Comportamiento tribológico y mecánico de biopolímeros avanzados

[SPA] Esta tesis doctoral pone en el centro la sostenibilidad en la mejora del comportamiento mecánico y tribológico de los polímeros sin comprometer sus especificaciones técnicas, buscando la optimización de materiales más respetuosos con el medio ambiente en su matriz y aditivos. La adición de grafeno a un líquido iónico prótico ha inducido la aparición de interacciones de gel débil para altos contenidos, con consecuencias en su fluidez y su conductividad eléctrica. El líquido iónico y la dispersión más concentrada en nanofase se han utilizado en el refuerzo de la respuesta tribológica de recubrimientos de resina epoxi sobre acero al carbono, mejorando la autocatálisis de la cinética de curado y obteniendo reducciones del coeficiente de fricción de hasta el 94 % como lubricantes externos y hasta el 84 % como aditivos, previniendo el desgaste. El estudio posterior de resinas acrílicas bio-basadas como alternativas sostenibles ha reflejado una protección del sustrato hasta mayor carga, igualando los resultados de lubricación mediante el líquido iónico y reduciendo la fricción en un 76 % para la dispersión. Con respecto a los termoplásticos, el contenido en monómero adicionado en copolímeros de polihidroxialcanoato se ha vinculado con una menor cristalinidad, mayor estabilidad térmica, y una respuesta menos rígida y más dúctil. Estos aspectos dan lugar a mayores coeficientes de fricción, un desgaste más severo y una menor dependencia de dicha respuesta con la carga aplicada. En base a la información adquirida, se ha estudiado la mejora del copolímero más rígido y frágil, el PHBV, mediante aditivos sostenibles. Su lubricación con el líquido iónico y el nanofluido ha ofrecido una reducción del 90 % de la fricción y la disminución de tres órdenes de magnitud en la tasa de desgaste. Por otro lado, las nanoarcillas modificadas incorporadas en la formulación polimérica han logrado formar interacciones de largo alcance que han repercutido en una mejora en la rigidez y la cristalinidad. Como estrategia alternativa más efectiva, tanto este copolímero como el homopolímero PHB de referencia se han mezclado con otros bioplásticos, presentando una miscibilidad parcial entre fases. En el caso del PHB, la mezcla con el succinato de polibutileno ha inducido una mayor estabilidad térmica, un mejor acabado superficial y una respuesta mecánica que preserva la rigidez de partida aumentando su ductilidad hasta un cierto umbral de concentración, favorecido por la adición posterior de un monómero natural y lignina. Para el PHBV, su incorporación hasta el 25 % en peso en el ácido poliláctico ha permitido reducir su cristalinidad y su fluidez, y mejorar su estabilidad térmica. Esto ha reducido la tasa de desgaste hasta un 43 % con respecto al ácido poliláctico, manteniendo la baja fricción y eliminando la fragilidad tribológica del PHBV.[ENG] This PhD Thesis places at the centre sustainability in the improvement of the mechanical and tribological behaviour of polymers without compromising their technical specifications, aiming for the optimization of more environmentally friendly materials in terms of matrix and additives. The addition of graphene to a protic ionic liquid has induced the apparition of weak gel-like interactions at high content, with consequences to their fluidity and electrical conductivity. The ionic liquid and the dispersion with the highest nanophase concentration have been used in the reinforcement of the tribological response of epoxy resin coatings on carbon steel, improving the autocatalysis of curing kinetics and achieving reduction in the friction coefficient up to 94 % as external lubricants and up to 84 % as additives, preventing wear. The subsequent study of acrylic bio-based resins as sustainable alternatives has displayed a substrate protection reaching a higher load, matching the results with the ionic liquids and showing a 76 % friction reduction with the nanofluid. The additional monomer content in polyhydroxyalkanoate copolymers has been linked to a lower crystallinity, higher thermal stability, and a softer and more ductile mechanical response. These aspects have led to higher coefficients of friction, a more severe wear and lower load dependence. Based on the acquired information, the most rigid and fragile copolymer, PHBV, has been studied to improve its response using sustainable additives. Its lubrication with the ionic liquid and the nanofluid has offered a 90 % reduction to the friction coefficient and a three-decade decrease of the wear rate. On the other hand, the modified nanoclays incorporated into the polymer formulation have reached the formation of long-scale interactions that have led to an increase in the stiffness and the crystallinity. As an alternative more effective strategy, both this copolymer and the reference homopolymer PHB have been blended with other bioplastics, showing a partial miscibility between phases. In the case of PHB, its blend with polybutylene succinate has induced a greater thermal stability, a better surface finish and a mechanical response than preserved its original rigidity while increasing its ductility up to a concentration threshold, further improved by the subsequent incorporation of a natural monomer and lignin. For PHBV, the incorporation of up to 25 % to polylactic acid has allowed to control the crystallinity, the thermal stability and the fluidity, solving some of the fundamental problems of the polymers. This has also reduced the wear rate up to a 43 % in comparison to polylactic acid, maintaining the low friction coefficient and deleting PHBVs tribological fragility.

Author

• Martínez Rubio, Pablo Manuel

• Polímero
• Resina acrílica
• Bioplásticos

Identifier

hdl:10317/20166

OAI identifier oai:identifier

oai:repositorio.upct.es:10317/20166