FRC-Tesis Doctoral Mención Materiales
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Item Fabricación de arrecifes artificiales mediante impresión en 3D empleando morteros sostenibles(2019) Yoris, Adrián Isidro; Positieri, María Josefina; Blanco Fernández, Elena; Raggiotti, Bárbara BelénLa protección y recuperación de ecosistemas terrestres y marinos son temas actuales de vital importancia que conllevan a establecer una serie de medidas ambientales ya sean preventivas o correctivas, tanto a nivel tecnológico como de gestión. En este sentido, la inmersión de arrecifes artificiales (ARs) en el medio marino es una forma de estimular la recuperación de ecosistemas empobrecidos, y la impresión 3D es una herramienta que permite elaborar formas y texturas orgánicas que simulan los entornos naturales. Para ello, es necesario abordar su implementación desde un enfoque multidisciplinar que analice los materiales, los diseños y el proceso de construcción de los ARs para garantizar su efectividad. En esta tesis se presenta el proceso de fabricación de ARs, desde la selección de los materiales hasta la producción de los módulos para ser inmersos en las costas del Atlántico Norte, y así poder analizar su funcionamiento para mejorar la biodiversidad marina. Los ARs se elaboraron mediante impresión 3D empleando una técnica híbrida entre Extruded Material System (EMS) y Powder Based System (PBS). Los diseños propuestos cuentan con una combinación de formas prismáticas y aleatorias, con diferentes voladizos externos, así como agujeros interiores. Los diseños se basaron en criterios ambientales propuestos por biólogos marinos y por criterios tecnológicos definidos en función de las características propias de la impresora 3D. Como “tinta” de impresión se emplearon morteros de cemento con bajo contenido en clínker y morteros de geopolímero. Se estudiaron distintas dosificaciones, incluyendo grandes reemplazos de cemento por adiciones provenientes de residuos industriales, como fly ash (F.A.) y polvo de ladrillos cerámicos rojos, además de áridos reciclados, como arena de conchas marinas (seashells) y arena de vidrio (glass). La composición básica de los geopolímeros fue de F.A., como precursor, e hidróxido sódico (NaOH), como activador. Se elaboraron tanto probetas impresas en 3D como probetas moldeadas para analizar sus características particulares. Se dispusieron distintas condiciones de curado y exposición para analizar la evolución de las resistencias mecánicas y la durabilidad de los distintos morteros. Los estudios incluyeron determinación de las propiedades reológicas para definir la imprimibilidad, determinación del coste de los materiales utilizados, determinación de la resistencia mecánica (flexión y compresión) y receptividad biológica en probetas prismáticas que se sumergieron en el mar durante 24 meses. Para evaluar el impacto medioambiental de los materiales utilizados en la producción de los morteros se realizó un análisis del ciclo de vida (Life Cycle Assessment - LCA). Para elegir los morteros que reunían las mejores propiedades, se realizó un análisis de toma de decisiones con criterios múltiples (Multi-Criteria Decision-Making analysis – MCDM). Los dos morteros con mejor calificación se emplearon para la fabricación de los ARs. También se analizaron las ventajas e inconvenientes del proceso de impresión 3D utilizado, comentando los pasos seguidos para lograr la impresión de los ARs. Los resultados de esta investigación muestran que los morteros de cemento fueron los que mejor prestación tuvieron para ser empleados en impresión 3D, seguidos de los morteros de cemento con polvo cerámico. Los geopolímeros quedaron en último lugar debido a los altos costos de los materiales empleados y a las bajas resistencias logradas. Además, la metodología híbrida empleada fue efectiva para la impresión en 3D de ARs, ya que se logró crear huecos y voladizos, y las piezas fueron reproducciones fieles de los modelos digitales. Después de 2 años de monitorización, los ARs inmersos en el mar mostraron ser efectivos como módulos de recuperación de la biodiversidad en zonas costeras y como atracción de vida marina nueva.Item Desarrollo de nanomateriales con aplicaciones magnéticas(2015) Cuello, Natalia Inés; Eimer, Griselda Alejandra; Oliva, Marcos I.Este trabajo de tesis está orientado al desarrollo de materiales mesoporosos del tipo MCM-41 con propiedades magnéticas para su potencial aplicación en biomedicina. Es sabido que las principales aplicaciones del silicio poroso en este campo se dan en las áreas de administración de fármacos, sustitución ósea e ingeniería de tejido y dispositivos implantables para detección o tratamiento de enfermedades. En particular, es creciente el interés en estos materiales como anfitriones de fármacos para su uso en liberación modificada. Por otro lado, confiriendo propiedades magnéticas a estos sistemas puede lograrse que, mediante la aplicación de un campo magnético externo, se dirija el fármaco solo a las zonas del organismo a tratar evitando efectos secundarios no deseados. Se debe tener en cuenta que dos factores regulan las propiedades magnéticas de un material en la escala nanométrica: el tamaño y los efectos de superficie. Además los materiales utilizados para esta aplicación deben ser biocompatibles, bioreabsorbibles y adsorbentes del fármaco. Debido a esto, silicatos del tipo MCM-41 modificados con metales de transición se han propuesto como sólidos anfitriones de fármacos ya que poseen las propiedades adecuadas. En este sentido, factores como tamaño de poro, superficie específica, morfología de las partículas, modificación de la superficie con distintas especies químicas, etc., afectan directamente tanto a la adsorción como a la liberación del fármaco. Por tanto, el primer paso es diseñar los poros del material, controlando su número, tamaño, forma, distribución, conectividad y la posible funcionalización de su pared, en función del fármaco que se quiere utilizar. En esta tesis se presenta la síntesis y caracterización de materiales nanoestructurados de sílice modificados con metales de transición que les confieren diferentes características magnéticas. Este estudio está motivado por el creciente interés que existe en la miniaturización de sistemas y en el desarrollo de nanoestructuras. Así, se profundizó el conocimiento de sistemas de nanoespecies magnéticas insertas en una matriz de sílice mesoporosa, analizando los efectos de la reducción de su tamaño en función de la carga y el método de síntesis para su posterior aplicación en la adsorción-desorción de fármacos. De esta manera se da lugar a un importante avance en el campo de la nano-medicina y nanotecnología, generando grandes expectativas en cuanto al desarrollo de novedosas aplicaciones para estos nano-materiales.Item Preparación, caracterización y evaluación de materiales mesoporosos para el almacenamiento de hidrógeno(2016) Carraro, Paola María; Oliva, Marcos; Eimer, Griselda AlejandraEn el presente trabajo de Tesis Doctoral, se obtuvieron diferentes materiales mesoporosos para aplicaciones emergentes, dentro de las cuales, el almacenamiento de hidrógeno está teniendo cada vez más relevancia debido a su importancia medioambiental y energética. Se sintetizaron y caracterizaron materiales mesoporosos silíceos del tipo MCM-41 y SBA-15. Diferentes variaciones en las condiciones de síntesis de estos materiales fueron realizadas para modificarlos con níquel, con el objetivo de aumentar la interacción entre el hidrógeno y la superficie de estos sólidos. Por otro lado, se obtuvieron carbones mesoporosos ordenados (OMCs) mediante la técnica denominada nanocasting, la cual permite obtener una réplica negativa de la estructura porosa del “template”, utilizando como plantilla al sólido SBA-15. Estos carbones fueron modificados con níquel por el método de impregnación húmeda. El estudio de las propiedades texturales, estructurales y morfológicas tanto de los soportes como de los materiales dopados con níquel, se llevó a cabo mediante adsorción - desorción de N2 a 77 K, Difracción de Rayos X a bajo ángulo (DRX), Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM), Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier (FT-IR). Las propiedades químicas y superficiales se evaluaron a través de Espectroscopía Ultravioleta-Visible de Reflectancia Difusa (UV-Vis), Espectroscopía de Emisión por Plasma de Acoplamiento Inductivo (ICP-OES), Microsonda Electrónica (EMPA-EDS), Reducción a Temperatura Programada (RTP) y Espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier de Piridina adsorbida (FT-IR-piridina). Los diferentes materiales obtenidos se evaluaron en la adsorción de H2 a baja y alta presión, a 77 K y temperatura ambiente. Los resultados obtenidos se correlacionaron con las propiedades fisicoquímicas de los materiales porosos evaluados, teniendo en cuenta parámetros como superficie específica, volumen de microporos, volumen de mesoporos, distribución de tamaño de poros, ordenamiento de los materiales, distribución y dispersión de los óxidos de níquel entre otros. Por último, se identificaron las propiedades de mayor influencia en la adsorción de H2. Finalmente, a fines comparativos se evaluaron en la adsorción de H2 a 77 K materiales mesoporosos del tipo MCM-41 modificados con diferentes metales por el método de impregnación húmeda, estudiando así la influencia de diferentes metales en la capacidad de almacenamiento de hidrógeno.Item Hormigones con adiciones activas : diseño, optimización y caracterización con criterio de sustentabilidad(2015-03-18) Raggiotti, Bárbara Belén; Positieri, María Josefina; Fernández, Julio DanielHoy, el hormigón es uno de los materiales de construcción más ampliamente utilizados debido a su bajo costo, apropiadas características mecánicas y de durabilidad, así como su versatilidad para adoptar diversas formas y tamaños. Debido a la importancia del uso del hormigón como material de construcción y a su impacto en el ambiente como consumidor de grandes cantidades de recursos naturales y emisor de CO2 en la industria del cemento, es necesario desarrollar desde la ciencia de materiales mezclas que acompañen el crecimiento de la construcción al tiempo que consideren y tomen medidas que cuiden al ambiente; es decir desarrollar materiales energéticamente eficientes. En los últimos años el cuidado del medio ambiente y la reducción de costos de fabricación han sido tema de discusión en la mayoría de las industrias, por lo que en la industria del cemento portland se ha impulsado el uso de materiales suplementarios, naturales, residuales o subproductos que requieran menos energía de producción. En respuesta a esto y considerando los problemas medioambientales se propone en esta tesis investigar sobre hormigones con la incorporación de una zeolita natural como reemplazo parcial en distintos porcentajes del cemento en hormigones estructurales. La zeolita es un mineral disponible en el país, sin investigación previa a nivel local en mezclas cementicias, que tiene en su composición SiO2 y Al2O3 reactivos, lo que ofrece una actividad puzolánica potencial al contribuir a la resistencia del hormigón a través de la reacción con el Ca(OH)2 de la hidratación del cemento; por lo que la reactividad puzolánica de este material resulta muy interesante en el estudio de hormigones sustentables. Se presenta el estudio de la zeolita, su caracterización, su dosificación en las mezclas, los resultados de resistencia mecánica y de durabilidad de los hormigones, su discusión y conclusión. Se trabajó con dos tipos de cementos para evaluar su influencia y el porcentaje de zeolita de reemplazo en peso del cemento utilizado. En virtud de lo investigado, es posible incorporar zeolita natural como un nuevo material en la tecnología del hormigón, con el objeto de mejorar propiedades mecánicas y de durabilidad y como contribución al cuidado del medio ambiente y a la reducción de costos en la fabricación de hormigones debido a la factibilidad del menor consumo de cemento.