Superficies antiadherentes en aplicaciones que requieren contacto prolongado con fluidos
El objetivo principal de esta tesis doctoral es diseñar y desarrollar superficies poliméricas que repelan líquidos de diferente naturaleza incluso en condiciones de contacto total y prolongado con el fluido, así como comprender los parámetros estructurales que determinan la antiadherencia superficial. Se persigue idear un método para generar estas superficies que sea fácil, rápido y escalable a nivel industrial. En esta tesis doctoral, se explora la obtención de superficies superhidrófobas, omnífobas y superdeslizantes, recurriendo a la Naturaleza como fuente de inspiración para su diseño.
La antiadherencia asociada a superficies es una característica útil para afrontar retos tecnológicos en multitud de sectores ya que puede proporcionar propiedades tales como la autolimpieza, baja fricción, evitar la corrosión o degradación superficial, la acumulación de hielo, la proliferación de bacterias y el bioensuciamiento en general. El desarrollo de propiedades antiadherentes en una superficie implica la generación de rugosidad en escala micrométrica y la utilización de materiales de baja tensión superficial. Los polímeros se presentan en esta tesis doctoral como materiales cuyas características son favorables para desarrollar metodologías de generación de rugosidad de forma sostenible, versátil y escalable. En esta tesis, se desarrolló un método de generación de rugosidad top-down en dos pasos: hinchamiento-coagulación, que consiste en la inmersión de la película polimérica en un disolvente que hincha el polímero y la consiguiente inmersión en un coagulante que congela el estado hinchado. Se trata de un método fácil, rápido y escalable con el que se obtuvo rugosidad inherente al material. Con el método de generación de rugosidad, se obtuvieron superficies poliméricas estructuradas en la microescala y jerarquizadas en la micro y la nanoescala con propiedades que fueron desde la hidrofobia hasta la superhidrofobia.
Las superficies poliméricas se prepararon a partir de Poli(fluoruro de vinilideno), PVDF, seleccionado por su baja tensión superficial y mezclas de PVDF con Poli(metil metacrilato), PMMA, para disminuir la cristalinidad del PVDF y poder utilizar condiciones más suaves de tiempo y temperatura en el tratamiento de generación de rugosidad.
El método de generación de rugosidad se exploró en dos sistemas hinchamiento-coagulación basados en la pareja de disolventes acetona-etanol y dimetilformamida-etanol. Además, se extrapoló a mezclas PVDF/PMMA con contenido mayoritario de PVDF que fueron desde el 100% PVDF hasta el 60% PVDF. En este estudio se obtuvieron 18 superficies variando la naturaleza química del sustrato, con la utilización de las diferentes mezclas poliméricas, y la estructura rugosa, con la modificación de las condiciones del tratamiento de hinchamiento-coagulación. Con estas superficies, se estudiaron los requerimientos topográficos necesarios para obtener diferentes comportamientos de mojabilidad, evidenciando la necesidad de estructuras jerarquizadas para la obtención de propiedades de superhidrofobia. Además, se demostró la viabilidad de este método con una pieza industrial de PVDF. Estas superficies se utilizaron como sustrato rugoso para la preparación de superficies superdeslizantes, por infiltrado de un lubricante oleoso, y superficies omnífobas, por modificación de la química superficial.
Las superficies con propiedades superhidrófobas, omnífobas y deslizantes se evaluaron para su uso como materiales en dispositivos médicos. Las superficies superdeslizantes resultaron óptimas para el desarrollo de dispositivos médicos donde se evite la adhesión de sangre y consiguiente formación de coágulos, así como la acumulación de bacterias superresistentes.
La antiadherencia de las superficies se estudió en contacto total y prolongado con agua. Por un lado, las propiedades superhidrófobas y omnífobas se evaluaron en inmersión total de la superficie. En inmersión, se origina un plastrón o colchón de aire sobre la superficie que da lugar a un brillo plateado sobre la misma conocido como efecto espejo. Se evaluó la calidad y durabilidad de este espejo y se relacionó con la topografía y la química de la superficie. Las superficies superdeslizantes se estudiaron en inmersión total bajo régimen turbulento evaluando la calidad de la capa lubricante a lo largo del tiempo. Además, se desarrolló un método para aumentar la estabilidad del lubricante en las superficies por entrecruzamiento del mismo. El aumento de la retención del lubricante a través de un diseño óptimo de la superficie y del entrecruzamiento del lubricante resultó ser una estrategia eficaz para ampliar la vida útil de estos sistemas.
Por último, se prepararon superficies con propiedades hidrófobas y superhidrófobas con el polímero Poli(etilentereftalato), PET. El PET es el polímero más utilizado en la industria del envasado. Las propiedades antiadherentes en los envases favorecen la autolimpieza, reduciendo los costes en las etapas previas al reciclado. Para desarrollar las superficies superhidrófobas de PET se elaboró un método de generación de rugosidad por cristalización inducida por disolventes y una modificación superficial posterior con un silano fluorado.
