Nanocompuestos basados en materiales grafénicos para aplicaciones de ingeniería

Resumen

La ingeniería ha evolucionado a lo largo de los siglos unida inseparablemente a la investigación y el desarrollo de los materiales. Tanto es así, que la gran mayoría de los sistemas de ingeniería que han constituido un avance disruptivo o incluso, un cambio de paradigma, han sido posibles gracias al descubrimiento de un nuevo material, hasta el punto de que algunas edades tienen por nombre materiales, como la edad del hierro. Los materiales compuestos y más recientemente, los nanomateriales y los nanocompuestos, son familias de materiales cuyo descubrimiento y desarrollo han hecho posible la aparición de aplicaciones en ingeniería altamente innovadoras. Un material nanocompuesto es aquel material compuesto que tiene al menos un nanomaterial entre sus componentes. De entre todos los nanomateriales investigados para la formación de nanocompuestos, el grafeno es el que más expectación genera en la industria debido a sus propiedades singulares. El grafeno es una forma alotrópica bidimensional del carbono cristalino hexagonal cuyos derivados forman la familia de los materiales grafénicos. Los materiales grafénicos están siendo ampliamente investigados como agentes dopantes de multitud de materiales, debido a que dotan a los nanocompuestos resultantes de propiedades que permiten el diseño de sistemas de ingeniería altamente innovadores. En esta tesis doctoral, presentada por compendio de publicaciones y patentes se describen los trabajos de investigación llevados a cabo en el desarrollo de nanocompuestos basados en materiales grafénicos para aplicaciones de ingeniería. En el primer artículo, "Urethane-acrylate/aramid nanocomposites based on graphenic materials. A comparative study of their mechanical properties", se ha llevado a cabo el estudio comparativo de las propiedades mecánicas de diferentes nanocompuestos de matriz polimérica dopados con materiales grafénicos (nanoplaquetas de grafeno, óxido de grafeno reducido y grafeno prístino de pocas capas). Concretamente, se ha estudiado el efecto que el dopaje con estos tres tipos de materiales grafénicos tiene en las propiedades en tensión, flexión e impacto de Charpy de los nanocompuestos obtenidos. Los resultados mostraron que los nanocompuestos dopados con grafeno prístino de pocas capas tuvieron el mayor incremento en todas las propiedades mecánicas evaluadas, alcanzando mejoras significativas en comparación con los laminados sin dopar. Estos nanocompuestos presentaron una baja densidad, alta relación fibra-resina, dispersión homogénea del nanorefuerzo y fácil escalabilidad. Estos resultados destacan el potencial del uso de los nanocompuestos uretano-acrilato/aramida dopados con grafeno en aplicaciones que requieran propiedades mecánicas mejoradas. En el segundo artículo, "Ibuprofen removal by graphene oxide and reduced graphene oxide coated polysulfone nanofiltration membranes", se analiza el efecto que la modificación de membranas de nanofiltración de polisulfona mediante óxido de grafeno y óxido de grafeno reducido tiene en la eliminación del contaminante emergente ibuprofeno. Se realizó un estudio de la morfología y la composición de las membranas modificadas y no modificadas, así como de su permeabilidad al agua y sus flujos de permeado y coeficientes rechazo a diferentes concentraciones de ibuprofeno y presiones de trabajo. Los resultados mostraron que las membranas modificadas con óxido de grafeno y óxido de grafeno reducido presentan menores permeabilidades de agua y flujos de permeado, y mayores coeficientes de rechazo de ibuprofeno que las membranas no modificadas, obteniéndose el mayor coeficiente de rechazo de ibuprofeno en las membranas modificadas con óxido de grafeno reducido. La primera patente, "Morteros de cemento dopados con nanomateriales grafíticos y grafénicos con conducción termoeléctrica", se refiere al diseño y desarrollo de la formulación y del procedimiento para la preparación de un material nanocompuesto de matriz cerámica dopado con materiales grafíticos y grafénicos conductor del calor y la electricidad. Así mismo, se detallan una formulación y un procedimiento de preparación preferentes para la obtención de placas rígidas y revestimientos con una conductividad térmica mayor o igual a 0,5 W/m·K y una resistividad eléctrica menor o igual a 9·10-2 Ohmio·m . La invención se refiere también al producto final de mortero de cemento fraguado obtenido con la citada formulación y mediante el procedimiento descrito. La segunda patente (solicitud), "Revestimiento de matriz polimérica dopada con nanomateriales grafénicos resistente a la corrosión y a la adherencia de vida marina", se refiere al diseño y desarrollo de la formulación y el procedimiento para la preparación de un material nanocompuesto de matriz polimérica a base de resina termoestable de uretano-acrilato dopada con nanomateriales grafénicos y resistente a la corrosión y a la adhesión de la vida marina. Así mismo, se detallan una formulación y un procedimiento de preparación preferentes y una realización particular de la invención para mejorar las propiedades del nanocompuesto. Se ha realizado un análisis comparativo entre las propiedades del nanocompuesto desarrollado y un recubrimiento comercial en un entorno relevante, como son los pozos de aguas fecales del puerto de Valencia (España). Los resultados obtenidos muestran que el nanocompuesto de la invención posee una elevada resistencia a la corrosión y a la adherencia de vida marina.