Desarrollo de sensores piezoeléctricos basados en una matriz elastomérica con nanopartículas de carbono

Abstract

El desarrollo y estudio de los materiales compuestos con nanopartículas de carbono ha crecido en las últimas décadas debido al aumento en las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas de la matriz polimérica a bajas concentraciones de carga. Entre las nanopartículas se destacan los nanorellenos a base de carbono, específicamente los nanotubos de carbono y el grafeno dada la gran versatilidad de aplicaciones en las que estos materiales pueden ser utilizados, por ejemplo, en la elaboración de sensores piezoeléctricos. Estos dispositivos están formados por una matriz polimérica aislante y nanopartículas conductoras y son capaces de cambiar sus propiedades eléctricas debido a la deformación que el sensor experimenta, lo que ha motivado un extenso estudio en el área de la nanotecnología y ciencias de los materiales. El objetivo de este estudio es analizar el efecto de la matriz, la carga y el tipo de partícula sobre el cambio de las propiedades eléctricas de compuestos de copolímero de etileno con nanopartículas de carbono al ser deformados por tracción, implementando un sistema de medición en-línea mediante un microprocesador. De forma complementaria se busca caracterizar a los sensores analizando sus propiedades mecánicas, eléctricas y otros parámetros de interés, como por ejemplo la temperatura de fusión. Los sensores fueron preparados por medio de mezclado en fundido y las matrices elastoméricas utilizadas fueron dos copolímeros de etileno con buteno (engage 1 y engage 2), utilizando nanotubos de carbono (CNT) comerciales y Óxido de Grafeno Térmicamente Reducido (TrGO) sintetizado de acuerdo al método de Hummers. Como principal resultado se logró observar el efecto de la matriz, la carga y el tipo de partícula sobre el cambio de la conductividad eléctrica de los sensores desarrollados. Los nanocompuestos más sensibles son los que tienen menor cantidad de relleno, en efecto, los sensores elaborados con engage 1 con 6.61%vol. y 7.65%vol. de CNT alcanzan una resistencia eléctrica relativa de 200 y 170% respectivamente, mientras que en el engage 2 el cambio es de 70 y 40%. Para las mismas concentraciones de cargas los sensores más sensibles son los elaborados con la matriz engage 1. Por otra parte los sensores cargados con TrGO alcanzan resistencias relativas de 2500 y 250% para concentraciones de 9.0 y 10%vol. respectivamente, concluyendo que estos nanocompuestos son más sensibles en relación a los cargados con CNT. Se logró sintetizar TrGO, comprobando mediante análisis DRX la adecuada exfoliación de las láminas de grafeno. Se verificó que la incorporación de las partículas a la matriz polimérica aumenta la rigidez del material entre un 15 y 326%, y disminuye el alargamiento a la rotura. Respecto a las propiedades eléctricas se comprobó el comportamiento del compuesto de acuerdo a la teoría de percolación, destacándose los puntos de percolación obtenidos: 2.4%, 4.6% y 6.6%vol. para el engage 1 con CNT, engage 2 con CNT y engage 1 con TrGO respectivamente. Los cambios en las propiedades eléctricas de los sensores desarrollados permiten utilizar el efecto piezoeléctrico en diversas aplicaciones para poder medir alguna propiedad física como presión, velocidad y fuerza, y en base a este estudio es posible controlar la sensibilidad del sensor modificando la matriz, la concentración de carga y/o el tipo de nanopartícula.