Nanocompuestos poliméricos basados en ZnO

Como se comentó al inicio de este documento, los nanocompuestos poliméricos han ganado importancia en la industria automotriz, dado que en la mayoría de los casos presentan propiedades superiores a la de la matriz polimérica por separado, con relativamente bajas concentraciones de nanopartículas. Además, se conserva la ligereza del material, lo cual es benéfico ya que provoca un ahorro de combustible y en consecuencia disminuye las emisiones contaminantes. La mejora en propiedades se debe a varios factores relacionados tanto con la química y morfología de la matriz polimérica, así como la química superficial, el tamaño, dispersión y la forma de las partículas nanoscópicas^56-59.

Por otro lado, actualmente existe una gran cantidad de artículos relacionados con la incorporación de nanopartículas de ZnO en matrices poliméricas, mediante mezclado en fundido, solución o polimerización in situ. El interés de usar este nano-óxido metálico como aditivo radica en la amplia gama de propiedades que presenta, tales como: piezoelectricidad, alto módulo de flexión, absorción y emisión UV, adsorción de gases, catálisis, entre otras^{17, 60}.

Tomando en cuenta lo mencionado en párrafos anteriores, enseguida se presentarán y analizarán algunos trabajos de investigación relacionados con los nanocompuestos polímero/ZnO, y se pondrá énfasis en los efectos sobre las propiedades de protección UV.

3.6.1. Investigaciones en el campo de nanocompuestos polímero/ZnO

En el caso de las poliolefinas, se han publicado desde hace varios años, la mejora sustancial de la resistencia a la degradación y la permanencia de la transparencia tanto de PP y PE. En el 2002, Ammala et al.¹⁸ examinaron nano-ZnO como protector UV de PE y PP, comparando dichos nanocompuestos con el mismo tipo de resinas conteniendo HALS. Los resultados favorecieron a las placas inyectadas de los nanocompuestos basados en ZnO, ya que mostraron un bajo nivel de amarillamiento y bajo índice de carbonilo (determinado mediante FT-IR) al ser sometidos a una estadía en una cámara de envejecimiento acelerado. Además, hicieron una combinación de cada una de las resinas vírgenes con ambos protectores para obtener sistemas poliolefina/HALS/nano-ZnO, los cuales generaron resultados mucho más efectivos en cuanto a protección UV se refiere.

Otro claro ejemplo de los beneficios de la incorporación de nano-ZnO en resinas poliméricas es la publicación de Zhao et al.¹⁹ en el 2006, donde también utiliza una poliolefina (PP) como matriz, sólo que las nanopartículas empleadas fueron modificadas superficialmente con compuestos organosilanos. Los nanocompuestos se produjeron vía mezclado en fundido, y una exhaustiva caracterización posterior, detectó mejoras en la resistencia a la degradación, sin deteriorar la ductilidad del material aún a relativamente altas concentraciones de nano-ZnO (5%), también se mejoró la resistencia de la elongación a la fractura y se logró disminuir la presencia de grietas causadas por la exposición a la luz UV¹⁹.

Respecto a la síntesis de nanocompuestos poliméricos mediante mezclado en solución, la elección de un co-solvente adecuado conduce a un buen mezclado a nivel molecular lo que supera la tendencia de las partículas a aglomerarse. Sin embargo, existen menor cantidad de reportes de esta técnica en comparación con el mezclado en fundido y polimerización in situ.

Con el objetivo de demostrar la eficacia de la síntesis de nanocompuestos mediante mezclado en solución, Chae et al.^22-23 han reportado la síntesis de nanocompuestos con partículas de

térmicas y de protección UV fue similar al emplear cualquiera de las dos matrices, es decir, aumento en la estabilidad térmica, módulo, y absorción UV, pero una disminución de la elongación a la fractura. Algo que debe subrayarse es que se logró dispersar homogéneamente las nanopartículas sin la necesidad de modificar la superficie de las mismas, esto se corroboró mediante el análisis con equipos de microscopía electrónica de transmisión (TEM) y barrido de emisión de campo (FESEM).

Se sabe que una distribución homogénea de las partículas en una matriz polimérica es indispensable para obtener un buen desempeño del nanocompuesto, sólo que es difícil alcanzarla debido a la alta viscosidad del polímero, además las partículas tienen una elevada tendencia a aglomerarse. La dispersión de partículas nanométricas en un monómero adecuado y una subsecuente polimerización in situ es una atractiva ruta alterna. Para ejemplificar este método de obtención de nanocompuestos poliméricos, se cita la investigación realizada por Demir et al. ⁽²⁰⁾, en la cual se llevó a cabo una dispersión de nanopartículas de ZnO modificadas superficialmente, en metacrilato de metilo seguida de una polimerización en masa. Después de diversos análisis, los autores determinaron que los nanocompuestos obtenidos no presentaron pérdida significativa de la transmisión de luz en comparación con la resina virgen, y además el nano-ZnO tiene un fuerte efecto protector UV y estabilizador térmico.

El PET también ha sido utilizado para la elaboración de nanocompuestos vía polimerización in situ. En el 2009, He et al.²¹ utilizaron el mencionado polímero de ingeniería como matriz con un contenido de hasta 3% en peso de nano-ZnO. Los materiales resultantes presentaron una distribución homogénea de las partículas, excepto para concentraciones mayores al 1% (Figura 21). No obstante, se obtuvo la mayor protección contra la radiación UV cuando el contenido de nano-ZnO fue de 1.5%. Otra ventaja observada fue el aumento en la velocidad de cristalización, lo que significa ahorro en tiempos de producción de piezas inyectadas.

Figura 22. Imágenes obtenidas con equipo SEM de nanocompuestos PET/ZnO, con un porcentaje en peso del ZnO de (a) 0.5%, (b) 1%, (c) 1.5%, (d) 2%, (e) 2.5% y (f) 3%. Fuente: Ref. 21

Respecto a nanocompuestos basados en ZnO, cuya matriz sea ABS, existen pocos trabajos de investigación. Una publicación del año 2006 perteneciente a Xiuping et al. muestra los resultados de distintas pruebas mecánicas y de protección bacteriana practicadas a nanocompuestos de ABS con 3% en peso de nano-ZnO (modificado superficialmente con un titanato). La resistencia a la tensión, elongación a la fractura, dureza y resistencia al impacto (con y sin muesca) de los nanocompuestos presentaron un incremento (respecto al ABS puro) del 37.4, 3.4, 44, 15.8 y 11.8%, respectivamente. Además, los nanocompuestos inhibieron el crecimiento de Colon bacillus y Golden staphylococcus un 76.3 y 84%, respectivamente⁶¹.

Recientemente Díaz de León et al.⁶² reportaron la síntesis de nanocompuestos de ABS/ZnO mediante polimerización en masa-suspensión. Para la síntesis implementaron 0.5%

en peso de nanopartículas de ZnO puras y otras modificadas superficialmente con un aminosilano. Ambos tipos de nano-ZnO afectaron la cinética de polimerización, puesto que la producción de SAN se disminuyó, mientras que el peso molecular se incrementó. Los autores argumentan que se debió a la interacción de los radicales primarios con las nanopartículas.

Además, la incorporación del óxido metálico discutido provocó un cambio en la morfología del ABS, un incremento del 60% en resistencia al impacto y del 15% en el módulo de Young, ambos respecto al ABS sin nanopartículas, cuyos valores de resistencia y módulo fueron de 213 J/m y 746 MPa, respectivamente.

Por su parte, Zhao et al.⁶³ demostraron que la incorporación de micro- o nano-ZnO (mediante extrusión) en una mezcla ABS/PET/polifosfato de amonio trae consecuencias benéficas tanto en el retardo de la flama como en la estabilidad térmica de los nanocompuestos. Al inicio se adjudicó la mejora en el retardo de la flama a interacciones entre el ZnO y el polifosfato de amonio, por lo tanto, para corroborar dicha conjetura se realizó un experimento mediante análisis térmico gravimétrico. Se mezcló polifosfato de amonio con ZnO y se observó una aceleración de la degradación del primero, sin embargo se produjo una mayor cantidad de residuos carbonosos, lo cual pudo ser causante de la mejora en el retardo a la flama.