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http://ciqa.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1025/616| Estudio y desarrollo de nanocompósitos con conductividad térmica mejorada basados en polietileno de alta densidad obtenidos por la incorporación vía mezclado en fundido de partículas de grafito y nitruro de boro tratadas en plasma de etileno | |
| JOSÉ JAVIER BORJAS RAMOS | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución-NoComercial-SinDerivadas | |
| Doctorado en tecnología de polímeros | |
| En este trabajo se desarrollaron y estudiaron compósitos poliméricos con conductividad
térmica mejorada basados en HDPE-Grafito (GN) y HDPE-Nitruro de boro hexagonal
(hBN), respectivamente. Cabe aclarar que para los materiales HDPE-GN el tamaño de
partícula del material reforzante (GN) es de 105 μm y para los materiales HDPE-hBN el
tamaño de partícula fue de 70 nm, por tanto en adelante es conveniente usar el término
“compósito” para referirnos a los materiales HDPE-GN y nanocompósito para los
materiales HDPE-hBN. Estos materiales fueron preparados vía mezclado en fundido.
Ambas partículas de refuerzo (GN y hBN) fueron previamente tratadas mediante plasma
frío de etileno a dos condiciones distintas: 100W por 5 minutos (100W-5min) y 100W
por 60 minutos (100W-60min).
Con la finalidad de estudiar el efecto que tiene el tratamiento de modificación superficial
con plasma frío de etileno sobre las propiedades superficiales y morfológicas, partículas
de GN y nanopartículas de hBN puras y tratadas, fueron caracterizadas por análisis
termogravimétrico (TGA), espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS),
espectroscopia infrarroja (IR), espectroscopia Raman (solo las partículas de GN),
difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM, solo las
partículas de GN) y microscopía electrónica de transmisión (TEM, solo las nanopartículas
de hBN).
Los resultados de la caracterización indican la presencia de polietileno de plasma depositado sobre la superficie del GN y hBN como resultado del tratamiento por plasma. En el caso del GN se depositó material polimérico en forma de partículas de tamaño y forma irregular las cuales incluso penetraron entre las diversas capas de grafito pero sin modificar su distancia intercapa. Por otro lado, sobre las nanopartículas de hBN se logró depositar un recubrimiento polimérico en forma de film de espesor irregular. En ambos casos, los resultados indican que la estructura cristalina de las partículas de GN y hBN disminuye después del tratamiento por plasma. Después del proceso de modificación y caracterización de partículas de GN y hBN se procedió a la obtención vía mezclado en fundido de compósitos y nanocompósitos poliméricos basados en HDPE. Se prepararon compósitos cargados con partículas de GN puras y tratadas a diferentes niveles de carga: 1%, 3%, 8%, 15% y 30% (en peso). Cabe señalar que los compósitos de HDPE-GN cargados al 30 % (en peso) fueron evaluados únicamente por MDSC ya que para la aplicación de los modelos de predicción térmica empleados es preciso determinar la conductividad térmica a altos niveles de carga para así evaluar la exactitud de los modelos empelados en relación a los valores experimentales a bajos y altos niveles de carga. Para los nanocompósitos cargados con partículas de hBN puras y tratadas se utilizaron los mismos niveles de carga antes mencionados con excepción del nivel al 30% (en peso) ya que en este punto los resultados obtenidos experimentalmente indican que las propiedades de conducción térmica exhibidas por los nanocompósitos HDPE-hBN decaen drásticamente, razón por la cual dichos resultados no son discutidos en este documento. En la caracterización de estos materiales poliméricos se emplearon las siguientes técnicas de análisis: calorimetría diferencial de barrido modulado (MDSC, según la norma ASTM E1952-11), análisis termogravimétrico (TGA), difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM, para los compósitos HDPE-GN), microscopía electrónica de transmisión (TEM, para los nanocompósitos HDPE-hBN), módulo de Young (según la norma ASTM D638-14). De manera general, los resultados de la caracterización de los materiales HDPE-GN y HDPE-hBN sugieren que aspectos como la estabilidad térmica y la cristalinidad de los compósitos no se ven afectados de forma significativa por la presencia de la carga. Las imágenes obtenidas por SEM (para compósitos HDPE-GN) y TEM (para nanocompósitos HDPE-hBN) indican que las partículas tratadas con plasma de etileno se dispersan mejor en la matriz polimérica con respecto a las partículas puras, esta mejora en la dispersión se traduce en la formación de redes o caminos de conducción térmica. La conductividad térmica y el módulo de Young de los materiales poliméricos obtenidos fue estudiada en función de aspectos como: condiciones de tratamiento, dispersión y contenido de carga. Los resultados indican que el contenido, dispersión y condiciones de tratamiento de la carga contribuyen en mayor o en menor medida al incremento de la conductividad térmica y del módulo (Young) de estos materiales. Como resultado de una carga mejor dispersa en el seno de la matriz polimérica y la consecuente formación de redes o caminos de conducción térmica, los materiales cargados con partículas de GN y hBN previamente tratadas fueron los que presentaron valores de conductividad térmica mayores. Finalmente, se emplearon dos modelos de predicción de conductividad térmica: Modelo de Agari y Nielsen. Es importante mencionar que durante la revisión bibliográfica no hay antecedentes de que estos modelos hayan sido empleados en compósitos y nanocompósitos poliméricos cargados con partículas tratadas con plasma. Estos modelos permitieron predecir con gran precisión la conductividad térmica de los materiales poliméricos preparados, siendo el modelo de Agari el que más se ajusta a los valores experimentales. | |
| 2018 | |
| Trabajo de grado, doctorado | |
| QUÍMICA | |
| Aparece en las colecciones: | Tesis de Doctorado |
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| Tesis DTP Javier Borjas 14 dic 2018.pdf | 6.76 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |