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Nanomateriali nellIndustria della Gomma: l'esperienza Pirelli Dr. Luca Giannini Pirelli Tyre SpA Nanotecnologie: nuovi sviluppi nell'ambito della filiera.

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Presentazione sul tema: "Nanomateriali nellIndustria della Gomma: l'esperienza Pirelli Dr. Luca Giannini Pirelli Tyre SpA Nanotecnologie: nuovi sviluppi nell'ambito della filiera."— Transcript della presentazione:

1 Nanomateriali nellIndustria della Gomma: l'esperienza Pirelli Dr. Luca Giannini Pirelli Tyre SpA Nanotecnologie: nuovi sviluppi nell'ambito della filiera Automotive ANFIA - 14 aprile 2010 – Torino

2 Outline Pirelli Tyre Nanotecnologia e Nanomateriali Attività di Standardizzazione e Normativa Nanomateriali come Filler Funzionali nella Gomma Mescole rinforzate con Nanomateriali Lamellari

3 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino Pirelli Tyre Global Demands on Tyre performance, environment, legislation will be challenging in next years Innovation in materials, design and manufacturing will continue to bring advances in Tyre technology Tyre is a complex product, still technologically evolving

4 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino NANO-TECHNOLOGY NANO-MATERIALS PRODUCT OPPORTUNITIES Nanotecnologia e Nanomateriali

5 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino Nanotecnologia e Nanomateriali Definitions Nanoscale: The size range typically between 1 nm and 100 nm. Nanomaterial: Material which is either a nano-object or is nanostructured. Nano-object: material confined in one, two, or three dimensions at the nanoscale. Nanostructured: having an internal or surface structure at the nanoscale. source: ISO/TS 27687:2008, ISO and OECD working definitions MAIN DEFINITIONS FOCUS IS ON SIZE

6 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino Film nanostrutturato Nano-oggetti Dispersione Assemblati (solidi nanostrutturati) La maggioranza dei nanomateriali non esistono come particelle singole, bensì combinati in una matrice o comunque come aggregati o agglomerati di dimensione maggiore. nanotubo nanoparticelle Alcuni prodotti consolidati ricadono nellambito della definizione di Nanomateriali: filler attivi per gomma e plastica, pigmenti, materiali assorbenti, alcuni materiali cementizi, supporti di catalizzatori,... coating e superfici caratterizzati da spessori inferiori ai 100 nm (elettronica). La maggior parte di questi nanomateriali consolidati hanno minime possibilità di rilascio di nano­oggetti nel loro ciclo di vita. Nanotecnologia e Nanomateriali

7 7 ALTA AREA SUPERFICIALE NANOMATERIALI Nanostrutturati Nano-Oggetti VECCHI Nanomateriali Nero di Carbonio, Silice Amorfa, Catalizzatori... NUOVI Nanomateriali Quantum Dots, Nanotubi, Fullereni,... MATERIALI FATTI DI PARTICELLE PICCOLE MATERIALI CON STRUTTURA FINE (es. POROSITA) Nanotecnologia e Nanomateriali

8 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino Attività di Standardizzazione e Normativa OECD – WPMN (Working Party on Manufactured Nanomaterials) project 1: development of an OECD database on EHS research project 3: safety testing of a representative set of manufactured nanomaterials (including Carbon Black" and Silicon Dioxide) project 4: manufactured nanomaterials and test guidelines ISO TC-229 Nanotechnologies WG 1 Terminology and Nomenclature WG 2 Measurement and characterization WG 3 Health, safety and environment Scope: The development of science-based standards in the areas of health, safety, and environmental aspects of nanotechnologies CEN/TC 352 Nanotechnologies ISO TC 146/SC 2 Air Quality: Workplace Atmospheres ASTM E56 Nanotechnology Standardization Overview Details on ISO-CEN Documents

9 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino nm nm Å Pellet 2 mm Standard Rubber Fillers: Carbon Black CAS: Production Volume: 9 x 10 9 Kg/yr Nanomateriali come Filler nella Gomma

10 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino Nanomateriali come Filler nella Gomma Amorphous precipitated silica consists of a 3D network of coagulated primary silica particles forming aggregates and agglomerates. Macroscopically Silica is compacted in particles of typically hundreds of microns Pellet Agglomerate Aggregate Volume > 1, Kg/yr Standard Rubber Fillers: Precipitated Silica CAS:

11 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino Carbon Black and Precipitated Silica consist of primary particles typically smaller than 100 nm – surface area >60m 2 /g: they belong than to the family of Nanomaterials As primary particles of Carbon Black and Silica are strongly bound into aggregates and agglomerates, they shall be classified as Nanostructured Materials Nanomateriali come Filler nella Gomma

12 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino LOW HYSTERESIS AT HIGH TEMP HIGH MODULUS COMPOUND DIFFERENT REINFORCING MECHANISM + BARRIER HIGH IMPERMEABLE LINER REDUCED ROLLING RESISTANCE BETTER DRY HANDLING HIGHER DURABILITY REDUCED WEIGHT REDUCED ROLLING RESISTANCE [new] NANO MATERIALS (FILLERS) Nanomateriali come Filler nella Gomma

13 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino Overview of [new] Nanomaterials Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes (POSS) Nano Oxides (Silica, Allumina) Carbon Nano Fibers (CNF) Carbon Nano Tubes (SWNT & MWNT) Lamellar Nanomaterials e.g. Montmorillonite Clay (MMT) Graphene (delaminated Graphite) Advanced Fillers for Potential Compound Reinforcement Pirelli Developments Nanomateriali come Filler nella Gomma

14 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino Organically Modified Clays used for reinforcement of Structural Compounds Mescole con Nanomateriali Lamellari

15 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino FILLER BASE UNIT LAMELLAR NANOMATERIAL (ORGANO)CLAY CARBON BLACK and SILICA SPHERE diameter: nm Surface Area (m 2 /g) > 300 on exfoliation > 50 Aspect Ratio lateral dimension Thickness (Organo)Clays vs. Carbon Black and Silica Mescole con Nanomateriali Lamellari SIDE: 100 – 1000 nm thickness: 1 nm SILICATE LAYER Ammonium Salt Compatibiliser

16 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino Science Base: Organoclays Nano-Dispersion Mechanisms Ref.: Galimberti M., Lostritto A., Spatola A., Guerra G., Chemistry of Materials, 2007, 19, 2495 – 2499 Organoclay + Rubber Intercalated PRIOR ART – Standard Model of Rubber-Clay Nanocomposites EXFOLIATED Organoclay + Rubber Intercalated EXFOLIATED OUR VIEW – NEW Model of Rubber- Clay Nanocomposites Mescole con Nanomateriali Lamellari

17 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino Hysteresis Thermoplasticity Dynamic Behaviour of Exfoliated Organoclay in Rubber Mescole con Nanomateriali Lamellari

18 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino Rubber – Platelet shaped Filler COMPOSITE at the nano scale Natural Rubber: cis-1,4-polyisoprene 1 nm Aluminosilicate sheets 1 nm thick x nm wide Compatibilised by NR 4 + (section view) High ReinforcementNano-Dispersion RUBBER-CLAY NANOCOMPOSITES Mescole con Nanomateriali Lamellari

19 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino P ZERO Base Compounds: Aramid Pulp and Nanobase (Nano.Co) Anisotropic behavior: high strength in longitudinal direction Isotropic behavior: equal performance in longitudinal and lateral directions Aramid Pulp Short Fibers Nanobase Lamellar Nanomaterial Better Trade-off Handling/Comfort Higher Stiffness No Decay Thermoplastic stability Mescole con Nanomateriali Lamellari

20 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino Domande? Grazie a tutti per lattenzione

21 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino

22 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino CEN ISO/TS 13830: Guide to labelling of manufactured nanoparticles and products containing manufactured nanoparticles ISO TC229 ISO/AWI TS : Guide to safe handling and disposal of manufactured nanomaterials ISO-TC 229 ISO/NP TS : Guidelines for occupational risk management applied to engineered nanomaterials based on a "control banding approach ISO-TC 229 ISO/AWI TS : Nomenclature of nanostructured materials ISO/TS 27687:2008: Nanotechnologies - Terminology and definitions for nano-objects - Nanoparticle, nanofibre and nanoplate (PUBLISHED) Standardization: Some Detail Attività di Standardizzazione e Normativa Return

23 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino Impending Regulations in Europe EU commission position: REGULATORY ASPECTS OF NANOMATERIALS [SEC(2008) 2036] Current legislation applies also to nanomaterials Implementation in relation to risk assessment, need to be reviewed to effectively address risks associated with nanomaterials Attività di Standardizzazione e Normativa EU parliament position (24/04/09) 11. Calls specifically on the Commission to evaluate the need to review REACH concerning inter alia: – consideration of all nanomaterials as new substances, –a chemical safety report with exposure assessment for all registered nanomaterials, –notification requirements for all nanomaterials placed on the market on their own, in preparations or in articles; 16. Calls on the Commission to compile before June 2011 an inventory of the different types and uses of nanomaterials on the European market,...; furthermore calls on the Commission to report on the safety of these nanomaterials at the same time;

24 - CLP(1) : richiede la classificazione e l'etichettatura delle sostanze pericolose e delle loro forme, incluse quelle nano, e la trasmissione delle informazioni a ECHA entro il 3/01/ REACH (2) : richiede che i produttori, gli importatori e gli utilizzatori delle sostanze messe sul mercato in Europa forniscano a ECHA una serie di dati relativi alla pericolosità delle sostanze, registrando le stesse, in tutte le forme rilevanti, incluse quelle nano, tra il 2010 e il (1) Classification, Labelling and Packaging of substances and mixtures (EC Regulation 1272/2008) (2) Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals (EC Regulation 1907/2006) Attività di Standardizzazione e Normativa

25 Scenari e Criticità : (fonte: Information from Industry on Applied Nanomaterials and their Safety – deliverable 1 prepared for EC-DG Environment by Milieu-RPA - september 2009) 1) Nanomateriali standard GIA' STATI REGISTRATI (Carbon Black, Silice Amorfa) o lo saranno entro il ) Nanomateriali CONSIDERATI FORME DI SOSTANZE DI GRANDE VOLUME (Ag, C, ZnO, TiO2, Au) dovrebbero essere inclusi nei dossier di registrazione delle rispettive sostanze di bulk, attesi per il 2010 (>1000 ton/anno) 3) Nanomateriali considerati come non phase-in, vale a dire nuove sostanze devono essere registrate se introdotte sul mercato da 06/2008 in >1 ton/anno 4) Nanomateriali considerati come phase-in, cioè sostanze esistenti, e presenti sul mercato tra 1 e 100 ton/anno, saranno registrati solo entro il 2018 (salvo se già considerati pericolosi) 5) Nanomateriali polimerici sono al momento esenti Attività di Standardizzazione e Normativa Return

26 Luca Giannini - Pirelli Tyre S.p.A. – Nanomateriali e la Gomma: l'esperienza Pirelli– ANFIA Torino Potenziali Criticità HSE dei Nanomateriali Nanostructured materials consisting of aggregates and agglomerates much larger than 100 nm might not pose HSE risks associated to the nanoscale (SCENHIR 21-22/6/ 2007) The HSE risk of Nanomaterials as a function of their nanoscale derives from their potential to enter cells. Lamellar nanomaterials, featuring only ONE dimension at the nanoscale, are not likely to penetrate cells and might not pose HSE risks associated to the nanoscale (SCENHIR /6/ 2007)


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