Nanocompuestos basados en materiales grafénicos para aplicaciones de ingeniería

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. La ingeniería ha evolucionado a lo largo de los siglos unida inseparablemente a la investigación y el desarrollo de los materiales. Tanto es así, que la gran mayoría de los sistemas de ingeniería que han constitui...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Gago Velasco, Israel
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2023
País:España
Institución:Universidad Politécnica de Cartagena(UPCT)
Repositorio:Repositorio Digital UPCT
OAI Identifier:oai:repositorio.upct.es:10317/12894
Acceso en línea:http://hdl.handle.net/10317/12894
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Palabra clave:Polímeros
Materiales grafénicos
Nanocompuestos de grafeno
Propiedades mecánicas
Ingeniería Química
3312.08 Propiedades de Los Materiales
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Ingeniería Química y Ambiental
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description [SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. La ingeniería ha evolucionado a lo largo de los siglos unida inseparablemente a la investigación y el desarrollo de los materiales. Tanto es así, que la gran mayoría de los sistemas de ingeniería que han constituido un avance disruptivo o incluso, un cambio de paradigma, han sido posibles gracias al descubrimiento de un nuevo material, hasta el punto de que algunas edades tienen por nombre materiales, como la edad del hierro. Los materiales compuestos y más recientemente, los nanomateriales y los nanocompuestos, son familias de materiales cuyo descubrimiento y desarrollo han hecho posible la aparición de aplicaciones en ingeniería altamente innovadoras. Un material nanocompuesto es aquel material compuesto que tiene al menos un nanomaterial entre sus componentes. De entre todos los nanomateriales investigados para la formación de nanocompuestos, el grafeno es el que más expectación genera en la industria debido a sus propiedades singulares. El grafeno es una forma alotrópica bidimensional del carbono cristalino hexagonal cuyos derivados forman la familia de los materiales grafénicos. Los materiales grafénicos están siendo ampliamente investigados como agentes dopantes de multitud de materiales, debido a que dotan a los nanocompuestos resultantes de propiedades que permiten el diseño de sistemas de ingeniería altamente innovadores. En esta tesis doctoral, presentada por compendio de publicaciones y patentes se describen los trabajos de investigación llevados a cabo en el desarrollo de nanocompuestos basados en materiales grafénicos para aplicaciones de ingeniería. En el primer artículo, “Urethane-acrylate/aramid nanocomposites based on graphenic materials. A comparative study of their mechanical properties”, se ha llevado a cabo el estudio comparativo de las propiedades mecánicas de diferentes nanocompuestos de matriz polimérica dopados con materiales grafénicos (nanoplaquetas de grafeno, oxido de grafeno reducido y grafeno pristino de pocas capas). Concretamente, se ha estudiado el efecto que el dopaje con estos tres tipos de materiales grafénicos tiene en las propiedades en tensión, flexión e impacto de Charpy de los nanocompuestos obtenidos. Los resultados mostraron que los nanocompuestos dopados con grafeno pristino de pocas capas tuvieron el mayor incremento en todas las propiedades mecánicas evaluadas, alcanzando mejoras significativas en comparación con los laminados sin dopar. Estos nanocompuestos presentaron una baja densidad, alta relación fibra-resina, dispersión homogénea del nanorefuerzo y fácil escalabilidad. Estos resultados destacan el potencial del uso de los nanocompuestos uretano-acrilato/aramida dopados con grafeno en aplicaciones que requieran propiedades mecanicas mejoradas. En el segundo artículo,Ibuprofen removal by graphene oxide and reduced graphene oxide coated polysulfone nanofiltration membranes”, se analiza el efecto que la modificación de membranas de nanofiltracion de polisulfona mediante oxido de grafeno y oxido de grafeno reducido tiene en la eliminación del contaminante emergente ibuprofeno. Se realizó un estudio de la morfología y la composición de las membranas modificadas y no modificadas, así como de su permeabilidad al agua y sus flujos de permeado y coeficientes rechazo a diferentes concentraciones de ibuprofeno y presiones de trabajo. Los resultados mostraron que las membranas modificadas con oxido de grafeno y oxido de grafeno reducido presentan menores permeabilidades de agua y flujos de permeado, y mayores coeficientes de rechazo de ibuprofeno que las membranas no modificadas, obteniéndose el mayor coeficiente de rechazo de ibuprofeno en las membranas modificadas con oxido de grafeno reducido. La primera patente, “Morteros de cemento dopados con nanomateriales grafiticos y grafénicos con conducción termoeléctrica”, se refiere al diseño y desarrollo de la formulación y del procedimiento para la preparación de un material nanocompuesto de matriz cerámica dopado con materiales grafiticos y grafénicos conductor del calor y la electricidad. Así mismo, se detallan una formulación y un procedimiento de preparación preferentes para la obtención de placas rígidas y revestimientos con una conductividad térmica ≥ 0,5 W/m・K y una resistividad eléctrica ≤ 9・10−2 Ω・m. La invención se refiere también al producto final de mortero de cemento fraguado obtenido con la citada formulación mediante el procedimiento descrito. La segunda patente (solicitud), “Revestimiento de matriz polimérica dopada con nanomateriales grafénicos resistente a la corrosión y a la adherencia de vida marina”, se refiere al diseño y desarrollo de la formulación y el procedimiento para la preparación de un material nanocompuesto de matriz polimérica a base de resina termoestable de uretano-acrilato dopada con nanomateriales grafénicos y resistente a la corrosión y a la adhesión de la vida marina. Así mismo, se detallan una formulación y un procedimiento de preparación preferentes y una realización particular de la invención para mejorar las propiedades de nanocompuesto. Se ha realizado un análisis comparativo entre las propiedades del nanocompuesto desarrollado y un recubrimiento comercial en un entorno relevante, como son los pozos de aguas fecales del puerto de Valencia (España). Los resultados obtenidos muestran que el nanocompuesto de la invención posee una elevada resistencia a la corrosión y a la adherencia de vida marina.
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Los materiales compuestos y más recientemente, los nanomateriales y los nanocompuestos, son familias de materiales cuyo descubrimiento y desarrollo han hecho posible la aparición de aplicaciones en ingeniería altamente innovadoras. Un material nanocompuesto es aquel material compuesto que tiene al menos un nanomaterial entre sus componentes. De entre todos los nanomateriales investigados para la formación de nanocompuestos, el grafeno es el que más expectación genera en la industria debido a sus propiedades singulares. El grafeno es una forma alotrópica bidimensional del carbono cristalino hexagonal cuyos derivados forman la familia de los materiales grafénicos. Los materiales grafénicos están siendo ampliamente investigados como agentes dopantes de multitud de materiales, debido a que dotan a los nanocompuestos resultantes de propiedades que permiten el diseño de sistemas de ingeniería altamente innovadores. En esta tesis doctoral, presentada por compendio de publicaciones y patentes se describen los trabajos de investigación llevados a cabo en el desarrollo de nanocompuestos basados en materiales grafénicos para aplicaciones de ingeniería. En el primer artículo, “Urethane-acrylate/aramid nanocomposites based on graphenic materials. A comparative study of their mechanical properties”, se ha llevado a cabo el estudio comparativo de las propiedades mecánicas de diferentes nanocompuestos de matriz polimérica dopados con materiales grafénicos (nanoplaquetas de grafeno, oxido de grafeno reducido y grafeno pristino de pocas capas). Concretamente, se ha estudiado el efecto que el dopaje con estos tres tipos de materiales grafénicos tiene en las propiedades en tensión, flexión e impacto de Charpy de los nanocompuestos obtenidos. Los resultados mostraron que los nanocompuestos dopados con grafeno pristino de pocas capas tuvieron el mayor incremento en todas las propiedades mecánicas evaluadas, alcanzando mejoras significativas en comparación con los laminados sin dopar. Estos nanocompuestos presentaron una baja densidad, alta relación fibra-resina, dispersión homogénea del nanorefuerzo y fácil escalabilidad. Estos resultados destacan el potencial del uso de los nanocompuestos uretano-acrilato/aramida dopados con grafeno en aplicaciones que requieran propiedades mecanicas mejoradas. En el segundo artículo,Ibuprofen removal by graphene oxide and reduced graphene oxide coated polysulfone nanofiltration membranes”, se analiza el efecto que la modificación de membranas de nanofiltracion de polisulfona mediante oxido de grafeno y oxido de grafeno reducido tiene en la eliminación del contaminante emergente ibuprofeno. Se realizó un estudio de la morfología y la composición de las membranas modificadas y no modificadas, así como de su permeabilidad al agua y sus flujos de permeado y coeficientes rechazo a diferentes concentraciones de ibuprofeno y presiones de trabajo. Los resultados mostraron que las membranas modificadas con oxido de grafeno y oxido de grafeno reducido presentan menores permeabilidades de agua y flujos de permeado, y mayores coeficientes de rechazo de ibuprofeno que las membranas no modificadas, obteniéndose el mayor coeficiente de rechazo de ibuprofeno en las membranas modificadas con oxido de grafeno reducido. La primera patente, “Morteros de cemento dopados con nanomateriales grafiticos y grafénicos con conducción termoeléctrica”, se refiere al diseño y desarrollo de la formulación y del procedimiento para la preparación de un material nanocompuesto de matriz cerámica dopado con materiales grafiticos y grafénicos conductor del calor y la electricidad. Así mismo, se detallan una formulación y un procedimiento de preparación preferentes para la obtención de placas rígidas y revestimientos con una conductividad térmica ≥ 0,5 W/m・K y una resistividad eléctrica ≤ 9・10−2 Ω・m. La invención se refiere también al producto final de mortero de cemento fraguado obtenido con la citada formulación mediante el procedimiento descrito. La segunda patente (solicitud), “Revestimiento de matriz polimérica dopada con nanomateriales grafénicos resistente a la corrosión y a la adherencia de vida marina”, se refiere al diseño y desarrollo de la formulación y el procedimiento para la preparación de un material nanocompuesto de matriz polimérica a base de resina termoestable de uretano-acrilato dopada con nanomateriales grafénicos y resistente a la corrosión y a la adhesión de la vida marina. Así mismo, se detallan una formulación y un procedimiento de preparación preferentes y una realización particular de la invención para mejorar las propiedades de nanocompuesto. Se ha realizado un análisis comparativo entre las propiedades del nanocompuesto desarrollado y un recubrimiento comercial en un entorno relevante, como son los pozos de aguas fecales del puerto de Valencia (España). Los resultados obtenidos muestran que el nanocompuesto de la invención posee una elevada resistencia a la corrosión y a la adherencia de vida marina.[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. Engineering has evolved over the centuries inseparably linked to the research and development of materials. So much so that the vast majority of engineering systems that have constituted a disruptive breakthrough or even a paradigm shift have been made possible by the discovery of a new material, to the extent that some ages are named after materials, such as the age of iron. Composite materials, and more recently, nanomaterials and nanocomposites, are families of materials whose discovery and development have made possible the emergence of highly innovative engineering applications. A nanocomposite material is a composite material that has at least one nanomaterial among its components. Of all the nanomaterials investigated for the formation of nanocomposites, Graphene is the one that generates the most excitement in industry due to its unique properties. Graphene is a two-dimensional allotropic form of hexagonal crystalline carbon, whose derivatives form the family of graphene materials. Graphene materials are being widely investigated as doping agents for a multitude of materials because they endow the resulting nanocomposites with properties that enable the design of highly innovative engineering systems. This doctoral thesis, presented as a compendium of publications and patents, describes the research work carried out on the development of nanocomposites based on graphene materials for engineering applications. In the first article, “Urethane-acrylate/aramid nanocomposites based on graphenic materials, A comparative study of their mechanical properties”, a comparative study of the mechanical properties of different polymer matrix nanocomposites doped with graphenic materials (Graphene nanoplates, reduced graphene oxide and pristine few-layer graphene) was carried out. Specifically, the effect that doping with these three types of graphene materials has on the tensile, bending and Charpy impact properties of the nanocomposites obtained has been studied. The results showed that nanocomposites doped with pristine few-layer graphene had the greatest increase in all the mechanical properties evaluated, achieving significant improvements compared to undoped laminates. This nanocomposites exhibited low density, a high fibre-to-resin ratio, homogeneous dispersion of the nanoreinforcement and easy scalability. These results highlight the potential of using graphene-doped urethane-acrylate/aramid nanocomposites in applications requiring improved mechanical properties. The second article, “Ibuprofen removal by graphene oxide and reduced graphene oxide coated polysulfone nanofiltration membranes”, analyses the effect that the modification of polysulfone nanofiltration membranes by graphene oxide and reduced graphene oxide has on the removal of the emerging pollutant ibuprofen. A study of the morphology and composition of the modified and unmodified membranes, as well as their water permeability and permeate fluxes and rejection coefficients at different ibuprofen concentrations and working pressures, was carried out. The results showed that membranes modified with graphene oxide and reduced graphene oxide have lower water permeabilities and permeate fluxes, and higher ibuprofen rejection coefficients than unmodified membranes, with the highest ibuprofen rejection coefficient obtained in membranes modified with reduced graphene oxide. The first patent, “Cement mortars doped with graphitic and graphenic nanomaterials with thermoelectric conductivity”, relates to the design and development of the formulation and process for the preparation of a ceramic matrix nanocomposite material doped with graphitic and graphenic materials that is thermally and electrically conductive. A preferred formulation and preparation procedure for obtaining rigid plates and coatings with a thermal conductivity ≥0.5 W/m·K and an electrical resistivity ≤9·10−2 Ω·m are also described. The invention also refers to the final set cement mortar product obtained with the aforementioned formulation by means of the described procedure.The second patent (application), “Polymer matrix coating doped with graphene nanomaterials resistant to corrosion and adhesion of marine life”, relates to the design and development of the formulation and process for the preparation of a polymer matrix nanocomposite material based on a thermosetting urethane-acrylate resin doped with graphene nanomaterials and resistant to corrosion and adhesion of marine life. A preferred formulation and preparation procedure and a particular embodiment of the invention for improving the nanocomposite properties are detailed. A comparative analysis has been carried out between the properties of the developed nanocomposite and a commercial coating in a relevant environment, such as the sewage wells of the port of Valencia (Spain). The results obtained show that the nanocomposite of the invention has a high resistance to corrosion and adhesion of marine life.Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Está formada por un total de dos artículos y dos patentes. Artículo 1.-: Israel Gago, Manuel del Río, Gerardo León y Beatriz Miguel, 2020. Urethane-Acrylate/Aramid Nanocomposites Based on Graphenic Materials. A Comparative Study of Their Mechanical Properties. Polymers, 12. doi:10.3390/polym12102388 Artículo 2.-: Asunción M. Hidalgo, María Gómez, María D. Murcia, Gerardo León, Beatriz Miguel, Israel Gago y Pilar M. Martínez, 2022. Ibuprofen Removal by Graphene Oxide and Reduced Graphene Oxide Coated Polysulfone Nanofiltration Membranes. Membranes, Volumen 12. https://doi.org/10.3390/membranes12060562. Patentes. Patente 1.-: Israel Gago, 2023. Morteros de Cemento Dopados con Nanomateriales Grafíticos y Grafénicos con Conducción Termoeléctrica. Oficina Española de Patentes y Marcas, ES 2 908 123 B2. Patente (solicitud) 2.-: Israel Gago, 2023. Revestimiento de Matriz Polimérica Dopada con Nanomateriales Grafénicos Resistente a la Corrosión y a la Adherencia de Vida Marian. Oficina Española de Patentes y Marcas, P202330669.Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado en Tecnologías IndustrialesLeón Albert, GerardoIngeniería Química y Ambiental2023202320232023info:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10317/12894reponame:Repositorio Digital UPCTinstname:Universidad Politécnica de Cartagena(UPCT)Españolhttp://hdl.handle.net/10317/9437http://hdl.handle.net/10317/13037http://hdl.handle.net/10317/21237http://hdl.handle.net/10317/21238Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 Españahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/info:eu-repo/semantics/embargoedAccessoai:repositorio.upct.es:10317/128942026-05-15T06:39:02Z
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