Superfícies nanoestructurades per injecció de plàstic

L’enginyeria de superfícies constitueix una de les àrees industrials més dinàmiques i amb constants avenços tecnològics, molt especialment en la fabricació de peces de materials plàstics. La presència de micro i nanotextures en superfícies és molt comú a la natura, presentant funcionalitats molt diverses que aporten propietats com la hidrofobicitat (flor de lotus), la difracció de llum (que dona color a les ales de papallones), l’absorció o la dispersió de llum, o millores hidrodinàmiques (pell de tauró), entre moltes altres, i que són factibles de ser reproduïdes artificialment amb gran fidelitat.

La generació de micro i nanoestructures a les superfícies permet canviar la relació d’un material amb el seu entorn. Un dels grans reptes és millorar els processos de micro i nanofabricació d’aquests tipus d’estructures i permetre que aquestes tecnologies es puguin escalar industrialment. La texturització de motlles d’injecció de plàstic, per després replicar aquestes estructures en peces plàstiques, és una bona solució, en ser una tècnica de fabricació massiva i econòmica.

En aquest context, el Dr. Tomàs Baldi Boleda ha defensat a l’IQS la seva tesi doctoral sota el títol Manufacturing of nanostructured surfaces by plastic injection moulding, on l’objectiu principal ha estat obtenir superfícies texturitzades funcionals assequibles. La tesi ha estat realitzada sota la direcció del Dr. Andrés Garcia Granada, professor del Departament d’Enginyeria Industrial, i del Dr. Carles Colominas Guàrdia, del Departament d’Enginyeria Química i Ciència de Materials, d’IQS School of Engineering.

Peces texturitzades fabricades per injecció de plàstic

En la seva recerca, el Dr. Baldi ha explorat diferents metodologies per a l’obtenció de textures a escala micromètrica i submicromètrica, emprant diferents estratègies de recobriment i texturització, incloent-hi el texturitzat mitjançant làser pulsat de femtosegons, el qual ha permès obtenir estructures superficials periòdiques conegudes com a LIPSS – de les sigles en anglès Laser Induced Periodic Surface Structure –. Aquestes estructures LIPSS han estat caracteritzades mitjançant espectroscòpia RAMAN, microscòpia electrònica d’escombratge, microscòpia de forces atòmiques i difracció de RX.

Per aconseguir l’objectiu d’obtenir superfícies micro i nanotexturades de cost assequible i que es puguin fabricar de forma industrial, s’ha explorat la fabricació en peces plàstiques mitjançant el procés d’injecció de plàstic utilitzant motlles d’injecció que incorporen el negatiu de les microtextures. En aquest cas, s’han fabricat superfícies superhidrofóbiques, per la qual cosa el Dr. Baldi ha dissenyat i construït un motlle d’injecció que permet el canvi de diferents superfícies i estructures.

Es tracta del primer prototip construït per aconseguir aquesta estratègia, mitjançant el qual s’han pogut obtenir amb èxit peces de polipropilè i policarbonat amb superfícies texturitzades superhidrofòbiques, caracteritzades mitjançant microscòpia electrònica d’escombratge i confocal. També és la primera vegada que es descriuen els paràmetres d’injecció – pressió, temperatura i temps de cicle – emprats per a poder replicar aquestes superfícies del motlle a les peces finals.

Finalment, a la darrera part de la tesi, el Dr. Baldi ha estudiat la fabricació de canals de microfluídica per injecció de plàstic. En concret, ha desenvolupat una estratègia per a la fabricació dels motlles per a microfluídica, aconseguint un procés complet que comença amb la producció del negatiu d’uns canals de microfluídica mitjançant la impressió 3D, seguit d’una còpia dels canals obtinguts en silicona i realitzant finalment un recobriment selectiu amb níquel, obtenint així el negatiu dels canals al motlle, on finalment, mitjançant injecció de plàstic, s’obtenen els canals de microfluídica en peces de policarbonat.

Aquesta tesi ha estat realitzada en col·laboració amb les empreses Flubetech i Microrelleus, l’Asociación de la Industria de Navarra (AIN), la Universidad Pública de Navarra (UPNA), l’Institut de Nanociencia i Materiales de Aragón (INMA) i amb el Centre Nacional de Microelectrònica (CNM-CSIC) de Bellaterra.

Publicacions relacionades

• Tomás Baldi-Boleda, Carles Colominas and Andrés García-Granada
  Femtosecond Laser Texturization on Coated Steel, Coatings Volume 12, October 2022, Article 1602
• Baldi-Boleda, T.; Sadeghi, E.; Colominas, C.; García-Granada, A.
  Simulation Approach for Hydrophobicity Replication via Injection Molding
  Polymers Volume 13, 2069

Aquesta recerca ha rebut finançament dins del programa d’ajuts IQS per a la contractació de personal investigador predoctoral, i ha format part del projecte PLASTFUN, inclòs dins la Comunitat Indústries del Futur, de l’estratègia RIS3CAT impulsada per la Generalitat de Catalunya.