Development, characterisation and properties of nanophases, nanofluids and nanomaterials

Resumen

Resumen de la tesis: La acumulación de plásticos de uso cotidiano derivados de combustibles fósiles supone un gran problema medioambiental a nivel global. Una de las estrategias que se siguen para solucionar este problema es el empleo de bioplásticos. Estos bioplásticos, aunque presentan numerosas propiedades de elevado interés, por lo general presentan peores propiedades mecánicas que los polímeros convencionales, de ahí que se modifiquen con nanofases, nanofluidos y nanomateriales. Esta tesis se centra en el desarrollo, la caracterización y el estudio de las propiedades de diferentes nanomateriales, líquidos iónicos, nanofluidos y nanocomposites. El bioplástico seleccionado como matriz polimérica es el ácido poliláctico (PLA). Los nanomateriales utilizados son el óxido de grafeno (GO) y el óxido de zinc (ZnO). Los líquidos iónicos utilizados son los líquidos iónicos apróticos Hexafluorofosfato de 1-butil-1-metilpirrolidinio (LPI104), Hexafluorofosfato de 1-hexil-3-metilimidazolio (LP106), Hexafluorofosfato de 1-butil-3-metilimidazolio (LP104), Tetrafluoroborato de 1-hexil-3-metilimidazolio (L106) y Tetrafluoroborato de 1-butil-3-metilimidazolio (L104) y el líquido iónico prótico Salicilato de Bis(2-hidroxietil)amonio (DSa). Se desarrollaron dos nuevos nanofluidos, el primero, combinando el líquido iónico LPI104 con el nanomaterial GO y el segundo combinando el líquido iónico prótico DSa con nanopartículas de ZnO. Este segundo nanofluido se desarrolló en la Østfold University College (Fredrikstad, Noruega), donde el doctorando realizó su estancia doctoral. Todos y cada uno de los líquidos iónicos, nanofases y nanofluidos se incorporaron a la matriz polimérica. Se realizó una caracterización de la matriz polimérica, de los líquidos iónicos, de los nanomateriales, de las nanofases y de los nuevos nanocomposites desarrollados. Se han utilizado numerosas técnicas de caracterización y ensayo de materiales como microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía electrónica de transmisión (TEM), difracción de rayos X (XRD), espectroscopía infrarroja (FTIR), espectroscopía Raman, calorimetría diferencial de barrido (DSC), análisis termogravimétricos (TGA), ensayos reológicos, medida del ángulo de contacto, microscopía de luz polarizada, microperfilometría, espectroscopía ultravioleta-visible (UV), dureza, análisis dinamo-mecánico (DMA) y ensayos tribológicos. Se realizó la calibración y puesta a punto del sistema de extrusión. Previo al procesado de los materiales se estudió la procesabilidad de la matriz polimérica. Una vez conocidas las condiciones óptimas de extrusión se procedió al procesado de todos y cada uno de los nanocomposites desarrollados en la tesis. Se evaluó la reología de los nuevos nanofluidos estudiando la influencia de la concentración de la nanofase con la temperatura del ensayo y el gradiente de cizalla. Se estudió cómo la modificación del PLA con los diferentes nanomateriales, líquidos iónicos y nanofluidos altera el comportamiento viscoelástico del polímero a través de ensayos oscilatorios evaluando la influencia de la temperatura. Una de las limitaciones que presentan los bioplásticos es su escasa resistencia a la fricción y al desgaste. Para dar solución a esta problemática, se pueden aplicar lubricantes sobre la superficie del polímero o bien modificar el polímero para mejorar sus propiedades tribológicas. Mediante ensayos tribológicos se puede determinar el coeficiente de fricción del polímero en seco, del polímero con un lubricante en la superficie y del polímero modificado para analizar el efecto de los líquidos iónicos y los nanofluidos sobre las propiedades tribológicas. Tras los ensayos tribológicos, se estudiaron las huellas de desgaste con la ayuda de un microperfilómetro, evaluando el daño superficial generado tras el ensayo y comparando las diferentes tasas de desgaste. Se ha observado que todos los líquidos iónicos y todos los nanofluidos utilizados reducen el coeficiente de fricción y el daño superficial cuando se utilizan como lubricantes externos sobre el polímero. Cuando se utilizan como lubricantes internos se observa que los líquidos iónicos apróticos que contienen el anión hexafluorofosfato no mejoran las propiedades tribológicas del polímero ni reducen el daño superficial. En cambio, tanto los líquidos iónicos apróticos que contienen el anión tetrafluoroborato, como el líquido iónico prótico y el nanofluido preparado a partir del líquido iónico prótico con óxido de zinc reducen notablemente el coeficiente de fricción de la matriz polimérica y el daño superficial. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/