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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA
ESCUELA DE CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES
BACHILLERATO EN INGENIERÍA EN MATERIALES
PRÁCTICA DIRIGIDA
LANOTEC
MEJORAMIENTO DE LAS PROPIEDADES DE UN POLIURETANO MEDIANTE LA DISPERSIÓN DE NANOTUBOS DE CARBONO
COMO AGENTE REFORZANTE
Realizado por, José Alberto Salazar Jiménez
Profesor guía, Ing. Ricardo Esquivel Isern
Profesor lector, Ing. Mario Conejo Solís
Asesor en la Institución, Dr. José Vega Baudrit
Junio 2013
1
CAPÍTULO 1
Introducción
1.1. Identificación de la institución
1.1.1. Laboratorio Nacional de Nanotecnología – LANOTEC
El Laboratorio Nacional de Nanotecnología fue inaugurado en 2004 y forma parte del Centro
Nacional de Alta Tecnología (CENAT) ubicado en el edificio Franklin Chang Díaz en Pavas,
San José, Costa Rica. El director del LANOTEC es el Doctor José Roberto Vega Baudrit,
quien será el asesor del estudio.
LANOTEC es un laboratorio de investigación multidisciplinario, que integra los sectores
académico, gubernamental y empresarial con miras al desarrollo científico y tecnológico a
través de la aplicación de nanociencia y nanotecnología a la resolución de problemas,
permitiendo el desarrollo y la aplicación de conocimientos a la industria.
Las áreas de investigación y desarrollo de LANOTEC son,
Instrumentación y caracterización de materiales para la determinación de sus
propiedades, principalmente las mecánicas, térmicas y eléctricas.
Síntesis de materiales nanoestructurados con diversas características, mediante
diferentes métodos físicos y químicos.
Aplicación de modelación matemática y simulación computacional para la comprensión
de fenómenos que ocurren a escala nanométrica.
Desarrollo y aplicación de la biotecnología para el estudio de las características e
interacciones de biomoléculas, y sus aplicaciones mediante técnicas de manipulación
nanométrica.
2
1.1.2. Objetivos del LANOTEC
Investigar en el área de la Micro y Nanotecnología enfocado en nanoestructuras,
microsensores y materiales avanzados.
Servir de centro-laboratorio para la formación en nanotecnología en colaboración con
instituciones y programas académicos.
Establecer alianzas estratégicas con industrias de alta tecnología (nacionales y
extranjeras) para el desarrollo de servicios y productos especializados que contribuyan
con el sector productivo del país.
1.1.3. Misión
Realizar actividades de investigación, docencia y servicios tecnológicos en el área de la
nanotecnología y la nanociencia y disciplinas afines para contribuir al progreso del sector
empresarial, académico, gubernamental y social de Costa Rica, mediante la creación y
transferencia de conocimiento científico y tecnológico, y la formación de capital humano
especializado.
1.1.4. Visión
Desarrollar un liderazgo y constituir un referente de desempeño profesional en el campo de
la nanotecnología, microsensores y materiales avanzados, en la investigación, en la docencia
y en el sector industrial costarricense.
3
1.2. Justificación del estudio
Debido a las excelentes propiedades de los nanotubos de carbono, su utilización como
agente reforzante en materiales nanocompuestos, sobre todo en aquellos de matriz
polimérica, representa una atractiva posibilidad, la cual se encuentra en investigación a nivel
mundial. Estos nanocompuestos poliméricos, a razón de su bajo peso y propiedades
superiores, presentan muchas aplicaciones potenciales.
La utilización de los nanotubos de carbono como material reforzante se encuentra limitado,
principalmente por los siguientes factores,
La dispersión homogénea de los nanotubos de carbono en la matriz polimérica, ya que
estos tienden a aglomerarse entre sí mismos.
Lograr la unión interfacial efectiva de los nanotubos de carbono y la matriz del
nanocompuesto, debido a la naturaleza inerte de los nanotubos.
Por lo que las investigaciones que se realizan alrededor del mundo sobre materiales
nanocompuestos entre nanotubos y polímeros se desarrollan en torno a vencer estos factores
limitantes.
El poliuretano es uno de los materiales más versátiles actualmente, gracias a que su
estructura química puede variar según los componentes que se utilicen para su síntesis,
brindándole propiedades muy diversas; con lo cual puede presentar y utilizar es muchas
aplicaciones como en recubrimientos, en fibras, en espumas, y en elastómeros..
El presente trabajo consiste en la obtención de un nanocompuesto de poliuretano y
nanotubos de carbono. Con lo cual es espera obtener mejoras considerables con respecto a
las propiedades del poliuretano por sí solo.
4
1.3. Objetivos del estudio
1.3.1. Objetivo general
Mejorar las propiedades térmicas y mecánicas de un poliuretano mediante la dispersión de
nanotubos de carbono en su estructura como agente reforzante.
1.3.2. Objetivos específicos
Determinar la proporción de componentes óptima para la preparación de la matriz de
poliuretano elastomérica.
Distribuir de forma estable los nanotubos de carbono en la matriz de poliuretano para la
preparación del nanocompuesto.
Preparar un material nanocompuesto a base de poliuretano y nanotubos de carbono.
Caracterizar la estructura del nanocompuesto de poliuretano y nanotubos de carbono.
Caracterizar las propiedades térmicas del nanocompuesto de poliuretano y nanotubos de
carbono.
Caracterizar las propiedades mecánicas del nanocompuesto de poliuretano y nanotubos
de carbono.
5
1.4. Alcances y limitaciones del estudio
Con este trabajo se pretende demostrar la capacidad de los nanotubos de carbono, utilizados
como componente reforzante en un material nanocompuesto, para mejorar las propiedades
de dicho material.
A nivel mundial se están realizando investigaciones sobre el uso de los nanotubos de
carbono como agente reforzante, sobre todo en matrices poliméricas. En el caso del presente,
este introducirá al LANOTEC en ese entorno de investigación, con la ventaja de la
utilización del poliuretano como matriz, debido a su amplia variedad de aplicaciones.
La principal limitación del estudio es la obtención de las sustancias que se necesitan para la
preparación del este material compuesto, porque estas deben ser importadas desde el
extranjero, consumiendo tiempo y dinero.
6
CAPÍTULO 2
Marco Teórico
2.1. Nanotubos de carbono
Desde su descubrimiento por Lijima en 1991, mientras estudiaba la superficie de los
electrodos de grafito utilizados en descargas de arco eléctrico [1], los nanotubos de carbono
has sido objeto de investigación, demostrando tener muchas aplicaciones potenciales [2],
debido a sus excelentes propiedades [3].
2.1.1. Estructura de los nanotubos de carbono
Los nanotubos de carbono están constituidos básicamente a partir de láminas de grafeno
enrolladas concéntricamente y por lo general se encuentran cerrados en sus extremos por la
mitad de una molécula de fullereno, dependiendo del método de síntesis; en donde los
átomos que lo conforman presentan una hibridación , formando arreglos hexagonales [3],
similares a anillos aromáticos, por tanto presentan el mismo fenómeno de resonancia por la
deslocalización de los electrones a través de sus arreglos.
Existen tres diferentes estructuras que se pueden obtener para estos dependiendo de la forma
en que se enrollan las láminas de grafeno, característica denominada como quiralidad (o
helicidad) de los nanotubos, definido por el vector quiral C [3, 4, 5],
Donde y son los números de saltos a través de los vectores unitarios de la red hexagonal
y [3, 5]. Tales estructuras son, zig-zag ( ), armchair ( ) y quiral
( ), representadas en la figura 1. Además de esto, los nanotubos pueden encontrarse en
una sola capa (como los de la figura 1), llamados nanotubos de carbono monocapa
(SWCNTs, por sus siglas en inglés); o en un conjunto de capas coaxiales, llamados
nanotubos de carbono multicapa (MWCNTs, por sus siglas en inglés). En la figura 2 se
muestra un ejemplo de un nanotubo de carbono multicapa.
7
Figura 1. Tipos de nanotubos de carbono. (a) Vectores quirales en una lámina de grafito, donde
las flechas indican la dirección de enrollamiento. (b) Vista lateral para estas estructuras
En cuanto a las dimensiones de los nanotubos de carbono, el diámetro de estos es de algunos
nanómetros, mientras que su longitud se encuentra en el orden de los micrómetros [4]; por lo
que presentan una relación de aspecto ( ) en la mayoría de casos mayor a
[5], pudiéndose considerar como materiales de unidimensionales. El diámetro de D de
estos, se puede determinar mediante la siguiente expresión [4, 5],
√
Donde es la constante de la retícula, cuyo valor es . Por otro lado, para el caso de
los nanotubos multicapa, la distancia entre sus capas es de , las cuales interaccionan
mediante fuerzas de van der Waals [6, 7].
8
Figura 2. (a) Representación de un nanotubo de 6 capas. (b) Imagen TEM de
alta resolución de un nanotubo 6 capas, a través de la referencia [2]
2.1.2. Propiedades de los nanotubos de carbono
Las propiedades de los nanotubos dependen de la estructura de los mismos [8], como por
ejemplo, de su quiralidad, de la cantidad de capas que lo conforman, de su relación de
aspecto, de la presencia de defectos en su estructura, entre otras características; por lo que
dichas propiedades varían para cada nanotubo. Las estimaciones tanto teóricas como
experimentales de las propiedades de estos se determinan de forma promediada, y en algunas
circunstancias, en condiciones idealizadas, como consecuencia de la dificultad que conlleva
la producción controlada de los nanotubos.
Con respecto a sus propiedades mecánicas; sobre su eje axial, los nanotubos de carbono
presentan mejores propiedades que los aceros, en términos de resistencia mecánica; mientras
que sobre su eje transversal, estos son muy flexibles, ya que pueden ser doblados grandes
ángulos sin sufrir ningún deterioro, gracias a su alta resiliencia [9, 10]. Cuando los
nanotubos son sometidos a esfuerzo mecánico, en su estructura se forma un defecto conocido
como Stone-Wales, representado en la figura 3, el cual implica que cuatro hexágonos de la
red estructural se transforman en dos pares de pentágonos y heptágonos, mediante la rotación
perpendicular de los átomos de carbono. Este fenómeno ocurre con el fin de relajar la
estructura, dada la deformación plástica de esta [10]. En el caso de los nanotubos de carbono
multicapa, al ser sometidos a estrés mecánico, la capa más externa es la que falla primero,
como consecuencia de la menor interacción mediante fuerzas de van der Waals, al solo tener
una capa vecina, en comparación con las demás capas [6].
9
Figura 3. Representación del defecto Stone-Wales que ocurre en la
estructura de los nanotubos bajo esfuerzo mecánico, tomada de [10]
Para el caso de sus propiedades eléctricas, los nanotubos de carbono pueden comportarse
tanto como conductores o como semiconductores con anchos de banda prohibida menores
con respecto al determinado para el silicio, cuyo valor depende inversamente del diámetro de
estos [5, 8]. Su comportamiento eléctrico depende en mayor medida de la quiralidad de su
estructura; donde los nanotubos que son conductores cumplen cualquiera de las siguientes
relaciones,
[4]
[5]
Donde es un múltiplo de 3, tomando en cuenta el cero. De estas relaciones se obtiene que
todos los nanotubos tipo armchair y una tercera parte de los tipos zig-zag son conductores
eléctricos; mientras que todos los demás, excepto algunos casos especiales, son
semiconductores.
En cuanto a las propiedades térmicas de los nanotubos de carbono, en términos de
conducción, estas superan a las de cualquier material. La transferencia de calor a través de
los nanotubos ocurre principalmente por las vibraciones de las redes cristalinas de su
estructura, llamadas fonones, las cuales transfieren la energía térmica de un átomo a otro [11,
12]. Además los nanotubos pueden mantener su estabilidad estructural a altas temperaturas,
donde esta varía dependiendo de la presión en que se encuentren estos.
10
La tabla 1 muestra en resumen algunos valores promedios para algunas propiedades
importantes de los nanotubos de carbono en comparación con otros materiales que
sobresalen en cada una de las mismas áreas.
Tabla 1. Propiedades de los nanotubos de carbono en comparación con otros materiales
Propiedad Nanotubos
de carbono Comparación
Densidad [4, 9] 1,4 kg/m3
La densidad del aluminio es
2,7 kg/m3
Módulo de Young [4, 5, 9] 1 TPa En aceros se encuentra típicamente
entre 0,2 y 0,3 TPa
Resistencia a la cedencia [6, 9] 11 – 60 GPa Para aceros se encuentra entre
0,5 y 1,0 GPa
Resistividad eléctrica [11] 5-50 μΩ/cm La plata tiene un resistividad de
1 μΩ/cm
Conductividad eléctrica [4, 5] 1x109 A/cm2
Los cables de cobre se queman a
densidades de corriente en el rango
de los 1x106 A/cm2
Portadores de carga [13] 1 – 10 x104 cm2/V⋅s
Para el silicio es aproximadamente
1 400 cm2/V⋅s
Banda prohibida [5] ~0,5 eV El silicio tiene una banda prohibida
de 1,1 eV
Conductividad térmica [5, 7] 3000 W/m⋅K
El diamante tiene una
conductividad alrededor de
2500 W/m⋅K
Estabilidad térmica [9, 10] 2800 °C al vacío y 750 °C
a temp. amb.
Los cables de los circuitos
integrados se funden a más
de 600 °C
11
2.2. Poliuretano
La historia de los poliuretanos data desde 1937, año en el que Otto Bayer y sus
colaboradores utilizaron un diisocianato alifático y una diamina para formar una poliurea,
cuya composición química es similar a la del poliuretano. No fue hasta a partir de la época
50s, que se obtuvo un poliuretano como tal, al sustituir la diamina por un diol [14].
Actualmente los poliuretanos son el sexto polímero mayor consumido a nivel mundial,
comprendiendo cerca del 6% del mercado [15].
2.2.1. Estructura y componentes del poliuretano
Los poliuretanos abarcan una familia de polímeros, donde su monómero es el uretano [15],
el cual se forma a partir de dos componentes principales ubicados en bloques, un
poliisocianato y un poliol, cuya ecuación química se muestra de forma representativa en la
figura 4.
Generalmente durante la síntesis de un poliuretano se utiliza una sustancia llamada extensor
de la cadena (chain extender, en inglés), constituido por un poliol o una poliamina, de bajo
peso molecular en comparación con el poliol principal [15], cuya función es la de unir las
cadenas de uretano a través del extremo del isocianato, hasta la formación del poliuretano
como tal.
Figura 4. Reacción básica para la formación de un poliuretano
La naturaleza y la cantidad utilizada de los componentes de un poliuretano durante su
síntesis, definen las propiedades de este [15, 16, 17, 18]. La parte del poliuretano
conformada por el poliisocianato y el extensor de la cadena, se conoce como el segmento
rígido (hard segment, en inglés), ya que aporta resistencia mecánica al mismo [17, 18],
debido a que el poliisocianato por lo general tiene anillos aromáticos en su estructura, y
ambos son de bajo peso molecular en comparación con el poliol. Por otro lado, la parte del
poliuretano compuesta por el poliol es conocida como el segmento blando (soft segment en
12
inglés), debido a que posee un peso molecular mucho mayor que el segmento rígido,
brindando soporte y flexibilidad al poliuretano [17, 18].
2.2.2. Síntesis del poliuretano
Para acelerar el proceso de producción de un poliuretano, se añaden catalizadores durante la
síntesis de este, teniendo como propósito aumentar la reactividad del poliisocianato para que
la reacción con el poliol suceda con mayor rapidez [14, 15]. Estos catalizadores pueden ser
de naturaleza nucleofílica, como las bases químicas (por ejemplo, las aminas terciarias), o
de naturaleza electrofílica, como los compuestos organometálicos.
Uno de los catalizadores más utilizados en la síntesis de poliuretanos a nivel industrial es el
1,4-diazabiciclo[2,2,2]octano, conocido comercialmente como Dabco, siendo una amina
terciaria, comportándose de manera nucleofílica, atacando mediante la transferencia de
electrones al carbono de los grupos isocianatos, gracias a que presenta una polaridad positiva
producida por la electronegatividad del nitrógeno y del oxígeno enlazados a este [14].
El mecanismo de reacción por medio del cual se forma un poliuretano, representando en la
figura 5, consiste en un proceso de polimerización por adición en etapas [16], donde,
En la primera etapa, por la naturaleza nucleofílica del catalizador, este se enlaza con el
carbono de un grupo isocianato, donde a su vez este último, para estabilizarse
nuevamente, rompe uno de sus enlaces con el nitrógeno, como consecuencia de que este
tiene una menor electronegatividad que el oxígeno, por lo que dicho nitrógeno queda
cargado negativamente
En la segunda etapa, el nitrógeno que esta negativamente cargado, para alcanzar la
estabilidad, se enlaza con el hidrógeno del poliol, induciendo una carga negativa en el
oxígeno, ya que por tener mayor electronegatividad que el hidrógeno, este se queda con
los electrones al desenlazarse del hidrógeno; por lo que dicho oxígeno actúa como un
nucleofílico al igual que el catalizador, donde para estabilizarse se enlaza con el carbono,
el cual por la diferencia de electronegatividad entre este y el nitrógeno del catalizador, se
desenlaza con este nitrógeno. Finalmente el catalizador vuelve a su estructura original
para continuar interviniendo en la formación de más cadenas.
En la tercera etapa (no mostrada en la figura), las cadenas de uretano se unen mediante el
extensor de la cadena, hasta la formación del poliuretano.
13
Durante este proceso pueden ocurrir reacciones secundarias, formando otros tipos de
compuestos; como por ejemplo la reacción de un poliisocianato con una cadena de uretano
forma el compuesto llamado alofanato (allophanate, en inglés) [14]. Por lo que controlar
completamente el proceso de síntesis del poliuretano es muy difícil.
Figura 5. Mecanismo de polimerización por adición del poliuretano
14
2.2.3. Funcionalidad y tipos de poliuretano
La funcionalidad de un componente de algún polímero se define como la cantidad de grupos
funcionales que posee dicho componente, los cuales actúan como zonas reactivas en la
cadena para la creación de enlaces con otros componentes, para formar el polímero en
cuestión [18].
Para el caso del poliuretano, los componentes que conforman el mismo (poliol,
poliisocianato y extensor de la cadena) pueden poseer diferente valor de funcionalidad,
donde el más importante en cuanto a aspectos estructurales es aquel que sea mayor, por el
nivel de entrecruzamiento que induce [16]. Para una funcionalidad menor a 2 se obtienen
poliuretanos lineales; mientras que para una funcionalidad mayor a 2 se obtienen
poliuretanos con entrecruzamientos en sus cadenas.
El poliuretano al ser un material muy versátil, ya que su composición química puede varias,
puede ser producido en muchas formas. Los 4 tipos de poliuretano más utilizados son, en
forma de recubrimiento, en forma de fibra, en forma elastomérica y en forma de espuma
[18].
Para este trabajo, es de especial interés la producción de un poliuretano elastomérico, donde
se necesita que durante el proceso de polimerización se formen entrecruzamiento en las
cadenas que conforman este tipo de poliuretano. Estos entrecruzamientos pueden presentarse
mediante dos tipos de enlaces, químicos (covalentes), y/o físicos (por puentes de hidrógeno,
o no covalentes) [17]. Para el caso de los entrecruzamientos covalentes, se necesita que uno
de los componentes que se utilizan para la síntesis de dicho elastómero tenga una
funcionalidad mayor a 2, como se mencionó con anterioridad. Mientras que para los
entrecruzamientos no covalentes, se requiere que en las cadenas existan zonas con mayor
polaridad para que ocurra una atracción intermolecular entre ellas.
15
2.3. Nanocompuestos de nanotubos de carbono y polímeros
Gracias a las sobresalientes propiedades de los nanotubos de carbono, estos poseen muchas
aplicaciones potenciales. Una de las principales áreas de investigación en la actualidad, es su
uso como agente reforzante en la preparación materiales nanocompuestos [19];
especialmente en aquellos de matriz polimérica, ya que los polímeros son utilizados
ampliamente, a razón sus buenas propiedades en relación a su peso y a su bajo costo de
producción en comparación con otros tipos materiales [20].
2.3.1. Dispersión y funcionalización de los nanotubos de carbono
La dispersión de los nanotubos de carbono en una matriz polimérica no se puede lograr
uniformemente mediante la simple mezcla de ambos componentes, porque los nanotubos de
carbono tienden a permanecer aglomerados entre sí mismos por al presencia fuerzas de van
der Waals entre ellos, y también por la poca interacción y unión interfacial entre estos y la
matriz, consecuencia de la naturaleza inerte de los nanotubos [11, 21]. Estos problemas se
pueden sobrellevar mediante la funcionalización, ya sea química (covalente) o física (no
covalente), de los nanotubos de carbono, representados en la figura 6, mejorando
efectivamente la distribución de estos en la matriz,
La funcionalización covalente, trata en alterar químicamente los nanotubos de carbono
enlazando grupos funcionales a la estructura de estos, los cuales aumenten la reactividad
de dichos nanotubos, cambiando la hibridación en los carbonos enlazados de a ,
en detrimento de las propiedades de los nanotubos [11, 22, 23]. Un proceso generalmente
usado como primera etapa para este tipo de funcionalización, es tratar los nanotubos con
ácidos fuertes (como el HCl, H2SO4 y el HNO3), los cuales generan grupos funcionales
oxigenados, como el ácido carboxílico (COOH).
La funcionalización no covalente, consiste en usar sustancias que interacciones a través
de fuerzas de van der Waals; como lo son algunos surfactantes o algunos compuestos
poliméricos que “envuelvan” los nanotubos (polymer wrapping, en inglés); permitiendo
mantener la integridad estructural de los nanotubos sin alteración en sus propiedades [11,
22, 23]. Por lo general se prefiere el empleo de aquellas sustancias que contengan grupos
16
aromáticos, ya que en lugar de utilizar fuerzas de van der Waals para adherirse a los
nanotubos de carbono, lo efectúan mediante el apilamiento ( stacking, en
inglés), el cual es un tipo de interacción intermolecular, similar a las fuerzas de van der
Waals, que solo sucede entre los anillos aromáticos [11, 23].
Figura 6. Representación de la funcionalización (a) covalente y
(b) no covalente de los nanotubos de carbono
17
2.3.2. Procesamiento de nanocompuestos de nanotubos de carbono y polímeros
Existen varios métodos que se utilizan para el procesamiento de materiales compuestos de
nanotubos de carbono en matrices poliméricas, de los cuales se destacan principalmente tres
de ellos [11, 21, 22],
El mezclado en solución (solution mixing en inglés), que consiste en mezclar los
nanotubos de carbono con el polímero, en un solvente a fin a la matriz, en donde
mediante la agitación energética, se dispersen ambos materiales, y finalmente se obtenga
el nanocompuesto al evaporar el disolvente de forma controlada. Para la agitación se
pueden utilizar varias técnicas, donde la preferida es la ultrasonicación, que trata en la
aplicación de ondas de sonidos para romper las fuerzas de van de Waals entre los
nanotubos, evitando que se aglomeren temporalmente, afectando sus propiedades al
reducir el tamaño de estos.
El mezclado en fundido (melt mixing en inglés), donde al calentar el polímero, ya sea por
encima del punto de fusión, en el caso de que sea semicristalino, o por encima de la
temperatura de transición vítrea, en el caso de que sea amorfo, formando un fluido
viscoso; y mediante la aplicación de altas esfuerzas cortantes se logra la distribución de
los nanotubos en dicho polímero. Este método es el preferido a nivel de producción
industrial, ya que este representa un bajo costo y es muy simple en comparación con los
otros, gracias a que permite el uso de técnicas de uso industrial como la extrusión y la
inyección de termoplásticos; pero la dispersión no es muy efectiva en comparación con
otras técnicas.
La polimerización in situ (in-situ polimerization en inglés), la cual permite, mediante la
funcionalización de los nanotubos de carbono, ya sea química o física, la síntesis del
polímero y unir las cadena de este con los nanotubos. Cuando proceso se lleva a cabo por
funcionalización covalente se método se conoce también como grafting.
18
CAPÍTULO 3
Metodología
3.1. Materiales
En la tabla 2 se muestra algunas características para las sustancias utilizadas para la
preparación de la matriz de poliuretano del nanocompuesto y del surfactante usado para la
funcionalización de los nanotubos de carbono. Estos materiales fueron proveídos por Sigma-
Aldrich Co. LLC, donde en la figura 7 se exhiben la estructuras química de los mismos.
En la tabla 3 se presentan algunas características de los nanotubos de carbono multicapa,
facilitados por Nanocyl, usados en la síntesis del nanocompuesto con matriz de poliuretano.
Tabla 2. Características de los materiales utilizados en la síntesis de un compuesto de
poliuretano y nanotubos
Sustancia Masa molecular [g/mol] Densidad [g/mL] Otras características
4,4’-MDI 250 1,18 Con 98% de pureza
Poliol* 5 300 ** 1,01 Con una funcionalidad de 2,5
1,4-BD 90 1,02 Extensor de las cadenas
Dabco 33-LV 112 1,02 Catalítico para la reacción de los
componentes que conforman el poliuretano
Triton X-100 625 ** 1,07
Agente dispersante (surfactante) de los
nanotubos de carbono en la matriz de
poliuretano
* Propoxilato de glicerol en bloque con Etoxilato
** Promedio
19
Tabla 3. Propiedades de los nanotubos de carbono multicapa Nanocyl NC7000, por CVD
Propiedad Valor Método de medición
Diámetro* 9,5 nm TEM
Longitud* 1,5 µm TEM
Pureza 90% TGA
Catalítico 10% TGA
Área superficial 250 – 300 m2/g BET**
* Valores promedio
** BET ¿?
Figura 7. Estructura molecular de los componentes utilizados en la
síntesis del nanocompuesto con matriz de poliuretano
20
3.2. Preparación del compuesto de poliuretano con nanotubos de
carbono
3.2.1. Síntesis del poliuretano elastomérico
La cantidad en masa de los materiales usados en la elaboración del elastómero de
poliuretano, y la relación molar para estos se presentan en la tabla 4. Estas proporciones
aseguran que el índice estequiométrico entre grupos isocianato y grupos hidroxilo
(NCO/OH) sea de 1,2; y que el porcentaje en masa del segmento rígido (HS wt%) sea de
25% en todo el poliuretano. Estos valores se determinaron a través de las siguientes
ecuaciones,
En donde , y representan respectivamente la masa, la masa molecular
equivalente, la masa molar y la funcionalidad para cada componente.
Tabla 4. Cantidad en masa y relaciones molares para los componentes utilizados en la síntesis
del poliuretano elastomérico
Aspecto
Componente
4,4’- MDI Poliol * 1,4-BD Dabco 33-LV
Cantidad en masa [g] 4,50 16,50 1,00 0,05
Relación molar [g/mol] 5,78 1,00 3,57 0.14
Masa molar equivalente [g eq./mol] 125 2120 45 66
* Propoxilato de glicerol en bloque con Etoxilato
21
Los cuatro componentes fueron mezclados y agitados en un a 600 rpm en una agitador
mecánico por 5 min; obteniendo un prepolímero viscoso, el cual fue vertido en un molde con
la forma de probetas para la prueba de tensión mecánica (mostrado en la figura 8), teniendo
como base la norma ATSM D638. Finalmente el molde llenado con el prepolímero viscoso
fue puesto en un horno a 60 °C por 48 horas para curar el mismo, y así obtener el poliuretano
en forma elastomérica.
3.2.2. Dispersión estable de los nanotubos de carbono en el poliol y preparación de los
nanocompuestos
Para la adición de los nanotubos de carbono al poliuretano, se utilizó la misma formulación
para evitar alterar las propiedades del poliuretano en cuanto al índice de NCO/OH y al
porcentaje del segmento rígido. En la tabla 5 se muestra las proporciones en masa de los
nanotubos y el surfactante, para realizar una comparación en cuanto al efecto sobre las
propiedades del poliuretano; donde una relación en masa entre el Triton X-100 y los
nanotubos de carbono de 80% permite la máxima adsorción del surfactante, ofreciendo los
mejores resultados en términos de la mejora de propiedades de la matriz. [24].
Los nanotubos fueron añadidos, junto con el surfactante, al poliol; los cuales fueron
mezclados a 600 rpm en un agitador mecánico durante 4 horas a una temperatura de 80 °C.
Luego, para la elaboración de los nanocompuestos se siguieron los mismos pasos utilizados
en la síntesis del poliuretano.
Tabla 5. Cantidad en masa usada de nanotubos de carbono y surfactante para la preparación
de los nanocompuestos en la matriz de poliuretano
Etiqueta de muestra
Porcentaje en masa de, [g]
Nanotubos de carbono Triton X-100
PU-0 ___ ___
PU-1 0,5 0,4
PU-2 1,0 0,8
PU-3 1,5 1,2
PU-4 2,0 1,6
PU-5 2,5 2,0
22
3.3. Caracterización
3.3.1. Caracterización estructural y morfológica de los nanocompuestos
Se utilizaron los microscopios de barrido electrónico (SEM, por sus iniciales en inglés), de
transmisión electrónica (TEM, por sus iniciales en inglés) y de fuerza atómica (AFM, por sus
iniciales en inglés) para analizar la estructura de los nanocompuesto, con respecto a la
distribución de los nanotubos de carbono en la matriz de poliuretano, mediante la toma de
imágenes.
3.3.2. Caracterización de las propiedades mecánicas de los nanocompuestos
3.3.3. Caracterización de las propiedades térmicas de los nanocompuestos
3.4. Aspectos de seguridad
Durante el proceso de síntesis de los nanocompuesto se sebe de tener en cuenta las
condiciones de seguridad en las cuales se efectúa dicho proceso, debido a que los materiales
que se utilizan pueden presentar riesgo tanto para la salud humana como para el medio
ambiente. En el caso especial de los nanotubos de carbono, al poseer relativamente poca
masa, son muy volátiles, por lo que se puede dispersar fácilmente en la atmósfera de trabajo,
implicando un alto riesgo para la salud por motivos de su naturaleza inerte. Por lo tanto se
deben seguir algunos puntos relevantes para mantener la seguridad en el laboratorio, como,
Leer y entender las fichas técnicas de seguridad (MSDS, por sus siglas en inglés) de
cada material a utilizar.
Utilizar vestimenta de protección como la gabacha de laboratorio, guantes, mascarilla de
gas y lentes protectores.
Tener conocimiento acerca de los dispositivos de seguridad como la cámara de
extracción de gases, los extintores de fuego, la caja de primeros auxilios y la ducha de
emergencias.
La correcta disposición de los desechos que se produzcan durante el proceso a realizar.
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