Synthesis of novel polymeric materials for high-performance and 3d printing applications

Abstract

Els polímers avançats, més enllà de posseir un rol crític al nostre dia a dia, són responsables de donar forma a les potencials innovacions i descobriments del futur. Els darrers tres anys de treball, resumits en aquesta tesi, han estat dirigits a incrementar el coneixement sobre diferents polímers avançats i les seves tecnologies d’aplicació, amb els objectius d’expandir les fronteres del coneixement humà, així com apropar aquests descobriments a la seva possible aplicació industrial i així generar un impacte real en la nostra vida diària. Aquesta tesi ha estat dividida en sis capítols, englobant primer, una descripció general dels polímers, la seva classificació, els mecanismes de reacció típics en la química de polímers, les principals diferències respecte del seu comportament tèrmic i una exemplificació de la versatilitat dels polímers mitjançant una introducció als poliuretans. Addicionalment, en aquest capítol s’explica el concepte de polímers avançats amb un èmfasi especial en els polímers auto-reparables i en la fabricació additiva com a tecnologia transversal per a l’aplicació de polímers. En darrer lloc, s’ofereix una petita revisió sobre perquè aquests polímers i tecnologies representen una eina capital per a futures aplicacions tecnològiques i les seves necessitats actuals. Al segon capítol es resumeixen i presenten els objectius de la tesi. El tercer capítol està dedicat al desenvolupament d’un innovador sistema d’auto-reparació capaç de treballar a temperatures molt baixes destinat a camps d’alta exigència, com per exemple aplicacions aeronàutiques, aeroespacials, automobilístiques o eòliques. La investigació principal es resumeix en una revista científica publicada sota el DOI: 10.1016/j.compositesa.2021.106335 i un factor d’impacte de 7.664. Es va estudiar la selecció dels agents de reparació, la seva proporció, el catalitzador òptim, la síntesi de les microcàpsules, la dispersió de tot el sistema en resines epoxi comercials i, finalment, l’eficiència global d’auto-reparació. Al quart capítol es detalla l’estudi de la relació estructura-propietats dins de la síntesi de polímers híbrids de poliuretà-acrilat (PUA). Encara que l’objectiu final i d’aquests polímers és el seu ús com a nou material tou per a aplicacions d’impressió 3D al camp de la salut, la biblioteca generada té el potencial de fer-se servir en qualsevol camp on es pugui aplicar PUA. L’estudi sobre la síntesi i caracterització de polímers s’ha publicat en una revista revisada per parells amb el títol “Síntesi d’híbrids d’acrilat de poliuretà curable per UV amb duresa ajustable i propietats viscoelàstiques sota demanda”, DOI: 10.1039/D2MA00228K. A més, el seu ús com a material d’impressió 3D versàtil també s’ha demostrat al projecte QuirofAM cofinançat per ACCIÓ i la Unió Europea a través del Fons Europeu de Desenvolupament Regional (FEDER) amb la subvenció COMRDI16-1-0011-03. Al cinquè capítol es presenta un resum dels avenços més destacats generats en una plataforma de bioimpressió 3D d’última generació. El focus principal de la plataforma desenvolupada és troba dirigit cap a la fabricació en grans quantitats de models cel·lulars. Els desenvolupaments detallats es van produir durant una estada de 6 mesos en una empresa australiana (Inventia Life Sciences) durant el transcurs del programa de doctorat. Finalment, al sisè capítol, es presenten les conclusions del treball realitzat en aquesta tesi per brindar una visualització dels avenços generals i de l’impacte generat a través de la present investigació.

Los polímeros avanzados, más allá de poseer un rol crítico en nuestro día a día, son responsables de dar forma a las potenciales innovaciones y descubrimientos del futuro. Los últimos tres años de trabajo, resumidos en esta tesis, han sido dirigidos hacia incrementar el conocimiento sobre diferentes polímeros avanzados y sus tecnologías de aplicación, con los objetivos de expandir las fronteras del conocimiento humano, así como acercar estos descubrimientos a su posible aplicación industrial y de este modo, generar un impacto real en nuestra vida diaria. Esta tesis ha sido dividida en seis capítulos, englobando primero, una descripción general de los polímeros, su clasificación, los mecanismos de reacción típicos en química de polímeros, sus principales diferencias respecto su comportamiento térmico y una ejemplificación de la versatilidad de los polímeros mediante una introducción a los poliuretanos. Adicionalmente, en este capítulo se explica el concepto de polímeros avanzados con especial énfasis en los polímeros autorreparables y en la fabricación aditiva como tecnología transversal para la aplicación de polímeros. En último lugar, se ofrece una pequeña revisión sobre por qué esos polímeros y tecnologías representan una herramienta capital para futuras aplicaciones tecnológicas y sus necesidades actuales. En el segundo capítulo se resumen y presentan los objetivos de la tesis. El tercer capítulo está dedicado al desarrollo de un innovador sistema de auto-reparación capaz de trabajar a muy bajas temperaturas destinado a campos de alta exigencia como por ejemplo en aplicaciones aeronáuticas, aeroespaciales, automovilísticas o eólicas. La investigación principal está resumida en una revista científica publicada bajo el DOI: 10.1016/j.compositesa.2021.106335 y un factor de impacto de 7.664. Se estudió la selección de los agentes de reparación, su proporción, el catalizador óptimo, la síntesis de las microcápsulas, la dispersión de todo el sistema en resinas epoxi comerciales y finalmente, la eficiencia global de auto-reparación. En el cuarto capítulo se detalla el estudio de la relación estructura-propiedades dentro de la síntesis de polímeros híbridos de poliuretano-acrilato (PUA). Aunque el objetivo final y novedoso de esos polímeros es su uso como material blando para aplicaciones de impresión 3D en el campo de la salud, la biblioteca generada tiene el potencial de usarse en cualquier campo donde se pueda aplicar PUA. El estudio sobre la síntesis y caracterización de polímeros se ha publicado en una revista revisada por pares con el título “Síntesis de híbridos de acrilato de poliuretano curable por UV con dureza ajustable y propiedades viscoelásticas bajo demanda”, DOI: 10.1039/D2MA00228K. Además, su uso como material de impresión 3D versátil también se ha demostrado en el proyecto “QuirofAM” cofinanciado por ACCIÓ y la Unión Europea a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) con la subvención COMRDI16-1-0011-03. En el quinto capítulo se presenta un resumen de los avances más destacados generados en una plataforma de bioimpresión 3D de última generación. El enfoque principal de la plataforma desarrollada es la fabricación en grandes cantidades de modelos celulares. Los desarrollos detallados se produjeron durante una estancía de 6 meses en una empresa australiana (Inventia Life Sciences) durante el transcurso del programa de doctorado. Finalmente, en el sexto capítulo, se presentan las conclusiones del trabajo realizado en esta tesis para brindar una visualización de los avances generales y del impacto generado a través de la presente investigación.

Advanced polymers, apart from playing a major role in our daily life, are responsible for shaping the potential innovations and breakthroughs in the future. The past three years of work, summarized in this thesis, have been directed towards increasing the knowledge of different advanced polymers and their technologies of application, aiming to expand the human knowledge a little bit further, as well as bringing it closer to industrial applications and thus, produce a potential impact in our lives. This thesis has been divided into six chapters, comprising first, a general overview of polymers, their classification, reaction mechanisms in polymer chemistry, their main differences thermal behavior, and an exemplification of the polymers versatility by introducing polyurethanes. Additionally, this chapter explains the concept of advanced polymers with special emphasis on self-healing polymers and on Advanced Manufacturing as a transversal technology for the application of polymers. Last but not least, a small review on why those polymers and technologies represents a capital tool for future technological applications and their current needs is offered. In the second chapter, the thesis objectives are summarized and presented. The third chapter is dedicated to the development of an innovative self-healing system able to work at very low temperatures aimed for high demanding fields such as aeronautics, aerospace, automobile, or windmill applications. The main research is summarized in a scientific journal published under the DOI: 10.1016/j.compositesa.2021.106335 and an impact factor of 7.664. The selection of the healing agents, the ratio, the optimal catalyst, the microcapsule synthesis, the dispersion of the whole system in commercial epoxy resins and finally, the overall self-healing efficiency were studied. The fourth chapter is devoted to the study of the structure-properties relationship within the synthesis of Polyurethane-acrylate (PUA) hybrid polymers. Although the final aim of those polymers is the use as novel soft material for 3D-printing applications in the health field, the generated library holds the potential to be used in any field where PUA could be applied. The study on the polymer synthesis and characterization has been published in a peer reviewed journal under the title of “Synthesis of UV-Curable Polyurethane-Acrylate Hybrids with tuneable hardness and viscoelastic properties on-demand“, DOI: 10.1039/D2MA00228K. Additionally, its use as a versatile 3D printing material has been also demonstrated in the “QuirofAM” project co-financed by ACCIÓ and the European Union through the European Regional Development Fund (ERDF) under grant COMRDI16-1-0011-03. In the fifth chapter is introduced a summary of the most remarkable advances generated in a state-of-the-art 3D-bioprinting platform. The principal focus of the developed platform is the high-throughput manufacture of cellular models. The reported developments were generated during a 6-months internship in an Australian company within the PhD (Inventia Life Sciences). Finally, in the sixth chapter, the conclusions of the work undertaken in this thesis are presented to provide a visualization of the overall advances and impact generated through this work.