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http://ciqa.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1025/236| Nanocompuestos de poliamida-6 y MWCNTs: Funcionalización e hibridación | |
| PABLO GONZALEZ MORONES | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución-NoComercial-SinDerivadas | |
| Doctorado en tecnología de polímeros | |
| En la presente tesis doctoral se realizó la síntesis de los nanocompuestos poliméricos híbridos de Nylon-6 y MWCNTs mediante el método de polimerización in-situ asistido por microondas. El interés y la originalidad de este tema de investigación consisten en aportar nueva información y generar conocimiento sobre el proceso de hibridación entre ambos componentes (MWCNTs y Nylon-6) bajo la influencia de las microondas; así como el efecto de la hibridación sobre las propiedades del nanocompuesto y de las nanopartículas. Los trabajos de investigación se enfocaron a los procesos de funcionalización de los nanotubos y la reacción química de hibridación entre las moléculas del polímero Nylon-6 y la superficie de los MWCNTs; ya que ambos procesos tienen un efecto significativo en la síntesis y propiedades del nanocompuesto polimérico híbrido. En el proceso de funcionalización de los MWCNTs se empleó la polimerización por plasma del monómero ácido acrílico, con el cual es posible recubrir a los nanotubos con grupos funcionales ácido carboxílicos. Estos grupos COOHs pueden fomentar la reacción con el grupo NH tanto de las moléculas del Nylon6 y el monómero. Debido a que el grado de funcionalización de los MWCNTs tratados con plasma depende de las condiciones de operación de este proceso, se estudió el efecto de la potencia (20, 40 y 100 W) y tiempo de tratamiento (30,60 y 90 min) sobre la funcionalización de los MWCNTs. Con estos estudios se determinó que tanto la composición química y la deposición del polímero de ácido acrílico se pueden controlar principalmente con la potencia; ya que mediante las técnicas de FTIR, dispersión en agua y ángulo de contacto se determinó que a 20 W de potencia se producen MWCNTs recubiertos con una película de escala nanométrica de polímero con grupos COOHs. A una potencia de 40 W se obtienen MWCNTs recubiertos con una película nanométrica de polímero sin grupos funcionales COOHs. Por último, a una potencia de 100 W se observó que se producen tanto MWCNTs con y sin grupos funcionales COOHs.
Los estudios del tratamiento por plasma también proporcionaron información del efecto del estado de aglomeración de los MWCNTs sobre su grado de funcionalización. Inicialmente los MWCNTs se encuentran aglomerados y forman agregados de aproximadamente 4.8 x 104nm, lo que provoca que sólo los nanotubos que se encuentran en la parte superior del aglomerado se funcionalicen con el plasma de ácido acrílico, lo cual reduce la cantidad de MWCNTs que se exponen al tratamiento de plasma. Para minimizar el grado de agregación de los MWCNTs se diseñó un proceso de desaglomeración con ultrasonido en fase gas, con el cual es posible romper y reducir el tamaño de los aglomerados de 200 a 6 µm. Esto incrementa el grado de funcionalización de los MWCNTs tratados con plasma en aproximadamente 50 %. Por lo tanto, para la funcionalización de los MWCNTs se determinó que los nanotubos deben ser desaglomerados con ultrasonido en fase gas antes de su tratamiento de funcionalización. Posteriormente, el tratamiento con plasma de ácido acrílico debe realizarse a las condiciones de: 20 W de potencia y tiempo de tratamiento de 90 min. Para la síntesis de los nanocompuestos poliméricos híbridos se empleó la polimerización hidrolítica del Nylon-6 con los monómeros E-caprolactama y el ácido-6-aminocapróico, con nanotubos puros y funcionalizados a una concentración de 0.5,1, 2 y 5 % en peso. Las reacciones se llevaron a cabo en un equipo de microondas MARS-X, a una temperatura de 230 ºC y 600 W de potencia. Se analizó por separado el polímero y los MWCNTs de estos nanocompuestos y se encontró que la conversión y peso molecular disminuyen al incrementarse el recubrimiento de los MWCNTs con Nylon-6. Este comportamiento sugiere que hay una competencia entre el polímero que se produce en la masa de reacción y el que se polimeriza sobre los MWCNTs. En el caso del comportamiento térmico de la reacción de polimerización de los nanocompuestos, se observó que al incrementar la concentración de los MWCNTs, aumenta la velocidad de calentamiento de estas reacciones de 41.8 ºC/min para el Nylon-6 puro a 191.6 ºC/min para los nanocompuestos híbridos. Esto sugiere que los MWCNTs se calientan cuando están en contacto con el microondas y disipan su calor en el medio de reacción.La hibridación también tiene un efecto en el comportamiento de la cristalización del Nylon-6; ya que se observó por calorimetría diferencial de barrido (DSC) que al incrementar la concentración de los MWCNTs se desplaza el pico cristalización hacia mayores valores de temperatura y en las concentraciones de 2 y 5 % en peso de nanotubos se produce un segundo pico de cristalización. Et aumento en la temperatura de cristalización indica que los nanotubos actúan como agentes de nucleación y la aparición del segundo pico de cristalización algunos autores la atribuyen a: i) la existencia de dos diferentes tipos de cristales y ii) dos procesos de cristalización. En el caso de la fusión se observó que inicialmente el Nylon-6 presenta dos picos de fusión en 209 y 216 ºC, pero para los nanocompuestos se observó que al incrementar la concentración de los MWCNTs el primer pico de fusión desaparece dando como resultado una sola endoterma de fusión. Estos resultados indican que los cristales del nanocompuesto son más perfectos y su distribución del tamaño es más homogénea. Estos comportamientos de la cristalización de los nanocompuestos híbridos dependen tanto de la hibridación como de la dispersión de los MWCNTs en el Nylon-6. La dispersión de los MWCNTs se estudió por microscopía óptica y electrónica,con las cuales fue posible determinar que las microondas pueden distribuir a los aglomerados de los nanotubos en el polímero, sin embargo no pueden dispersarlos. Esta distribución que se produce en los nanocompuestos es tan eficiente que aumenta la conductividad eléctrica del Nylon-6 de 5 x 10-10-6 S/cm. Estos resultados con comparables con otros trabajos de síntesis de nanocompuestos de Nylon-6 y MWCNTs en donde se utiliza el ultrasonido durante la reacción de polimerización para producir la dispersión de los MWCNTs. Por medio de los estudios de STEM y FTIR realizados a los MWCNTs que se extrajeron de los nanocompuestos, se determinó que tanto nanotubos puros como funcionalizados se recubren con moléculas de Nylon-6; y por RAMAN se observó que están unidas de forma covalente a la superficie de los MWCNTs. Este recubrimiento permite que los nanotubos se dispersen en ácido fórmico y su conductividad disminuya en aproximadamente uno y dos ordenes de magnitud: de 1.3 a 0.1 y 0.01 S. Además, este recubrimiento permite que los MWCNTs formen una película con textura rugosa y con un ángulo de contacto parecido al del Nylon-6 de 48 º. | |
| 2011-12 | |
| Tesis de doctorado | |
| QUÍMICA | |
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