Resumen de Nanoindentación y nanoestructura de compuestos poliméricos basados en grafeno
En esta tesis, se han estudiado una serie de compuestos de diversa complejidad basados en matrices poliméricas y grafeno. Todos ellos son materiales con unos niveles de conductividad eléctrica significativos y la combinación de esta propiedad con unas buenas prestaciones mecánicas permitiría expandir sus aplicaciones en áreas como la electromecánica y la aeronáutica. La investigación se ha centrado en las propiedades mecánicas de compuestos de matrices termoplásticas o elastoméricas con grafeno y su correspondencia con la nanoestructura. Las propiedades mecánicas se han llevado a cabo, principalmente, mediante nanoindentación, bien con nanodurímetros de última generación, o con AFM. El estudio de la nanoestructura se ha basado, fundamentalmente, en difracción de rayos X, incluyendo el uso de fuentes de radiación sincrotrón.
En primer lugar, se han estudiado los cambios en las propiedades mecánicas que la adición de pequeñas cantidades de grafeno produce en matrices termoplásticas, bien de polipropileno o de poli(éter-éter-cetona), un polímero de altas prestaciones. Se ha comprobado que el nanorrefuerzo está homogéneamente disperso, y produce un incremento de las propiedades mecánicas (módulo de almacenamiento, E’, y dureza, H) que está modulado por los cambios inducidos en la nanoestructura de las matrices y en la orientación de los cristales laminares. Además, se ha puesto de manifiesto que la modificación de grafeno con cadenas cortas de la misma naturaleza que la matriz modifica la respuesta del nanocompuesto en condiciones de deformación uniaxial, debido a la orientación del nanorrefuerzo durante la aplicación de la carga.
Las películas de los nanocompuestos con grafeno se alternaron con tejido de fibra de carbono (FC) para crear materiales jerárquicos multilaminares para aplicaciones estructurales. Dado que el punto crítico de estos sistemas es la interfase entre las láminas poliméricas y el tejido de FC, se ha utilizado la nanoindentación para resolver espacialmente sus propiedades. A partir del mapeado mecánico de distintas regiones de los laminados, se han podido obtener las distribuciones de E’ específicas de cada localización, y en función de la cantidad y tipo de grafeno. Se ha podido constatar la aparición de una interfase cuyas propiedades mecánicas se incrementan con el contenido de grafeno. Asimismo, se ha estudiado un biopolímero de poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) como ejemplo de material jerárquico autoensamblado, en el que la nanoindentación ha aportado una nueva visión sobre la disposición de las laminillas cristalinas en la morfología bandeada esferulítica.
Finalmente, se ha estudiado la influencia del grafeno en las propiedades mecánicas y la nanoestructura del copolímero elastomérico en bloque de poli(estireno-b-etileno-co-butileno-b-estireno). Los resultados ponen de manifiesto la importancia de la naturaleza de las cadenas poliméricas (de polietileno o de poliestireno) ancladas a la superficie del grafeno, diseñadas para mejorar la dispersión del refuerzo e interaccionar selectivamente con cada uno de los bloques del copolímero. El grafeno introduce una distorsión en el empaquetamiento de cilindros estirénicos dentro del medio etilénico, aumentando la separación entre cilindros y disminuyendo el tamaño de los dominios morfológicos, en mayor medida para grafeno modificado con polietileno. Ello repercute en las propiedades mecánicas encontradas, para los dos tipos de modificación, con el nanodurímetro y el AFM. Además, esta última técnica ha permitido identificar las propiedades individuales de las fases etilénica, estirénica y del grafeno.
