Estudio de compositos magnetoelásticos estructurados. Síntesis y caracterización de partículas magnéticas y conductoras para obtener propiedades de Piezo y Magneto resistencia

• Autores: Ruiz, Mariano Manuel
• Año de publicación: 2016
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Negri, Ricardo Martín; Jorge, Guillermo Antonio
• Materia: COMPOSITOS; ELASTOMEROS; MAGNETISMO; MAGNETO-ELASTOMEROS; MAGNETORESISTENCIA; NANOPARTICULAS; COMPOSITES; ELASTOMERS; MAGNETISM; MAGNETO-ELASTOMERS; MAGNETORESISTANCE; NANOPARTICLES
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Se estudiaron propiedades magnéticas, elásticas y eléctricas de compositosmagneto-elásticos estructurados. Los mismos están formados por dispersiones dematerial inorgánico magnético en una matriz orgánica elastómera, preparando elcomposito en presencia de un campo magnético uniforme. Como material inorgánicose utilizaron agregados formados por nanopartículas magnéticas sobre las cuales seredujo plata metálica, los cuales son simultáneamente magnéticos y conductoreseléctricos. El hecho de que sean magnéticos permite alinearlos dentro del medioorgánico fluido cuando se aplica el campo magnético. Este proceso se realizajuntamente con el curado térmico o la evaporación del solvente. La preparación enpresencia de campo magnético, mientras la matriz es aún fluida, induce la agregacióndel material inorgánico en estructuras de tipo cadenas, que se ubican una tras otra enla dirección del campo. Los compositos así obtenidos son magnéticos, conductores dela electricidad y elásticos (pues las matrices utilizadas son polímeros elastómeros). Dichas propiedades son anisotrópicas, pues el sistema está estructurado. Lascondiciones de preparación, concentración y naturaleza de las partículas, condicionesde curado y tipo de polímero fueron variadas para obtener compositos con distintaspropiedades. La tesis comprendió la síntesis y caracterización de nanopartículas demagnetita y ferritas de cobalto (5-15 nm). El paso posterior consistió en obteneragregados de dichas nanopartículas y plata (Ag) por reducción de Ag+ sobre lasnanopartículas obtenidas. De esta forma se obtuvieron micro agregados (1-5 μm) queresultaron conductores óhmicos y magnéticos. Se emplearon distintas técnicas decaracterización química, morfológica, magnética y eléctrica, entre ellas DRX, SAXS, SEM, EDS, TEM, Espectroscopía Mossbauer, VSM, SQUID, FMR, STM,potenciometría, etc. Se utilizaron dos tipos de elastómeros: poli-dimetil-siloxano (PDMS) con distintogrado de entrecruzamiento y goma de estireno-butadieno (SBR, por sus siglas eninglés). En el caso de PDMS se obtuvieron cortes milimétricos cuya superficie sepuede mecanizar para obtener conductividad a través de los cortes. El curado térmicocon las micropartículas incluidas se realizó en moldes rotantes ubicados entre lospolos de un electroimán. En el caso de SBR se obtuvieron películas de 100-150 μmutilizando un dispositivo especialmente diseñado. Los compositos se caracterizaronpor FTIR, TGA, RMN, DSC, curvas deformación-tensión, profilometría, etc. Se estudiaron las propiedades de magnetoresistencia y piezoresistencia de loscompositos obtenidos, analizando la variación de la conductancia eléctrica concampos magnéticos externos (magnetoresistencia) y con tensiones mecánicasaplicadas (piezoresistencia). Siempre se observó aumentó de la conducción eléctricaal aplicar dichos campos en la dirección de las cadenas formadas en el material. Lareversibilidad de las respuestas obtenidas es dependiente del tipo de partículamagnética empleada (superparamagnéticas o ferromagnéticas). Estos aspectos,fundamentales para el diseño de sensores piezo y/o magneto resistivos, son discutidosen la presente tesis.
Magnetic, elastic and electrical properties of magneto-elastic structuredcomposites were studied. They are formed by magnetic inorganic material dispersionsin an organic elastomeric matrix, preparing the composite in the presence of a uniformmagnetic field. The inorganic material is formed by clusters of magnetic nanoparticlesand metallic silver, which are simultaneously magnetic and electrical conductors. These clusters can be aligned within the organic medium when the magnetic field isapplied during preparation. This process is performed in conjunction with thermalcuring or solvent evaporation. The preparation in the presence of magnetic field, whilethe array is still fluid, induces aggregation of inorganic material in chain structures,which are located one after another in the direction of the field. The composites thusobtained are magnetic, electrically conductive and elastic (for the matrices used areelastomeric polymers). These properties are anisotropic as the system is structured. The preparation conditions, concentration and nature of the particles, curing conditionsand type of polymer were varied to obtain composites with different properties. The thesis includes the synthesis and characterization of nanoparticles ofmagnetite and cobalt ferrites (5-15 nm). The subsequent step was to obtain aggregatesof those nanoparticles and silver (Ag) by reduction of Ag + on the nanoparticles. Thusmicro aggregates (1-5 μm) ,which are magnetic and ohmic conductors, were obtained. Several techniques of chemical, morphological, magnetic and electric characterizationwere used, including XRD, SAXS, SEM, EDS, TEM, Mossbauer spectroscopy, VSM, SQUID, FMR, STM, potentiometry, etc. Poly-dimethyl-siloxane (PDMS) with different degrees of cross-linking, andstyrene-butadiene rubber (SBR) were used as elastomers. For PDMS millimetre slideswere obtained whose surface was machined to obtain conductivity through thematerial. Thermal curing was performed (after adding the microparticles) using rotatingmoulds placed between the poles of an electromagnet. In the case of SBR, films of 100-150 μm were obtained using a specially designed device. The composites werecharacterized by FTIR, TGA, NMR, DSC, stress-strain curves, profilometry, etc. Magnetoresistance and piezoresistance of the composites were studied byanalyzing the change in electrical conductance with external magnetic field (magnetoresistance) and applied mechanical stress (piezoresistance). The electricalconductance increases when applying those fields in the direction of the chains formedin the material. The reversibility of the responses depends on the type of magneticparticle (superparamagnetic or ferromagnetic). These aspects, which are essentials tothe design of piezo and / or magneto resistive sensors, are discussed in this thesis.
Fil: Ruiz, Mariano Manuel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.