Introducción

Hace más de dos décadas que las investigaciones sobre compuestos poliméricos viene en aumento desde la ciencia y la ingeniería de materiales debido a su espectacular rendimiento funcional. Los dos componentes principales de los compuestos poliméricos son un refuerzo (partículas o fibras) y una matriz (fase continua). El refuerzo está incrustado dentro de la matriz, y es el que generalmente otorga la rigidez y la resistencia del material compuesto, mientras que la matriz proporciona la estabilidad térmica, además de proporcionar la forma física del material compuesto, que a su vez sirve para unir el material de refuerzo entre sí a fin de protegerlo y crear una única estructura. Es por esto, que los materiales compuestos muestran propiedades muy superiores a las generadas por sus materiales constituyentes en su estado original y puro. Proporcionan mejores propiedades mecánicas, como un mejor módulo elástico, resistencia, dureza, resistencia al impacto, así como también, mejores propiedades térmicas y eléctricas. Dado su desempeño superior, en algunas aplicaciones relacionadas con industrias como la aeroespacial y de aviación, automovilística, marina, electrónica, equipos deportivos, instrumentos musicales, palas de turbinas eólicas, etc., la necesidad y la demanda de compuestos poliméricos son mucho mayores que las de metal o compuestos metálicos.

Con el desarrollo de la nanotecnología y por ende con la llegada de los nanomateriales, su inclusión en 1992 como rellenos para incrementar aún más las propiedades de los compuestos e incluso desarrollar otras con una menor cantidad no se hizo esperar, dando lugar al desarrollo de lo que hoy se conoce como materiales nanocompuestos. Siguiendo esta misma línea, los nanocompuestos poliméricos (PNC) son materiales avanzados de ingeniería que tienen rellenos de tamaño nanométrico (el tamaño varía de 1-100 nm) embebidos en una matriz polimérica (por ejemplo, termoplástica o termoestable), cuyo aporte al desempeño del compuesto es definitivo. Dada sus bondades, los PNC se han utilizado ampliamente en diferentes campos, como biomédico, electrónica, aeroespacial, separación de membrana, recubrimiento anticorrosivo, automotriz, protección contra rayos, blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI), sensores, almacenamiento/conversión de energía e industrias de embalaje. En 2023, el mercado de nanocompuestos poliméricos se valoró en 10.700 millones de dólares, y se espera que crezca a una tasa compuesta anual del 17,8% entre 2024 y 2032, impulsado por la creciente demanda de industrias de uso final como la automotriz, aeroespacial, electrónica y de embalaje de materiales livianos y duraderos.

Dentro del amplio abanico de matrices poliméricas, los poliuretanos (PUR) son una clase única de polímeros con propiedades versátiles y numerosas aplicaciones. Sus propiedades se pueden adaptar ampliamente debido a la posibilidad de una amplia gama de materias primas apropiadas y tecnologías de procesamiento disponibles, lo que lo cataloga como uno de los materiales más innovadores. Una subclase interesante dentro de la familia de los poliuretanos, son los poliuretanos termoplásticos (TPU), debido a que son flexibles y elásticos con buena resistencia al impacto, la abrasión y la intemperie. Esta interesante combinación de propiedades de los TPU los hace adecuados para muchas aplicaciones, como en automoción, calzado, construcción, medica, entre otras. Sin embargo, la adaptación de las propiedades del TPU modificando únicamente su estructura química, no crea suficientes posibilidades de obtener algunas propiedades especiales como módulo muy alto a baja densidad, permeabilidad a los gases muy baja y alta conductividad eléctrica, que son necesarias para algunas aplicaciones técnicas exigentes. Es por esto, que la incorporación de nanopartículas o nanomateriales en matrices de TPU no se ha hecho esperar, presentándose a la fecha una importante cantidad de propuestas metodológicas con gran potencial de ser llevadas al mercado.

Entre los diferentes nanomateriales evaluados (de naturaleza orgánica e inorgánica) como refuerzo, los nanomateriales carbonosos que comprenden el grafeno/óxido de grafeno (GO), nanotubos de carbono (CNT), negro de carbón, grafito y fibra de carbono (CF), han recibido gran atención en los últimos años. Sin embargo, debido a sus extraordinarias propiedades intrínsecas (mecánicas, eléctricas y térmicas), al moderado grado de madurez tecnológico, y su capacidad de dispersarse en varias matrices de polímeros, los nanotubos de carbono (CNT) ha tomado gran relevancia en el campo de investigación en esta área en la última década. La incorporación de CNT en la matriz de TPU genera nanocompuestos con excelentes propiedades mecánicas, térmicas, mecánicas dinámicas y eléctricas. También, muestran una posible eficacia de protección contra interferencias electromagnéticas (EMI SE), propiedades electroestrictivas, comportamiento piezorresistivo, revestimiento conductor anticorrosivo, conductividad térmica, memoria de forma, comportamiento de fluencia, comportamiento de histéresis, característica antimicrobiana, y otros. Lo anterior, ha capturado el interés de la comunidad científica por el potencial que presentan para el desarrollo de dispositivos de altas prestaciones.

Dentro de las diferentes rutas de síntesis de nancompuestos poliméricos, el método de síntesis de mezcla de soluciones presenta una opción interesante para aquellos que deseen incursionar en la investigación de este tipo de materiales. Lo anterior, debido a que requiere una inversión mínima en equipamiento e insumos, además de que permite obtener muestras con las dimensiones y espesores suficientes para realizar las diferentes caracterizaciones físicas-químicas, así como la evaluación de propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, magnéticas, entre otras.

Atendiendo los objetivos del libro, este se divide en 5 capítulos. El capítulo 1 presenta una introducción general al material poliuretano y sus elastómeros. El capítulo 2 presenta una aproximación a los nanocompuestos de poliuretano. Entre tanto, el capítulo 3, expone aspectos científicos y tecnológicos de la síntesis de nanocompuestos de poliuretano reforzados con CNT, y el capítulo 4 aborda en profundidad la síntesis de nanocompuestos de TPU reforzados con CNT bajo el método de mezcla de soluciones. Finalmente, el capítulo 5 presenta los comentarios/observaciones derivadas del análisis de información, además de Anexos y referencias.

Índice

INTRODUCCIÓN

Capítulo 1. Generalidades del poliuretano y elastómeros de poliuretano

1.1 Introducción
1.2 Producción y mercado mundial del poliuretano
1.3 Elastómeros de poliuretano
1.3.1 Generalidades
1.3.2 Poliuretano termoplástico (TPU)

Capítulo 2. Generalidades de los nanocompuestos de poliuretano

2.1 Introducción
2.2 Efecto de las cargas sobre la separación de microfases en composites de poliuretano
- 2.2.1 Rellenos esféricos
- 2.2.2 Rellenos fibrosos
- 2.2.3 Rellenos en capas
2.3 Caracterización básica de nanocompuestos poliméricos basados en poliuretano
- 2.3.1 Propiedades mecánicas y térmicas
- 2.3.2 Propiedades eléctricas
- 2.3.3 Propiedades acústicas
- 2.3.4 Propiedades químicas
- 2.3.5 Propiedades viscoelásticas
- 2.3.6 Propiedades de memoria de forma
2.4 Aplicaciones y potenciales aplicaciones

Capítulo 3. Nanocompuestos de poliuretano reforzados con nanomaterial carbonoso

3.1 Introducción

3.2 Nanocompuestos de poliuretano reforzados con nanotubos de carbono (CNT)

3.3 procesos de fabricación de nanocompuestos poliméricos reforzados con CNT

3.3.1 Mezcla en fusión
3.3.2 Mezcla de soluciones
3.3.3 Moldeo por transferencia de resina
3.3.4 Mezcla de cizalla
3.3.5 Polimerización in-situ
3.3.6 Comparación entre métodos

Capítulo 4. Nanocompuestos de poliuretano termoplástico (TPU) reforzados con nanotubos de carbono (CNT).

4.1 Introducción
4.2 Intensidad de investigación, patentes y productos
- 4.2.1 Intensidad de investigación y patentes
- 4.2.2 Productos
4.3 Nanocompuestos de poliuretano termoplástico (TPU) reforzados con CNT obtenido por método de mezcla de solución
- 4.3.1 Metodología de búsqueda y análisis de publicaciones científicas
- 4.3.2 Análisis de información sobre el proceso de mezcla de soluciones o solventes para la obtención de nanocompuestos de TPU/CNT.

5. Comentarios / observaciones

Anexos

Referencias