PRESENTAZIONE

Principles of Polymer Science (114422) è un insegnamento da 8 CFU tenuto nel primo semestre del 1° anno del Corso di Laurea Magistrale in Sustainable Polymers and Process Chemistry.

Questo corso fornisce conoscenze teoriche e pratiche sui materiali polimerici in soluzione, allo stato fuso e allo stato solido.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Obiettivo di questo insegnamento è quello di fornire una conoscenza avanzata (teorica e sperimentale) necessaria per lo studio delle macromolecole nello stato liquido, fuso e solido, sia amorfo che cristallino. Saranno discusse le proprietà chimico-fisiche dei materiali polimerici e le relazioni struttura proprietà delle macromolecole saranno discusse mediante la caratterizzazione delle dimensioni molecolari, la microstruttura delle catene e le proprietà dei materiali., I concetti teorici saranno approfonditi mediante attività di laboratorio opportune per polimeri in soluzione, nello stato fuso e solido. 

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Scopo di questo insegnamento è fornire le basi per lo studio avanzato delle macromolecole in soluzione, allo stato fuso e allo stato solido, sia amorfo che semicristallino. Vengono discusse le proprietà fisico-chimiche dei materiali polimerici nonché le relazioni struttura-proprietà, concentrandosi sulla caratterizzazione delle dimensioni molecolari, delle transizioni di fase e relative cinetiche e delle proprietà dei materiali allo stato fuso/solido.

Al termine del corso ci si aspetta che gli studenti sappiano:

- Il concetto di macromolecola, di distribuzione dei pesi molecolari e il significato delle diverse masse molari medie;

- I principi termodinamici che governano lo stato macromolecolare in soluzione, con particolare enfasi sui modelli di Flory-Huggins e Flory-Krigbaum, sulla temperatura Theta e sugli equilibri di fase;

- Le caratteristiche delle principali tecniche utilizzate per la caratterizzazione delle masse molari;

- Descrivere e discutere la correlazione tra dimensione e struttura delle catene polimeriche e le loro proprietà in soluzione;

- Proprietà macromolecolari allo stato (semi)cristallino, fusione (Tm), morfologia, cinetica di cristallizzazione e connessioni con parametri termodinamici;

- Proprietà delle macromolecole allo stato amorfo, in particolare la temperatura di transizione vetrosa e la sua dipendenza dalla massa molecolare e dalla struttura polimerica

- I principi di funzionamento e l'applicazione delle principali tecniche utilizzate per la caratterizzazione dei polimeri, tra cui diffusione statica della luce, cromatografia a permeazione di gel, calorimetria differenziale a scansione, diffusione di raggi X ad alto angolo, spettroscopia infrarossa, microscopia in luce polarizzata, reometria rotazionale e prove meccaniche in tensione uniassiale.

PREREQUISITI

Per seguire efficacemente le lezioni di questo insegnamento è necessaria una conoscenza di base della chimica dei polimeri. Per gli studenti in possesso di una laurea in Chimica e Tecnologie Chimiche o in Scienza dei Materiali presso l'Università degli Studi di Genova i prerequisiti sono dati dalla frequenza degli insegnamenti “Chimica Macromolecolare” o “Scienza e Tecnologia dei Materiali Polimerici”. Gli studenti provenienti dall'estero o provenienti da corsi di laurea diversi dovranno acquisire queste conoscenze approfondendo autonomamente gli argomenti su materiale di studio suggerito (ad esempio: Introduction to Synthetic Polymers di, Ian M. CAMPBELL, Oxford University Press, 2000).

MODALITA' DIDATTICHE

L'insegnamento è organizzato in un ciclo di lezioni frontali in aula mediante l'utilizzo di presentazioni powerpoint (disponibili agli studenti tramite AulaWeb), per un totale di circa 32 ore. Alle lezioni in aula seguono 9 lezioni pratiche di laboratorio, per un totale di circa 36 ore. Gli studenti saranno divisi in piccoli gruppi e metteranno in pratica le conoscenze teoriche acquisite nella prima parte dell'insegnamento. Ciascuna attività di laboratorio sarà introdotta da una lezione frontale in aula della durata di due ore (per un totale di circa 18 ore).

La frequenza al laboratorio è obbligatoria. L'esame è possibile solo dopo aver frequentato tutte le esperienze di laboratorio.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Lezioni in aula:

1) INTRODUZIONE e PROSPETTIVA DEL CORSO

1. Richiami sul concetto di Macromolecola

2. Richiami sulle definizioni di base (monomero, polimero, copolimero,….)

3. Masse molecolari

4. Dimensioni e forma della catena

5. Configurazioni

6. Temperature di transizione vetrosa e di fusione

2) SOLUZIONI POLIMERICHE

1. Termodinamica delle soluzioni polimeriche

2. Miscele ideali di piccole molecole

3. Soluzioni non ideali

4. La teoria di Flory-Huggins

5. Entalpia di miscelazione

6. Energia libera di miscelazione

7. Pressione osmotica

8. Limitazioni del modello Flory-Huggins

9. Equilibri di fase

10. Frazionamento

11. Teoria di Flory-Krigbaum

12. Temperatura Tetha

13. Temperatura critica della soluzione

14. Solubilità

15. Miscele polimeriche

3) CARATTERIZZAZIONE DEI POLIMERI - MASSE MOLECOLARI

1. Mn: ebullioscopia e crioscopia, pressione osmotica, tensione di vapore

2. Mw (Mz): diffusione della luce, variazione dell'indice di rifrazione, diffusione dei raggi X a piccolo angolo, viscosità, GPC, MALDI-TOF.

4) CARATTERIZZAZIONE DEL POLIMERO – DIMENSIONE E STRUTTURA DELLA CATENA

1. Dimensione media della catena

2. Modello di catena a giunzione libera

3. Interazioni a catena corta e rigidità della catena

4. Trattamento dei dati di soluzioni diluite

5. RMN

6.IR

7. Analisi termica

8. Diffusione dei raggi X

5) LO STATO CRISTALLINO

1. Introduzione

2. Meccanismo di cristallizzazione

3. Temperatura e velocità di crescita dei cristalli

4. Fusione

5. Parametri termodinamici

6. Disposizione cristallina dei polimeri

7. Morfologia e cinetica

8. Macromolecole speciali (copolimeri a blocchi, cristalli liquidi,...)

6) LO STATO AMORFO

1. Lo stato amorfo

2. Lo Stato vetroso

3. Processi di rilassamento nello stato vetroso

4. La regione di transizione vetrosa, temperatura di transizione vetrosa

5. Determinazione della Tg

6. Flessibilità della catena

7. Effetti sterici

8. Effetti configurazionali

9. Effetto dei cross-link sulla Tg

10. Trattazioni teoriche

11. La teoria del volume libero

12. Teoria termodinamica di Gibbs-Di Marzio (menzione)

13. Teoria di Adam-Gibbs (menzione)

14. Dipendenza della Tg dalla massa molare

15. Rilassamento strutturale e invecchiamento fisico

Attività pratiche di laboratorio:

1) CARATTERIZZAZIONE DEI POLIMERI - MASSE MOLECOLARI

1. Diffusione statica della luce di soluzioni di polietileneossido/acqua

2. Cromatografia a permeazione di gel del polietileneossido

2) LO STATO CRISTALLINO

3. Calorimetria differenziale a scansione: cristallizzazione non isoterma del polilattide, cinetica di cristallizzazione isoterma ed equazione di Avrami

4. Microscopia ottica in luce polarizzata: cinetica di crescita sferulitica in funzione della temperatura, estrapolazione di Hoffman-Weeks per determinare la temperatura di fusione di equilibrio

5. Indice di cristallinità tramite diffrazione di raggi X ad alto angolo

6. Spettroscopia infrarossa del polietilene: effetto della densità del polimero e dell'orientazione della catena

3) LO STATO AMORFO

7. Transizione vetrosa: effetto della costituzione della catena e della massa molecolare

8. Viscosità del polietileneossido fuso: effetto della temperatura e della massa molecolare

4) LO STATO SOLIDO

9. Proprietà meccaniche dei polimeri semicristallini in prove di trazione a velocità costante e nelle prove di scorrimento: effetto della cristallinità e cinetica di deformazione plastica

TESTI/BIBLIOGRAFIA

I.M.G. Cowie, “Polymers: Chemistry & Physics of Modern Materials”, Blakie and Son Ltd, Glasgow (1991).

S. Koltzenburg, M. Maskos, O. Nuyken, “Polymer Chemistry”, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg (2017).

P. Flory “Principles of Polymer Chemistry”, Cornell University Press, Itacha 1953

U.W. Gedde, “POLYMER PHYSICS”, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 2001

W.D. Callister Jr. and I.D.G. Rethwisch, “Materials Science and Engineering”, J. Wiley and Sons, Hoboken (NJ) (2015)

Materiali aggiuntivi per studenti lavoratori o studenti con specifiche disabilità di apprendimento sono disponibili su richiesta.

DOCENTI E COMMISSIONI

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Dal 23 settembre 2024 secondo l'orario riportato qui 

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

La prova orale consiste in una discussione sugli argomenti presentati durante il corso, comprese le attività di laboratorio. L'esame avrà inizio con la discussione di un'esperienza di laboratorio scelta dallo studente tra quelle svolte (fino a 10/30). Seguiranno poi una o più domande teoriche. Lo studente dovrà dimostrare di aver compreso i principali fondamenti fisico/chimici/tecnologici relativi agli argomenti trattati e di utilizzare il lessico tecnico adeguato, compresa la capacità di rispondere a domande (fino a 20/30).

La frequenza al laboratorio è obbligatoria. L'esame è possibile solo dopo aver frequentato tutte le esperienze di laboratorio.

Per gli studenti con disabilità o con DSA si rimanda alla sezione Altre Informazioni.

Gli studenti devono prenotare in anticipo un appuntamento per l'esame con i docenti.

In casi di urgenza, e solo su specifiche indicazioni dell'Università di Genova, la modalità di valutazione dell'esame potrebbe subire modifiche, inclusa la possibilità di una procedura online.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

Lo scopo dell'esame è verificare il raggiungimento degli obiettivi formativi previsti, sia per gli argomenti teorici che per quelli di laboratorio. Qualora questi obiettivi non vengano raggiunti, lo studente sarà incoraggiato ad approfondire gli argomenti, con il supporto delle spiegazioni del docente, e a ritentare l’esame. Durante le lezioni di laboratorio i docenti valuteranno il grado di partecipazione degli studenti e la loro capacità di condurre attività sperimentali. L'esame accerterà se lo studente ha raggiunto un adeguato livello di conoscenza sugli argomenti del corso, con particolare riferimento alle proprietà fisico-chimiche dei polimeri nei vari stati e alle loro modalità di caratterizzazione.

ALTRE INFORMAZIONI

Per ogni informazione gli studenti sono invitati a contattare direttamente i docenti via email (davide.comoretto@unige.it; dario.cavallo@unige.it, telefono (0103538736/8744; 010/3536086) o visitandoli nei loro uffici/laboratori.

La frequenza delle lezioni è fortemente consigliata per familiarizzare con la procedura d'esame, in quanto le lezioni sono sempre accompagnate da esempi concreti di rilevanza industriale.

La frequenza al laboratorio è obbligatoria.

Si ricorda alle studentesse e agli studenti con disabilità o con disturbi specifici dell'apprendimento (DSA) che per poter richiedere adattamenti in sede d'esame occorre prima inserire la certificazione sul sito web di Ateneo alla pagina servizionline.unige.it nella sezione “Studenti”. La documentazione sarà verificata dal Settore servizi per l’inclusione degli studenti con disabilità e con DSA dell’Ateneo, come indicato sul sito federato al link: SUSTAINABLE POLYMER AND PROCESS CHEMISTRY 11767 | Studenti con disabilità e/o DSA | UniGe | Università di Genova | Corsi di Studio UniGe.

Successivamente, con significativo anticipo (almeno 10 giorni) rispetto alla data di esame occorre inviare una e-mail al/alla docente con cui si sosterrà la prova di esame, inserendo in copia conoscenza sia il docente Referente di Scuola per l'inclusione degli studenti con disabilità e con DSA (sergio.didomizio@unige.it) sia il Settore sopra indicato. Nella e-mail occorre specificare:

•            la denominazione dell’insegnamento

•            la data dell'appello

•            il cognome, nome e numero di matricola dello studente

•            gli strumenti compensativi e le misure dispensative ritenuti funzionali e richiesti.

Il/la referente confermerà al/alla docente che il/la richiedente ha diritto a fare richiesta di adattamenti in sede d'esame e che tali adattamenti devono essere concordati con il/la docente. Il/la docente risponderà comunicando se sia possibile utilizzare gli adattamenti richiesti.

Le richieste devono essere inviate almeno 10 giorni prima della data dell’appello al fine di consentire al/alla docente di valutarne il contenuto. In particolare, nel caso in cui si intenda usufruire di mappe concettuali per l’esame (che devono essere molto più sintetiche rispetto alle mappe usate per lo studio) se l’invio non rispetta i tempi previsti non vi sarà il tempo tecnico necessario per apportare eventuali modifiche.

Per ulteriori informazioni in merito alla richiesta di servizi e adattamenti consultare il documento: Linee guida per la richiesta di servizi, di strumenti compensativi e/o di misure dispensative e di ausili specifici