STUDI SPERIMENTALI E DI SIMULAZIONE DELL’EFFETTO DELLA TEMPERATURA SULLE PROPRIETA’ TERMOFISICHE DI ACIDO POLI LATTICO A BASE DI GRAFENE

Condividiamo un abstract di un articolo scientifico redatto da Giovanni Spinelli – Professore Associato in Elettrotecnica presso l’Università Giustino Fortunato. Attivamente coinvolto in diversi progetti di ricerca di interesse nazionale, europeo e internazionale, dal 2009 si occupa di caratterizzazione elettromagnetica (EM), termica e meccanica di materiali innovativi basati su nanostrutture di carbonio (nonché della loro modellazione multi-fisica e multi-scala), stampa 3D FDM, metodi analitici e numerici per la progettazione e l’ottimizzazione di materiali, sistemi EM e processi. L’attività di ricerca ha prodotto numerose pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali, su atti nazionali ed internazionali. Inoltre, è co-inventore di un brevetto industriale relativo al ” Method of monitoring a composite material ” che ha registrato negli anni un interesse sempre crescente grazie alle sue potenzialità in ambito industriale.

Abstract: l’effetto del surriscaldamento è una questione cruciale in diversi campi. Dissipatori di calore a base di polimeri termicamente conduttivi sono candidati promettenti per risolvere tale inconvenientepresentando caratteristiche di leggerezza, facile lavorabilità, nonché alte prestazioni e affidabilità. Il  presente lavoro riguarda lo studio sperimentale dell’effetto della temperatura sulle proprietà termofisiche di nanocompositi realizzati con acido polilattico (PLA) rinforzato con due diverse percentuali in peso (3% e 6&) di nanopiastrine di grafene (GNP). La conducibilità termica e la diffusività,così come la capacità termica specifica, sono misurate nell’intervallo di temperatura compreso tra 298.15 e 373.15 K. Alla temperatura più bassa (298.15 K), si osserva per il nanocomposito un miglioramento del 171% per la conducibilità termica rispetto alla matrice pura (PLA) dovuto all’aggiunta del 6% in peso di GNP, mentre alla temperatura massima (372.15 K) tale aumento è di circa il 155%. Alcune delle più importanti proprietà meccaniche, principalmente durezza e modulo di Young, massima sollecitazione alla flessione e modulo di elasticità, sono valutate in funzione del contenuto di GNP. Inoltre, sono state effettuate simulazioni termiche basate sul metodo degli elementi finiti (FEM) perpredire le prestazioni termiche dei nanocompositi investigati sperimentalmente in vista del loro uso pratico nelle applicazioni termiche. I risultati sembrano abbastanza promettenti in questa direzione.

Giovanni Spinelli received the M.S. degree in electronic engineering and the Ph.D. degree in
information engineering from the University of Salerno (Italy), in 2007 and 2012, respectively.
Since 2020 he holds the position of Associate Professor in Materials Science at the Mechanics
Institute of the Bulgarian Academy of Science in Sofia, Bulgaria
From November 2021 and currently, he is Associate Professor in Electrotechnics at University
Giustino Fortunato of Benevento, Italy. Since 2009, he has been involved in the Electromagnetic
(EM), thermal and mechanical characterization of innovative materials based on carbon
nanostructures (as well as their multi-physics and multi-scale modelling), 3D-printing FDM,
analytical and numerical methods for design and optimization of materials, EM systems and
processes.
He is actively involved in different research project of national, european and international
interest.
The research activity produced several scientific publications on international journals, on
national and international proceedings. The scientific profile is available at the following link:
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=35767250600 where, at the time of writing, are reported 59 Publications in peer
review journals and conference communications, 1306 Citations by 828 documents, h-index 21.
Moreover, he is co-inventor of an industrial patent related to the ” Method of monitoring a composite material” that has recorded a
considerable enhancement over the years due to its industrial interest. Its Italian validity (ITA UA20162902) has been extended
throughout Europe (EP3242128 LEONARDO SPA – 2017) and the USA (US10196153 LEONARDO S.p.A. – 2019) as well as
transferred to third parties and, more specifically, to an important Finmeccanica Group: Leonardo SpA. He was the winner in 2009 of
the Best Paper Award at the IEEE 32th International Semiconductor Conference, Sinaia – Romania, where he has been speaker of a
talk entitled “A modular approach for the simulation of a parameter dependent SWCNT interconnect”.

Abstract: Overheating effect is a crucial issue in different fields. Thermally conductive polymer‐based heat sinks, with lightweight and moldability features as well as high performance and reliability, are promising candidates in solving such inconvenience. The present work deals with the experimental evaluation of the temperature effect on the thermophysical properties of nanocomposites made with polylactic acid (PLA) reinforced with two different weight percentages (3 and 6 wt%) of graphene nanoplatelets (GNPs). Thermal conductivity and diffusivity, as well as specific heat capacity, are measured in the temperature range between 298.15 and 373.15 K. At the lowest temperature (298.15 K), an improvement of 171% is observed for the thermal conductivity compared to the unfilled matrix due to the addition of 6 wt% of GNPs, whereas at the highest temperature (372.15 K) such enhancement is about of 155%. Some of the most important mechanical properties, mainly hardness and Young’s modulus, maximum flexural stress, and tangent modulus of elasticity, are also evaluated as a function of the GNPs content. Moreover, thermal simulations based on the finite element method (FEM) have been carried out to predict the thermal performance of the investigated nanocomposites in view of their practical use in thermal applications. Results seem quite suitable in this regard.

Giovanni Spinelli ha ricevuto la laurea in Ingegneria Elettronica (V.O.) e il Dottorato di Ricerca
in Ingegneria dell’Informazione presso l’Università degli Studi di Salerno (Italia), rispettivamente
nel 2007 e nel 2012. Dal 2020 ricopre la carica di Professore Associato in Scienze dei Materiali
presso l’Istituto di Meccanica dell’Accademia Bulgara delle Scienze a Sofia, Bulgaria
Da novembre 2021 ad oggi è Professore Associato in Elettrotecnica presso l’Università Giustino
Fortunato di Benevento, Italia. Dal 2009 si occupa di caratterizzazione elettromagnetica (EM),
termica e meccanica di materiali innovativi basati su nanostrutture di carbonio (nonché della loro
modellazione multi-fisica e multi-scala), stampa 3D FDM, metodi analitici e numerici per la
progettazione e l’ottimizzazione di materiali, sistemi EM e processi.
È attivamente coinvolto in diversi progetti di ricerca di interesse nazionale, europeo e
internazionale.
L’attività di ricerca ha prodotto numerose pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali, su
atti nazionali ed internazionali. Il profilo scientifico è disponibile al seguente link:
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=35767250600 dove, al momento, sono
riportate 59 Pubblicazioni su riviste peer review e comunicazioni a convegni, 1306 Citazioni da 828 documenti, h-index pari a 21.
Inoltre, è co-inventore di un brevetto industriale relativo al ” Method of monitoring a composite material ” che ha registrato negli anni
un interesse sempre crescente grazie alle sue potenzialità in ambito industriale. La sua iniziale validità italiana (ITA UA20162902) è
stata estesa in tutta Europa (EP3242128 LEONARDO SPA – 2017) e negli USA (US10196153 LEONARDO S.p.A. – 2019) nonché,
ceduto a terzi e, più specificatamente, ad un importante Gruppo Finmeccanica: Leonardo SpA. È stato vincitore nel 2009 del Best
Paper Award alla IEEE 32th International Semiconductor Conference tenutasi a Sinaia – Romania, dove ha partecipato in qualità di
relatore di un talk scientifico dal titolo “A modular approach for the simulation of a parameter dependent SWCNT interconnect”.

Abstract: l’effetto del surriscaldamento è una questione cruciale in diversi campi. Dissipatori di calore a base di polimeri termicamente conduttivi sono candidati promettenti per risolvere tale inconveniente presentando caratteristiche di leggerezza, facile lavorabilità, nonché alte prestazioni e affidabilità. Il presente lavoro riguarda lo studio sperimentale dell’effetto della temperatura sulle proprietà termofisiche di nanocompositi realizzati con acido polilattico (PLA) rinforzato con due diverse percentuali in peso (3% e 6&) di nanopiastrine di grafene (GNP). La conducibilità termica e la diffusività, così come la capacità termica specifica, sono misurate nell’intervallo di temperatura compreso tra 298.15 e 373.15 K. Alla temperatura più bassa (298.15 K), si osserva per il nanocomposito un miglioramento del 171% per la conducibilità termica rispetto alla matrice pura (PLA) dovuto all’aggiunta del 6% in peso di GNP, mentre alla temperatura massima (372.15 K) tale aumento è di circa il 155%.
Alcune delle più importanti proprietà meccaniche, principalmente durezza e modulo di Young, massima sollecitazione alla flessione e modulo di elasticità, sono valutate in funzione del contenuto di GNP. Inoltre, sono state effettuate simulazioni termiche basate sul metodo degli elementi finiti (FEM) per predire le prestazioni termiche dei nanocompositi investigati sperimentalmente in vista del loro uso pratico nelle applicazioni termiche. I risultati sembrano abbastanza promettenti in questa direzione

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