Radiación ultrasónica en PP: mejora de propiedades para la sostenibilidad

Es un hecho: existe la necesidad de desarrollar nuevos materiales con mayor conductividad térmica y eléctrica, además de mejor resistencia mecánica en aplicaciones aeroespaciales y automotrices. Actualmente se investiga la modificación de las estructuras químicas de los polímeros y nanocompuestos a través de tratamientos ultrasónicos para incrementar estas propiedades.

Las poliolefinas son consideradas el plástico más utilizado hoy; estadísticamente, se dice que el 50 % de los plásticos de nuestra vida cotidiana están hechos de este polímero (1). Las poliolefinas más conocidas son el polipropileno (tuberías, juguetes, alfombras, bolsas para alimentos, etc.), el polietileno (botellas, bolsas comerciales, recubrimiento de cables, etc.), el polibutileno (tubería de fontanería y calefacción, etc.).

El polipropileno es uno de los polímeros más comunes por su bajo costo y fácil procesamiento y reciclaje, además de tener una gran variedad de aplicaciones industriales en las áreas de empaque de alimentos, automotriz y aeroespacial, entre otras (2,3).

Los productos finales de este polímero se obtienen por medio del proceso de extrusión o moldeo por inyección (4) y se ha demostrado que la radiación ultrasónica durante la fase de extrusión mejora algunas propiedades de los materiales con nanopartículas. Esto se aplica en la cámara de mezclado al introducir la punta del equipo generador de ultrasonido a una frecuencia que abarca desde 15 hasta 55 kHz.

Incorporación de nanopartículas en polímeros

Sin duda, la nanotecnología se lleva el protagonismo mediante la incorporación de nanopartículas en polímeros para obtener excelentes propiedades mecánicas, térmicas y conductividades eléctricas, entre otras (5). El tratamiento ultrasónico se incluye en las fases de procesamiento para garantizar que las nanopartículas incorporadas a la matriz queden totalmente dispersas y, de esa manera, se pueda obtener un material homogéneo (5,6).

En el caso de este desarrollo se elaboraron nanocompuestos a concentraciones de 0, 1, 3 y 5 % de nanotubos de carbono (MWCNTS), con y sin tratamiento de ultrasonido durante el proceso de extrusión, donde la variante de radiación ultrasónica que se aplicó fue de una frecuencia de 30 kHz y 231 vatios de potencia de salida como se muestra en la figura 1.

La función principal de la radiación ultrasónica en la elaboración de los nanocompuestos mediante el proceso de extrusión es la dispersión homogénea de las nanopartículas; sin embargo, lo interesante del proyecto fue analizar el efecto de esta radiación en la estructura química de los nanocompuestos radiados, con los que se procesaron de manera común (5,6).

Análisis comparativo del efecto ultrasónico

Para tener un panorama más comparativo del efecto de la radiación ultrasónica, se tomaron como referencia el polipropileno virgen, el polipropileno procesado al 0 % de nanopartículas por extrusión sin radiación ultrasónica y el polipropileno procesado al 0 % de nanopartículas por extrusión con radiación ultrasónica, a fin de tener claro un cambio en la estructura química del polímero.

Las técnicas de caracterización que se utilizaron para observar el efecto fueron: espectroscopia infrarroja (FTIR), cromatografía (GPC), termogravimetría (TGA), conductividad térmica y propiedades mecánicas, las que fueron realizadas en el Centro de Investigación en Química Aplicada.

Resultados y análisis de las caracterizaciones

De acuerdo con los resultados de las caracterizaciones, observamos lo siguiente de cada análisis:

• Espectroscopia infrarroja (FTIR). Esto indica que el procesamiento en el extrusor del polipropileno produce una ligera oxidación, y que la aplicación de radiación ultrasónica genera un incremento en la oxidación de la estructura química del polipropileno; se puede observar también, mediante una relación de bandas de las estructuras del polipropileno, que se incrementan con el procesado y aún más con el ultrasonido, lo que indica los cambios químicos que sufre la estructura del polipropileno (7,8).
• Cromatografía (GPC). Se observó cómo los pesos moleculares del polipropileno procesado en el extrusor, sin y con radiación ultrasónica, se desplazan ligeramente hacia pesos moleculares menores con respecto al polipropileno virgen; sin embargo, el polipropileno con radiación ultrasónica presenta un mayor incremento en este desplazamiento (9,10).
• Termogravimetría (TGA). En los compuestos de polipropileno/MWCNT, la temperatura de cristalización (T_c) se incrementó ligeramente debido a la disminución del peso molecular, lo cual también incrementa la cristalinidad del polipropileno. Para los materiales procesados, sin y con radiación ultrasónica, la temperatura de fusión (T_m) no sufre cambios significativos (10,11).
• Conductividad térmica. Una de las características importantes que proporcionan los nanotubos de carbono en los compuestos poliméricos es la conductividad térmica. En los nanocompuestos procesados con radiación ultrasónica se observa un incremento de la conductividad térmica. Con la concentración del 5 % de nanotubos de carbono sin ultrasonido se incrementó la conductividad térmica alrededor de un 20 %, y con radiación ultrasónica un 25 % (12).
• Conductividad eléctrica. Otra de las características importantes que los nanotubos de carbono proporcionan a los polímeros es la conductividad eléctrica. En los nanocompuestos procesados con ultrasonido se observa que el contenido de nanotubos de carbono aumenta la conductividad eléctrica en varias magnitudes, y se detecta una mayor conductividad en los compuestos procesados con ultrasonido. Con solo el 3 % de MWCNT sin el ultrasonido, la conductividad eléctrica aumenta en cinco órdenes de magnitud. Esto se debe a una mejor dispersión de los nanotubos en el PP. Con el ultrasonido, la conductividad eléctrica de los compuestos aumenta en siete órdenes de magnitud, debido a una mejor formación de una red conductora al aumentar la dispersión de los nanotubos en el PP (12). Esta condición indica que el uso del ultrasonido es una excelente opción para aumentar la conductividad eléctrica de los compuestos con nanotubos de carbono.
• Propiedades mecánicas. En las propiedades de tensión en los nanocompuestos se puede observar cómo la resistencia de tensión a la cedencia y el módulo de elasticidad se incrementan con la presencia de los nanotubos de carbono. Los compuestos obtenidos con radiación ultrasónica mostraron una mayor resistencia de tensión y módulo de elasticidad. Este comportamiento puede ser debido al incremento de cristalinidad que presentaron los compuestos procesados con ultrasonido (6).

En las propiedades de elongación se observa cómo el módulo de elasticidad se incrementa con la presencia de los nanotubos de carbono. Los compuestos procesados con y sin ultrasonido presentaron un incremento de hasta 30 y 27 %, respectivamente.

Este comportamiento indica que la aplicación de ultrasonido durante su procesamiento ayuda a aumentar la dispersión de los nanotubos de carbono aumentando el módulo de elasticidad de acuerdo con lo reportado por el equipo de trabajo del CIQA (13,14) y la literatura (5). También el módulo de elasticidad puede incrementarse por el aumento de la cristalinidad de los compuestos procesados con ultrasonido (15).

Los resultados obtenidos mostraron que se puede proporcionar cierto grado de degradación al polímero (polipropileno); a pesar de que el proceso convencional de extrusión es una excelente alternativa para proteger la estructura de materiales de polipropileno y nanotubos de carbono, las propiedades que adquirieron estos nanocompuestos al utilizar radiación ultrasónica durante el proceso de extrusión fueron superiores, debido a una mejor dispersión de los nanotubos de carbono en el polipropileno por medio de la radiación ultrasónica.

Al modificar la estructura de los materiales mediante el proceso de extrusión con radiación ultrasónica se facilita el reciclaje, ya que la etapa de extrusión se considera fundamental en un proceso de reciclado, y de esta manera podemos obtener un material reciclado de alta calidad.