Desarrollo de Nanocompositos Poliméricos por Impresión 3D Reforzados con Materiales 2D de Diferente Índole: Propiedades Mecánicas, Térmicas y Eléctricas

Abstract

En la búsqueda de materiales innovadores, la ciencia de materiales se ha consolidado como un campo esencial. Entre estos, los materiales 2D como los dicalcogenuros de metales de transición (TMDCs) como el disulfuro de molibdeno (...), y los MXenes, una nueva familia de materiales 2D, han recibido considerable atención debido a sus propiedades únicas. Estos materiales se destacan por sus sobresalientes propiedades ópticas, mecánicas, eléctricas y térmicas, además de su estructura, gran área superficial y química de superficie ajustables, lo que los convierte en candidatos prometedores para una amplia gama de aplicaciones. Por otro lado, el fluoruro de polivinilideno (PVDF), un polímero reconocido por su alta resistencia dieléctrica y comportamiento piezoeléctrico, además de propiedades mecánicas distintivas, ha despertado un interés significativo en diversas aplicaciones, que van desde la electrónica hasta la biomedicina. La integración de estos materiales en compositos podría mejorar aún más sus propiedades y expandir su uso en campos como la electrónica, la energía y la biomedicina, ofreciendo soluciones avanzadas y versátiles para diversas aplicaciones tecnológicas. Este proyecto se enfoca en el estudio y desarrollo de compuestos de PVDF reforzados con nanopartículas de diferente naturaleza, con el objetivo de mejorar diversas propiedades. Los nanomateriales empleados como refuerzo fueron sintetizados y caracterizados antes de su incorporación en los compuestos. Se estudiaron los parámetros de procesamiento del 𝑀𝑜𝑆2 exfoliado en fase líquida con disolvente orgánico y se monitorearon sus propiedades mediante las caracterizaciones de UV-Vis, XRD, Raman, SEM y TEM. La síntesis de los MXenes a partir de la fase precursora MAX fue desarrollada mediante el estudio de distintos parámetros reportados en la literatura, eligiendo los más apropiados para el proyecto. La caracterización de los materiales MXenes se realizó mediante UV-Vis, DRX, FTIR, Raman, SEM-EDX y TEM. Se identificaron las propiedades de los materiales MXenes, incluyendo la presencia de los grupos funcionales en la superficie laminar. Este trabajo incluyó la aplicación de algoritmos de inteligencia artificial, específicamente redes neuronales artificiales optimizadas con algoritmos genéticos, para simular y optimizar el proceso de síntesis del ... exfoliado. La investigación de los nanocompuestos se dividió en dos etapas principales para abordar diferentes aspectos del estudio. En la primera etapa, se examinaron compuestos de PVDF con nanopartículas de ... y ... (MXenes), materiales seleccionados por su potencial para mejorar las propiedades del PVDF. Los nanocompuestos obtenidos en esta etapa 6 fueron estudiados exhaustivamente en sus propiedades estructurales mediante FTIR y WAXD, en sus propiedades térmicas mediante DSC y en sus propiedades mecánicas mediante ciclos de carga-descarga y ensayos de tensión a la rotura, utilizando como probetas los filamentos obtenidos del proceso de extrusión. Durante la segunda etapa, se evaluaron compuestos de PVDF plastificado reforzado también con ... y ..., logrando la obtención de especímenes mediante impresión 3D. Este enfoque permitió explorar la capacidad de procesamiento mejorada del PVDF plastificado y su potencial para aplicaciones específicas que requieren una fabricación precisa y personalizada. Estos nanocompuestos fueron caracterizados en sus propiedades estructurales mediante FTIR y WAXD, en sus propiedades termo-mecánicas mediante TGA-DSC y DMA, y también se evaluaron en su respuesta piezoeléctrica mediante ensayos de compresión en sensores fabricados con las películas de los nanocompuestos. Además, se llevaron a cabo caracterizaciones en diferentes rangos del espectro electromagnético para evaluar las capacidades de los compuestos en el blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI). Las caracterizaciones que se hicieron fueron con un Anillo Resonante (SRR) en el rango de los 400 a los 600 MHz, con una Cavidad Resonante Perturbada en un rango de 2.25 a 2.35 GHz y con una Guía de Onda Rectangular WR-90 en el rango de frecuencia de 5 hasta 13 GHz. Esta investigación ha culminado en el desarrollo exitoso de compuestos de PVDF reforzados con nanopartículas, ofreciendo mejoras significativas en sus propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y electromagnéticas, lo que amplía su potencial de aplicación en diversos campos industriales. Además, el enfoque diversificado empleado, combinando técnicas de extrusión y manufactura aditiva, ha permitido superar desafíos clave en la integración de nanopartículas como refuerzos, abriendo nuevas posibilidades en la fabricación de materiales compuestos avanzados