Estudio de materiales de partida y condiciones de preparación por medio de EA en búsqueda de óptimas propiedades mecánicas y comparación con IFMC

Abstract

Ante la necesidad de disminuir la contaminación en el medio ambiente se ha puesto énfasis en los últimos tiempos en producir productos poliméricos biodegradables. En este trabajo se obtuvieron films nanocompuestos de matriz polimérica biodegradable (Policaprolactona, PCL) y arcilla (montmorillonita comercial modificada, C30B) destinados a la industria de envases para alimentos. Se utilizaron dos métodos de obtención diferentes. Uno de los métodos, se utiliza a escala de laboratorio y el otro es aplicable a nivel industrial. El objetivo es obtener con la segunda de las técnicas, nanocompuestos con propiedades similares a las obtenidas con el primero de ellos. Establecido este objetivo, se eligieron los siguientes métodos de preparación de nanocompuestos: obtención de films por Casting, aplicable sólo a escala de laboratorio y conocido en el área de nanocompuestos como Exfoliación Adsorción (EA). Con esta técnica se espera que las propiedades mecánicas sean superiores debido a que el solvente utilizado actúa como agente de dispersión de la arcilla. Mezclado en Fundido, conocido en el área de nanocompuestos como Intercalación en Fundido, luego del cuál se obtuvienen films por Moldeo por Compresión (IFMC), siendo esta combinación aplicable industrialmente. Antes de preparar los fims por la técnica de EA se buscaron los solventes capaces de disolver la PCL y se encontró que el más eficaz en la disolución fue el diclorometano. Por otro lado, este solvente no mostró buena interacción con la arcilla utilizada por lo que se investigaron otros solventes que sí la tenían. Mediante el método de hinchamiento libre de la arcilla se determinó que el solvente óptimo (disolución del polímero e hinchamiento de la arcilla) el cuál consistió en una mezcla de diclorometano y dimetilformamida al 50% v/v. Aún así, debido a que el hinchamiento libre es a nivel macroscópico, se procesaron y caracterizaron films con diclorometano. La caracterización mecánica, térmica y morfológica fue llevada a cabo mediante ensayos de tracción uniaxial, calorimetría diferencial de barrido (DSC), análisis termogravimétrico (TGA), absorción de agua, densidad picnométrica, microscopía óptica (MO), microscopía diferencial de barrido (SEM) y difracción de rayos X (DRX)

A partir de las propiedades mecánicas se determinó el tiempo óptimo en baño ultrasónico para EA con los dos solventes utilizados, que resultó ser 15 minutos en ambos casos. Se demostró por DRX la obtención de nanocompuestos de estructura mixta: intercalada y exfoliada con los dos solventes, pero las micrografías de MO y SEM revelaron una gran cantidad de defectos en forma de huecos y aglomerados de arcilla en el caso de los nanocompuestos obtenidos con diclorometano. En los nanocompuestos obtenidos con la mezcla de solventes los defectos fueron menores en número y tamaño. Se adjudicó este hecho a la mayor temperatura de ebullición de la dimetilformamida. Una vez determinado el solvente adecuado y tiempo óptimo en ultrasonido se estudió el efecto del porcentaje en peso de refuerzo sobre las propiedades finales. Se observó que los nanocompuestos con 5 % en peso de arcilla condujeron a las mejores propiedades mecánicas. Con el primer set de parámetros (temperatura, tiempo de mezclado, velocidad de rotación) utilizado, modificando sólo el porcentaje en peso de arcilla, los nanocompuestos obtenidos por IFMC superaron las propiedades mecánicas respecto al mejor nanocompuesto obtenido por EA. Este resultado fue consecuencia de que los films de IFMC no presentaron huecos debido a que no se utiliza solvente. Mediante micrografías de SEM, también se observaron, en algunos casos, aglomerados de arcilla pero de menor tamaño. También en este caso, los nanocompuestos con 5 % en peso de arcilla mostraron las mejores propiedades mecánicas. La estructura obtenida en este caso tambien fue mixta: intercalada y exfoliada (DRX). Se compararon las propiedades mecánicas entre el mejor nanocompuesto obtenido por cada una de las técnicas. Las micrografías de SEM mostraron aglomerados de arcilla sólo en el caso de EA. Mediante el modelo micromecánico de Halpin-Tsai se obtuvo un mayor grado de exfoliación de la arcilla para IFMC. De esta manera se demostró, contrariamente a lo esperado, que con la técnica de aplicación industrial (IFMC) se obtienen nanocompuestos PCL/ C30B con mejores propiedades mecánicas y mayor grado de dispersión que con EA cuyo alcance es sólo de laboratorio.