Desarrollo de materiales autorreparables de matriz epoxi-ácido modificados con óxido de grafeno (GO) para aplicaciones de alto desempeño

TOMAS BYRNE; CRISTINA HOPPE; FACUNDO ALTUNA; JULIETA PUIG

Buenos AIres

Jornada; VII Jornada de Ingenieria en Materiales; 2022

Red de Ingenieria en Materiales

Objetivos.Desarrollar materiales autorreparables para aplicaciones de alto desempeño, basados enuna matriz epoxi-ácido modificada con óxido de grafeno (GO), con propiedades mecánicasmejoradas respecto al material virgen y capacidad de reparación remota inducida por efectofototérmico.Introducción.El diseño de materiales ha visto un considerable aumento en el número de estrategias desíntesis de polímeros capaces de repararse en respuesta a un daño [1]. Esta búsquedasurgió impulsada por los numerosos ejemplos de autorreparación que existen en lanaturaleza y porque la mejora en las propiedades, como herramienta para alargar la vida útilen servicio de una pieza, presenta un límite práctico.El interés en los polímeros termorrígidos autorreparables basados en enlaces covalentesdinámicos, denominados “VITRIMEROS”, experimentó un crecimiento exponencial a partirdel desarrollo de resinas epoxi entrecruzadas con poli ácidos carboxílicos, reportadoinicialmente por Leibler y col. [2]. La reacción de un grupo epoxi con un ácido carboxílicoorigina un éster con un hidroxilo (OH) en posición beta. Estos grupos pueden seraprovechados para producir reacciones de intercambio (transesterificaciones, entre un ésterde una cadena y el OH de otra cadena) activadas térmicamente en presencia de uncatalizador adecuado [2]-[4]. Las reacciones de intercambio modifican la topología de la redpolimérica, aunque mantienen en todo momento del proceso la misma densidad deentrecruzamiento, al menos teóricamente. Los vitrímeros epoxi comparten propiedades conlas redes epoxi tradicionales, como su excelente resistencia a solventes y buenaspropiedades mecánicas, aunque tienen la ventaja adicional de ser autorreparables,reprocesables e incluso reciclables. A pesar de estas ventajas, su diseño presenta undesafío claro: una mejora en las prestaciones mecánicas y un acercamiento hacia losvalores requeridos para aplicaciones de alto desempeño va, en general, en detrimento delas propiedades de autorreparación. En este trabajo se propone investigar la posibilidad desuperar esta problemática a través de dos enfoques complementarios: a) la mejora en eldiseño de la matriz basada en el aumento de la densidad de entrecruzamiento y laconcentración de grupos OH, y b) la dispersión de nanoestructuras de GO, capaces demejorar la respuesta mecánica y conferir al material propiedades fototérmicas útiles enprocesos de autorreparación activados de manera remota.Desarrollo del Trabajo.Con la visión de un futuro escalado de la formulación, se sintetizó una matriz vitrimérica apartir de una resina epoxi comercial basada en diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA). Comoagente entrecruzante se empleó ácido glutárico (GA) en relación estequiométrica y comocatalizador se utilizó 1-Metilimidazol (1MI) al 5% en equivalentes respecto a eq. epoxi. Elciclo de curado se llevó a cabo en estufa de convección y consistió en 4 horas a 100°C,seguido de 2 horas a 160°C. El mismo se ajustó para obtener conversión completa (FT-NIR)y un polímero lineal en la primera etapa y un sistema entrecruzado por reacciones detransesterificación luego de 2 hs a 160°C. El vitrímero modificado se desarrolló con laincorporación de GO desde la formulación inicial, (0,1% en peso) y mediante sonicadodurante 20 minutos con amplitud de 30% (Fig. 1a.).La Tg de la matriz virgen entrecruzada, determinada por DSC, fue cercana a los 53°C(onset), mientras que la fracción de gel determinada gravimétricamente fue de 94%. Lautilización de microscopía óptica de transmisión permitió confirmar la ausencia de agregadosmacroscópicos de óxido de grafeno en la matriz vitrimérica (Fig. 1b). Con la intención deprobar la autorreparación del sistema modificado, se realizó de manera sencilla un cortesobre la superficie de la muestra; luego de 1 hora a 160°C se comprobó laautorreparabilidad (Fig. 2). Paralelamente se demostró que es posible unir (soldar) dosprobetas del material entre sí, por contacto directo entre ellas bajo presión durante 1 hora a160°C.Conclusiones.Se logró desarrollar un vitrímero modificado con óxido de grafeno de Tg mayor a 50°C y unaalta fracción de gel. Se comprobó de forma sencilla la autorreparación del material y lacapacidad de soldarse mediante compresión en temperatura. Estos resultados pronosticanuna buena vía para las aplicaciones de alto desempeño que se buscan. Se encuentra encurso la realización de ensayos mecánicos, de relajación de tensiones y autorreparación porfototermia.Referencias.1. Van Zee, N. J., and Nicolay, R., Progress in Polymer Science, 104 (2020) 101233.2. Montarnal, D., Capelot, M., Tournilhac, F., et al., Science334 (2011) 965–8.3. Altuna, F. I., Hoppe, C. E., and Williams, R. J. J., RSC Adv. 6(2016) 88647–55.4. Altuna, F. I., Hoppe, C. E., and Williams, R. J. J., European Polymer Journal 113 (2019)297–304.