Desarrollo de materiales compuestos mediante la modificación de matrices de polipropileno por adición de nanofibras de carbono y nanotubos de carbono para su utilización en el sector textil

Abstract

[ES] Los Nanotubos (CNTs) y Nanofibras de Carbono (CNFs) son materiales de nueva generación que tienen características mejores que los materiales convencionalmente utilizados. Los Nanotubos están formados por carbono, siendo su unidad elemental un plano de grafito enrollado cilíndricamente creando tubos de diámetro nanométrico. Por otro lado, las Nanofibras son materiales intermedios entre las habituales fibras de carbono y los CNTs, las cuales se han desarrollado con la finalidad de obtener fibras de carbono nanométricas y pudiendo reemplazar a los CNTs, de una forma más económica y pudiéndose obtener en grandes cantidades. Todo ello, ha llevado a que estos materiales susciten grandes intereses como consecuencia de sus variadas aplicaciones posibles, provocando que se haya trabajado en optimizar y trasladar su proceso de producción a nivel industrial y cada día sean más atractivos.

La conveniencia de utilizar estos productos radica en sus excelentes propiedades mecánicas, alta conductividad térmica y eléctrica, así como buena estabilidad a altas temperaturas. Todo ello hace que este tipo de materiales sea muy interesante para ser empleado como refuerzo en matrices termoplásticas. Sin embargo, los materiales compuestos que se ha conseguido obtener hasta la fecha presentan unas propiedades muy inferiores a las inicialmente esperadas, debido a la naturaleza de los materiales y la elevada incompatibilidad existente entre la matriz polimérica y el nano-refuerzo. Ésta provoca la aglomeración de las partículas y la formación de una interfase polímeronanopartícula de malas propiedades mecánicas, donde la transferencia de tensión entre la matriz y el refuerzo no es efectiva.

En busca de alternativas a esta problemática, el presente trabajo trata de evaluar como evolucionas distintas propiedades, como las mecánicas, térmicas, reológicas y/o eléctricas, en los materiales desarrollados tras la incorporación de distintas cantidades tanto de CNFs como de CNTs a una matriz de Polipropileno, mediante un proceso de mezclado en fundido o compounding.

En un último estudio, se ha analizado cómo evolucionan las propiedades eléctricas o antiestáticas de estos materiales al ser sometidos a subsiguientes procesados con aportes térmicos (Tª) como son la extrusión de monofilamento y la posterior impresión 3D del mismo, para transformarse en una pieza final.

[CA] Els Nanotubs (CNTs) i Nanofibres de Carboni (CNFs) són una nova generació de materials que presenten unes propietats superiors als materials convencionalment utilitzats. Els CNTs són uns materials formats per carboni, on la unitat bàsica és un pla grafític enrotllat que forma un cilindre, formant uns tubs el diàmetre dels quals és de l'ordre d'alguns nanòmetres. Les CNFs per part seua, es consideren com a materials intermedis entre les fibres de carboni convencionals i els CNTs, desenvolupades a fi de produir unes fibres de carboni de grandària nanométrica alternatives als nanotubs, més econòmiques i amb la possibilitat de ser produïdes en grans volums. Tot això, ha portat al fet que aquests materials susciten grans interessos a causa de les seues múltiples possibles aplicacions, provocant que s'haja treballat a optimitzar i traslladar el seu procés de producció a nivell industrial i cada dia siguen més atractius.

La conveniència d'utilitzar aquests productes radica en les seues excel·lents propietats mecàniques, alta conductivitat tèrmica i elèctrica, així com bona estabilitat a altes temperatures. Tot això fa que aquest tipus de materials siga molt interessant per a ser emprat com a reforç en matrius termoplàstiques. No obstant això, els materials compostos que s'ha aconseguit obtindre fins hui presenten unes propietats molt inferiors a les inicialment esperades, a causa de la naturalesa dels materials i l'elevada incompatibilitat existent entre la matriu polimèrica i el nano-reforç. Aquesta provoca l'aglomeració de les partícules i la formació d'una interfase polímer-nanopartícula de baixes propietats mecàniques, on la transferència de tensió entre la matriu i el reforç no és efectiva.

A la recerca d'alternatives a aquesta problemàtica, el present treball tracta d'avaluar com evoluciones diferents propietats, com les mecàniques, tèrmiques, reològiques i/o elèctriques, en els materials desenvolupats després de la incorporació de diferents quantitats tant de CNFs com de CNTs a una matriu de Polipropilè, mitjançant un procés de barrejat en fos o compounding.

En un últim estudi, s'ha analitzat com evolucionen les propietats elèctriques o antiestàtiques d'aquests materials en ser sotmesos a subsegüents processaments amb aportacions tèrmiques (Tª) com són l'extrusió de monofilaments i la posterior impressió 3D d'aquest, per a transformar-se en una peça final.

[EN] Nanotubes (CNTs) and Carbon Nanofibers (CNFs) are a new generation of materials that present superior properties to conventionally used materials. CNTs are materials made of carbon, where the basic unit is a rolled graphite plane that forms a cylinder, forming tubes whose diameter is of the order of a few nanometres. For their part, CNFs are considered as intermediate materials between conventional carbon fibres and CNTs, developed in order to produce nano-sized carbon fibres that are alternatives to nanotubes, cheaper and with the possibility of being produced in large volumes. . All this has led to these materials arousing great interest due to their multiple possible applications, causing work to be done to optimize and transfer their production process to an industrial level and become more attractive every day.

The convenience of using these products lies in their excellent mechanical properties, high thermal and electrical conductivity, as well as good stability at high temperatures. All this makes this type of material very interesting to be used as reinforcement in thermoplastic matrices. However, the composite materials that have been obtained to date have much lower properties than those initially expected, due to the nature of the materials and the high incompatibility between the polymeric matrix and the nanoreinforcement. This causes the agglomeration of the particles and the formation of a polymer-nanoparticle interface with poor mechanical properties, where the transfer of tension between the matrix and the reinforcement is not effective.

In search of alternatives to this problem, this work tries to evaluate how different properties evolve, such as mechanical, thermal, rheological and / or electrical, in the materials developed after the incorporation of different amounts of both CNFs and CNTs to a matrix. Polypropylene, through a melt mixing process or compounding.

In a last study, it has been analysed how the electrical or antistatic properties of these materials evolve when subjected to subsequent processing with thermal inputs (Tª) such as the extrusion of monofilament and the subsequent 3D printing of it, to become a final piece .