Estudios de funcionalización, dispersión y

Estudios de funcionalización, dispersión y compatibilización
de nanotubos de carbono en matriz polimérica.
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SECTOR: Construcción, automoción, materias primas y otros.
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ÁREA DE TRABAJO: Nanotecnología
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OBJETIVOS:
El objetivo del proyecto es el desarrollo de diferentes metodologías de trabajo para mejorar la
compatibilidad entre la matriz polimérica y las nanopartículas empleadas en la obtención de
materiales nanocompuestos. De esta manera se mejorarían las propiedades de los materiales y se
evitarían los problemas de procesado que actualmente presentan este tipo de compuestos.
Los objetivos parciales son los siguientes:
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Desarrollo de materiales nanocompuestos con propiedades mejoradas respecto a los
actuales mediante la compatibilización entre fases.
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Estudio de los mecanismos de modificación química de nanopartículas carbonosas y
optimización de los procesos actuales con el fin de abaratar costes.
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Desarrollo y optimización de “masterbatches” para mejorar las condiciones laborales y
medioambientales, evitando de este modo, trabajar y manipular nanopartículas puras.
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Optimización y mejora del conocimiento de la dispersión/mezcla de nanopartículas y
matrices poliméricas en estado fundido.
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Solución de los problemas de procesado presentes en diferentes tecnologías de
transformación (moldeo por inyección, hilado, extrusión, termoconformado) debido a
la formación de estructuras altamente aglomeradas de nanopartículas durante el
proceso de dispersión en matriz termoplástica.
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Profundización en técnicas de caracterización de la dispersión de nanopartículas, así
como del grado de funcionalización química de las mismas.
DESCRIPCIÓN:
El uso de nanotubos de carbono como refuerzo de materiales termoplásticos abre
nuevos horizontes en el desarrollo de materiales compuestos con avanzadas propiedades.
Es bien conocida la capacidad de los nanorefuerzos para modificar y mejorar de manera
notable muchas de las propiedades de los materiales plásticos. Uno de los grandes
problemas presentes en la actualidad y que limitan en gran medida el desarrollo de los
materiales nanoreforzados es la falta de compatibilidad entre la matriz polimérica y la
nanopartícula. Asimismo, hay que destacar la alta capacidad de aglomeración de las
partículas nanométricas primarias, generando partículas micrométricas de alta estructura.
Es una problemática similar a la tradicionalmente detectada con otro tipo de cargas: negro
de carbono, carbonato cálcico o dióxido de titanio. Las propiedades finales de los materiales
dependen de manera crítica del grado de interacción entre el polímero y la nanocarga, de
tal manera que también afecta al grado de procesabilidad de los materiales. En resumen,
actualmente existen muchas limitaciones de procesado, así como las propiedades de los
nanocompuestos no son las esperadas, a causa de la falta de interacción entre las fases. El
gran objetivo del presente proyecto es estudiar el grado de compatibilidad entre las
diferentes fases de un nanocompuesto polimérico, ahondando en las posibles técnicas de
dispersión de las nanocargas en diferentes matrices poliméricas.
En la literatura se han descrito diversas posibilidades técnicas relacionadas con la
optimización y mejora de la dispersión, sin alcanzarse, en muchos casos, resultados
satisfactorios. Dichas técnicas actúan sobre tres diferentes aspectos:
- Técnicas de procesado/dispersión, donde destacan todas las metodologías
de dispersión en medio fundido y en disolución (el aporte de mezcladores externos ya
sean de origen mecánico o no, como ultrasonidos);
- Modificación química de la matriz polimérica; en la literatura se han
detectado diversos grupos de investigación centrados en la modificación de la matriz
polimérica mediante el injerto de grupos funcionales tipo acrílico o maleico.
- Modificación química de la nanocarga. Pese a las grandes dificultades
técnicas parece más efectiva la modificación química de las nanopartículas mediante
la oxidación o injerto de grupos funcionales en la superficie. Actualmente el coste de
estas nanopartículas funcionalizadas sigue sin ser asumible por la industria.
Los nanotubos de carbono son, probablemente, una de las nanocargas con
mayor potencial comercial/industrial de la actualidad. Sobre ellos se está basando el
presente proyecto. Como matrices poliméricas se han seleccionado las más
utilizadas a nivel industrial, como son poliolefinas (polietileno y polipropileno) y otras
matrices como poliésteres, poliamidas y poliuretanos, de composición y naturaleza
química radicalmente distinta.
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RESULTADOS ESPERADOS:
El estudio y optimización de la dispersión de nanocargas carbonosas en matriz
polimérica permite la mejora en las propiedades finales de los materiales compuestos que
van a desarrollarse. Los resultados esperados en el proyecto son los siguientes:
- Mejora de la dispersión de nanotubos de carbono en diferentes matrices
poliméricas. Influencia de la naturaleza química de la matriz polimérica en la
formación de aglomerados de nanotubos de carbono.
- Influencia de la calidad de la dispersión de las nanopartículas en las diferentes
propiedades del material. Reducción en la concentración de nanocargas para la
obtención de materiales con las más atlas prestaciones (mecánicas,
conductoras, antimicrobianas, dureza, etc.).
- Desarrollo y optimización de técnicas de caracterización adecuadas para la
determinación del grado de funcionalización/modificación de las nanopartículas.
- Desarrollo y optimización de técnicas de caracterización adecuadas para la
determinación del grado de dispersión de los nanotubos de carbono en las
matrices poliméricas.
- Reducción de las necesidades de funcionalización de las nanopartículas, con el
consiguiente incremento en costes, mediante el uso de metodologías apropiadas
de mezcla dispersiva.
- Mejora en la productividad y la calidad de los procesos de transformación por el
aumento en la homogeneidad del material. Minimización de problemas de
procesado en técnicas con requerimientos reológicos críticos: micro-inyección de
piezas, “spinning”, “drawing”, “electro-spinning”, termoconformado, etc. En
estas tecnologías, debido a los altos requerimientos de elasticidad de fundido, la
presencia de aglomerados y la falta de homogeneidad en el material provocan la
aparición de roturas, la imposibilidad de emplear grandes relaciones de estirado,
etc. En otros procesos en los que el flujo de material es extremadamente rápido
(moldeo por inyección), la falta de compatibilidad entre la fase termoplástica y
la nanocarga puede provocar la segregación de flujos, con la consiguiente
acumulación de cargas en diferentes zonas de la pieza acabada (llamado “efecto
piel” en piezas inyectadas).
- Mejora en la salud laboral y medioambiental por el uso de “masterbatches”
dispersos de nanopartículas en matriz polimérica que elimina la manipulación
directa de los nanomateriales.