Design of Experiments (DoE) applicato al processing di biocompositi = Design of Experiments (DoE) applied to processing of biocomposites

Le attuali preoccupazioni ambientali legate all’utilizzo di materie plastiche di origine petrolchimica hanno orientato l’interesse della ricerca scientifica allo sviluppo di nuovi materiali sostenibili. L’utilizzo di filler cellulosici per rinforzare matrici polimeriche di origine naturale ha mostrato interessanti potenzialità, quali ampia disponibilità delle risorse, biodegradabilità del materiale e un miglioramento delle proprietà di barriera, meccaniche e reologiche del composito. In questo elaborato si vuole applicare la tecnica statistica del Design of Experiments (DoE) per studiare le proprietà di materiali compositi formati da una matrice polimerica biobased rinforzata con filler cellulosici. Il DoE è una tecnica statistica che si occupa della pianificazione, progettazione e analisi di esperimenti. Tale tecnica consente di valutare l’influenza di un numero elevato di parametri (fattori) sulle proprietà di interesse (risposte) effettuando un numero ridotto di esperimenti, abbreviando così i tempi di ottimizzazione di un processo e diminuendo i costi complessivi. L’elaborato è suddiviso principalmente in due parti. Dopo un’introduzione sulla tecnica del Design of experiments, la prima parte riguarda la replica di alcuni DoE di letteratura, utile a verificare l’impostazione della tecnica statistica e ad esaminare le possibili problematiche riscontrate. A tal proposito sono stati individuati in letteratura tre studi in cui è stata applicata la tecnica di Design of Experiments per valutare l’ottimizzazione di un processo e per lo sviluppo di nuovi compositi con filler cellulosici. La seconda parte del lavoro, di ordine sperimentale, mira tramite l’applicazione della tecnica statistica del DoE a studiare le proprietà di barriera e la frazione insolubile di compositi biobased costituito da un lattice biobased a base di eugenolo rinforzato con microfibrille di cellulosa (MFC), reticolato con un processo fotoindotto. Per la realizzazione dei film sono state utilizzate delle MFC commerciali e un copolimero costituito da etossi-diidroeugenil-metacrilato (EDMA) e cumarina, in forma di lattice. I compositi sono stati sottoposti ad irraggiamento con luce UVA per indurre il processo di foto-dimerizzazione della cumarina. Il design scelto per il DoE è un Fractional Factorial Design con frazione 1/2, costituito da 4 fattori che variano su due livelli. I fattori considerati sono: % di cellulosa, % di cumarina nel copolimero, intensità di irraggiamento UVA e tempo di irraggiamento. Le risposte prese in esame sono la permeabilità all’ossigeno e la frazione insolubile dei compositi. È inoltre stata inserita una replica del piano sperimentale per ridurre il rumore dovuto alla variabilità del processo e all’errore sperimentale. Il numero totale di campioni realizzati è dunque pari a 16. Attraverso il software MINITAB sono stati analizzati i risultati ottenuti, identificando così i fattori che hanno un’influenza significativa sulle proprietà esaminate.