Development of smart materials with self-healing and shape memory behaviour

This thesis work is focused on smart materials which are materials whose properties can be modified through specific stimuli like heat, light, temperature, electric and magnetic fields and so on. The work follows two different paths: on one side it’s shown the attempt to synthesize an innovative material for coating application from conventional monomers or prepolymers, with a purely light induced self-healing property, based on photoreversible cycloaddition of coumarin and anthracene. On the other side it is presented a new material for 3D printing applications that displays both self-healing behaviour triggered by heat, due to the presence of UPy moieties, and shape memory effect, thanks to polycaprolactone with Mn=10000g/mol.

Questo lavoro di tesi si pone due obiettivi: la sintesi di un materiale che possa essere utilizzato come coating e che sia in grado di autoripararsi, in seguito ad eventuali danni, grazie all’azione combinata delle radiazioni UV-A e UV-C; un materiale in grado di autoripararsi grazie all’effetto del calore, che possieda memoria di forma e che possa essere stampato mediante DLP (Digital Light Processing). Nella prima parte di questo lavoro sono introdotti i principali temi trattati: vengono illustrati i principi chimici e fisici alla base dell’autoriparazione, la differenza tra meccanismo intrinseco ed estrinseco e il ruolo svolto sia dalla radiazione UV-A e UV-C che dal calore nell’innescare questo comportamento. Sono stati poi presi in considerazione alcuni sistemi presenti in letteratura a base di cumarina e antracene come gruppi fotoattivi e alcuni sistemi che autoriparano grazie alla presenza del gruppo UPy e all’effetto del calore. Seguono una spiegazione del comportamento di memoria di forma con alcuni esempi di applicazioni tratti dalla letteratura e una descrizione delle diverse tecnologie su cui si basa la manifattura additiva e di come avviene il processo di produzione. Nella seconda parte di questo lavoro vengono elencati i diversi materiali utilizzati, le procedure seguite e le tecniche di caratterizzazione sfruttate per indagare le proprietà dei materiali sintetizzati nei due diversi casi di studio. Nel progetto riguardante l’autoriparazione innescata da radiazione UV sono stati sintetizzati copolimeri a base di cumarina metacrilata e laurile metacrilato e polimeri ottenuti mediante funzionalizzazione di un poliisocianato sia con un derivato della cumarina (utilizzato anche nel caso precedente) che con antracene. Sono stati in seguito effettuati studi cinetici per ciascun materiale sintetizzato in modo da individuare il tempo necessario a raggiungere il massimo grado di reticolazione e dereticolazione. A questo punto i vari materiali sono stati deposti su vetrini e reticolati mediante esposizione alla radiazione UV-A per il tempo determinato dalla cinetica. Mediante un bisturi sono stati effettuati dei tagli e osservati con un microscopio ottico. Dopo esposizione alla radiazione UV-C, che promuove la dereticolazione del sistema, e poi UV-A, i vetrini sono stati nuovamente osservati in modo da verificare il grado di riparazione raggiunto. Per quanto riguarda il secondo progetto, una volta stabilita la corretta formulazione della miscela in modo da massimizzarne il comportamento autoriparante, dovuto alla presenza del gruppo UPy, e di memoria di forma, determinato dal policaprolattone con peso molecolare pari a 10000g/mol, sono stati realizzati dei provini mediante casting. Alcuni di questi sono stati danneggiati e successivamente riparati mediante trattamento termico. In seguito sono state effettuate prove meccaniche in modo da valutare l’influenza dell’autoriparazione sul modulo elastico e sul comportamento a rottura del materiale.