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UNIVERSIDAD
AUTONOMA
METROPOLITANA
JDIRECC~ON DE UENW W I ~ S E INGENIEW OFICINA DE SERVlClO SOCfAL
I
SERUlClO SOCIAL
MATRICULA 87332267
4-7/75
El servicio social fue prestado
en
las
mismas instalaciones de la UAM-Ien
el laboratorio del Area de Polímeros pertenecienteal
Departamento de Física. Iniciado el 10 de enero de
1994
yterminado
el
16
de diciembre de 1994.NOMBRE DEL
PLAN
FUNCIONALIZACION DE CELULOSA
Y
MEZCLASREACTIVAS
CONNYLON 6,6 EN
FASE
LIQUIDASERUICIOSOCIRL
Muchos de los nuevos polímeros comerciales introducidos en los recientes años han sido mezclas de los anteriores. Las nuevas mezclas poliméricas son resultado de la introducción de un polímero e n otro que esta en mayor proporción, cuando se forma una mezcla de polímeros no miscibles se usan agentes compatibiiizantes que permiten una mezcla de dos o más materiales poliméricos permanentemente miscibles; así pues, se
obtiene una composición homogénea. El resultado de éstas mezclas tienen propiedades Únicas, que generalmente no presentan los dos componentes de la mezcla polimérica por sí mismos; de esta manera podemos obtener
materiales con propiedades físicas diferentes de ambos polímeros. Las propiedades que podemos modificar son su morfología, sus propiedades térmicas y su resistencia al impacto.
OBTMTIu'Os
-
Funcionaiizar la celulosa.-
Realizar mezclas con la celulosa funcionaüzada y nylon 6,6.-
Caracterizar las mezclas con FTiR, DSC y WAXS.PARTE EXPERIMENTAL
El secado de las sustancias es importante ya que la mayoría de eilas
son higroscópicas y las reacciones que se llevan a cabo necesitan estar
libres de humedad; en el caso de los anhídridos, la presencia de humedad
abre el anuo dando lugar ai ácido correspondiente, y en la esterificación de la celulosa con anhídrido succínico, la presencia de agua desplaza el equilibrio de la reacción hacia los reactivos.
A temperatura ambiente se coloca N,N dimetíi acetamida sobre malia
molecular de 4
A
durante una semana antes de utilizarla ( 500 mL / 2 g ).El cloruro de litio se deja secando en un homo de vacío a 150 C. durante 12
SEAUlClO SOClRL
prepara una solución de LiCl/DMAc al 4.5 % en peso y se mantiene bien
tapada para evitar la entrada de humedad. El nylon se seca en un homo a
vacío a
45
C durante una hora antes de ser utilizado. ACTIVACION DE LA CELULOSALa celulosa en presencia de un disolvente, sufre ai principio un fenómeno de hinchamiento, aumento de volumen, el líquido penetra y
separa las fibras del material delgado como hilos, que se caracterizan por su resistencia tensil a lo largo de la fibra, donde estos hilos se tuercen para formar fibras. Las características generales de la celulosa se reflejan a nivel
molecular; las cadenas son largadas, delgadas y filiformes. Además, se hallan estiradas una ai lado de la otra, alineadas en la dirección de la fibra.
La resistencia de ésta reside en la fuerza de los enlaces químicos de las
cadena polimérica (su forma molecular que permite un alineamiento
paralelo), y a la presencia de atracciones intermoleculares que mantienen ésta alineación. Las fuerzas intermoleculares evitan que las cadenas se deslicen entre sí, permaneciendo insolubles presentando solamente hinchamiento.
Cinco gramos de celulosa, obtenida desmenuzando papel grueso de
celulosa pura, se suspenden durante una noche en 500 mL de agua tridestilada, se filtra ai vacío con un embudo buchner y papel filtro para
eliminar el agua. A continuación se aplica la técnica de cambio de
disolventes que consiste en suspender sucesivamente la celulosa en cinco porciones de metanol ( aprox.
250 mL
), a intervalos de 30min.
para lavar y extraer el agua que todavía contenga, con filtración ai vacío. De la mismamanera se extraé el metanol con cinco porciones de etanol y finalmente se
suspenderá la celulosa en cinco porciones de N,N-dimetil acetamida para
extraer el etanol. Esta celulosa activada se coloca en un tubo de vidrio de aproximadamente 2 cm. de diámetro y 25 cm. de longitud y se somete a
PREPARACION DE
LCS
SOLUCIONESDe manera generai, los fenómenos de solubilidad de la celulosa y el
nylon 6,6 dependen esencialmente; por una parte de las interacciones entre las cadenas poliméricas y las moléculas del disolvente, y por otra de
las interacciones que mantienen la cohesión de las cadenas poliméricas a
disolver. Las interacciones polímero-disolven te y polímero-polímero
dependen de los grupos funcionales que contengan estas cadenas y las moléculas del disolvente. Estas interacciones son principalmente:
-
interacciones hidrógeno entre grupos hidroxilo-
interacciones entre grupos funcionales -CO y -NH--
interacciones electrostáticas entre las cargas de los dipolos permanentesde las cadenas.
La
cohesión de las cadenas en el nylon, y por ende su solubiiidad dependende la simetría de las cadenas, su ordenamiento mas o menos regular y la
rigidez de éstas. El refuerzo de la cohesión en las partes cristalinas
proporciona una solubiiidad del poiímero mucho más débil a medida que el porcentaje de cristanilidad es más elevado (fig 1). La temperatura también
favorece la solubilidad y a una temperatura elevada el polímero y el
disolvente son misibles en y después de un cierto tiempo segrega en dos
fases.
o
oSERUICIOSOCIAL
i La celulosa presenta fuertes interacciones intermoleculares en la
misma cadena y con las cadenas vecinas, debido a los puentes de
hidrógeno. El mecanismo que se cree que describe la disolución de la celulosa es mostrado e n la figura 2. El protón del hidróxilo de las unidades de celulosa forma un puente de hidrógeno con el ión cloruro. Este está
asociado con el macrocatión Li+(DMAc). La repulsión de cargas resultante
tenderá a permitir la penetración adicional de solvente en la estructura polimérica.
figura 2 mecanismo de disolución de la celulosa
OH
I
+
C - C H 3 II
1
0 Li
La celulosa y el nylon 6,6 ( 2 g de cada uno ) se disuelven separadamente y con agitación magnética, e n sendos volúmenes de 100 m L
de solución de LiCl al 4.5 %
.
La celulosa tarda 12 horas en disolverse atemperatura ambiente, mientras que el nylon 6,6 requiere de
calentamiento a 115 C aproximadamente durante 1.5 horas para
disolverse.
FUNCIONALIZACION DE
LA
CELULOSALa celulosa es susceptible de modificaciones químicas haciendo reaccionar sus hidroxiíos con otros grupos funcionales, cada unidad
repetitiva contiene tres grupos -OH libres: son éstas las posiciones de la
' SERUlClO SOCIAL
I
la celulosa esta funcionalizada. Dejando en la macromolécula sitios que
tengan caracter aun más reactivos que el grupo funcional original, sobre los
cuales se puedan injertar cadenas laterales de un segundo polímero (ver figura 3).
figura 3 mecanismo de la funcionalización
OH I =O A \ / O
gL7.f
+
o =
OH OH
CELULOSA ANHIDRID0 SUCCINIC0
O-OC-(CH 2)2-COOH
&z
OH OH
CELULOSA FUNCIONALIZADA
L
a
funcionaiización consis te en hacer reacciionar la celulosa con anhidridosuccínico con la ayuda de ácido p-toluen sulfónico como catalizador, la reacción se lleva a cabo con agitación y calentamiento durante una hora a
la celulosa esta funcionalizada. Dejando en la macromolécuia sitios que tengan caracter aun más reactivos que el grupo funcional originai, sobre los
cuales se puedan injertar cadenas laterales de un segundo poiímero (ve. figura 3).
’
figura 3 mecanismo de la funcionalización
OH
I
CH2
=C
Q.3
+ O=\ r?/O
OH OH
CELULOSA ANHIDRID0 SUCCINIC0
O-OC-(CH 2)2-COOH
CELULOSA FUNCIONALIZADA
La funcionalización consiste en hacer reacciionar la celulosa con anhidndo
succínico con la ayuda de ácido p-toluen sulfonico como catalizador, la
reacción se lleva a cabo con agitación y calentamiento durante una hora a
.
SERUICIOSOCIRL7.- COAGULACION
Péliculas
Después de la reacción, se coagula el material formando péliculas delgadas
por evaporación. En una caja petry se vierte la solución formando una
capa delgada y sobre ésta se agrega metanol previamente calentado ( 40
-
50 ) OC. Un volumen tres veces mayor que la capa de la mezcla reactiva, se deja reposar 12 horas antes de volver a lavarla con metanol después el
material es lavado con agua y sucesivamente con etanol a intervalos de
una hora. Las muestras lavadas se ponen en un homo al alto vacío a 50 OC
y almacenados en un desecador hasta su caraterización.
Fibras
En un vaso de precipitados de 400
mi
se suspende una varilla de vidriohorizontal a las paredes de manera que las fibras que se obtengan cuelguen de la varilla y sean bañadas completamente con el coagulante. El
nivel del coagulante debe estar 3 cm arriba de la varilla de vidrio de tal
manera que las fibras que se formen no tengan contacto con el ambiente.
La mezcla de la reacción se vierte en una jeringa de 3 mL provista de de
un tubo de plástico de diameuo menor ala salida de la jeringa con una longitud de 4 cm.
En metanol a 40 C se introduce la jeringa de manera de que no tenga contacto con el aire se presiona el embolo, y el material que fluye coagula y se hace pasar por arriba de la varilla de vidrio para que cuelguen y se dejan reposar durante 12 horas. Finalmente son lavadas con agua y etanol.
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SERUlClO SOCIAL
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SERVICIO SOCIAL
SERVICIO SOCIAL
RESULTADOS Y DISCUS ION
Los termogramas de DSC obtenidos para la mezcla de celulosa/ nylon-6,6 (fig. 5 ) muestran que la posición del pico de fusión del nylon
(265,7 C) se desplaza hacia temperaturas inferiores conforme aumenta la
cantidad de celulosa en las mezclas. Es importante mencionar que los
termogr,amas de la figura 1 son los obtenidos de la segunda corrida y, por
lo tanto, se ha borrado la historia impuesta por el proceso de coagulado mediante el que se obtuvieron las películas de las mezclas. la mezcla de
5 0 / 5 0 X fué la que mostró mayor disminución en la temperatura de fusión (248.1 C) lo que se puede explicar suponiendo que la cristalinidad
del nylon se redujo más en ésta mezcla, probablemente debido a que ocurrió un mayor número de los grupos que reaccionaron. La forma'del pico también muestra diferencias interesantes, como se puede apreciar al comparar el termograma del nylon con el de la mezcla 7 5 / 2 5 , probablemente como resultado de una irregular cristalización del nylon por
efecto de algunos puntos de entrecruzamiento entre la celulosa y el nylon.
Por otro lado se caracterizarón películas de celulosa pura y celulosa
funcinalizada (fig. 1 O , 1 1 y 121, comparando los espectros de estas películas encontramos evidencias de que la celulosa pura (fig. 10) sufrió transformaciones, debidas a la reacción con el anhidrido succinico, en el
espectro de la figura 1 1 aparece una señal adicional en 1724.1 cm - l , que
es característica del carbonílo del ácido carboxilico que da una señal entre 1725-1700 c m - l , cabe senalar'que la sena1 1724.1 cm - I , se podría atribuir a la abertura del anhidrido succinico durante la reacción dando lugar al ácido succinico; para reforzar la evidencia de la funcionalización, la película fue calentada en un horno hasta 160 C y se corrió un segundo espectro de la película el cual no presento sena1 de anhidrido en la región de 1800 c m - l ; este resultado nos lleva a suponer una funcionalización de la celulosa. La figura 12 también, de celulosa funcionalizada presenta diferencias la mas notable, la intensidad del pico en 16 12.99 c m - l , y un
POCO adicional en la región de 1500-1490 cm-l. Es importante mencionar
