Post on 04-May-2020
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE
INGENIERÍA (ICAI)
Grado en Ingeniería ElectroMecánica
Especialidad en Mecánica
Director: Joaquín Darío Tutor
Sánchez
Autor: Pablo Bullido Alonso
Madrid
CONSTRUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE
CONDENSADORES FLEXIBLES EN BASE A
NANOPARTÍCULAS METÁLICAS
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE
INGENIERÍA (ICAI)
Grado en Ingeniería ElectroMecánica
Especialidad en Mecánica
Director: Joaquín Darío Tutor
Sánchez
Autor: Pablo Bullido Alonso
Madrid
CONSTRUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE
CONDENSADORES FLEXIBLES EN BASE A
NANOPARTÍCULAS METÁLICAS
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
CONSTRUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE CONDENSADORES
FLEXIBLES EN BASE A NANOPARTÍCULAS METÁLICAS
Autor: Bullido Alonso Pablo
Director: Joaquín Darío Tutor Sánchez
Entidad colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas
Resumen de proyecto
Objetivo del proyecto
El objetivo de este proyecto de fin de grado, es la fabricación y caracterización de
condensadores flexibles en base a nanopartículas metálicas. Para ello deben fabricarse
muestras de conductores flexibles ya que serán las utilizadas como electrodos. Estos
conductores flexibles son materiales compuestos de un material base poroso con
nanopartículas metálicas adheridas a sus fibras, que mejoran las propiedades de
conductividad térmica y eléctrica manteniendo su flexibilidad.
Síntesis de las dispersiones coloidales de nanopartículas
Para comenzar el proyecto es necesaria la síntesis de las dispersiones coloidales de
nanopartículas. En este proyecto, se sintetizarán nanopartículas y nanocables de plata en
dispersión en medios líquidos. Para caracterizar las nanopartículas presentes en las
dispersiones coloidales se realiza un ensayo en el espectrofotómetro mediante el que se
obtiene el espectro de absorción de las tintas frente a la longitud de onda. Debido al efecto
plasmónico de superficie, las nanopartículas presentes provocan que cada uno de los
espectros tenga un pico de absorción que es característico de cada tipo de nanopartículas y
que está relacionado con su tamaño. Los resultados de este ensayo revelaron un tamaño
óptimo de las nanopartículas de plata, sin embargo, en la dispersión coloidal de nanocables
el pico de absorción se encontraba fuera del rango del equipo, por encima de una longitud
de onda de 900 nanómetros, lo que indica un tamaño excesivo de los nanocables. Este
tamaño excesivo provoca un descenso de las propiedades de los nanocables en cuanto a
conductividad eléctrica y térmica.
Elección de los materiales base
El siguiente paso del proyecto consiste en las selección de los materiales base,
aquellos materiales que se van a cargar de nanopartículas. En el estado del arte del proyecto
se repasan artículos publicados en los que el papel policeluloso es un medio muy utilizado
para la construcción de conductores flexibles. Por ese motivo, se seleccionan tres tipos
distintos de papel policeluloso: dos tipos de papel para la pintura al agua (papel I y papel
II), y un papel policeluloso con 50% de algodón. Además de estos materiales, se
seleccionan también dos tipos de textiles, uno de sagra y otro de lana animal, y espuma
EVA (etilen-vinil acetato), que es una espuma porosa utilizada para manualidades. De estos
candidatos iniciales se descartan los dos papeles de pintura al agua, ya que las
nanopartículas únicamente se adhieren a estos en una de las caras, y la espuma EVA, que
se deteriora debido a las temperaturas alcanzadas en el proceso de fabricación.
Fabricación y caracterización de los conductores flexibles
La fabricación de los conductores flexibles se lleva a cabo mediante un proceso de
inmersión de las muestras de los materiales base en las dispersiones coloidales de
nanopartículas. Para cada muestra se realizan diez inmersiones en la dispersión. El la
temperatura del proceso de secado depende de la dispersión en la que se haya realizado la
inmersión (100ºC para las nanopartículas y 150ºC para los nanocables), y se realiza al vacío
para aumentar la adhesión de nanopartículas a las fibras del material.
Una vez fabricadas las muestras de conductores flexibles, tiene lugar la
caracterización de sus propiedades. Esta caracterización consiste en la medida de sus
propiedades de conductividad eléctrica, térmica, masa final en comparación con la inicial,
y en una caracterización óptica de las muestras en el microscopio.
Los ensayos de conductividad eléctrica han concluido que el conductor flexible
fabricado más apropiado para la construcción del condensador es el material compuesto
por textil de sarga cargado con nanocables de plata. La conductividad media de este
material ha resultado 136 S/m, un valor que está aún por debajo de la conductividad
eléctrica en conductores habituales.
En cuanto a los ensayos de conductividad térmica, los valores generales obtenidos
son menores que la conductividad de oros materiales conductores del calor. A pesar de
esto, el incremento de conductividad de los conductores flexibles respecto al de los
materiales base es muy apreciable.
La evolución de la masa de las muestras y la caracterización óptica han respaldado
los resultados obtenidos en los ensayos de conductividad térmica y eléctrica. Los materiales
que han tenido mejores resultados en estos ensayos son aquellos en los que se puede
apreciar cualitativamente una mayor carga de nanopartículas.
Fabricación y caracterización del condensador flexible
Una vez llevada a cabo la caracterización de propiedades de los materiales flexibles,
la siguiente tarea en el proyecto es la fabricación del condensador. La configuración elegida
para éste es la de condensador plano de placas paralelas. La caracterización del
condensador se lleva a cabo en un medidor de impedancias analizando su estabilidad en
frecuencia, obteniéndose un modelo de condensador con una resistencia en serie para
aproximar más a la realidad que con un condensador ideal. El condensador fabricado con
conductores flexibles ha resultado muy estable en frecuencia, llegando incluso a
incrementarse su capacidad con ésta, si bien los valores de capacidad son bajos (valores en
orden de pF). Este ensayo de estabilidad en frecuencia se ha llevado a cabo también para
un condensador electrolítico comercial, con el objetivo de obtener valores para la
comparación. En este caso el condensador ha demostrado tener un rango de frecuencias de
operación mucho más reducido que el condensador flexible.
Conclusiones
Por tanto, del proyecto realizado se obtiene la conclusión de que el condensador
final tiene propiedades muy interesantes, como su flexibilidad, su masa reducida y su
estabilidad en frecuencia. A pesar de esto, conviene profundizar en la investigación de la
síntesis de las nanopartículas en dispersión en medios líquidos, y en el método de
fabricación de conductores flexibles, con el objetivo de mejorar la capacidad final del
condensador flexible, a la vez de mantener los resultados de estabilidad obtenidos en este
proyecto.
MANUFACTURE AND CHARACTERIZATION OF FLEXIBLE CAPACITORS
BASED IN METALLIC NANOPARTICLES
Author: Bullido Alonso Pablo
Director: Joaquín Darío Tutor Sánchez
Collaborating entity: ICAI – Universidad Pontificia Comillas
Abstract
Objective of the project
The objective of this project is the manufacture and characterization of flexible
capacitors based on metallic nanoparticles. In order to do so, samples of flexible conductors
must be manufactured to use them as electrodes. These flexible conductors are flexible
nanocomposites made of metallic nanoparticles adhered to fibers, that improve their thermal
and electrical conductivity, maintaining the flexibility of a matrix of porous material.
Synthesis of colloidal dispersions of nanoparticles
For the first step of this project, colloidal dispersions of nanoparticles must be
synthetized. On this project, silver nanoparticles (Ag NPs) and nanowires (Ag NWs) will be
synthetized on a liquid solution. To characterize nanoparticles present in the colloidal
dispersions, we will use a spectrophotometer to obtain the absorption specter of such inks with
the wavelength. Due to the surface plasmonic effect, the nanoparticles cause each of the specter
to have a spike in absorption dependent on the kind of nanoparticle, and related to its size. The
results revealed an optimal Ag NPs size, yet, the spike in absorption of our colloidal dispersion
of nanowires was out of range of the measuring equipment, with a wavelength greater than 900
nanometers, which indicates an excessive size of the Ag NWs. This size causes a decrease of
the properties of the nanowires regarding electrical and thermal conductivity.
Selection of matrix materials
For the next step, we selected the matrix materials, those that would later be
impregnated with nanoparticles. The state of the art of this proyect reviews some publications
which show the policellulose paper is a very common matrix material for flexible conductor
manufacturing. Thus, three kinds of policellulose paper were selected: two kinds for water-
based painting (papers I and II) and a policellulose paper which was 50% cotton. In addition
to these materials, we selected two fabrics (serge and wool), and EVA (ethylene-vinyl acetate)
foam. Several of these initial candidates were discarded for various reasons: both policellulose
papers for water based painting because the nanoparticles only adhered to one side of the paper,
and the EVA foam failed to endure temperatures reached on the manufacture process.
Manufacture and characterization of the flexible conductors
The manufacture of the flexible conductors is made by a process of dipping of the
samples of matrix materials in the colloidal dispersions of nanoparticles. Each sample is dipped
in the metallic ink 10 time. After each dip, the samples are dried in a vacuum oven, at a
temperature which depend on the kind of metallic ink (100º C for the NPs and 150º for the
NWs). The reason for the drying process to be at vacuum pressure is to increase the adherence
of the nanoparticles to the material fibers.
Once the samples of flexible conductors have been manufactured, the next step is to
characterize its properties. The characterization consist in the measurement of their thermal
and electrical conductivity, the comparison between the original and the final mass of the
samples, and an optical characterization made with the microscope.
The electric conductivity test has determined that the sample of flexible conductor most
appropriate for the manufacture of the capacitor is the nanocomposite made of serge fabric and
Ag NWs. The mean conductivity of this material has result 136 S/m, yet this value is still far
from the conductivity of more extended materials used as conductors.
Regarding the thermal conductivity test, the general values that have resulted are
smaller than the values of conductivity of extended thermal conductors. Nevertheless, the
increment of conductivity of the flexible conductors compared to the matrix materials is very
noticeable.
The development of the mass of the samples and the optic characterization have
supported the results obtained in the electric and thermal conductivity tests. Those materials
that have obtained better results in those tests, are those in which a larger amount of
nanoparticles can be noticed.
Manufacture and characterization of the flexible capacitor
Once the manufacture and characterization of the flexible conductors have been
fulfilled, the following step of the project is the manufacture of the capacitor. The geometrical
configuration of the capacitor that has been selected is the parallel plate capacitor. The
characterization of the capacitor is performed by an impedance measurement device, which
analyzes its frequency stability, by obtaining an equivalent model of a resistance in series with
a capacitor, which enable us to characterize the capacitor under realistic conditions. The
flexible capacitor of Ag NWs has resulted to be very stable in frequency, even increasing its
capacity with this magnitude, while it is true that the values of capacity are still low (values in
pF). This frequency stability test has also been performed in a commercial electrolytic
capacitor, in order to obtain values to compare the two capacitors. The electrolytic capacitor
has proved to have a narrower range of frequencies in which it can operate than the NWs
capacitor.
Conclusions
In conclusion, the results obtained in this project have determined that the final
capacitor has very interesting properties, such as its flexibility, reduced mass and its frequency
stability. Despite this, it is convenient to deepen in the investigation of the synthesis of
nanoparticles in liquid dispersions, and in the manufacturing method for the flexible
conductors, in order to improve the final capacity of the flexible capacitor, while maintaining
the results obtained in this project regarding its frequency stability
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Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
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Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
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condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
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Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Tabla de contenido
I.- Fundamentación ....................................................................................................................................... 8
1.1 Estado del arte ................................................................................................................................... 10
1.1.1.- Nanopartículas utilizadas en la construcción de conductores flexibles ................................... 11
1.1.2 Tintas conductoras ..................................................................................................................... 20
1.1.3 Conductores flexibles ................................................................................................................. 23
1.2 Objetivos del proyecto ...................................................................................................................... 28
1.3 Tareas propuestas .............................................................................................................................. 30
1.4 Organización del proyecto ................................................................................................................ 32
II.- Desarrollo del proyecto ......................................................................................................................... 34
2.1 Fabricación de los conductores flexibles .......................................................................................... 36
2.1.1 Tintas conductoras ..................................................................................................................... 36
2.1.2 Materiales base ........................................................................................................................... 42
2.1.3 Fabricación de los conductores flexibles ................................................................................... 45
2.1.4 Caracterización de los conductores flexibles ............................................................................. 48
2.1.5 Discusión de los resultados ........................................................................................................ 60
2.2 Fabricación de los condensadores ..................................................................................................... 66
2.2.1 Características básicas de los condensadores ........................................................................... 67
2.2.1 Construcción del condensador ................................................................................................... 69
2.2.2 Caracterización del condensador ............................................................................................... 72
2.2.3 Discusión de resultados .............................................................................................................. 82
III.- Estudio Económico .......................................................................................................................... 84
3.1 Definición del proceso de fabricación .............................................................................................. 84
3.2 Coste de material .............................................................................................................................. 85
3.3 Coste de proceso .............................................................................................................................. 87
3.4 Presupuesto total .............................................................................................................................. 89
IV.- Conclusiones ....................................................................................................................................... 90
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Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
V.- Recomendaciones ................................................................................................................................. 92
Bibliografía ................................................................................................................................................. 94
Anexo A: Espectros de absorción de las soluciones coloidales .................................................................. 98
Nanopartículas de plata ........................................................................................................................... 98
Nanocables de plata .............................................................................................................................. 100
Anexo B: Ensayo de conductividad térmica ............................................................................................. 106
Anexo C: Ensayo de conductividad eléctrica ........................................................................................... 108
Anexo D: Caracterización del condensador .............................................................................................. 110
Condensador flexible de nanocables de plata ....................................................................................... 110
Condensador electrolítico comercial ..................................................................................................... 114
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Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
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Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
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Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
I.- Fundamentación
Las nanopartículas metálicas se usan en la actualidad en una gran variedad de aplicaciones
tecnológicas y en muchos productos de consumo. Sus propiedades ópticas, conductoras, tanto
eléctricas como térmicas, así como su esterilidad antibacteriana han hecho de ellas una decisión
común para muchas aplicaciones. Algunos ejemplos son: las dispersiones de nanopartículas en
base acuosa, que se traduce en tintas conductoras, el uso de las nanopartículas de plata como
sensores biológicos para el diagnóstico de muchas enfermedades, o refuerzos para materiales
compuestos, que mejoran sus propiedades de conductividad térmica y eléctrica.
La motivación existente para realizar en este proyecto consiste precisamente en usar las
nanopartículas como refuerzo de una matriz para obtener una mejora de su conductividad y, a su
vez, mantener las propiedades mecánicas de esta. Una vez cargado el material base de
nanopartículas se usara como electrodo en la construcción de un condensador flexible, un elemento
básico en la fabricación de baterías y en muchos dispositivos electrónicos con propiedades
novedosas para mejorar su funcionamiento.
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Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
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Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
1.1 Estado del arte
En la investigación actual sobre los materiales y sus propiedades cobran especial
importancia la nanotecnología y los procesos de síntesis de nanopartículas. La fabricación
de materiales compuestos basados en matrices con nanopartículas en dispersión permite la
obtención de propiedades específicas para diseños concretos de uso. De esta forma,
introduciendo nanopartículas conductoras en una matriz dieléctrica se pueden obtener un
material compuesto con propiedades mecánicas similares a las de la matriz, como la
flexibilidad, y con capacidad mejorada de conducción tanto eléctrica como térmicamente.
La relación de este campo de investigación con este proyecto reside en el objetivo de
construir conductores flexibles que sirvan como electrodos en la fabricación de un
condensador.
Este campo deja por tanto abierta la posibilidad de dos grandes áreas para la
investigación tecnológica: por un lado la síntesis de nanopartículas y la caracterización de
sus propiedades, y por otro la investigación sobre los materiales base en los que se van a
introducir.
Desde el punto de vista más ingenieril las propiedades que se buscan en este
proyecto son aquellas que permitan un diseño lo más óptimo posible para un condensador,
que es el objetivo principal del proyecto. Por ese motivo, se eligen como matriz aquellos
materiales que tengan una masa recudida y alta flexibilidad, así como la porosidad
suficiente como para poder absorber una gran cantidad de nanopartículas. Paralelamente,
se deben investigar varios tipos de nanopartículas para conseguir alta conducción eléctrica
y térmica, con el objetivo de minimizar las perdidas en el condensador, pero a su vez sin
afectar negativamente a las propiedades mecánicas de la matriz.
La fabricación de los electrodos del condensador se pretende realizar mediante la
inmersión de los materiales en una dispersión liquida de nanopartículas, nombrada en
anteriores investigaciones (1), (2) como tinta conductora.
Por estos motivos, el estado del arte trata sobre varios campos de investigación. Las
propiedades y los métodos de obtención de las nanopartículas, los estudios realizados sobre
las dispersiones de nanopartículas o tintas conductoras, y por último el uso de estas para la
construcción de dispositivos almacenadores de energía mediante el proceso de mojado de
papeles, es decir, para la construcción de condensadores flexibles.
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Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
1.1.1.- Nanopartículas utilizadas en la construcción de conductores flexibles
En el campo de investigación de los materiales compuestos que se utilizan
para la fabricación de conductores flexibles es común el uso de las nanopartículas
de carbono (1) (nanotubos y grafeno) y las nanopartículas de plata (nanopartículas
y nanocables). Por este motivo, está justificado realizar un resumen sobre las
propiedades de estas nanopartículas, ya que se trata precisamente de estas
propiedades las que se pretenden obtener en el conductor flexible, así como de los
métodos más actuales para su obtención.
Por lo tanto, en este apartado se analizarán diversas tecnologías actuales
para la síntesis y la caracterización de nanopartículas de uso más común en la
fabricación de los conductores flexibles.
1.1.1.1.-Nanotubos de carbono (CNT)
La investigación de los nanotubos de carbono es muy extensa, ya que
las propiedades mecánicas, químicas y eléctricas de este tipo de nano
partícula lo han convertido en sujeto de muchos estudios. Se pueden
distinguir dos tipos de CNTs, (3) los de pared simple (Ilustración 1) single-
wall carbon nanotube (SWCNT) y los de pared multiple (Ilustración 2),
multi-wall carbon nanotube (MWCNT).
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Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Ilustración 1: Nanotubo de carbono de pared simple (4)
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Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Ilustración 2: Nanotubo de carbono de pare múltiple (5)
Formalmente se distinguen porque los SWCNTs (Ilustración 1) su forma
asemeja a la de una lámina de grafeno curvada y cerrada, mientras que los de pared
múltiple (Ilustración 2) contienen varias unidades de pared simple de forma
concéntrica.
Los CNTs se fabrican de forma habitual formando agregaciones de diferente
diámetro, de manera que presentan diferencias entre sí en sus dimensiones (longitud
y diámetro). Es también común que los CNTs presenten defectos tanto en los
extremos como en la pared lateral.
En cuanto a dispersión, no suelen ser dispersables en disolventes orgánicos
habituales, aunque en la técnica se han conseguido dispersiones en medios polares
como N,N-dimetilformamida (DMF), N-metilpirrolidina y hexametilfosforamida
(HMPA).
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Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Para la sintetización de nanotubos de carbono existen en la actualidad
diversas tecnologías. Ejemplos de estas metodologías son: la descarga por arco
eléctrico en ausencia o presencia de metal, la pirolisis de hidrocarburos sobre un
catalizador, vaporización por láser de materiales compuestos grafito-metal,
electrolisis de sales metálicas con electrodo de grafito.
En la síntesis de CNT así como en el resto de nanopartículas es primordial
la reducción de costes, debido a que suelen tener altas perspectivas de su uso
potencial. También es importante su capacidad de dispersión en agua debido a sus
aplicaciones en el campo de la medicina.
Con el fin de cumplir estas expectativas, en un estudio llevado a cabo por
departamento de química del Indian Institute of Technology (6), se ha diseñado un
método sencillo en la actualidad basado en la combustión de aceites vegetales para
la obtención de CNTs que pueden ser dispersados en agua. Por la combustión se
obtiene un hollín de carbono conocido como “kaajal” cuya síntesis es conocida
desde la antigüedad y se menciona incluso en textos épicos de la literatura hindú
como Ramayana o Mahabharata. Tras someter al “kaajal” a un tratamiento de
oxidación se consiguió la síntesis de CNT en dispersión en agua.
1.1.1.2 Grafeno
En el estudio de los nuevos materiales, el grafeno ha sido probablemente el
principal objeto de investigación de la comunidad científica. Esto se debe a que sus
propiedades le otorgan un gran potencial para futuras aplicaciones tecnológicas,
pero, principalmente, por su estructura.
El grafeno (3) es el primer material de estructura bidimensional de un átomo
de espesor (Ilustración 3). Lo que contradice la investigación de Landau y Peierls
en la que argumentaban que los cristales bidimensionales eran termodinámicamente
inestables, aunque estas investigaciones se trataba de modelos puramente teóricos
por la imposibilidad de que un material sea estrictamente bidimensional. Esto se
debe a que una contribución divergente de fluctuaciones térmicas en estructuras
cristalinas de baja dimensión conduciría a unos desplazamientos atómicos
comparables a las distancias interatómicas a cualquier temperatura finita. Por este
15
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
motivo, se creía que los materiales 2D solo podían existir como una parte de las
estructuras tridimensionales.
Este ha sido en gran factor que ha convertido al grafeno en un material tan
estudiado, ya que los cristales bidimensionales se han probado no solo posibles sino
existentes.
Ilustración 3: Grafeno (5)
Precisamente por la gran innovación científica que ha supuesto el
descubrimiento de este material la comunidad científica trabaja en la actualidad en
métodos de sintetización del grafeno. A pesar de que se dispone de varios métodos
para la obtención de grafeno, existen dificultades en la obtención de muestras
homogéneas, ya que estos métodos son difíciles de controlar. Sin embargo, existe
un método de obtención de grafeno (3) mediante la apertura controlada de
nanotubos de pared múltiple (Ilustración 4) que ha sido descrito por dos grupos de
investigación distintos. Con este método es posible la obtención de nanocintas de
grafeno.
16
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Ilustración 4: Nanocinta de carbono obtenida a partir de CNTs (3)
En una de las descripciones del método llevada a cabo por el grupo de
investigación americano Tour (3)., una suspensión de MWCNTs en ácido sulfúrico
es sometida a un tratamiento oxidante con permanganato de potasio KMnO4. En
grafeno en forma de nanocintas es soluble en agua y en otros disolventes polares.
El mecanismo propuesto para la apertura de los nanotubos se realiza a modo de
cremallera. Comienza con la formación de un éster de manganato por adición a un
doble enlace de la pared del nanotubo. La posterior oxidación estaría facilitada por
el medio deshidratante que llevaría a la formación de un defecto de dicetona con
dobles enlaces adyacentes, más reactivos, que dirigirían el siguiente ataque,
favorecido por aspectos de tipo estérico. El proceso continuaría hasta la apertura
total del nanotubo, generando así la nanocinta de grafeno.
En los nanotubos de pared sencilla la realización de este proceso ha
resultado ser más complicada.
Un método muy actual de obtención de grafeno es el crecimiento epitaxial
de grafeno sobre diferentes sustratos metálicos (Ilustración 5) cuya estructura
geométrica y electrónica puede ser estudiada mediante microscopia de efecto túnel
(STM) (3).
De hecho, en la actualidad la investigación de la adsorción de moléculas
orgánicas sobre superficies cristalinas bien definidas en condiciones de ultra-alto
vacío es un campo creciente en importancia. Las moléculas orgánicas depositadas
sobre superficies metálicas a menudo modifican sus características geométricas y
electrónicas debido a las interacciones con el sustrato y viceversa.
17
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Ilustración 5: deposición de materia orgánica sobre grafeno (3)
1.1.1.3 Nanopartículas de Plata
La investigación sobre las nanopartículas de plata (Ilustración 6) se ha
convertido en un foco para la nanotecnología debido a sus propiedades ópticas,
eléctricas y térmicas. Estas propiedades han hecho que las nanopartículas de plata
se hayan incorporado a campos de la técnica como la producción de energía
fotovoltaica o el campo de la ingeniería biomédica, en el que se utilizan como
sensores biológicos y químicos.
Algunos ejemplos de las aplicaciones de las nanopartículas de plata son las
tintas conductoras pastas o rellenos en las que las propiedades de alta conductividad
eléctrica, estabilidad o bajas temperaturas de sintetización tienen una gran
importancia. Se utilizan también para llevar a cabo diagnósticos moleculares o
dispositivos fotónicos, debido a sus propiedades ópticas. Otra aplicación cuya
importancia está aumentando es la protección contra microbios, que se utiliza en
textiles, teclados o algunos tipos de vendajes o dispositivos biomédicos que
18
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
contienen nanopartículas de plata. Esto es debido a continua liberación de iones de
plata que proporciona protección antibacteriana.
Con el objetivo de optimizar el rendimiento de las AgNP en sus distintas
aplicaciones, es vital alcanzar un entendimiento sobre su forma, estado de
agregación tamaño y superficie.
Las propiedades ópticas de las nanopartículas de plata hacen de estas un
tipo de nanopartícula muy eficiente en la absorción y dispersión de la luz. Además,
a diferencia de tintes o pigmentos, su color depende del tamaño y forma de las
nanopartículas (7). La conducción de electrones en la superficie del metal
experimenta una oscilación colectiva cuando es excitada por la luz con
determinadas longitudes de onda, lo que ocasiona una fuerte interacción entre las
AgNP y la luz. Este efecto se conoce como resonancia de plasmon de superficie,
surface plasmon resonance (SPR), y resulta en unas propiedades únicas de
absorción y dispersión de la luz.
Por ser una tecnología tan demandada existen muchos métodos distintos
para la obtención de AgNPs, sin embargo en este proyecto centraremos la atención
en un método cuyas bajas temperaturas de sintetización lo convierten en óptimo
para el estudio.
Las nanopartículas de plata pueden ser obtenidas mediante la reducción de
iones de plata mediante etanol a unas temperaturas desde 80 a 100ºC en condiciones
atmosféricas (8).
Ilustración 6: Nanopartículas de plata (7)
19
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
1.1.1.4 Nanocables de Plata
Los nanocables (Ilustración 7) son un tipo de nanopartícula de plata
cuyas propiedades hacen que sean adecuados para diversas aplicaciones de
actualidad. Se distinguen morfológicamente porque su forma asemeja a la
de un cilindro, mientras que las nanopartículas de plata tienen forma esférica
. Algunas de estas aplicaciones son recubrimientos conductores, antenas
plasmónicas, sensores moleculares o componente de nanocomposites.
Las investigaciones más recientes para los nanocables de plata es la
sustitución de los materiales como el óxido de indio y el estaño en la
fabricación de las pantallas táctiles.
Los nanocables de plata integrados en un polímero flexible (9) se
plantean como un sustitutivo de otros materiales como el óxido de indio
(muy utilizado en la construcción de pantallas táctiles) debido a sus
propiedades de transparencia óptica y elevada conductividad eléctrica. Sin
embargo, la investigación en este campo se encuentra en estado
embrionario.
Ilustración 7: Nanocables de plata (9)
20
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Uno de los factores que podrían confirmar este uso de los nanocables
de plata es la capacidad para soportar cargas cíclicas, así como la fatiga
provocada por el contacto que sufren las pantallas táctiles.
La Escuela de ingeniería de McCormick de la Universidad de
Northwestern lidera la investigación (9) es este campo. Algunos de sus
resultados más llamativos han sido la capacidad de “curación” que tenían
las deformaciones aparentemente permanentes, en el momento en el que
cesaba la causa del estrés. Para llegar a este resultado, el equipo de
investigación sometió nanocables a tensiones variables observándolos
mediante el microscopio electrónico.
1.1.2 Tintas conductoras
En el anterior apartado se han analizado las nanopartículas más comunes
utilizadas en la investigación sobre los conductores flexibles. El método más
frecuente para la construcción de estos conductores consiste cargar un material base
de estas nanopartículas mediante un proceso de mojado en dispersiones acuosas de
estas. Por lo tanto, en este apartado se pretende hacer un resumen sobre el estado
de la investigación de estas dispersiones de nanopartículas, conocidas también
como tintas conductoras. Para este apartado dividiremos entre un barrido sobre la
investigación sobre las tintas de CNTs y otro para las tintas de nanopartículas de
plata.
1.1.2.1 Tintas de nanotubos de carbono
La investigación actual está muy volcada en los procesos de síntesis
de nanopartículas en dispersión en medios líquidos (10) (1), es decir, en la
síntesis de tintas conductoras. Uno de los ejemplos más actuales es la
dispersión de nanotubos de carbono. El principal problema para la síntesis
de dispersiones de nanotubos de carbono proviene del requerimiento de
estas tintas de nanotubos dispersados individualmente (SWNT), y de la
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Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
dificultad que eso conlleva, debido a que los nanotubos de carbono tienen
tendencia a agregarse formando nanotubos de pared múltiple.
A pasar de esta tendencia, existen diversas metodologías que
permiten la obtención de una dispersión de nanotubos de pared simple.
Generalmente estas metodologías se basan en la funcionalización química
covalente de las paredes laterales de los nanotubos, y en la escisión de estos
mediante laminado mecánico.
Un factor muy importante es también el medio en el que se pretende
realizar la dispersión. Dicho medio (2) debe empapar la superficie
hidrofóbica de los nanotubos y a la vez reducir las interacciones entre los
estos. Se han identificado ciertos surfactantes y polímeros, como el PVP,
que resultan adecuados para estas funciones. Por este motivo, existen
métodos para obtener dispersiones en soluciones de alta concentración de
surfactantes y en soluciones súper-ácidas. Esas soluciones empapan la pared
del tubo y la cargan con moléculas de surfactante o mediante la protonación
en las soluciones súper-ácidas.
Los principales problemas de estos métodos son, por un lado, que
pueden dañar la estructura de los nanotubos, y también que los nanotubos
tratados únicamente pueden dispersarse en medios acuosos o en orgánicos
de forma excluyente.
Debido a estos problemas, este campo de investigación busca
tratamientos para las nanopartículas que las protejan de la degradación del
medio de la dispersión, o bien medios que no resulten dañinos para los
CNTs.
Existen varios ejemplos de estas investigaciones, como las
dispersiones de nanotubos en anilina (10), para las que se han utilizado
distintos tipos de nanotubos: los nanotubos de pared simple obtenidos por
crecimiento con láser, nanotubos de pared simple HiPCO (descomposición
a alta presión de CO gas) y nanotubos de pared múltiple.
1.1.2.2 Tintas de nanopartículas de plata
22
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Las nanopartículas de plata suponen un reto menor que los
nanotubos en cuanto a la obtención de dispersiones de estas. Esto se debe a
la existencia de métodos simples que permiten la reducción de iones de plata
mediante etanol, que a su vez es dispersado en cloroformo (8). Este proceso
se lleva a cabo a temperaturas desde los 80ºC hasta los 100ºC en condiciones
atmosféricas, por lo que este proceso químico resulta simple, barato y
fácilmente realizable.
En este proceso de síntesis (8) 10 ml se solución acuosa que contiene
nitrato de plata (0.3g de AgNO3), 1g de linoleato de sodio, 5ml de etanol y
1ml de ácido linoleico se mezclan en un tubo autoclave en agitación. El
sistema es sellado y tratado a una temperatura desde 80º hasta 100ºC durante
5 horas. Junto al proceso de reducción generado el ácido linoleico es
absorbido en la superficie de los nano cristales del metal noble con las
cadenas de alquilo por fuera, a través de la cuales el nano cristal producido
obtendrá superficies hidrofóbicas.
Mediante este proceso se obtiene una dispersión coloidal de
nanopartículas de plata como se demuestra en la prueba de
espectrofotometría (Ilustración 8), en el que se puede ver el pico plasmónico
de resonancia.
Ilustración 8: Espectro de absorción de nanopartículas de plata (8)
23
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
1.1.3 Conductores flexibles
Se ha realizado ya un repaso sobre los tipos de nanopartículas más utilizadas
en la fabricación de las tintas conductoras, y también sobre la fabricación concreta
de estas. En este apartado se pretende ahondar en las técnicas existentes para la
fabricación de conductores flexibles, y en los resultados obtenidos por estas
investigaciones, en cuanto a las propiedades eléctricas de los conductores y los
dispositivos construidos con estos.
Como se ha introducido, la fabricación de los conductores flexibles se lleva
a cabo mediante la inmersión de un material base en la tinta conductora. El material
se impregna así de las nanopartículas en dispersión y adquiere sus propiedades de
conductividad eléctrica. Para obtener la propiedad de flexibilidad, se elige un
material base flexible. Por lo tanto las dos propiedades que se exigen al material
base son su flexibilidad y su porosidad, con el objetivo de que se cargue de
nanopartículas en la mayor medida posible. Además de estas propiedades, se busca
un material base que no se deteriore durante el proceso de fabricación. Este
deterioro de los materiales puede darse en el secado posterior a la inmersión en la
tinta, al que se somete al material compuesto.
El material base más frecuentemente elegido para la construcción de
materiales flexibles es el papel policeluloso. El papel cumple con los requisitos de
flexibilidad y porosidad, así como la conductividad térmica suficiente como para
no deteriorarse durante el secado. Otros materiales base que se han utilizado para
la construcción de estos conductores son vidrios o polímeros como el PET.
Sin embargo el papel tiene otras ventajas frente al resto de materiales base
que se utilizan en la construcción de conductores flexibles (1). Al impregnar el
papel de tinta conductora de CNTs mediante el simple método del cordón Meyer
(ilustraciones 9A y 9B), este se convierte en altamente conductor con una
resistencia de tan solo 10 Ω/sq, una cifra menor que en otros materiales base. El
recubrimiento de CNTs en las fibras del papel se muestra en las ilustraciones 9C y
9D. En el caso de una tinta de nanocables de plata, el recubrimiento se muestra en
la ilustración 9E.
24
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
La ilustración 9F muestra una gráfica de la resistencia eléctrica frente al
grosor efectivo de la película de nanopartículas, en un caso CNTs y en otro de Ag
NWs.
Ilustración 9: Recubrimiento de CNTs sobre papel comercial (1)
Debido a la facilidad que tiene el papel para absorber disolventes y para que
los CNTs se adhieran a él, la fabricación de conductores flexibles de papel es mucho
más simple que la de conductores de otras sustancias, como vidrios o polímeros.
En primer lugar, debido a que la reología de la tinta no resulta un factor estricto en
el papel. Sin embargo, en vidrios y polímeros, la energía superficial de la tinta debe
coincidir con la del material base, y la viscosidad debe ser suficientemente alta para
evitar efectos provocados por la tensión superficial. Por este motivo, cuando se
eligen materiales base distintos al papel, se deben añadir aditivos a las tintas para
adaptar sus propiedades reológicas, que reducen la conductividad final del material.
25
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Además, el papel no requiere de procesos de lavado surfactante para conseguir una
alta conductividad, lo que si en necesario en otros materiales base.
El papel conductor tiene también excelentes propiedades mecánicas. El
papel cargado con CNTs de grosor desde 100nm hasta 5µm puede doblarse con un
radio de 2mm, sin sufrir cambios en su conductividad. Los ensayos de fatiga revelan
que puede doblarse con un radio de 2 mm 100 veces con un decremento de su
resistencia menor del 5%. Esto se debe a la gran adhesión de los CNTs con las
fibras del papel, y a la morfología porosa de éste, que son capaces de relajar el
esfuerzo de flexión.
Debido a las propiedades expuestas, unidas a su gran área superficial, el
papel conductor ha sido utilizado en la construcción de condensadores flexibles.
Existe otra ventaja del papel para esta aplicación, ya que el papel cargado de
nanopartículas hace la función de electrodo, y otro papel sin cargar realiza la
función de dieléctrico. De esta forma puede obtenerse un condensador construido
completamente mediante papel (ilustración 10A), lo que reduce considerablemente
el peso, aumentando la energía específica que puede almacenar.
Se han construido por tanto condensadores completamente de papel, y se
han ensayado sus propiedades en electrolitos acuosos y orgánicos, usando métodos
galvanostáticos (ilustración 10B) y voltamperiméricos cíclicos.
Como se muestra en la ilustración 10C, la capacidad específica de
condensadores de papel ensayada a varias intensidades es superior a los resultados
obtenidos con electrodos de CNTs puros en superficies planas. Además mantienen
capacidades específicas altas en puntos de operación de alta intensidad.
26
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Ilustración 10: test de rendimiento de condensadores de papel (1)
27
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
28
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
1.2 Objetivos del proyecto
La motivación para seguir la línea de investigación introducida en el estado del arte
proviene de los prometedores resultados obtenidos en los estudios anteriores en los que se
han construido condensadores usando estos conductores flexibles, así como de la demanda
de materiales con mayor vida útil en su respuesta a ciclos en el campo del almacenamiento
de energía. Por este motivo, la búsqueda de nuevos materiales para la construcción de
condensadores que mejoren tanto las propiedades eléctricas como mecánicas de las
actuales es la principal motivación de este proyecto. Las baterías suponen el cuello de
botella para el desarrollo de la electrónica, un campo en el que la potencia computacional
de los dispositivos se ve frenada por la incapacidad de mantener sus exigencias de
alimentación. Dado que los condensadores pueden usarse como sustitutivos de las baterías,
se plantea la construcción de un condensador mediante los conductores flexibles para
comprobar si cumple los requisitos necesarios para asumir est función.
Análogamente, la reducción de peso y espacio para las baterías de maquinaria de
mayor potencia es también una preocupación para el mundo industrial. La investigación en
vehículos eléctricos está a la orden del día y gran parte del desarrollo en este campo pasa
por la implementación de los nuevos materiales.
En un automóvil, una batería más ligera significa una reducción en su consumo y
el hecho de que esta batería sea flexible permite adaptarla a espacios reducidos dejando
más amplitud para pasajeros u otros sistemas para mejorar la experiencia de la conducción.
Los objetivos propuestos para este proyecto buscan la definición de un proceso
completo de fabricación de un condensador, objetivo principal del proyecto, y analizar la
posibilidad de implementar este método a nivel industrial. Para lograr este objetivo será
necesario elegir los materiales más adecuados para la construcción del condensador en base
a sus propiedades técnicas (densidad, conductividad y flexibilidad), buscando de esta forma
las propiedades que resultes más óptimas para su funcionamiento. Además se deberá
analizar la viabilidad económica del proceso y ofrecer conclusiones sobre la posibilidad de
industrializarlo.
En resumen, y presentando los objetivos del estudio de una forma concreta, estos
serán:
Síntesis de dispersiones coloidales de nanopartículas de plata y nanocables de plata.
29
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Elegir materiales base para la fabricación de los conductores flexibles.
Construir un condensador basado en estos conductores flexibles.
Caracterizar el condensador.
Describir detalladamente todos los procesos con el objetivo de ayudar a futuras
investigaciones.
Obtener conclusiones sobre la viabilidad de la investigación.
30
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
1.3 Tareas propuestas
En este apartado se pretende realizar una descripción de las tareas que permiten la
consecución de los objetivos propuestos para el proyecto. Este se puede dividir en dos
partes principales: la primera experimental y la segunda analítica.
Las tareas propuestas son las siguientes:
1. Parte experimental:
Preparación de la tinta de nanopartículas de plata
Preparación de las muestras de material compuesto con nanopartículas
de plata
Preparación de la tinta de nanocables de plata
Preparación de las muestras de material compuesto con nanocables de
plata
Ensayo de espectrofotometría
Ensayos de conductividad térmica
Ensayos de conductividad eléctrica
Diseño y caracterización del condensador
2. Parte analítica:
Investigación sobre el estado de la cuestión
Estudio económico de la investigación
Análisis de resultados
Obtención de conclusiones
Redacción de la memoria
31
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
32
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
1.4 Organización del proyecto
La organización del proyecto se presenta en el cronograma siguiente:
Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
ACTIVIDAD
S36
S37
S38
S39
S40
S41
S42
S43
S44
S45
S46
S47
S48
S49
S50
S51
S52
Charla con el director
Fin
ale
s p
rim
er
cuat
rim
estr
e
Estableccimiento de objetivos y metodología
Par
te e
xper
imen
tal
Preparacion tinta Ag np
Preparacion muestras Ag np
Preparacion tinta Ag nw
Preparacion muestras Ag nw
Ensayos de conductividad
termica
Ensayos de conductividad
electrica
Diseño del condensador
Ensayos del condensador
Estado del arte
Enero Febrero Marzo Abril
ACTIVIDAD S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
S10
S11
S12
S13
S14
S15
S16
S17
S18
Trab
ajo
no
exp
erim
enta
l
Estado del arte
Análisis económico
Boceto de la memoria
Escritura de la memoria
33
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
34
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
II.- Desarrollo del proyecto
El desarrollo del proyecto consiste en la realización de las tareas expuestas para la
consecución de los objetivos propuestos para el estudio. El desarrollo del proyecto se trata
esencialmente de un estudio experimental que consta de la elección de los materiales matriz para
los nanocomposites, la síntesis de las dispersiones de nanopartículas, el método de fabricación del
material compuesto, todo ello con el objetivo de fabricar conductores flexibles para la fabricación
del condensador. A cada proceso de fabricación le corresponde un ensayo de caracterización de
sus propiedades, que también cumple la función de verificación del proceso.
La parte experimental del proceso se divide por tanto en dos partes. La primera se trata de
la fabricación de los materiales conductores, con la posterior caracterización de sus propiedades.
La segunda es la construcción y caracterización del condensador.
La parte experimental del proceso comienza con la síntesis de tintas conductoras, que
consisten en una dispersión de un tipo de nanopartículas en un medio líquido. Este medio actúa
también de solución blanca en la prueba de espectrofotometría para determinar la presencia de
nanopartículas así como el tamaño medio de las mismas.
Tras la síntesis de las dispersiones coloidales de naonpartículas debe elegirse el material
de la matriz. Este material se selecciona por sus propiedades de porosidad, masa y flexibilidad. La
resistencia a la temperatura es también una propiedad importante debido a que durante el proceso
de fabricación se somete a las muestras a un secado de hasta 100ºC.
La fabricación de las muestras se realiza mediante un proceso de mojado del material
matriz en las tintas y un secado posterior al vacío para aumentar la adhesión de las nanopartículas
al material. Este proceso se repite varias veces. Además de la prueba del espectrofotómetro, el
aumento de masa de las muestras sirve también de verificación para la presencia de nanopartículas
en el material compuesto.
La caracterización de las propiedades de las muestras se realiza mediante ensayos de
conductividad térmica y eléctrica. Para estos ensayos se utilizan dos equipos: un de medida de
conductividad térmica y una mesa de puntas para la medida de la conductividad eléctrica.
Una vez completada la fabricación de las muestras empieza la fabricación del condensador.
Para esto se seleccionarán las muestras de las que se hayan obtenido mejores resultados en cuanto
a conductividad, masa y flexibilidad. Después, se debe seleccionar un modelo geométrico para la
construcción del condensador, que sea posible de construir y optimice sus propiedades.
35
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Para el ensayo de caracterización del condensador, se utilizara un equipo de respuesta en
frecuencia, del que resulta un modelo de resistencia en serie con el condensador en un amplio
rango de frecuencias, lo que sirve de indicador para su respuesta en ciclos.
36
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
2.1 Fabricación de los conductores flexibles
Como ya se ha mencionado, la parte experimental del proyecto comienza con la
fabricación de las muestras conductoras. En este proceso se sintetizan las tintas, se
selecciona el material base, se fabrica el material compuesto y se procede a la
caracterización de sus propiedades.
2.1.1 Tintas conductoras
Las tintas conductoras son las dispersiones de nanopartículas en las
que se empapara el material matriz para obtener las propiedades de conductividad
eléctrica y térmica. En este estudio, se sintetizaran dos tipos de tintas, una de
nanopartículas de plata y otra de nanocables.
Como primera comprobación de la presencia de nanopartículas en
la dispersión se llevara a cabo una prueba de espectrofotometría. Para este ensayo,
es necesaria disolución blanca de la dispersión. Esta solución blanca es el medio de
la dispersión justo antes de añadir los reactivos que dan lugar a las nanopartículas.
2.1.1.1 Dispersión de nanopartículas de plata
Para la dispersión de nanopartículas de plata se introduce 2 mL del
nitrato de plata en solución 0.2M en un vaso de mezcla. Después se añade
5 mL de glucosa a 0.1M asegurándose de que entra en contacto con el
nitrato. Por último, se añaden 100 mL de almidón a 0,2% mientras se agita
la dispersión con un agitador magnético. La solución se hierve a 100º C
durante 20 minutos y se deja reposar a temperatura ambiente.
El tiempo de 20 minutos se obtuvo como resultado de varias pruebas
en las que se mantuvo la temperatura de 100ºC en una placa calefactora
(Ilustración 11) durante 10, 15 y 20 minutos. La posterior prueba con el
37
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
espectrofotómetro revelo que las nanopartículas solo aparecían cuando la
temperatura de mantenía durante 20 minutos.
Por el procedimiento explicado, la solución blanca para la prueba de
espectrofotometría es una solución de almidón, que es el compuesto base
de la dispersión.
Ilustración 11: placa calefactora
2.1.1.2 Dispersión de nanocables de plata
La tinta de nanocables de plata (Ag nanowires) sigue un
procedimiento diferente. En este caso, se mezclan en un vaso 3.34g de PVP
(polivinilpirrolidona) con 100 mL de etilenglicol y se calientan a 170º C.
Esta temperatura no afecta a la mezcla ya que la temperatura de ebullición
del etilenglicol es de 197º C aproximadamente. Una vez se haya estabilizado
la temperatura se añade 0.25g de cloruro de plata y se espera 3 minutos para
38
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
añadir 1.1g de nitrato de plata. La solución se deja a 170º C durante media
hora y después se deja reposar a temperatura ambiente.
Para la mantención de la temperatura de 170º, se hace necesaria un
sistema de control (Ilustración 12) mediante un termopar, ya que esta
temperatura se sale de la escala de los platos calefactores de los que se
dispone en el laboratorio.
En este caso, la solución blanca es una solución de etilenglicol con
PVP calentada ha 170º.
Ilustración 12: Equipo de control de temperatura
2.2.2.3 Prueba de espectrofotometría.
De cada tinta se toma una muestra para comprobar en el
espectrofotómetro (Ilustración 13) la dispersión de nanopartículas. Debido
39
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
al efecto plasmónico veremos un pico en el gráfico de absorción frente a
longitud de onda proveniente del análisis del espectrofotómetro que servirá
como comprobación de la dispersión de nanopartículas en las tintas.
Se mostraran a continuación las gráficas de los espectros de
absorción de las dos dispersiones de nanopartículas sintetizadas, para
observar los datos detallados, acúdase al anexo A.
Ilustración 13: Espectrofotómetro
2.2.2.3.1 Efecto plasmónico de superficie
Con el objetivo de aclarar el mencionado efecto de
resonancia de plasmón de superficie introducimos este epígrafe para
analizar sus bases teóricas.
En un gas (11) fuertemente ionizado, en estado de plasma,
es posible la interactuación entre los portadores de carga libres y la
radiación electromagnética de baja frecuencia. Los portadores de
carga libres oscilan en resonancia con la radiación, produciéndose
un fenómeno vibratorio típico en los plasmas, esto es lo que
llamamos plasmón.
40
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Por las características de los metales, el interior de estos es
una gran aproximación de un “plasma sólido”, es el que los átomos
pueden ser considerados como puntos masivos fijos con carga
positiva bañados en una “sopa de electrones”. En el sentido más
estricto, los plasmones masivos son ondas cuantizadas de una serie
de electrones móviles producidas cuando una gran cantidad de estos
son alterados respecto de sus posiciones de equilibrio y vibran a una
frecuencia característica.
Cuando la frecuencia de la radiación es menor que la
frecuencia del plasmón, los electrones tienen tiempo de seguir
perfectamente las oscilaciones del campo eléctrico oscilante de la
radiación y la onda es reflejada totalmente. Cuando la frecuencia de
la radiación es mayor que la del plasmón, las cargas son incapaces
de seguir la oscilación del campo eléctrico y entonces la onda es
transmitida
2.2.2.3.2 Nanopartículas de plata
Para llevar a cabo este ensayo se utilizan dos cubetas de
espectrofotometría. En una de ellas se introduce una muestra de la
dispersión de nanopartículas y en la otra la solución blanca de
almidón y glucosa con base acuosa.
La prueba del espectrofotómetro para la dispersión de las
nanopartículas de plata (Ilustración 14) revela el pico de absorción
en una longitud de onda de aproximadamente 420 nm. Este pico
sirve de verificación para la existencia de nanopartículas de plata y
revela que su tamaño está dentro del rango propuesto.
41
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Ilustración 14: Espectro de absorción de la dsipersión de nanopatrículas de plata
2.2.2.3.3 Nanocables de plata
En el caso de los nanocables de plata, la solución blanca es
una solución de etilenglicol con PVP. Para obtenerla, se sigue el
método de síntesis de la dispersión coloidal de nanocables hasta el
punto de añadir los compuestos de plata (AgCl y AgNO3).
En la gráfica de absorción de la dispersión coloidal de
nanocables de plata (Ilustración 15), el pico de absorción se empieza
a producir al final del rango de longitud de onda. Esto significa que
el pico se produce a una longitud de onda superior a 900 nanómetros,
es decir, que el tamaño de los nanocables es superior al indicado.
42
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Ilustración 15: Espectro de absorción de la dsipersión de nanocables de plata
2.1.2 Materiales base
2.1.2.1 Candidatos iniciales
Para la elección del material de la matriz, buscamos un material
poroso para que pueda cargarse con nanopartículas para incrementar sus
propiedades de conductividad eléctrica y térmica. También es importante el
peso reducido y la flexibilidad, junto con la resistencia térmica suficiente
como para no deteriorarse con las temperaturas alcanzadas durante el
proceso.
Los materiales candidatos (Ilustración 16) para actuar de material
base son tres tipos distintos de papel policelulosos. Dos primeros con
elevada porosidad, cuyo uso normal es de lámina para pintura al agua, y un
tercer tipo de papel compuesto tanto de fibras de celulosa y de algodón,
también de porosidad elevada.
43
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Además de utilizar los papeles como material base como sugerían
muchos artículos de investigaciones anteriores, este estudio aporta
innovación utilizando dos materiales textiles como matriz del conductor
flexible, un primer textil de sarga y otro de fibras de lana de origen animal.
Las ventajas del material textil son su elevada flexibilidad, porosidad y su
capacidad para no deteriorarse a las temperaturas de secado. La desventaja
más patente de estos materiales viene precisamente de su elevada porosidad,
que hacía que estos materiales absorbiesen una gran cantidad de tinta, por
lo que se hacía necesario aumentar la temperatura y el tiempo en el proceso
de secado del material.
Un tercer tipo de candidato a material base fue la espuma EVA
(etilen vinil acetato), un polímero termoplástico conformado por unidades
repetitivas de etileno y acetato de vinilo. Por tratarse de una espuma, la
porosidad es adecuada para el ensayo y su flexibilidad es también adecuada,
ya que el uso mayoritario de este material es la construcción de maquetas y
otras manualidades.
44
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Ilustración 16: Materiales base utilizados. Arriba papeles policelulosos de pintura al agua, en el medio espuma EVA y textil de sarga, y abajo textil de lana animal y papel policeluloso con algodón.
45
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
2.1.2.2 Materiales descartados
En primer lugar se descarta la espuma EVA, que por tratarse de un
polímero se deteriora completamente en el proceso de secado. No obstante,
es posible comprobar a nivel cualitativo una gran absorción de la tinta por
parte del material, por lo que no se debe descartar para futuras
investigaciones en las que cambie el método de captación de nanopartículas.
En los ensayos con los papeles policelulosos surgió un problema
debido a la anisotropía del material. Por tratarse de un material utilizado
para la pintura al agua, la porosidad del material se da únicamente por una
de las caras. Por este motivo, existe una gran adherencia de las
nanopartículas al material por esta cara pero apenas existe impregnación por
la otra.
2.1.3 Fabricación de los conductores flexibles
El método de captación de las nanopartículas consiste en un proceso de
inmersión y secado de los materiales base en las tintas. Este proceso se lleva a cabo
diez veces para cada muestra. Este proceso es bastante homogéneo para todas las
tintas y materiales base, sin embargo, debido a limitaciones en el laboratorio, se
han realizado pequeñas modificaciones sobre el original. Con el objetivo de detallar
estas modificaciones y justificar su existencia, se procede a una explicación
concreta del proceso haciendo una diferenciación en base al tipo de nanopartículas.
2.1.3.1 Nanopartículas de plata
En este caso el método propuesto funciona a la perfección, por lo
que no se hace necesario introducir ninguna modificación. Cada muestra
permanece sumergida totalmente en la tinta durante diez minutos. Uno de
los puntos a prestar atención en el mojado de las tintas es procurar que los
materiales base no se adhieran entre sí, dejando un espacio cerrado entre
ellos en el que la tinta no penetra. Tras el mojado de los materiales, el
46
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
proceso de secado tiene lugar en un horno de vacío, logrado mediante una
bomba de vacío (Ilustración 17), el que se mantiene una presión de -0.9 bar
y una temperatura de 100ºC. De esta forma eliminamos la base acuosa de la
dispersión y aumentamos la adherencia de las nanopartículas al material
matriz.
Ilustración 17: Bomba utilizada en el horno de vacío
2.1.3.2 Nanocables de plata
El problema surge de la dispersión de los nanocables, cuya base es
etilenglicol en lugar de agua. La temperatura de ebullición del etilenglicol
es de 197.2ºC por lo tanto, la temperatura de secado de 100º no es suficiente
para esta dispersión. La elevada temperatura de ebullición es también causa
de la concentración de humedad en la bomba de vacío, que llega hasta el
depósito de aceite de esta y la deteriora. Si a todo este se le añade la gran
cantidad de tinta que son capaces de captar los materiales textiles, se vuelve
primordial introducir modificaciones en el proceso.
En primer lugar, se debe aumentar la temperatura de secado para ser
capaz de evaporar el etilenglicol. Desafortunadamente, el horno de vacío
disponible no es capaz de aumentar la temperatura el margen necesario por
47
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
lo que se debe utilizar otro equipo. Además se debe aumentar el tiempo de
secado de los 10 minutos, la motivación de esta conclusión es puramente
empírica, comprobada por los ensayos. Además, es necesario someter a las
muestras a un tratamiento de vacío, para asegurar la adhesión de los
nanocables al material.
El proceso de secado queda por tanto dividido en dos etapas. La
primera en una estufa de mayor potencia (Ilustración 18), en la que se
mantiene una temperatura de 150º durante 10 minutos. Una vez eliminada
la mayor parte de la humedad, las muestras se colocan en el horno original
en el que se mantiene una temperatura de 100º y una presión de -0.9 bar.
Ilustración 18: estufa de alta potencia
48
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
2.1.4 Caracterización de los conductores flexibles
Una vez llevada a cabo la fabricación de los conductores flexibles debemos
realizar los ensayos de caracterización. El objetivo de estos ensayos es obtener el
valor de las propiedades de conductividad de las muestras, tanto térmica como
eléctrica, y también obtener una idea cualitativa de la cantidad de nanopartículas
adheridas al material base. Para lograr este segundo objetivo, se analizara la
evolución del aumento de masa de las muestras, y se realizaran micrografías para
comparar el material sin carga con el material compuesto, a un nivel microscópico.
2.1.4.1 Conductividad térmica
La conductividad térmica de las muestras se analiza debido a la
importancia de dicha propiedad en la conducción eléctrica, que es el
propósito final de los conductores flexibles. Una conductividad térmica alta
garantiza menores pérdidas de potencia eléctrica en forma de calor, y
además asegura el funcionamiento de los condensadores en los puntos de
operación a alta temperatura. Debido al campo de aplicación de los
condensadores, por ejemplo en aplicaciones de construcción de baterías, o
en electrónica de potencia, es asumible pensar que los condensadores finales
trabajaran a temperaturas elevadas. Por tanto, es necesario evaluar si son
capaces de mantener su estructura sin deteriorarse, manteniendo sus
propiedades de forma estable.
Para evaluar la conductividad térmica de las muestras se debe
realizar un ensayo de transmisión de calor por conducción en régimen
estacionario. Para ello se dispone de un equipo que transmite una potencia
calorífica a través de una barra aislada del exterior. A lo largo de dicha barra
se disponen varios sensores de temperatura. A través de los datos obtenidos
es posible obtener la conductividad eléctrica de las muestras.
49
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
2.1.4.1.1 Fundamentación teórica
Supóngase una pared (12), de sección transversal conocida,
como la mostrada en la ilustración 19, en la que las superficies
externas se encuentran a temperaturas T1 y T2.
Ilustración 19: Conducción estacionaria (12)
Entre ambas superficies se establece un flujo de calor en el
sentido de las temperaturas decrecientes. Por ejemplo hacia la
derecha si T1 > T2. En este caso, el calor es transferido por el
mecanismo de conducción, que rige para sistemas en los que existe
un gradiente térmico sin movimiento macroscópico entre sus
partículas.
La ecuación que rige la conducción es la ley de Fourier:
= −𝑨 · 𝒌 · 𝛁𝑻
Ecuación 1
Siendo:
A Área de transferencia de calor
K La conductividad térmica
∇T El gradiente de temperatura
q Potencia calorífica
50
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Del análisis diferencial del primer principio de la
termodinámica junto a la ley de Fourier se obtiene finalmente la
ecuación de la conducción en coordenadas cartesianas.
𝑑
𝑑𝑥(𝑘𝑥
𝑑𝑇
𝑑𝑥) +
𝑑
𝑑𝑦(𝑘𝑦
𝑑𝑇
𝑑𝑦) +
𝑑
𝑑𝑧(𝑘𝑧
𝑑𝑇
𝑑𝑧) + 𝑞′′′ = 𝜌𝑐
𝑑𝑇
𝑑𝑡
Ecuación 2
Suponiendo unas condiciones de contorno en las que no
existe transmisión en las coordenadas y y z, tampoco hay generación
de calor interna ni variación de la energía interna del elemento se
simplifica en la siguiente ecuación.
𝑑
𝑑𝑥(𝑘
𝑑𝑇
𝑑𝑥) = 0
Ecuación 3
Suponiendo además que la conductividad es constante se
llega finalmente a la ecuación de distribución de temperatura de
forma unidimensional y en régimen estacionario.
𝑇(𝑥) = 𝑇1 − (𝑇1 − 𝑇2)𝑥
𝐿
Ecuación 4
Mediante esta ecuación y la ley de Fourier (ecuación 1) se
determina la potencia calorífica.
𝑞 = −𝑘𝐴𝑑𝑇
𝑑𝑥=
𝑘𝐴
𝐿(𝑇1 − 𝑇2) =
𝑇1 − 𝑇2
𝐿𝑘𝐴
Ecuación 5
Esta ecuación tiene la ventaja de poder expresarse de forma
gráfica mediante un modelo de resistencia eléctrica (Ilustración
20).
Ilustración 20: modelo de resistencia electrica para la conducción (12)
51
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
2.1.4.1.2 Equipo de ensayos de conductividad
El equipo utilizado para evaluar la conductividad térmica
(13) de las muestras simula unas condiciones de conducción
unidimensional en régimen estacionario, a través de una barra. El
esquema del equipo es el mostrado en la ilustración 21.
Ilustración 21: Esquema del ensayo de transmisión de calor por conducción (13)
La conductividad térmica del material se obtiene fijando la
potencia calorífica y evaluando la evolución de las temperaturas. En
nuestro caso, debido a que el grosor de las muestras es muy
reducido, las situaremos entre lo sensores de temperatura 6 y 7. Para
reducir la resistencia de contacto, se utiliza silicona conductora.
2.1.4.1.3 Resultados del ensayo
Se muestran a continuación los valores medios de
conductividad térmica (tabla 1), para observar el cálculo detallado
de los mismos, acúdase al anexo B.
52
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
kmed(w/mk)
Ag
Nan
op
arti
cles
Papel I 5.35E-01
Papel II 7.90E-01
Papel PC 3.89E-01
Ag
Nan
ow
ires
Papel PC 4.12E-01
Texil sarga 9.77E-01
Textil lana animal
1.08E+00
Tabla 1: conductividad térmica
2.1.4.2 Conductividad eléctrica
La conductividad eléctrica se trata de la propiedad de mayor
importancia debido al objetivo de utilizar las muestras como conductores
flexibles. Obtener una alta conductividad eléctrica resulta primordial para
reducir al máximo la potencia de pérdidas en el dispositivo y aumentar de
este modo su eficiencia.
2.1.4.2.1 Fundamentación teórica
La presencia de un campo eléctrico (14) tiende a mover los
portadores de carga positiva en un sentido, y los de negativa en otro.
53
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Si cada uno o ambos se mueven, el resultado es una corriente
eléctrica en el sentido del campo (E). En la mayoría de sustancias se
encuentra que la densidad de corriente (J) es proporcional al campo
eléctrico que la causa en un amplio rango de intensidades. Esta
relación se expresa por:
𝐽 = 𝜎 ·
Ecuación 6
Donde al factor σ se le conoce como la conductividad del
material, y depende de éste. Puede estar también relacionado con el
estado físico del material, por ejemplo su temperatura, pero dadas
unas condiciones, es independiente del valor de E.
En la ecuación 6, σ puede considerarse una magnitud escalar,
lo que implica que J siempre tiene la misma dirección que E. Esto
es lo esperado en un material cuya estructura no está construida en
direcciones preferidas. Sin embargo, existen materiales cuya
conductividad eléctrica depende del ángulo que forme E con
determinados ejes intrínsecos al material, a esos materiales se les
conoce como anisótropos.
De la integración de la ecuación 6 se obtiene la conocida ley
de ohm.
𝑉 = 𝐼 · 𝑅
Ecuación 7
En lugar de la conductividad puede usarse su recíproco, la
resistividad ρ. La resistividad está relacionada con la resistencia de
un material por la siguiente expresión.
𝑅 =𝜌 · 𝑉
𝐴
Ecuación 8
54
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
2.1.4.2.2 Método de las cuatro puntas
El método de las cuatro puntas (15) es conocido también
como el método de Kelvin. Se trata de un método diseñado para
obtener el valor de la resistencia de un material. Fue desarrollado
por Lord Kelvin, y más tarde perfeccionado por Frank Wenner, a
comienzos del siglo XX. Se trata de un experimento muy utilizado
en procesos industriales, como por ejemplo en el control de
producción de los semiconductores.
El método de las 4 puntas (Ilustración 22) hace uso de dos
circuitos vinculados. Por un circuito se hace circular la corriente
(circuito exterior), y por el otro se realiza la medición de la tensión.
Ilustración 22: método de Kelvin (15)
Mediante este método la tensión medida por el voltímetro
será:
𝑉+ = 𝜀𝐴 + 𝐼+ · 𝑅 − 𝜀𝐵
Ecuación 9
Donde εA y εB representan los potenciales de contacto de
cada unión. El superíndice (+) indica que la corriente circula en el
55
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
sentido de la ilustración. Usamos el superíndice (-) cuando cambia
la dirección de la corriente de la polaridad de la fuente de tensión,
pero sin alterar el resto del circuito. La resistencia limitadora Rext se
elige de modo tal, que la corriente en el circuito no dañe la fuente o
los otros elementos del mismo.
Si se invierte la polaridad de la fuente de tensión, la tensión
medida por el voltímetro será:
−𝑉− = = 𝜀𝐴 − 𝐼+ · 𝑅 − 𝜀𝐵
Ecuación 10
Los valores de corriente indicados en las ecuaciones 9 y 10
son los valores absolutos de lo que indican los instrumentos.
Restando entre sí las ecuaciones se obtiene:
𝑉+ + 𝑉− = (𝐼+ + 𝐼−) · 𝑅
Ecuación 11
Por lo tanto, invirtiendo el sentido de circulación de la
corriente y tomando la diferencia de los potenciales medidos,
podemos anular el efecto de los potenciales de contacto. Más
específicamente tenemos:
𝑅 = 𝑉++ 𝑉−
𝐼++ 𝐼−=
|𝑉+| +|𝑉−|
|𝐼+|+ |𝐼−|
Ecuación 12
Vemos así que el método de las cuatro puntas nos permite
eliminar simultáneamente el efecto de las resistencias de los cables
y potenciales de contacto, como así también evaluar la magnitud de
dichos potenciales. En principio puede parecer sorprendente que la
magnitud de la corriente por el circuito varíe si se invierte la
polaridad de la fuente externa, es decir que los valores de I+ e I-
puedan ser diferentes, sin embargo, cuando se realizan conexiones
es común que existan óxidos en los conectores, que provocan que
los valores de la resistencia resulten diferentes si la corriente fluye
en un sentido u otro, de modo análogo a un diodo. Además, el valor
de la tensión efectiva aplicada al circuito, formada por la fuente
56
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
externa y los potenciales de contacto, se varía al cambiar la
polaridad de la fuente externa. De hecho esta variación de corriente
es fácilmente observable en muchos circuitos.
En aquellos casos en que la fuente de alimentación del
circuito externo sea alterna (AC), es conveniente realizar la
medición de tensión usando un instrumento que filtre las
componentes de continua (DC). Muchos instrumentos poseen la
opción de activar este modo de medición, por ejemplo los
osciloscopios, multímetros, amplificadores lock-in, etc. Si se mide
la tensión en modo AC, la ecuación 9 se transforma en:
𝑉𝐴𝐶 = 𝐼𝐴𝐶 · 𝑅
Ecuación 13
Ya que en este modo los potenciales de contacto (DC) son
filtrados automáticamente por el instrumento medidor. Por lo tanto,
en este caso es posible simplificar el método de medición de cuatro
puntas.
2.1.4.2.3 Resultados del ensayo
La conductividad eléctrica de las muestras de nanopartículas
de plata no se muestra en los resultados debido a que el equipo no
tiene la suficiente precisión como para medir valores tan reducidos.
Se muestran a continuación los valores medios de
conductividad térmica (Tabla 2), para observar el cálculo detallado
de los mismos, acúdase al anexo C
Ag NWs σmed(S/m)
Texil lana animal 3.71E-03
papel 9.94E-04
57
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Texil Sarga
1
8.48E+01
2
2.15E+00
3
1.05E-02
4
4.58E+02
Tabla 2: Conductividad eléctrica
2.1.4.3 Evolución de masa
El incremento de masa de las muestras es un dato que sirve para
obtener una idea de la carga. Para realizar este ensayo, únicamente se realiza
una comparación entre las masas iniciales de las muestras sin cargar, y las
finales tras terminar el proceso de la carga de nanopartículas. Debido a
resultados de ensayos anteriores, se han descartado algunas combinaciones
de materiales base y nanopartículas.
2.1.4.3.1 Nanopartículas de plata
58
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Ilustración 23: evolución de la masa del conductor flexible de papel policeluloso cargado con nanopartículas de plata
2.1.4.3.2 Nanocables de Plata
Ilustración 24: evolución de la masa de los conductores flexibles cargados con nanocables de plata
0.4350
0.4400
0.4450
0.4500
0.4550
0.4600
0.4650
0.4700
np papel
Evolución masa Ag NPs en papel PC
masa inicial masa final
0.0000
0.2000
0.4000
0.6000
0.8000
1.0000
1.2000
1.4000
papel NWs textil sagra NWs textil lana animal NWs
Evolución masa Ag NWs
masa inicial masa final
59
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
2.1.4.4 Caracterización óptica
La prueba de caracterización óptica sirve para obtener un ensayo
cualitativo sobre la cantidad de nanopartículas adheridas a los materiales.
Esta prueba se lleva a cabo en el microscopio.
El procedimiento es sencillo, se trata de tomar una captura de cada
material base sin carga de nanopartículas y compararla con la imagen de la
muestra cargada a nivel cualitativo, con el objetivo de verificar las
propiedades de los ensayos de conductividad. En este sentido, las muestras
que se hayan impregnado de una mayor cantidad de nanopartículas tendrán
mejores propiedades.
Tabla 3: caracterización óptica
60
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
2.1.5 Discusión de los resultados
Una ver llevados a cabo los distintos ensayos de caracterización de las
propiedades de las muestras, se plantea este apartado para sacar conclusiones al
respecto, y para seleccionar aquellas muestras de las que hayan obtenido mejores
resultados para la caracterización del condensador.
Para cumplir estos objetivos es necesario estableces prioridades entre las
propiedades que han sido ensayadas. Debido a que el objetivo final del proyecto es
la fabricación de un condensador, la propiedad más determinante para elegir la
muestra para fabricarlo debe ser la conductividad eléctrica. En segundo lugar,
debido a la necesidad de minimizar las perdidas por calor del condensador en
funcionamiento, la conductividad térmica tiene también gran importancia. Por
último, la flexibilidad de las muestras ya que el objetivo del proyecto es la
fabricación de un condensador flexible.
Es también necesario discutir los resultados obtenidos del ensayo realizado
mediante el espectrómetro en las dispersiones coloidales, tanto de nanopartículas
de plata como de nanocables de plata.
2.2.5.1 Discusión de resultados del espectrofotómetro
En cuanto a la dispersión coloidal de nanopartículas de plata, se
puede apreciar fácilmente el pico de resonancia plasmónica en la gráfica de
absorción frente a longitud de onda. Este pico es el indicativo de la
presencia de nanopartículas en dispersión en la tinta. Este pico aparece
aproximadamente en los 430 nanómetros.
En la dispersión coloidal de nanocables de plata el pico de
resonancia el pico de absorción comienza a aparecer en longitudes de onda
superiores a los 900 nanómetros. El hecho de que aparezca en longitudes de
onda tan elevadas significa que las nanopartículas presentes en la dispersión
tienen un tamaño mayor al esperado. Las propiedades de conductividad
eléctrica y térmica se verán afectadas por este hecho, ya que el tamaño de
61
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
la nanopartícula supone de forma experimental una reducción de sus
propiedades conductivas.
2.2.5.2 Discusión de resultados de conductividad eléctrica
Las propiedades de conductividad eléctrica más elevadas se han
alcanzado en los conductores flexibles fabricados con nanocables de plata
en un textil de sarga. Es este caso se han llegado a alcanzar valores de 84.8
S/m.
Para poder sacar conclusiones sobre la magnitud medida es
necesario comparar los valores de conductividad de los conductores
flexibles con los valores de conductividad de materiales más extendidos.
Para ello usamos la siguiente tabla 4 de conductividades (16):
62
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Tabla 4: valores de conductividad térmica en algunos materiales
Observando los valores de la tabla tenemos que la conductividad
obtenida en las muestras es relativamente baja. La razón más probable para
explicar estos resultados proviene de las dificultades que se han encontrado
en el proceso de impregnación de las nanopartículas. En el caso de los
nanocables por ejemplo, la humedad de las muestras en el secado hizo
imposible obtener las condiciones de vacío necesarias para la correcta
adherencia de las nanopartículas al material base. Otro posible motivo para
la baja conductividad obtenida es que el tamaño de los nanocables de plata
es superior al esperado, como ya se explicó en el apartado anterior. El
aumento de tamaño de los nanocables puede ser un factor que reduzca la
conductividad de las muestras.
63
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
A pesar de los reducidos valores de conductividad obtenidos en
general, las muestras que mejores resultados han dado han sido los
conductores flexibles fabricados con nanocables de plata en un textil de
sarga, por este motivo, estas muestras serán las escogidas en la fabricación
del condensador.
2.2.5.3 Discusión de resultados de conductividad térmica
Para analizar los resultados obtenidos en el ensayo de conductividad
térmica, debe seguirse la misma línea establecida en el apartado de
discusión de resultados de conductividad eléctrica. Los valores máximos de
conductividad térmica se han alcanzado en las muestras de conductores
flexibles de los dos tipos de textiles cargados con nanocables de plata,
alcanzando valores medios de 0.977 W/mK en el textil de sarga o 1.08
W/mK en el segundo textil.
Para poder analizar estos valores, analizaremos la conductividad
térmica de algunos materiales (tabla 5) con el objetivo de comparar los
conductores flexibles fabricados con otros materiales más extendidos. La
tabla de valores de conductividad térmica se presenta a continuación (17):
64
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Tabla 5: valores de conductividad térmica en algunos materiales
Se obtiene por tanto de la tabla que los materiales tampoco han
alcanzado una conductividad térmica elevada si se compara con los
materiales conductores. Las razones para explicar las bajas conductividades
alcanzadas son las mimas que explican la reducida conductividad eléctrica,
es decir, las dificultades encontradas para el método de impregnación de las
65
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
nanopartículas en los materiales base, y el tamaño de los nanocables de plata
obtenidos en la dispersión coloidal, que fue mayor de lo esperado.
Sin embargo, en la tamba se aprecia también el aumento de
conductividad que ha experimentado el textil de fibras de origen animal,
que originalmente era 0.08 W/mK y ha aumentado hasta 1.08 W/mK al
cargarse de nanocables de plata. Es decir, la adhesión de nanocables a las
fibras del material ha provocado que éste experimente un aumento de su
conductividad térmica de dos órdenes de magnitud.
Los resultados obtenidos en este ensayo respaldan la decisión de
utilizar los conductores flexibles de textil de sarga cargado con nanocables
de plata para la construcción del condensador, ya que, si bien la
conductividad alcanzada por esta muestra es ligeramente inferior a la
alcanzada en el textil de fibras de origen animal, es uno de los mayores
valores obtenidos.
2.2.5.4 Discusión de resultados de evolución de masa y caracterización óptica
Los ensayos de evolución de la masa y caracterización óptica
respaldan los resultados de los ensayos de caracterización cuantitativos, ya
que las muestras que han experimentado un mayor aumento de su masa son
las aquellas de las que se han obtenido mejores resultados en cuanto a su
conductividad, tanto eléctrica como térmica. Estas mismas muestras (textil
de sarga y de fibras de origen animal) son aquellas en las que se observa
una mayor adhesión de nanopartículas en el ensayo de caracterización
óptica.
66
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
2.2 Fabricación de los condensadores
El objetivo principal de este proyecto es la construcción y caracterización de un
condensador flexible mediante nanocomposites cargados con nanopartículas metálicas.
Durante la primera parte del desarrollo, se han fabricado los electrodos del condensador.
En este segunda parte, se utilizaran las muestras de las cuales se hayan obtenido mejores
resultados en cuanto a propiedades de flexibilidad, y conductividad eléctrica y térmica.
Un condensador (18) es un componente pasivo cuya característica principal es la
capacidad que presenta. Se clasifican en dos grandes grupos: polarizados y no polarizados,
según sea o no necesario mantener una determinada polaridad en sus bornes. El
condensador consta de placas conductoras enfrentadas y separadas por un material
dieléctrico (aislante). Idealmente este dieléctrico no tiene carga libre, es decir, carga con
movilidad. El valor de la capacidad C viene determinado por el producto de un factor
geométrico G y la constante dieléctrica ε que depende del material dieléctrico. Se suele
referir la constante dieléctrica del material a la del vacío 𝜀 = 𝜀𝑟 · 𝜀0 r donde 𝜀𝑟 es la
constante dieléctrica relativa, que es característica del material dieléctrico, y 𝜀 = 8,854 ·
10-14 F/cm, la constante dieléctrica del vacío. Por lo que para un condensador plano, el
factor geométrico es el área de las placas enfrentadas S, dividida por la distancia entre ellas
d, G= S/d.
El factor geométrico es un componente que se puede considerar constante para
distintas condiciones de temperatura, salvo en condensadores variables, en los que sus
placas se mueven, por lo que es el comportamiento del material dieléctrico el que determina
el comportamiento del condensador. Por lo que los condensadores se denominan según el
tipo de dieléctrico del que están fabricados, condensadores de plástico, cerámicos,… el
valor de la constante dieléctrica ε depende de la composición del dieléctrico, temperatura
de trabajo T, de la frecuencia f, de la tensión aplicada V, de la calidad del mismo, y en
muchos dieléctricos de la dirección geométrica elegida. Pero en los dieléctricos que suele
haber en condensadores, se supone uniformidad de comportamiento en cualquier dirección
(isotropía) y sólo se habla de un valor de 𝜀𝑟, aunque debe tenerse en cuenta la cantidad de
carga libre, tanto electrones como iones, que a pesar de ser baja, puede llegar a ser
significativa.
Los condensadores son dispositivos constituidos por dos placas conductoras
paralelas, separadas por un material aislante, cuya principal función es el almacenamiento
de carga. Cuanto mayor sea el área de las placas, mayor será su capacidad, expresado en
67
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
millonésimas de Faradios [μF], y cuanto mayor sea la distancia entre las placas, mayor será
el aislamiento o la tensión de trabajo del condensador, expresada en unidades de Volts,
aunque el valor de capacidad disminuye proporcionalmente cuanto más las placas se
separan.
2.2.1 Características básicas de los condensadores
Para caracterizar los condensadores es necesario realizar un repaso sobre las
principales características (18) de los mismos.
2.2.1.1 Capacidad
La capacidad es una propiedad, definida como la relación que existe
entre la carga eléctrica Q que se almacena y la tensión V que se aplica entre
bornes, se mide en Faradios F. Se suelen dar para unas condiciones
determinadas, generalmente para 25ºC y 10.000 Hz. Salvo para los
condensadores electrolíticos para los cuales se da a 100 o 120 Hz.
2.2.1.2 Voltaje
Indica el voltaje máximo al que puede trabajar el condensador, el
cual nunca debe ser por debajo de los requerimientos del equipo o circuito
donde se va a conectar. En este punto es importante señalar que el
condensador puede tener un voltaje mayor que el requerido, pero el valor
en Faradios sí debe ser exacto. Es decir, si necesitamos un condensador de
100 Volts a 10 µF, podemos instalar uno de 200 Volts, pero siempre de 10
µF.
2.2.1.3 Tolerancia
68
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Como en todos los componentes físicos (reales), en los
condensadores el valor especificado en faradios no es exacto, sino que
puede variar hacia arriba o hacia abajo del valor dado, esta variación es
conocida como tolerancia y generalmente se maneja como un porcentaje del
valor del condensador. Esta tolerancia puede variar dependiendo del
componente que se trate, y es necesario revisar las especificaciones técnicas
para conocer el valor manejado.
2.2.1.4 Coeficiente de temperatura
Los condensadores están sujetos a variaciones de valor con los
cambios de la temperatura es por ello que se fabrican algunos
condensadores con coeficientes específicos de temperatura y se usan para
la compensación térmica. El coeficiente de temperatura, TC, se expresa
como el cambio de capacidad por grado centígrado o Celsius de cambio de
temperatura. En general se expresa en partes por millón por grado Celsius
(ppm/°C). Puede ser positivo (P precede al coeficiente), negativo (N) o cero
(NPO).
2.2.1.5 Dieléctrico o aislante
La función del dieléctrico es aumentar la capacidad del
condensador. Los diferentes materiales que se utilizan como dieléctricos
tiene diferentes grados de permitividad (diferente capacidad para el
establecimiento de un campo eléctrico). Mientras mayor sea la
permitividad, mayor es la capacidad del condensador La capacidad de un
condensador está dada por la fórmula
𝐶 = 𝜀𝑟 · 𝐴
𝑑
69
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Ecuación 14
Dónde:
C: Capacidad del condensador
Εr: Permitividad
A: Área entre placas
D: Separación entre placas
2.2.1.6 Tensión nominal
La tensión nominal Vn es la máxima tensión continua (dc) que se
puede aplicar al condensador de forma continua en condiciones de
temperatura de especificación o menor. Normalmente este valor de tensión
no se debe sobrepasar en ningún momento.
2.2.1.7 Tensión de ruptura de un condensador
La tensión de ruptura es aquella tensión máxima instantánea que se
puede aplicar a los terminales del condensador de forma continua en
condiciones de temperatura de especificación. Si se sobrepasa, el dieléctrico
se puede perforar provocando un corto circuito.
2.2.1 Construcción del condensador
La construcción del condensador que se va a caracterizar se realiza en la
forma de un condensador de placas paralelas. Se utiliza esta forma de construcción
por resultar muy directa dadas las muestras obtenidas en el proceso de fabricación
de los conductores flexibles.
70
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Un condensador de placas (14) paralelas consiste en dos placas paralelas
conductoras (los conductores flexibles en nuestro caso), cargadas con carga +Q y –
Q respectivamente, separadas a una distancia d (Ilustración 25). Para determinar la
capacidad del condensador, deben seguirse los siguientes pasos: suponer que las
placas están cargadas con cargas +Q y –Q respectivamente, cálculo del campo
eléctrico entre las placas, calcular la diferencia de potencial, y por ultimo hallar la
capacidad mediante la fórmula de la ecuación 14.
Ilustración 25: esquema de un condensador de placas paralelas (19)
Cálculo del campo E
De la ley de Gauss:
𝜀0 ∮ · 𝑑𝑠 = 𝑞
Ecuación 15
Y siendo constante y paralelo a 𝑑𝑠
𝐸 = 𝑞
𝜀0𝐴
Ecuación 16
71
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Cálculo de la diferencia de potencial
La definición de diferencia de potencial:
∆𝑉 = −∫ · 𝑑𝑙𝑃2
𝑃1
= −∫ · 𝑑𝑙𝑑
0
Ecuación 17
∆𝑉 = 𝑞
𝜀0𝐴𝑑
Ecuación 18
Cálculo de la capacidad
𝐶 = 𝑞
∆𝑉=
𝜀0𝐴
𝑑
Ecuación 19
En conclusión, la capacidad de un condensador de placas paralelas es
proporcional a la superficie de las placas e inversamente proporcional a la distancia
que las separa.
Este cálculo de la capacidad supone un modelo teórico en el que las placas
conductoras son conductores perfectos y en el que se desestima el efecto del campo
en los límites de las placas, pero sirve para obtener una idea sobre la dependencia
de la capacidad de un condensador con su geometría.
Con esta explicación sobre el modelo elegido, se pasa a la construcción del
condensador con las muestras que han dado mejores resultado en la caracterización,
es decir, los conductores flexibles de textil de sarga cargados con nanocables de
plata. Para añadir los conectores, se utiliza pintura de plata en el punto de contacto
72
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
para reducir la resistencia. En cuanto al material dieléctrico, se utiliza el papel
policeluloso para asegurar la flexibilidad del condensador (ilustración 26). Otra
propiedad interesante del papel policeluloso es su reducida masa.
Ilustración 26: Condensador fabricado con conductores flexibles
2.2.2 Caracterización del condensador
Se ha realizado ya una introducción sobre las características principales de
los condensadores, y se ha profundizado en el análisis del modelo elegido y en su
construcción. En este apartado, se caracterizará el condensador final.
Para esta caracterización, se utilizará un equipo diseñado para ensayar el
comportamiento del condensador en un rango amplio de frecuencias, con el
objetivo final de obtener una gráfica de la capacidad resultante a cada frecuencia.
73
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Estos resultados servirán para obtener datos concretos sobre el comportamiento del
condensador y su modelo equivalente.
Por último, en este ensayo se compararan los resultados obtenidos del
condensador fabricado con nuestros conductores flexibles con los resultados del
mismo ensayo para un condensador electrolítico comercial.
2.2.2.1 Condensador electrolítico
Un condensador electrolítico (Ilustración 27) en es un tipo de
condensador polarizado. Estos condensadores suelen tener valores altos de
capacidad de almacenamiento de carga, (18) ya que se recurre a reducir la
separación entre las placas, aumentar el área enfrentada de las mismas y a
la utilización de un dieléctrico de elevada constante dieléctrica.
Ilustración 27: condensador electrolítico (18)
Este tipo de condensador debe su nombre a que el material
dieléctrico que contienen es un ácido llamado electrolito y que se aplica en
estado líquido. La fabricación de un condensador electrolítico comienza
enrollando dos láminas de aluminio separadas por un papel absorbente
humedecido con ácido electrolítico. Luego se hace circular una corriente
eléctrica entre las placas para provocar una reacción química que producirá
una capa de óxido sobre el aluminio, siendo este óxido de electrolito el
verdadero dieléctrico del condensador. Para que pueda ser conectado en un
74
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
circuito electrónico, el condensador llevará sus terminales de conexión
remachados o soldados con soldadura de punto. Por último, todo el conjunto
se insertará en una carcasa metálica que le dará rigidez mecánica y se sellará
herméticamente, en general, con un tapón de goma, que evitará que el ácido
se evapore en forma precoz.
En estos condensadores es necesario respetar la polaridad de la
tensión en los terminales, ya que se basan en el uso de metales sobre los que
crece óxido (dieléctrico) si pasa la corriente en un sentido, pero que tiende
a descomponerse si la corriente pasa en sentido contrario. Los términos
electrolítico y polarizado se suelen intercambiar ya que los condensadores
polarizados suelen ser electrolíticos, aunque existe la posibilidad de usar
condensadores electrolíticos no polarizados. La gran ventaja de este tipo de
condensadores es el elevado valor de capacidad por unidad de volumen que
se puede obtener. Este alto valor se consigue jugando con el factor
geométrico del condensador, es decir, haciendo que el espesor del óxido sea
muy pequeño, lo que es posible conseguir con el procedimiento
electroquímico de crecimiento. Todos ellos tienen un comportamiento muy
deficiente en cuanto a fugas, pérdidas y márgenes útiles de frecuencia, y las
tolerancias superan el 50% en algún caso; pero son usuales en filtros paso
bajo de fuentes de alimentación donde los requerimientos en estos
parámetros no son excesivos y el coste y la relación capacidad/volumen les
hace muy competitivos. En todos los casos existe la opción de emplear
cátodo líquido o sólido, variando sus prestaciones en uno y otro caso.
2.2.2.2 Fundamentación teórica
Debido a que la caracterización del condensador se traduce en una
medida de su impedancia, debe introducirse el significado de esta propiedad
en un condensador.
La impedancia es la oposición que experimenta un dispositivo o
circuito eléctrico o electrónico a la circulación de corriente eléctrica
periódica. Todos los materiales de la Naturaleza presentan impedancia.
75
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Al medir la impedancia deben considerarse dos cuestiones de
relevancia. En primer lugar que el test se realiza en CA, por lo tanto, tanto
la amplitud como la frecuencia han de tenerse en cuenta. En segundo lugar,
se pueden considerar dos modelos, el modelo serie y el modelo paralelo. En
el primer caso se habla de impedancia y en el segundo de admitancia. Los
modelos se muestran en la Ilustración 28, y responden a las expresiones que
siguen:
𝑍(𝑗𝜔) = 𝑅 + 𝑗𝑋(𝜔)
Ecuación 20
𝑌(𝑗𝜔) = 𝐺 + 𝑗𝐵(𝜔)
Ecuación 21
Dónde:
𝑌 = 1
𝑍
Ecuación 22
Por otra parte, al medir la impedancia y la admitancia existen
diversas fuentes de error, en general asociadas al modelo del componente,
la matriz de test (valores verdadero, efectivo e indicado) y el instrumento
de medida (errores de medida).
Ilustración 28: modelo serie paraleo de un componente pasivo (18)
76
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Los planos de medida de la impedancia y de la admitancia se
muestran en la ilustración 29. En ella se aprecian los distintos modelos y los
ángulos que determinan la desviación del componente respecto del modelo
resistivo y conductivo puro. El radio-vector asociado a un componente ideal
coincide con la dirección de un eje.
Por ejemplo, si consideramos el plano de la impedancia, la parte
real de la impedancia es la resistencia, y la imaginaria se denomina
reactancia. Los condensadores reales se encuentran normalmente en el
cuadrante inferior., mientras que las bobinas en el cuadrante superior. Los
condensadores ideales se encuentran en el semi-eje imaginario negativo, y
las bobinas idéales en el semi-eje imaginario negativo. Cuanto más ideal es
un condensador o una bobina menos resistivo es y por consiguiente el
ángulo estará próximo a -90º y a 90º, respectivamente.
Es evidente a la luz de los fasores (vectores giratorios) de la
ilustración 29:
Ilustración 29:: fasores correspondientes a la admitancia (18)
A partir de estas definiciones se consideran los parámetros que
cuantifican la cercanía con la idealidad de un componente, y que a menudo
son objeto de mediciones directas e indirectas.
77
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Al realizar mediciones sobre componentes los errores que se
comenten dependen de en buena parte de factores asociados al propio
componente, que son:
Frecuencia de la señal de test.
Nivel (amplitud) de la señal de test.
DC bias: punto de operación (tensiones y corrientes).
Entorno o medio ambiente (temperatura, humedad, etc.).
Estos factores representan las condiciones de test un componente,
afectándoles porque los componentes no son ideales, poseen parásitos,
determinados a su vez por la calidad del proceso de fabricación y de los
materiales empleados. No hay componentes ideales en la práctica. Todos
poseen parásitos, por lo que su comportamiento depende de los parásitos
que posean. La ilustración 30 muestra un modelo real de un condensador.
El diseño y la calidad de su material determinan la existencia de parásitos.
Existe una inductancia no deseada debida a los terminales o hilos de
conexión (además su resistencia serie). El resto de los parámetros, salvo C,
modelan el dieléctrico del condensador.
Ilustración 30: modelo equivalente real de un condensador (18)
2.2.2.3 Equipo de caracterización
78
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
El equipo de caracterización que se va a utilizar para los
condensadores es un analizador de impedancias que mide un modelo de
condensador simplificado por una resistencia en serie con un condensador
ideal. El medidor de impedancias analiza el comportamiento del
condensador en un amplio rango de frecuencias, lo que sirve para analizar
la tendencia de la capacidad del condensador y obtener las frecuencias
óptimas para el funcionamiento del mismo.
Además en ensayo realizado mediante este equipo aporta
información sobre la estabilidad en frecuencia de un condensador, lo que
resulta muy importante para caracterizar su funcionamiento en diversas
aplicaciones.
El circuito equivalente (Ilustración 31) que analizamos con el
equipo es el siguiente:
Ilustración 31: modelo equivalente simplificado de un condensador (20)
2.2.2.4 Resultados del ensayo
En este a apartado se muestran las gráficas de capacidad y
resistencia en serie para cada uno de los condensadores. Para observar los
datos tabulados completos acúdase al anexo D.
La gráfica de la capacidad frente a la frecuencia (Ilustración 32 para
el condensador flexible de nanocables de plata e ilustración 34 para el
condensador electrolítico) es la principal característica de un condensador
ya que determina la capacidad de almacenamiento de carga del mismo y da
información sobre la estabilidad en frecuencia del dispositivo.
Además, se muestran también las gráficas de la resistencia en serie
en el modelo equivalente frente a la frecuencia (Ilustración 33 para el
condensador flexible de nanocables de plata e ilustración 35 para el
condensador electrolítico). Esta característica da información sobre las
pérdidas del condensador debido al efecto Joule.
79
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Condensador flexible de nanopartículas de plata:
Ilustración 32: capacidad en función de la frecuencia del condensador flexible de nanocables de plata
0.0000
20.0000
40.0000
60.0000
80.0000
100.0000
120.0000
140.0000
0.000 10000000.000 20000000.000 30000000.000 40000000.000 50000000.000
Cap
acid
ad [
pF]
Frecuencia [Hz]
Cs [pF]
80
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Ilustración 33: resistencia en función de la frecuencia del condensador flexible de nanocables de plata
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0.000 10000000.000 20000000.000 30000000.000 40000000.000 50000000.000
Re
sist
en
cia
en
se
rie
[Ω
]
Frecuencia [Hz]
Rs [Ω]
81
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Condensador electrolítico comercial
Ilustración 34: capacidad en función de la frecuencia del condensador electrolítico comercial
-0.000006
-0.000005
-0.000004
-0.000003
-0.000002
-0.000001
0
0.000001
0.000002
0.000 10000000.000 20000000.000 30000000.000 40000000.000 50000000.000
Cap
acid
ad [
F]
Frecuencia [Hz]
Cs [F]
82
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Ilustración 35: resistencia en función de la frecuencia del condensador electrolítico comercial
2.2.3 Discusión de resultados
Los resultados obtenidos por el ensayo de caracterización son positivos en
cuanto a la tendencia de aumento de la capacidad con la frecuencia que experimenta
el condensador flexible. Esta capacidad no ha resultado suficientemente elevada
como para hacer de este condensador un dispositivo competitivo, sin embargo, ha
demostrado ser muy estable en el amplio rango de frecuencias analizado por el
medidor de impedancia.
Este resultado cobra especial importancia si se compara con la gráfica de
capacidad del condensador electrolítico. Este condensador pierde capacidad con la
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0.000 10000000.000 20000000.000 30000000.000 40000000.000 50000000.000
Re
sist
en
cia
en
se
rie
[Ω
]
Frecuencia [Hz]
Rs [Ω]
83
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
frecuencia llegando a dejar de comportarse como condensador. Además, la gráfica
muestra la inestabilidad de su capacidad ya que ésta toma valores significativos
únicamente en un pequeño rango.
De los ensayos de conductividad de las muestras se obtuvieron unos
resultados reducidos de esta propiedad. Por ese motivo, la resistencia en serie del
modelo equivalente del condensado de nanocables de palta tiene valores elevados
para todas las frecuencias. A pesar de este hecho, muestra una tendencia a reducir
su valor con la frecuencia, similar a la tendencia presente en la resistencia en serie
del condensador electrolítico.
84
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
III.- Estudio Económico
En este apartado se pretende llevar a cabo un análisis económico del producto final del
proyecto, es decir, del condensador. El condensador que se estudia en este apartado está fabricado
con los conductores flexibles que tienen el textil de sarga como material base cargado con
nanocables de plata.
Para realizar este estudio, se lleva a cabo un presupuesto en el que se tiene en cuenta el
proceso de fabricación de las tintas, el de los conductores flexibles y el montaje del condensador,
así como el coste de los materiales utilizados.
Por tratarse de un proyecto puramente experimental, este apartado no se trata de un análisis
de viabilidad económica, sino de una estimación económica del coste del proceso, con el objetivo
de cuantificar de una forma concreta los costes derivados del estudio.
3.1 Definición del proceso de fabricación
El proceso de producción que sigue el producto destaca por la simplicidad y su
facilidad para la implementación en una línea de montaje. Este proceso es fácilmente
automatizable lo que supone una reducción de los costes a largo plazo en un proceso
industrial.
La definición de este proceso de fabricación (Ilustración 36) sigue la misma línea
que la utilizada en la parte experimental del proyecto. La única diferencia entre ambos es
el acabado final del procesadora, que en este caso consta de unos conectores de aluminio
y de una cobertura de seguridad.
85
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Ilustración 36
Como muestra la ilustración, el proceso de fabricación consta de 4 subprocesos
principales: la fabricación de la solución coloidal de nanocables de plata, la preparación de
los materiales base, la fabricación de los conductores flexibles y el montaje del
condensador. En el gráfico se muestra también las operaciones y los materiales utilizados
en los subprocesos. Esta información es la necesaria para obtener un presupuesto preciso.
3.2 Coste de material
Para analizar el coste de material se analizan los precios de mercado de los
materiales necesarios, y se obtiene mediante estos el precio unitario de dichos materiales
en un condensador. En el caso de los materiales utilizados en la solución coloidal (Tabla
Fabricación de la solución coloidal de Ag NWs
Cloruro de plata
Nitrato de plata
PVP
Agitación magnética
Preparación del material base
Textil de Sagra
Selección y corte
Fabricación de los conductores flexibles
Proceso de inmersión y secado
Horno de vacío
montaje del condensador
Añadir conectores de aluminio y material aislante
Envoltura de seguridad
86
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
6), se debe obtener el porcentaje en masa de dichos compuestos en la muestra de solución
necesaria para la construcción de dos muestras de conductores flexibles, es decir, para la
construcción de un condensador.
Coste Solución coloidal
Material precio($/kg) cantidad necesaria (g) precio unitario ($) precio unitario (€)
AgCl 2150 0,25 0,54 0,60
PVP 610,2 120 73,22 82,01
AgNO3 1430 1,1 1,57 1,76
Total 75,33 84,37
Tabla 6
En cuanto al coste de los materiales necesarios para la construcción del
condensador (tabla 7), el proceso es bastante similar. Sin embargo, en el caso de los
conectores, y la envoltura, el precio es unitario, en lugar de tener como dato el coste por
kilogramo.
Coste muestras y condensador
Material precio(€/kg) cantidad necesaria (g) precio unitario (€)
Texil 2,25 1,4296 0,0032
Papel 0,5064 0,447 0,0002
Conector - - 0,8500
Envoltura - - 0,75
Total 1,6034
Tabla 7
Por lo tanto el coste total de material (tabla 8) queda:
coste total por material 85,98
87
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Tabla 8
3.3 Coste de proceso
Para analizar el coste del proceso se debe tener en cuenta el coste de máquina, para
lo cual es necesario analizar el uso de maquinaria especializada. Además, se debe tener en
cuenta también el coste de mano de obra tanto en montaje como en máquina, y el tiempo
unitario de uso de cada máquina. Como resultado se obtiene el coste de puesto de trabajo.
Tiempo de uso de la maquinaria especializada (Tabla 9):
Agitación Magnética Requiere 10 minutos/200ml ≈0,002 Hora/Uni.
Horno de Vacío Requiere 100 minutos/200ml ≈0,02 Hora/Uni.
Tabla 9
Coste de amortización de la maquinaria (tabla 10):
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑈𝑠𝑜 =𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑀á𝑞𝑢𝑖𝑛𝑎
𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝐴𝑚𝑜𝑟𝑡.∗ 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝐻𝑎𝑏. 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙 ∗ 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑈𝑛𝑖.
Ecuación 23
Maquina Precio
Maquina (€)
Periodo de Amortización
(Años)
Tiempo Requeridas
por Uni. (Horas)
Coste de uso Maquina por
unidad (€)
Agitación Magnética 2500 3 0,002 0,0009
Horno de Vacío 2000 2 0,02 0,0111
Tabla 10
Con lo que se obtiene un coste de máquina (tabla 11):
88
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Tiempo Total de Maquinas Requerido Por Unidad (Horas) 0,022
Coste Total de Uso de Maquinas Por Unidad (€) 0,012
Tabla 11
En cuanto a la mano de obra directa, es necesario analizar los subprocesos en los
que es requerida. Estos subprocesos son aquellos en los que se requiere mover las muestras
de un puesto a otro, el uso de algunos equipos y el montaje final del dispositivo.
Coste mano de obra (tabla 12):
Tiempo Requerido de Mano de Obra Por Proceso y por Unidad
Proceso Tiempo (Horas)
Montaje Laminar 0,033
Añadir Colectores 0,008
Juntar con Conectores 0,004
Horno de Vacio 0,020
Tiempo Total de Montaje a Mano por Unidad 0,066
Precio por Hora de Mano de Obra(€) 6,00
Precio Mano de Obra por unidad (€) 0,395
Tabla 12
89
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
3.4 Presupuesto total
Teniendo en cuenta el coste de material y el de proceso, el precio unitario (tabla 13)
de un condensador queda:
Precio de Maquinaria por Unidad (€) 0,0120
Precio de Mano de Obra por Unidad(€) 0,40
Precio de Material por Unidad (€) 85,98
Precio de Fabricación Total por Unidad (€) 86,39
Tabla 13
El coste final queda por tanto bastante alto, el motivo principal del elevado coste
son los compuestos utilizados en la solución coloidal de nanocables de plata. Sin embargo,
por tratarse de un proceso experimental un alto coste resulta asumible. La razón para ello
es que no se plantea el condensador como capaz de salir al mercado y resultar competitivo,
ya que la investigación sobre este tema se encuentra en una fase embrionaria, sino que se
trata únicamente de obtener el coste derivado de la investigación realizada.
90
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
IV.- Conclusiones
Una vez llevada a cabo la construcción y la caracterización del condensador, objetivo
principal del proyecto, se plantea este apartado para plantear las conclusiones obtenidas en el
proyecto.
En lo respectivo a las dispersiones coloidales, el método de síntesis empleado para
la obtención de nanopartículas de plata ha resultado perfectamente realizable en
condiciones sencillas de laboratorio, ofreciendo un resultado muy positivo en su
gráfica de absorción. Este método tiene ventajas como la temperatura a la que se
realiza, alcanzable mediante una simple placa calefactora. Por otra parte, la
dispersión coloidal de nanocables de plata mostraba el pico de absorción fuera del
rango del espectrofotómetro, indicando la presencia de nanocables de plata de un
tamaño mayor del óptimo, y reduciendo las propiedades de conductividad eléctrica
y térmica de la dispersión. Por lo tanto, el método se síntesis de la solución de
nanocables no resulta el más apropiado.
En cuanto a los conductores flexibles, las propiedades de conductividad han
resultado también menores de lo esperado. Las muestras preparadas con
nanopartículas de plata presentan unas propiedades de conductividad menores que
las de otros materiales conductores más extendidos. Las muestras cargadas con
nanocables obtuvieron propiedades ligeramente más elevadas, pero aun sin llegar
niveles de conductividad eléctrica y térmica comparables a los conductores
habituales.
El análisis económico del proyecto ha revelado el alto coste que supone la
investigación con estos materiales, debido al elevado precio de mercado de los
compuestos utilizados en la síntesis de las dispersiones de nanopartículas, el cloruro
de plata y el nitrato de plata.
Por último, es destacable en este apartado, que los resultados finales de capacidad
del condensador han resultado más bajos de lo esperado. Sin embargo, la tendencia
de aumento de capacidad con la frecuencia es un resultado muy positivo que invita
a continuar la investigación en este campo. Otro aspecto positivo es que debido a
la flexibilidad y a la masa reducida de los condensadores, es posible utilizar un
número n de estos en configuración en paralelo, lo que permite aumentar la
capacidad n veces, sin que el dispositivo final tenga una masa o un tamaño
excesivos.
91
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
En conclusión, el condensador fabricado mediante los conductores flexibles cargados con
nanocables de plata no supone un gran avance respecto a sus propiedades. No obstante, la línea de
investigación iniciada en este proyecto ofrece expectativas prometedoras debido a la propiedad del
condensador fabricado que hace que éste aumente su capacidad con la frecuencia, convirtiéndolo
en un posible candidato para aplicaciones que tengan dichas condiciones de trabajo.
92
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
V.- Recomendaciones
En este apartado se pretende ofrecer recomendaciones a seguir para futuros estudios que
amplíen la investigación sobre los conductores flexibles. El objetivo es ofrecer apuntes concretos
que permitan un avance más rápido de futuras investigaciones.
Como primer apunte, se recomienda profundizar en la investigación del método de
síntesis para la dispersión coloidal de nanocables de plata. En este proyecto, los
mejores resultados se han obtenido en los conductores flexibles cargados con este
tipo de nanopartículas. Sin embargo, el espectro de absorción para esta dispersión
denota que el tamaño de los nanocables es mayor del óptimo, lo que afecta a sus
propiedades de conductividad. Mejorar el método de síntesis de forma que permita
obtener nanocables de menor tamaño supondría mejorar las propiedades de
conductividad eléctrica y térmica de los conductores y por tanto mejorar la
capacidad final del condensador y reducir sus pérdidas.
En segundo lugar, el método de impregnación de nanopartículas es también una
posible fuente de investigación. Cuanto mayor sea la adhesión de nanopartículas a
las fibras del material base, es también mayor el incremento de conductividad
eléctrica y térmica que experimenta. Con una mayor carga de nanopartículas se
mejorarían las propiedades de los conductores flexibles y por tanto los
condensadores fabricados con estos. Una de las dificultades que han surgido en este
proyecto ha sido la imposibilidad de mantener el vacío durante el secado de las
muestras de conductores flexibles debido a la humedad presente, que provocaba el
deterioro de la bomba. Por lo tanto se propone experimentar con dispositivos más
especializados en trabajar con elevados grados de humedad.
Por último, debido al resultado obtenido en la caracterización del condensador, en
el que este aumenta su capacidad con la frecuencia, se recomienda profundizar en
la investigación sobre este hecho. Llevar a cabo ensayos más específicos con el
objetivo de explicar esta propiedad es el siguiente paso para esta investigación. Para
ello se recomienda llevar a cabo ensayos que permitan obtener el modelo
equivalente completo del condensador.
93
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
94
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
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Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
97
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
98
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Anexo A: Espectros de absorción de las soluciones coloidales
Nanopartículas de plata
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Nanocables de plata
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condensadores flexibles en base a
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Anexo B: Ensayo de conductividad térmica
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 A(m2) L(m) k
kmed(w/mk)
Ag
Nan
op
arti
cles
Papel I
50 50 48 40.
7 37.
9 36.
3 21 20.
7 20.
5
4.91E-04 4.10E-
04 5.46E-
01
5.35E-01
51 51 48.
7 41.
3 38.
3 36.
7 21 20.
7 20.
5
4.91E-04 4.10E-
04 5.32E-
01
51.9 51.8
49.4
41.8
38.7 37
21.1
20.7
20.6
4.91E-04 4.10E-
04 5.26E-
01
Papel II
50 49.7 47.
6 37.
5 34.
8 33.
5 20.
6 20.
6 20.
5
4.91E-04 5.10E-
04 8.06E-
01
7.90E-01 50.6 5.3
48.2 38
35.3 34
20.9
20.6
20.5
4.91E-04 5.10E-
04 7.94E-
01
51.3 51
48.8
38.5
35.7
34.4
20.9
20.7
20.5
4.91E-04 5.10E-
04 7.70E-
01
Papel PC
50 490
7 48.
4 42.
2 39.
5 38.
2 20.
6 20.
6 20.
4
4.91E-04 3.40E-
04 3.94E-
01
3.89E-01 50.8 50.5
49.1
42.6
39.8
38.4
20.6
20.6
20.4
4.91E-04 3.40E-
04 3.89E-
01
51.7 51.3
49.8 43
40.1
38.7
20.7
20.6
20.4
4.91E-04 3.40E-
04 3.85E-
01
Ag
Nan
ow
ires
Papel PC
50 49.7 48.
4 42.
2 39.
5 38.
2 20.
6 20.
6 20.
4
4.91E-04 3.60E-04
4.17E-01
4.12E-01 50.8 50.5
49.1
42.6
39.8
38.4
20.6
20.6
20.4
4.91E-04 3.60E-04
4.12E-01
51.7 51.3
49.8 43
40.1
38.7
20.7
20.6
20.4
4.91E-04 3.60E-04
4.08E-01
Textil Sarga
50 49.9 48 41.
5 39 37.
5 21.
6 21.
2 20.
9
4.91E-04 7.70E-
04 9.87E-
01
9.77E-01 50.6 50.6
48.6
41.8
49.3
37.7
21.6
21.2
20.9
4.91E-04 7.70E-
04 9.75E-
01
51.3 51.3
49.1
42.2
39.5
37.8
21.6
21.2
20.9
4.91E-04 7.70E-
04 9.69E-
01
Textil Lana animal
50 49.8 48.
5 42 39.
6 38.
2 20.
9 20.
6 20.
5
4.91E-04 9.30E-
04 1.10E+0
0
1.08E+00 50.9 50.7
49.2
42.3
39.9
38.4 21
20.7
20.5
4.91E-04 9.30E-
04 1.09E+0
0
51.9 51.6 50
42.8
40.2
38.7
20.9
20.7
20.5
4.91E-04 9.30E-
04 1.06E+0
0
107
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
108
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Anexo C: Ensayo de conductividad eléctrica
ag nw R(ohm) L(m) A(m^2) ρ(ohm·m) σ(S/m) σmed(S/m)
Fieltro
4.00E+06 1.00E-02 7.85E-07 3.14E+02 3.18E-03
3.71E-03
3.60E+06 1.00E-02 7.85E-07 2.83E+02 3.54E-03
2.90E+06 1.00E-02 7.85E-07 2.28E+02 4.39E-03
papel
1.33E+07 1.00E-02 7.85E-07 1.04E+03 9.58E-04
9.94E-04
1.00E+07 1.00E-02 7.85E-07 7.85E+02 1.27E-03
1.70E+07 1.00E-02 7.85E-07 1.33E+03 7.49E-04
Vaquero
1
1.70E+02 1.00E-02 7.85E-07 1.33E-02 7.49E+01
8.48E+01
1.36E+02
9.70E+01 1.00E-02 7.85E-07 7.61E-03 1.31E+02
2.64E+02 1.00E-02 7.85E-07 2.07E-02 4.83E+01
2
1.98E+03 1.00E-02 7.85E-07 1.55E-01 6.44E+00
2.15E+00
8.00E+06 1.00E-02 7.85E-07 6.28E+02 1.59E-03
1.00E+07 1.00E-02 7.85E-07 7.85E+02 1.27E-03
3
1.30E+06 1.00E-02 7.85E-07 1.02E+02 9.80E-03
1.05E-02
1.40E+06 1.00E-02 7.85E-07 1.10E+02 9.10E-03
1.00E+06 1.00E-02 7.85E-07 7.85E+01 1.27E-02
4
3.30E+01 1.00E-02 7.85E-07 2.59E-03 3.86E+02
4.58E+02
4.00E+01 1.00E-02 7.85E-07 3.14E-03 3.18E+02
1.90E+01 1.00E-02 7.85E-07 1.49E-03 6.70E+02
109
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
110
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Anexo D: Caracterización del condensador
Condensador flexible de nanocables de plata
Frecuencia [Hz] Cs[pF] Rs[Ohm]
1 100.000 164.6460 4,56628M
2 268555.705 58.9300 784.145
3 537011.409 57.4164 380.29
4 805467.114 56.6292 262.82
5 1073922.819 56.1138 208.455
6 1342378.523 55.7123 177.17
7 1610834.228 55.4927 157.08
8 1879289.933 55.2709 143.467
9 2147745.638 55.0774 133.155
10 2416201.342 54.9308 125.772
11 2684657.047 54.7876 119.349
12 2953112.752 54.6859 114.724
13 3221568.456 54.5821 110.785
14 3490024.161 54.5061 107.255
15 3758479.866 54.4344 104.541
16 4026935.570 54.3658 102.14
17 4295391.275 54.3309 99.888
18 4563846.980 54.2820 98.2334
19 4832302.685 54.2539 96.5062
20 5100578.389 54.2233 95.0552
21 5369214.094 54.2027 93.8061
22 5637669.799 54.1810 92.602
23 5906125.503 54.1684 91.6024
24 6174581.208 54.1740 90.516
25 6443036.913 54.1817 89.6945
26 6711492.617 54.1838 88.8485
27 6979948.322 54.1992 88.1251
28 7248404.026 54.2123 87.4644
29 7516859.731 54.2473 86.8761
30 7785315.435 54.2703 86.2544
31 8053771.140 54.2989 85.7242
32 8322226.844 54.3386 85.2384
33 8590682.549 54.3825 84.771
34 8859138.253 54.4379 84.2923
35 9127593.958 54.4845 83.87
36 9396049.662 54.5427 83.4426
37 9664505.367 54.6059 83.0785
111
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
38 9932961.071 54.6773 82.7522
39 10201416.776 54.7571 82.35
40 10469872.480 54.8283 82.0701
41 10738328.185 54.9420 81.7965
42 11006783.889 54.9973 81.5035
43 11275239.594 55.0932 80.1066
44 11543695.298 55.1958 79.7713
45 11812151.003 55.2944 79.4943
46 12080606.707 55.4069 79.2776
47 12349062.412 55.5192 79.0343
48 12617518.116 55.6297 79.4569
49 12885973.821 55.7820 79.2047
50 13154429.525 55.9177 78.9865
51 13422885.230 56.0505 78.7772
52 13691340.934 56.1462 78.6634
53 13959796.639 56.3341 78.4423
54 14228252.343 56.4511 78.1795
55 14496708.048 56.6153 77.9794
56 14765163.752 56.7607 77.8192
57 15033619.457 56.9230 77.6651
58 15302075.161 57.0778 77.5321
59 15570530.866 57.2601 77.3872
60 15838986.570 57.4480 77.1895
61 16107442.275 57.6136 76.9846
62 16375897.979 57.7850 76.8553
63 16644353.684 57.9748 76.7287
64 16912809.388 58.1747 76.4992
65 17181265.093 58.3543 76.3867
66 17449720.797 58.5639 76.2248
67 17718176.502 58.8139 76.067
68 17986632.206 59.0000 75.9345
69 18255087.911 59.2177 75.7732
70 18523543.615 59.4666 75.6663
71 18791999.320 59.7112 75.4992
72 19060455.024 59.9707 75.367
73 19328910.729 60.1991 75.2555
74 19597366.433 60.4723 75.0882
75 19865822.138 60.7221 74.9793
76 20134277.842 61.0166 74.8452
77 20402733.547 61.2909 74.7329
78 20671189.251 61.5628 74.6058
79 20939644.956 61.8573 74.4632
80 21208100.660 62.1660 74.6774
112
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
81 21476556.365 62.4907 74.2306
82 21745012.069 62.7939 74.1554
83 22013467.774 63.1225 74.0317
84 22281923.478 63.4365 73.9175
85 22550379.183 63.7782 73.8771
86 22818834.887 64.1142 73.7942
87 23087290.592 64.4672 73.6837
88 23355746.296 64.8367 73.5323
89 23624202.001 65.1895 73.5015
90 23892657.705 65.5648 73.3906
91 24161113.410 65.9666 73.2911
92 24429569.114 66.3548 73.2067
93 24698024.819 66.7416 73.0892
94 24966480.523 67.1609 72.9983
95 25234936.228 67.5791 72.9321
96 25503391.932 68.0111 72.8325
97 25771847.637 68.4363 72.7347
98 26040303.341 68.9074 72.6764
99 26308759.046 69.3582 72.5966
100 26577214.750 69.8480 72.4934
101 26845670.455 70.3270 72.4057
102 27114126.159 70.8127 72.3259
103 27382581.864 71.3127 72.237
104 27651037.568 71.8524 72.1316
105 27919493.273 72.3939 72.084
106 28187948.977 72.8976 72.2629
107 28456404.682 73.4482 72.202
108 28724860.386 74.0359 72.1291
109 28993316.091 74.6096 72.0342
110 29261771.795 75.1754 71.9899
111 29530227.500 75.8237 71.8833
112 29798683.204 76.4561 71.8358
113 30067138.909 77.1206 71.7295
114 30335594.613 77.7971 71.637
115 30604050.318 78.4665 71.5967
116 30872506.022 79.2090 71.5083
117 31140961.727 79.9245 71.4506
118 31409417.431 80.6842 71.631
119 31677873.136 81.4679 71.2856
120 31946328.840 82.2648 71.219
121 32214784.545 83.0553 71.1393
122 32483240.249 83.9334 71.0919
123 32751695.954 84.7717 71.024
113
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
124 33020151.658 85.6778 70.9574
125 33288607.363 86.6076 70.862
126 33557063.067 87.5393 70.8073
127 33825518.772 88.5147 70.7486
128 34093974.476 89.5495 70.7111
129 34362430.181 90.5948 70.6335
130 34630885.885 91.6773 70.5758
131 34899341.590 92.8231 70.4958
132 35167797.294 93.9711 70.4168
133 35436252.999 95.1649 70.3695
134 35704708.703 96.3396 70.3123
135 35973164.408 97.6541 70.231
136 36241620.112 98.9748 70.1791
137 36510075.817 100.3480 70.116
138 36778531.521 101.7262 70.0533
139 37046987.226 103.2720 69.9916
140 37315442.930 104.7910 69.9051
141 37583898.635 106.4010 69.8674
142 37852354.339 108.0320 69.7953
143 38120810.044 109.7020 69.7233
144 38389265.748 111.5580 69.6721
145 38657721.453 113.3730 69.6023
146 38926177.157 115.3840 69.5161
147 39194632.862 117.3600 69.4565
148 39463088.566 119.3540 69.4154
149 39731544.271 121.6090 69.311
150 39999999.975 123.9090 69.2537
114
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Condensador electrolítico comercial
Frecuencia [Hz] Cs[F] Rs[Ohm]
1 100.000 8.6291E-07 36.2089
2 268555.705 5.40043E-07 6.1253
3 537011.409 4.16095E-07 5.97076
4 805467.114 3.41615E-07 5.85939
5 1073922.819 2.98615E-07 5.76751
6 1342378.523 2.73592E-07 5.68632
7 1610834.228 2.6327E-07 5.6148
8 1879289.933 2.63392E-07 5.55008
9 2147745.638 2.76659E-07 5.49008
10 2416201.342 3.08794E-07 5.43389
11 2684657.047 3.72239E-07 5.38119
12 2953112.752 5.19747E-07 5.33125
13 3221568.456 1.04E-06 5.28503
14 3490024.161 -5.05E-06 5.24005
15 3758479.866 -6.3953E-07 5.19725
16 4026935.570 -3.18201E-07 5.15653
17 4295391.275 -2.01499E-07 5.11716
18 4563846.980 -1.42929E-07 5.07922
19 4832302.685 -1.08274E-07 5.04282
20 5100578.389 -8.52707E-08 5.00705
21 5369214.094 -6.93181E-08 4.97287
22 5637669.799 -5.7653E-08 4.93942
23 5906125.503 -4.87403E-08 4.90671
24 6174581.208 -4.18265E-08 4.87541
25 6443036.913 -3.63508E-08 4.84448
26 6711492.617 -3.18722E-08 4.8145
27 6979948.322 -2.81827E-08 4.78504
28 7248404.026 -2.51204E-08 4.7568
29 7516859.731 -2.25249E-08 4.72597
30 7785315.435 -2.03165E-08 4.70209
31 8053771.140 -1.84262E-08 4.67554
32 8322226.844 -1.67927E-08 4.65015
33 8590682.549 -1.53602E-08 4.62444
34 8859138.253 -1.41068E-08 4.60009
35 9127593.958 -1.3005E-08 4.57533
36 9396049.662 -1.20216E-08 4.55143
37 9664505.367 -1.11502E-08 4.5277
38 9932961.071 -1.03731E-08 4.50512
39 10201416.776 -9.6693E-09 4.48283
115
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
40 10469872.480 -9.03266E-09 4.45998
41 10738328.185 -8.46299E-09 4.43784
42 11006783.889 -7.94184E-09 4.41708
43 11275239.594 -7.7668E-09 4.39618
44 11543695.298 -7.03544E-09 4.37512
45 11812151.003 -6.63889E-09 4.35531
46 12080606.707 -6.2788E-09 4.33444
47 12349062.412 -5.94046E-09 4.31523
48 12617518.116 -5.6323E-09 4.29546
49 12885973.821 -5.34871E-09 4.27679
50 13154429.525 -5.08249E-09 4.25759
51 13422885.230 -4.83717E-09 4.23898
52 13691340.934 -4.60851E-09 4.22071
53 13959796.639 -4.39576E-09 4.20316
54 14228252.343 -4.19795E-09 4.18535
55 14496708.048 -4.01274E-09 4.16783
56 14765163.752 -3.83921E-09 4.15009
57 15033619.457 -3.67663E-09 4.13332
58 15302075.161 -3.52408E-09 4.11653
59 15570530.866 -3.38109E-09 4.10036
60 15838986.570 -3.24674E-09 4.08327
61 16107442.275 -3.11948E-09 4.06762
62 16375897.979 -2.99968E-09 4.05105
63 16644353.684 -2.88664E-09 4.03558
64 16912809.388 -2.77941E-09 4.0196
65 17181265.093 -2.6781E-09 4.00439
66 17449720.797 -2.58234E-09 3.98899
67 17718176.502 -2.49176E-09 3.97442
68 17986632.206 -2.40551E-09 3.95979
69 18255087.911 -2.32397E-09 3.94503
70 18523543.615 -2.24604E-09 3.93113
71 18791999.320 -2.17236E-09 3.91756
72 19060455.024 -2.10191E-09 3.90367
73 19328910.729 -2.03478E-09 3.89032
74 19597366.433 -1.97081E-09 3.87669
75 19865822.138 -1.91013E-09 3.86421
76 20134277.842 -1.85202E-09 3.85043
77 20402733.547 -1.79634E-09 3.83857
78 20671189.251 -1.74331E-09 3.82613
79 20939644.956 -1.69233E-09 3.81311
80 21208100.660 -1.64382E-09 3.80126
81 21476556.365 -1.59708E-09 3.78913
82 21745012.069 -1.55257E-09 3.77737
116
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
83 22013467.774 -1.50975E-09 3.76516
84 22281923.478 -1.46871E-09 3.75403
85 22550379.183 -1.42958E-09 3.74267
86 22818834.887 -1.39185E-09 3.73126
87 23087290.592 -1.35562E-09 3.7205
88 23355746.296 -1.32059E-09 3.70963
89 23624202.001 -1.28682E-09 3.69803
90 23892657.705 -1.25454E-09 3.68708
91 24161113.410 -1.22351E-09 3.67623
92 24429569.114 -1.19358E-09 3.66475
93 24698024.819 -1.16465E-09 3.6543
94 24966480.523 -1.13688E-09 3.64359
95 25234936.228 -1.10984E-09 3.63244
96 25503391.932 -1.08421E-09 3.62228
97 25771847.637 -1.05296E-09 3.61139
98 26040303.341 -1.03509E-09 3.60067
99 26308759.046 -1.01117E-09 3.5896
100 26577214.750 -9.89306E-10 3.57907
101 26845670.455 -9.67497E-10 3.56907
102 27114126.159 -9.46352E-10 3.55773
103 27382581.864 -9.26012E-10 3.547
104 27651037.568 -9.06268E-10 3.5357
105 27919493.273 -8.87138E-10 3.52548
106 28187948.977 -8.6858E-10 3.51402
107 28456404.682 -8.50669E-10 3.50394
108 28724860.386 -8.33247E-10 3.49341
109 28993316.091 -8.16398E-10 3.48264
110 29261771.795 -8.00052E-10 3.47239
111 29530227.500 -7.84216E-10 3.46206
112 29798683.204 -7.68772E-10 3.45146
113 30067138.909 -7.53838E-10 3.44093
114 30335594.613 -7.39265E-10 3.43103
115 30604050.318 -7.25143E-10 3.42064
116 30872506.022 -7.11504E-10 3.41042
117 31140961.727 -6.98238E-10 3.40036
118 31409417.431 -6.85316E-10 3.3901
119 31677873.136 -6.7269E-10 3.37992
120 31946328.840 -6.60513E-10 3.36965
121 32214784.545 -6.486E-10 3.36007
122 32483240.249 -6.37098E-10 3.35072
123 32751695.954 -6.25744E-10 3.34047
124 33020151.658 -6.14795E-10 3.33128
125 33288607.363 -6.04181E-10 3.32111
117
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
126 33557063.067 -5.93678E-10 3.31124
127 33825518.772 -5.83483E-10 3.30151
128 34093974.476 -5.73605E-10 3.29182
129 34362430.181 -5.63951E-10 3.28213
130 34630885.885 -5.54609E-10 3.27201
131 34899341.590 -5.45438E-10 3.26215
132 35167797.294 -5.36547E-10 3.25315
133 35436252.999 -5.27289E-10 3.24365
134 35704708.703 -5.19346E-10 3.23434
135 35973164.408 -5.11055E-10 3.22485
136 36241620.112 -5.02961E-10 3.21548
137 36510075.817 -4.9504E-10 3.20626
138 36778531.521 -4.87341E-10 3.19713
139 37046987.226 -4.79835E-10 3.18841
140 37315442.930 -4.72452E-10 3.17968
141 37583898.635 -4.6522E-10 3.1701
142 37852354.339 -4.58208E-10 3.16093
143 38120810.044 -4.51332E-10 3.15291
144 38389265.748 -4.44593E-10 3.14379
145 38657721.453 -4.38026E-10 3.13548
146 38926177.157 -4.31593E-10 3.12668
147 39194632.862 -4.25317E-10 3.11865
148 39463088.566 -4.19079E-10 3.10972
149 39731544.271 -4.13078E-10 3.10134
150 39999999.975 -4.0722E-10 3.09251
118
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Dedicado:
A mi Abuelo Víctor
119
Construcción y caracterización de
condensadores flexibles en base a
nanopartículas metálicas
Agradecimientos:
A mis padres, a mis hermanos y a Nancy, por haberme dado la oportunidad de estudiar esta carrera, por su
apoyo constante sin el cual no habría podido llegar hasta aquí, por enseñarme mediante su ejemplo el valor
del esfuerzo, y tantas otras cosas que solo se aprenden en casa.
A D. Joaquín Tutor, por ofrecerme la oportunidad de trabajar con él, por sus aclaraciones, por compartir
conmigo su experiencia, y por el excelente trato humano que me ha ofrecido durante todo el año.
A Dña. Yolanda García y a D Juan Carlos del Real, por su ayuda y colaboración.
A Alba, Luis, María y al resto de estudiantes con los que tuve la suerte de compartir laboratorio, por su
ayuda inestimable en este proyecto.
A mis compañeros, Sara, Óscar, Edu, Nacho y tantos otros, por enseñarme el espíritu del compañerismo,
por las tardes de estudio y las sesiones de prácticas, sin ellos el paso por la universidad no habría sido igual.
A Sara y a Borja, que introdujeron en mí el sueño de llegar a ser ingeniero, por el apoyo mostrado, y por
sus consejos, que me recuerdan el valor de no rendirse nunca.
Al United Bubbles y a sus miembros, por enseñarme lo que significa ser la familia que se elige, y a que el
tiempo que disfrutas perdiendo no siempre está perdido.