Comportamiento de nanofibras de carbono y grafeno en nanocompuestos de matriz polimerica termoplástica

Resumen

El presente trabajo es el resultado del estudio sobre el tratamiento y caracterización de nanocargas de carbono, en concreto, nanofibras de carbono y grafeno, y su aplicación en materiales compuestos de matriz polimérica termoplástica. En primer lugar, se ha llevado a cabo una amplia revisión bibliográfica sobre las características y el estado del arte de las nanocargas empleadas y de los materiales compuestos de matriz polimérica y, con mayor detalle, de los materiales compuestos de matriz de PMMA, que es el polímero empleado. El trabajo experimental se expone en una serie de capítulos. Se comienza describiendo los materiales utilizados, los procedimientos y los dispositivos experimentales y las técnicas de análisis. En los siguientes capítulos se presentan y se discuten los resultados de la investigación experimental, que se divide en: funcionalización de nanofibras de carbono GANF, síntesis de nanoplatelets de óxido de grafeno (GONP), materiales compuestos de GANF/PMMA y materiales compuestos de GONP/PMMA. Los grupos funcionales favorecen la compatibilidad de las nanofibras con la matriz y, además, pueden establecer interacciones con la misma. La funcionalización con grupos carboxílicos es bastante sencilla, habitual y socorrida. En este caso se añade la funcionalización con grupos nitrogenados, mediante tratamientos en fase líquida y en fase gas. Además, las nanofibras de carbono se han empleado como materia prima de grafeno. La estructura de las GANF, helical-ribbon, consistente en una cinta de unas 5 capas de grafeno enrolladas formando una espiral, las hace atractivas para la síntesis de nanoplatelets de grafeno. El proceso se basa en una reacción de oxidación de materiales grafíticos, método Hummers-Offeman, en el que el permanganato potásico en medio ácido sulfúrico es el responsable de abrir las láminas grafíticas de las nanofibras y crear los nanoplatelets de grafeno. En relación con la preparación de los nancompuestos de GANF/PMMA, se han se han empleado métodos diferentes de procesado de matrices termoplásticas: mezcla en fundido, procesado por disolvente y polimerización in-situ. La mezcla en fundido es el método más simple y consiste en mezclar la nanocarga en el polímero fundido. En procesado por disolvente se ha estudiado el efecto del disolvente en la dispersión de la carga en el composite utilizando varios disolventes, de diferente polaridad y velocidad de evaporación, en los que el PMMA es soluble. La polimerización in-situ se ha llevado a cabo mediante una reacción vía radicales libres, en la que un iniciador forma radicales que abren el doble enlace C=C del MMA permitiendo la unión de unos monómeros con otros y el crecimiento de la cadena. Se han preparado composites con nanofibras funcionalizadas con grupos carboxílicos y con grupos nitrogenados y a diferentes concentraciones de nanofibras sin tratar. A continuación, se han aprovechado los GONPs para preparar composites de PMMA y se han comparado con los correspondientes de GANF/PMMA. Por último, las conclusiones más importantes, que pueden extraerse de los resultados presentados, se resumen en un capítulo, que precede al capítulo final, en el que puede revisarse la bibliografía consultada.