Desarrollo de materiales compuestos jerárquicos basados en fibra de carbono continua y nanopartículas de grafeno

Resumen

La Tesis Doctoral está organizada en cinco capítulos donde se presentan y discuten los resultados obtenidos: En el Capítulo 1 se ha llevado a cabo un estudio en profundidad del estado en el que se encuentra la investigación con materiales compuestos jerárquicos. Se trata de una revisión bibliográfica sobre los aspectos claves en la producción materiales compuestos jerárquicos: métodos de incorporación de las nanopartículas, métodos de fabricación del material multiescalar, y efecto de las nanopartículas sobre las propiedades mecánicas y transporte del material. En el Capítulo 2 se estudia la síntesis y caracterización morfológica y estructural de diferentes TRGOs, obtenidos por dos métodos de oxidación (Brodie y Hummers), y posterior reducción térmica del óxido de grafito a distintas temperaturas, 700, 1000 y 2000 °C. Los TRGOs obtenidos se han caracterizado por numerosas técnicas tales como desorción a temperatura programada, análisis termogravimétrico, análisis elemental, superficie específica BET, espectroscopia UV, XPS, Raman, rayos X y técnicas microscópicas como AFM, SEM o TEM. En el Capítulo 3 se detalla la preparación y caracterización de nanocompuestos de resina epoxi/TRGO. Se evalúa el método óptimo de incorporación del TRGO en la resina epoxi, y el efecto de los diferentes TRGOs sobre la procesabilidad, morfología, cinética de curado, propiedades mecánicas y conductividad eléctrica de los nanocompuestos poliméricos. En el Capítulo 4 se describe la fabricación de los materiales compuestos jerárquicos mediante un proceso de infusión de resina asistida por vacío. Se estudia el efecto del método de incorporación de las nanopartículas en las propiedades mecánicas del material jerárquico. Se comparan las propiedades de los materiales preparados con CNTs y TRGOs como fase nanométrica. En el Capítulo 5 se resumen las conclusiones generales obtenidas y se indican algunas pautas para la continuación de la línea de investigación. RESULTADOS Y CONCLUSIONES La estructura y morfología del TRGO varía en función del método de oxidación y de la temperatura de exfoliación. Los óxidos de grafito (GOs) obtenidos por Hummers tienen mayor contenido de grupos oxigenados que se eliminan fácilmente con la temperatura, restaurándose la red de carbono Csp2. Por su parte, los TRGOs obtenidos Brodie están formados por láminas de menor tamaño y de mayor área superficial. Se observa en ambos GOs que a medida que aumenta la temperatura de exfoliación aumenta la relación ID/IG, disminuye la cantidad de grupos oxigenados y disminuye el área superficial del TRGO. Controlando la síntesis del TRGO y las condiciones del método de dispersión es posible obtener nanomateriales con propiedades ¿a medida¿. Para fabricar materiales con buenas propiedades mecánicas es conveniente utilizar TRGOs oxidados por el método de Hummers y reducidos a 700 °C, mientras que para obtener materiales con buenas propiedades transporte es preferible TRGOs oxidados por el método de Brodie y reducidos a 2000 °C. Se ha demostrado que el mezclado por calandra y la aerografía son dos métodos sencillos y fácilmente escalables para incorporar nanopartículas de carbono a materiales compuestos convencionales. La limitación de la calandra viene dada por el aumento de la viscosidad de la resina al adicionar las nanopartículas, lo que dificulta el posterior proceso de infusión. En el caso de los CNTs, ocurre a concentraciones alrededor del 0.5 % en peso. La aerografía permite incorporar concentraciones superiores de nanopartículas. No se han observado diferencias significativas entre ambas nanopartículas en las propiedades del material jerárquico. En general, las nanopartículas apenas tienen efecto sobre las propiedades dominadas por la fibra pero sí se observa una mejora de las propiedades a través del espesor del laminado, resistencia a cortadura interlaminar y la tenacidad a fractura interlaminar en modo I estático, en alrededor de un 20 %.