Procesamiento y evaluación de materiales cerámicos porosos derivados de un polímero precerámico basado en silicio

Abstract

El presente trabajo de Tesis se centra en el estudio del procesamiento de cuerpos cerámicos porosos en 3D de SiOC/SiC/Si3N4/C, el cual se basa en la consolidación directa de novedosas mezclas constituidas por un polímero precerámico líquido de tipo siloxano (silsesquioxano) con un agente porógeno y un material de relleno escasamente estudiado, y su posterior calcinación y pirólisis en atmósfera controlada de N2, y en la evaluación de los materiales desarrollados, denominados materiales cerámicos derivados de polímeros ( ́PDCs ́, por sus siglas en inglés), con vistas al uso en catálisis, energía y medio ambiente. Estos materiales se caracterizan por presentar nanoestructuras complejas y variadas composiciones químicas que son únicas y no pueden ser obtenidas por las vías tradicionales de procesamiento cerámico, las cuales determinan que posean una combinación inusual de propiedades, tales como alta estabilidad química, bajo coeficiente de expansión térmica, buena resistencia mecánica a alta temperatura, alta resistencia al ́creep ́, y excelente resistencia a la oxidación, entre otras, que los posicionan como potenciales candidatos para su aplicación en diversos campos tecnológicos emergentes. La originalidad de este trabajo recae, por un lado, en el hecho que se estudia una ruta de procesamiento escasamente investigada basada en el empleo de sistemas que no han sido aún empleados formados por un siloxano líquido y un porógeno (partículas de sacarosa y esferas de parafina), con y sin agregado de relleno (polvo prepirolizado basado en oxicarburo de silicio y carbono libre), y por otro, en el enfoque integral con el que se aborda el análisis de los resultados obtenidos. Así, estos estudios, los cuales se iniciaron sobre la base de escasos reportes publicados, constituyen un valioso aporte en el área de procesamiento de cuerpos cerámicos porosos tridimensionales, más aún tratándose de materiales cerámicos derivados de polímeros, ya que, en este caso, el desarrollo de cuerpos en ́bulk ́ constituye todavía un enorme desafío tecnológico. Dentro del complejo estudio abordado se incluye, como aspecto a ser tenido en cuenta en el diseño de estos materiales, el análisis exhaustivo del comportamiento reológico de las mezclas en función de la temperatura y el tiempo, de las propiedades fisicoquímicas de los sistemas propuestos hasta temperaturas más elevadas que las comúnmente estudiadas para este tipo de materiales, de las microestructuras porosas jerárquicas desarrolladas y de la estabilidad oxidativa de los materiales cerámicos, con el fin de avanzar en el conocimiento de las relaciones procesamiento-microestructura-propiedades. El trabajo de Tesis se dividió en cinco capítulos, los cuales comprenden: -El diseño y estudio de la síntesis del polímero precerámico líquido de tipo siloxano y su caracterización fisicoquímica y reológica a partir de ensayos rotacionales en condiciones estacionarias y oscilatorias en función de la temperatura y el tiempo, entre otras variables. -El estudio de dos procesos de entrecruzamiento del silsesquioxano sintetizado: (a) la condensación de grupos silanoles sin la presencia de amina, y (b) la condensación de grupos silanoles y/o adición al doble enlace carbono-carbono en presencia de una amina, con el objetivo de seleccionar el más adecuado para consolidar cuerpos en ́bulk ́, a partir del análisis de los sólidos obtenidos en forma de discos y de las propiedades viscoelásticas en función de la temperatura y el tiempo. -La selección, acondicionamiento granulométrico, caracterización y estudio del comportamiento térmico de los agentes porógenos y el material de relleno a utilizar, así como, la evaluación de su desempeño en las etapas de consolidación y calcinación de los cuerpos híbridos. -El diseño y la evaluación de mezclas polímero precerámico/porógeno y polímero precerámico/porógeno/relleno preparadas en condiciones experimentales previamente determinadas. -El estudio de las etapas de consolidación directa de las mezclas preparadas y calcinación de los cuerpos híbridos para la remoción de los porógenos, y la caracterización de los cuerpos híbridos porosos obtenidos. Se incluyó la evaluación del comportamiento al flujo y las propiedades viscoelásticas en función del tiempo de los sistemas polímero precerámico/porógeno y polímero precerámico/porógeno/relleno. -El estudio del proceso de transformación polímero-cerámico a partir del análisis de la evolución textural, fisicoquímica y microestructural de los cuerpos híbridos porosos obtenidos en función de la temperatura y con control de la atmósfera. -El análisis de las microestructuras porosas jerárquicas desarrolladas luego de los tratamientos térmicos de pirólisis realizados analizando, en particular, la incidencia de la temperatura y del material de relleno. -El estudio de la resistencia a la oxidación de los materiales finales en función de la temperatura y en relación con las microestructuras desarrolladas. El tipo y cantidad de porógeno, la presencia del material de relleno y la temperatura de pirólisis fueron los principales factores determinantes de la composición química, las características y propiedades de las microestructuras porosas, y la estabilidad oxidativa de los materiales desarrollados. El enfoque integral con que se abordó este estudio permitió avanzar en el conocimiento de las relaciones procesamiento-microestructura-propiedades y, en consecuencia, establecer lineamientos científicos/tecnológicos para el diseño y fabricación de cuerpos cerámicos tridimensionales basados en SiOC/SiC/Si3N4/C con microestructuras porosas jerárquicas cuyas características y resistencia a la oxidación a alta temperatura resultan adecuadas para su uso en catálisis y medio ambiente. Mail del autor Javier Oswaldo Bolaños Rivera <javierobr@hotmail.com>