Compostos poliméricos con alúmina: influencia da reoloxía e amorfoloxía na condutividade térmica

Abstract

[Resumen] El desarrollo científico-tecnológico actual demanda materiales de altas prestaciones, versátiles en cuanto a propiedades, con facilidad de moldeo y una buena relación entre coste y propiedades. Dentro de este contexto, el objetivo fundamental de esta tesis es el de diseñar nuevos compuestos poliméricos con alta conductividad térmica y fácil procesabilidad a escala industrial. Para esto, se incorporaron fibras cortas (whiskers) de α-alúmina y una combinación de whiskers y nanopartículas de α-alúmina (relleno híbrido) en diferentes mezclas inmiscibles de polietileno de alta densidad y poliamida 6. Durante el trabajo de la tesis, se analizó con detalle la morfología de los compuestos, relacionándola con la composición del material, las propiedades reológicas y la conductividad térmica obtenida. Con el objetivo de optimizar las propiedades (fundamentalmente la conductividad térmica) con la menor cantidad de relleno, se estudiaron diferentes estrategias: modificar la morfología de los compuestos induciendo la coalescencia mediante tratamientos de precizalla o cambiar la secuencia de incorporación del relleno híbrido en las matrices poliméricas. De los datos obtenidos se puede concluir que los whiskers de α-alúmina mejoraron el valor de la conductividad térmica de las matrices llegando a triplicarse, en los compuestos con 50% de fibras cortas, los valores de partida del polietileno o de la poliamida. Con bajos contenidos de alúmina (30%), en general, la aplicación de la precizalla incrementó la conductividad térmica de los compuestos con whiskers. Aunque el mayor incremento, se obtuvo utilizando el relleno híbrido, con diferencias en función de la composición de la matriz polimérica y del método de procesamiento seguido.

[Abstract] The current scientific-technological development demands high-performance materials, versatile in terms of properties, with ease of molding and a good cost-properties ratio. In this context, the main target of this thesis is to design new polymer composites with high thermal conductivity and easy processability at industrial scale. For that purpose, α-alumina short fibers (whiskers) and a combination of whiskers and nanoparticles of α-alumina (hybrid filler) were added to different immiscible blends of high density polyethylene and polyamide 6. During the thesis work, the morphology of the composites was analyzed and related with the material composition, the rheological properties and the thermal conductivity obtained. To optimize the properties (mainly the thermal conductivity) with the low filler amount, different strategies have been studied: modifying the composite morphology by inducing coalescence after preshear treatments or changing the sequence of incorporation of the hybrid filler in the polymeric matrices. From the obtained data, it can be concluded that the incorporation of α-alumina whiskers has improved the thermal conductivity of the matrices. The highest value was obtained with 50% short fibers, getting a threefold increase respect to polyethylene or polyamide values. In general, the application of preshear in compounds with 30% of whiskers, increased their thermal conductivity. With low alumina amounts (30%), generally, the preshear treatment increased the thermal conductivity of the composites with whiskers. Although the largest increase, it was obtained using the hybrid filler, with differences based on the composition of the polymer matrix and the processing method followed.

[Resumo] O desenvolvemento científico-tecnolóxico actual demanda materiais de altas prestacións, versátiles en canto a propiedades, con facilidade de moldeo e unha boa relación entre custo e propiedades. Dentro deste contexto, o obxectivo fundamental desta tese é o de deseñar novos compostos poliméricos con alta condutividade térmica e fácil procesabilidade a escala industrial. Para isto, incorporáronse fibras curtas (whiskers) de [alfa]-alúmina é unha combinación de whiskers e nanopartículas de [alfa]-alúmina (recheo híbrido) en diferentes mesturas inmiscibles de polietileno de alta densidade e poliamida 6. Durante o traballo da tese, analizouse con detalle a morfoloxía dos compostos obtidos, relacionándoa coa composición do material, as propiedades reolóxicas e a condutividade térmica obtida. Co obxectivo de optimizar as propiedades (fundamentalmente a condutividade térmica) coa menor cantidade de recheo, estudáronse diferentes estratexias: modificar a morfoloxía dos compostos inducindo a coalescencia mediante tratamentos de precizalla ou cambiar a secuencia de incorporación do recheo híbrido nas matrices poliméricas. Dos datos obtidos pódese concluír que os whiskers de [alfa]-alúmina melloraron o valor da condutividade térmica das matrices chegando a triplicar, nos composites con 50% de fibras cortas, os valores de partida do polietileno ou da poliamida. Con baixos contidos de alúmina (30%), en xeral, a aplicación da precizalla incrementou a condutividade térmica dos compostos con whiskers. Aínda que o maior incremento se obtivo utilizando o recheo híbrido, con diferenzas en función da composición da matriz polimérica e do método de procesamento seguido.