Two-dimensional and three-dimensional multifunctional polymeric systems

Pursuing multifunctionality and enhancing system-level efficiency have emerged as central themes in contemporary science and engineering, catalysing a paradigm shift in the design and performance of products and components. The growing significance of multifunctionality in the scientific and engineering landscape underscores the need for a deep understanding and rigorous exploration of these materials, structures, and instrumental processes in their realization. This doctoral thesis aims to conduct an in-depth examination of the benefits arising from the adoption of innovative production processes, such as wet-electrospinning and reactive melt processing, to establish correlations between structure, process, and properties. This involves comparing various processes and materials to achieve multifunctional structures in various engineering sectors. This study's primary focus is the development of hierarchical 2D and 3D multifunctional structures using different polymeric matrices, exploring their potential synergy with various carbonaceous and natural fillers used as catalysts to achieve multifunctionality. The multiple features of these multifunctional materials include mechanical, thermal, morphological, and chemical functionalities, which are examined as promising avenues for innovation and sustainable development. The study also delves into the impact of process control parameters, paying attention to improving production times and optimizing the protocols and conditions of the processes used. The crucial role of these multifunctional hierarchical structures has been highlighted, with applications in water purification from various pollutants and the potential development of sensors for monitoring them. Additionally, the potential of multifunctional polymeric composite materials has been investigated through alternative fillers, such as natural waste and lignin. The aim is to compare carbonaceous and natural particles in the chosen application fields. From this perspective, the natural waste’s valorisation for producing eco-friendly materials with multifunctional properties could allow the production of complex and sustainable structures in full compliance with the circular economy principles. Through a comprehensive review of the state of the art and an outline of future research directions, the aim is to contribute to opening new paths of research and innovation in the scientific and engineering fields, envisioning a future where multifunctional materials and structures will drive us towards greater sustainability and efficiency across various sectors.

La ricerca della multifunzionalità e il miglioramento dell'efficienza a livello di sistema sono emersi come temi centrali nella scienza e nell'ingegneria contemporanea, catalizzando un cambiamento di paradigma nella progettazione e nelle prestazioni di prodotti e componenti. La crescente importanza della multifunzionalità nel panorama scientifico e ingegneristico sottolinea la necessità di una profonda comprensione e un'esplorazione rigorosa di questi materiali, strutture e processi strumentali nella loro realizzazione. Questa tesi di dottorato mira a condurre un esame approfondito dei benefici derivanti dall'adozione di processi di produzione innovativi, come l'elettrofilatura a umido e il processo di fusione reattiva, per stabilire correlazioni tra struttura, processo e proprietà. Ciò comporta il confronto tra vari processi e materiali per ottenere strutture multifunzionali in vari settori dell'ingegneria. L'obiettivo principale di questo studio è lo sviluppo di strutture multifunzionali gerarchiche 2D e 3D utilizzando diverse matrici polimeriche, esplorando la loro sinergia potenziale con vari riempitivi carboniosi e naturali utilizzati come catalizzatori per ottenere la multifunzionalità. Le molteplici caratteristiche di questi materiali multifunzionali includono funzionalità meccaniche, termiche, morfologiche e chimiche, che vengono esaminate come vie promettenti per l'innovazione e lo sviluppo sostenibile. Lo studio si addentra anche nell'impatto dei parametri di controllo del processo, ponendo attenzione al miglioramento dei tempi di produzione e all'ottimizzazione dei protocolli e delle condizioni dei processi utilizzati. È stato evidenziato il ruolo cruciale di queste strutture gerarchiche multifunzionali, con applicazioni nella purificazione dell'acqua da vari inquinanti e nello sviluppo potenziale di sensori per il loro monitoraggio. Inoltre, è stata indagata la potenzialità dei materiali compositi polimerici multifunzionali attraverso riempitivi alternativi, come i rifiuti naturali e la lignina. L'obiettivo è confrontare particelle carboniose e naturali nei campi di applicazione scelti. Da questa prospettiva, la valorizzazione dei rifiuti naturali per la produzione di materiali eco-compatibili con proprietà multifunzionali potrebbe consentire la produzione di strutture complesse e sostenibili in piena conformità con i principi dell'economia circolare. Attraverso una revisione completa dello stato dell'arte e una delineazione delle future direzioni di ricerca, l'obiettivo è contribuire ad aprire nuovi percorsi di ricerca e innovazione nei campi scientifico e ingegneristico, immaginando un futuro in cui materiali e strutture multifunzionali ci guideranno verso una maggiore sostenibilità ed efficienza in vari settori.