Resumen de Estrategias de funcionalización de grafeno para el desarrollo de nanocompuestos de matriz termoplástica
- español
El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de nanocompuestos poliméricos multifuncionales basados en grafeno, con potencial aplicación en sectores como el de la automoción y el aeronáutico. Se investigan tres polímeros termoplásticos con propiedades muy diferentes pero todos de gran relevancia industrial: un elastómero termoplástico, poli(estireno-b-etileno-cobutileno- b-estireno) (SEBS), una poliolefina, polipropileno isotáctico (iPP), y un polímero de altas prestaciones, poli(éter éter cetona) (PEEK). Con la incorporación del grafeno se pretende obtener materiales con mejor estabilidad térmica y propiedades mecánicas, y que presenten conductividad eléctrica. En esta tesis se desarrollan estrategias de funcionalización del grafeno específicas para cada matriz termoplástica y se preparan nanocompuestos poliméricos empleando grafeno modificado y sin modificar como carga. Se estudia la influencia que la modificación química ejerce sobre la morfología de fases del nanocompuesto y sobre la estructura cristalina del material resultante. Del mismo modo, se evalúa la estabilidad térmica de cada uno de los sistemas obtenidos y se determinan sus propiedades mecánicas y eléctricas, para establecer la efectividad de la modificación química en la obtención de nanocompuestos con mejores propiedades. Los resultados indican mejoras en la dispersión del grafeno modificado con cadenas poliméricas cortas de naturaleza similar a la de la matriz polimérica objetivo. Esto da lugar, generalmente, a nanocompuestos con superior estabilidad térmica y mejores propiedades mecánicas y eléctricas en comparación con el empleo de grafeno sin funcionalizar.
Además, algunos de los nanocompuestos de iPP y PEEK se exploraran para el desarrollo de materiales compuestos con jerarquía de refuerzo, donde se combina tejido continuo de fibra de carbono (refuerzo en la microescala) y grafeno (refuerzo en la nanoescala). Con la incorporación de grafeno al sistema multicapa convencional, es decir, fibra de carbono/polímero, se pretende mejorar las propiedades interlaminares del sistema, que son las principales causantes de su fallo mecánico.
No obstante, la preparación de sistemas multicapa donde se combinan refuerzos en la micro- y nano-escala es muy complejo, ya que no solo hay que conjugar factores de dispersión e interacción de la nanocarga, sino que también se ven influenciados por factores como la viscosidad e impregnación de la fibra, siendo estos últimos de especial dificultad en el caso de emplear matrices termoplásticas.
- English
The main objective of the thesis research is the development of advanced polymer nanocomposites based on graphene, with the aim of producing multifunctional materials suitable to be used in demanding sectors such as the automotive and the aeronautic industry. Three thermoplastic polymer matrixes of important relevance for the industry are selected: a thermoplastic elastomer, poly(styrene-b-ethylene-co-butylene-b-styrene) (SEBS), a polyolefin, isotactic polypropylene (iPP) and a high performance polymer, poly(ether ether ketone) (PEEK). Graphene incorporation is aimed to simultaneously improve both thermal stability and mechanical properties, and also to provide the new material with electrical conductivity. In this thesis, specific strategies for graphene functionalization are developed according to the targeted polymer matrix and polymer nanocomposites with graphene or modified graphene are prepared. The aim is to investigate the influence that graphene modification exerts on nanocomposite phase morphology and on the crystalline morphology of the resulting material. Furthermore, the thermal stability of each system is assessed and their mechanical and electrical properties are determined, with the aim of evaluating the suitability of the graphene chemical modification to develop nanocomposites with enhanced properties. The results suggest that modifying graphene with short polymer chains similar in nature to those of the targeted polymer matrix improve its dispersion. As a result, nanocomposites with superior thermal stability and better mechanical and electrical properties than in the case of the non-functionalized graphene are typically produced. In addition, some iPP and PEEK nanocomposites are explored in the preparation of composite materials hierarchically reinforced with carbon fibre fabric (microscale reinforcement) and graphene (nanoscale reinforcement). The purpose of incorporating graphene to the conventional composite (fibre reinforced polymer composite) is to improve its interlaminar properties, which are the main cause of catastrophic failure in this type of systems. Nonetheless, the preparation of composite materials where micro- and nano-scaled reinforcements are combined is very complex, since not only the filler dispersion and its interaction with the matrix need to be considered, but additional parameters such as matrix viscosity and fibre impregnation are of special relevance, especially in the case of thermoplastic matrices.
