Estudio de plasmas de microondas a presión atmosférica para su uso en el tratamiento de superficies metálicas de interés industrial
- Autores: Francisco Javier Morales Calero
- Directores de la Tesis: Rocío Rincón Liévana (dir. tes.), José Muñoz Espadero (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2025
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Nerea Bordel García (presid.), Antonio José Cuesta Vázquez (secret.), Luc Stafford (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Computación Avanzada, Energía y Plasmas por la Universidad de Córdoba
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
En el presente trabajo de tesis se aborda el uso de plasmas de microondas a presión atmosférica para modificar las propiedades superficiales de materiales ampliamente empleados en la industria, como el aluminio y el acero inoxidable. Estas modificaciones se realizarán mediante dos enfoques distintos: en primer lugar, mediante el tratamiento directo de las superficies con plasmas y postdescargas; y, en segundo lugar, mediante la formación de coberturas de grafeno sobre las superficies metálicas.
El primer método desarrollado para modificar las propiedades superficiales de metales se basa en el uso de plasmas y postdescargas de microondas a presión atmosférica generados con mezclas de Ar, Ar-N2 y Ar-N2O mediante un dispositivo surfatrón. Se realiza un estudio fundamental de estas postdescargas, una región caracterizada por temperaturas reducidas y baja densidad de especies cargadas, mediante Espectroscopía Óptica de Emisión. Se propone un esquema cinético para interpretar las emisiones detectadas en los espectros de emisión y se lleva a cabo una caracterización de los plasmas de Ar-N2O, evaluando su capacidad para romper la molécula de óxido nitroso y convertirla en especies reactivas de oxígeno y nitrógeno. Las mediciones de temperatura confirman la idoneidad de estas postdescargas para el tratamiento de superficies termosensibles.
Tras este estudio básico, tanto los plasmas como las postdescargas son aplicados para la limpieza y activación de superficies metálicas, demostrando excelentes resultados. Ensayos de gota yacente revelan que las descargas generan un aumento más significativo que las postdescargas en la mojabilidad, logrando incluso supermojabilidad. Análisis mediante Espectroscopía de Fotoelectrones de Rayos X indican que los cambios en la mojabilidad están asociados con modificaciones en la composición química superficial. Mediciones de energía libre superficial muestran que las postdescargas logran niveles de activación similares a los obtenidos con las descargas, posicionándose como una herramienta altamente efectiva con la ventaja de minimizar el daño térmico y el bombardeo iónico.
Finalmente, se aborda el segundo método: la formación de depósitos de grafeno sobre superficies metálicas. Se comienza con una caracterización fundamental del plasma de Ar generado mediante la antorcha TIAGO. Este plasma presenta dos zonas: un núcleo central "dardo" y una envoltura más tenue "pluma". Se obtiene que la densidad electrónica no depende de la potencia suministrada al plasma y que, axialmente, experimenta una disminución lineal en el dardo, alcanzando valores significativamente más bajos en la pluma. Estas propiedades son características de un plasma de onda de superficie. Además, se detecta la zona de radiación, estimándose pérdidas de energía en esta región del 43 %. Para la síntesis de grafeno, se introduce etanol vaporizado en el plasma previamente caracterizado. Con el fin de minimizar las pérdidas de energía por radiación durante el proceso de síntesis, se implementa un blindaje electromagnético alrededor del reactor, actuando como una caja de Faraday. Este diseño incrementa la tasa de producción de grafeno en un 23 %, preservando las propiedades estructurales del grafeno generado.
Por último, la formación de depósitos de grafeno sobre superficies metálicas se explora utilizando dos métodos: un método en tres pasos, que consiste en sintetizar el grafeno, dispersarlo y aplicarlo sobre la superficie, y un método directo, en el cual la cobertura de grafeno se forma de manera simultánea a la síntesis. Ambos son optimizados, logrando que el grafeno proporcione a las superficies un comportamiento superhidrofóbico, propiedad de gran interés, ya que el agua es uno de los principales agentes que inducen la corrosión y la degradación superficial. Este método en tres pasos logra cambios permanentes en la mojabilidad de las superficies, incluso después de la eliminación del grafeno por fricción mecánica. Por otro lado, el método directo resulta ideal para obtener coberturas más gruesas y homogéneas.
