SEM de Nylon 6 puro y compuestos de Nylon 6/nPCu

lleva a cabo en los planos cristalinos con niveles energéticos superiores [270–272]. Durante el proceso de cristalización de algunos polímeros cristalinos, se pueden llevar a cabo dos etapas principales para la formación de cristales. El primero de ellos, es denominado proceso de cristalización primaria donde se forman y crecen a partir de una semilla o núcleo (por ejemplo, nanopartículas) cristales gruesos también conocidos como cristales primarios (fase α1 para el Nylon 6), los cuales presentan alta estabilidad termodinámica. Una vez que se han generado los cristales primarios podría llevarse a cabo el proceso de cristalización secundaria, caracterizada fundamentalmente por la formación subsecuente de cristales con espesores más delgados y menor estabilidad térmica, denominados comúnmente como cristales secundarios (fase α2 para el Nylon 6). La dirección del crecimiento de cristales secundarios se lleva a cabo en planos cristalográficos donde la energía superficial tiende a ser mayor [273].

Durante el proceso de preparación de los compuestos se incorporaron nanopartículas de cobre metálico a la matriz polimérica. Se puede observar que los difractogramas de los nanocompuestos exhiben dos señales cristalinas adicionales a las del Nylon 6 puro localizadas a 37.1 y 43.3º en la escala 2θ, atribuidas a los planos cristalinos (111) del Cu2O [274,275] y (111) del cobre metálico [225,276], con una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC, por sus siglas en inglés) y en las caras (FCC, por sus siglas en inglés), respectivamente.

Posiblemente la reflexión cristalina correspondiente al Cu2O fue consecuencia de un proceso termo-oxidativo que sufrieron las nPCu metálico. Lo anterior pudo deberse a ciertos factores como la atmósfera de aire, tiempo de residencia (igual o mayor a 15 minutos) y calor suministrados durante el procesamiento de los materiales para la fabricación del nanocompuesto. Las señales cristalinas de menor intensidad características del cobre metálico y del óxido cúprico (adicionales a las exhibidas) no se lograron observar, posiblemente debido al bajo contenido de nanopartículas dentro de la matriz polimérica.

7.8.1.2. SEM de Nylon 6 puro y compuestos de Nylon 6/nPCu

Este estudio se realizó con el propósito de visualizar la topografía de la matriz polimérica de Nylon 6 puro y formando parte de los compuestos. Además, se pretendió observar la

distribución y tamaño de las partículas dentro del Nylon 6 en los nanocompuestos. Para el análisis se prepararon películas de cada una de las muestras y se fracturaron en nitrógeno líquido, para posteriormente rociar la superficie fracturada con los metales oro-paladio a fin de hacerla conductora. En la Figura 7.28 se señala una micrografía de SEM y un análisis elemental semicuantitativo por Espectroscopia de Energía Dispersiva de Rayos X (EDS, por sus siglas en inglés) del Nylon 6 puro.

Figura 7.28. Análisis por (a) SEM y por (b) EDS del Nylon 6 puro fracturado en nitrógeno líquido.

En la Figura 7.28(a) se observa la micrografía del Nylon 6 puro, en ella se alcanza a visualizar que la superficie mantiene una fractura dúctil, debido a que experimentó una

(a)

!

(b)

Trazas de Mg y Si

relativamente uniforme. Se puede notar la presencia de algunas partículas aisladas (encerradas en un círculo punteado de color negro) que presumiblemente pueden ser consecuencia de aditivos adicionados al polímero durante su proceso de síntesis. Por ejemplo se tiene al hidróxido de magnesio con fórmula molecular Mg(OH)2, que de acuerdo a su aplicación se adiciona al Nylon 6 para aumentar su propiedad de retardancia a la flama [277]. Asimismo, también se puede utilizar el polímero inorgánico silicona con una estructura química (-O-Si-)n

como aditivo en Nylon 6 para aplicaciones de alto impacto [278].

Para poder elucidar la naturaleza química de estas partículas fue necesario analizar la muestra por EDS. El espectro de la Figura 7.28(b) muestra señales características de elementos químicos como carbono (C), nitrógeno (N) y oxígeno (O) los cuales forman parte de la estructura molecular del Nylon 6 puro [279]. Asimismo, se observan señales adicionales correspondientes a los elementos químicos magnesio (Mg) y silicio (Si), que fueron atribuidas a las partículas observadas en la micrografía de SEM en forma de puntos con apariencia blanca. El espectro da evidencia clara de que tanto el Mg como el Si se encuentran en proporciones muy pequeñas (en forma de trazas).

Por otro lado, la Figura 7.29 presenta las micrografías de SEM de los compuestos preparados con 0.01, 0.05 y 0.10% en peso de nanopartículas de cobre. Las Figuras 7.29(a) y 7.29(b) muestran las micrografías de los nanocompuestos de Nylon 6 con un contenido en partículas de cobre equivalente a 0.01 y 0.05%, respectivamente. En ambos compuestos se visualiza que la superficie de la matriz del polímero exhibe un aspecto suave sin la presencia de huecos o desgarres. Además, se aprecian algunas partículas de cobre aisladas con tamaños menores a 100 nm exponiendo una morfología esférica. En el caso del compuesto con 0.05%

de nPCu, se observan agregados de subpartículas de tamaño menor con la misma morfología que experimentaron las partículas monodispersas. Asimismo, la Figura 7.29(c) presenta la superficie del compuesto con un contenido de nPCu de 0.10%. La matriz polimérica de este compuesto ostenta zonas con rasgos suaves y otras con presencia de grietas. Los agrietamientos se debieron esencialmente a la incidencia del haz electrónico que contiene un voltaje de energía alto en el equipo de SEM, y adicionalmente a la manipulación de un área de trabajo con una distancia corta. También se observan partículas esféricas dispersas con

tamaños inferiores a 100 nm así como aglomerados particulados con una morfología en forma de alambres. El lustre brilloso que exhiben las partículas y nanoalambres en el compuesto, se pudieron deber muy probablemente a la incidencia del haz electrónico sobre la muestra así como a la gran capacidad que tiene el cobre para conducir la corriente eléctrica.

Figura 7.29. Micrografías de SEM de compuestos con (a) 0.01, (b) 0.05 y (c) 0.10% de nPCu en peso fracturados en nitrógeno líquido.

Chen y col. [280] prepararon nanocompuestos de Nylon 6 con contenidos distintos de nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT, por sus siglas en inglés) empleando el método de mezclado en fundido. Mediante análisis por SEM de una muestra fracturada en nitrógeno líquido, los autores observaron que los nanotubos de carbono experimentaron un

(a) (b)

(c)

Particularmente hablando de los compuestos preparados con un contenido en peso de nPCu igual a 0.50% toma relevancia la Figura 7.30 en la cual se ilustra su análisis por SEM y EDS.

Figura 7.30. Análisis por (a) SEM y por (b) EDS del compuesto de Nylon 6 con 0.50% de nPCu en peso fracturado en nitrógeno líquido.

En la Figura 7.30(a) se aprecia la micrografía de SEM del nanocompuesto donde la superficie de la matriz polimérica mostró características suaves y también algunos agrietamientos. Se hace evidente la presencia de más cantidad de nanopartículas. Además, se pueden observar partículas esféricas monodispersas así como agregados de subpartículas de tamaño inferior. La distribución tanto de partículas aisladas como de aglomerados es relativamente uniforme. La Figura 7.30(b) presenta el análisis por EDS de este

!

(a)

(b)

nanocompuesto. El espectro exhibe señales características de los elementos que conforman la estructura molecular del Nylon 6 puro correspondientes al C, N y O [279]. De la misma manera, se visualizan tres señales adicionales atribuidas al cobre metálico situadas en 1, 8 y 9 keV aproximadamente y que concuerdan con la literatura científica [134]. Es importante mencionar que teóricamente debería ser más intensa la señal del C comparada con la de Cu;

sin embargo, el incremento de esta última fue mayor. Lo anterior se debió fundamentalmente a que la zona de mapeo para la obtención del espectro se realizó específicamente sobre el campo donde se logró observar presencia de nanopartículas. La aparición del pico asignado al átomo de oxígeno además de formar parte de la estructura química del Nylon 6, también podría ser atribuido a los átomos de oxígeno presentes en las moléculas de Cu2O existente como nanopartículas de acuerdo a los resultados de Rayos X presentados anteriormente.

A fin de complementar la evidencia experimental sobre la presencia de las nanopartículas de cobre en el compuesto con 0.50% en peso de partículas, se realizó adicionalmente un mapeo de la superficie fracturada. La Figura 7.31 presenta las micrografías de SEM donde se señalan las zonas sobre las cuales se realizó dicho barrido. La Figura 7.31(a) ilustra las partículas y aglomerados localizados los cuales presentaron una apariencia blanca brillante. En el caso de la Figura 7.31(b) se exhibe un agregado conformado por un conjunto de subpartículas en el cual se realizó el mapeo. Finalmente, la Figura 7.31(c) presenta la imagen producto del mapeo anterior, donde se visualizaron puntos rojos asignados al cobre presente en la matriz polimérica del nanocompuesto en forma distribuida y dispersa.

Figura 7.31. Localización y mapeo de nanopartículas en el compuesto de Nylon 6 con 0.50%

en peso de nPCu.