Desarrollo, caracterización y estudio de nuevos polímeros reforzados por dispersión de nanofases y nanofluidos

Abstract

[SPA] La presente tesis trata del desarrollo, caracterización y estudio de nuevos materiales compuestos de polimetilmetacrilato (PMMA) reforzados por dispersión de distintas nanofases basadas en óxido de grafeno. Como nanorrefuerzos se ha utilizado el óxido de grafeno puro (GO) y dos nuevas nanofases de carbono híbridas que se han obtenido mediante la modificación de óxido de grafeno con nanotubos de carbono de pared múltiple (GO-NT) o con líquido iónico (GO-LI). Estas nanofases se han caracterizado antes de incorporarlas a la matriz de polimetilmetacrilato mediante mezcla mecánica y micro-extrusión. Se ha realizado la calibración del sistema de alimentación de material, estableciendo la relación lineal que existe entre el caudal de alimentación al extrusor y la velocidad de giro del alimentador volumétrico, para polimetilmetacrilato. Se ha estudiado la procesabilidad del polímero puro para dos perfiles de temperatura distintos, determinando las ventanas de procesabilidad para distintas condiciones de proceso y se han identificado los valores mínimo y máximo de energía mecánica específica (SME) aplicados en la micro-extrusora de doble husillo corrotante utilizada. Se ha empleado la técnica estadística del diseño de experimentos (DOE) para estudiar la influencia de las variables del proceso sobre las propiedades de los nanocomposites obtenidos. Se ha considerado un experimento factorial completo con cuatro factores (perfil de temperatura, SME, contenido de nanofase y tipo de nanofase) con dos niveles por factor para los tres primeros y tres niveles para el último, así como una réplica. El experimento considerado genera un total de cuarenta y ocho ejecuciones y es de máxima resolución. Se han obtenido las distintas muestras del polímero puro y de los distintos nanocomposites con sus réplicas, según el listado de ejecuciones de forma aleatoria y se han determinado sus propiedades dinámico-mecánicas. Tras el análisis estadístico realizado se ha comprobado que la propiedad dinámico-mecánica más sensible, en la que se detecta mayor influencia es en el módulo de almacenamiento, pues es donde aparecen más factores e interacciones estadísticamente significativos. De acuerdo con los resultados obtenidos en el estudio dinámico-mecánico y en el análisis estadístico, se ha realizado la caracterización completa de las muestras de PMMA puro y de los distintos nanocomposites preparados con el perfil de alta temperatura y para los dos valores seleccionados de SME (alta y baja). La caracterización de los nuevos nanocomposites muestra la influencia de los nanotubos de carbono y del líquido iónico en la dispersión y morfología del óxido de grafeno en la matriz de polimetilmetacrilato. Tanto las nanofases añadidas como las condiciones de extrusión influyen en los máximos de difracción de los materiales extruidos. Aunque las propiedades térmicas de los nuevos nanocomposites son similares a las del polímero puro, las propiedades dinámico-mecánicas varían en función de las condiciones de procesado. Estas variables del proceso tienen mayor incidencia sobre la rigidez de los nanocomposites, especialmente en los preparados con las nanofases híbridas, que sobre el polímero puro. [ENG] This thesis deals on with the development, characterization and study of new polymethylmethacrylate (PMMA) nanocomposites reinforced with the dispersion of different graphene oxide based nanophases. Pure graphene oxide (GO) and other two new hybrid carbon nanophases obtained by modifying graphene oxide with multi-walled carbon nanotubes (GO-NT) or with ionic liquid (GO-LI) have been used as nanofillers. These nanophases have been characterized before being them incorporated into the polymethyl methacrylate matrix by mechanical mixing and micro-extrusion. The calibration of the material feeding system has been carried out, establishing the linear relationship between the PMMA feed rate to the extruder versus the volumetric feeder rpms. The pure polymer processability behavior has been studied for two different temperature profiles in the extruder zones, determining the processability windows for different process conditions but also the extreme values of specific mechanical energy (SME) inputs (minimum and maximum) applied in the twin screw micro-extruder. The design of experiments (DOE) statistical technique was used to study the influence of the process variables on the properties of the nanocomposites. A full factorial experiment design with four factors (temperature profile, SME, nanophase content and nanophase type) with two levels per factor for the first three factors and three levels for the last one, as well as one replicates have been considered. This experimental design 2x2x2x3, with full resolution, generates a total of forty-eight runs. Pure polymer and different nanocomposites pellets with their replicates have been obtained, according to a list of runs randomly executed and their dynamic-mechanical properties have been determined. A statistical analysis has been done to verify the most sensitive dynamic-mechanical property for which the greatest influence has been detected, this is the storage modulus, since it is where more factors and statistically significant interactions appear. According to the results obtained for the dynamic-mechanical study and bearing in mind the statistical analysis, a complete characterization of the pure PMMA samples and the different nanocomposites prepared both with the high temperature profile and the two selected SME values (high and low) has been carried out. The characterization of the new nanocomposites shows the influence of carbon nanotubes and ionic liquid in the dispersion and morphology of graphene oxide in the polymethylmethacrylate matrix. It can be seen that added nanophases but also extrusion conditions influence the maximum value of diffraction of the extruded materials. All materials show similar thermal properties. Dynamic-mechanical properties, in particular storage modulus, show a more pronounced dependence on extrusion conditions for hybrid nanocomposites than for neat polymer.