Nanoestructurado de composites de matriz polimérica y aditivos de base carbono con láseres pulsados de nano- y femtosegundos

Abstract

En este trabajo de tesis doctoral se estudió la formación de estructuras superficiales periódicas inducidas por láser (LIPSS, siglas del inglés Laser Induced Periodic Surface Structures) en polímeros y compuestos de matriz polimérica en forma de películas delgadas, autosoportadas y soportadas en diferentes sustratos, como son silicio, vidrio, hierro y poli (etilén tereftalato) (PET). Los polímeros y compuestos estudiados son PET, PET/EG (Grafito Expandido, de las siglas en inglés de Expanded Graphite), poli (trimetilén tereftalato) (PTT), PTT/SWCNT (Nanotubos de carbono de pared simple, de las siglas en inglés de Single Wall Carbon Nanotubes), PTT/EG + SWCNT, el copolímero poli (trimetilén tereftalato) - poli (óxido de tetrametileno) (PTT-PTMO) y PTT-PTMO/SiC (Carburo de Silicio). La irradiación láser se llevó a cabo usando pulsos láser de nanosegundos en el ultravioleta (266 nm, 8 ns, 10 Hz), en muestras autosoportadas, y pulsos láser de femtosegundos en el ultravioleta (265 nm, 260 fs, 1 kHz) e infrarrojo (795 nm, 120 fs, 1 kHz), en películas tanto autosoportadas como soportadas. La irradiación con pulsos de nanosegundos y femtosegundos en el ultravioleta indujo la formación de LIPSS de baja frecuencia espacial (LSFL, de las siglas en inglés de Low Spatial Frequency LIPSS) en todos los materiales. Específicamente, en el caso de irradiación con femtosegundos a esta longitud de onda, los cambios se produjeron en ambos tipos de muestras, películas autosoportadas y soportadas en los distintos sustratos. Por otro lado, la irradiación con pulsos de infrarrojo de femtosegundos dio lugar a LSFL en los materiales depositados sobre sustrato de silicio y, a LSFL y LIPSS de alta frecuencia espacial (HFSL, de las siglas en inglés de High Spatial Frequency LIPSS), en los materiales depositados sobre vidrio. Para las muestras autosoportadas y el resto de muestras depositadas, no se observó la formación de estructuras periódicas. La caracterización topográfica revela que la dinámica de formación de LIPSS depende de los parámetros de irradiación (fluencia y número de pulsos). En todos los casos, las LFSL tienen un periodo cercano a la longitud de onda y están alineadas paralelamente al vector de polarización del haz incidente. Por otra parte, las HFSL presentan un periodo mucho menor a la longitud de onda (~ 100 nm) y se formaron perpendicularmente a la dirección de polarización. Una posterior caracterización se llevó a cabo mediante diferentes técnicas analíticas con el fin de determinar cambios en las propiedades fisicoquímicas de las muestras. La espectroscopia Raman sirvió para monitorizar las modificaciones químicas en las superficies tras la irradiación láser. No se encontraron cambios significativos entre los espectros Raman de las muestras sin irradiar y los de las superficies irradiadas. Se realizaron medidas de ángulo de contacto, usando diferentes líquidos de prueba (agua, glicerol y aceite de parafina), para determinar tanto la mojabilidad como las energías libres superficiales de las muestras. En todos los casos, las muestras se volvieron más hidrófilas con la irradiación con pulsos con longitudes de onda en el ultravioleta (nanosegundos y femtosegundos). Por otra parte, las superficies se tornaron más hidrófobas bajo irradiación de femtosegundos en el infrarrojo. Los valores calculados para los componentes de la energía libre superficial mostraron importantes cambios tras el nanoestructurado, sobre todo en las componentes polares. Adicionalmente, se llevaron a cabo mediciones de la adhesión usando la técnica de la punta coloidal en el rango micrométrico. En presencia de LIPSS, se observaron diferentes tendencias, de forma que mientras que en algunos casos la magnitud de la fuerza de adhesión aumentó, en otros disminuyó. Finalmente, se evaluaron las propiedades nanomecánicas mediante la técnica de mapeo cuantitativo en AFM. Se obtuvieron distribuciones del módulo elástico, la fuerza de adhesión y la deformación en muestras irradiadas y sin irradiar. En muestras no irradiadas, hubo un aumento del módulo elástico en PET/EG 0.4 wt. % con respecto a su matriz sin dopar. En el caso del PTT y sus compuestos, no se obtuvieron variaciones importantes de un material a otro. Para el copolímero y su compuesto, las mediciones se vieron afectadas por la topografía abrupta de las superficies. En cuanto a la fuerza de adhesión y la deformación, no se presentaron diferencias significativas entre las matrices poliméricas sin dopar y sus compuestos. Tras la irradiación se encontró, en todos los casos, que las propiedades nanomecánicas están moduladas por la topografía de las estructuras generadas. Un posterior análisis en las crestas y valles de las estructuras mostró un incremento en los valores del módulo elástico para materiales nanoestructurados. Para la fuerza de adhesión, o disminuye el valor o se mantiene constante. Por último, los valores de la deformación no presentaron cambios importantes tras el nanoestructurado láser.