Structural characterization of solid cellular polymers by X-ray tomography and light scattering

Estudio de los materiales celulares desde un punto de vista de la interacción radiación-materia. Los materiales estudiados corresponden al grupo de espumas micro y submicrocelulares, además de también espumas nanocelulares, que comprenden los materiales más prometedores dentro de este campo de investigación por sus grandes aplicaciones. Las peculiares características de estos nuevos materiales (en particular los muy reducidos tamaños de celda, por debajo de la micra y los extremadamente pequeños espesores de pared celular, del orden de las decenas de los nanómetros) hace que sea necesario desarrollar nuevos métodos de caracterización y/o adaptar los actuales para poder obtener información precisa acerca de los mecanismos que tienen lugar durante el proceso de fabricación y de la estructura celular de los mismos. En esta investigación centraremos nuestra atención en el desarrollo de técnicas basadas en la interacción radiación-materia para analizar estos sistemas. Es importante citar aquí que estás técnicas se han usado muy poco en este tipo de materiales, lo que hará que la investigación a realizar sea novedosa y de gran interés para la comunidad científica que trabaja en el campo de los materiales celulares. En particular, dos grandes técnicas han sido consideradas, la tomografía de rayos-X y el denominado "LIght Scattering". La tomografía de rayos-X permite obtener reconstrucciones 3D de la estructura interna de los materiales con resolución espacial de micras e incluso de nanómetros, lo que ha permitido estudiar por primera vez parámetros estructurales de las espumas consideradas y su influencia en las propiedades físicas. Por otro lado, el Light Scattering, ampliamente utilizado en el caso de materiales celulares en base acuosa, permite de una manera muy sencilla determinar dos parémetros cruciales de la estructura de los materiales celulares, el tamaño de celda y la anisotropía celular. Esta investigación ha conseguido adaptar los resultados existentes en las espumas acuosas para poder aplicar de manera efectiva el Light Scattering para el caso de las espumas poliméricas sólidas. Por último, una vez que ambas técnicas han sido exitosamente aplicadas al estudio de materiales celulares convencionales, han sido aplicadas en materiales celulares no convencionales, lo que ha permitido visualizar por primera vez su estructura en 3D y obtener las primeras evidencias sobre la posibilidad de fabricar materiales celulares poliméricos transparentes, siempre y cuando el tamaño de celdilla sea lo suficientemente pequeño.Departamento de Física de la Materia Condensada, Cristalografía y MineralogíaDoctorado en Físic

Light transmission in nanocellular polymers: Are semi-transparent cellular polymers possible?

This work presents the light transmission through a collection of solid cellular polymers based on poly (methyl methacrylate) (PMMA) with cells sizes covering the micro and nano-scale. The obtained results showed that the behavior of light transmission when cell size is in the nano-scale is opposite to the one shown by microcellular foams or the one predicted by theoretical models of light scattering (LS). In fact, the expected trend is that a reduction of cell size increases the opacity of the samples. However, for nanocellular polymers based on amorphous polymers reducing the cell size increases the light transmission. Therefore, this result indicates that a further reduction of the cell size could result in cellular polymers optically semi-transparen

Overcoming the Challenge of Producing Large and Flat Nanocellular Polymers: A Study with PMMA

Although nanocellular polymers are interesting materials with improved properties in comparison with conventional or microcellular polymers, the production of large and flat parts of those materials is still challenging. Herein, gas dissolution foaming process is used to produce large and flat nanocellular polymethylmethacrylate samples. In order to do that, the foaming step is performed in a hot press. The methodology is optimized to produce flat samples with dimensions of 100 × 100 × 6 mm3, relative densities in the range 0.25–0.55 and cell sizes around 250 nm. Additionally, foaming parameters are modified to study their influence on the final cellular structure, and the materials produced in this paper are compared with samples produced by using a most conventional approach in which foaming step is conducted in a thermal bath. Results obtained show that an increment in the foaming temperature leads to a reduction in relative density and an increase of cell nucleation density. Moreover, differences in the final cellular structure for materials produced by both foaming routes are studied, proving that although there exist some differences, the mechanisms governing the nucleation and growing are the same in both processes, leading to the production of homogeneous materials with very similar cellular structures

Caracterización detallada de la estructura celular de espumas poliméricas

La sociedad actual exige materiales ligeros con propiedades a medida para cada aplicación. Los materiales celulares, debido al peso, coste y reducción de la materia prima y las excelentes propiedades que se pueden lograr con su uso, tienen un gran presente y un futuro prometedor en importantes sectores tecnológicos como la automoción, la aeronáutica, ferroviaria, energías renovables, la marina industria, etc. Sin embargo, hoy en día hay una falta de conocimiento en diversos aspectos de la ciencia y la tecnología de estos materiales que limitan la producción y desarrollo de nuevos y mejores productos. Un nuevo paso en ese sentido, consiste en desarrollar nuevas técnicas experimentales que permitan analizar las principales características de estos materiales de una manera más precisa y sencilla, haciendo a su vez más sencilla la compresión del comportamiento de las propiedades físicas que tengan dichos materiales. Uno de los grandes grupos de técnicas nuevas desarrolladas en los últimos tiempos involucran la interacción radiación-materia y son el centro sobre el que se desarrolla esta tesis de Máster. - Por una parte se estudia como la luz visible interacciona con las espumas y se analiza el comportamiento que tiene la tranmisividad de luz con respecto al tamaño de poro de las espumas. - Por otra parte se llevan a cabo experimentos de tomografía de rayos-X que permiten obtener reconstrucciones en tres dimensiones de objetos deseados, por lo que la gran mayoría de parámetros estructurales de las espumas pueden ser obtenidos gracias a este tipo de experimentos. Adicionalmente, otro nuevo paso en este sentido, consiste en el desarrollo de nuevos materiales con propiedades espectaculares. En este caso, se analizan espumas poliméricas con tamaños promedio de poro que se encuentran en el rango de los nanómetros, un nuevo tipo de materiales celulares que prometen espectaculares propiedades.Departamento de Física de la Materia Condensada, Cristalografía y MineralogíaMáster en Nanociencia y Nanotecnología Molecula

In-situ understanding of pore nucleation and growth in polyurethane foams by using real-time synchrotron X-ray tomography

Producción CientíficaThe nucleation and growth of pores in PU foams have been visualized and quantified for the first time in 4D using in-situ tomographic microscopy. Acquiring sequences of 3D images in 156 ms each, we describe homogeneous and heterogeneous nucleation and subsequent bubble growth dynamics for materials with and without nucleating nanoparticles. Exploiting the time resolved tomographic sequences we obtained the bubble nucleation rate, bubble density and size evolution, based on which the diffusion coefficient of gas molecules in polymer can be calculated, evidencing the reduction of diffusivity provoked by the inclusion of nanoparticles. We found that nucleation and growth are in a large extend decoupled in time.Ministerio de Economía, Industria y Competitividad - Fondo Europeo de Desarrollo Regional (project MAT2015-69234-R)Junta de Castilla y León (project VA275P18)Universidad de Valladolid - Banco Santander (contract E-47-2015-0094701

Influence of silica aerogel particles on the foaming process and cellular structure of rigid polyurethane foams

Producción CientíficaWater blown rigid polyurethane (RPU) composite foams were produced using different concentrations of nanoporous silica aerogel micrometric powder (0.5, 1 and 3 wt%). The effect of these particles on the foaming kinetics was analysed from a physical and chemical viewpoint. On the physical side, the foaming process was studied by in-situ X-ray radioscopy. The inclusion of aerogel particles in the system delays the foam expansion and enhances the nucleation of cells. However, high amounts of these particles (3 wt%) lead to intense cell coalesce during foam evolution. On the chemical side, the reaction kinetics was investigated by in-situ FTIR spectroscopy and reaction temperature measurements. The addition of low contents of aerogel (below 3 wt%) reduces the conversion of isocyanate while favouring the generation of urethane groups, which explains the higher density of the foams with low aerogel contents. However, the foam with high contents of aerogel (3 wt%) does not change the reaction balance in comparison to the reference. Therefore, this foam presents similar expansion and density to those of the unfilled foam (Reference). Furthermore, higher reaction temperatures were reached by the reference foam during the foaming process, and higher dissipation speeds of these temperatures were detected for the foams containing aerogel with respect to those of the reference foam.Junta de Castilla y León (project VA275P18)Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (project RTI2018-098749-B-I00

The effects of silica aerogel on the rheological behaviour and polymer matrix structure of Rigid Polyurethane foams

Producción CientíficaThe incorporation of silica aerogel particles into the isocyanate used to prepare Rigid Polyurethane composite foams drastically modifies its rheological behaviour. The isocyanate changes from being a Newtonian fluid of constant viscosity (0.3 Pa s at 25 °C) to a non-linear power-law material with complex viscosity decreasing from 104 to 101 Pa s with a slope −1 versus frequency. The change in response is caused by the formation of a percolated network of particles at contents above 2.5 wt% of aerogel. Moreover, the addition of aerogel significantly slows down the modulus-build up kinetics and vitrification of the matrix by approximately 4.5 min with every 1 wt% of aerogel added. For the foam with 3.0 wt% of aerogel, the combination of high viscosity at early reaction times coupled with the slow modulus build-up impedes the drainage which leads to a decrease in the fraction of material in the struts of the matrix.Junta de Castilla y Leon (project VA202P20)Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (projects RTI2018-098749-B-I00 and RTI2018 - 097367-A-I00

X-ray radioscopy validation of a polyol functionalized with graphene oxide for producing rigid polyurethane foams with improved cellular structures

Producción CientíficaFillers can be dispersed in polyurethane (PU) components to produce PU foams with improved properties by different methods. Herein, graphene oxide (GO) is chemically linked to polyol chains in order to suppress fillers agglomeration. Then the foaming behaviour of rigid polyurethane (RPU) foams from polyols functionalized with GO (GO-f) is compared with the one of RPU foams containing GO dispersed in the polyol (GO-d) by high shear mixing. Relative density, cell size, and cell nucleation density of the RPU foam nanocomposites are monitored during the foaming process by using X-ray radioscopy. The results obtained demonstrate that the use of polyol functionalized with GO-f offers a high improvement of the cellular structure and also makes the results more reproducible.Ministerio de Economía, Industria y Competitividad - Fondo Europeo de Desarrollo Regional (project MAT2015-69234-R)Junta de Castilla y León (project VA275P18)Universidad de Valladolid - Banco Santander (contract E-47-2015-0094701