Compuestos y nanocompuestos

Compuestos. Los compuestos son materiales obtenidos por la unión de dos o mas componentes diferentes, por ejemplo polímero/carga, los cuales pueden reemplazar a materiales como el acero, aluminio, madera y concreto [102,1031 que deben su desarrollo tecnológico a las necesidades de mejorar las presentaciones de los materiales tradicionales.

Formados mínimamente por dos fases: la matriz que es continua y rodea a la otra fase que se denomina dispersa; deben sus propiedades intrínsecas a la forma del relleno, pero principalmente a la naturaleza de la interfase, pues es bien conocido que la carga aplicada en los compuestos es transferida al relleno a través de la interfase. Por lo tanto, para excelentes propiedades se necesitan fuertes interfases entre los componentes 951.

Estos materiales se destacan porque una o mas de sus propiedades características, aportadas por las diferentes fases que los constituyen se enfocan a que, del conjunto formado por el compuesto, resulte la mejor combinación, ya que las propiedades resultantes dependen de las proporciones en las que participan la matriz y la fase dispersar' 04]

Los compuestos de polímero reciben una gran atención en ciencia y tecnología debido a sus grandes aplicaciones en la vida diaria. Los constituyentes de los compuestos pueden ser dos o más materiales que tengan propiedades fisicas y químicas complementarias, y se espera obtener propiedades sinérgicas que es dificil obtener por separado de los materiales puros. Entre los sistemas compuestos mas prometedores están los híbridos basados en polímeros orgánicos y arcillas minerales inorgánicas que consisten en capas de silicatos.

Las arcillas utilizadas mas comunes son las del grupo mineral de la montmorrillonita.

Nanocompuestos. El cambio en el diámetro de la esfera, diámetro de la fibra y espesor de la lámina del tamaño micrométrico (compuestos) al tamaño nanométrico (nanocompuestos) presenta dramáticas modificaciones en las propiedades del material compuesto por el incremento del área interfacial. Cuando las nanopartículas de carga se dispersan en la matriz polimérica, las propiedades de estos materiales se ven altamente afectadas 1051. Así los nanocompuestos poliméricos han abierto un nuevo horizonte para una clase prometedora de materiales híbridos ya que la incorporación de cargas nanométricas (10 9m) a las matrices mejoran las propiedades del polímero puro'°61 generando con ello un gran interés en la industria, debido a sus propiedades superiores como alta temperatura de deflexión, barrera a la permeación de gases, estabilidad dimensional, mejora de propiedades mecánicas, claridad óptica y retardantes a la flama, en comparación con el polímero puro o los compuestos que contienen cargas convencionales - micro y macrocompuestosJ18 . Pero toda esta gran y creciente atracción para el campo académico e industrial es debida principalmente a sus propiedades mecánicas, ya que se logra un gran reforzamiento cuando partículas de tamaño nanométrico son dispersadas en comparación a cuando las partículas son de tamaño macrométrico 05.

Recientemente los nanocompuestos polímero-láminas de silicato han emergido como una nueva clase de materiales orgánico-inorgánico que han presentado propiedades que rebasan las expectativas, tales como un gran incremento en la estabilidad térmica, resistencia mecánica e impermeabilidad a gases como vapor de agua y el oxígeno. Tales mejoras en las propiedades se logran con contenidos menores al 5 % de capas de silicato y se deben a las interacciones entre las arcillas y los polímeros, los cuales pueden proporcionar estructuras intercaladas y/o exfoliadas. En la estructura híbrida intercalada una monocapa de cadena polimérica extendida, como emparedado entre las hojas de silicato, resulta en una bien ordenada y alternada multicapa de polímero y láminas inorgánicas. En la

nanoestructura exfoliada o deslaminada, las nanocapas de silicato están individualmente dispersadas en la matriz polimérica. La exfoliación de las capas de silicato usualmente proporciona nanocompuestos con las más altas mejoras en las propiedades ya mencionadas 57.

En el caso de las arcillas, dependiendo de las interacciones interfaciales entre las cadenas del polímero y las capas de las arcillas, la estructura final del nanocompuesto puede ser exfoliado o intercalado, como se aprecia en la Figura 4•9[18]

La exfoliación de la montmorillonita en el estado fundido del polímero es realmente difícil, lo que causa retención y apilados de tactoides (estructura altamente ordenada de las laminillas del arcilla) de las arcillas en la matriz polimérica. Lo anterior no permite el contacto interfacial e induce la tensión local cuando los nanocompuestos de polímero con montmorillonita son deformados dentro y fuera por la fuerza aplicada, como resultado la elongación al corte y el esfuerzo en el impacto de los nanocompuestos decrece comparada con los polímeros puros.

(a)

Aglomerado

Exfoliado

(b

Intercalado

AqF

Poflmero

Figura 4.9. Posibles estructuras resultantes de la formación de nanocompuestos de polímero-nanoarcillas: a) Aglomerado, b) Intercalado, c) Exfoliado.

Actualmente muchos artículos se enfocan en la importancia del peso molecular del polímero y en la química utilizada para modificar la superficie de la montomorillonita.

Recientemente se ha notado la importancia y el rol del proceso en la preparación de los nanocompuestos. Jiang Li y col. han demostrado que el grado de delaminación y dispersión de las capas de silicato de los nanocompuestos con Nylon 6 por fundido, es afectada por el tratamiento químico de la arcilla y el tipo del diseño del extrusor y husillo.

Ellos interpretaron el grado de dispersión en términos de la distribución del tiempo de residencia en el extrusor y la intensidad del esfuerzo, y proponen un modelo para la delaminación de las organoarcillas que provee el rol de ambos, el esfuerzo y el tiempo 061^.

La exfoliación de arcillas modificadas incorporadas en un sistema polimérico puede mejorar las propiedades del compuesto como lo son: estabilidad térmica, cambiar sus propiedades de barrera, modificar su resistencia a la tracción e incrementar su elongación.

Frecuentemente, arcillas modificadas orgánicamente son necesarias para incrementar la compatibilidad con el polímero y ampliar la distancia interlamina»°° .

La dispersión de las capas de arcilla en nanocompuestos de nylon tiene buena exfoliación debido a las fuertes interacciones, específicamente los enlaces de hidrogeno, entre las cadenas polares y la arcilla modificada orgánicamente. Utilizando un proceso de mezclado de lotes con altos niveles de plastificante se han producido muestras de almidón-arcilla intercaladas con características mecánicas mejoradas. Fischer demostró que con altos contenidos de plastificante se pueden formar estructuras tipo exfoliada 107.

En el caso de polímeros no polares es muy difícil obtener una buena exfoliación en la estructura del nanocompuesto, por lo que se modifican los polímeros incorporándoles grupos polares, los cuales deben ser introducidos en las formulaciones de nanocompuestos para incrementar así las interacciones interfaciales entre las capas de arcilla y la matriz de la poIiolcfina 1081^, ya que es muy difícil para los polímeros no polares, como las poliolefinas, obtener una estructura de nanocompuestos con buena exfoliación. Está claro que la exfoliación y la concentración de la fase dispersa o la carga juega un papel crucial en las propiedades del nanocompuesto. Una evaluación comparativa de las propiedades obtenidas en el nanocompuesto revelan un factor esencial: que la disminución de la fase dispersa y homogeneidad de la dispersión de esta producen una mejora en las propiedades fisicas y mecánicas.

Los nanocompuestos de poliolefinas no han sido sujeto de extensas investigaciones debido al carácter poco polar de su unidad base, haciéndolo como ya mencionamos incompatible con las arciIlas 109 . El acoplamiento de un polímero no polar como lo es el PP con partículas de relleno inorgánicas es en particular un problema químico difícil. Las publicaciones contienen numerosos procedimientos para la modificación química de polímeros por copolimerización o por post tratamiento para dar la habilidad de compatibilización. Una modificación química del PP ha sido realizada por injerto por iniciación radicálica de monómeros acrílicos. Se ha dado a conocer que el injerto de ácido acrílico o MA en PP mejora la compatibilización con fibra de vidrio como lo hace el tratamiento con amilosilanos. Mitsubishi Petrochemical reportó un incremento del 125 % en resistencia a la flexión del PP cargado, utilizando una combinación de PP con MA y una resma especial de petróleo 361.

Como ya se mencionó el PP es uno de los polímeros poliolefinicos mas utilizados, cuyo mayor problema consiste en no tener ningún grupo polar en su cadena, lo que lo vuelve incompatible con los aditivos y cargas inorgánicos. Por esta razón, el método mas común para la preparación de nanocompuestos de polipropileno-arcilla es la utilización de oligómeros funcionalizados como agentes compatibilizantes, como sería por ejemplo el oligómero de polipropileno injertado con MA (PP-g-MA)"° . Al tener los copolímeros injertados dos partes diferentes, estructura y composición, se vuelven materiales de superficie activa. Un agente con superficie activa es una molécula que contiene como mínimo dos partes que difieren una de la otra en composición química. Las diferencias en composición causan que la molécula se asocie cercanamente entre dos clases de materiales, estas clases son similares a la composición o a la unión estructural de una de las porciones - moleculares. Cuando se coloca en una mezcla con miembros de ambas clases de materiales, la superficie activa se encuentra en el punto de más baja energía libre, que es cuando está en la interfase entre los dos materiales'1 ^1]•

El PP es uno de los polímeros mas utilizados, pero no tiene ningún grupo polar lo cual es la columna vertebral de la interacción con la superficie de las arcillas para la dispersión. Sin embargo, con la incorporación de un agente compatibilizante en el sistema, es posible mejorar la dispersión de la arcilla en la matriz polimérica. Este método ha sido demostrado para la formación de nanocompuestos, pues si la exfoliación de las arcillas de silicato es incompleta, se produce un reforzamiento limitado, especialmente en poliolefinas. Los

materiales de PP injertado con MA han sido ampliamente utilizados como compatibilizante en la formación de mezclas de: PP y poliamida 112' 31, polibutileno tereftalato y polipropileno' 14] con policarbonato' 15], así como en compuestos o nanocompuestos conteniendo una variedad de partículas de carga inorgánica.

Algunos autores expresan que un peso molecular bajo de los compuestos reactivos puede ser útil como compatibilizador de los nanocompuestos de poliolefinas 181. Se ha encontrado que el efecto del compatibilizador sobre la dispersión de las arcillas y las propiedades mecánicas del nanocompuesto decrece de la siguiente forma: PP-g-MA > PP-g- dietilmaleato (DEM) > PP-g-ácido maleamico carbamialico (UMA)U081 En el caso del PP las arcillas intercaladas con el oligómero hacen contacto con la poliolefina bajo un esfuerzo de corte; si la miscibilidad de los oligómeros con el PP es buena, lo suficiente para la dispersión a nivel molecular, tendrá lugar un alto grado de intercalación y/o exfolicación de la arcilIa 1

4.4. Funcionalización con anhídrido maleico y nanocompuestos por extrusión