Development of polycarbonate multifunctional foams with graphene nanoplatelets

Resumen

Este trabajo fue llevado a cabo con el objetivo de determinar las relaciones entre procesado, estructura y propiedades de los nanocompuestos espumados de policarbonato con nanoparticulas de grafeno (PC-GnP). Se prepararon e investigaron series de espumas producidas según dos procesos diferentes de espumación (proceso en una etapa y en dos etapas) usando dióxido de carbono supercrítico (scCO2) como agente físico de espumación. Se analizaron los efectos de las variables del proceso (P, Tª y tiempo) y de la composición del material (% GnP) sobre la morfología, estructura y propiedades de las espumas. La incorporación de GnP favoreció la nucleación celular en el polímero, permitiendo preparar espumas con un amplio rango de densidades relativas, entre 0.07 y 0.80, con tamaños celulares promedio de entre unos pocos micrómetros hasta varios cientos. Se investigaron, asimismo, los cambios microestructurales desarrollados por el PC durante el procesado en presencia de scCO2 y GnP, as í como la variación de la estabilidad térmica de las espumas. A nivel estructural, en el caso de espumación llevada a cabo en dos etapas (Tª típica de espumación 165 ºC) las espumas no desarrollaban cristalinidad, mientras que las espumas producidas directamente en una etapa, con temperatura típica de espumación superior a 200 ºC, presentaban un grado de cristalinidad. La estabilidad térmica de las espumas resultaba superior a la del material no celular, debido al efecto aislante de la estructura celular. Asimismo, las nanopartículas GnP limitaban la difusión de los productos gaseosos por efecto barrera. Ello sugiere, para estas espumas, eventuales aplicaciones de mayor temperatura que las del propio PC. Por otra parte, con respecto a las propiedades termomecánicas de las espumas, se encontraron diferentes relaciones entre los valores del módulo de almacenamiento con la densidad, dependiendo de la densidad, composición y morfología celular. Asimismo, la cristalinidad desarrollada en las espumas producidas en el proceso de una etapa, permitió explicar su mayor rigidez frente a las producidas en dos etapas, a pesar de tener menores densidades celulares y superiores tamaños de celda. Por lo que respecta a la conductividad eléctrica, además de la concentración de partículas conductoras GnP, se evidenció la influencia de la estructura celular de la espuma como una característica relevante sobre dicha propiedad. Así, se puso de manifiesto el aumento de la conductividad al disminuir la densidad relativa de las espumas, sugiriendo una red de conducción eléctrica más efectiva, que resultaría de una mayor dispersión y/o mejor distribución de las partículas al aumentar el grado de espumación. Este efecto se pudo observar sobre las propiedades de protección frente a la interferencia electromagnética (EMI-SE). En el caso de la conductividad térmica, esta fue determinada principalmente por la densidad relativa de las espumas y, en menor medida, por su morfología celular. Así, una disminución del 90 % en la densidad del material conllevó una reducción de la conductividad térmica de un 80% aproximadamente. De igual modo, una fracción másica tan pequeña como un 0.5 % de GnP promovió hasta un 95% de incremento de conductividad térmica en espumas de similar densidad. El efecto se atribuye a una mejor conducción de la fase sólida que contiene las partículas GnP. En este sentido, las espumas con contenidos de GnP del 5 % en peso, manifestaron conductividades térmicas del mismo orden que las del compuesto no celular sin espumar. Estos resultados sugieren eventuales aplicaciones para las espumas de PC-GnP donde se requiera disipación de calor con materiales ligeros.