Síntesis y caracterización de nanomateriales para fabricación aditiva

Resumen

En el contexto de la fabricación industrial, los procesos de fabricación aditiva han adquirido una importante relevancia, toda vez que, además de su clásica aplicación en prototipado rápido, desde los años 80 del pasado siglo se vienen desarrollando una serie de técnicas que han ido encontrando acomodo en la producción de piezas funcionales, con geometrías complejas y alto valor añadido. Las tecnologías de fabricación aditiva, siguiendo un determinado principio físico-químico de funcionamiento, dan lugar a la construcción de piezas por deposición de material capa a capa, lo que supone un ahorro en tiempo y material respecto a procesos convencionales de fabricación. De lo antedicho se justifica el creciente interés científico en la investigación de materiales que aumenten el catálogo y las prestaciones de los actualmente disponibles. Conforme a este interés y a la también prolífica actividad tecnológica en años recientes se prevé un crecimiento sostenido tanto en el desarrollo de nuevas tecnologías como en el diseño y mejora de los materiales implicados en fabricación aditiva. La presente Tesis se presenta con la vocación de generar conocimiento en este sentido, esto es, en el diseño de rutas de síntesis optimizadas para la obtención de nuevos materiales, que sean de utilidad como materiales de partida en técnicas de fabricación aditiva. Para ello, se han efectuado una serie de modificaciones en base a materiales poliméricos de uso extendido, particularmente a través de la introducción de aditivos y cargas, al objeto de lograr la potenciación y eventual mejora de las propiedades mecánicas y funcionales de dichos materiales prístinos. Esta Tesis se ha desarrollado en un grupo de investigación con amplia trayectoria en la caracterización de materiales con alguna de sus dimensiones en el orden nanométrico. Dichos materiales se denominan nanomateriales. Desde esta perspectiva, la Tesis viene a abrir campo dentro de la nueva línea de investigación del grupo en materiales para fabricación aditiva, en una suerte de fusión de los conocimientos ya asentados y la innovación en los materiales. Por ello, la motivación principal de la Tesis ha consistido en la dispersión de nanomateriales en matrices poliméricas, obteniéndose nanocomposites, de forma que se minimice la aditivación y se maximice la reivindicada mejora de propiedades. A esta sazón se han desarrollado materiales de utilidad en dos técnicas de fabricación aditiva: modelado por deposición de fundido, consistente en la construcción de piezas por adición de capas de material termoplástico fundible y estereolitografía, basada en la fotopolimerización de resinas termoestables. Para la técnica de modelado por deposición de fundido se han desarrollado dos trabajos: uno basado en una matriz de ácido poliláctico/polihidroxialcanoato y el otro en una matriz de terpolímero acrilonitrilo butadieno estireno, como termoplásticos dispersantes. La mejora de propiedades mecánicas, térmicas, ópticas y eléctricas se ha logrado por la dispersión de nanopartículas de Ag y nanoláminas de grafito y Al, Sn y las citadas nanoláminas de grafito respectivamente. Por su parte, para la técnica de estereolitografía se han desarrollado tres trabajos: dos de ellos basados respectivamente en la dispersión de Al y nanopartículas de Au soportadas sobre nanoláminas de óxido de grafeno en una resina acrílica comercial, de aplicación en una impresora de estereolitografía, para la mejora de propiedades mecánicas, térmicas y ópticas. El tercer trabajo se dedicó a la preparación de membranas nanocomposites, por dispersión de grafeno en una matriz de polisulfona, en una aproximación exploratoria previa al desarrollo de materiales procesables mediante una técnica de estereolitografía con precisión submicroscópica. A través de una profunda caracterización, por medio de microscopías electrónicas, de fuerza atómica, espectroscopias y diferentes ensayos, se ha logrado elucidar la relación síntesis-estructura-propiedades de los materiales desarrollados. En la presente Tesis se han desarrollado materiales con propiedades excelentes, potencialmente aplicables en dispositivos optoelectrónicos, eléctricos y con propiedades mecánicas mejoradas. Los resultados de la Tesis han abierto varias líneas de investigación susceptibles de ser continuadas en el trabajo futuro del grupo de investigación.