Modelado y optimización de la conductividad térmica, conductividad eléctrica y propiedades de tensión de compuestos de HDPE-partículas de carbono mediante herramientas de inteligencia artificial

Edgar Miguel García Carrillo (2022, [Tesis de doctorado])

En el diseño de compuestos poliméricos, es de gran interés poder predecir y optimizar sus propiedades térmicas, eléctricas y mecánicas, antes de su fabricación, con el fin de reducir el trabajo experimental y de obtener materiales con mejor desempeño para diversas aplicaciones. Sin embargo, esta tarea es complicada debido al comportamiento complejo y no lineal de las propiedades de los compuestos. En este trabajo se desarrollaron redes neuronales artificiales (RNA) como modelos de predicción con el objetivo de aproximar la conductividad térmica, la conductividad eléctrica y las propiedades de tensión de compuestos de polietileno de alta densidad (HDPE) adicionados con partículas de carbono (PC). En la implementación de estos modelos se utilizaron datos obtenidos experimentalmente. Los compuestos fueron preparados mediante mezclado en fundido, utilizando cuatro tipos de partículas de carbono de distinta geometría a diferentes concentraciones. Las RNA de tipo perceptrón multicapa (MLP), entrenadas mediante el algoritmo Levenberg-Marquardt y con una sola capa oculta mostraron el mejor desempeño predictivo. Los modelos de RNA mostraron una buena correlación entre los datos experimentales y simulados, lo cual está evidenciado por factores de correlaciones superiores a 0.97 en los datos de prueba. Además, los modelos de predicción de la conductividad térmica y del módulo elástico basados en RNA se ajustaron en mayor medida a los datos experimentales en comparación con modelos analíticos reportados en la literatura. También, se determinó el impacto relativo de cada variable de entrada sobre las propiedades de los compuestos, a través del tratamiento de los pesos sinápticos de las RNA mediante el método connection weight. Las ecuaciones derivadas de las RNA se utilizaron como funciones de ajuste de un algoritmo genético multi- objetivo (MOGA) con el fin de optimizar los parámetros de diseño que permiten maximizar la conductividad térmica y el módulo elástico, así como minimizar la conductividad eléctrica de los compuestos. Como resultado de la optimización, se obtuvo un conjunto de soluciones óptimas que pertenecen a la frontera de Pareto.

Como resultado de la optimización, se obtuvo un conjunto de soluciones óptimas que pertenecen a la frontera de Pareto. Una prueba de conformidad se llevó a cabo para validar la capacidad de optimización del método de algoritmos genéticos. Finalmente, este modelo podría ser adaptado para su aplicación en otras propiedades de compuestos, así como en un intervalo de variables extendido.

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Inteligencia Artificial como Estrategia en la Predicción de la Conductividad Térmica en Compuestos de Polipropileno/Nanotubos de Carbono

Daniela Alejandra Abreu Caceres (2022, [Tesis de maestría])

La eficiencia de los materiales compuestos complejos es importante a la hora de optimizar y predecir sus propiedades térmicas y eléctricas, con el fin, de ahorrar recursos, gastos y tiempo invertido antes de su fabricación, por ello, se emplean herramientas tradicionales como lo son, el uso de modelos analíticos, estos modelos, resultan fáciles de analizar, sin embargo, presenta una baja predicción a comparación de los datos experimentales. El uso de herramientas más sofisticadas, como lo son, la inteligencia artificial y una de sus ramas, el aprendizaje de máquina, resultan ser más precisos a la hora de optimizar valores. En este trabajo se analizaron las conductividades térmicas y eléctricas de los compuestos presentados en diferentes concentraciones a través de modelos analíticos, los cuales resultaron subestimar los valores de k y sobreestimar los valores de σ, con sus respectivas excepciones. Esto puede sugerir que los modelos analíticos, no aproximan los valores obtenidos experimentalmente en todos los casos. También se desarrollaron redes neuronales artificiales (RNA) como modelos de predicción con el objetivo de aproximar la conductividad térmica del polipropileno (PP) adicionados con nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT), implementando datos obtenidos experimentalmente. Los compuestos fueron preparados mediante mezclado en fundido, utilizando diferentes tipos de concentraciones (1, 2, 3 y 4%) tanto con el tratamiento, como sin el tratamiento de ultrasonido. Las RNA de tipo perceptrón multicapa (MLP), entrenadas mediante el algoritmo Levenberg-Marquardt y con 1 capa oculta mostraron el mejor desempeño predictivo. Los modelos de RNA mostraron una buena correlación entre los datos experimentales y simulados, lo cual está evidenciado por factores de correlaciones superiores a 0.99 en los datos de prueba. Además, los modelos de predicción de la conductividad térmica basados en RNA se ajustaron en mayor medida a los datos experimentales en comparación con modelos analíticos reportados en la literatura.

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Estudio de la modificación de hueso de aguacate y su incorporación en una matriz de PLA/EVA y polifosfato de amonio compatibilizado, para la

JOSE DAVID ZULUAGA PARRA (2022, [Tesis de doctorado])

En el presente trabajo se propuso la fosfatación del hueso de aguacate con ácido fosfórico, además de la adición de urea para mejorar la estabilidad térmica y conferirle propiedades de retardancia a la flama intrínsecas al hueso de aguacate. Donde se estableció que 3 h de reacción y una concentración de ácido/urea de 1:4 fue suficiente para alcanzar una comparación de fósforo y nitrógeno cerca de 11%, de igual manera se determinó que la fosforilación mejora la estabilidad térmica del hueso de aguacate y le confiere características de retardancia a la flama, pero el biocompuesto lavado con NaOH 1N reemplaza a la urea con sodio en forma de iones y la urea promueve la formación de una capa carbonosa protegiendo al polímero mientras que el sodio no.

De igual manera, se estudió la inserción de anhídrido maleico (AM) en poli (ácido láctico) (PLA) (PLA-g-AM), buscando una relación de peróxido de dicumilo / anhídrido maleico (DCP:AM) adecuada para obtener el mayor grado de injerto. Se encontró que la relación 1:10 generó el mayor grado de injerto, que fue cerca del 1%; esto sin que el peso molecular del PLA se haya modificado significativamente. En seguida, partiendo del PLA-g-AM, se preparó el PLA funcionalizado con polifosfato de amonio (PLA-g-APP). Es importante mencionar que esta modificación química del PLA se llevó a cabo “en fundido”, sin la utilización de solvente alguno. Finalmente, se encontró que las propiedades mecánicas y la resistencia a la flama de los compuestos de PLA-g-APP son superiores a las del PLA puro. mejoran al estar funcionalizado el PLA con APP, en adición se mejora la estabilidad térmica de los compuestos de PLA y APP.

Por último, se estudió el efecto en conjunto entre el hueso de aguacate modificado y el APP, donde se estudió el aporte individual de cada de uno de los componentes formulados, se estudió el efecto en la retardancia a la flama del PLA-g-APP y el hueso de aguacate modificado, sobre una matriz de PLA/EVA, mediante pruebas de cono calorimétrico, UL-94 y LOI, donde se observó, una mejora en las propiedades de retardancia a la flama y se alcanzó una clasificación V-0. Se complementaron estos resultados con estudios fisicoquímicos a las cenizas del cono calorimétrico, donde se pudo proponer un mecanismo de retardancia, el cual es por intumescencia, además se determinó que la modificación del hueso de aguacate tiene un efecto positivo sobre la biodegradabilidad de los biocompuestos.

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SULFONACIÓN Y ENTRECRUZAMIENTO DE COPOLIMEROS ESTIRENO – ACRILATO DE BUTILO PARA SU APLICACIÓN COMO MEMBRANAS ELECTROLÍTICAS

Luana Francisco Vieira (2022, [Tesis de doctorado])

RESUMEN La membrana polimérica de intercambio protónico (PEM) es el componente principal de las celdas de combustible y sus funciones principales son permitir el transporte de los protones y prevenir el paso de los electrones, actuando como un separador entre los electrodos. En este trabajo, se presentan los resultados de la síntesis y caracterización de copolímeros de estireno – acrilato de butilo (StBuA) obtenidos a partir de la polimerización en masa vía radicales libres, con distintas relaciones molares entre comonómeros: 90:10, 80:20 y 70:30, siendo la de mayor concentración el comonómero de St. Los materiales obtenidos fueron modificados mediante sulfonación empleando dos agentes sulfonantes distintos: ácido sulfúrico (S) y sulfato de acetilo (AcS), a diferentes tiempos de reacción entre 2-5 h. La concentración del sulfonante varió entre 50, 100 y 150% mol, en relación con la cantidad molar de St. A partir de los copolímeros se obtuvieron membranas mediante el método doctor blading con espesores entre 150 a 200 μm. Posteriormente, se realizó la modificación de las membranas mediante radiación-γ a 50 kGy. Los copolímeros se caracterizaron mediante análisis de FTIR, RMN 1H, GPC, TGA y DSC, mientras que las propiedades mecánicas y morfología de las membranas se evaluaron por TMA y SEM. Las propiedades como membranas fueron evaluadas en términos de capacidad de intercambio iónico (IEC), retención de agua (WU) y conductividad protónica. La polimerización y sulfonación de los copolímeros fue confirmada a través de la presencia de los grupos funcionales de las unidades repetitivas de ambos comonómeros, además del ensanchamiento de las bandas de absorción características de los grupos sulfónicos en los espectros de FTIR. Adicionalmente, se confirmó la composición real de los copolímeros a partir de RMN 1H, obteniendo los valores de 89:11, 80:20 y 71:29 de St y BuA, respectivamente. Las membranas sulfonadas mostraron excelente estabilidad térmica hasta 150 ºC y Tg que varió entre 72 a 128 ºC. Las propiedades de IEC fueron similares y hasta superiores a la membrana comercial de Nafion®, con valores de IEC de 1.98 a 1.83 meq∙g-1 para el copolímero StBuA 8020 con 100% de sulfonación a un tiempo de 5h, con S y AcS, que corresponden a grados de sulfonación (DS) de 56 y 50%, respectivamente.

FTIR, RMN 1H, GPC, TGA y DSC, mientras que las propiedades mecánicas y morfología de las membranas se evaluaron por TMA y SEM. Las propiedades como membranas fueron evaluadas en términos de capacidad de intercambio iónico (IEC), retención de agua (WU) y conductividad protónica. La polimerización y sulfonación de los copolímeros fue confirmada a través de la presencia de los grupos funcionales de las unidades repetitivas de ambos comonómeros, además del ensanchamiento de las bandas de absorción características de los grupos sulfónicos en los espectros de FTIR. Adicionalmente, se confirmó la composición real de los copolímeros a partir de RMN 1H, obteniendo los valores de 89:11, 80:20 y 71:29 de St y BuA, respectivamente. Las membranas sulfonadas mostraron excelente estabilidad térmica hasta 150 ºC y Tg que varió entre 72 a 128 ºC. Las propiedades de IEC fueron similares y hasta superiores a la membrana comercial de Nafion®, con valores de IEC de 1.98 a 1.83 meq∙g-1 para el copolímero StBuA 8020 con 100% de sulfonación a un tiempo de 5h, con S y AcS, que corresponden a grados de sulfonación (DS) de 56 y 50%, respectivamente. Para esta misma composición, la absorción de agua (WU) mostró una variación de 79 a 68% para las sulfonadas con S. La conductividad protónica (σ) de las membranas mostraron valores competitivos con la membrana de Nafion®, presentando una diferencia de solo dos órdenes de magnitud, por ejemplo, σ de 6.18 x10-4 S∙cm-1 para 9010 – 50%AcS y 5.73 x10-4 S∙cm-1 7030 – 100%S, ambos con 2h de sulfonación. El efecto de la sulfonación en las propiedades mecánicas, evaluado mediante TMA, genera membranas más flexibles al parecer por el efecto plastificante de los grupos sulfónicos en la estructura del copolímero. Los estudios mediante SEM mostraron una morfología densa, sin huecos y con pliegues para la membrana sin sulfonar, pero en las sulfonadas, con ambos agentes sulfonantes, se observaron puntos blancos acumulados y dispersos en la superficie de la membrana, los cuales fueron asignados al entrecruzamiento tipo sulfona resultado de las reacciones secundarias ocurridas durante la sulfonación. Las membranas irradiadas mostraron una considerable reducción en los valores de intercambio iónico, con valores de IEC entre 0.42 a 0.07 meq∙g-1, correspondientes a las membranas StBuA 7030 y StBuA 8020, ambas con 100% de sulfon

obteniéndose 1.62 x10-4 a 3.61 x10-4 S∙cm-1 antes y después de la irradiación, para la membrana StBuA 8020-100%AcS. Finalmente, las propiedades mecánicas se vieron afectadas por la irradiación, resultando en membranas más frágiles resultado de la escisión de las cadenas que ocurre durante el procedimiento, destacándose la composición de StBuA 8020 sulfonada con AcS con un incremento de 405 a 1159 MPa a un tiempo de 2h y de 1024 a 1379 MPa a 5h de sulfonación. Las membranas obtenidas mostraron características promisoras para la aplicación en sistemas electrolíticos. La composición del copolímero es importante para las reacciones de sulfonación, ya que a mayor contenido de St en el polímero, se obtienen materiales con alto nivel de sulfonación, las cuales resultan entrecruzadas en algunos casos. Ambos agentes sulfonantes efectivamente sulfonaron los copolímeros, aunque los sulfonados con ácido sulfúrico (S) resultaron en membranas con altos valores de IEC además conductividades muy cercanas a la membrana comercial. Para todos los copolímeros con niveles de sulfonación moderado, 50 y 100% y todos los tiempos, fue posible la formación de membranas con espesores que variaron de 100-200 μm, sin afectar negativamente su integridad mecánica. También mostraron propiedades térmicas estables hasta 150 ºC, útiles para los dispositivos electroquímicos que operan a temperaturas entre 25 a 120 ºC. Finalmente, es factible preparar copolímeros de StBuA, viables económicamente y de metodología fácil para obtener materiales capaces de formar membranas delgadas y de características similares a la comercial (Nafion®) utilizada actualmente.

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“Desarrollo de un Biosensor Electroquimioluminiscente para la detección de Fosfato proveniente de Sistemas de Fertilizantes de Base Fósforo Microencapsulados en Matrices de Almidón de Maíz y Cera de Candelilla”

Jimena Borja Camacho (2022, [Tesis de maestría])

La contaminación del agua por eutrofización es una problemática global y con mayor frecuencia se encuentran zonas afectadas por este proceso. Los principales causantes de este fenómeno son los nutrientes fósforo (P) y nitrógeno (N) provenientes del uso indiscriminado o inapropiado de fertilizantes. La tecnología de “liberación controlada-lenta de fertilizantes” por medio de encapsulamiento, está emergiendo como una nueva estrategia para hacer más eficiente el uso de fertilizantes, y así disminuir la contaminación de aguas. Igualmente se busca el uso de matrices biodegradables y materia prima proveniente de fuentes renovables y de bajo costo. El grupo de investigación de Materiales Avanzados de CIQA ha generado diversos sistemas microencapsulados a base de biopolímeros, mediante tecnologías de secado por atomización y pulverización por enfriamiento. Los métodos actuales para la detección del ión fosfato son poco selectivos y requieren procedimientos complejos. Por esta razón, se realizó un diseño experimental para el desarrollo de un biosensor electroquimioluminiscente (ECL) como una herramienta selectiva para la determinación y cuantificación del ión fosfato, con el objetivo de monitorear los perfiles de liberación de dos matrices a base de un fertilizante fosfatado bajo distintas condiciones de pH.

Para ello se ha escogido una reacción bioquímica catalizada por la enzima Fosfatasa alcalina (ALP), la cual bajo condiciones específicas puede ser inhibida por el ión fosfato. Se han utilizado electrodos serigrafiados para la aplicación de las técnicas de voltametría cíclica para el sistema ECL con luminol acoplada a un sistema biológico. Adicionalmente, el ácido fítico funge como sustrato de la reacción para generar ácido fosfórico el cual tiene un efecto de decaimiento en la emisión de luz del luminol, de modo que fue posible desarrollar un biosensor para la detección de fosfato mediante un sistema on/off. De acuerdo con los resultados obtenidos el método desarrollado para detección del ión fosfato presenta una respuesta favorable, se observa que los perfiles de liberación a base de cera de candelilla permiten una liberación más lenta de fertilizante comparado con los encapsulados a base de goma de mezquite. El biosensor desarrollado en este trabajo permite cuantificar de manera rápida el contenido de fosfato con una desviación del 28.81 % respecto al valor obtenido con la técnica analítica por absorción atómica. Palabras claves: Biopolímeros, spray-drying, liberación controlada, electroquimioluminiscencia (ECL).

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Desarrollo y caracterización de membranas poliméricas sulfonadas basadas en copolímeros de estireno-co-viniltetrazol N-alquilado para su aplicación en celdas de combustible

DAYANARY GONZALEZ VELAZQUEZ (2022, [Tesis de maestría])

Se sintetizaron copolímeros de estireno-co-acrilonitrilo (St/AN) en dos composiciones (80:20 y 90:10) mediante polimerización en masa vía radicales libres utilizando BPO como agente iniciador, para después realizar el cambio del grupo nitrilo a tetrazol (St/VTz) mediante una reacción de cicloadición 1,3-dipolar de Huisgen. Posteriormente se llevó a cabo la alquilación de los copolímeros St/VTz utilizando 1-bromobutano, 1-bromohexano y 1-bromooctano como agentes alquilantes, para injertar cadenas alifáticas laterales de 4, 6 y 8 átomos de carbono (St/VTz-nC). Por último, se llevó a cabo la sulfonación de los diferentes sistemas poliméricos (St/AN-S, St/VTz-S y St/VTz-nC:S) utilizando ácido sulfúrico concentrado (H2SO4) y una concentración de agente sulfonante de 100% mol con respecto a los anillos aromáticos teóricamente presentes, durante 4 h. La formación de los copolímeros fue corroborada mediante FT-IR y 1H y 13C RMN, además fueron caracterizados térmicamente mediante TGA y DSC y se determinó su masa molecular por GPC. Se prepararon membranas a partir de los copolímeros sulfonados utilizando el método de casting y posteriormente fueron evaluadas mediante absorción de agua (WU), Capacidad de Intercambio Iónico (IEC), Grado de Sulfonación (DS), Espectroscopía de Impedancia Electroquímica (EIS), y mecánicamente por Análisis Termomecánico (TMA). Los copolímeros con y sin sulfonación exhibieron las bandas vibratorias y las señales correspondientes a los grupos funcionales asociados a los comonómeros involucrados, así como el grupo sulfónico. La masa molecular de los copolímeros fue superior a 100,000 g/mol para todos los sistemas evaluados y térmicamente estables por encima de 200 °C, indicando que la alquilación no tiene un efecto significativo sobre la estabilidad térmica, mientras la sulfonación sí la reduce.

Sin embargo, los copolímeros continuaron siendo térmicamente estables por encima de los 150 °C. Se obtuvieron valores de Tg de ~110 °C para la serie St/AN, pero mayores para el sistema St/VTz, específicamente en el copolímero St/VTz-82, valores que disminuyen con el proceso de alquilación y que posteriormente incrementan nuevamente con la sulfonación, con valores por encima de los 100 °C, a excepción de los copolímeros St/VTz-82:6C:S y St/VTz-82:8C:S. Las propiedades mecánicas mostraron que la modificación del grupo nitrilo a tetrazol conlleva a un incremento en los valores de E*, mientras que la alquilación de los materiales disminuye los valores conforme la cadena alifática crece. Por otro lado, los copolímeros sulfonados con la composición 80:20 presentaron un incremento de E*, mientras que los 90:10 tuvieron un efecto contrario. Las membranas preparadas a partir de los copolímeros

sulfonados presentaron valores de WU de hasta 14 % y un IEC de hasta 3.58 mmol g-1. El grado de sulfonación (DS) de los copolímeros calculado por IEC llegó hasta 38% y por TGA solo a 26%. Los sistemas evaluados mediante EIS presentaron resistencias menores a 10 Ω por lo que los valores de conductividad protónica (σ) fueron hasta 6.86x10-3 y 8.02x10-3 Scm-1. Con los resultados obtenidos se concluyó que los copolímeros sulfonados basados en estireno-co-acrilonitrilo, estireno-co-viniltetrazol y estireno-co-viniltetrazol N- alquilado son materiales prometedores para su aplicación en celdas de combustible, con valores de conductividad protónica cercanos al Nafion, pero con valores superiores de IEC, destacando la membrana basada en el copolímero St/VTz-91:8C:S debido a los resultados obtenidos en cuanto a propiedades térmicas, mecánicas y de conductividad protónica.

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Preparación de nanomateriales termosensibles a base de MPEG/PEG-b-PNIPAM y ferritas de hafnio cargados con curcumina y evaluación de su potencial aplicación como agentes específicos de liberación controlada

Juan Carlos Romero Cabello (2022, [Tesis de maestría])

En esta tesis se sintetizaron copolímeros de bloques anfífilos compuestos por un bloque hidrófilo de poli(oxialquileno), como el polietilenglicol (PEG) o el metil polietilenglicol (MPEG) y un bloque termosensible de poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAM). La síntesis se llevó a cabo mediante la técnica de polimerización radicálica controlada denominada ATRP. Estos copolímeros están clasificados como materiales biocompatibles y biodegradables por lo que el propósito de este trabajo es utilizarlos como sistemas de liberación de fármacos. El homopolímero de bloque termosensible (PNIPAM) experimenta una temperatura de solución crítica baja (LSCT), cercana a la temperatura corporal (37oC), lo que permite su uso en aplicaciones biomédicas. El copolímero de bloque anfífilo MPEG/PEG-b-PNIPAM se funcionalizó al final de la cadena del polímero con azida de sodio (NaN3) para obtener MPEG/PEG-b-PNIPAM-N3 que luego se hizo reaccionar con 3- etinil piridina a través de una reacción de "química click” formando un grupo triazol terminal. Estos copolímeros se obtuvieron con rendimientos mayores al 90%. Las nanopartículas de ferritas de hafnio (Hf0.4Fe2.6O4) se prepararon por coprecipitación química inversa en NH4OH a partir de una solución acuosa de FeCl3-6H2O, FeCl2-4H2O y HfCl4. Posterior a ello se preparó un compósito de MPEG/PEG-b-PNIPAM-NPs mediante la mezcla física de las nanopartículas magnéticas de ferrita de hafnio (Hf0.4Fe2.6O4) y el el copolímero de bloque anfifílico MPEG/PEG-b-PNIPAM. Ambos materiales mostraron un comportamiento superparamagnético. Los copolímeros de MPEG/PEG-b-PNIPAM presentaron una temperatura de solución más baja (LCST) en el rango de 34-38 °C, que los hace ideales para su uso en aplicaciones biomédicas. Además, estos copolímeros mostraron que pueden cargar curcumina y liberarla después a una temperatura de 40 °C.

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Síntesis y caracterización de bio eslatómeros reforzados con biocomponentes hacia el remplazo de fuentes no renovables pensando en alternativas sustentables

Gabriel Cisneros Gómez (2022, [Tesis de maestría])

Se sintetizó polifarneseno (PFa) a partir del monómero trans-β-Farneseno vía polimerización en emulsión utilizando una formulación de solución buffer de bicarbonato de sodio (NaHCO3), tensoactivo SDS (Disulfato de sodio) y un iniciador de persulfato de amonio (APS) en medio acuoso obteniendo altas conversiones y altos pesos moleculares. Por otro lado, se sintetizaron diferentes matrices de copolímeros de polibutadieno con polifarneseno (PB-PFa) a distintas composiciones PB/PFa: 100/0, 65/35. Los hules obtenidos fueron caracterizados con diferentes técnicas como: cromatografía por permeación en gel (GPC) para la determinación del peso molecular promedio y la dispersidad (Ð), resonancia magnética nuclear (RMN) de protón 1H y carbono 13C para la determinar la microestructura dada por los isómeros cis-1,4 y trans-1,4 y la adición 3,4. Para la obtención de las nanofibras de celulosa (NFC) modificadas fueron oxidadas vía TEMPO. Posteriormente, las nanofibras oxidadas se hicieron reaccionar con cada uno de los surfactantes seleccionados Bromuro de hexadecyltrimethylamonio (HDTAB), Bromuro de didodecyldimethylamonio (DDMAB), Cloruro de trimethylphenylamonio (TPACl) obteniendo nanofibras modificadas. La modificación superficial se caracterizó utilizando la técnica de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) discriminando los grupos funcionales característicos y espectroscopia foto electrónica de rayos X (XPS). Al final, se obtuvieron nanocompuestos formados de una matriz politerpénica a diferentes concentraciones de nanofibra de celulosa NFC-1942 (1%, 2%, 3% y 5% p/p) llevándose a cabo la caracterización de los nanocompuestos finales, tanto mecánica como térmica. Posteriormente, fue incorporado un 3 % p/p de las nanofibras de celulosa al homopolímero de PB, así como al copolímero de Polibutadieno-Polifarneseno y se le realizaron pruebas de desempeño mecánicas a las probetas hechas de estos nanocompositos.

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Materiales porosos Osteogénicos y Antibacteriales a base de PEEK/Nanohíbridos de Hidroxiapatita-Óxido de Zinc por Impresion 3D con uso de Potencial en Implantes Dentales

Susana Alejandro Rodríguez Alvarado (2022, [Tesis de maestría])

En este estudio se reporta el desarrollo de materiales porosos a base de poli (éter-éter-cetona) (PEEK) con nanohíbridos (NH) de hidroxiapatita-ZnO (HAp-ZnO), fabricados mediante impresión 3D, direccionados a su uso potencial como implantes dentales.

Primero se llevaron a cabo experimentos exploratorios para la síntesis de los NH de HAp- ZnO, en donde se evaluó el efecto de la concentración de los precursores, el método de adición (en agitación mecánica o asistida por ultrasonido) y el método de síntesis (sonoquímica o asistida por microondas). Los nanohíbridos se caracterizaron por microscopía electrónica de transmisión (TEM) y difracción de rayos X (DRX), para seleccionar aquel que exhibiera las señales características de los planos cristalográficos de la HAp y el ZnO, así como una distribución uniforme del ZnO en la superficie de la HAp. El nanohíbrido seleccionado se caracterizó por espectroscopía de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS) para identificar las interacciones entre el ZnO e HAp.

Posteriormente se obtuvieron tres nanocompuestos a base de PEEK: i) PEEK cargado con 1 % (m/m) de HAp, al que se le denominó PEEK/HAp, ii) PEEK cargado con 1 % (m/m) del nanohíbrido de HAp-ZnO (PEEK/nanohíbrido) y iii) PEEK cargado con 1 % (m/m) de una mezcla física de HAp y ZnO, con una proporción de HAp:ZnO igual al del nanohíbrido, al que se identificó como PEEK/Mezcla. Los nanocompuestos obtenidos se caracterizaron térmicamente por calorimetría diferencial de barrido (DSC) y análisis termogravimétrico (TGA). Con los nanocompuestos se manufacturaron filamentos de 1.75 mm de diámetro para su uso en impresión de 3D de los prototipos porosos. La caracterización de estos prototipos consistió en análisis fisicoquímico, termomecánico, antibacterial y de bioactividad.

De los experimentos exploratorios para la síntesis de ZnO sobre HAp, se seleccionó el nanohíbrido que se obtuvo mediante la adición de los precursores del ZnO asistido por ultrasonido, seguido de la síntesis por microondas, al ser el único que exhibió una distribución uniforme del ZnO en la superficie de la HAp. En este nanohíbrido la HAp era de ~70 nm de diámetro con nanopartículas de ZnO de ~4.4 nm. Los resultados de la caracterización por DRX indicaron que el ZnO sintetizado sobre la HAp está en la fase wurtzita, y su síntesis no indujo cambios evidentes en la estructura cristalina de la HAp. Sin embargo, los cambios en las energías de enlace en las orbitales Ca 2p, P 2p y O 1s de la HAp- ZnO con respecto a la HAp, sugieren que existen interacciones entre la HAp y el ZnO.

Los nanocompuestos de PEEK/HAp y PEEK/nanohíbrido no presentaron cambios significativos en su cristalinidad con respecto al del PEEK prístino, mientras que el nanocompuesto PEEK/Mezcla física de HAp-ZnO, exhibió un aumento en la cristalinidad.

El análisis mecánico dinámico (DMA) indicó que todos los nanocompuestos no exhibieron cambios significativos en la Tg con respecto al PEEK prístino. En lo que respecta al módulo de almacenamiento (E’), se encontró que la adición d la HAp y de la mezcla física de HAp- ZnO incrementaron ligeramente E’, ~9% y 13% respectivamente. Por su parte el nanocompuesto PEEK/nanohíbrido exhibió un E’=1.13 GPa, similar al del hueso esponjoso (0.75-3 GPa) y ~60% mayor que el del PEEK prístino. Los ensayos de actividad antibacteriana indicaron que los prototipos porosos de PEEK/nanohíbrido exhibieron un mayor porcentaje de inhibición (93% a las 2 h y 100% a las 24 h) que el PEEK/mezcla (50% a las 2h y 97% a las 24 h). Mientras que la prueba de bioactividad sugiere que el uso del nanohíbrido provoca un buen crecimiento de apatita en la superficie de los prototipos porosos.

Con estos resultados se concluye que los prototipos obtenidos por impresión 3D del nanocompuesto PEEK/nanohíbrido presentó las mejores propiedades mecánicas, antibacterianas y bioactivas, y por consiguiente lo posicionan con un buen candidato para su uso en implantes dentales.

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DESARROLLO Y EVALUACIÓN DE FIBRAS POLIMÉRICAS BICOMPONENTES DE NYLON-6 REFORZADAS CON NANOTUBOS DE CARBONO FUNCIONALIZADOS MEDIANTE ENERGÍA DE ULTRASONIDO

ELIZABETH LARA MONTIEL (2022, [Tesis de doctorado])

Las fibras de Nylon convencionales presentan propiedades que les han otorgado un lugar privilegiado en su aplicación en el área textil. Sin embargo, con el continuo avance de la tecnología se requieren fibras que cumplan con requerimientos cada vez más específicos para su aplicación como textiles especializados o técnicos y abastecer así los crecientes mercados industriales, entre ellos, el automotriz, aeroespacial, etc. Una manera de otorgarle nuevas características a una fibra polimérica es mediante el empleo de un material que le confiera sus propiedades o funcionalidad. A diferencia de las fibras convencionales, las fibras bicomponente están constituidas por dos tipos de materiales o polímeros, que pueden estar distribuidos en diferentes configuraciones, dando como resultados fibras con propiedades diversas. La tecnología de hilado bicomponente en fundido o “bicomponent melt spinning” en inglés, ha establecido un importante interés en la industria de la fibra sintética debido a sus posibles aplicaciones en el desarrollo de fibras innovadoras [1]. La posibilidad de unir dos materiales poliméricos de características diferentes en un mismo filamento permite obtener fibras que contengan o compartan propiedades de ambos polímeros e incluso propiedades totalmente nuevas [2]. Al coextruir fibras poliméricas, es necesario considerar el efecto que genera la interfase de los componentes y su comportamiento, ya sea para lograr una interfase uniforme con una buena adhesión entre ellos [3], o para favorecer la incompatibilidad entre fases si lo que se busca es la separación de ellas en la fibra formada. Una forma de obtener fibra bicomponente con adhesión de interfase uniforme, es mediante el uso de la misma matriz polimérica en ambos componentes, con la diferencia de que uno de los componentes contenga un material que modifique sus propiedades según se requiera, es decir, empleando un compuesto polimérico. El uso de nanopartículas que se incorporan en los polímeros para formar nanocompuestos puede actuar como refuerzos para mejorar propiedades o incorporar nuevas propiedades al material. Ya se han empleado nanocompuestos para la obtención de fibras bicomponente con interesantes efectos en sus propiedades finales [4].

Sin embargo, al haber una amplia gama de posibilidades de procesado de fibras en cuanto a su conformación y componentes, se desconoce con mayor detalle el efecto de factores como la funcionalización de nanopartículas en el nanocompuesto, cantidad de carga, velocidad de estirado en fibras que permita aportar información al respecto del comportamiento final de las fibras bicomponente. Por otro lado, una de las complicaciones al momento de preparar nanocompuestos es la interacción entre la matriz y la nanopartícula [5], la cual generalmente no es buena. La falta de homogeneidad en la dispersión de las partículas dentro de una matriz polimérica es muy común al emplear partículas de carbono. Los nanotubos de carbono cuentan con excelentes propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas, lo que los hace ser un agente de refuerzo ideal, sin embargo, debido a las fuerzas de Van der Waals que actúan entre ellos tienden a formar aglomerados [6] que afectan su dispersión. Una manera de mejorar su interacción es modificar la superficie de los nanotubos de carbono con moléculas o grupos que los hagan afines a la matriz polimérica, con lo cual se logra obtener una dispersión más homogénea y, por lo tanto, una mejor transferencia de esfuerzos y propiedades a la matriz polimérica. El uso de métodos alternos para llevar a cabo procesos químicos como la funcionalización de nanopartículas que involucren la química verde, como lo es el uso de energía por plasma, microondas o ultrasonido es parte de la responsabilidad con el cuidado al medio ambiente que se tiene en la actualidad, ya que de esta forma se fomenta la disminución de tiempos de reacción, cantidades de reactivos y empleo de disolventes tóxicos y/o altamente contaminantes. La presente investigación tuvo como finalidad el desarrollo y evaluación de propiedades mecánicas en fibras bicomponente a partir de Nylon-6 virgen y nanocompuesto polimérico de Nylon-6 con nanotubos de carbono al 0.1 y 1% en peso, que se obtuvo mediante mezclado en fundido. Los nanotubos de carbono previamente fueron modificados superficialmente mediante el empleo energía de ultrasonido para propiciar una mejor compatibilidad y dispersión en la matriz polimérica.

Se empleo durante el hilado en fundido de las fibras la configuración bicomponente tipo núcleo-coraza (core-sheath) para optimizar el uso del nanocompuesto en la zona interna de la fibra y mantener el Nylon-6 puro en el exterior. Durante el desarrollo del proyecto, se hizo uso de procesos fáciles de escalar y ambientalmente amigables, al prescindir de disolventes dañinos durante la modificación y purificación de los MWCNTs, durante la formación del nanocompuesto polimérico y durante la generación de la fibra.

Doctorado en tecnología de polímeros BIOLOGÍA Y QUÍMICA QUÍMICA QUÍMICA