Universitat Ramon Llull
Colominas Guardia, Carles
Garcia Granada, Andrés Amador
2023-01-12
192 p.
Universitat Ramon Llull. IQS
La presència de micro i nanotextures, és molt comú a la natura, presentant funcionalitats diverses. Entre d’altres, aquestes textures aporten propietats com la hidrofobicitat, la difracció de llum, l'absorció o la dispersió de llum o millores hidrodinàmiques. Algunes textures s'han aconseguit copiar artificialment amb gran fidelitat. Però un dels grans reptes és millorar aquests processos, ja sigui amb la finalitat de disminuir la dimensió dels motius fabricats, augmentar la qualitat de les micro i nanotextures, incrementar la velocitat de fabricació o reduir el cost. En aquest treball s'exploren diferents mètodes per a l'obtenció de textures a escala micromètrica i submicromètrica, incloent-hi el texturitzat mitjançant làser. Aquest mètode permet obtenir estructures superficials periòdiques anomenades LIPSS (Laser Induced Periodic surface structure). Aquestes estructures periòdiques han estat caracteritzades extensament mitjançant microscòpia electrònica i microscòpia de forces atòmiques en aquesta tesi. Per tal d'assolir superfícies micro i nanotexturades de baix cost que es puguin fabricar massivament, se n'ha explorat la fabricació en peces de plàstic. Per fer-ho, s'ha estudiat el procés d'injecció de plàstic utilitzant motlles que incorporen el negatiu de micro textures superhidrofòbiques. A més de la injecció experimental de plàstic, s'han dut a terme simulacions per elements finits a la interfície motlle-plàstic durant el procés d'ompliment del motlle. Aquestes simulacions es van fer mitjançant models simplificats en 2D per reduir el temps de càlcul. S'han aconseguit trobar paràmetres d'injecció (pressió, temperatura i temps de cicle) per a la fabricació amb èxit de peces de polipropilè i policarbonat que presenten superfícies micro i nanotexturades superhidrofòbiques. Aquestes superfícies han estat caracteritzades mitjançant microscòpia electrònica i microscòpia confocal. A la darrera part de la tesi s'ha estudiat la fabricació de canals de microfluídica per injecció de plàstic i, més en concret, el desenvolupament d'una estratègia per a la fabricació dels motlles per a microfluídica. El procés comença amb la producció del negatiu d'uns canals de microfluídica mitjançant la impressió 3D. Un cop obtinguts els canals, es copien en silicona i es realitza un recobriment selectiu amb níquel, obtenint així el negatiu dels canals al motlle d'injecció. Finalment, mitjançant injecció, es replica el motlle per obtenir canals de microfluídica en peces de plàstic.
La presencia de micro y nanotexturas, es muy común en la naturaleza, presentando funcionalidades muy diversas. Entre otras, estas texturas aportan propiedades como la hidrofobicidad, la difracción de luz, la absorción o dispersión de luz o mejoras hidrodinámicas. Algunas de estas texturas se han conseguido copiar artificialmente con gran fidelidad. Pero uno de los grandes retos es la mejora de estos procesos, ya sea con la finalidad de disminuir la dimensión de los motivos fabricados, aumentar la calidad de las micro y nanotexturas, incrementar la velocidad de fabricación o reducir el coste. En el presente trabajo se exploran distintos métodos para la obtención de texturas a nivel micrométrico y submicrométrico, incluyendo el texturizado mediante láser. Este método permite la obtención de estructuras superficiales periódicas llamadas LIPSS (Laser Induced Periodic surface structure). Estas estructuras periódicas se han caracterizado extensamente mediante microscopía electrónica y microscopía de fuerzas atómicas en esta tesis. Con el fin de obtener superficies micro y nanotexturadas de bajo coste que puedan fabricarse masivamente, se ha explorado la fabricación de estas en piezas de plástico. Para ello, se ha estudiado el proceso de inyección de plástico utilizando moldes que incorporan el negativo de micro texturas superhidrofóbicas. Además de la inyección experimental de plástico, se han llevado a cabo simulaciones por elementos finitos en la interfase molde-plástico durante el proceso de llenado del molde. Estas simulaciones se realizaron mediante modelos simplificados en 2D para reducir el tiempo de cálculo. Se han conseguido hallar parámetros de inyección (presión, temperatura y tiempos de ciclo) para fabricación con éxito de piezas de polipropileno y policarbonato que presentan superficies micro y nanotexturadas superhidrofóbicas. Estas superficies se han caracterizado mediante microscopía electrónica y microscopía confocal. En la última parte de la tesis se ha estudiado la fabricación de canales de microfluídica por inyección de plástico y, más en concreto, el desarrollo de una estrategia para la fabricación de los moldes para microfluídica. El proceso se inicia con la producción del negativo de unos canales de microfluídica mediante impresión 3D. Una vez obtenidos los canales, se copian en silicona y se realiza un recubrimiento selectivo con níquel, obteniendo así el negativo de los canales en el molde de inyección. Por último, mediante inyección, se replica el molde para la obtención de canales de microfluídica en piezas de plástico.
The presence of micro and nano textures is quite common in nature, presenting diverse functionalities. Among others, these textures provide properties such as hydrophobicity, light diffraction, light absorption or scattering or hydrodynamic improvements on the surfaces. Some of these textures have been artificially copied with excellent fidelity. But one of the great challenges is the improvement of these processes, either to reduce the size of the manufactured motifs, increase the quality of micro and nanotextures, increase manufacturing speed or reduce cost. The present work explores different methods for obtaining textures at the micrometric and submicrometric scales, including laser texturing. This method allows obtaining laser-induced periodic surface structures or LIPSS. These periodic structures have been extensively characterized by electron microscopy and atomic force microscopy in this thesis. To obtain low-cost micro and nanotextured surfaces that can be mass-produced, manufacturing them in plastic parts has been explored. For this, the plastic injection process has been studied using moulds that incorporate the negative of superhydrophobic microtextures. In addition to the experimental injection of plastic, finite element simulations have been carried out on the mould-plastic interface during the mould filling process. These simulations were performed using simplified 2D models to reduce computation time. Injection parameters (pressure, temperature and cycle times) have been found for the successful manufacture of polypropylene and polycarbonate parts that have superhydrophobic micro and nanotextured surfaces. These surfaces have been characterized by electron microscopy and confocal microscopy. In the last part of the thesis, the manufacture of microfluidic channels by plastic injection has been studied and, more specifically, the development of a strategy to manufacture moulds for microfluidics. The process begins with the production of the negative of some microfluidic channels through 3D printing. Once the channels have been obtained, they are copied in silicone and a selective coating with nickel is carried out, thus obtaining the negative of the channels in the injection mould. Finally, by injection, the mould is replicated to obtain microfluidic channels in plastic parts.
Superficies; Nanoestructuras; Inyección de plástico; Texturizado; Simulación; Hidrofobicidad
66 - Chemical technology. Chemical and related industries
Ciències naturals, químiques, físiques i matemàtiques
ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.
