IT201800007450A1

IT201800007450A1 - Materiale composito elettricamente conduttivo a base di cellulosa

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Publication number: IT201800007450A1
Application number: IT102018000007450A
Authority: IT
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2020-01-23
Also published as: US20210309872A1; US11767439B2; EP3827446B1; EP3827446A1; WO2020021413A1

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo:

“Materiale composito elettricamente conduttivo a base di cellulosa”

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Campo dell’invenzione

La presente descrizione si riferisce a materiali compositi a base di cellulosa elettricamente conduttivi. Una o più forme di realizzazione possono riguardare, per esempio, materiali compositi a base di cellulosa flessibili biodegradabili adatti ad essere impiegati in dispositivi elettronici.

Sfondo dell’invenzione

Le tecnologie elettroniche sono diffuse in molti aspetti della vita umana. La rapida obsolescenza degli apparecchi elettrici esistenti e la progettazione di nuovi dispositivi con prestazioni aumentate aumentano drasticamente le vendite di apparecchi elettrici. Questa straordinaria velocità di innovazione produce importanti problemi sociali e industriali quando i vecchi dispositivi elettronici devono essere buttati via. In verità, nel 2018 si prevede di produrre 50 milioni di tonnellate di rifiuti elettronici (e-waste). I componenti elettrici, che non sono biodegradabili, hanno sostanze pericolose per l’ambiente, come metalli pesanti, ritardanti di fiamma bromurati e molecole polialogenate, che possono essere rilasciate nell’ambiente. Pertanto, la corretta gestione dei rifiuti elettronici deve essere regolata dalla legge nella maggior parte dei paesi sviluppati e l’innovazione nella progettazione e nei materiali per l’elettronica deve perseguire la sostenibilità.

Le nuove applicazioni per dispositivi elettronici, come elettronica indossabile e Internet degli Oggetti, dovrebbero aumentare l’uso dell’elettronica e, di conseguenza, dei suoi rifiuti. Queste nuove applicazioni richiederanno anche nuove proprietà come flessibilità, conformabilità e smaltimento sicuro. La continua crescita della domanda di energia ha fatto sorgere la necessità di materiali elettronici flessibili e adattabili per rendere tali tecnologie autoalimentate mediante generazione o raccolta di energia elettrica. Per la maggior parte i componenti elettronici sono realizzati con materiali inorganici voluminosi, rigidi, di lunga durata e, talvolta, rari. D’altra parte, molti materiali organici abbondanti in natura si sono dimostrati biodegradabili, flessibili, biocompatibili, leggeri e a basso costo. Di conseguenza, l’uso di questi componenti “verdi” per produrre un’elettronica sostenibile e flessibile ha stimolato la crescita della ricerca al fine di soddisfare i rigorosi requisiti dell’elettronica portatile, facilitando molto, al contempo, la gestione dei rifiuti elettronici. In tale prospettiva, i materiali vegetali mostrano i vantaggi chimici e strutturali necessari per soddisfare le esigenze del crescente mercato dell’elettronica. Ciò rende la funzionalizzazione di componenti di origine vegetale con nanomateriali conduttivi un modo fattibile per indurre la conduttività elettrica in tali materiali. Questo approccio è stato parzialmente utilizzato altrove con la modifica di cellulosa di origine vegetale mediante l’aggiunta di nanoparticelle conduttive. In ogni caso, questa funzionalizzazione è stata spesso realizzata con materiali a base di metallo e/o inorganici e senza l’impiego di un legante che prevenga problemi di adesione per un sistema inorganico e un sistema non di origine vegetale. In verità, la corretta interazione tra il nanomateriale conduttivo e le fibre di cellulosa assicura resistenza meccanica e durabilità. In questo senso, un nanocomposito a base di materiali di origine vegetale funzionalizzato con nanoparticelle conduttive potrebbe costituire un procedimento intelligente per sfruttare il vantaggio dei materiali organici e per costruire dispositivi sostenibili e flessibili. In effetti, le piante sono naturali e biodegradabili e presentano proprietà meccaniche eccezionali (per es. flessibilità e leggerezza). Per la prima volta, un tale approccio può essere chiamato “Plant-e-tronics”, ovvero elettronica flessibile sostenibile basata su materiali di origine vegetale.

La pubblicazione scientifica Cataldi et al., “Foldable Conductive Cellulose Fiber Network Modified by Graphene Nanoplatelet-Bio-Based Composites” Advanced Electronic Materials (2015), 1, 1500224:1-8, descrive un procedimento per produrre un composito pieghevole comprendente una matrice biodegradabile di origine vegetale.

Tuttavia, sono ancora necessarie soluzioni tecniche migliorate per fornire materiali compositi biodegradabili conduttivi flessibili e stabili.

Sintesi dell’invenzione

Lo scopo della presente descrizione è quello di fornire un materiale composito a base di cellulosa biodegradabile, versatile, flessibile, robusto, a basso costo e facilmente smaltibile impregnato con un inchiostro conduttivo comprendente un materiale elettricamente conduttivo adatto ad essere impiegato in diverse applicazioni, dalla schermatura EMI ad antenne, celle fotovoltaiche e infine elettronica pieghevole e indossabile.

Il suddetto scopo viene raggiunto grazie all’oggetto richiamato specificamente nelle rivendicazioni che seguono, intese come parte integrante della presente descrizione.

La presente descrizione fornisce un materiale composito a base di cellulosa comprendente un materiale elettricamente conduttivo disperso in una matrice comprendente almeno una proteina di origine vegetale e un polimero di acido aleuritico, detto materiale composito a base di cellulosa essendo ottenibile mediante un procedimento comprendente la fase di:

- disciogliere almeno una proteina di origine vegetale e acido aleuritico in una soluzione di dissoluzione per ottenere una prima miscela,

- disperdere un materiale elettricamente conduttivo in detta prima miscela per ottenere un inchiostro conduttivo, - distribuire detto inchiostro conduttivo su almeno un lato di un substrato di cellulosa per ottenere un substrato di cellulosa rivestito,

- pressare a caldo detto substrato di cellulosa rivestito per ottenere i) impregnazione del substrato di cellulosa con detto inchiostro conduttivo e ii) polimerizzazione dell’acido aleuritico.

Il materiale composito a base di cellulosa così ottenuto è quindi impregnato con l’inchiostro conduttivo comprendente un materiale elettricamente conduttivo disperso in una matrice comprendente almeno una proteina di origine vegetale e un polimero di acido aleuritico.

In una o più forme di realizzazione, l’almeno una proteina di origine vegetale viene scelta tra gliadina e zeina. In una forma di realizzazione preferita, la proteina di origine vegetale è zeina.

L’almeno una proteina di origine vegetale, preferibilmente la zeina, è presente nella soluzione di dissoluzione in una quantità compresa tra il 50% e il 75% in peso, preferibilmente tra il 50% e il 60%, più preferibilmente il 55% della quantità totale dell’almeno una proteina di origine vegetale più acido aleuritico.

L’acido aluritico, un acido grasso poliidrossilato presente in natura, è presente nella soluzione di dissoluzione in una quantità compresa tra il 25 e il 50% in peso, preferibilmente tra il 40 e il 50%, più preferibilmente il 45% della quantità totale dell’almeno una proteina di origine vegetale più acido aleuritico.

In una o più forme di realizzazione, il materiale elettricamente conduttivo, comprendente preferibilmente nanopiastrine di grafene, viene disperso nella soluzione di dissoluzione in una quantità compresa tra il 2 e il 40% in peso, preferibilmente tra il 30 e il 40%, più preferibilmente il 30% della quantità totale dell’almeno una proteina di origine vegetale più acido aleuritico per ottenere un inchiostro conduttivo.

In una o più forme di realizzazione, la pressatura a caldo viene effettuata ad una temperatura compresa tra 160 e 200°C, preferibilmente a 190°C.

In una o più forme di realizzazione, la pressatura a caldo viene effettuata a una pressione compresa tra 5 e 20 bar, preferibilmente tra 10 e 20 bar, più preferibilmente a 20 bar.

Breve descrizione dei disegni

Una o più forme di realizzazione verranno ora descritte, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, in cui:

Figura 1: a) Schema di preparazione del composito a base di cellulosa comprendente materiale elettricamente conduttivo secondo forme di realizzazione della presente descrizione. Da sinistra a destra, inchiostro conduttivo, rivestimento a spruzzo e impregnazione assistita da pressatura a caldo. b) Immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) della morfologia di una rete di cellulosa nuda con la relativa fotografia nel riquadro. Topografia SEM (c) di un composito a base di cellulosa comprendente GnP con la relativa fotografia nel riquadro. d) ed e) Sezioni SEM dei campioni mostrati rispettivamente in b) e c).

Figura 2: Spettri ATR-FTIR del substrato (cellulosa), e dei compositi “cellulosa più acido aleuritico”, “cellulosa più zeina” e “cellulosa più acido aleuritico più zeina”.

Sono incluse le assegnazioni per la cellulosa (nero), il polimero di acido aleuritico e la zeina. B, confronto di campioni di “cellulosa zeina” e “cellulosa acido aleuritico zeina” nel range spettrale di 1800-1480 cm<-1>. Sono incluse le assegnazioni per il polimero cutina-simile e la zeina. C, rappresentazione schematica molecolare delle interazioni tra il polimero di acido aleuritico e la cellulosa e la zeina.

Figura 3: A, dati di richiesta biologica di ossigeno di cellulosa, cellulosa con zeina e polialeuritato (AC_Zeina) e composito a base di cellulosa secondo le forme di realizzazione della presente descrizione (“Plant-etronics_30”, nella figura). B, perdita di peso per i diversi campioni dopo le prove di BOD.

Figura 4: Curve tensione-deformazione della cellulosa pura, del composito a base di cellulosa secondo forme di realizzazione della presente descrizione (“Plant-etronics_30”) e del composito a base di cellulosa comprendente zeina e polialeuritato (“AC_Zeina”).

Figura 5: Misurazioni con telecamera a infrarossi di cellulose pura e composito a base di cellulosa secondo le forme di realizzazione della presente descrizione (“Plante-tronics_30”). A sinistra, temperature dei campioni in funzione del tempo. A destra, immagini della telecamera a infrarossi a 55s.

Figura 6: a) Schema del meccanismo di schermatura EMI. b) Caratteristiche di schermatura EMI in Terahertz dei biocompositi in termini di trasmittanza dipendente dalla frequenza. Cel e Pol rappresentano la cellulosa pura e il substrato fibroso modificato rispettivamente con Zeina e AC.

Figura 7: a) Schema della fabbricazione mediante taglio laser della parte conduttiva dell’antenna. b) Vista dall’alto dell’antenna e impostazione sperimentale. c) Perdita di ritorno misurata dell’antenna Plant-e-tronics e dell’antenna commerciale. d) Sistema di riferimento per le misurazioni del diagramma di radiazione. e) Diagramma di radiazione dell’antenna formata da componenti di origine vegetale a 1,73 GHz nel piano H ed E. La linea continua rappresenta la scala DB.

Figura 8: a) A sinistra: schema della struttura multistrato di una cella solare polimerica ottenuta totalmente per spruzzatura. A destra: fotografia dei dispositivi ottenuti. b) Caratteristica J-V del dispositivo migliore e tabella con la sintesi dei parametri elettrici della cella fotovoltaica.

Descrizione dettagliata dell’invenzione

Nella seguente descrizione, vengono forniti numerosi dettagli specifici per fornire una comprensione approfondita delle forme di realizzazione. Le forme di realizzazione possono essere messe in pratica senza uno o più dettagli specifici, o con altri procedimenti, componenti, materiali, ecc. In altri casi, strutture, materiali od operazioni ben noti non sono mostrati o descritti in dettaglio per evitare di confondere aspetti delle forme di realizzazione.

Il riferimento in tutta la presente descrizione a “una (aggettivo numerale) forma di realizzazione” o “una (articolo indeterminativo) forma di realizzazione” indica che un/una particolare aspetto, struttura o caratteristica descritto/descritta in relazione alla forma di realizzazione è incluso/inclusa in almeno una forma di realizzazione. Pertanto, le forme delle espressioni “in una (aggettivo numerale) forma di realizzazione” o “in una (articolo indeterminativo) forma di realizzazione” in vari punti in tutta la presente descrizione non sono necessariamente tutte riferite alla stessa forma di realizzazione. Inoltre, i/le particolari aspetti, strutture o caratteristiche possono essere combinati/combinate in qualsiasi modo adatto in una o più forme di realizzazione.

Le intestazioni qui fornite servono solo per comodità e non interpretano l’ambito o lo scopo delle forme di realizzazione.

La presente descrizione riguarda il campo dei biomateriali conduttivi pieghevoli adatti per essere impiegati in diversi dispositivi elettronici flessibili.

La presente descrizione fornisce un materiale composito a base di cellulosa comprendente un substrato di cellulosa impregnato con un materiale elettricamente conduttivo disperso in una matrice comprendente almeno una proteina di origine vegetale e un polimero di acido aleuritico (polialeuritato).

I materiali elettricamente conduttivi possono essere generalmente utilizzati per indurre conduttività elettrica, per esempio su substrati flessibili. Tra questi, le nanocariche organiche a base di carbonio sono particolarmente promettenti alla luce della loro stupefacente mescolanza di diverse proprietà, cioè alta conduzione elettrica e termica, leggerezza e flessibilità.

Il materiale elettricamente conduttivo contenuto nel composito a base di cellulosa qui descritto può essere selezionato nel gruppo costituito da: nanopiastrine di grafene (graphene nanoplatelets), nanofibra di carbonio, nanotubo di carbonio, nerofumo, nanoparticelle d’argento, nanoparticelle d’oro, nanoparticelle di alluminio e loro miscele.

In una o più forme di realizzazione, il materiale elettricamente conduttivo contenuto nel composito a base di cellulosa qui descritto è costituito da nanopiastrine di grafene (GnP).

Le nanopiastrine di grafene sono una carica a base di carbonio con proprietà elettriche migliorate. Un altro vantaggio legato all’uso di GnP è che si tratta di un materiale a basso costo rispetto ad altri nanomateriali a base di carbonio.

Le nanopiastrine di grafene adatte per essere utilizzate nel composito qui descritto possono avere una dimensione laterale compresa tra 1 e 30�m, preferibilmente tra 5 e 20�m.

Il materiale elettricamente conduttivo, preferibilmente costituito da nanopiastrine di grafene, viene disperso in una matrice comprendente almeno una proteina di origine vegetale, preferibilmente scelta tra zeina e gliadina, e un polimero di acido aleuritico, cioè un acido grasso poliidrossilato presente in natura.

Tra le proteine di origine vegetale, le proteine derivate dal mais sono molto interessanti considerando l’evidenza che, a livello mondiale, tra le colture agricole, il mais è il cereale con la produzione più alta. In particolare, la zeina è una proteina derivata dal mais diffusa nei prodotti da forno e in applicazioni di imballaggio/sicurezza alimentare; questa proteina è quindi ampiamente disponibile, rinnovabile e biodegradabile.

Un inconveniente legato all’uso della zeina in una applicazione che richiede particolari prestazioni meccaniche può essere legato alla sua intrinseca rigidità e alla necessità di utilizzare plastificanti in combinazione con essa.

Gli Inventori della presente domanda hanno sorprendentemente trovato che una specifica combinazione di zeina con un polimero di acido aleuritico consente di ottenere un composito flessibile senza la necessità di utilizzare plastificanti.

L’acido aleuritico (acido 9,10,16-triidrossiesadecoico) è un acido grasso poliidrossilato presente in natura. L’acido aluritico è una materia prima accessibile e rinnovabile per i poliidrossiesteri a catena lunga sintetici, essendo isolato da shellac, resina gommalacca naturale.

Il polimero derivato dalla polimerizzazione dell’acido 9,10,16-triidrossiesadecoico (acido aleuritico; AC) è generalmente noto come polialeuritato.

Il polialeuritato è un poliestere cutina-simile che può essere sintetizzato mediante policondensazione a fusione non catalizzata enzimatica, in emulsione, o senza solvente, come descritto in Bentez et al., (2015) “Polyhydroxyester films obtained by non-catalyzed melt-polycondensation of natural occurring fatty polyhydroxyacids”, Frontiers in Materials 2, 59 https://doi.org/10.3389/fmats.2015.00059 e in Heredia-Guerrero, et al., (2017) “All-Natural Sustainable Packaging Materials Inspired by Plant Cuticles” Advanced Sustainable Systems 1600024(1) (1-9). L’ultimo approccio ha vantaggi ecologici dovuti al fatto che l’uso di catalizzatori e solventi è evitato e l’acqua è l’unico sottoprodotto derivato dalla reazione chimica.

Analogamente alla cutina delle piante (il biopoliestere che copre e protegge l’epidermide delle parti aeree delle piante come foglie, frutti, petali e steli non lignificati), il polialeuritato mostra elevate proprietà di impermeabilizzazione e barriera come pure una completa biodegradabilità in breve tempo.

Il composito a base di cellulosa qui descritto è ottenibile disciogliendo in primo luogo almeno una proteina di origine vegetale e acido aleuritico in una soluzione di dissoluzione.

La soluzione di dissoluzione può comprendere metanolo e cloroformio, preferibilmente in un rapporto di 1:1 (volume:volume).

In una o più forme di realizzazione, l’almeno una proteina di origine vegetale è presente nella soluzione di dissoluzione in una quantità compresa tra il 50 e il 75% in peso, preferibilmente tra il 50 e il 60%, più preferibilmente in una quantità del 55% della quantità totale dell’almeno una proteina di origine vegetale più acido aleuritico (AC).

In una o più forme di realizzazione, l’acido aleuritico è presente nella soluzione di dissoluzione in una quantità compresa tra il 25 e il 50% in peso, preferibilmente tra il 40 e il 50%, più preferibilmente in una quantità del 45% della quantità totale di almeno una proteina di origine vegetale più acido aleuritico.

Il materiale elettricamente conduttivo, preferibilmente costituito da nanopiastrine di grafene, viene disperso nella soluzione di dissoluzione in una quantità compresa tra il 2 e il 40% in peso, preferibilmente tra il 30 e il 40%, più preferibilmente il 30% della quantità totale dell’almeno una proteina di origine vegetale più acido aleuritico per ottenere un inchiostro conduttivo.

L’espressione “inchiostro conduttivo” indica un liquido colorato dotato di conduttività elettrica avente il materiale elettroconduttivo disperso al suo interno.

L’espressione “materiale composito a base di cellulosa” indica un materiale composito comprendente un substrato di cellulosa.

Il substrato di cellulosa può essere un substrato laminare o planare.

L’inchiostro conduttivo liquido viene quindi distribuito su almeno un lato di un substrato di cellulosa.

Il substrato di cellulosa può avere uno spessore compreso tra 30 e 100�m, preferibilmente tra 40 e 70�m.

L’inchiostro conduttivo può essere spruzzato sul substrato di cellulosa. Il rivestimento a spruzzo può essere realizzato, per esempio, usando pistole a spruzzo o aerografi noti nella tecnica.

La distanza tra l’erogatore utilizzato per la pistola a spruzzo e il substrato di cellulosa può essere compresa tra 10 e 20 cm.

In particolare, quando l’inchiostro conduttivo liquido è distribuito sul substrato di cellulosa usando una pistola a spruzzo, la distanza tra l’erogatore e il substrato di cellulosa può essere compresa tra 10 e 20 cm.

La pressione di alimentazione dell’inchiostro conduttivo liquido attraverso una pistola a spruzzo può essere compresa tra 0,8 e 3 bar, preferibilmente 2,0 bar per spruzzo a pressione.

Quando l’inchiostro conduttivo liquido viene distribuito sul substrato di cellulosa utilizzando un aerografo, la distanza tra l’erogatore e il substrato di cellulosa è compresa tra 15 e 18 cm. La pressione è compresa tra 0,8 e 3 bar, preferibilmente 2,0 bar.

Il substrato di cellulosa comprendente l’inchiostro conduttivo distribuito su di esso viene poi pressato a caldo per ottenere l’impregnazione del substrato di cellulosa con l’inchiostro conduttivo e la polimerizzazione dell’acido aleuritico in polialeuritato.

La pressatura a caldo può essere effettuata ad una temperatura compresa tra 160 e 200°C, preferibilmente a 190°C.

La pressatura a caldo può essere effettuata ad una pressione compresa tra 5 e 20 bar, preferibilmente tra 10 e 20 bar, più preferibilmente a 20 bar.

In una o più forme di realizzazione, il materiale composito a base di cellulosa comprende il materiale elettricamente conduttivo, preferibilmente costituito da GnP, in una percentuale in peso compresa tra l’1,5 e il 23% del composito comprendente cellulosa, l’almeno una proteina di origine vegetale, acido aleuritico, il materiale elettricamente conduttivo.

In una o più forme di realizzazione, la proteina di origine vegetale può essere presente in una quantità del 55% in peso, l’acido aleuritico può essere presente in una quantità del 45% in peso e le GnP possono essere presenti in una quantità del 30% in peso della quantità totale di zeina più acido aleuritico nella soluzione di dissoluzione.

Dopo la pressatura a caldo e quindi della polimerizzazione dell’acido aleuritico in polioleuritato, il polimero funge da matrice plastica per la dispersione elettricamente conduttiva.

Gli Inventori della presente domanda hanno anche dimostrato che la specifica combinazione di zeina e acido aleuritico (AC) fornisce un composito con la flessibilità più promettente. Il polimero di acido aleuritico, il polialeuritato, in particolare, funge da compatibilizzante tra la zeina e la cellulosa (come mostrato nella Figura 2).

Il composito a base di cellulosa qui descritto è privo di plastificanti. Inoltre, può essere ottenuto con un procedimento versatile e facile.

La proteina di origine vegetale, preferibilmente la zeina, e il monomero, l’acido aleuritico, sono usati in forma pura senza alcuna trasformazione preliminare in un prodotto sintetico.

Esempi

Materiali e Procedimenti

Substrati di cellulosa (circa 30-40 �m di spessore) sono stati acquistati dalla Korff (Articolo Numero 60285). La zeina è stata ottenuta dalla Sigma Aldrich (numero CAS 9010-66-6). L’acido aleuritico (acido 9,10,16-triidrossiesadecanoico, 98% di purezza secondo titolazione con NaOH) è stato acquistato dalla TCI Europe. Le nanopiastrine di grafene sono state gentilmente donate dalla Directa Plus (grado Ultra G+). Cloroformio e metanolo (grado analitico) sono stati acquistati dalla Sigma-Aldrich.

Produzione di composito a base di cellulosa La zeina e l’acido aleuritico (AC) sono stati disciolti in una soluzione e miscelati con GnP, come descritto nel seguito.

Zeina (0,5 g) e AC (0,4 g) sono stati disciolti in una soluzione di dissoluzione comprendente cloroformio e metanolo in un rapporto volumetrico pari a 1:1 (volume:volume) (volume totale 30 ml).

Nanopiastrine di grafene (0,3 g) sono state aggiunte alla soluzione di dissoluzione e disperse in modo omogeneo mediante punta di sonicazione (Sonics & Materials, Inc., Modello Numero VCX750, 750 W, 40% di ampiezza, 20 kHz, 3 volte per 30 s) ottenendo un inchiostro conduttivo.

4 ml dell’inchiostro conduttivo sono stati applicati come rivestimento mediante spruzzatura (2,0 bar, distanza 15-18 cm, Paasche Air Brush, USA) su entrambi i lati di campioni di substrato di cellulosa aventi una forma rettangolare con un’area superficiale di 15 cm<2>.

L’inchiostro conduttivo è stato applicato come rivestimento mediante spruzzatura su entrambi i lati dei campioni di substrato di cellulosa ottenendo campioni di substrato di cellulosa rivestiti.

I campioni di substrato di cellulosa rivestiti a spruzzo sono stati pressati a caldo utilizzando una pressa elettrica Specac-Atlas T8 per 20 minuti ad una temperatura di 190°C e ad una pressione di 20 bar.

La pressatura a caldo ha permesso di ottenere i) impregnazione dei substrati di cellulosa con l’inchiostro conduttivo e ii) polimerizzazione dell’acido aleuritico in poliestere poliureuritato.

Durante la procedura di stampaggio a caldo sono state utilizzate pellicole antiaderenti in teflon (Advent Research Material, Articolo Numero FP823338) per evitare l’adesione dei nanocompositi sulla piastra della pressa.

Dopo la pressatura a caldo e quindi la polimerizzazione dell’acido aleuritico, sia la zeina che il polimero fungevano da matrice plastica per le GnP. Il poliestere, in particolare, fungeva da compatibilizzante tra zeina e cellulosa.

Il composito a base di cellulosa ottenuto è stato testato come descritto di seguito e identificato nelle figure come “Plant-e-tronics_30”.

Sono state effettuate anche prove sperimentali, comparative (descritte in seguito) su:

i) campioni di substrati di cellulosa pura, pressata a caldo non trattata (campioni identificati come “Cellulosa” nelle figure),

ii) campioni di substrati di cellulosa pressata a caldo rivestiti con zeina e acido aleuritico (senza GnP) e identificati come “AC_Zeina” nelle figure.

Le immagini del microscopio elettronico a scansione (SEM) dei campioni preparati sono state acquisite mediante microscopio A JEOL (modello JSM-6490LA) funzionante a una tensione di accelerazione di 15 kV.

La Figura 1b e la Figura 1c mostrano rispettivamente un campione di un substrato di cellulosa non rivestito (non impregnato) e un composito ottenuto come descritto nella presente domanda.

Come si può comprendere osservando il riquadro di maggiore ingrandimento della figura 1b, la superficie del substrato di cellulosa appare biancastra. Al contrario, la superficie del composito ottenuto come descritto nella presente domanda appare significativamente più scura, a causa della presenza delle GnP disperse al suo interno (riquadro della Figura 1c).

Inoltre, la micro-morfologia è marcatamente diversa, la superficie del substrato non impregnato di cellulosa mostra una rete di fibre mentre la superficie del substrato del composito ottenuto come descritto appare più regolare e piatta. È interessante notare che, come mostrato nelle immagini in sezione trasversale delle Figure 1d e 1e, i substrati di cellulosa non rivestiti e rivestiti conservano approssimativamente lo stesso spessore (40 micron), il che indica che la maggior parte dell’inchiostro conduttivo è incorporata all’interno degli intrecci delle fibre.

Interazione chimica ad-hoc

I compositi a base di cellulosa sono stati chimicamente caratterizzati mediante ATR-FTIR (come mostrato nella Figura 2).

Le misurazioni a infrarossi dei campioni sono state ottenute con un accessorio ATR (MIRacle ATR, PIKE Technologies) accoppiato allo spettrometro FTIR (FT/IR-4100, JASCO). Tutti gli spettri sono stati registrati nel range da 3800 a 600 cm<-1 >con una risoluzione di 4 cm<-1>, accumulando 128 scansioni. In una misurazione tipica, il campione è stato posizionato delicatamente sul fascio di luce dell’accessorio ATR e lentamente premuto.

Un campione non impregnato di cellulosa pura era caratterizzato dalle tipiche bande della cellulosa: modalità di stretching OH a 3331 cm<-1>, modalità di stretching CH a 2885 cm<-1>, acqua adsorbita a 1655 cm<-1>, modalità di stretching C-C asimmetrico a 1161 cm<-1>, e modalità di stretching CO a 1030 cm<-1>.

Quando il polimero di acido aleuritico (poliestere polialeuritato) si è formato durante la pressatura a caldo, sono state osservate bande addizionali dal poliestere a catena lunga poliidrossilato: modalità di stretching CH2 asimmetrico e simmetrico rispettivamente a 2926 cm<-1 >e 2851 cm<-1>, e modalità di stretching C=O di gruppi di estere liberi e interagenti con legami H rispettivamente a 1726 cm<-1 >e 1717 cm<-1>.

Questo modello spettroscopico è stato associato alla formazione di legami H tra i gruppi ossidrile della cellulosa e i gruppi OH ed estere del polialeuritato.

Inoltre, le bande della cellulosa sono molto forti, indicando che il polialeuritato è stato impregnato all’interno del substrato.

Le bande principali del campione di cellulosa pressata a caldo con zeina, una proteina vegetale con una forma cilindrica formata da nove eliche antiparallele ed estremità di chiusura ricche di glutammina, sono state attribuite alla proteina: ammide A a 3281 cm<-1>, ammide I a 1639 cm<-1>, ammide II a 1524 cm<-1>, e ammide III a 1447 cm<-1>.

È interessante notare che lo spettro ATR-FTIR della zeina non trattata mostrava numeri d’onda identici, rivelando che la pressatura a caldo non ha influenzato la struttura della proteina.

D’altra parte, le bande attribuite alla cellulosa non hanno mostrato spostamenti, molto probabilmente a causa della non interazione tra i due polimeri. Quando una miscela di acido aleuritico e zeina è stata pressata a caldo sul substrato di cellulosa, sono state rivelate le bande sopra descritte attribuite al polialeuritato e alla proteina. Modifiche spettroscopiche principali sono state osservate nelle bande di ammide I e II di zeina, come illustrato nella Figura 2B. I principali contributi alla banda di ammide I della zeina erano strutture ad α-elica (1640 cm-1), foglietti β ( ~1685 cm-1) e margini β ( ~1615 cm-1). Il profilo spettroscopico della banda di ammide I è cambiato quando era presente il polialeuritato: il massimo del picco si è spostato a 1647 cm<-1>, l’intensità della regione correlata a margini β è diminuita, mentre l’intensità della regione correlata ai foglietti β è aumentata. Per quanto riguarda l’ammide II, una banda che è sensibile alla rete di legami H, l’intensità relativa dei picchi a 1537 cm<-1 >e 1518 cm<-1 >era ridotta per il campione con polialeuritato. Cambiamenti simili sono stati descritti per la plastificazione e la formazione di complessi con zeina e sono stati giustificati dalla formazione di legami H di zeina (parti elicoidali e ricche di glutammina) con sostanze come acqua, glicerolo, 2-mercaptoetanolo e iodio. Risultati identici sono stati ottenuti quando il grafene è stato aggiunto alla miscela di acido aleuritico e zeina.

Sulla base dei risultati di cui sopra, uno scenario molecolare è proposto nella Figura 2C. In questo modello, si dimostra che il polialeuritato interagisce con cellulosa e zeina mediante legami H tra gruppi ossidrile ed estere del polialeuritato con gruppi ossidrile del polisaccaride e gruppi ammide della proteina. In tali condizioni, il polialeuritato può fungere da compatibilizzante e legante di cellulosa e zeina.

Biodegradabilità

La biodegradabilità è stata valutata mediante una prova standard di richiesta biochimica di ossigeno (BOD) misurando la quantità di ossigeno consumata in 30 giorni in una reazione di biodegradazione in acqua. Per ciascun campione, sono state raccolte tre misurazioni ed è stata calcolata la media dei risultati per ottenere un valore medio. Campioni accuratamente pesati ( ~ 200 mg) sono stati triturati finemente e immersi in flaconi da 432 ml contenenti acqua di mare raccolta nel litorale della zona di Genova (Italia). L’ossigeno consumato durante il procedimento di biodegradazione è stato registrato a diversi intervalli di tempo utilizzando tappi OxyTop di chiusura a tenuta su ogni flacone in grado di valutare i livelli di ossigeno. È stata anche misurata la BOD da bottiglie rappresentanti il bianco riempite con solo acqua di mare.

La Figura 3A mostra il consumo di ossigeno per i) un substrato di cellulosa non rivestito (“Cellulosa” nelle figure), ii) un substrato di cellulosa impregnato e pressato a caldo con zeina e acido aleuritico (“AC_Zeina” nelle figure) e iii) un substrato composito di cellulosa impregnato e pressato a caldo con un inchiostro conduttivo comprendente zeina, acido aleuritico e GnP (Plant-e-tronics_30 nelle figure).

In generale, tutti i campioni hanno presentato un’elevata biodegradabilità. Per il materiale preparato con carta pura, la biodegradazione è iniziata dopo 5 giorni e ha raggiunto un plateau dopo 13 giorni a 130 mg di O2/l.

Il campione comprendente zeina e polialeuritato ha iniziato a degradarsi dopo 5 giorni, raggiungendo il consumo massimo di ossigeno dopo circa 17 giorni a 99 mg di O2/l.

Infine, per il campione contenente GnP, la degradazione è iniziata dopo 6 giorni, raggiungendo il plateau dopo 24 giorni con un consumo di ossigeno di 87 mg di O2/l.

Dopo la prova di BOD, i materiali rimanenti sono stati raccolti e caratterizzati. La perdita di peso è presentata in Figura 3B. Come osservato, il substrato di cellulosa pura non rivestita presentava la più alta perdita di peso (53% del suo peso iniziale). Per il campione contenente zeina e polialeuritato (“AC-Zeina”) la perdita di peso era del 33% e, infine, il campione contenente anche GnP (Plant-etronics_30), quello con la degradazione più bassa in acqua di mare, ha una perdita di peso del 25% del suo peso iniziale.

Proprietà meccaniche simili alla cellulosa

Le proprietà meccaniche del composito sono state misurate mediante prove di trazione uniassiale. Una macchina di prova monoassiale (Instron 3365) è stata utilizzata per eseguire prove meccaniche di tensione-deformazione sui compositi e sui materiali grezzi (lunghezza iniziale 25 mm, larghezza 4 mm, velocità di deformazione 1 mm/min).

Il substrato di cellulosa pura e il campione AC_Zeina sono stati testati per il confronto. Campioni a forma di osso di cane (larghezza w = 4 mm, lunghezza utile l = 25 mm) sono stati stirati ad una velocità di 1 mm/min. I valori di modulo E di Young, carico di rottura UTS e allungamento a rottura sono stati valutati dalle curve tensionedeformazione. Le curve tipiche sono riportate in Figura 4. La tendenza di tensione-deformazione del campione AC_Zeina presenta minore rigidità e resistenza rispetto alla cellulosa pura: il modulo di Young scende da 4,3 ± 0,3 GPa a 2,9 ± 0,4 GPa, l’UTS da 30,3 ± 1,7 MPa a 15,9 ± 1,7 MPa, mentre l’allungamento è mantenuto.

Il campione comprendente anche le GnP, d’altra parte, porta a curve di tensione-deformazione con maggiore rigidità (modulo di Young E = 10,2 ± 1,4 GPa) e comportamento più fragile (UTS = 20,8 ± 2,9 MPa, allungamento a rottura approssimativamente diminuito di 1/3). In ogni caso, i campioni Plant-e-tronics_30 e AC_Zeina conservano lo stesso ordine di grandezza di modulo di Young, UTS e allungamento a rottura della cellulosa pura.

Si noti che è impossibile produrre pellicole di zeina a sé stanti con il 30% in peso di GnP caricate senza l’uso di una grande quantità di plastificanti, poiché la zeina produce pellicole molto fragili; l’aggiunta di GnP o di qualsiasi altro riempitivo rigido la renderà molto più fragile.

Quindi, la zeina deve essere impregnata in un supporto di cellulosa. Tuttavia, gli Inventori della presente domanda hanno anche dimostrato che è la specifica combinazione di zeina e AC che fornisce un composito con la flessibilità più promettente.

In particolare, è stato dimostrato che i compositi in cui la zeina non è associata ad AC non superano le prove di piegatura, come anche mostrato nelle tabelle seguenti.

La Tabella 1 mostra le composizioni chimiche di diversi compositi a base di cellulosa utilizzati per prove di confronto. Le quantità di zeina, acido aleuritico (AC) e nanopiastrine di grafene (GnP) sono espresse nella Tabella 1 come % in peso rispetto alla quantità totale di zeina e acido aleuritico.

Tabella 1

Il composito 1 è un substrato di cellulosa pura; il composito 2 è un composito a base di cellulosa comprendente AC, ed è privo di GnP; il composito 3 comprende zeina ed è privo di AC e GnP; il composito 4 comprende zeina, AC ed è privo di GnP; il composito 5 comprende zeina, AC e GnPS, cioè è il materiale composito descritto nella presente domanda; il composito 6 comprende AC e GnP ma è privo di zeina; il composito 7 comprende zeina, GnP ed è privo di AC.

I diversi compositi sono stati sottoposti a pressatura a caldo al fine di ottenere la polimerizzazione di AC.

La Tabella 2 mostra i risultati delle prove comparative in termini di modulo di Young, percentuale di allungamento, tensione a rottura per trazione e cicli di piegatura prima di un guasto elettrico (electrical failure) tra il composito della presente descrizione (composito 5) e gli altri diversi compositi di confronto (1-4 e 6, 7).

La tabella mostra chiaramente, specialmente considerando i compositi 5, 6 e 7, che solo la combinazione di zeina e AC (composito 5) è in grado di fornire un prodotto conduttivo stabile e pieghevole, con un numero di cicli di piegatura per il composito 5 prima di un guasto elettrico > 20.

Miglioramento del trasferimento di calore

Le proprietà termiche dei substrati di cellulosa pura non rivestita e del composito qui descritto con il 30% in peso di GnP rispetto alla quantità totale di zeina e acido aleuritico sono state studiate mediante telecamera a infrarossi (FLIR A310) e utilizzando il software FLIR Researcher per l’analisi delle immagini. I campioni sono stati posti su una piastra calda (IKA, modello C-MAGHP10) a 145°C, tenuti a una distanza di 0,6 cm dalla superficie calda. In questo modo, i campioni sono stati riscaldati per effetto del trasferimento di calore di convezione esercitato dall’aria. Il range della misurazione è stato impostato tra 40°C e 90°C.

Poiché un’efficiente rete di percolazione di nanoparticelle termoconduttive assicura una resistenza termica all’interfaccia significativamente ridotta, le proprietà di trasferimento di calore di un substrato contenente solo cellulosa e di un campione del composito descritto nella presente domanda sono state testate impiegando una telecamera a infrarossi.

I campioni sono stati riscaldati in una disposizione mediante riscaldamento per convezione di aria calda proveniente da una piastra calda posta al disotto dei campioni (Figura 5). La temperatura dei campioni registrata in funzione del tempo è riportata nella Figura 5. Il campione del composito qui descritto (identificato come “Plant-etronics_30”) mostra una migliore diffusione del calore rispetto al substrato contenente solo cellulosa.

Inoltre, tra 40 e 60°C il composito della presente descrizione si riscalda più velocemente del substrato contenente solo cellulosa (vedere Tabella nella Figura 5). Successivamente, il composito qui descritto raggiunge un plateau intorno a 70°C mentre il substrato contenente solo cellulosa continua a riscaldarsi fino a raggiungere la temperatura di saturazione della telecamera ad infrarossi impostata a 90°C (parte destra della Figura 5). Pertanto, il composito della presente descrizione è in grado di dissipare il calore più rapidamente della cellulosa pura.

Schermatura EMI

Le misurazioni di schermatura EMI sono state eseguite utilizzando un sistema Analizzatore Vettoriale di Reti (VNA) WR-1.5 (0,50-0,75 THz), cioè un Kesight N5245A PNA in combinazione con due estensori WR-1.5 della Virginia Diodes Inc. (VDI). Le misurazioni sono state eseguite dopo aver acceso il sistema per circa un’ora per raggiungere uno stato stazionario. Il rapporto tra la potenza ricevuta e quella incidente (o trasmittanza) caratterizza l’efficacia della schermatura EMI (SE) del campione. La trasmittanza misurata è stata normalizzata con lo spessore del campione per un confronto equo.

Alla luce della bassa resistenza del foglio (≈10 Ω/sq), della leggerezza, della biodegradabilità e della flessibilità del composito qui descritto, quest’ultimo risulta un candidato ideale per un’efficace schermatura EMI, consentendo una gamma di applicazioni nel campo della tecnologia verde. In particolare, considerando la crescente velocità delle apparecchiature elettroniche, la schermatura EMI ad alta frequenza (cioè, nel range di THz) sta guadagnando costantemente importanza in diversi campi come sicurezza, spettroscopia, optoelettronica, difesa, imaging, scienza spaziale e rilevamento biologico. Pertanto, il composito qui descritto è stato sfruttato per sostituire conduttori metallici costosi, rigidi e suscettibili alla corrosione come schermo per THz, contribuendo all’aumento delle applicazioni circuitali ad alta velocità costruite con componenti sicuri per l’ambiente. Le misurazioni di schermatura EMI sono state eseguite a frequenze comprese tra 0,5 e 0,75 THz per l’incidenza normale (vedere Figura 6) su campioni di biocomposito a base di materiali di origine vegetale con carichi di GnP differenti. Tutte le perdite di onde elettromagnetiche entranti dovute a schermatura (SE, nota anche come efficacia di schermatura EMI) sono state calcolate utilizzando SE(dB) = -10 log (Pt/Pi), in cui Pt è la potenza elettromagnetica trasmessa e Pi è la potenza incidente. Il rapporto Pt/Pi è chiamato trasmittanza ed è una funzione della frequenza delle onde EM entranti. Nella figura 6b l’EMI SE (cioè il valore assoluto della trasmittanza) normalizzata rispetto allo spessore del campione in funzione della frequenza delle onde EM incidenti è riportata per campioni con carichi di GnP differenti. La SE media è migliorata da 0 dB/�m per il campione di cellulosa pura a circa 0,8 dB/�m per i nanocompositi di origine vegetale con una concentrazione di GnP del 10% in peso, e circa 0,9 dB/�m per il campione con il 30% in peso di carico di GnP. I risultati ottenuti si avvicinano ad alcuni dei più alti livelli di attenuazione riportati in letteratura (cioè � 1 dB/�m) per altri nanocompositi a base di carbonio. L’efficacia di schermatura riportata in questo lavoro raggiunge un valore di ≈ 45 dB per il campione con il 30% in peso di GnP spesso 50 �m (o SE normalizzata di 0,9 dB/�m), superando significativamente il valore di soglia di EMI SE richiesto per applicazioni commerciali (cioè, 20 dB, o meno dell’1% di trasmittanza di onde elettromagnetiche). Nel complesso, i compositi a base di cellulosa qui descritti offrono elevate prestazioni di schermatura di THz, mostrando un grande potenziale per sostituire i conduttori metallici convenzionali come materiali schermanti di THz.

Antenna

Due antenne a tromba WR-1.5 sono state impiegate alle estremità dei due estensori per accoppiare le onde elettromagnetiche (segnale THz) verso e dall’aria. Il segnale THz proveniente dall’antenna a tromba del primo estensore è stato riflesso/collimato da uno specchio parabolico per essere normalmente incidente sul campione di biocomposito di origine vegetale sottoposto alla prova.

Il segnale THz trasmesso è stato quindi riflesso/focalizzato da un altro specchio parabolico sull’antenna a tromba del secondo estensore.

Antenne conformabili sono già state studiate depositando geometrie basate su metalli conduttivi su substrati di plastica flessibili. In ogni caso, i materiali impiegati non sono sempre sostenibili e leggeri. Un procedimento versatile e facile per produrre antenne flessibili ed ecocompatibili è stato sviluppato impiegando i compositi a base di cellulosa qui descritti come conduttore. Il composito è stato tagliato a laser e modellato copiando il disegno di un’antenna WI-FI disponibile in commercio (Figure 7a e b). L’antenna è stata quindi caratterizzata misurando diverse caratteristiche dell’antenna.

Una delle caratteristiche più comuni utilizzate per descrivere le prestazioni di un’antenna è il parametro di diffusione o perdita di ritorno o coefficiente di riflessione (S11). Quando è espresso in dB, rappresenta quanta potenza è riflessa dall’antenna. Se S11 = 0 l’antenna non funziona, poiché tutta la potenza è riflessa e nulla è irradiato. La perdita di ritorno di entrambe le antenne (antenna commerciale e a base di Plantronic) è stata misurata con un Analizzatore di Reti, come mostrato schematicamente in figura 7b. Entrambe le antenne sono state poste su un cartone flessibile.

La figura 7c mostra la perdita di ritorno delle due antenne registrata nella banda di frequenza 1-4GHz. La figura evidenzia che l’antenna commerciale (linea tratteggiata) è, come previsto, risonante a 2,5 GHz con una perdita di ritorno di -13 dB, e la sua larghezza di banda -10 dB è di 0,45 GHz. L’antenna fabbricata (linea continua nera), invece, mostra una risonanza a 1,73 GHz, con una perdita di ritorno di circa -22 dB e una larghezza di banda -10 dB di 0,54 GHz.

Il prototipo mostrava un coefficiente di riflessione più piccolo e una larghezza di banda operativa più ampia rispetto all’antenna commerciale, in altre parole, alla sua risonanza la potenza fornita all’antenna veniva effettivamente irradiata. La perdita di ritorno relativamente piccola dell’antenna comprendente componenti di origine vegetale è una diretta conseguenza della bassa e stabile conduttività elettrica. La diversa frequenza di risonanza rispetto all’antenna commerciale è determinata dalla diversa interazione del materiale impiegato per la produzione dell’antenna con l’ambiente dielettrico (aria e substrato). Per un progetto tecnico dell’antenna prototipo, la sua risonanza potrebbe proprio spostarsi in modo significativo verso la frequenza WI-FI.

Successivamente abbiamo ottenuto il diagramma di radiazione dell’antenna fabbricata, che rappresenta graficamente le sue proprietà di radiazione in funzione dell’angolo di incidenza. La Figura 7d mostra il diagramma di radiazione in coordinate polari dell’antenna alla sua risonanza. I picchi (lobi) rappresentano la distribuzione della potenza a diversi angoli. Il diagramma di guadagno totale nel piano orizzontale e verticale (rispettivamente piano H ed E) evidenzia un guadagno di ≈15 dB in corrispondenza dell’apertura della tromba (tra 150° e 240°, angolo di apertura di 90°). Il rapporto fronte-retro, che corrisponde al rapporto di guadagno di potenza tra la parte anteriore e quella posteriore dell’antenna fabbricata, è di 4 dB (circa il 160% della direzionalità). È stato dimostrato che il rapporto fronte-retro si trova nello stesso range dell’antenna commerciale (2,6 dB, circa il 135% della direzionalità, vedere la scheda tecnica, http://www.molex.com/molex/products/datasheet.jsp?part=acti ve/0479502011_ANTENNAS.xml&channel=Products&Lang=en-US), dimostrando così la sua piena funzionalità. Le prestazioni di radiofrequenza rendono l’antenna un candidato competitivo in un’ampia varietà di applicazioni wireless, come le comunicazioni ad alta velocità o RFID.

Elettrodo efficiente per celle solari

Il composito qui descritto è stato usato come elettrodo superiore di una Cella Solare di Polimero (PSC) interamente ottenuta per spruzzatura, come schematicamente mostrato nella Figura 8a. Il composito è stato laminato sulla parte superiore di una struttura multistrato fabbricata spruzzando tutti gli strati in aria partendo da un substrato in polietilentereftalato (PET) rivestito con un tristrato di ITO/Ag/ITO come elettrodo inferiore conduttivo trasparente. L’area attiva della cella solare flessibile era di 15 mm<2>. Una configurazione invertita è stata scelta alla luce della sua facilità di scalabilità e compatibilità con sistemi polimero:fullerene. In primo luogo, un doppio strato composto da ZnO (≈20 nm) e PEIE (≈10 nm) è stato spruzzato come sistema di estrazione e trasporto di elettroni, consentendo un significativo miglioramento della tensione a circuito aperto (VOC) e della corrente di cortocircuito (JSC) rispetto all’uso di ZnO o PEIE nudi. Lo strato attivo era composto da polimero PffBT4T-2OD e fullerene PC70BM. Questo sistema è stato impiegato poiché forma domini polimerici piccoli altamente cristallini e sufficientemente puri che assicurano una morfologia robusta e prestazioni eccellenti. Un altro vantaggio è la facilità di scalabilità dovuta al grande spessore, facilitando così il rivestimento di substrati di grande area, anche con una superficie ruvida e irregolare. In particolare, sebbene i solventi clorurati siano ideali per la dissoluzione e la lavorazione del sistema polimero:fullerene, sono stati evitati durante la deposizione a spruzzo dello strato della cella solare per un impegno verso un procedimento sostenibile e compatibile con l’industria. L’ossido di vanadio (V2Ox) è stato spruzzato su PffBT4T-2OD:PC70BM come strato di trasporto per lacune, seguito dalla deposizione di PEDOT:PSS/D-sorbitolo, che funge da collante elettronico tra gli strati sovrapposti spruzzati e il nanocomposito comprendente componenti di origine vegetale.

I parametri elettrici generali delle PSC e la curva J-V del dispositivo migliore sono mostrati nella Figura 7b. La misurazione dell’efficienza media di conversione di potenza era pari al 2,6% con un valore massimo del 3,1%. Questi risultati sono comparabili con quelli ottenuti con dispositivi interamente ottenuti per spruzzatura che sono stati completati con diversi tipi di compositi come elettrodo superiore. Ciò dimostra che i) il materiale composito qui descritto ha un valore adatto di resistenza del foglio per questa applicazione per la morfologia di massa favorevole nella cellulosa per il trasporto di carica e ii) l’interfaccia con il collante elettronico funziona efficacemente. Le PSC presentano una VOC relativamente alta e una JSC e un fattore di riempimento (FF) inferiori rispetto ai dispositivi con elettrodo superiore evaporato standard. Questo è attribuito alle perdite di ricombinazione introdotte quando diversi strati spruzzati si sovrappongono l’uno sull’altro, aumentando soprattutto la resistenza in serie (RS). Tuttavia, i dispositivi fotovoltaici organici basati sull’elettrodo superiore comprendente un composito come qui descritto hanno mostrato prestazioni elettriche significativamente più elevate rispetto ad altri dispositivi interamente ottenuti per spruzzatura a base di vetro o tessuti e sono candidati validi nell’elettronica flessibile e indossabile.

Claims

Rivendicazioni 1. Materiale composito a base di cellulosa comprendente un materiale elettricamente conduttivo disperso in una matrice contenente almeno una proteina di origine vegetale e un polimero di acido aleuritico, detto materiale composito a base di cellulosa essendo ottenibile mediante un procedimento comprendente le fasi di: - disciogliere l’almeno una proteina di origine vegetale e acido aleuritico in una soluzione di dissoluzione per ottenere una prima miscela, - disperdere un materiale elettricamente conduttivo in detta prima miscela per ottenere un inchiostro conduttivo, - distribuire detto inchiostro conduttivo su almeno un lato di un substrato di cellulosa per ottenere un substrato di cellulosa rivestito, - pressare a caldo detto substrato di cellulosa rivestito per ottenere i) impregnazione del substrato di cellulosa con detto inchiostro conduttivo e ii) polimerizzazione dell’acido aleuritico.
2. Materiale composito a base di cellulosa secondo la rivendicazione 1, in cui l’almeno una proteina di origine vegetale è presente nella soluzione di dissoluzione in una quantità compresa tra il 50 e il 75% in peso, preferibilmente tra il 50 e il 60%, più preferibilmente il 55% della quantità totale dell’almeno una proteina di origine vegetale più acido aleuritico.
3. Materiale composito a base di cellulosa secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui detta almeno una proteina di origine vegetale è scelta tra gliadina e zeina, preferibilmente è zeina.
4. Materiale composito a base di cellulosa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’acido aleuritico è presente nella soluzione di dissoluzione in una quantità compresa tra il 25 e il 50%, preferibilmente tra il 40 e il 50%, più preferibilmente il 45% della quantità totale dell’almeno una proteina di origine vegetale più acido aleuritico.
5. Materiale composito a base di cellulosa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il materiale elettricamente conduttivo è selezionato nel gruppo costituito da nanopiastrine di grafene, nanofibra di carbonio, nanotubo di carbonio, nerofumo, nanoparticelle d’argento, nanoparticelle d’oro, nanoparticelle di alluminio, loro miscele.
6. Materiale composito a base di cellulosa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto materiale elettricamente conduttivo è costituito da nanopiastrine di grafene.
7. Materiale composito a base di cellulosa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto materiale elettricamente conduttivo è disperso in detta soluzione di dissoluzione in una quantità compresa tra il 2 e il 40% in peso, preferibilmente tra il 30 e il 40%, più preferibilmente il 30% della quantità totale dell’almeno una proteina di origine vegetale più acido aleuritico per ottenere un inchiostro conduttivo.
8. Materiale composito a base di cellulosa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il substrato di cellulosa ha uno spessore compreso tra 30 e 100 μm, preferibilmente tra 30 e 70 μm.
9. Materiale composito a base di cellulosa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta pressatura a caldo è eseguita ad una temperatura compresa tra 160 e 200°C, preferibilmente a 190°C.
10. Materiale composito a base di cellulosa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta pressatura a caldo è eseguita ad una pressione compresa tra 5 e 20 bar, preferibilmente tra 10 e 20 bar, più preferibilmente a 20 bar.
11. Materiale composito a base di cellulosa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la soluzione di dissoluzione comprende metanolo e cloroformio, preferibilmente in un rapporto volumetrico (volume/volume) di 1:1.
12. Materiale composito a base di cellulosa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la distribuzione di detto inchiostro conduttivo su almeno un lato di un substrato di cellulosa per ottenere un substrato di cellulosa rivestito è eseguita mediante rivestimento a spruzzo.
13. Materiale composito a base di cellulosa comprendente un substrato di cellulosa impregnato con un materiale elettricamente conduttivo disperso in una matrice contenente almeno una proteina di origine vegetale, preferibilmente zeina, e polialeuritato.