Sustainable multifunctional composite materials with 3R capabilities (Recyclability, Reprocessability, and Repairability) based on vitrimeric matrices

Abstract

El uso de materiales compuestos basados en polímeros reforzados con fibra (FRPs, del inglés Fiber Reinforced Polymers) para la fabricación de componentes estructurales de los principales sectores industriales, incluyendo automotriz, aeroespacial y energía eólica, se ha incrementado en las últimas décadas. Los beneficios asociados a su elevada resistencia y rigidez específicas han llevado a la sustitución de materiales utilizados convencionalmente de manera extendida como el acero y las aleaciones de aluminio. Sin embargo, su empleo en el futuro puede verse comprometido debido al elevado grado de entrecruzamiento de las cadenas de la matriz termoestable, lo cual presenta dificultades en su reciclado, reprocesado y reparación, llevando a un producto de desecho con un impacto medioambiental negativo al final de su vida útil. El desmantelamiento en esta década de los primeros componentes de material compuesto que alcanzan el final de su vida útil (EoL, del inglés End of Life), junto con el reto de cumplir los desafíos definidos en los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), han llevado a una urgencia científica para desarrollar materiales con un mínimo o nulo impacto en el medioambiente y los seres vivos. Esta situación ha llevado a la aparición de una nueva generación de polímeros termoestables con enlaces dinámicos, llamados redes adaptables covalentes (CAN, del inglés Covalent Adaptable Networks), que permiten la reorganización de la red polimérica bajo la aplicación de un estímulo térmico. Sin embargo, su optimización y aplicación en materiales compuestos aún son limitadas y requieren una mayor investigación sobre la interacción de estos polímeros con distintos refuerzos. Además, la funcionalización de la estructura compuesta mediante la incorporación de nanorrefuerzos puede ser utilizada de manera sinérgica con las propiedades dinámicas. En este sentido, la presente Tesis Doctoral se enmarca dentro del desarrollo de materiales compuestos multifuncionales con reciclabilidad, reprocesabilidad y reparabilidad (3R), basados en una matriz CAN que incorpora nanoestructuras eléctricamente conductoras, incluyendo nanotubos de carbono (CNTs, del inglés Carbon Nanotubes) y nanoplaquetas de grafeno (GNPs, del inglés Graphene Nanoplatelets). Para alcanzar este objetivo, se tratará en primer lugar el desarrollo de una matriz polimérica basada en enlaces covalentes dinámicos, con el consecuente estudio de sus propiedades Resumen ii particulares de un termoestable junto con sus capacidades 3R. Dicha matriz será nanorreforzada para el estudio de sus propiedades eléctricas y térmicas para demostrar la capacidad de monitorización de la salud estructural del material. Una vez demostradas estas capacidades dinámicas y eléctricas de la resina, se incorporará en el material compuesto, reforzándose tanto por fibra de carbono como fibra de vidrio continuas, para el estudio de la compatibilidad del sistema en este conjunto junto con sus propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas. Tras el desarrollo del material compuesto final, se tratará de modificar la estructura química de la resina a partir de precursores de origen natural para alcanzar un material sostenible y ecológico. El desarrollo del trabajo se llevó a cabo comenzando con la caracterización y optimización de las propiedades de autorreparación del polímero CAN. Este objetivo se logró mediante un análisis comparativo de la eficiencia de reparación por medio de dos tipos de estímulo térmico: calentamiento convectivo y calentamiento resistivo. Este análisis incluyó la incorporación de diferentes concentraciones de endurecedor dinámico y diferentes contenidos de nanopartículas para comprender su influencia en las propiedades típicas asociadas a los termoestables y en la eficiencia de autorreparación. El CAN seleccionado, basado en enlaces disulfuro y referido como vitrímero en la literatura reciente, exhibió altas eficiencias de reparación, por encima del 90 % en todas las condiciones evaluadas. El fenómeno de autorreparación se logró mediante la aplicación de calentamiento resistivo gracias a la red eléctricamente percolada formada por la incorporación de CNT, con eficiencias de autorreparación superiores al 95 %, indicando una recuperación completa del daño previamente inducido. Además, las propiedades eléctricas del material permitieron la monitorización de deformaciones, exhibiendo una variación de la resistencia eléctrica normalizada con la deformación aplicada que replicaba el gráfico de tensión-deformación con valores de factor de galga (GF, del inglés Gauge Factor) que oscilaban entre 0.5-2.5. La combinación de autorreparación, auto-calentamiento y funcionalidades de monitorización de la salud estructural (SHM, del inglés Structural Health Monitoring) permitiría la detección de daños y la reparación autónoma del componente mediante un aumento de la temperatura por medio del calentamiento resistivo. Este enfoque eliminaría las limitaciones geométricas asociadas con dispositivos de calentamiento convectivo convencionales, tales como hornos o autoclaves, y permitiría la aplicación de procesos de reparación in situ sin intervención externa.