Polymer interaction with macroscopic carbon nanotube fibres and fabrication of nanostructured composites

El ensamblado de nanotubos de carbono (CNT) como una fibra macroscópica en la cual están orientados preferentemente paralelos entre sí y al eje de la fibra, ha dado como resultado un nuevo tipo de fibra de altas prestaciones derivadas de la explotación eficiente de las propiedades axiales de los CNTs, y que tiene un gran número de aplicaciones potenciales. Fibras continuas de CNTs se produjeron en el Instituto IMDEA Materiales mediante el proceso de hilado directo durante la reacción de síntesis por deposición química de vapores. Uno de los objetivos de esta tesis es el estudio de la estructura de estas fibras mediante técnicas del estado del arte de difracción de rayos X de sincrotrón y la elaboración de un modelo estructural de dicho material. Mediciones texturales de adsorción de gases, análisis de micrografías de electrones y dispersión de rayos X de ángulo alto y bajo (WAXS/SAXS) indican que el material tiene una estructura mesoporosa con una distribución de tamaño de poros ancha derivada del amplio rango de separaciones entre manojos de CNTs, así como una superficie específica de 170m2/g. Los valores de dimensión fractal obtenidos mediante SAXS y análisis Barrett-Joyner-Halenda (BJH) de mediciones texturales coinciden en 2.4 y 2.5, respectivamente, resaltando el carácter de red de la estructura de dichas fibras. La estructura mesoporosa y tipo hilo de las fibra de CNT es accesible a la infiltración de moléculas externas (líquidos o polímeros). En este trabajo se estudian los cambios en la estructura multiescala de las fibras de CNTs al interactuar con líquidos y polímeros. Los efectos de la densificación en la estructura de fibras secas de CNT son estudiados mediante WAXS/SAXS. El tratamiento de densificación junta los manojos de la fibra (los poros disminuyen de tamaño), resultando en un incremento de la densidad de la fibra. Sin embargo, los dominios estructurales correspondientes a la transferencia de esfuerzo mecánica y carga eléctrica en los nanotubos no son afectados durante este proceso de densificación; como consecuencia no se produce un efecto sustancial en las propiedades mecánicas y eléctricas. Mediciones de SAXS and fibra de CNT antes y después de infiltración de líquidos confirman la penetración de una gran cantidad de líquidos que llena los poros internos de la fibra pero no se intercalan entre capas de nanotubos adyacentes. La infiltración de cadenas poliméricas de bajo peso molecular tiende a expandir los manojos en la fibra e incrementar el ángulo de apertura de los poros. Los resultados de SAXS indican que la estructura interna de la fibra en términos de la organización de las capas de tubos y su orientación no es afectada cuando las muestras consisten en fibras infiltradas con polímeros de alto peso molecular. La cristalización de varios polímeros semicristalinos es acelerada por la presencia de fibras de CNTs alineados y produce el crecimiento de una capa transcristalina normal a la superficie de la fibra. Esto es observado directamente mediante microscopía óptica polarizada, y detectado mediante calorimetría DSC. Las lamelas en la capa transcristalina tienen orientación de la cadena polimérica paralela a la fibra y por lo tanto a los nanotubos, de acuerdo con los patrones de WAXS. Esta orientación preferencial se sugiere como parte de la fuerza impulsora en la nucleación. La nucleación del dominio cristalino polimérico en la superficie de los CNT no es epitaxial. Ocurre sin haber correspondencia entre las estructuras cristalinas del polímero y los nanotubos. Estas observaciones contribuyen a la compresión del fenómeno de nucleación en CNTs y otros nanocarbonos, y sientan las bases para el desarrollo de composites poliméricos de gran escala basados en fibra larga de CNTs alineados. ABSTRACT The assembly of carbon nanotubes into a macroscopic fibre material where they are preferentially aligned parallel to each other and to the fibre axis has resulted in a new class of high-performance fibres, which efficiently exploits the axial properties of the building blocks and has numerous applications. Long, continuous CNT fibres were produced in IMDEA Materials Institute by direct fibre spinning from a chemical vapour deposition reaction. These fibres have a complex hierarchical structure covering multiple length scales. One objective of this thesis is to reveal this structure by means of state-of-the-art techniques such as synchrotron X-ray diffraction, and to build a model to link the fibre structural elements. Texture and gas absorption measurements, using electron microscopy, wide angle and small angle X-ray scattering (WAXS/SAXS), and pore size distribution analysis by Barrett-Joyner-Halenda (BJH), indicate that the material has a mesoporous structure with a wide pore size distribution arising from the range of fibre bundle separation, and a high surface area _170m2/g. Fractal dimension values of 2.4_2.5 obtained from the SAXS and BJH measurements highlight the network structure of the fibre. Mesoporous and yarn-like structure of CNT fibres make them accessible to the infiltration of foreign molecules (liquid or polymer). This work studies multiscale structural changes when CNT fibres interact with liquids and polymers. The effects of densification on the structure of dry CNT fibres were measured by WAXS/SAXS. The densification treatment brings the fibre bundles closer (pores become smaller), leading to an increase in fibre density. However, structural domains made of the load and charge carrying nanotubes are not affected; consequently, it has no substantial effect on mechanical and electrical properties. SAXS measurements on the CNT fibres before and after liquid infiltration imply that most liquids are able to fill the internal pores but not to intercalate between nanotubes. Successful infiltration of low molecular weight polymer chains tends to expand the fibre bundles and increases the pore-opening angle. SAXS results indicate that the inner structure of the fibre, in terms of the nanotube layer arrangement and the fibre alignment, are not largely affected when infiltrated with polymers of relatively high molecular weight. The crystallisation of a variety of semicrystalline polymers is accelerated by the presence of aligned fibres of CNTs and results in the growth of a transcrystalline layer perpendicular to the fibre surface. This can be observed directly under polarised optical microscope, and detected by the exothermic peaks during differential scanning calorimetry. The discussion on the driving forces for the enhanced nucleation points out the preferential chain orientation of polymer lamella with the chain axis parallel to the fibre and thus to the nanotubes, which is confirmed by two-dimensional WAXS patterns. A non-epitaxial polymer crystal growth habit at the CNT-polymer interface is proposed, which is independent of lattice matching between the polymer and nanotubes. These findings contribute to the discussion on polymer nucleation on CNTs and other nanocarbons, and their implication for the development of large polymer composites based on long and aligned fibres of CNTs.

Diseño e implementación de un canal de movilidad para tecnologías Polymer

Durante el siglo XXI hemos sido testigos de cambios con una gran trascendencia en el campo de las tecnologías tanto a nivel de hardware como software, aunque uno de los más notables ha sido el cambio del paradigma de la distribución del software, donde la instalación de herramientas de escritorio queda relegada a un segundo plano y toman fuerza las aplicaciones que consumen servicios web o que, simplemente, son aplicaciones web, que no requieren de un proceso de instalación y siempre que tengamos una conexión a internet activa podremos acceder a nuestra aplicación y datos, sin importar desde donde nos conectemos. Gracias a este cambio, últimamente han proliferado distintas tecnologías para la creación de aplicaciones web, entre estas encontramos los componentes web basados en tecnología Polymer como herramienta para el desarrollo de aplicaciones modulares y componentes reutilizables en distintos sitios web, modificando y añadiendo funcionalidad a las etiquetas de HTML, de esta manera una vez desarrollado un componente, volver a utilizarlo es realizar un trabajo de unos cuantos segundo añadiendo la etiqueta necesaria en nuestro código HTML, esta ventaja es la principal característica de Polymer. En paralelo al desarrollo de tecnologías web, y gracias a su masificación, se han generado herramientas y frameworks a través de los cuales se pueden desarrollar aplicaciones para dispositivos móviles mediante tecnologías web, esto beneficia directamente a los ecosistemas de desarrolladores, herramientas, frameworks y aplicaciones ya que los hace más amplios y accesibles a todo aquel que sea capaz de programar una aplicación web basada en HTML, CSS y Javascript. El objetivo de este trabajo es generar un canal de movilidad definiendo una metodología eficaz para portar las ventajas de los componentes web de Polymer a entornos móviles, conservando su capacidad de ser reutilizados de manera sencilla y sin perder, dentro de lo posible, la usabilidad de los mismos teniendo en cuenta las particularidades de los dispositivos móviles, esto se realizará mediante pruebas de usabilidad para posteriormente validar la metodología generada aplicándola a un caso real.---ABSTRACT---During 21st century we have witness the important changes in technologies field, involving both hardware and software level, but one of the most relevant ones has been the software distribution paradigm change, where desktop tools has lost their importance to benefit web services or just web applications, among which the web components are included. Web components are based on Polymer technology as its main tool for developing modular applications and reusable components in different web sites, adding and modifying functionality to HTML tags. So, when a components is developed, reusing it is possible just adding its correspondant tag inour HTML code. This is the main Polymer feature. As web technologies grow, different tools and frameworks has been created. They can be used to develop applications for web devices though web technologies, which is a benefit for developer, tools, frameworks and applications ecosystems, in such a way this new tools make them wider and more accessible for every one able to develop web applications with HTML, CSS and Javascript languages. The goal of this work is to generate a mobility channel defining an efficient methodology to carry the Polymer web components advantages to mobile environments, keeping their features of being reused in an easy way and without losing, when possible, their usability being aware the special features of mobile devices. This work will be evaluated through usability tests to validate then the generated methodology applying it to a real case.