Estructuras 2D de fibras poliméricas con nano y micropartículas por la técnica de electroestirado y sus aplicaciones tecnológicas

Trupp, Federico Javier

Registro:

Documento:	Tesis Doctoral
Título:	Estructuras 2D de fibras poliméricas con nano y micropartículas por la técnica de electroestirado y sus aplicaciones tecnológicas
Título alternativo:	2D structures of polymeric fibers with nano and microparticles by the electrospinning technique and its technological applications
Autor:	Trupp, Federico Javier
Editor:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Lugar de trabajo:	Universidad de Buenos Aires - CONICET. Instituto de Física de Buenos Aires (IFIBA)
Publicación en la Web:	2025-02-25
Fecha de defensa:	2024-05-10
Fecha en portada:	10 de mayo 2024
Grado Obtenido:	Doctorado
Título Obtenido:	Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas
Departamento Docente:	Departamento de Física
Director:	Goyanes, Silvia Nair
Director Asistente:	Cibils, Roberto Manuel
Consejero:	Minotti, Fernando Oscar
Jurado:	Bianchi, Gustavo Luis; Sorichetti, Patricio Aníbal; Vázquez, Analía
Idioma:	Español
Palabras clave:	ELECTROESTIRADO; ACF; NANOFIBRAS; NANOPARTICULAS; MICROPARTICULAS; NANOESTRUCTURAELECTROSPINNING; ACF; NANOFIBERS; NANOPARTICLES; MICROPARTICLES; NANOSTRUCTURE
Formato:	PDF
Handle:	https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7518_Trupp
PDF:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n7518_Trupp.pdf
Registro:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n7518_Trupp
Ubicación:	FIS 007518
Derechos de Acceso:	Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Trupp, Federico Javier. (2024). Estructuras 2D de fibras poliméricas con nano y micropartículas por la técnica de electroestirado y sus aplicaciones tecnológicas. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7518_Trupp

Resumen:

La técnica de electroestirado permite la fabricación de estructuras 2D de nano y microfibras enredadas con una gran variedad de inclusiones y morfologías. Su simplicidad y versatilidad la han convertido en una de las principales técnicas para generación de no-tejidos, incrementando extraordinariamente en las últimas décadas el número de investigaciones que la utilizan y alcanzando el ámbito industrial y comercial. Sin embargo, todavía presenta dificultades que limitan y retrasan la posibilidad de aprovechar su máximo potencial tecnológico. La presente tesis tiene como objetivo general la generación de conocimiento asociado al desarrollo de nuevos materiales compuestos por diversos tipos de estructuras 2D de fibras poliméricas por la técnica de electroestirado, conteniendo nano o micropartículas con diferentes funcionalidades. En el proceso se buscó resolver dos de las dificultades aún presentes en la técnica: la falta de un método que permita con relativamente pocas iteraciones la optimización de la morfología de los mallados dependiendo de la aplicación deseada, y el electroestirado de soluciones con micropartículas (MPs) pesadas, las cuales decantan en la solución impidiendo su inclusión en el mallado. Para la primera dificultad se aplicó el diseño de experimentos logrando predecir la zona del espacio de parámetros que permite la obtención de estructuras libres de defectos (beads) o con un tamaño específico de ellos. Se evaluó la efectividad de dos métodos: metodología de superficie de respuesta y regresiones de aprendizaje automático, y se determinaron sus ventajas y desventajas. Para resolver el problema del electroestirado de micropartículas se desarrolló un dispositivo de rotación de jeringa para ser utilizado in situ durante el proceso de electroestirado que logró mantener la estabilidad de la suspensión polimérica de MPs. Se mostró la eficiencia del método y se estudió la dinámica subyacente cuyo entendimiento permite realizar las modificaciones paramétricas necesarias según las propiedades de la solución. En la segunda parte de la tesis se utilizaron los conocimientos adquiridos sobre la técnica para estudiar las propiedades físicas de la combinación de estructuras 2D de fibras poliméricas y partículas, con el fin de desarrollar materiales que hagan uso de las propiedades de ambos materiales para distintas aplicaciones. En el primer desarrollo se utilizaron los conocimientos adquiridos para la incorporación de micropartículas metálicas a un mallado de nanofibras, para una aplicación de la industria electrónica: los films de conductividad anisotrópica (ACF). Se aprovechó la estructura de fibras del fluoruro de polivinilideno (PVDF) electroestirado como andamiaje para MPs de indio y se lo combinó con una resina epoxídica que rellenó los espacios entre las fibras. La estructura de fibras evitó que las MPs se aglomeren generando cortocircuitos en el plano. Se estudiaron los pasos del proceso para alcanzar un prototipo de ACF nanoestructurado para la unión de encapsulados a placas de circuito impreso con potencial uso en la industria aeroespacial. En el segundo desarrollo se aplicó nuevamente el concepto de la estructura de fibras electroestiradas para contener micropartículas metálicas, en una nueva aplicación. Se utilizó poliuretano termoplástico, el cual presenta la propiedad de memoria de forma, y se fabricaron mallados con micropartículas de aluminio de gran tamaño (> 300 μm). Se construyó un horno de inducción para exponer al mallado a un campo magnético alterno. Gracias a la disipación de calor producida por las corrientes parásitas generadas en el interior de las MPs conductoras, se logró generar la hipertermia necesaria para activar la memoria de forma del polímero. Luego se investigaron aplicaciones producto de la combinación entre la estructura de fibras poliméricas electroestiradas y nanopartículas (NPs). En el tercer desarrollo se buscó aprovechar el área superficial de NPs atrapadas en los huecos de una malla de nanofibras para lograr la adsorción selectiva de compuestos orgánicos volátiles (VOCs) del agua. Para ello se contó con NPs carbonáceas sintetizadas mediante un plasma de radiofrecuencia, las cuales forman una estructura hidrofóbica que presenta una gran capacidad de adsorción de hidrocarburos y solventes orgánicos. Para contener las NPs y a la vez permitir el paso del agua se fabricaron mallados electroestirados de alcohol polivinílico (PVA), un polímero hidrofílico y fácilmente electroestirable. Se depositaron las NPs por plasma en los mallados de PVA, se realizó una modificación superficial de las NPs mediante radiación UV, y se logró obtener una membrana capaz de retener VOCs del agua. Debido al hinchamiento de las fibras de PVA con el agua y consiguiente reducción del tamaño de poros, se evitó la migración de las partículas. El cuarto desarrollo también se basó en las ventajas de las nanopartículas desde el punto de vista de su alta relación superficie-volumen, pero en este caso para la actividad biocida y viricida. Se incluyeron las NPs en la solución a electroestirar de modo que luego del proceso quedaran atrapadas en el interior de las nanofibras, evitando toda posibilidad de migración. Se buscó utilizar la estructura de poros desordenados de los mallados de nanofibras como filtro mecánico, aprovechando a su vez las propiedades bactericidas, fungicidas y viricidas de las NPs. Dado que la misma idea puede aplicarse para obtener compuestos hidrofóbicos o hidrofílicos según la energía de superficie del polímero seleccionado, el proceso se realizó para dos tipos de polímeros y dos tipos de NPs. Se fabricó un mallado hidrofílico compuesto por PVA con cloruro de benzalconio y NPs de cobre, y otro hidrofóbico compuesto por fibras de PVDF con NPs de plata. Mediante la combinación de estos mallados sobre telas no tejidas de polipropileno se logró la fabricación de un prototipo de mascarilla N95 con actividad viricida, bactericida y fungicida, en el marco de la pandemia por COVID-19. Finalmente, dado que esta tesis estuvo atravesada por la pandemia ocasionada por la propagación del virus SARS-COV2, durante los años del doctorado se trabajó en dos desarrollos adicionales de filtros para la fabricación de tapabocas para la prevención de COVID-19, los cuales dieron fruto a dos productos cada uno. Se utilizaron respectivamente telas tejidas comerciales con nanopartículas, y telas tejidas comerciales con micropartículas. En ambos casos la fijación de las partículas a las telas estuvo mediada por un polímero diferente. Los dos productos desarrollados contaron con actividad viricida, bactericida y fungicida.

Abstract:

The electrospinning technique allows the fabrication of 2D structures of entangled nano and microfibers with a wide variety of inclusions and morphologies. Its simplicity and versatility have made it one of the primary methods for nonwoven generation, greatly increasing the number of research studies utilizing it in the past decades and extending its reach into industrial and commercial fields. However, it still faces challenges that limit and delay the the realization of its full technological potential. This doctoral thesis aims to generate knowledge associated with the development of new materials composed of various types of 2D polymer fiber structures using the electrospinning technique, containing nano or microparticles with different functionalities. The process aimed to address two persistent difficulties in the technique: the lack of a systematic method that allows the relatively fast optimization of the nonwovens morphology depending on the desired application, and the electrospinning of solutions with heavy microparticles (MPs), which tend to settle in the solution, preventing their inclusion in the mat. To address the first challenge, the design of experiments was employed to predict the parameter space that results in bead-free structures or structures with a specific bead-size, with relatively few iterations. The effectiveness of two methods was evaluated: response surface methodology and machine learning regressions, with their respective advantages and disadvantages identified. To solve the problem of electrospinning microparticles, a syringe rotation device was developed to be used in-situ during the electrospinning process, which maintained the stability of the polymer-MPs suspension. The efficiency of the method was demonstrated, and the underlying dynamics were studied, enabling parametric modifications based on solution properties. In the second part of the thesis, the acquired knowledge about the technique was used to study the physical properties of the synergistic combination of 2D structures of polymeric fibers and particles, in order to develop materials with different characteristics and applications. In the initial development, the acquired knowledge was used for the incorporation of metallic microparticles into a mesh of nanofibers, for an application in the electronics industry: anisotropic conductive films (ACF). The electrospun polyvinylidene fluoride (PVDF) fiber structure was utilized as a scaffold for indium microparticles and combined with an epoxy resin that filled the spaces between the fibers. The fiber structure prevented the microparticles from agglomerating and causing short circuits in the plane. The process steps were studied to achieve a nanostructured ACF prototype for bonding BGA packages to printed circuit boards with potential use in the aerospace industry. In the second development, the concept of electrospun fiber structure was applied to contain metallic microparticles in a new application. Thermoplastic polyurethane, which exhibits shape memory property, was used, and electrospun mats with large aluminum microparticles (> 300 μm) were fabricated. An induction furnace was built to expose the samples to an alternating magnetic field. Due to the heat dissipation produced by the eddy currents generated inside the conductive microparticles, the necessary hyperthermia to activate the shape memory of the polymer was achieved. Subsequently, applications resulting from the combination of electrospun polymeric fiber structure and nanoparticles (NPs) were investigated. In the third development, the aim was to exploit the surface area of NPs trapped in the gaps of a nanofiber mat to achieve selective adsorption of volatile organic compounds (VOCs) from water. For this purpose, carbonaceous NPs synthesized through radiofrequency plasma were utilized, forming a hydrophobic structure with high adsorption capacity for hydrocarbons and organic solvents. Electrospun mats of polyvinyl alcohol (PVA), a hydrophilic and easily electrospinnable polymer, were used to contain the NPs while allowing water passage. The NPs were deposited onto the PVA mats via plasma, followed by surface modification of the NPs through UV radiation, resulting in a membrane capable of retaining VOCs from water. Due to the swelling of PVA fibers with water and the consequent reduction in pore size, particle migration was prevented. The fourth development also relied on the advantages of nanoparticles in terms of their high surface-to-volume ratio, but in this case for biocidal and virucidal activity. NPs were included in the electrospinning solution so that they would be trapped inside the nanofibers after the process, preventing any possibility of migration. The disordered pore structure of the nanofiber mats was utilized as a mechanical filter for particles, while NPs with biocidal and virucidal activity were incorporated. Since the same idea can be applied to obtain hydrophobic or hydrophilic compounds depending on the surface energy of the selected polymer, the process was carried out for two types of polymers and two types of NPs. A hydrophilic mesh composed of PVA with copper NPs and benzalkonium chloride, and a hydrophobic mesh composed of PVDF fibers with silver NPs, were fabricated. By combining these electrospun mats on non-woven polypropylene fabrics, a prototype N95 mask with virucidal, bactericidal, and fungicidal activity was manufactured, in the context of the COVID-19 pandemic. Finally, since this thesis coincided with the pandemic caused by the spread of the SARS-COV2 virus, during the doctoral years, work was carried out on two additional developments of filters for the manufacture of face masks for COVID-19 prevention, each resulting in two products. Commercial woven fabrics with nanoparticles and commercial woven fabrics with microparticles were respectively used. In both cases, the fixation of the particles to the fabrics was mediated by a different polymer. The four developed products exhibited virucidal, bactericidal, and fungicidal activity.

Citación:

---------- APA ----------

Trupp, Federico Javier. (2024). Estructuras 2D de fibras poliméricas con nano y micropartículas por la técnica de electroestirado y sus aplicaciones tecnológicas. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7518_Trupp

---------- CHICAGO ----------

Trupp, Federico Javier. "Estructuras 2D de fibras poliméricas con nano y micropartículas por la técnica de electroestirado y sus aplicaciones tecnológicas". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2024.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7518_Trupp

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