Preparation of new polymer nanocomposites with potential use in restorative applications for the consolidation of historical wooden works

Resumen

La presente tesis doctoral se centra en la preparación, caracterización y comportamiento de materiales nanocompuestos poliméricos dirigidos a ser utilizados para consolidar y preservar artículos históricos de madera. El objetivo principal de esta tesis es optimizar el uso poli (vinil butiral-co-alcohol vinílico-co-acetato de vinilo) (PVBVA) y algunos nanocomposites basados en este polímero con el fin de mejorar propiedades para uso como consolidante de madera. En primer lugar, se consideraron dos métodos habituales de tratamiento de maderas, utilización de brocha e inmersión, para investigar su particular efecto sobre el comportamiento final del polímero en relación a la consolidación de madera de abeto (Abies alba). Posteriormente se investigó el uso de un aerógrafo a veces denominado hilado por soplado (SBS), como un método novedoso, económico y sencillo para aplicar el consolidantes de base de polimérica sobre madera. El primer objetivo del presente trabajo fue preparar la madera de abeto y modificarla mediante diferentes tratamientos utilizando diferentes sistemas materiales para posteriormente realizar una caracterización profunda en cuanto a propiedades superficiales y mecánicas. Se consideraron dos variables para el tratamiento de la madera: i) la concentración (5% y 10%,% en peso) de las soluciones de PVBVA utilizadas para modificar la madera y ii) el método de aplicación (con brocha e inmersión) de la disolución de polímero. Las propiedades mecánicas de las muestras de madera tratadas y las no tratadas se estudiaron a partir de los resultados obtenidos mediante la realización de ensayos de flexión en tres puntos y, localmente, mediante la medida de dureza Shore D y Dureza Martens (MH). La caracterización de superficies se realizó mediante diferentes técnicas instrumentales, microscopía electrónica de barrido (SEM), tensiometría por medidas del ángulo de contacto con el agua (WCA), espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier mediante reflectancia totalmente atenuada (ATR-FTIR) y perfilometría óptica. La rugosidad superficial que se determinó a partir del análisis de perfiles superficiales obtenidos mediante el uso de un perfilómetro óptico no mostró cambios significativos en la topografía, mostrándose en todos los casos transparentes y lisas. Las mediciones del ángulo de contacto con el agua (WCA) señalan una mayor hidrofobicidad de las superficies de madera cuando se tratan con PVBVA. Las pruebas de MH indicaron que el tratamiento con disoluciones de PVBVA aumentó localmente la dureza de la madera, mejorando cuando se utilizan disoluciones más concentradas. En la segunda parte del proyecto de tesis se investigó el uso de la aerografía (AB) como un nuevo método de tratamiento de maderas para depositar materiales de base polimérica en busca de una mayor eficacia a la hora de conservar objetos de madera históricos. En particular, se estudió el tratamiento con un sistema basado en PVBVA relleno con nanopartículas de TiO2 (0%, 0,6%, 1% y 2% en peso). Imágenes obtenidas con un microscopio electrónico de barrido, SEM, demostraron que el uso de un aerógrafo permite recubrir maderas con películas delgadas, lisas y homogéneas de PVBVA/TiO2 con una excelente dispersión de las nanopartículas de TiO2 en la matriz de PVBVA. Las imágenes topográficas obtenidas por perfilometría óptica mostraron un ligero aumento de la rugosidad superficial con el contenido de nanopartículas de TiO2. Por otro lado, un estudio de absorción de UV-Vis reveló que esos materiales tienen una fuerte tendencia a absorber radiación UV indicando que estos materiales son buenos candidatos para la protección contra la radiación UV, potenciada además con concentración de nanopartículas. Además, la banda prohibida de estos materiales se estrechó cuando se utilizaron recubrimientos de nancomposites rellenos con un 2% de TiO2, lo que puede tener consecuencias en términos de actividad fotocatalítica además del esperado aumento de la capacidad de absorción de UV. Los ensayos de micro-indentación no mostraron cambios significativos en términos de dureza en función del tratamiento superficial. Además, las superficies tratadas con la disolución de polímero con un 2% de nanopartículas de TiO2 presentaron el valor de WCA más alto que se atribuyó a una topografía más heterogénea después de considerar la polaridad extra esperada al añadir nanopartículas de TiO2. El comportamiento térmico de los materiales preparados no parece depender de la concentración de nanopartículas de TiO2. Por último, se investigaron nuevos materiales compuestos poliméricos basados en PVBVA rellenos de partículas de celulosa nanocristalina (NCC) como posibles agentes consolidantes de madera. Utilizando el método AB, las muestras de madera se trataron con sistemas poliméricos con diferentes contenidos de NCC (0%, 0,5%, 1% y 2% en peso). Se estudió el comportamiento de los materiales en cuanto a su capacidad para absorber agua, propiedades mecánicas, degradación y relajación térmicas. Se observó que la absorción de agua disminuye a medida que aumenta la concentración de NCC en la matriz polimérica. Los análisis termogravimétricos mostraron que la estabilidad térmica del PVBVA aumentaba a medida que aumentaba el contenido de relleno de NCC probablemente debido a la existencia de interacciones específicas entre las partículas y las cadenas de polímero. Finalmente se utilizó el mismo argumento para explicar por qué los fenómenos de relajación térmica del PVBVA aparecen a temperaturas más altas cuanto mayor es la cantidad relativa de partículas de NCC.