Obtención y caracterización de material compuesto en base a nanomateriales de carbono y cis-1,4-poliisopreno

Abstract

Nanostructures usage in new materials development is an affordable alternative to the major technological progress of our time. Nanotubes and other carbon nanostructures have exceptional physical and chemical properties; some of their properties have been developed theoretically and others have already been tested experimentally. The use of these structures in the formation of composite materials has been alluded to, utilizing their properties as well as those of other materials. One of the major challenges in the use of carbon nanostructures in composites is to achieve a homogeneous distribution of the reinforcing material in the matrix in which they are incorporated, since they tend to agglomerate due to the intermolecular forces that exist between them. The objective of the present research was to obtain and characterize a composite material based on carbon nanotubes and cis-1,4-polyisoprene in order to analyze their dispersion and the mechanical, electrical and tribological properties of the system. To achieve the established goals, carbon nanostructures 1D were obtained; the polymer was vulcanized with low percentages of sulfur and zinc oxide. The ultrasound was used for better dispersion of carbon nanostructures (1 to 4 wt.%) in the polymer during the formation of the composites. Scanning electron microscopy, transmission microscopy, Raman spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy and X-ray diffraction techniques were used to characterize the materials. Raman spectroscopy allowed to verify the interaction between the materials that form the composites, related to changes in their mechanical and electrical properties. The highest hardness value (90.0 HV) was obtained for composites containing 4 % of carbon nanotubes, this value was two times higher than the polymer without the addition of reinforcement material.

El uso de nanoestructuras en el desarrollo de nuevos materiales es una alternativa asequible a los principales desarrollos tecnológicos de nuestro tiempo. Los nanotubos y otras nanoestructuras de carbono tienen propiedades físicas y químicas relevantes; algunas de sus propiedades han sido desarrolladas teóricamente y otras ya han sido probadas experimentalmente. Se ha aludido el uso de estas estructuras en la formación de materiales compuestos, utilizando sus propiedades, así como las de otros materiales. Uno de los mayores retos en el uso de nanoestructuras de carbono en compósitos es conseguir una distribución homogénea del material de refuerzo en la matriz en que se incorporan, ya que tienden a aglomerarse debido a las fuerzas intermoleculares que existen entre ellas. El objetivo de la presente investigación fue obtener y caracterizar un material compuesto en base a nanotubos de carbono y cis-1,4-poliisopreno para analizar su dispersión y las propiedades mecánicas, eléctricas y tribológicas del sistema. Para alcanzar las metas establecidas se obtuvieron nanoestructuras de carbono 1D; se vulcanizó el polímero con bajos porcentajes de azufre y óxido de zinc. Se utilizó ultrasonido para logar una buena dispersión de nanoestructuras de carbono en concentraciones desde 1 hasta 4% en peso en el polímero durante la formación de compositos. Se utilizaron técnicas de microscopía electrónica de barrido, microscopía de transmisión, espectroscopía Raman, espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier y difracción de rayos X para caracterizar los materiales. La espectroscopía Raman permitió comprobar que existe interacción entre los materiales que forman a los compósitos, relacionado con cambios en sus propiedades mecánicas y eléctricas. El mayor valor de dureza (90.0 HV) se obtuvo para compósitos que contienen 4 % de nanotubos de carbono, este valor fue dos veces mayor al valor de la dureza del polímero sin adición de material de refuerzo.