Nanocomposites poliméricos

Los materiales compuestos tradicionales presentan algunas limitaciones como por ejemplo, baja ductilidad. En la actualidad, se están desarrollando nanocomposites que permiten superar las limitaciones de los materiales compuestos tradicionales. Los nanocomposites son materiales compuestos en los que al menos una dimensión de las partículas dispersadas en la matriz polimérica tiene dimensiones del orden del nanómetro (10^-9m). Las dimensiones tan pequeñas de las partículas conducen a una elevada superficie interfacial.

Este tema se centrará en los nanocomposites de matriz polimérica y partículas inorgánicas. Dentro de este grupo existen varios tipos de nanocomposites, dependiendo de cuantas dimensiones de las partículas se encuentran en el rango nanométrico:

a) Si las tres dimensiones son del orden del nanométro, se tienen nanopartículas.

b) Dos dimensiones en la escala nanométrica y la tercera mayor: nanotubos.

c) Una sola dimensión en el rango nanométrico: nanoláminas.

Nanopartículas

Las nanopartículas más utilizadas son los silicatos laminares también denominados arcillas. Su estructura consiste en dos capas formadas por tetraedros de óxido de aluminio y una capa de octaedros de óxido de silicio. Estas capas forman apilamientos, con un espaciado regular entre ellas denominado galería. El silicato más utilizado es la montmorillonita. Algunos átomos de aluminio (Al⁺³) son sustituidos por Mg⁺², por lo que estas arcillas tienen una carga negativa superficial denominada capacidad de intercambio catiónico que se expresa en meq/100g (miliequivalentes/100gramos). Para conseguir la neutralidad eléctrica, las galerías contienen cationes Na⁺ y K⁺.

Estas arcillas no se dispersan fácilmente en la mayoría de los polímeros porque tienen tendencia a aglomerarse. Por ello, se utilizan agentes de acoplamiento, que son moléculas con un grupo hidrofílico (con afinidad por el agua) y un grupo hidrofóbico (con afinidad por el polímero).

Existen diferentes tipos de agentes de acoplamiento y los más utilizados son las sales de alquilamonio (CH3-(CH2)n-NH3+).

Estas moléculas se intercambian por los iones Na⁺ o K⁺ y se obtienen órganosilicatos.

Estos órganosilicatos dan lugar a dos efectos:

- aumentan la compatibilidad entre polímero y arcilla ya que aumentan la hidrofobicidad del silicato

- aumenta la separación entre láminas ambos efectos aumentan la compatibilidad con el polímero orgánico, facilitando la penetración del polímero

Estructura de los nanocomposites

Se pueden obtener tres tipos de estructuras de composites:

1) Microcomposite

El polímero no entra en la galería y se obtiene un composite de fases separadas también llamado microcomposite o composite tradicional.

2) Nanocomposite intercalado

Las cadenas poliméricas se insertan en las galerías entre las láminas de silicatos, dando lugar a una morfología multicapa muy ordenada en la que se alternan láminas poliméricas e inorgánicas.

c) Nanocomposite exfoliado

Las láminas de silicatos de 1 nm (nanómetro) de espesor se encuentran uniformemente dispersas en la matriz polimérica. El gran aumento del área superficial polímero-arcilla, facilita la transferencia de carga de la matriz al nanorefuerzo, mejorando las propiedades mecánicas.

Técnicas de preparación de nanocomposites

1) Polimerización in-situ

Fue el primer método empleado y en la actualidad es el proceso más utilizado.

En esta técnica el silicato se incorpora a una solución de monómero y se inicia la polimerización.

2) En solución

El silicato órganomodificado se suspende en un disolvente orgánico polar y se le añade el polímero disuelto. Una vez que se consigue que las cadenas de polímero se intercalen entre las capas de silicatos. En una última etapa, se elimina el disolvente por evaporación bajo vacío, obteniéndose el nanocomposite.

La desventaja de esta técnica es que es difícil de aplicar a nivel industrial, debido al problema de usar grandes cantidades de disolvente.

3) Intercalación en fundido

Consiste en fundir el polímero y mezclarlo con el silicato modificado.

Las ventajas de esta técnica son que no requiere disolventes y que los materiales se pueden procesar por técnicas sencillas como inyección o extrusión.

Propiedades de los nanocomposites

a) Propiedades mecánicas

Los nanocomposites producen un significativo incremento de las propiedades mecánicas con una pequeña proporción de refuerzo. Sus buenas propiedades mecánicas y estabilidad dimensional permiten su utilización en la construcción.

Además, su densidad es menor que la de los composites convencionales y por lo tanto son menos dañinos con el medioambiente.

b) Propiedades barrera

La incorporación de nanoláminas disminuye la permeabilidad de los materiales porque restringe la movilidad de las cadenas poliméricas. Además, la disposición en zig-zag de las láminas de arcilla, suponen un camino tortuoso, lo que se refleja en un considerable incremento de las propiedades barrera. Esta disminución de la permeabilidad permite la utilización de los nanocomposites poliméricos en envasado y embalaje.

c) Propiedades térmicas

- Estabilidad térmica: el nanocomposite tiene mayor estabilidad térmica que los microcomposites debido a que las cadenas de polímero están confinadas entre las láminas.

-Temperatura de reblandecimiento bajo carga: Los nanocomposites permiten conseguir aumentos de hasta 100ºC en la temperatura de deformación bajo carga, ampliando así las posibilidades de aplicación de los composites a mayores temperaturas ambientales (ejemplo: capó de automóviles).

- Inflamabilidad: los nanocomposites dan lugar a la formación de una capa carbonácea que mejora el comportamiento frente al fuego.

d) Propiedades ópticas

Se consiguen materiales reforzados transparentes ya que las partículas son tan pequeñas que no pueden dispersar la luz.

Limitaciones:

- Necesidad de un control riguroso de la fabricación ya que las propiedades del material dependen del método empleado

- Elevados precios de las matrices y fibras

- Reducción de la ductilidad de los materiales

Fuente:

http://ocw.ehu.es/