Nuevos materiales nanocompuestos preparados mediante Solution Blow Spinning con potenciales propiedades inducidas

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dc.contributor.advisor González Benito, Francisco Javier
dc.contributor.author Domínguez Herrera, José Ernesto
dc.date.accessioned 2022-02-23T09:13:26Z
dc.date.available 2022-02-23T09:13:26Z
dc.date.issued 2021-09
dc.date.submitted 2021-12-22
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10016/34211
dc.description.abstract En la presente tesis doctoral, se diseñaron, prepararon y caracterizaron nuevos materiales poliméricos con morfología fibrilar con potenciales propiedades inducidas. El método de preparación se abordó empleando la técnica Solution Blow spinning (SBS). La producción de los materiales fibrosos mediante SBS se llevó a cabo empleando una boquilla mono componte diseñada y patentada durante la tesis y las propiedades finales de los materiales fueron inducidas a partir de la modificación morfológica de los materiales. Para cada sistema, los parámetros de proceso fueron controlados por un sistema automatizado con el objetivo de inducir morfologías específicas. En primer lugar, se diseñó, fabrico y patento (Registro: ES 2 752 882 B2) una boquilla mono componente que permite fabricar materiales fibrosos con diferentes morfologías. Se valido la boquilla produciendo fibras de materiales compuestos, una de estos fueron fibras de PVDF con nanotubos de carbono de pared simple, para verificar que la boquilla produzca fibras de materiales poliméricos con la incorporación de nanopartículas, la otras fueron fibras con estructura núcleo-coraza de polisulfona y oxido de polietileno, confirmando la formación de este tipo de estructuras. En segundo lugar y atendiendo los últimos avances en fibras poliméricas, parecía fundamental el diseño de equipos científicos de bajo costo y alta calidad para la obtención de fibras. Para superar este desafío, se diseñó, ensambló y validó un prototipo imprimible en 3D para obtener fibras mediante el método SBS tomando como punto de partida, la boquilla patentada. La configuración particular del prototipo consistió en controlar las condiciones de proceso como distancia de trabajo y flujo de inyección, así como otros parámetros como lo son las RPM y el movimiento axial del colector cilíndrico. Para esto, estos parámetros se automatizaron utilizando un microcontrolador (Arduino) que recibe información desde un dispositivo Android con conectividad bluetooth para controlar cada uno de los elementos del equipo. Posteriormente se verifico la repetibilidad y reproducibilidad de las fibras utilizando polímeros como poliestireno (PS), polisulfona (PSF) y oxido de polietileno (PEO). Así mismo se fabricaron fibras de PSF para analizar la influencia que tiene la distancia de trabajo y el movimiento axial del colector sobre la producción de estas. En tercer lugar, se utilizó el dispositivo para preparar materiales basados en PSF. Se eligieron diferentes condiciones experimentales para obtener muestras de PSF con diferentes morfologías. Se utilizó microscopía electrónica de barrido, SEM, para realizar un estudio morfológico profundo de los materiales preparados. En general, se obtuvieron materiales constituidos principalmente por fibras con microconstituyentes. Se analizaron cuantitativamente dos respuestas morfológicas, la cantidad relativa de fibras (proporción de fibras) y el diámetro de las fibras. Se empleó una estrategia de optimización basada en el enfoque de función de deseabilidad junto con la metodología de superficie de respuesta de Box-Behnken para encontrar las mejores condiciones de procesamiento para producir materiales PSF con respuestas morfológicas específicas o morfología controlada. Se estudiaron morfologías seleccionadas mediante mediciones de ángulos de contacto para comprender la humectabilidad de materiales fibrosos de PSF. El comportamiento super hidrofóbico de PSF preparado en este trabajo se describe mediante el modelo de Cassie-Baxter. Además, se demuestra la posibilidad de diseñar un material basado en PSF con un comportamiento de humectabilidad inducido por una morfología designada, que, a su vez, se puede obtener a partir de las condiciones de procesamiento de SBS proporcionadas por el uso del método Box-Behnken y el enfoque de función de deseabilidad. Como cuarto punto fibras submicrométricas con estructura bicomponente de óxido de polietileno (PEO) y polisulfona (PSF) fueron fabricadas por la técnica Solution blow spinning. Las fibras bicomponente de PEO-PSF se caracterizaron y compararon con fibras puras de PEO y PSF. La caracterización morfológica y estructural se basó en microscopia electrónica de barrido (SEM), transmisión (STEM) y espectroscopia infrarroja (FTIR); el comportamiento térmico, superficial y mecánico se analizó con termogravimetría (TGA); ángulo de contacto (CA), rugosidad y la maquina universal. Las fibras bicomponente presentan una estructura núcleo-coraza y lado a lado sin interacción entre los materiales poliméricos. Se demostró que el comportamiento de las fibras bicomponente se vio mejorado en comparación de los sistemas de fibras independientes. Por último, se realizó una breve revisión de los tipos de fibras fabricadas por SBS, donde se consideraron la forma de la fibra, el proceso de fabricación y los diferentes materiales que se han utilizado para su manufactura y se presentó una propuesta de clasificación para los diferentes tipos de fibras obtenidas exclusivamente para materiales fabricados por SBS.
dc.description.abstract In the present doctoral thesis, new polymeric materials with fibrillar morphology with potential induced properties were designed, prepared, and characterized. The preparation method was approached using the Solution Blow spinning (SBS) technique. The production of fibrous materials by SBS was carried out using a mono-component nozzle designed and patented during the thesis and the final properties of the materials were induced from the morphological modification of the materials. For each system, the process parameters were controlled by an automated system in order to induce specific morphologies. Firstly, mono component nozzle was designed, manufactured and patented (Registration: ES 2 752 882 A1). It allows the manufacture of fibrous materials with different morphologies. The nozzle was validated producing fibers of composite materials, one of these were PVDF fibers with single-walled carbon nanotubes, to verify nozzle produces fibers of polymeric materials with the incorporation of nanoparticles, besides fibers with a core-shell structure of polysulfone and polyethylene oxide were produced to confirm formation of this type of structures. Secondly, and considering the latest advances in polymeric fibers, the design of low-cost and high-quality scientific equipment for obtaining fibers seemed essential. To overcome this challenge, a 3D printable prototype was designed, assembled, and validated to obtain fibers using the SBS method, taking the patented nozzle as a reference. The configuration of the prototype consisted of controlling the process conditions such as working distance and injection flow, and other parameters such as RPM and axial movement of the cylindrical collector. These parameters were automated using a microcontroller (Arduino) that receives information from an Android device with bluetooth connectivity to control each of the elements of the equipment. Subsequently, the repeatability and reproducibility of the fibers was verified using polymers such as polystyrene (PS), polysulfone (PSF) and polyethylene oxide (PEO). Besides, PSF fibers were manufactured to analyze the influence of the working distance and the axial movement of the collector on their production. Thirdly, the device was used to prepare PSF-based materials. Different experimental conditions were chosen to obtain PSF samples with different morphologies. Scanning electron microscopy, SEM, was used to carry out a deep morphological study of the prepared materials. In general, materials consisting of fibers with microconstituents were obtained. Two morphological responses were quantitatively analyzed, the relative amount of fibers (proportion of fibers) and diameter of the fibers. An optimization strategy based on the desirability function approach was employed together with the Box-Behnken response surface methodology to find the best processing conditions to produce PSF materials with specific morphological responses or controlled morphology. Selected morphologies were studied by contact angle measurements to understand the wettability of fibrous PSF materials. The super hydrophobic behavior of PSF prepared in this work is described by the Cassie-Baxter model. Furthermore, the possibility of designing a PSF-based material with a wettability behavior induced by a designated morphology is demonstrated, which, in turn, can be obtained from the SBS processing conditions provided using the Box- Behnken method and the desirability function approach. As a fourth point, submicron fibers with bicomponent structure of polyethylene oxide (PEO) and polysulfone (PSF) were manufactured by the Solution blow spinning technique. The bicomponent PEO-PSF fibers were characterized and compared with pure PEO and PSF fibers. The morphological and structural characterization was based on scanning electron microscopy (SEM), transmission (STEM) and infrared spectroscopy (FTIR); the thermal, superficial, and mechanical behavior was analyzed with thermogravimetry (TGA); contact angle (CA), roughness and the universal machine. The bicomponent fibers have a core-shell and side-by-side structure without interaction between the polymeric materials. It was shown that the performance of the bicomponent fibers was improved compared to the independent fiber systems. Finally, a brief review of the types of fibers manufactured by SBS was carried out, where the shape of the fiber, the manufacturing process and the different materials manufactured with SBS were considered and a classification proposal was presented for the different types of fibers investigated.
dc.description.sponsorship En primer lugar, deseo agradecer a las instituciones que me brindaron el apoyo financiero y laboral para el desarrollo de la tesis doctoral, en primer lugar, quiero reconocer al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT-México) por la beca de doctorado [No. 625396] otorgada, al Ministerio de Economía y Competitividad [MAT2014-59116-C2], a los Fondos de Investigación de Fco. Javier González Benito [2012/00130/004] y a la Acción Estratégica en Materiales compuesto e interfaces [2011/00287/002] de la Universidad Carlos III de Madrid por brindarme todos aquellos insumos que requerí para desarrollar la tesis y a la Universidad Tecnológica del Centro de Veracruz por el soporte laboral que me ha brindado durante este proceso de superación personal y académico.
dc.language.iso spa
dc.relation.haspart https://patents.google.com/patent/ES2752882B2/es?oq=ES2752882B2
dc.relation.haspart https://doi.org/10.1016/j.ohx.2021.e00218
dc.relation.haspart https://doi.org/10.1002/app.50200
dc.rights Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.other Nanotecnología
dc.subject.other Materiales compuestos
dc.subject.other Polímeros
dc.subject.other Solution blow spinning
dc.title Nuevos materiales nanocompuestos preparados mediante Solution Blow Spinning con potenciales propiedades inducidas
dc.type doctoralThesis
dc.subject.eciencia Materiales
dc.rights.accessRights openAccess
dc.description.degree Programa de Doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales por la Universidad Carlos III de Madrid
dc.relation.projectID Gobierno de España. MAT2014-59116-C2
dc.description.responsability Presidente: José María Lagarón Caballero.- Secretaria: Dania Olmos Díaz.- Vocal: Juan Manuel Padilla Flores
dc.contributor.departamento Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química
dc.contributor.funder Ministerio de Economía y Competitividad (España)
dc.contributor.funder Universidad Carlos III de Madrid
dc.contributor.tutor González Benito, Francisco Javier
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