Efectos en la morfología de fractura de concentrados de xGnP/GE en las matrices

Dentro de los métodos más comunes para dispersar y exfoliar grafeno, que además forman parte de los principios de la química verde, es el uso del ultrasonido. Sin embargo, existen diversas variantes en cuanto al tipo de solvente o medio dispersivo que se utiliza con el propósito de lograr alcanzar la mayor exfoliación posible de las capas de grafito. Por tanto, para este estudio se pretende seguir el principio de la química verde; no solo en base a los métodos sino también al incorporar materiales naturales, que por sus propiedades pueden ser atractivos para ser utilizados en este tipo de procesos.

En la primera etapa experimental de este trabajo se partió de la elaboración de un concentrado, al mezclar una cera sintética (Parafina – PW) y una cera natural (Candelilla – CW) con dos tipos de compuestos grafénicos: xGnP y GE. Los concentrados fueron tratados por medio de irradiación ultrasónica a diferentes condiciones de tratamiento como se detalló en la sección 3.2.1.1. Posterior al tratamiento, se realizó un análisis cualitativo por microscopia SEM de los concentrados con el propósito de observar cambios en la morfología de dispersión de los compuestos grafénicos en la cera, como se observa en la Figura 4.1.

Pág. | 66 Figura 4.1: Imágenes SEM de cera y concentrados tratados con ultrasonido por 30 min. a) PW. b) PW-xGnP.

c) PW-xGnP + D-Limoneno. d) CW. e) CW-xGnP. f) CW-xGnP + D-Limoneno.

De las micrografías, se puede apreciar que los sistemas con PW no presentan un cambio significativo en la morfología superficial de la muestra en comparación con el sistema de CW. La incorporación de xGnP y su dispersión por ultrasonido generan un cambio más notorio de la rugosidad y posiblemente de las propiedades reológicas en el sistema con candelilla, a causa de la afinidad entre los grupos polares presentes que se intensifica con el tratamiento ultrasónico. Por otro, la adición de D-Limoneno también ocasiona un cambio notorio en el sistema con CW; posiblemente debido a una mejor afinidad de este solvente con la polaridad de la Candelilla.

Al realizar una prueba de fusión de las muestras de PW-xGnP conteniendo D-Limoneno, se observó separación entre las fases; lo cual indica que hay una cierta inmiscibilidad en el sistema debido a una pobre afinidad entre la parafina y el D-Limoneno. Sin embargo, a temperatura ambiente las propiedades plastificantes del D-Limoneno se vieron reflejadas de cierto modo debido a la maleabilidad del concentrado en su estado sólido.

a) b) c)

d) e) f)

Pág. | 67 Por el contrario, en el sistema con CW se pueden apreciar cambios significativos de la morfología del material al incorporar las xGnP con irradiación ultrasónica (Figura 4.1f). Esto se corrobora al comparar el aspecto físico de la muestra de CW refinada con la incorporación de xGnP y el tratamiento con ultrasonido (Figura 4.1d y 4.1e). Inicialmente la CW presenta una fractura vítrea y quebradiza, que posterior al tratamiento e incorporación de compuestos de grafito se observó un material más flexible. Este cambio puede ser atribuido a la afinidad de las fracciones de grupos polares presentes en la CW (ésteres, alcoholes, epóxidos y ácidos grasos) que logran interactuar con los grupos polares presentes en las superficies de las capas de grafito. Dicha afinidad entre estos dos componentes podría ser una de las causas del cambio morfológico de la cera y las condiciones del tratamiento ultrasónico.

Al analizar la incorporación de D-Limoneno al sistema de CW-xGnP, se observa un cambio en la morfología del material al presentar una fractura de tipo plástica a temperatura ambiente. Este cambio que se observa al comparar las Figuras 4.1e y 4.1f bajo las mismas condiciones de tratamiento ultrasónico, se debe a la incorporación de D-Limoneno y posibles interacciones entre los componentes de Candelilla con los compuestos grafénicos. Al realizar la prueba de fusión como se realizó con los concentrados de parafina, se observó que el D- Limoneno no presentaba separación de fases. Es probable que la cantidad de grupos polares presentes en los concentrados con Candelilla tengan un papel importante en la interacción con la estructura química del D-Limoneno.

Como se mencionó en acápites anteriores la cavitación acústica es uno de los factores más importantes a tomar en cuenta al momento de dispersar y exfoliar grafito, sin mencionar que existen innumerables factores más a considerar que también son importantes para este proceso. Estos cambios morfológicos no solo pueden estar atribuidos a las propiedades fisicoquímicas de los componentes o las matrices de cera que se utilizaron, sino que también esta relacionando con la eficiencia del proceso de cavitación.

Pág. | 68 Del estudio realizado por Gogate y col. en 2011 [1], se analizó una serie de consideraciones a tomarse en cuenta durante el fenómeno de la cavitación acústica. Dentro de las cuales la más relevante es la geometría del reactor que se utiliza para llevar a cabo el tratamiento por ultrasonido. Gogate y col. analizaron un sistema heterogéneo solido – líquido y se observó que al utilizar una geometría de tipo cónica se tiene una perfecta efectividad en la irradiación ultrasónica en comparación con otro tipo de geometría, el cual promueve a su vez la generación de reacciones [1].

Sutkar y col. en 2009, también observaron que el fenómeno de cavitación acústica depende de los parámetros de operación y la geometría del reactor. Dentro del estudio, los autores resaltan que tener un incremento en el diámetro de inmersión del transductor, relativo al diámetro del reactor, la actividad cavitacional incrementa hasta un radio óptimo de operación [2]. Estos fenómenos mencionados en ambos estudios, se observaron de cerca durante el tratamiento de los concentrados presentando cambios más significativos en los sistemas con CW como se observa en la Figura 4.2. Además de presentar un cambio morfológico en las micrografías, los sistemas con CW presentan un comportamiento diferente en la cavitación acústica con el simple hecho de adicionar 2 mL de D-Limoneno.

Figura 4.2: Efecto de la cavitación acústica en sistemas con CW con y sin D-Limoneno.

Con D- Limoneno

Sin D- Limoneno

Pág. | 69 Este tipo de fenómeno podría deberse a la variedad de componentes polares dentro de cadenas alifáticas que pueden ocasionar un ligero incremento en sus propiedades viscoelásticas. En el sistema de CW sin D-Limoneno se aprecia un fenómeno de cavitación turbulento de tipo fuente, el cual se produce al generar burbujas de cavitación que por una alta tensión superficial de la CW desplazan el fluido de forma turbulenta por la presión ejercida entre las burbujas formadas por la cavitación y el flujo.

Por otra parte, la incorporación de D-Limoneno como solvente natural con propiedades plastificantes pudieron haber ocasionado una disminución en la tensión superficial de la cera creando así una cavitación diferente sobre la cera. Cabe mencionar que los efectos del solvente sobre la cavitación acústica en fundido de los sistemas con cera no forman parte del objetivo general de este trabajo; sin embargo, forman parte de los hallazgos que dan lugar a posteriores estudios.

4.1.2 Análisis de dispersión, distribución y tamaño de aglomerados de xGnP y GE en