4.1 Concentrados de cera con xGnP y GE tratados por ultrasonido
4.1.7 Efecto sobre las propiedades eléctricas de los concentrados
Pág. | 98
Pág. | 99 Figura 4.16: Resultados de conductividad eléctrica de concentrados. a) Concentrados de PW-xGnP. b) Concentrados de PW-GE. c) Concentrados de CW-xGnP. d) Concentrados de CW-GE.
Los resultados de conductividad presentan dos factores importantes: (i) el incremento de la potencia y tiempo de irradiación disminuye la conductividad de los concentrados, (ii) el tipo de cera utilizado como medio de dispersión tiene una gran influencia en la disminución de la conductividad. El primer factor podría estar asociado a una mayor intercalación de la cera en las galeras del grafito, que posteriormente, aumentan la dispersión (resultados por microscopia óptica – Figura 4.3) y la fragmentación – exfoliación (representado en los difractogramas de DRX – Figura 4.6).
xGnP 10 amp 20 amp 30 amp 10 amp 20 amp 30 amp 10 amp 20 amp 30 amp
Agitado 10 min Us 20 min Us 30 min Us
10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100
Concentrados de CW-xGnP
Conductividad (S/cm)
GE 10 amp 20 amp 30 amp 10 amp 20 amp 30 amp 10 amp 20 amp 30 amp
Agitado 10 min Us 20 min Us 30 min Us
10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100
Concentrados de CW-GE
Conductividad (S/cm)
GE 10 amp 20 amp 30 amp 10 amp 20 amp 30 amp 10 amp 20 amp 30 amp
Agitado 10 min Us 20 min Us 30 min Us
10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100
Concentrados de PW-GE
Conductividad (S/cm)
xGnP 10 amp 20 amp 30 amp 10 amp 20 amp 30 amp 10 amp 20 amp 30 amp
Agitado 10 min Us 20 min Us 30 min Us
10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100
Conductividad (S/cm)
Concentrados de PW-xGnP
a) b)
c) d)
Pág. | 100 Se ha reportado que en algunos de los casos una mejora, en la dispersión no siempre puede resultar en una mejora de las propiedades eléctricas ya que depende de otros factores intrínsecos del material y la concentración de las partículas conductoras en la matriz [21]. I.
Alig y col. en 2012, realizaron un análisis elaborado del efecto de la dispersión de nanotubos de carbono bajo esfuerzos de corte sobre las propiedades eléctricas en una matriz de policarbonato. Los resultados presentados por I. Alig demuestran una dependencia de la conductividad hacia los esfuerzos de corte aplicados, donde las muestras con aglomeración presentan ordenes de magnitud de 10-2 S/cm, a una dispersión intermedia se tiene 10-6 S/cm y muestras completamente dispersas presentan ordenes de 10-9 S/cm, lo que evidencia una disminución de la conductividad con incrementos en la dispersión [21].
En referencia a los estudios realizados por I. Alig [21], las muestras de PW y CW obtenidas por agitación mecánica muestran valores de conductividad altos (10-1 – 10-2); lo cual sugiere la presencia de aglomerados y un camino de percolación. Con el tratamiento ultrasónico, los valores de conductividad para sistemas de CW-xGnP descienden hasta 10-4 S/cm. Esto podría indicar que el tratamiento ultrasónico promueve una mayor intercalación al incrementar la fragmentación de las partículas de grafito; lo cual daría lugar a que la cera recubra las superficies de las capas grafénicas causando una disminución de la red de conexión de los aglomerados y por tanto se podría tener una disminución en la conductividad.
Los valores de conductividad en Parafina (10-1 S/cm), pueden obedecer a una segregación de las fases de cera y los compuestos grafénicos; puesto que la Parafina es totalmente apolar y presenta una pobre afinidad con el grafito. H. Kim y col. en 2011, hacen referencia a la influencia de la segregación de óxido de grafeno, observando mejoras en la conductividad eléctrica debido a una segregación entre las superficies de las fases, mostrando que los agregados de grafeno forman una estructura co-continua debido a la incompatibilidad entre los componentes [22]. Estos resultados indican que la afinidad de la CW con los compuestos de grafito podría promover mejoras en todas las etapas de dispersión de nanocompuestos (mojabilidad, intercalación y dispersión), pero reduce la conductividad eléctrica; la cual está asociada a un cierto grado de aglomeración entre los compuestos de xGnP y GE.
Pág. | 101 Dentro de los estudios más recientes, los cuales evidencian una disminución en la conductividad debido a la intercalación de las cadenas poliméricas en las galeras o capas de grafito; se encuentra el realizado por Jayatissa y col. en 2015 [23]. Estos autores realizaron un estudio experimental y computacional de óxido de grafeno en matrices de polimetil- metacrilato (PMMA), basándose en el método de Monte Carlo y la teoría de percolación. Los resultados evidencian que la intercalación del polímero actúa como capa aislante entre las nanoláminas de grafeno ocasionando un fenómeno que los autores nombran como tunelamiento a la resistencia “Tunneling Resistance”. En este trabajo, los autores describen, que el incremento en la resistencia es proporcional al espesor de la capa aislante ocasionando un aumento en la resistividad eléctrica en más de 1015 cuando el espesor de la capa aislante (PMMA) es mayor a los 2 nm.
En otro artículo más reciente los autores Y. J. Wan y col. en 2016 [24], observaron un comportamiento similar al reportado por W. Wang y A. H. Jayatissa en matrices epóxicas.
Estos autores reportan que las matrices epóxicas con óxido de grafeno reducido (RGO) sin funcionalizar, presentan una mayor conductividad que las modificadas químicamente. Los autores atribuyen este fenómeno a que las moléculas usadas para la funcionalización se acumulan sobre las superficies de las capas de grafeno actuando como capas aislantes que impiden la conexión y el paso de los electrones provocando una reducción de la efectividad eléctrica en el nanocompuesto.
Los resultados de conductividad eléctrica obtenidos en este estudio, soportan la idea que si bien, no se tiene evidencia de una completa exfoliación de las láminas de grafeno, los compuestos de cera tienen la facilidad para intercalarse entre estas láminas y promover su fragmentación y delaminación parcial aún sin tratamiento ultrasónico; hecho que es más evidente en el sistema de Candelilla y en estado fundido.
Pág. | 102 Uno de los estudios que soporta este planteamiento, es el realizado por P. Maiti y col. en 2002 [25]. Estos autores plantearon que la intercalación de las cadenas del polímero en las galeras de nanoarcillas, depende fuertemente del tiempo en el estado fundido; además que se podrían presentar dos posibles mecanismos de ordenamiento de las cadenas poliméricas dentro de las galeras de las cargas nanométricas. Primero, las cadenas del polímero que lograron intercalarse, pueden salir de las galeras y cristalizar afuera (diffuse out); y segundo las cadenas pueden intercalarse en las galeras cuando se está en el estado fundido y cristalizar adentro (diffuse in).
Los mecanismos de diffuse out y diffuse in podrían estar ocurriendo en los sistemas cera – grafito bajo estudio, los cuales podrían estar alterando el espaciamiento entre las capas, puesto que los resultados por DRX muestran diferencias significativas en la población de tamaño de cristalita e intensidad del plano (002) del grafito, en dependencia de la preparación de la muestra (“quenching” y enfriamiento controlado).
Los resultados mostrados hasta aquí, evidencian que los procesos de cristalización de la cera, influyen en el grado de exfoliación que se pueden alcanzar con los sistemas grafénicos. El fenómeno de diffuse in durante el fundido, podría liderar el proceso de intercalación y exfoliación parcial de las láminas de grafeno. En el caso de Candelilla, la interacción entre los grupos polares de la cera y los grupos funcionales del grafito, inducen más fácilmente los procesos de exfoliación, dispersión y fragmentación; lo cual fue analizado en las pruebas por UDMA. Por otra parte, en las pruebas en suspensión, el fenómeno de diffuse in podría ser intensificado debido a la afinidad entre los compuestos grafénicos y el D-limoneno.
Por el contario, el fenómeno de diffuse out durante la cristalización, podría liderar procesos de “grafitización” o re-apilamiento de las estructuras (xGnP o GE); lo cual fue analizado en las pruebas por DRX. En el caso de Candelilla, la interacción entre los grupos polares de la cera y los grupos funcionales del grafito, podrían dificultar que las cadenas intercaladas salieran de las galeras, por lo que se mantendría parte del estado exfoliación, dispersión y fragmentación alcanzado en estado fundido.
Pág. | 103