Fabricación de materiales porosos a partir de polvos nanométricos y submicrométricos mediante la técnica de solidificación direccional

• Autores: Pedro Javier Lloreda Jurado
• Directores de la Tesis: Pedro J. Paúl (dir. tes.), Ranier Enrique Sepúlveda Ferrer (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2022
• Idioma: español
• Número de páginas: 434
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen
  • español

    Hoy en día, las espumas despiertan interés gracias al sin fin de aplicaciones que ofrecen en variados campos debido principalmente a la versatilidad de propiedades físicas, químicas, mecánicas, e incluso catalíticas, que presentan en función de la cantidad, tamaño y morfología de su porosidad, así como la naturaleza del material que la conforma. Estas espumas pueden conformarse empleando diversas técnicas de fabricación. Sin embargo, la técnica de freeze casting, destaca sobre las demás debido a su sencillez, coste asequible, posibilidad de escalado, así como la posibilidad que ofrece para desarrollar morfologías de poro singulares. Partiendo de dispersiones estables de cualquier tipo de partículas, esta técnica es capaz de producir espumas con porosidades a la carta en función del medio vehicular escogido y de los parámetros, como el gradiente térmico y la velocidad del frente de solidificación, que se establezcan durante el proceso de solidificación. La versatilidad de esta técnica permite modificar la cantidad, el tamaño y la morfología de los poros creados, buscando la máxima eficiencia en la aplicación final que se quiera destinar la espuma. Además, poder emplear partículas de cualquier material susceptible de ser suspendido en el medio vehicular, permite abarcar un amplio abanico de aplicaciones. A pesar de todas las posibilidades que ofrecen las espumas conformadas mediante freeze casting, las aplicaciones que ganan más peso a día de hoy son aquellas destinadas a la producción de energías renovables debido a la necesidad actual de una transición hacia la descabonización de las fuentes de energía que cubren la demanda energética de la industria, el transporte y la población en general. Así como como la elaboración de componentes para la disipación de calor en dispositivos electrónicos, debido a las dificultades que presenta su fabricación por medios convencionales. Aunque son aplicaciones diferentes, comparten ser materiales con una porosidad micrométrica controlada, así como el alto valor añadido de los productos finales y la vigencia actual de dar solución a ambas necesidades. Es por ello que, la presente Tesis Doctoral se ha centrado en estudiar los parámetros determinantes en la fabricación de espumas a la carta mediante la técnica de freeze casting. Canfeno ha sido empleado como líquido vehicular para facilitar los procesos de solidificación y liofilizado, a la par que obtener canales porosos dendríticos con altos valores de tortuosidad e interconectividad. Además, las dispersiones se han compuesto de partículas nanométricas y submicrométricas para permitir la obtención de canales micro-porosos. Siendo todas ellas características deseadas para el desempeño eficiente de las aplicaciones finales. Asimismo, como paso previo a la solidificación, ha sido objeto de esta Tesis un estudio del proceso de elaboración de las dispersiones empleadas en freeze casting con el fin de alcanzar una estabilidad que permita optimizar la redistribución y empaquetamiento de las partículas durante la solidificación, permitiendo obtener en el material canales porosos con mayor definición. Dependiendo de la aplicación a la que se vayan a destinar las espumas, se ha optado por emplear en las dispersiones: Partículas de óxido de níquel para la elaboración de mechas para caloductos (LHP). Se apuesta por el empleo de dispersiones de canfeno con estas partículas para conformar en freeze casting una esponja de porosidad gradiente y direccionada, que aúne en un solo elemento las dos partes que tradicionalmente han compuesto las mechas de los caloductos, evitándose así perdidas de calor y presión a lo largo del capilar que suelen darse en la unión mecánica de sus partes cuando se fabrican de manera independiente. Además, el óxido de níquel, al reducirse a su estado metálico es capaz de soportar las condiciones de humedad y temperatura, bajo las que operan las mechas, sin sufrir corrosión. Partículas de óxido de hierro para la elaboración de espumas destinadas a procesos de SIP para la producción, purificación y almacenamiento de hidrógeno. Las espumas elaboradas por freeze casting a partir de dispersiones estables de estas partículas en canfeno, permiten disponer de una gran cantidad de porosidad direccionada e interconectada, la cual aumenta la reactividad del material para llevar a cabo los ciclos redox que almacena y libera el hidrógeno. Actualmente, el principal obstáculo a superar, es la reducida vida útil del material empleado, debido al colapso que experimenta su porosidad ante los sucesivos ciclos redox durante su funcionamiento. En la presente Tesis se pretende estudiar estos fenómenos y tratar de solventarlos a través del control de la porosidad en freeze casting y por medio del empleo de dopantes que catalicen las reacciones que tienen lugar en el material.

  • English

    Today, foams arouse interest thanks to the endless applications they offer in various fields, mainly due to the versatility of physical, chemical, mechanical, and even catalytic properties, depending on the amount, size, and morphology of their porosity, besides the nature of the material that makes it up. These foams can be elaborated through different manufacturing techniques. However, freeze casting is highlighted above the rest because it is simple, affordable, scalable, and enables to development of unique pore morphologies. This technique can produce tailored foams from stable dispersions of any particle depending on the dispersion medium chosen and the parameters established during the solidification, like the thermal gradient or the solidification rate. The versatility of this technique allows modifying the quantity, size, and morphology of the pores created, seeking maximum efficiency in the final application to which the foam is intended. In addition, the possibility of using particles of any material that can be suspended in the vehicular medium makes it possible to cover a wide range of applications. Despite all the possibilities offered by foams fabricated by freeze casting, the applications that gain prominence today are those destined for the production of renewable energies due to the current need for a transition towards the decarbonization of energy sources that could cover the demand of the industry, transport, and the general population. Furthermore, those that development of devices for the dissipation of heat in electronic devices, due to the difficulties that their manufacture presents by conventional means. Although they are different applications, they share some similarities as being materials with controlled micrometric porosity, being products with high added-value, or the currency of both needs of being solved. That is one of the reasons why this thesis has focused on studying the determining parameters in the manufacture of foams on-demand using the freeze casting technique. Camphene has been used as a vehicle liquid to facilitate solidification and lyophilization processes. Besides obtaining dendritic porous channels with high values of tortuosity and interconnectivity. In addition, the dispersions have been composed of nano-metric and sub-micrometric particles to allow obtaining of micro-porous channels. All these characteristics, for the efficient performance of the final applications, are desired. Likewise, this thesis has aimed to understand the elaboration of the dispersions employed later in freeze casting. Looking thus, to achieve its stability, and optimize the packing of the particles during the solidification process to obtain porous channels with a higher definition in the material. Depending on the application where it will be used foams, the particles chosen for the dispersion are the following: Nickel oxide particles for the production of wicks for loop heat pipes (LHP). Camphene-base dispersions of this kind of particles have been used in freeze casting to elaborate foams with gradient porosity which lend combine wicks as a single element instead of being composed of two as usual in traditional LHPs. Thus avoiding heat and pressure losses along the capillary that usually occurs in the mechanical union of its parts when are manufactured separated. In addition, nickel oxide, when reduced to its metallic state, can withstand the humidity and temperature conditions under which the wicks operate without suffering corrosion. Iron oxide particles for the production of foams for iron-steam processes (SIP) for the production, purification, and storage of hydrogen. Foams made by freeze casting from stable dispersions of these particles in camphene allow having a large amount of directed and interconnected porosity, which increases the reactivity of the material to carry out the redox cycles that store and release hydrogen. Nowadays, the main obstacle to overcome is the reduced lifetime of the foams due to the collapse that its porosity experiences in the face of successive redox cycles during its operation. This thesis intended to study these phenomena and try to solve them by controlling its porosity through freeze casting and introducing dopants that catalyze the reactions taking place in the material.