Development of epoxy nanocomposites based on carbon nanostructures

Resumen

Desde el descubrimiento de los nanotubos de carbono (CNTs) a principios de los 90, estas nanopartículas han despertado un gran interés en diversos campos de la ciencia. En particular, en la última década se han publicado un gran número de artículos en relación al desarrollo de nanocompuestos poliméricos describiendo el alto potencial de los nanocompuestos CNT/polímero en la producción de materiales compuestos con propiedades multifuncionales para aplicaciones avanzadas. Las resinas epoxi representan un grupo importante dentro de las distintas clases de polímeros existentes hoy en día. Su importancia reside en las excelentes propiedades adhesivas y mecánicas, su alta estabilidad química, térmica y dimensional al igual que su buena resistencia a los disolventes. Estas propiedades intrínsecas de las resinas epoxi, junto con la posibilidad de modificar su composición química y física para obtener unas propiedades finales a la carta, hacen que cumplan los requerimientos de un amplio espectro de aplicaciones en áreas muy diversas. Por estos motivos existen variedad de sistemas epoxídicos que va desde la clásica resina curada térmicamente a materiales nanoporosos, filmes curados por luz ultravioleta, espumas de baja densidad, resinas autoensambladas o nanoestructuradas. Se espera que con la incorporación de CNTs en la formulación de las resinas epoxi no solo se mejore la respuesta mecánica de la matriz sino que también se le añadan nuevas funcionalidades como son el caso de la conductividad eléctrica o térmica. Sin embrago, a pesar de las increíbles propiedades intrínsecas de los CNTs, la extrapolación de dichas propiedades de la nanopartícula a todo el material compuesto supone el gran reto en el desarrollo de estos nanocompuestos poliméricos. Los factores clave para lograr dicho objetivo pasan por alcanzar una dispersión óptima de los CNTs, una buena interfase carga/matriz y la orientación adecuada de la nanocarga. Mientras el desarrollo de los compuestos basados en CNT/polímero maduraba, en 2004 se descubrió por primera vez las láminas aisladas de grafeno. Este hecho, junto con el posterior avance en los métodos de síntesis de grafeno reducido en grandes cantidades hizo que apareciera una nueva posibilidad dentro del campo de los nanocompuestos basados en nanoestructuras de carbono. Al igual que los anteriores, los nanocompuestos de grafeno y resina poseen gran potencial pero su desarrollo también presenta los mismos obstáculos que en el caso de los CNTs en términos de dispersión, aglomeración, adhesión, etc. Sin embargo, la geometría plana del grafeno puede conferir ciertas peculiaridades y diferencias en cuanto a los medios de dispersión más óptimos, el procesado y las propiedades finales de sus nanocompuestos en comparación con los CNTs. En este contexto, esta tesis doctoral tiene como principal premisa el desarrollo y la comparación de nanocompuesos de CNTs y grafeno en una matriz epoxídica. Los objetivos específicos que se definieron vienen desglosados en los siguientes puntos: - Comparar y evaluar las diferencias de las propiedades reológicas de las dispersiones de CNTs y grafeno, estudiar el efecto de las nanopartículas en la reacción de curado con aminas y comparar las propiedades finales de os nanocompuesos curados térmicamente. - Desarrollar nuevas técnicas de caracterización de polímeros termoestables y de seguimiento de reacciones de curado de resinas basadas en experimentos de resonancia magnética nuclear (RMN) de bajo campo. - Emplear la tecnología de curado ultravioleta para producir filmes epoxídicos con CNTs y grafeno. Analizar la influencia de las cargas en el proceso de fotopolimerización y en las propiedades finales de los filmes fotocurados. Producir filmes con alta conductividad eléctrica. - Desarrollar una estrategia bottom-up basada en la nanoestructuración de la resina epoxi usando copolímeros de bloque para mejorar la tenacidad de los nanocompuestos. - Producir y caracterizar espumas epoxídicas de baja densidad con alta conductividad eléctrica.