Nanocompósitos a base de Nylon

Desde el desarrollo de nanocompósitos reforzados con silicatos laminares a través del proceso de intercalación por polimerización desarrollado por Toyota a principios de los 80’s, los reportes sobre nanocompósitos basados en polímero/nanomaterial se han incrementado exponencialmente. En 2005 Uhl et al.[53], prepararon vía mezclado en fundido nanocompósitos de

Nylon 6 con grafito, estudiando una gran variedad de grafitos, incluyendo grafito virgen, grafito expandido y grafito expandible. Los autores encontraron una mejora relativa comparado con el polímero sin carga, en particular, un incremento en la estabilidad térmica sin algún deterioro significante en las propiedades mecánicas[53].

Por otra parte las nano-fibras son una nueva clase de materiales que poseen un diámetro en un intervalo de 50 nm a 500 nm, mientras que su longitud esta en el orden de milímetros. Debido a su gran área superficial, poseen propiedades únicas que las hacen candidatos potenciales para una amplio campo de aplicaciones tales como membranas de filtración, soporte

Capítulo 2 Antecedentes

de catalizadores, barrera a gases, telas no-tejidas, ropa protectora y aplicaciones biomédicas tales como andamios para ingeniería de tejidos. Algunas aplicaciones críticas tales como trajes para protección química ó biológica requieren la electrodeposición de nanofibras de material sobre sus costuras para prevenir el ataque a través de estas áreas más débiles de la prenda. Aunque las nanofibras pueden ser también hiladas a través de otras formas, por ejemplo hilado rotatorio y crecimiento por vapor, el electrohilado es el método más popular del hilado de fibras.

El electrohilado o aquí descrito como electrohilado, se fundamente en usar un campo eléctrico para dirigir una solución de polímero cargado positivamente desde el orificio de una aguja hacia un colector metálico. El jet de solución de polímero surge desde la boquilla del inyector, el cual tiene una geometría de cono (Cono de Taylor) el cual forma un jet estrecho que contiene un sinnúmero de nanofibras en la región de ensanchamiento. Pero el ensanchamiento puede no ser siempre el caso. Una rotación rápida puede generar un movimiento de enredado rápido, el cual es indistinguible del fenómeno de ensanchamiento a simple vista. En términos generales, las nano-fibras son eventualmente colectadas en una pantalla metálica conectada a tierra. Los diámetros de estas fibras son típicamente uno o dos órdenes de magnitud más pequeñas que las fibras producidas por técnicas de extrusión.

Mack et al.[54], en 2005 fabricaron compósitos poliméricos usando de 1-4 % en peso de

nanoplateletas de grafito en una disolución de poliacrilonitrilo (PAN) vía electrohilado para producir nanofibras con diámetros de 300 nm. Obtuvieron un incremento en la estabilidad térmica incrementando el porcentaje en peso de las nanoplateletas de grafito[54]_{. Kim}

et al.[55],

desarrollaron un método simple y producible en masa para ensamblar nanotubos de carbono multipared (CNTs) sobre membranas de nanofibras de nylon 6 electrohiladas. Chen et al.[56] ,

Fabricaron compósitos de hojuelas de grafito altamente orientadas en una matriz de poliéster. Las hojuelas de grafito dispersas aleatoriamente en un prepolímero de poliéster fueron inducidos en la dirección del campo eléctrico, seguido por el entrecruzamiento del polímero. Evidenciaron el alineamiento mediante el análisis por difracción de rayos X[56]. En 2011 Huang et al.[57]

desarrollaron un nuevo métodos para ensamblar grafito oxidado sobre membranas electro hiladas de nanofibras de poliamida 66, usada como guía para la deposición de redes conductivas de

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nanoláminas de grafeno para preparar películas transparentes delgadas conductivas. La principal ventaja de esta técnica es que el grafeno no forma un recubrimiento uniforme, si no una red conductiva parecida a cuando se usan nanofibras de nylon 66 como plantillas[55]_{. Finalmente, en}

el 2012 Pant et al.[58], fabricaron fibras de nylon 6 con nano redes regulando la cantidad de grafito

oxidado en la solución de polímero durante electrohilado. Las nanoredes (≈ 14 nm de diámetro) comprenden un delgado vínculo entre las fibras (192 nm de diámetro), las cuales están ampliamente distribuidas a través del tejido. Sin embargo, no logran evidenciar claramente la presencia de las láminas de grafito oxidado dentro de las fibras.

En base a la presente revisión del estado del arte, se destaca lo siguiente: La química de nitróxidos no ha sido reportada hasta el momento en la literatura científica o de patentes para la exfoliación/funcionalización de grafito natural con el objetivo de obtener láminas funcionalizadas y exfoliadas. La exfoliación o la oxidación del grafito natural en grafito oxidado usando un iniciador de tipo peróxido es actualmente un procedimiento costoso y muy peligroso (explosivo). Finalmente, muy poco se ha estudiado sobre la fabricación de compósitos de telas-no tejidas de Nylon/grafeno. Durante el desarrollo de este trabajo de Tesis de Maestría se encontró que Pant et al.[58] publicaron el primer trabajo en donde fabrican telas no-tejidas a base de nanofibras de

Nylon con láminas de grafeno, no obstante, las láminas de grafeno no son evidenciados por TEM y tampoco fueron estudiadas las propiedades mecánicas.

En este trabajo de Tesis se enfocó en estudiar las condiciones de reacción de exfoliación y funcionalizaciónque nos permitieran obtener el máximo nivel de exfoliación posible empleando la química de nitróxidos, lo cual no se ha reportado antes como ya se evidenció. Dos rutas fueron propuestas: La primera emplea una fuente de radicales libres (BPO) en presencia de radicales libres estables de tipo nitróxido (TEMPO). En la segunda, los grupos funcionales del grafito oxidado son modificados empleando una sal de oxoamonio (Br-TEMPO) reportada previamente por nuestro grupo para modificar sustratos de SiO2[59]con grupos nitróxido y recientemente

implementada por Chen et al.[60] para modificar nanomagnetita. En ambas rutas propuestas

sorprendentemente observamos láminas de grafeno (monoláminas y agrupamientos de hasta 10 láminas) funcionalizadas en su superficie y bordes con grupos nitróxido.

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Adicionalmente, las láminas de grafeno funcionalizadas se dispersaron en matrices poliméricas de Nylon 6, Nylon 6,6 mediante electrohilado para estudiar el desempeño de las telas no-tejidas resultantes. Notablemente, observamos que los no-tejidos fabricados con las plateletas funcionalizadas mejoraron simultáneamente su desempeño mecánico (esfuerzo, deformación y módulo de Young) en un 100 % respecto al polímero virgen lo cual es inusual, incluso fueron superiores respecto a no-tejidos en donde se emplearon CNT y nanoplateletas comerciales xGnP. Además se caracterizó detalladamente las nano-fibras obtenidas en donde se pudo evidenciar la presencia de las láminas de grafeno dentro y entre las nano-fibras.