have been encapsulated in PLA microparticles and bacterial killing tests under UV irradiation demonstrated that these devices are able to be activated by external UV irradiation generating radicals that kills 99.9% of bacteria,.

Micro and nanoporous materials

Polymeric materials characterized by controlled open or close porosity at micro or nanosize can be used in several applications like thermal or acoustic insulation, membranes formation to be used in separation processes, controlled release and as biochemical reactors.Traditional techniques used to generate these materials suffer of several limitations related to the use of liquid solvents or antisolvents that show very limited flexibilities and require complex post-processing steps to eliminate the solvents from the formed structures.

Several techniques have been developed in this field:

• Membranes formation and loaded membranes: it is the SC-CO2 analogous of the traditional membrane formation technique; but, SC-CO2 used as the antisolvent allows the formation of membranes with exceptional characteristics;
• Foaming: foams are generated using SC-CO2 as the blowing agent;
• Supercritical gel drying: allows the elimination of the liquid phase from gels avoiding the delicate nanostructure collapse;
• Supercritical impregnation: SC-CO2 is used to impregnate micro or nanoporous materials with active compounds. Inorganic or polymeric matrices can be used;
• Supercritical drying of hydrogel beads: differently from ordinary gel, hydrogels cannot be directly dried. A different technique is required.

Tissue engineering applications

Tissue engineering (TE) is the use of a combination of cells, engineering and materials methods, and suitable biochemical and physio-chemical factors to improve or replace biological functions. An objective of TE is to create interactions between an artificial component and cellular components to ensure tissue regeneration. The artificial component (scaffold) needs to support cellular growth and three dimensional organization, which requires the coexistence of micro and nano-structures, mimicking the extracellular matrix (ECM). Several techniques have been proposed in the literature to obtain TE scaffolds, including solvent casting, particulate leaching, freeze drying, phase separation, rapid prototyping, foaming, sintering, or a combination of these techniques. However, using traditional techniques, it is very difficult to obtain in the same structure (scaffold) nano and micro features that are characteristic of the ECM and are indispensable to allow cells adhesion, migration and growth. Some SC-CO2 based techniques have been proposed in the literature for TE applications, such as foaming, phase inversion, etc. (these techniques, though for different applications, have been discussed in the previous chapters of this brochure).

We proposed SC-drying of gels and hydrogels to form 3D biodegradable scaffolds and biopolymeric microdevices to take advantage of their natural nanostructure that resembles to one of the ECM, coupled with particle leaching to introduce micrometric features.

The second proposal is SC-assisted formation of microspheres that can act as vehicles and support for human cells.

Materials possessing either micro either nanostructural characteristics have been recently introduced in tissue engineering to simulate the extracellular matrix m(ECM) of several tissues or organs to be regenerated.

http://www.supercriticalfluidgroup.unisa.it/

Ricercatori coinvolti: Ernesto Reverchon, Iolanda De Marco, Stefano Cardea, Giovanna Della Porta, Renata Adami, Roberta Campardelli, Lucia Baldino