Desarrollo de biocompositos epóxicos de nanofibras de celulosa utilizando un agente de curado biobasado derivado del Limoneno

Rebeca Sadai Sánchez Huerta (2022, [Tesis de maestría])

En esta investigación se realizó la síntesis de un agente de curado derivado del limoneno, con el objetivo de preparar polímeros entrecruzados del tipo polieter-politioeter, mediante el método de fotopolimerización epoxi/tiol-ene (FETE). En este estudio se preparó también un material biocompuesto usando como refuerzo nanofibras de celulosa bacteriana (NFCB) en la matriz entrecruzada de tipo polieter-politioeter. La síntesis del agente de curado requirió dos pasos. En primer lugar, se preparó un compuesto intermediario de tipo diamina primaria, la 2-((2-(3-((2-aminoetil) tio)-4-metilciclohexil) propil) tio) etanamina (LC), mediante una reacción de acoplamiento tiol-ene entre el limoneno (L) y el clorhidrato de cisteamina (CC). En segundo lugar, el compuesto LC se sometió a una reacción de alilación donde los grupos amina primaria de este compuesto, se alquilaron con bromuro de alilo, obteniendo un compuesto final, el N-alil-N-(2-((2-(3-((2-(dialilamino)etil)tio)-4-metil ciclohexil)propil) tio) etil) prop-2-en-1-amina (LCA). Este compuesto se purificó y caracterizó mediante espectroscopías de Infrarrojo de Transformadas de Fourier (FTIR) y de resonancia magnética nuclear (RMN) así como por cromatografía de masas con detector de masas (GC-MS). Las NFCB se funcionalizaron con grupos tiol usando el (3- mercaptopropil)-trimetoxisilano (MPTS) con el propósito de introducir un enlace covalente entre las NFCB y la matriz polimérica para lograr un mejor acoplamiento de las fases del biocompuesto. También se analizó la reactividad de las formulaciones fotocurables integradas por la resina epoxica biobasada y un sistema Tiol-Ene (STE) el cual incluye el LCA, un tiol tetrafuncional, ambos en proporción equimolecular, y un fotoiniciador a una concentración de 1% molar. Se prepararon dos formulaciones a las que se añadió el STE a la resina epoxica biobasada, en concentraciones molares de 30 y 40 mol %. La cinética de las fotopolimerizaciones se determinó mediante espectroscopía FTIR en tiempo real (RT-FTIR), que demostró una alta reactividad de las formulaciones al observar velocidades de fotopolimerización en el intervalo de 1.50–2.25 s−1 para los grupos epóxido, dobles enlaces y tiol.

Las mismas formulaciones se utilizaron para obtener probetas las cuales se analizaron mediante técnicas térmicas y termomecánicas encontrando temperaturas de transición vítrea (Tg) de 60 °C y 52 °C para los polímeros derivados de las formulaciones con 30 mol % y 40 mol % de TES, respectivamente. Posteriormente, se procedió a preparar los materiales biocompuestos reforzados con las películas de las NFCB funcionalizadas y se determinaron las propiedades mecánicas y térmicas mediante DMA, flexión de tres puntos, y se analizó la morfología y la interface matriz-refuerzo de estos biocompuestos mediante microscopía digital.

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Estudio de las propiedades químicas, térmicas, grado de cristalinidad y susceptibilidad a la degradación hidrolítica de copolímeros de ε-caprolactona-ε-decalactona, L-lactida- ε-decalactona y brasilato de etileno-ε-decalactona obtenidos vía ROP utilizando sistemas catalíticos orgánicos.

Felipe Robles González (2022, [Tesis de maestría])

El presente trabajo de investigación consiste en la implementación de la polimerización por apertura de anillo (ROP) organocatalítica para la síntesis de poliésteres alifáticos biodegradables a partir de ésteres cíclicos sustituidos y no sustituidos. En primera instancia, se sintetizaron los homopolímeros poli(L-lactida) (PLLA), poli(brasilato de etileno), poli(ε-caprolactona) (PCL) y poli(ε-decalactona) (PDL) mediante la ROP en solución, catalizada por la base orgánica 1,5,7-triazabiciclo-[4.0.0]dec-5-eno (TBD). Paralelamente, se optimizaron las condiciones de reacción para alcanzar conversiones de monómero mayores al 90%. Con la finalidad de modificar las propiedades térmicas y grados de cristalinidad de estos poliésteres, la implementación del éster cíclico sustituido ε-decalactona (ε-DL) como comonómero condujo a la síntesis de los copolímeros L-LA- co-ε-DL, EB-co-ε-DL y ε-CL-co-ε-DL, con porcentajes molares teóricos del 15, 35 y 50% de ε-DL en su composición química. Una vez obtenidos, estos poliésteres fueron sometidos a condiciones de degradación hidrolítica por un periodo de 8 meses durante los cuales se estudió su susceptibilidad a la hidrólisis en función de su composición química, peso molecular en número (Mn), grado de cristalinidad y tiempo. En este ensayo de degradación se estudió principalmente la evolución en sus Mn, temperaturas de fusión (Tm) y entalpías de fusión (ΔHm), correlacionando los cambios en dichas propiedades térmicas con sus cristalinidades.

Tras la optimización del sistema de ROP organocatalítica empleado, las conversiones alcanzadas en estas polimerizaciones fueron mayores al 90% para todos los monómeros. Los Mn de los poliésteres sintetizados fueron de hasta 14 kDa con dispersidades (Ð) de 1.58 – 2.75. Las composiciones químicas reales de los copolímeros L-LA-co-ε-DL, EB-co-ε-DL y ε-CL-co-ε-DL difirieron significativamente de los porcentajes molares teóricos de cada comonómero, asociándose con la baja reactividad de la ε-DL. Su estabilidad y transiciones térmicas, así como sus entalpías de cristalización y de fusión, y sus grados de cristalinidad se vieron afectados ante la inclusión de ε-DL en su composición química. Fue posible identificar un efecto negativo sobre el grado de cristalinidad ante el incremento del porcentaje molar de ε-DL en los copolímeros como resultado del carácter amorfo de los segmentos PDL. Consecuentemente, aquellos copolímeros con mayor contenido de ε-DL mostraron una mayor susceptibilidad a la hidrólisis, mismo que se vio reflejado principalmente en sus Tm y ΔHm, al igual que en sus Mn, en menor medida.

De acuerdo a los resultados obtenidos en este trabajo de investigación, la ROP organocatalítica de ésteres cíclicos, en conjunto con la variación del contenido de ε-DL en los copolímeros comprendidos, ofrece la posibilidad de obtener materiales biodegradables con propiedades químicas, térmicas específicas, así como susceptibilidad a hidrólisis ajustable, volviéndolos candidatos para aplicaciones potenciales dentro del campo de la medicina, el sector agrícola, la industria de embalaje, entre otros.

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Materiales Porosos por Impresión 3D a base de Mezclas de PLA/PHB e Híbridos de Hidroxiapatita-Ag-ZnO, Dirigidos hacia su Aplicación en Andamios Óseos

Katia Dafne Daniela Martínez López (2022, [Tesis de maestría])

1. RESUMEN Se reporta el desarrollo de materiales porosos por 3D a base de mezclas de PLA/PHB e híbridos de hidroxiapatita-Ag-ZnO (HAp-Ag-ZnO), dirigidos hacia su aplicación como andamios óseos. Primero, se desarrolló un procedimiento novedoso para síntesis in situ de nanopartículas de Ag (Ag-NPs) y ZnO (ZnO-NPs) sobre HAp; En esta etapa del proyecto se evaluaron diferentes proporciones de los precursores Ag-ZnO/HAp a fin de controlar la morfología, distribución y relación entre las Ag-NPs, ZnO-NPs y la HAp. Las propiedades cristalográficas y morfológicas se caracterizaron por difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). Las interacciones químicas entre los componentes de los nanohíbridos de HAp-Ag-ZnO se estudiaron mediante espectroscopía de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS). Se formularon en fundido mezclas de PLA/PHB (75:25 m/m) y nanohíbridos de HAp-Ag-ZnO (1% m/m con respecto a la mezcla PLA/PHB), y se manufacturaron filamentos de 1.75 mm de diámetro, aptos para su uso en impresión 3D. Adicionalmente se obtuvieron filamentos de PLA/PHB y de PLA/PHB e HAp (1 % m/m), para fines comparativos. Se evaluaron las propiedades mecánicas de especímenes obtenidos por impresión 3D, ante cargas de compresión a fin de determinar el efecto de la incorporación de los nanohíbridos de HAp-Ag-ZnO. Finalmente, se manufacturaron prototipos porotos por impresión 3D y se evaluó su capacidad de inhibición bacteriana contra E. coli y S. aureus. Estos prototipos se sometieron a un tratamiento superficial con plasma de argón, a fin de exponer las nanopartículas híbridas. La síntesis in situ desarrollada en marco de esta tesis dio lugar a material híbrido constituido por HAp (tamaño promedio de ~40 nm) con Ag-NPs y ZnO-NPs depositadas aleatoriamente. Las Ag-NPs exhibieron una estructura cúbica centrada en las caras mientras que las ZnO-NPs estuvo presente en su fase Wurtzita. El análisis cristalográfico y por XPS sugiere que existe un dopado con átomos de Zn y Ag en la estructura de la HAp. Las propiedades mecánicas a compresión de la mezcla PLA/PHB no sufrieron disminución con la incorporación de los nanohíbridos de HAp- Ag-ZnO.

El módulo elástico alcanzado en los materiales porosos coincide con el del hueso trabecular/esponjoso, lo cual es deseable para su uso en andamios óseos. Se obtuvo una inhibición antibacteriana del 90% para E. Coli y 30% para S. aureus, la cual incrementó en ambos casos hasta un 100 % después del tratamiento con plasma de argón. Los resultados indican que los materiales desarrollados en este trabajo tienen un gran potencial para la ingeniería de tejidos óseos.

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Estudio de la incorporación de arcilla de paligorskita, recubierta con poliurea en estructuras núcleo, coraza, y su efecto sobre las propiedades fisicomecánicas y de inflamabilidad en sistema PLA/EVA

Gerardo Pozos Sánchez (2022, [Tesis de maestría])

En el presente trabajo se discute el efecto de la paligorskita (PLG) en conjunto con el polifosfato de amonio (APP) (sistema retardante a la flama (SRF)) ambos recubiertos con poliurea, mediante su morfología y sus propiedades mecánicas, térmicas y antiflama, cuando se incorpora a una matriz polimérica de PLA/EVA. Como primera etapa se realizó el lavado de la paligorskita seguido de la modificación química de su superficie con el agente de acoplamiento 3- (Glicidiloxipropil) trimetoxisilano –GPTMS, esto para que la hidrofobicidad de la PLG no fuera un impedimento para recubrirla con poliurea. Seguido de eso se generó un diseño de experimentos en el cual se bosquejo lo siguiente: 4 formulaciones donde se variaron la concentración de PLG modificada con silano y APP y 4 formulaciones donde se varió la concentración de PLG sin modificar y APP, la variación de la PLG modificada y sin modificar fue de un 6% y 9%, mientras que la variación del APP es de un 3% y 4%. A las 8 formulaciones descritas previamente se les realizó la metodología de microencapsulación.

Se utilizó FTIR para poder comprobar la modificación de la PLG y la formación de la poliurea, seguido de la caracterización mediante SEM donde se observó el recubrimiento de las partículas de la PLG ya sea modificada y sin modificar junto con las de APP, después realizó el mezclado de PLA/EVA con cada una de las formulaciones propuestas, seguido a eso se realizó una inspección visual para notar la variación de color seguido de SEM para observar si hubo dispersión del SRF.

Se realizó la evaluación de las propiedades mecánicas mediante DMA donde se observó que las formulaciones [9plgM&4APP]E y [9plgS&4APP]E presentaron un aumento de su módulo de almacenamiento y en la prueba de tensión elongación, se observó que la rigidez de ambos se modificó a valores mayores comparados con PLA/EVA, culminando con el análisis del comportamiento a la flama donde [9plgM&4APP]E no presentó velocidad de quemado y se comprueba con el pico de velocidad de liberación de calor (pHRR) donde esta misma mostró una disminución de pHRR de un 36.30%.

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SULFONACIÓN Y ENTRECRUZAMIENTO DE COPOLIMEROS ESTIRENO – ACRILATO DE BUTILO PARA SU APLICACIÓN COMO MEMBRANAS ELECTROLÍTICAS

Luana Francisco Vieira (2022, [Tesis de doctorado])

RESUMEN La membrana polimérica de intercambio protónico (PEM) es el componente principal de las celdas de combustible y sus funciones principales son permitir el transporte de los protones y prevenir el paso de los electrones, actuando como un separador entre los electrodos. En este trabajo, se presentan los resultados de la síntesis y caracterización de copolímeros de estireno – acrilato de butilo (StBuA) obtenidos a partir de la polimerización en masa vía radicales libres, con distintas relaciones molares entre comonómeros: 90:10, 80:20 y 70:30, siendo la de mayor concentración el comonómero de St. Los materiales obtenidos fueron modificados mediante sulfonación empleando dos agentes sulfonantes distintos: ácido sulfúrico (S) y sulfato de acetilo (AcS), a diferentes tiempos de reacción entre 2-5 h. La concentración del sulfonante varió entre 50, 100 y 150% mol, en relación con la cantidad molar de St. A partir de los copolímeros se obtuvieron membranas mediante el método doctor blading con espesores entre 150 a 200 μm. Posteriormente, se realizó la modificación de las membranas mediante radiación-γ a 50 kGy. Los copolímeros se caracterizaron mediante análisis de FTIR, RMN 1H, GPC, TGA y DSC, mientras que las propiedades mecánicas y morfología de las membranas se evaluaron por TMA y SEM. Las propiedades como membranas fueron evaluadas en términos de capacidad de intercambio iónico (IEC), retención de agua (WU) y conductividad protónica. La polimerización y sulfonación de los copolímeros fue confirmada a través de la presencia de los grupos funcionales de las unidades repetitivas de ambos comonómeros, además del ensanchamiento de las bandas de absorción características de los grupos sulfónicos en los espectros de FTIR. Adicionalmente, se confirmó la composición real de los copolímeros a partir de RMN 1H, obteniendo los valores de 89:11, 80:20 y 71:29 de St y BuA, respectivamente. Las membranas sulfonadas mostraron excelente estabilidad térmica hasta 150 ºC y Tg que varió entre 72 a 128 ºC. Las propiedades de IEC fueron similares y hasta superiores a la membrana comercial de Nafion®, con valores de IEC de 1.98 a 1.83 meq∙g-1 para el copolímero StBuA 8020 con 100% de sulfonación a un tiempo de 5h, con S y AcS, que corresponden a grados de sulfonación (DS) de 56 y 50%, respectivamente.

FTIR, RMN 1H, GPC, TGA y DSC, mientras que las propiedades mecánicas y morfología de las membranas se evaluaron por TMA y SEM. Las propiedades como membranas fueron evaluadas en términos de capacidad de intercambio iónico (IEC), retención de agua (WU) y conductividad protónica. La polimerización y sulfonación de los copolímeros fue confirmada a través de la presencia de los grupos funcionales de las unidades repetitivas de ambos comonómeros, además del ensanchamiento de las bandas de absorción características de los grupos sulfónicos en los espectros de FTIR. Adicionalmente, se confirmó la composición real de los copolímeros a partir de RMN 1H, obteniendo los valores de 89:11, 80:20 y 71:29 de St y BuA, respectivamente. Las membranas sulfonadas mostraron excelente estabilidad térmica hasta 150 ºC y Tg que varió entre 72 a 128 ºC. Las propiedades de IEC fueron similares y hasta superiores a la membrana comercial de Nafion®, con valores de IEC de 1.98 a 1.83 meq∙g-1 para el copolímero StBuA 8020 con 100% de sulfonación a un tiempo de 5h, con S y AcS, que corresponden a grados de sulfonación (DS) de 56 y 50%, respectivamente. Para esta misma composición, la absorción de agua (WU) mostró una variación de 79 a 68% para las sulfonadas con S. La conductividad protónica (σ) de las membranas mostraron valores competitivos con la membrana de Nafion®, presentando una diferencia de solo dos órdenes de magnitud, por ejemplo, σ de 6.18 x10-4 S∙cm-1 para 9010 – 50%AcS y 5.73 x10-4 S∙cm-1 7030 – 100%S, ambos con 2h de sulfonación. El efecto de la sulfonación en las propiedades mecánicas, evaluado mediante TMA, genera membranas más flexibles al parecer por el efecto plastificante de los grupos sulfónicos en la estructura del copolímero. Los estudios mediante SEM mostraron una morfología densa, sin huecos y con pliegues para la membrana sin sulfonar, pero en las sulfonadas, con ambos agentes sulfonantes, se observaron puntos blancos acumulados y dispersos en la superficie de la membrana, los cuales fueron asignados al entrecruzamiento tipo sulfona resultado de las reacciones secundarias ocurridas durante la sulfonación. Las membranas irradiadas mostraron una considerable reducción en los valores de intercambio iónico, con valores de IEC entre 0.42 a 0.07 meq∙g-1, correspondientes a las membranas StBuA 7030 y StBuA 8020, ambas con 100% de sulfon

obteniéndose 1.62 x10-4 a 3.61 x10-4 S∙cm-1 antes y después de la irradiación, para la membrana StBuA 8020-100%AcS. Finalmente, las propiedades mecánicas se vieron afectadas por la irradiación, resultando en membranas más frágiles resultado de la escisión de las cadenas que ocurre durante el procedimiento, destacándose la composición de StBuA 8020 sulfonada con AcS con un incremento de 405 a 1159 MPa a un tiempo de 2h y de 1024 a 1379 MPa a 5h de sulfonación. Las membranas obtenidas mostraron características promisoras para la aplicación en sistemas electrolíticos. La composición del copolímero es importante para las reacciones de sulfonación, ya que a mayor contenido de St en el polímero, se obtienen materiales con alto nivel de sulfonación, las cuales resultan entrecruzadas en algunos casos. Ambos agentes sulfonantes efectivamente sulfonaron los copolímeros, aunque los sulfonados con ácido sulfúrico (S) resultaron en membranas con altos valores de IEC además conductividades muy cercanas a la membrana comercial. Para todos los copolímeros con niveles de sulfonación moderado, 50 y 100% y todos los tiempos, fue posible la formación de membranas con espesores que variaron de 100-200 μm, sin afectar negativamente su integridad mecánica. También mostraron propiedades térmicas estables hasta 150 ºC, útiles para los dispositivos electroquímicos que operan a temperaturas entre 25 a 120 ºC. Finalmente, es factible preparar copolímeros de StBuA, viables económicamente y de metodología fácil para obtener materiales capaces de formar membranas delgadas y de características similares a la comercial (Nafion®) utilizada actualmente.

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Síntesis Biomimética de Copolímeros Conjugados EDOT-PY y EDOT-ANI Semiconductores como Interfaces Neuronales y de Registro Electrofisiológico

Manuel Eduardo Martínez Cartagena (2022, [Tesis de doctorado])

El estudio de las interfaces entre materiales y sistemas biológicos resulta medular en el diseño de nuevas estrategias para el tratamiento, control o reversión de patologías diversas, la ingeniería celular es un área que ha cobrado un creciente interés en los últimos años, en especial el desarrollo de neurointerfaces con fines diversos, desde tratamientos por estimulación directa de los diferentes grupos celulares que conforman el sistema nervioso hasta control de sistema cerebro-maquina. La ingeniería bioelectrónica en general busca la conexión estable y compatible entre dispositivos vinculados a órganos o tejido electrogénicos, lo que permitirá el control de prótesis, computadoras, manejo de sistemas remotos, etc. De la misma manera la electrofisiología y la neuroquímica persiguen la compresión de los fenómenos moleculares que subyacen a la electrogénesis y como la alteración de estos propicia el surgimiento de patologías, la investigación reciente entre sistemas de registro/estimulación entre células y dispositivos demanda tres principales objetivos que siguen persiguiéndose: biocompatibilidad, mínima impasividad y alta fidelidad de funcionamiento. Diversas fuentes de estimulación han sido empleadas para activar señales bioeléctricas entre las que destacan los estímulos ópticos, magnéticos y eléctricos, quizás la estimulación eléctrica es la más antigua de los medios de estimulación de células electrogénicas, entre ellas las neuronas, por lo cual desarrollar materiales que cumplan con los tres criterios antes descritos es un reto vigente en la ingeniería neuronal, en este trabajo se planteó el uso de materiales poliméricos conductores como interfaces en el registro de señales bioeléctricas, estimulación eléctrica directa e inalámbrica de neuronas .

En el capítulo II se describe un estudio sistemático de la síntesis biomimética de copolímeros EDOT-Py y EDOT-ANI catalizados por hematina y ferroceno, así como es análisis del efecto del contraión en el dopaje de los mismo, se encontró que por primera vez que el efecto del catalizador ejerce un efecto dominante en las propiedades de conductividad, morfología y estabilidad superficial de las nanopartículas de polímero, se caracterizó la cinética de la hematina En el capítulo III se estudió la fabricación de electrodos recubiertos con copolímeros semiconductores por deposito electroforético, lo cual constituye la primera demostración de esta técnica en la manufactura de electrodos como neurointerfaces. los electrodos recubiertos por copolímeros EDOT-Py:PSS y EDOT-ANI:PSS en presencia de MnO2 evidenciaron capacitancias especificas elevadas (4.2 - 2 F/cm2) respecto a los copolímeros en bulk dopados con PSS (2 – 0.2 F/cm2) y en presencia de fosfatos se alcanzó capacitancias de hasta 1.2 F/cm2. En el capítulo IV se demostró por primera vez el uso de este tipo de electrodos para ensayos electrofisiológicos (ECG y EMG), los cuales mostraron que los electrodos fabricados por deposito con copolímero EDOT-PY 0.9-0.1/PO4 son altamente sensibles para registrar los trazos y señales bioeléctricas, presentaron bajo ruido térmico (4 µV) y alta relación señal-ruido (18.5 - 14 dB), que permito obtener trazos electrocardiográficos y electrormiograficos más definidos, lo cual es ideal para la diagnosis medica de desórdenes en músculos y fibras cardiacas, este trabajo constituye el primer reporte de electrodos fabricados por DEP aplicados exitosamente a electrofisiología. En el capítulo V se realizaron por primera vez registros de potenciales de acción usando neuronas de ganglio subesofágico de Helix aspersa, mostraron que los electrodos fabricados por deposito electroforético de copolímero EDOT-PY 0.9-0.1/PO4 son altamente sensibles a señales bioeléctricas y estables en la aplicación de corriente con una capacidad de

almacenamiento de carga (CSC) de hasta 0.57 mC/cm2, presentaron bajo ruido térmico (4 µV) y alta relación señal-ruido (SNR= 32 dB) contra 22 dB de los electrodos de Ag/AgCl. La citotoxicidad intrínseca del electrodo recubierto con copolímero se estudió mediante células ND7/23 cultivadas sobre un sustrato de vidrio, es la viabilidad celular fue del 99% tras 72 h de proliferación. En el capítulos VI, se desarrolló un nuevo paradigma de estimulación eléctrica inalámbrica mediante el uso de nanopartículas de copolímero EDOT- PY 0.9-0.1 TSA:PSS para acelerar la diferenciación celular de la línea celular hibrida ND7/23, el enfoque de estimulación eléctrica inalámbrica a través de partículas de copolímero conductor mostro ser un enfoque inédito y funcional para estimular eléctricamente sin manipulación directa los cultivos celulares prescindiendo de la necesidad de electrodos en contacto con el medio, las partículas de copolímero empleado mostraron alta capacitancia especifica en la pruebas de carga y descarga galvanostatica a diferente densidad de carga, además el análisis. El análisis de biocompatibilidad live/dead llevado a cabo mediante citometría de flujo demostró una alta viabilidad (98%) celular tras 24 y 48 h para cultivos no diferenciados de ND7/23 a una concentración de 50 µg/mL. Los resultados obtenidos a lo largo de esta tesis doctoral representan aplicaciones versátiles desprendidas del uso extensivo de materiales sintetizados por métodos biomimeticos, la manufactura de electrodos por DEP, el registro electrofisiológico, la estimulación eléctrica intracelular de neuronas y la estimulación inalámbrica por nanopartículas que actúan como nanocapacitores son aproximaciones con potencial de uso en la práctica clínica y científica del estudio de células electrogénicas, y representa una demostración fehaciente que futuro de los materiales conductores orgánicos es prominente, ya que suponen ventajas de síntesis, fabricación y uso en ingeniería biomédica que sobrepasan a la mayoría de materiales metálicos convencionales en el área.

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Efecto de los antioxidantes presentes en granos de café verde en la degradación termo-mecánica de un copolímero al azar de polipropileno-etileno propileno (PP-EP)

ANTONIO ORTIZ GARCIA (2022, [Tesis de doctorado])

En años recientes han surgido algunas compañías que usan los desechos de café percolado y pulpa de la cereza con la finalidad de introducir nuevos productos de valor agregado; algunos ejemplos de productos basados en residuos de café son: papel, harina, filamento para impresoras 3D, fibras textiles, entre otros [1]. Dentro de la cadena de valor del café existen otros desechos que no están siendo aprovechados o son foco de problemas ambientales. Por ejemplo, cerca del 30% de los desperdicios en la cadena de producción del café corresponden a los granos verdes defectuosos, los cuales además de requerir una gran demanda de oxígeno para degradarse colocan en una posición de riesgo a la flora y fauna donde son desechados [2–4]. El no aprovechamiento de este tipo de desechos, aunado a los pocos estudios científicos orientados a lograr un mejor valor o disposición de estos, representan una gran área de oportunidad que podría ser redireccionada hacia la industria del plástico como posibles estabilizadores de los fenómenos de degradación. En el presente trabajo se estudia el impacto en el peso molecular y el comportamiento térmico de la matriz del copolímero al azar de polipropileno- etilenopropileno (PP-EP), debido a los antioxidantes presentes en los granos de café verde defectuosos y aquellas especies generadas durante la preparación y ciclos de procesamiento de biocompuestos sometidos a condiciones extremas de temperatura mediante tecnología de mezclado en fundido.

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Funcionalización covalente de nanoestructuras de carbono (CN) mediante el uso de nitrenos, para la obtención de nanocompuestos Nylon 6-CN y su procesamiento mediante moldeo por inyección ultrasónica (UIM)

JUAN JOSE MENDOZA VILLAFAÑA (2022, [Tesis de doctorado])

El uso de nanoestructuras de carbono (CN) en su combinación con materiales poliméricos requiere generalmente la modificación de su superficie con grupos químicos que tengan afinidad con la matriz. En este sentido, en la investigación realizada y aquí expuesta se presenta inicialmente, la obtención de dos azidocompuestos útiles en el proceso de funcionalización covalente de nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT), mediante reacciones de cicloadición [2+1] vía nitrenos siguiendo un método convencional. Los nanotubos funcionalizados f-SWCNT fueron caracterizados, y la presencia de los compuestos orgánicos unidos a las CN fue detectada por TGA y por FTIR. La relación ID/IG que se observó por Raman para los f-SWCNT contrario a lo esperado, no indicó un incremento comparado con la relación ID/IG de los p-SWCNT, lo cual fue atribuido a la particular forma de unión del radical nitreno evitando la pérdida de la hibridación sp2, y por lo tanto a la falta de nuevos centros de dispersión sp3 que exciten la banda D. La integridad de la estructura de los f-SWCNT fue corroborada por microscopia TEM y por la poca afectación en la conductividad eléctrica de las muestras. El proceso de funcionalización covalente de SWCNT con 4-azidometil ácido benzoico (4-AMAB) también fue estudiado mediante las reacciones de cicloadición [2+1] asistidas por energía de microondas, el proceso resultó ser efectivo y versátil, la unión C-N del anillo aziridino formado fue corroborado por FTIR y XPS. La versatilidad del procedimiento obtenido fue evaluada con la funcionalización exitosa de otras nanoestructuras de carbono como las nanoláminas de grafeno (GNP) y nanofibras de carbono (CNF) en un procedimiento análogo.

Se obtuvieron nanocompuestos de Nylon 6-f-SWCNT mediante una estrategia “injerto desde” que involucró el uso de los f-SWCNT, la unión covalente del monómero -caprolactama y finalmente siguiendo una polimerización aniónica por apertura de anillo (AROP) se obtuvieron los nanocompuestos con distinto contenido de f-SWCNT (0.1, 0.5 y 1 %p/p). Las propiedades químicas, térmicas y eléctricas se compararon con los nanocompuestos Ny6-p-SWCNT obtenidos a partir de una polimerización in situ. Mediante el estudio de las propiedades térmicas de los nanocompuestos se pudo establecer que la presencia de los nanotubos de carbono generó un incremento en la temperatura de cristalización Tc respecto al polímero, empleando cualquiera de las estrategias, además de la presencia de dos picos de fusión Tm1 y Tm2. También independiente de la estrategia seguida, los análisis por TGA indicaron una mejora en la estabilidad térmica en los nanocompuestos; sin embargo, este comportamiento análogo entre estrategias solo fue observado cuando se emplearon nanotubos de carbono en bajas concentraciones (0.1 y 0.5%). Con el incremento de la concentración (a 1%) de las nanoestructuras de carbono, los nanocompuestos obtenidos vía in situ no mostraron mejoría en las propiedades, mientras que aquellos obtenidos por la estrategia “injerto desde” mejoraron con el aumento de la concentración de f-SWCNT. La caracterización completa de los nanocompuestos obtenidos mediante ambas estrategias de polimerización, mediante “injerto desde” o polimerización in situ, se realizó utilizando las técnicas de FTIR, DSC, TGA, DRX, GPC y mediante la medición de sus propiedades eléctricas. Finalmente, la estrategia “injerto desde” fue validada mediante la identificación del polímero injertado a los f-SWCNT, obteniéndose un material capaz de conducir la corriente eléctrica (118 S m-1).

En la última parte del trabajo presentado en esta investigación, se prepararon nanocompuestos Ny6- GNP mediante una metodología de polimerización aniónica por apertura de anillo in situ (AROP in situ) con distinto contenido de GNP (0.1, 1, 2 y 4 %p/p). El Ny6, los nanocompuestos Ny6-GNP y una muestra comercial de Nylon 6 (Zytel) se procesaron por medio de la técnica de moldeo por inyección ultrasónica (UIM) utilizando la inyectora Sonorus 1G. Se establecieron las condiciones óptimas para el procesamiento durante una primera etapa experimental donde se ajustaron las variables amplitud (%A), tiempo de ultrasonido (tUS) y fuerza de inyección (Fi). Se logró obtener probetas con un peso promedio de 87.5 mg sin problemas de llenado, homogéneas y sin detalles visuales de degradación. Las condiciones preestablecidas del proceso UIM utilizadas para Nylon 6 Zytel, permitieron la obtención de probetas de Ny6 y nanocompuestos Ny6-GNP que cumplieron con los criterios visuales y de dimensiones. La caracterización de las probetas se realizó en dos zonas, zona A (ZA) al inicio de la inyección y zona C (ZC) en el extremo más alejado. Las muestras de los nanocompuestos Ny6-GNP presentaron propiedades más estables a lo largo de la probeta cuando se compararon con las muestras de Nylon 6 Zytel y Ny6. Estas propiedades incluyeron una baja afectación por efecto del proceso UIM en el peso molecular, un ligero incremento en la cristalinidad con cristales  como fase dominante sobre la  y sin diferencias en la estabilidad térmica entre zonas A y C de las muestras procesadas. El comportamiento de los ensayos de tensión indicó reproducibilidad en las probetas analizadas, y se observó el incremento en el módulo de Young y la tensión a la cedencia con la presencia de las GNP, aún a bajas concentraciones. Los resultados observados demostraron la factibilidad del uso de la técnica UIM en el procesamiento de nanocompuestos Ny6-GNP, como una alternativa viable en la obtención de microcomponentes.

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Synthesis of triazole-functionalized porous polymers using click reactions (Síntesis de polímeros porosos funcionalizados con grupos triazol mediante reacciones tipo click)

MELISA TREJO MALDONADO (2022, [Otro, Trabajo de grado, doctorado])

This dissertation aimed to investigate the synthesis of poly(styrene)-block-poly(lactic acid) (PS-b-PLA) copolymers with triazole derivatives as a junction between blocks. The synthetic pathway towards the obtention of these copolymers comprised the synthesis of a benzylic initiator that is active in an Atomic Transfer Radical Polymerization (ATRP) to obtain a polystyrene (PS) precursor, a Ring Opening Polymerization (ROP) to obtain a polylactic acid (PLA) precursor, and a ‘click’ chemistry coupling of their end functional groups, the synthesized copolymers were used as templates for the preparation of thin films. Self-assembly behavior of these films was studied by Solvent Vapor Annealing (SVA), Thermal Annealing (TA) and Hydrolysis of the as-spun substrates and monitored their morphological changes by means of Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM) techniques. Self-assembly via SVA and TA proved to be strongly dependent on the pretreatment of the substrates. The as-spun substrates exhibited the formation of pores on the surface, which is in good agreement with the cylinder morphology that is usually expected for these systems. It was concluded that as- spun films can be a good alternative to form an ordered pattern at a nanoscale to form a triazole functionalized porous polystyrene matrix after selectively removing the PLA microdomains. The newly functionalized porous matrix can be applied as templates for the preparation of nanomaterials or inthe energy storage field in electronics.

Doctorado en tecnología de polímeros BIOLOGÍA Y QUÍMICA QUÍMICA QUÍMICA

DESARROLLO Y EVALUACIÓN DE FIBRAS POLIMÉRICAS BICOMPONENTES DE NYLON-6 REFORZADAS CON NANOTUBOS DE CARBONO FUNCIONALIZADOS MEDIANTE ENERGÍA DE ULTRASONIDO

ELIZABETH LARA MONTIEL (2022, [Tesis de doctorado])

Las fibras de Nylon convencionales presentan propiedades que les han otorgado un lugar privilegiado en su aplicación en el área textil. Sin embargo, con el continuo avance de la tecnología se requieren fibras que cumplan con requerimientos cada vez más específicos para su aplicación como textiles especializados o técnicos y abastecer así los crecientes mercados industriales, entre ellos, el automotriz, aeroespacial, etc. Una manera de otorgarle nuevas características a una fibra polimérica es mediante el empleo de un material que le confiera sus propiedades o funcionalidad. A diferencia de las fibras convencionales, las fibras bicomponente están constituidas por dos tipos de materiales o polímeros, que pueden estar distribuidos en diferentes configuraciones, dando como resultados fibras con propiedades diversas. La tecnología de hilado bicomponente en fundido o “bicomponent melt spinning” en inglés, ha establecido un importante interés en la industria de la fibra sintética debido a sus posibles aplicaciones en el desarrollo de fibras innovadoras [1]. La posibilidad de unir dos materiales poliméricos de características diferentes en un mismo filamento permite obtener fibras que contengan o compartan propiedades de ambos polímeros e incluso propiedades totalmente nuevas [2]. Al coextruir fibras poliméricas, es necesario considerar el efecto que genera la interfase de los componentes y su comportamiento, ya sea para lograr una interfase uniforme con una buena adhesión entre ellos [3], o para favorecer la incompatibilidad entre fases si lo que se busca es la separación de ellas en la fibra formada. Una forma de obtener fibra bicomponente con adhesión de interfase uniforme, es mediante el uso de la misma matriz polimérica en ambos componentes, con la diferencia de que uno de los componentes contenga un material que modifique sus propiedades según se requiera, es decir, empleando un compuesto polimérico. El uso de nanopartículas que se incorporan en los polímeros para formar nanocompuestos puede actuar como refuerzos para mejorar propiedades o incorporar nuevas propiedades al material. Ya se han empleado nanocompuestos para la obtención de fibras bicomponente con interesantes efectos en sus propiedades finales [4].

Sin embargo, al haber una amplia gama de posibilidades de procesado de fibras en cuanto a su conformación y componentes, se desconoce con mayor detalle el efecto de factores como la funcionalización de nanopartículas en el nanocompuesto, cantidad de carga, velocidad de estirado en fibras que permita aportar información al respecto del comportamiento final de las fibras bicomponente. Por otro lado, una de las complicaciones al momento de preparar nanocompuestos es la interacción entre la matriz y la nanopartícula [5], la cual generalmente no es buena. La falta de homogeneidad en la dispersión de las partículas dentro de una matriz polimérica es muy común al emplear partículas de carbono. Los nanotubos de carbono cuentan con excelentes propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas, lo que los hace ser un agente de refuerzo ideal, sin embargo, debido a las fuerzas de Van der Waals que actúan entre ellos tienden a formar aglomerados [6] que afectan su dispersión. Una manera de mejorar su interacción es modificar la superficie de los nanotubos de carbono con moléculas o grupos que los hagan afines a la matriz polimérica, con lo cual se logra obtener una dispersión más homogénea y, por lo tanto, una mejor transferencia de esfuerzos y propiedades a la matriz polimérica. El uso de métodos alternos para llevar a cabo procesos químicos como la funcionalización de nanopartículas que involucren la química verde, como lo es el uso de energía por plasma, microondas o ultrasonido es parte de la responsabilidad con el cuidado al medio ambiente que se tiene en la actualidad, ya que de esta forma se fomenta la disminución de tiempos de reacción, cantidades de reactivos y empleo de disolventes tóxicos y/o altamente contaminantes. La presente investigación tuvo como finalidad el desarrollo y evaluación de propiedades mecánicas en fibras bicomponente a partir de Nylon-6 virgen y nanocompuesto polimérico de Nylon-6 con nanotubos de carbono al 0.1 y 1% en peso, que se obtuvo mediante mezclado en fundido. Los nanotubos de carbono previamente fueron modificados superficialmente mediante el empleo energía de ultrasonido para propiciar una mejor compatibilidad y dispersión en la matriz polimérica.

Se empleo durante el hilado en fundido de las fibras la configuración bicomponente tipo núcleo-coraza (core-sheath) para optimizar el uso del nanocompuesto en la zona interna de la fibra y mantener el Nylon-6 puro en el exterior. Durante el desarrollo del proyecto, se hizo uso de procesos fáciles de escalar y ambientalmente amigables, al prescindir de disolventes dañinos durante la modificación y purificación de los MWCNTs, durante la formación del nanocompuesto polimérico y durante la generación de la fibra.

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