“Obtención de Nanomateriales Poliméricos con Nanoestructuras a Base de Carbono Mediante Métodos Amigables”

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Q. Leticia Arizbeth Ramírez Mendoza

 

RESUMEN

En la presente tesis doctoral se realizó la modificación superficial de nanotubos de carbono de pared múltiple (NTCPM) y grafeno, empleando ácido cítrico asistido mediante energía ultrasónica (US). Las modificaciones se llevaron a cabo durante 4 horas a 60°C, posteriormente las nanoestructuras modificadas se caracterizaron mediante FT-IR (ATR), encontrando las bandas correspondientes al ácido carboxílico y derivados, como ésteres alrededor de 1683 cm-1, mediante RAMAN se observan las bandas correspondientes en D y G relacionadas con los enlaces sp2, mostrando el orden y desorden estructural. Mediante ángulo de contacto las nanoestructuras presentaron una naturaleza hidrofílica, como resultado de la modificación. Los ensayos de turbidez indicaron que la dispersión se incrementa en las nanoestructuras carbonosas, y se determinó el % de funcionalización empleando el método Boehm obteniendo en NTCPM modificados un 16.5% y para el grafeno un 10% aproximadamente.

Posteriormente los NTCPM y grafeno modificado y sin modificar, se emplearon como refuerzo en matrices poliméricas, para la obtención de nanomateriales poliméricos sintéticos y naturales. Empleando dos matrices poliméricas sintéticas como: polimetilmetacrilato y polimetacrilato de glicidilo, la primera parte se refiere a la obtención de los nanomateriales poliméricos sintéticos mediante polimerización radicálica clásica, en ausencia de catalizadores y disolventes y mediante polimerización radicálica controlada por transferencia de átomo (ATRP) en presencia de oxígeno y atmósfera de nitrógeno. Realizando seguimiento de reacción, mediante cinéticas por duplicado y solo empleando como energías alternas: US y microondas (MW), además del calentamiento convencional (CC), obteniendo % de conversión de 90 con tiempos prolongados de polimerizaciones. Sin embargo, el mejor método de polimerización fue el asistido por MW, debido a que se presentó una mejor dispersión de las  nanoestructuras con la matriz polimérica con tiempos de polimerización cortos, comparado con CC, cabe destacar que mediante US no se obtuvo el nanomaterial pese a irradiarlo por 72 horas. Las caracterizaciones espectroscópicas arrojaron la presencia de los grupos funcionales mediante FT-IR(ATR) y mediante XPS los elementos presentes en la estructura del nanomaterial.

Por otro lado, los nanomateriales poliméricos naturales se obtuvieron mediante el método de solución, empleando matrices poliméricas como el quitosan y cera de candelilla, reforzadas con NTCPM y grafeno modificados y sin modificar. Se hizo uso del US para la dispersión de los nanomateriales, los resultados espectroscópicos de FTIR( ATR) mostraron la presencia de los grupos funcionales, tales como amino para el quitosan, grupos carboxilos presentes en la estructura de la cera de candelilla, la presencia de alcanos, así como los estiramientos C-O presentes en la estructura de los nanomateriales, en XPS se presentan los picos característicos de los elementos presentes en los nanomateriales.

Ambos nanomateriales tanto sintéticos y naturales fueron sometidos a pruebas preliminares de degradación, en cuanto a los nanomateriales poliméricos sintéticos solo se tomaron las muestras mediante ATRP en presencia de atmosfera inerte por MW con nanoestructuras modificadas ya que fueron los que presentaron mejores resultados. En el caso de los naturales se tomaron los de las nanoestructuras modificadas, para ambos casos se estudió su comportamiento de degradación en las 4 estaciones del año mediante composta, a la intemperie y degradación térmica, degradándose con más facilidad los nanomateriales poliméricos naturales debido a la naturaleza química que presenta.

ABSTRACT

In the present doctoral thesis, the surface modification of multiple wall carbon nanotubes (NTCPM) and graphene was performed, using citric acid assisted by ultrasonic energy (US). The modifications were carried out during 4 hours at 60 ° C, later the modified nanostructures were characterized by FT-IR (ATR), finding the bands corresponding to the carboxylic acid and derivatives, such as esters around 1683 cm-1, by means of RAMAN. observe the corresponding bands in D and G related to the sp2 bonds, showing the order and structural disorder. By means of contact angle, the nanostructures presented a hydrophilic nature, because of the modification. The turbidity tests indicated that the dispersion increases in the carbonaceous nanostructures, and the% functionalization was determined using the Boehm method, obtaining 16.5% in modified NTCPM and approximately 10% in graphene.

Subsequently, the NTCPM and modified and unmodified graphene were used as reinforcement in polymeric matrices to produce synthetic and natural polymer nanomaterials. Using two synthetic polymeric matrices such as polymethyl methacrylate and glycidyl polymethacrylate, the first part consists of obtaining the synthetic polymer nanomaterials by classical radical polymerization, in the absence of catalysts and solvents and by controlled radical polymerization by atom transfer (ATRP) in the presence of oxygen and nitrogen atmosphere. Performing reaction  monitoring, using kinetics in duplicate and only using as alternate energies: ultrasound (US) and microwaves (MW), in addition to conventional heating (CC), obtaining% conversion of 90 with long polymerization times. However, the best polymerization method was assisted by MW, because there was better dispersion of the nanostructures with the polymer matrix with short polymerization times, compared to CC, it should be noted that the nanomaterial was not obtained by US. to irradiate it for 72 hours. The spectroscopic characterizations showed the presence of the functional groups by FTIR (ATR) and by XPS the elements present in the structure of the nanomaterial.

On the other hand, natural polymeric nanomaterials were obtained by the solution method, using polymer matrices such as chitosan and candelilla wax, reinforced with modified NTCPM and graphene and without modification. The US was used for the dispersion of the nanomaterials, the spectroscopic results of FT-IR (ATR) showed the presence of the functional groups present in the nanomaterials, in XPS the characteristic peaks of the elements present in the nanomaterials are presented.

Both synthetic and natural nanomaterials were subjected to degradation tests, in terms of synthetic polymer nanomaterials samples were only taken by ATRP in the presence of inert atmosphere per MW with modified nanostructures because they were the ones that showed better results. In the case of the natural ones, those of the modified nanostructures were taken, for both cases their degradation behavior was studied in the four seasons by means of compost, weathering and thermal degradation, degrading natural polymeric nanomaterials more easily due to the chemical nature that presents.

 

“Obtención de Nanomateriales Poliméricos con Nanoestructuras a Base de Carbono Mediante Métodos Amigables”


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