Desarrollo y caracterización mediante microscopía electrónica de nanocompuestos funcionales de base acrílica para estereolitografía

Resumen

La irrupción de las tecnologías de fabricación aditiva (FA) supone grandes avances en la producción de piezas y dispositivos, debido a que permiten la fabricación de objetos con geometrías complejas, inalcanzables mediante tecnologías de fabricación tradicionales. El ahorro en términos energéticos, de materias primas y en tiempo, también contribuye significativamente a la integración de estas tecnologías en diversos sectores industriales, cada vez de manera más generalizada, enriqueciendo a lo que se conoce hoy en día como la Industria 4.0. De las distintas tecnologías de FA, la estereolitografía (SLA, del inglés stereolithography) es la técnica más antigua, y su uso en la actualidad se ha extendido a sectores como la medicina, la automoción, la industria aeroespacial o la electrónica, entre otros, ya que ha demostrado ser lo suficientemente versátil como para generar estructuras 3D complejas con la mayor precisión entre las técnicas de FA. Debido a su popularidad, existe una creciente demanda de nuevos equipos y materiales funcionales que cumplan con los requisitos específicos del mercado. En este contexto, el objetivo de esta Tesis Doctoral engloba el desarrollo de nuevos materiales compuestos procesables por SLA para la fabricación de piezas con aplicación en el mercado electrónico. La estrategia adoptada consiste en aumentar la conductividad eléctrica de una resina acrílica comercial comúnmente utilizada en SLA mediante la generación in situ de nanopartículas de plata (NPs de Ag) a partir de precursores inorgánicos (AgNO3 y AgClO4). Así, la formación de NPs de Ag para dotar de mayor conductividad eléctrica a la resina tiene lugar durante la impresión 3D del material, permitiendo una distribución homogénea de las NPs y disminuyendo los tiempos y costes de fabricación, lo que la convierte en una alternativa atractiva con posible cabida en la industria electrónica. En el ámbito del desarrollo de nuevos materiales y, en específico, en el desarrollo de nanocompuestos, su caracterización microestructural es esencial, ya que proporciona información sobre la interacción entre la matriz polimérica y los aditivos añadidos, y permite correlacionarla con su diseño e ingeniería para obtener las propiedades deseadas. Aquí, la microscopía electrónica de transmisión (-barrido) ((S)TEM, por sus siglas en inglés (scanning) transmission electron microscopy) juega un papel fundamental. No obstante, es necesario establecer condiciones experimentales adecuadas para la caracterización estructural de los nanocompuestos acrílicos mediante técnicas de (S)TEM para evitar que se produzca pérdida de información debido al posible daño inducido por el haz de electrones durante las medidas, que puede producir cambios químicos y/o estructurales en el material, llegando incluso a su rotura. Por ello, parte de la presente Tesis Doctoral está dedicada al estudio de la degradación de la resina acrílica por efecto de la irradiación con el haz de electrones, permitiendo establecer el mecanismo de degradación subyacente y optimizar las condiciones experimentales para no dañar la muestra durante los análisis. Este estudio se lleva a cabo analizando la evolución del espectro del material obtenido mediante espectroscopía de pérdida de energía de electrones (EELS, del inglés electron energy loss spectroscopy) con la dosis electrónica acumulada, y muestra la pérdida de masa total con la irradiación, así como el efecto de los electrones sobre el carbono y el oxígeno (especies constituyentes de la matriz acrílica). De esta manera, se ha conseguido desarrollar nanocompuestos poliméricos, imprimibles por SLA, con propiedades eléctricas y ópticas mejoradas. Los análisis de (S)TEM de los nanocompuestos han confirmado la formación de una alta densidad de NPs de Ag en el seno de la resina acrílica. Sin embargo, el proceso de formación de las NPs contribuye a la reducción del grado de curado de la resina, modificando las propiedades mecánicas de los nanocompuestos. Con esto en cuenta, deberá adquirirse un compromiso entre las propiedades eléctricas/ópticas y las propiedades mecánicas del material de acuerdo con los requisitos de la aplicación.