[en] Thermoplastic polymers are known, in general, for their broad use in the melt extrusion and moulding plastic industry with a large variety of applications such as packaging, textiles and automotive components. One attempt to increase their application range is to incorporate into them, nanoscale fillers with intrinsically high electrical and mechanical performance. Among nanoscale modifiers, carbon nanofibers, CNFs are very suitable due to show similar mechanical and electrochemical properties compared to the carbon nanotubes, CNTs, but at a lower cost. These facts, together to the relatively easier incorporation and dispersion into polymers also raised the interest in CNFs as adequate new materials to provide solutions to some challenges in composite applications. CNFs can be prepared with diameters in the nanometer scale, resulting in high aspect ratios, AR. Pyrograf®-III nanofibers [Applied Sciences Inc. (ASI), Ohio, USA], used in this study in particular, are a sort of vapor-grown carbon nanofibers, VGCNFs, fabricated by chemical vapor deposition, CVD, with stacked-cup morphology. Associated with their large surface area, CNFs tend to come in aggregated structures which may negatively affect the composites properties if not dispersed correctly. Success strongly depends on knowing the influence of degree of dispersion of CNFs in the final properties. In this regard, an intensive research in CNTs and CNFs based polymer composites has been motivated by the importance of several key-factors: morphology, dispersion and distribution of nanofillers in the host polymer, polymer-nanofiller interactions and finding out processing-structure-final properties relationships. In order to define clear and systematic relationships between processing, final structure and final properties, is important to identify first the advantages and disadvantages that each kind of CNFs, polymer and processing method may contribute to the final electrical, thermal and mechanical performance. This study introduces different carbon nanofiber-based polypropylene, PP, nanocomposites processed by twin-screw extrusion, a common-use industrial technique which allows a large-scale production and provides a good relation between quality and cost of the composite materials. The main focus is to investigate and tailor, if possible, the effect of the content and the different intrinsic CNFs´ structures on morphology and thermal, mechanical, electrical, rheological and electro-mechanical performance of the final nanocomposites. First, four different Pyrograf®-III VGCNFs were systematically incorporated in the same polypropylene matrix by twin-screw extrusion under relatively high shear mixing conditions. Then, the relations between morphology, thermal and mechanical and electrical analysis were studied. Morphology was analyzed by scanning electron microscopy, SEM, and by statistical greyscale analysis, GSA, based on transmitted light optical microscopy, LOM. Thermal properties were characterized by thermogravimetric analysis, TGA, and differential scanning calorimetry, DSC. As a result of this first approach, the morphology together with distribution in the polymer was evaluated. After, rheological and electrical properties in electrical and non-electrical conducting composites were evaluated and correlated with the aim of examining if rheological analysis, besides being a method to assess processing performance, allows distinguishing electrical conducting from electrical isolating response in this kind of systems. The last part of this study was dedicated to investigate the electromechanical performance of these composites as piezoresistive transductors. This study establishes that the desired physical properties of carbon nanofiber based-polypropylene nanocomposites fabricated by shear extrusion can be tailored when the adequate CNFs structure and content are chosen. In particular, nanocomposites fabricated with CNFs with highly graphitic outer wall layer and with heat treatments of 1500 °C revealed to have electrical response, exhibiting low thresholds and values close to meet the electromagnetic / radio-frequency interference (EMI / RFI) shielding requirements. On the other hand, nanocomposites fabricated with CNFs with pyrolitical stripped outer layer showed good mechanical performance, but they revealed non-electrical conducting response at the same contents of CNFs. Thermogravimetric analysis showed shift to higher temperatures of the main thermal degradation of the polymer with the addition of CNFs. DSC indicated a strong enhancement of the degree of crystallinity with the inclusion of the filler, independently on the filler content and type. The degree of dispersion evaluated using LOM and GSA shows a correlation between the filler concentration and the variance, a parameter which measures quantitatively the dispersion: the lower the variance, the better the cluster´s dispersion, for all composites. Besides, it was also observed a large difference in viscoelastic properties between electrical conducting and isolating composites. In this regard, rheological analysis demonstrated to establish direct viscoelastic – electrical properties relationships. On the other hand, the electrical conducting CNFs / PP composites showed to have better piezoresistive performance or variation of the electrical resistivity in the presence of external deformations at concentrations close to the electrical thresholds. Finally, the dependence of Gauge Factor, GF, parameter associated with piezoresistive response, as a function of the deformation and velocity of deformation was calculated. In this way, it was demonstrated that the electrical conducting composites obtained in this study can also be used as self-sensing materials.

[gl] Os polímeros termoplásticos son coñecidos, en xeral, pola súa ampla empregabilidade en extrusión e moldeamento, cunha gran variedade de aplicacións tales como a embalaxe, os téxtiles e os compoñentes para a industria do automóbil. Unha tentativa de aumentar a súa aplicabilidade implica a incorporación de partículas nanométricas con propiedades eléctricas e mecánicas intrínsecas no interior da matriz termoplástica. Entre os diversos tipos de aditivos, as nanofibras de carbono, CNFs, demostran un potencial elevado debido ás súas características eléctricas e mecánicas, similares aos nanotubos de carbono, CNTs, pero cun custo asociado máis reducido. Estas características, relacionadas coa relativa facilidade de incorporación e dispersión en polímeros, aumentaron o interese nas CNFs como novos materiais capaces de achegaren solucións nalgunhas aplicacións innovadoras para os materiais compósitos. As CNFs poden ser preparadas con diámetros de dimensións nanométricas e dan lugar a materiais cunha razón lonxitude/diámetro bastante elevada. Neste traballo foron utilizadas nanofibras Pyrograf [Applied Sciences Inc. (ASI), Ohio, EUA], procesadas por evaporación química de fase vapor, CVD, que revelan unha morfoloxía similar a unha serie de vasos amoreados. Asociadas á súa elevada área superficial específica, as CNFs tenden a formar agregados que poderán reducir as propiedades dos nanocompósitos onde estas son inseridas, especialmente de non se producir a súa dispersión de maneira correcta e uniforme. O éxito para a aplicación das CNFs está estreitamente vinculado ao coñecemento do seu grao de dispersión nas propiedades finais dos nanocompósitos. Con base nesta premisa, realizouse un estudo intensivo en compósitos de CNTs e CNFs de base polimérica, motivado pola importancia da influencia dalgúns factores chave: morfoloxía, dispersión e distribución das nanofibras na matriz polimérica, interacción polímero-nanofibra e relación coas propiedades do posprocesamento. Co fin de definir de forma clara e sistemática a relación entre o procesamento, a morfoloxía e as propiedades finais, é importante identificar inicialmente as vantaxes e desvantaxes da contribución de cada compoñente (CNFs, matriz polimérica e método de procesamento) nas propiedades eléctricas, térmicas e mecánicas. Este estudo aséntase na introdución de diferentes tipos de nanofibras de carbono nunha matriz de polipropileno, PP, procesados nunha extrusora de duplo fuso. Esta técnica emprégase amplamente na industria de transformación de plásticos, o que permitirá un "scale-up" e a consecuente produción en masa que promoverá unha boa relación calidade/prezo destes materiais compósitos. O principal obxectivo deste traballo ten que ver coa investigación e o control do efecto das diferentes estruturas intrínsecas das CNFs nas propiedades morfolóxicas, térmicas, mecánicas, eléctricas, reolóxicas e electromecánicas dos nanocompósitos de CNF/PP. Inicialmente, catro tipos de CNFs (Pyrograf®-III VGCNF) foron sistematicamente incorporados na mesma matriz de polipropileno a través da extrusión de duplo fuso e mesturados so un efecto de corte relativamente elevado. Axiña ficou caracterizada a relación entre a morfoloxía e as propiedades térmicas, mecánicas e eléctricas. A morfoloxía foi analizada por microscopia electrónica de varrido, SEM, e a través dunha análise de escala de cincentos, GSA, con base en microscopia óptica de transmisión, LOM. As propiedades térmicas foron caracterizadas a través de ensaios de termogravimetría, TGA, e calorimetría diferencial de varrido, DSC. Como resultado desta caracterización, a evolución da morfoloxía e a distribución das CNFs na matriz polimérica foi correlacionada. Posteriormente, as propiedades reolóxicas e eléctricas dos nanocompósitos illantes e condutores foron estudadas e correlacionadas coa finalidade de avaliar a análise reolóxica como ferramenta útil que permita diferenciar comportamentos condutores dos non-condutores neste tipo de sistemas. Finalmente, a última parte deste estudo dedicouse á caracterización das propiedades electromecánicas destes compósitos para aplicacións como materiais transdutores. Este estudo establece os contidos e as estruturas máis axeitadas das CNFs para as propiedades físicas desexadas dos nanocompósitos de polipropileno baseados nas nanofibras de carbono. En particular, os nanocompósitos procesados con CNFs con elevados contidos de grafito na parede exterior e con tratamentos térmicos a 1500 °C posúen resposta eléctrica e exhiben uns baixos límites de percolación e uns requisitos próximos dos escudos de protección electromagnéticos e de radiofrecuencia, EMI/RFI. Por outra parte, os nanocompósitos procesados con CNFs, en que a camada exterior foi removida por efecto pirolítico, revelaron posuír un bo desempeño mecánico; porén, estes mostraron ser illantes eléctricos para a mesma cantidade de carga no interior da matriz de PP. As análises termogravimétricas amosan un aumento da estabilidade térmica dos nanocompósitos poliméricos co aumento da concentración de CNF na matriz de PP. Os ensaios por DSC amosaron un incremento da estabilidade térmica dos nanocompósitos poliméricos co aumento da concentración de CNF na matriz de PP. O DSC sinalou un aumento do grao de cristalinidade coa inclusión de nanofibras de carbono, independente do tipo e concentración das CNF. O grao de dispersión avaliado mediante o uso de LOM e GSA amosou unha correlación entre a concentración de carga e a variancia, un parámetro que permite cuantificar a dispersión: canto máis elevada sexa a variancia, mellor será a dispersión dos aglomerados de CNF na matriz polimérica. Detectouse unha diferenza nas propiedades viscoelásticas entre os nanocompósitos condutores e illantes. As propiedades reolóxicas permitiron establecer unha relación viscosidade–propiedades eléctricas dos compósitos. Por outra banda, os nanocompósitos condutores de CNF/PP amosaron unha resposta piezorresistiva máis elevada e unha meirande variación da resistividade eléctrica na presenza dunha acción mecánica externa, para concentracións preto do límite de percolación eléctrico. Finalmente, foi caracterizada a dependencia do factor de Gauge, GF, parámetro asociado á resposta piezorresistiva, en función da deformación mecánica e da velocidade de deformación. Neste sentido, ficou demostrado que os nanocompósitos condutores obtidos no ámbito deste estudo poderán ser utilizados como sensores.