RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Nanotecnologie e funzionalizzazione delle superfici per il made in Italy (Made in Italy - Nanotech)

Università di riferimento

Università degli Studi di MODENA e REGGIO EMILIA - INGEGNERIA DEI MATERIALI E DELL'AMBIENTE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Federica Bondioli

Descrizione

L’obiettivo della ricerca consiste nella funzionalizzazione superficiale di materiali ceramici industriali, principalmente di uso edilizio, realizzati da industrie italiane (Made in Italy). L’obiettivo sarà perseguito attraverso la progettazione e preparazione di polveri nanostrutturate e l’applicazione di tecnologie innovative di nanostrutturazione. Si procederà, quindi, alla funzionalizzazione di supporti non smaltati e smaltati mediante l’utilizzo di pigmenti ed ossidi inorganici in grado di conferire ai prodotti particolari proprietà meccaniche (resistenza a graffio e ad usura), chimico-biologiche (fotocatalitiche, antibatteriche) ed anche estetiche sensibilmente migliorate.
Il programma è articolato in 3 attività di ricerca:
1. l’innovazione tecnologica di prodotto e processo. Questo obiettivo sarà conseguito attraverso lo studio dell’utilizzo di sospensioni di nanopolveri, sistemi sol-gel o microemulsioni a base di allumina, titania (collaborazione specifica con l’U.O. di Milano Bicocca, gruppo di Milano – Responsabile scientifico Prof. Morazzoni), silice (collaborazione specifica con l’U.O. di Milano Bicocca, gruppo di Parma – Responsabile scientifico Prof. Morazzoni), zirconia, miscele di ossidi semplici o complessi o vetroceramici che permettano di incrementare durezza, tenacità a frattura, affidabilità e le proprietà fisiche in generale del prodotto finito (collaborazione specifica con l’U.O. di UniRoma3 – Responsabile scientifico Prof. Carassiti). Particolare importanza sarà volta alla ricerca dell’applicabilità industriale e alle soluzioni tecnologiche necessarie per implementare questi trattamenti superficiali nel processo industriale tradizionale.
In particolare l’U.O. di Modena si attende di contribuire a risolvere la problematica seguendo i seguenti passaggi:
a) progettazione e realizzazione di sistemi nanostrutturati a base di allumina, zirconia, silice e loro soluzioni solide da applicare al manufatto ceramico. In particolare si valuterà la possibilità, in ottica di trasferibilità industriale, di utilizzare sospensioni di nanopolveri, microemulsioni o soluzioni di precursori capaci di trasformarsi in nanoparticelle durante il consolidamento del materiale.
I sistemi individuati saranno applicati su un materiale ceramico di riferimento ad elevato valore aggiunto quale il grès porcellanato. L’applicazione verrà effettuata sia sul materiale verde prima del processo di sinterizzazione, sia sul prodotto finito, andando a progettare un processo termico di consolidamento ad hoc, sia, infine, sui prodotti levigati con un adeguato trattamento post-cottura e levigatura.
b) valutazione del trattamento più efficace mediante la caratterizzazione dei prodotti ottenuti sia in termini di microstruttura, che di proprietà tribologiche e tecnologiche secondo la normativa UNI EN ISO di riferimento. Particolare attenzione sarà rivolta a preservare l’aspetto estetico del manufatto e le variazioni di tono ottenute saranno valutate mediante spettroscopia UV-Visibile e analisi colorimetrica.

In questo filone di ricerca l’Unità di Modena collaborerà anche con l’U.O. UniMiB (Responsabile scientifico Prof.ssa Morazzoni) per l’utilizzo anche sulle superfici di materiali ceramici tradizionali del biossido di titanio (gruppo di Milano Bicocca) e di silice (gruppo di Parma), puri e misti, preparati con la tecnologia sol-gel. Sui materiali ottenuti con ricoprimento di titania, oltre alla caratterizzazione tribologica e tecnologica, si procederà a valutare l’attività fotocatalitica, autopulente nonché antibatterica delle superfici ottenute.
Infatti l’utilizzo di titania con effetto antibatterico può portare ad un ulteriore valore aggiunto per sanitari e piastrelle da utilizzare in aree per le quali l’igiene è di grande importanza (ospedali, piscine, palestre, ristoranti, industrie alimentari, etc….) avendo, da riscontri bibliografici, particolare effetto su batteri, funghi e germi e andando così a prevenire lo sviluppo di nuovi patogeni.

Per le caratterizzazioni tribologiche superficiali e le nanoindentazioni di tutti i dimostratori ottenuti, l’U.O. di Modena chiederà la collaborazione e l’esperienza dell’U.O. di Roma3 (responsabile Prof. Carassiti).

2. l’innovazione estetica ed il miglioramento della risoluzione delle immagini e della grafica. Questo obiettivo sarà conseguito soprattutto valutando l’applicabilità di soluzioni impiantistiche quali il digital printing al comparto ceramico. Il progetto di ricerca è, infatti, rivolto alla progettazione e ottimizzazione di un sistema di stampa ink-jet per piastrelle ceramiche e alla formulazione di opportuni inchiostri ceramici a base di pigmenti nanometrici innovativi, dalle proprietà estetiche migliorate, attraverso lo sviluppo di tecnologie di sintesi che permettano di limitare o eliminare i problemi che il ciclo produttivo industriale impone alla specifica tecnologia.
La decorazione delle piastrelle avviene attualmente attraverso l’utilizzo di diverse metodologie che vanno dall’applicazione di paste serigrafiche alle barbottine, dal decoro a secco sulla superficie del supporto prima della pressatura alla decorazione a tutta massa.
In questa attività di ricerca si tenterà di realizzare sistemi di colorazione, basati sulla tecnologia ink-jet, che, nel comparto ceramico, presentano problemi ecologici e tecnologici ancora non risolti. Le problematiche a cui si fa riferimento relativamente alla tecnologia ink-jet attualmente utilizzata industrialmente sono: a) utilizzo di sali solubili contenenti componenti tossici (inchiostri ceramici) che, pur essendo stabilizzati in soluzione acquosa con vari complessanti, mantengono un elevato margine di rischio; b) grosse limitazioni nello sviluppare i colori intensi, tipo il rosso che, per raggiungere una buona tonalità, necessita dell’aggiunta di oro liquido di costo elevatissimo; c) scarse qualità e costanza del disegno nel tempo; d) elevata usura delle testine di stampa.
A fronte di quanto evidenziato, si ritiene che la soluzione ottimale di queste problematiche sia nella tecnologia delle nanoparticelle. Risulta evidente che la sostituzione dei sali solubili con nanoparticelle di coloranti insolubili in acqua, risolve in via definitiva il problema ecologico. Inoltre è possibile, con tale tecnologia, avere a disposizione la gamma completa dei coloranti, alquanto deficitaria nei sali solubili. L’utilizzo di nanoparticelle, infine, permette di costruire granulometrie sensibilmente inferiori a quelle ottenibili per via tradizionale e molto più accurate in termini di distribuzione granulometrica.
In particolare l’U.O. di Modena si attende di contribuire a risolvere la problematica seguendo i seguenti passaggi:
a) progettazione e realizzazione di pigmenti nanostrutturati adatti alla stampa ink-jet dalle proprietà chimiche, fisiche e di stabilità termica migliorate;
b) preparazione degli inchiostri testando vari liquidi per il mantenimento in sospensione delle particelle. A tal proposito sarà valutato, tra l’altro, l’utilizzo di stabilizzatori elettrostatici, che attualmente sembrano il mezzo più soddisfacente per il conseguimento di questo obiettivo. In base ai risultati delle varie prove saranno definite le formule degli inchiostri da utilizzare per l’applicazione ink-jet, per ottenere la giusta viscosità dinamica, tensione superficiale, umidità e priming, caratteristiche fondamentali nel processo di bagnatura dei canali della testina che permette alla stessa di lavorare nelle migliori condizioni. La caratterizzazione reologica degli inchiostri ceramici sviluppati è, dunque, una fase indispensabile al fine di definire le caratteristiche del fluido necessarie ad ottenere applicazioni esenti da difetti. La definizione del comportamento reologico non sarà limitata alla sola misurazione della viscosità, ma saranno definiti altri importanti parametri quali: il limite di scorrimento e la tissotropia. Il fattore temperatura verrà introdotto nell’analisi in quanto variazioni di questo parametro sono possibili in ambiente industriale e possono determinare significativi cambi nel comportamento reologico stesso. Prove applicative saranno eseguite con un testa di stampa da laboratorio che, in rapporto alla macchina industriale, funziona in modo soddisfacente. Le procedure di misura saranno disegnate opportunamente per riprodurre, nei limiti delle possibilità strumentali, le condizioni di scorrimento all’interno della macchina applicativa. Al termine dello studio saranno disponibili modelli reologici ottimali a cui gli inchiostri dovranno tendere.
c) Esecuzione di test applicativi pre-industriali.

3) la salvaguardia del Made in Italy. Questo obiettivo sarà conseguito attraverso la messa a punto di metodologie di salvaguardia, riconoscibilità e tracciabilità dei prodotti ceramici. Allo scopo l’U.O. di Modena valuterà la possibilità di utilizzare nanomarker chimici ad azione selettiva da introdurre nel prodotto, non percepibili dal pubblico ma che possano essere individuati e verificati solo in sede di analisi forense. Il problema della contraffazione ha attualmente raggiunto considerevoli dimensioni e ripercussioni non trascurabili in tutta Europa ma anche a livello mondiale. Le dimensioni economiche raggiunte dal fenomeno sono tali da costituire una voce negativa pesantissima nei bilanci delle aziende e di riflesso nelle economie dei paesi industrializzati. Sono soprattutto le piccole imprese e l’artigianato a subire l’effetto della frode legata alla contraffazione, che si sviluppa in due sensi: quello tipico del prodotto contraffatto e quello, molto più lesivo, legato all’etichettatura erronea, o falsata, del Made in Italy. In quest’ultimo caso, prodotti che non hanno diritto al marchio vengono comunque etichettati Made in Italy, impossessandosi indebitamente di quel valore aggiunto proprio della filiera italiana. Anche la politica comunitaria è attualmente impegnata sul fronte dell’anticontraffazione e numerose misure sono state ipotizzate a protezione del brand. Tra queste notevole importanza è stata conferita alla ricerca: lo sviluppo e l’innovazione in campi di particolare importanza come l’ideazione di nuovi materiali, nuovi processi di produzione e tecnologie pulite per contribuire allo sviluppo sostenibile sono attualmente fortemente incoraggiate.
In questa tematica anti-contraffazione, quindi, si propone l’implementazione e lo sviluppo di adeguate tecnologie a protezione del marchio; in particolare l’U.O. di Modena valuterà l’applicabilità dell’utilizzo sui materiali ceramici tradizionali di nanopolveri ad azione selettiva. In questo filone l’unità valuterà la possibilità di utilizzare sia nanopigmenti fluorescenti attivabili in maniera selettiva quando il substrato su cui risultano applicati venga esposto ad una radiazione di lunghezza d’onda ben definita che nanopolveri caratterizzate da una termoreattività che si sviluppi entro range di temperatura definiti.
In particolare l’U.O. di Modena si attende di contribuire a risolvere la problematica seguendo i seguenti passaggi:
a) progettazione e realizzazione di nanomarker, pigmenti nanostrutturati fluorescenti e termoreattivi, dalle proprietà chimiche, fisiche e di stabilità termica necessarie all’applicazione su materiale ceramico;
b) applicazione delle polveri ottenute su un materiale ceramico di riferimento ad elevato valore aggiunto quale il grès porcellanato. L’applicazione verrà effettuata sia sul materiale verde prima del processo di sinterizzazione, sia sul prodotto finito, smaltato e non smaltato, andando a progettare un processo termico di consolidamento ad hoc, sia, infine, sui prodotti levigati con un adeguato trattamento post-cottura e levigatura.
c) Progettazione ed esecuzione di test di verifica. Poiché infatti tali strumenti saranno destinati a diversi livelli di verifica, si dovranno individuare metodi immediati e di semplice accesso, garantendo un buon livello di sicurezza, un return on investment allettante per le Aziende, una buona funzionalità nonché una necessaria compatibilità con i processi di produzione.

L’U.O. di Modena, infine, supporterà l’U.O. dell’Università della Tuscia (responsabile Prof. Santamaria) nei processi di scelta, progettazione e sintesi sia di nanopolveri colorate, da utilizzare quali pigmenti per il recupero e restauro di Beni Culturali pittorici, che di nanoconsolidanti inorganici da utilizzare per il recupero e restauro di materiali lapidei, pitture murali e Beni culturali in genere. In questo ambito, tra i vari sistemi da utilizzare si valuterà anche il biossido di titanio che potrebbe portare ad un’ulteriore funzionalizzazione delle superfici che, diventando autopulenti o idrofobiche, potrebbero aumentare ancora di più la conservazione del manufatto.