Resumen: Esta investigación presenta una metodología optimizada para la dispersión de nanotubos de nitruro de boro BNNT en una matriz de poliimida de alto rendimiento con el objetivo de mejorar la estabilidad térmica y la integridad mecánica en aplicaciones estructurales aeroespaciales. Empleando técnicas de procesado polimérico y modelado computacional, se controla con precisión la alineación de los BNNT y la adhesión interfacial, obteniendo un compuesto con prestaciones superiores y claras vías de comercialización en el sector de polímeros de alta temperatura.

Introducción: La demanda de materiales estructurales ligeros y resistentes a temperaturas elevadas sigue en aumento en la industria aeroespacial. Las resinas de poliimida ofrecen resistencia térmica y química destacada, pero requieren refuerzo para cubrir exigencias mecánicas extremas. Los BNNT aportan conductividad térmica, alta resistencia y química inerte, pero su tendencia a aglomerarse y la débil adhesión con polímeros limitan su eficacia. El objetivo es superar estos retos mediante un proceso controlado que maximice dispersión, alineación y encapsulado de nanotubos.

Metodología: Técnica de Dispersión y Alineación Multietapa MSDAT: Se propone un proceso MSDAT en cuatro etapas integrado por dispersión ultrasónica, mezclado por cizalla, alineación controlada mediante campo magnético y polimerización in-situ. Este flujo de trabajo reduce la agregación, incrementa el área de contacto interfacial y promueve una organización nanométrica dirigida dentro de la matriz de poliimida.

Etapa 1 Dispersión ultrasónica: Los BNNT se dispersan inicialmente en una mezcla de solventes adecuada para poliimidas durante periodos optimizados de tratamiento ultrasónico, con perfiles de potencia modulados para desagregar sin dañar la estructura nanotubular. Etapa 2 Mezclado por cizalla: Un mezclador rotor-estator a altas rpm fragmenta agregados remanentes y homogeneiza la solución. Etapa 3 Alineación magnética: Se aplica un gradiente de campo magnético controlado que explota la susceptibilidad magnética débil de BNNT para alinearlos a lo largo de las líneas de campo; la regulación dinámica de la intensidad del campo minimiza reorientaciones indeseadas. Etapa 4 Polimerización in-situ: La suspensión alineada se combina con el prepolímero de poliimida y se cura térmicamente para fijar la arquitectura nanotubular dentro del material sólido.

Diseño experimental y caracterización: Se emplea un diseño factorial completo variando tiempo de ultrasonido, velocidad de cizalla, gradiente magnético y temperatura de curado para generar una matriz de formulaciones. El análisis incluye microscopía electrónica de barrido SEM para evaluar uniformidad y ángulo de alineación, microscopía electrónica de transmisión TEM para la adhesión interfacial, DSC para estabilidad térmica, ensayos de flexión a tres puntos para módulo y resistencia, y difracción de rayos X XRD para determinar el orden estructural y cristalinidad. El procesamiento de imágenes con software dedicado permite cuantificar la densidad y la orientación de BNNT y definir una métrica de novedad que normaliza la colocación nanotubular.

Modelado y optimización: Los datos experimentales alimentan un modelo de regresión predictiva que estima prestaciones en función de parámetros de proceso y propiedades materiales. Un optimizador bayesiano con validación cruzada guía la refinación iterativa de MSDAT hacia combinaciones que maximizan el rendimiento compuesto. El indicador HyperScore integra múltiples variables de interés para comparar formulaciones y seleccionar las más prometedoras frente a requisitos térmicos y mecánicos.

Resultados y discusión: Los compuestos fabricados con MSDAT muestran dispersión más homogénea, mayor grado de alineación y mejor encapsulado de BNNT frente a métodos convencionales. Esto se traduce en incrementos significativos de resistencia a flexión, mayores temperaturas de descomposición y una conducción térmica más eficiente en dirección preferente. La métrica de novedad y el HyperScore permiten priorizar formulaciones para escalado y certificación.

Escalabilidad y hoja de ruta comercial: A corto plazo se plantea la escalada a nivel piloto, demostrando componentes como baldosas de protección térmica para aplicaciones aeroespaciales. A medio plazo se desarrollarán procesos continuos para producción a mayor escala y piezas para motores o sensores de alta temperatura. A largo plazo se integrarán controles de calidad automatizados y procesos avanzados de conformado, explorando aplicaciones en reactores nucleares y vehículos hipersónicos.

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Conclusión: La MSDAT ofrece una hoja de ruta técnica robusta para desarrollar compuestos BNNT-poliimida con alto rendimiento térmico y mecánico y claras oportunidades de comercialización. La integración de técnicas experimentales, modelado y optimización bayesiana facilita la transición desde el laboratorio a la producción. En Q2BSTUDIO podemos acompañar este recorrido aportando software a medida, implementación de ia para empresas y plataformas seguras en la nube para gestionar el ciclo de vida del producto y la cadena de valor.

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