Nanotecnología
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Nanotecnología
La nanotecnología ofrece la promesa de productos únicos y maravillosos como resultado de los cambios dramáticos que ocurren cuando las estructuras se acercan a las dimensiones a nanoescala. En estos tamaños, a nivel molecular, las propiedades superficiales o interfaciales juegan un papel más significativo. Estos efectos se utilizan para producir sistemas de suministro de medicamentos más efectivos, piezas de plástico de mayor rendimiento y dispositivos de memoria más rápidos y livianos, productos que afectan nuestra vida cotidiana. Muchos de los productos e informes de nanotecnología actuales se centran en el procesamiento de semiconductores y los materiales a base de cerámica; sin embargo, estos materiales tienen limitaciones debido a la alta densidad y rigidez. Los productos basados en polímeros ofrecen una ventaja debido a su peso más ligero, flexibilidad y compatibilidad biológica. Además, los polímeros también proporcionan el beneficio de la facilidad de fabricación utilizando un procesamiento continuo y de alta velocidad. Como resultado, se anticipa que los materiales poliméricos desempeñarán un papel más importante en el futuro de la revolución de la nanotecnología.
Una de las cuestiones críticas para avanzar en el campo de la nanotecnología es la necesidad de desarrollar métodos de fabricación económicos y sólidos. Dado que los polímeros se pueden fabricar en una amplia gama de formas y formas, sus enfoques de fabricación se pueden utilizar para desarrollar numerosos productos. Algunos de los nuevos productos potenciales incluyen películas delgadas multicomponentes extruidas para almacenamiento o pantallas de datos de alta densidad, conformables, estándares de calibración de bajo costo moldeados por inyección y nanotextiles electrohilados para almacenamiento de energía. El problema para desarrollar estos productos es la necesidad de desarrollar métodos de nanomanufactura comercialmente viables. Es probable que la fabricación de polímeros parezca bastante diferente de los procesos actuales de macroescala; sin embargo, podemos hacer modificaciones a los equipos existentes para producir una gran cantidad de nuevos productos. Aunque se anticipa que surgirán muchos productos nuevos, podemos explorar cuatro geometrías básicas: nanocompuestos, nanofibras, películas en capas y polímeros nanofeaturados. Este capítulo cubre brevemente estas tecnologías actuales, algunas que ya aparecen en productos comerciales.
Nanocompuestos
Los nanocompuestos consisten en una fase a escala nanométrica en combinación con otra fase. Si bien esta sección se centra en los nanocompuestos de polímeros, vale la pena señalar que otros materiales importantes también pueden clasificarse como nanocompuestos: palas de turbina de súper aleación, por ejemplo, y muchas estructuras sándwich en microelectrónica. La dimensionalidad es uno de los clasificaciones más básicas de un compuesto (nano). Un sistema reforzado con nanopartículas ejemplifica un nanocompuesto de dimensión cero, mientras que las partículas macroscópicas producen un polímero relleno tradicional. Las nanofibras o nanowhiskers en una matriz constituyen un nanocompuesto unidimensional, mientras que las fibras grandes nos dan los compuestos de fibra habituales. El caso bidimensional se basa en capas individuales de espesor nanoscópico incrustadas en una matriz, con capas más grandes que dan lugar a compuestos convencionales rellenos de escamas. Finalmente, una red interpenetrante es un ejemplo de un nanocompuesto tridimensional, mientras que las mezclas de polímeros continuos sirven como un ejemplo de una contraparte de macroescala.
El desarrollo de mezclas de polímeros, compuestos y laminados es un área muy activa de la ciencia y la tecnología; De gran importancia económica no solo para la industria del plástico sino también para muchas otras industrias donde el uso de tales productos se está volviendo cada vez más común. La mayoría de los pares de polímeros son inmiscibles entre sí. Peor aún es el hecho de que también tienen menos compatibilidad de la que se requeriría para obtener el nivel deseado de propiedades y rendimiento de sus mezclas. Los compatibilizadores a menudo se usan como aditivos para mejorar la compatibilidad de los polímeros inmiscibles y, por lo tanto, mejorar la morfología y las propiedades resultantes de la mezcla. De manera similar, a menudo es difícil dispersar los rellenos de manera efectiva en el polímero matriz de un compuesto, o adherir capas de polímeros entre sí u otros sustratos (como vidrio o metales) en laminados. El progreso continuo en el desarrollo de tecnologías de compatibilización es, por lo tanto, crucial para permitir que la industria de los polímeros obtenga todos los beneficios de tales enfoques para obtener materiales con un rendimiento óptimo y características de costo.
En los polímeros llenos de rellenos con áreas superficiales específicas altas (es decir, cientos de metros cuadrados por gramo), la mayoría del polímero presente está cerca de una interfaz (y, por lo tanto, polímero unido), incluso con solo una pequeña fracción en peso de relleno. Tales rellenos son necesariamente nanoscópicos, ya que esta es la única forma de lograr un área de superficie específica tan alta. Si la interacción en la interfaz es fuerte, o si la estructura del polímero interfacial es muy diferente de la masa, uno puede esperar ver propiedades marcadamente diferentes en el material en su conjunto. Estos cambios tienen un origen fundamentalmente diferente de los encontrados en micro y macrocompuestos, donde el volumen de la interfase es solo una pequeña fracción del volumen total del material.
Rellenos
Hasta este punto, los rellenos discutidos se usan comúnmente en el rango de micrómetros (1026 m) de tamaños de partículas. Extendiéndose en el rango submicrométrico más pequeño posible (1029 m) de tamaños de partículas, las tecnologías se agrupan libremente bajo el término nanofillers, que se dispersan en materiales de matriz polimérica para crear nanocompuestos. Estos materiales han atraído gran atención a lo largo de los años y han estimulado un flujo constante de artículos de revistas y literatura académica. Al principio, se podría ver que los nanofillers comprenden esencialmente solo una subcategoría de rellenos de polímeros. Pero, dadas las combinaciones completamente nuevas de propiedades que proporcionan en los nanocompuestos, los nanofillers son una categoría distinta e importante de materiales por sí mismos. Solo serán más importantes si las primeras aplicaciones de nanocompuestos crean condiciones para la comercialización de la producción a mayor escala. Lejos de extender los rellenos a granel agregados a altas cargas para desplazar la resina, los nanofillers son refuerzos funcionales que mejoran las propiedades a bajas cargas. El resultado óptimo de su desarrollo serían sistemas de resina nanocompuestos que pueden ser procesado fácilmente con equipos comunes de composición, extrusión y moldeo. Pero quedan dudas sobre las dificultades con su procesabilidad y economía que realmente permitirían que los nanocompuestos termoplásticos alcancen un uso generalizado.
Potencial de los nanocargas
Las primeras aplicaciones han sido predominantemente en empaques, pero para 2016, el vehículo de motor y la electricidad / electrónica. Estos usos de ingeniería reflejan nanocompuestos es un valor potencialmente alto en el mercado. A medida que el tamaño de partícula de relleno se reduce a dimensiones submicrométricas, aparecen mejoras de propiedades inusuales y deseables en el compuesto de resina. Aunque la sílice submicrométrica y el sulfato de bario se han utilizado como nanofillers, los nanofillers a base de arcilla relativamente económicos modificados con un tensioactivo orgánico proporcionan las propiedades más notables debido a sus relaciones de aspecto extremadamente altas (superiores a 1000, en comparación con 100 o menos para rellenos comunes). Esta alta proporción de las partículas de arcilla proporciona una mejor estabilidad dimensional que los microfillers convencionales, así como una mayor rigidez a cargas de relleno más bajas (típicamente menos del 5%), sin pérdidas típicas de resistencia al impacto u otras propiedades deseables. Se ha demostrado que algunos nanofillers mejoran las propiedades de barrera de transmisión de gas, retardo de llama y disipación de carga estática eléctrica. Y los rellenos de nanopartículas más pequeños no bloquean las frecuencias de luz visibles, lo que permite niveles de translucidez o transparencia que no son posibles con compuestos de resina rellenos estándar de propiedades equivalentes. Las poliolefinas, con sus bajas propiedades, bajo costo y fácil procesamiento, probablemente tengan más que ganar con las adiciones de nanofiller que los plásticos de ingeniería. Sigue habiendo obstáculos para un mayor uso de nanofiller, y solo explicar estos desafíos requiere una nueva terminología. El problema principal es que las partículas de nanofiller son difíciles de dispersar en el polímero, lo que significa que es difícil crear nanocompuestos que realmente alcancen sus propiedades teóricas o potenciales. Por ejemplo, para una dispersión óptima para crear lo que realmente se puede llamar un nanocompuesto, el polímero matricial primero debe intercalarse (o insertarse) entre las capas de estructuras de capas de nanoarcilla o galerías.
Por ejemplo, para una dispersión óptima para crear lo que realmente se puede llamar un nanocompuesto, el polímero matricial primero debe intercalarse (o insertarse) entre las capas de las estructuras de capas de nanoarcilla, galerías. Esto requiere la ayuda de un aditivo polar o compatibilizador como el PP injertado con anhídrido maleico, por ejemplo. Entonces, idealmente, estas capas rotas de plaquetas de nanoarcilla en forma de lámina también deben exfoliarse y dispersarse, física o químicamente, para separarlas y distribuirlas tanto como sea posible como partículas individuales. Estos desafíos son probablemente los obstáculos más discutidos y problemáticos que impiden la comercialización completa de los compuestos de nanocompuestos, ya que el área de superficie completa de cada nanoplaca o plaqueta separada es lo que crea propiedades óptimas. Mientras tanto, el pequeño tamaño de las partículas de nanofiller les permite interactuar con sistemas biológicos. Por lo tanto, su tamaño y área de superficie alta, cualidades que hacen que los nanofillers sean útiles, también han llamado la atención sobre sus posibles efectos en el cuerpo humano. Esta pregunta ha llamado a mejores estándares de salud y seguridad que especifiquen límites de exposición humana y prácticas de manejo.
Nanocarga laminados
Los nanofillers con estructuras en capas en forma de placa potencialmente proporcionan una mejora de la propiedad más significativa con cargas más bajas que otros rellenos o refuerzos. El nanofiller más estudiado y comercializado se basa en arcilla de montmorillonita (MMT), una arcilla de esmectita natural abundante derivada del mineral de bentonita. Los productos de nanoarcilla se modifican típicamente con sales de amonio cuaternario y por eso a menudo se les llama "organoclays". La dispersión completa de nanoarcilla en el polímero es clave para su efectividad. Por ejemplo, se ha estimado que solo el 2% de la nanoarcilla de MMT en un compuesto de poliolefina, cuando está bien exfoliado, proporciona propiedades de refuerzo iguales a las de un compuesto con 10% de microtal relleno. Por lo tanto, los rellenos de nanoarcilla proporcionan potencialmente un rendimiento económico en forma de propiedades mejoradas; esto es diferente al talco submicrométrico, por ejemplo, para el cual los costos requeridos para la reducción de tamaño no resultan en mejoras de propiedades suficientemente significativas en el polímero. Las propiedades de los materiales de nanoarcilla/PP ya les han permitido desarrollarse para molduras de carrocerías automotrices livianas, de baja expansión térmica y películas de empaque de alta barrera a los gases. Algunas compañías han ofrecido rellenos de nanoarcilla en forma de gránulos masterbatch fáciles de manejar. Nanocor, por ejemplo, es una compañía que ofrece masterbatches con 40-60% de contenido de nanoarcilla, en una variedad de resinas portadoras olefínicas. Decepcionado al 8-12% en PP, el masterbatch mejora la resistencia a la flexión y el módulo (en un 50-60%) y, en grados ignífugos, mejoró las clasificaciones UL94 de V-1 a V-0, reduciendo la cantidad de mineral relleno ignífugo que de otro modo sería necesario.
Nanofillers laminados a base de carbono
Los nanofillers laminados a base de carbono, como el grafeno, también han estado en proceso de comercialización. Los grafenos son pilas de plaquetas de 10-100 capas de grafito; Las capas de grafeno exfoliadas crean propiedades similares a las nanoarcillas. Pero las pilas de grafeno tienden a aglomerarse entre sí y, como las nanoarcillas, son difíciles de dispersar en poliolefinas. Se han intentado varios métodos para mejorar la dispersión, incluida la pulverización por cizallamiento en estado sólido (SSSP), el molino de bolas en estado sólido y la polimerización in situ, en la que la síntesis de poliolefina se realiza dentro de una dispersión coloidal de nanopartículas.
Nanotubos
Los nanotubos, tanto de paredes múltiples (diámetros 2-100 nm) como de pared simple (diámetro B0.4 nm), han alcanzado notoriedad en la literatura tecnológica. Los tubos huecos extraídos del halloysite de sílice/alúmina de arcilla existen naturalmente como partículas de aproximadamente 500 nm a 3 micras de largo, con diámetros externos de 50-70 nm y diámetros internos de 15-30 nm. No presentan los problemas de exfoliación de las nanoarcillas planas; por lo tanto, estos nanofillers no requieren el mismo equipo especializado y procesamiento que las nanoarcillas requieren para una dispersión adecuada. Como cargas, los nanotubos proporcionan altas propiedades debido a sus relaciones de aspecto muy altas. También pueden disminuir los tiempos de ciclo de moldeo; en un caso en el uso del producto de arcilla al 1% en HDPE, disminuye los tiempos de ciclo en un 25%, reduciendo el costo de las piezas en un 7% y permitiendo piezas más delgadas. Las cargas más altas aumentan considerablemente las propiedades mecánicas y aumentan la resistencia al fuego. Desafortunadamente, el alto interés en este tipo de nanofillers iguala sus altos costos con las dificultades para extraer y separar el material.
Nanotubos de carbono
Los nanotubos de carbono ofrecen mejoras potenciales de propiedades similares a los nanotubos de arcilla y más. Estos están hechos de átomos de carbono unidos hexagonalmente, como el grafito, en forma de tubo de pared simple o de pared múltiple. Tienen una alta conductividad térmica y eléctrica, buena para nanocompuestos que requieren propiedades de dispersión electrostática para aplicaciones tales como piezas de manejo de combustible y paneles automotrices pintados electrostáticamente. Los tubos también proporcionan un efecto de retardo de llama que forma carbón. En términos de propiedades mecánicas, Nanocyl, una compañía que produce nanotubos, informa que casi duplica la resistencia a la tracción en PP (21-38 MPa) con una carga de nanotubos del 5%. Aquí, el módulo también aumentó, mientras que la fuerza de impacto con muesca de Charpy se mantuvo sin cambios, aunque hubo una pérdida de alargamiento en el descanso (del 114% al 11%). Nanocyl también ha notado que la dispersión de nanotubos de carbono es un desafío porque requiere desenredar los agregados de los tubos extremadamente largos, delgados y enredados en el polímero.
POSS Nanomateriales
El silsesquioxano oligomérico poliédrico (POSS) se ha descrito como una molécula tridimensional "en forma de jaula" compuesta de una estructura de silicio-oxígeno unida a grupos orgánicos que la hacen compatible con una matriz polimérica. A diferencia de los nanofillers convencionales que deben dispersarse y exfoliarse para que sean útiles, las moléculas POSS formuladas en la resina son inducidas por cizallamiento para "autoensamblarse" a través de la matriz en partículas de tamaño de 25-200 nm. En un nanocompuesto, POSS puede proporcionar hasta un 70% de mejora del módulo, 30% de mejora de la resistencia a la tracción y una mejor estabilidad dimensional. En las poliolefinas, se dice que los agentes nucleantes son útiles para iniciar el autoensamblaje de las nanopartículas POSS y proporcionar las mejoras completas de la propiedad.
Nanocelulosa
Reducidas a la nanoescala, las partículas de celulosa en forma de nanocristales de celulosa (CNC o “nanowhiskers”) son nanopartículas fuertes, de alta relación de aspecto, que son alternativas renovables de base biológica para nanocompuestos. Un CNC tiene típicamente 500 nm de longitud y 5 nm de ancho. Los CNC hidrofílicos y polares no son compatibles con las poliolefinas a menos que se modifiquen en la superficie y / o se procesado con la poliolefina. Son sensibles a la temperatura, solo estables a temperaturas de procesamiento prolongadas de 150 160 ° C. Como alternativa al procesamiento por fusión en caliente e ineficaz, SSSP ha demostrado ser un método eficaz de baja temperatura para romper mecánicamente los aglomerados CNC y dispersar los CNC en poliolefinas. En un estudio, el aumento de las propiedades de los CNC en nanocompuestos de poliolefina hechos con SSSP incluye ganancias en el módulo del 53% (para PP) al 67% (para LDPE) y ganancias en el límite de elasticidad del 8% (PP) al 30% (LDPE). (El alargamiento reducido observado con PP fue posiblemente porque el CNC actúa como nucleante
agente para el crecimiento de la fase β más frágil de PP, según los investigadores). Los CNC no necesariamente tienen que venir de madera; nanowhiskers de las fibras de la planta de agave de sisal, por ejemplo, se han utilizado en nanocompuestos de PE. En un estudio, los nanowhiskers de 197 nm x 12 nm de tamaño promedio se modificaron con vinil trietoxisilano para mejorar su dispersión y compatibilidad con PE; generalmente mejoraron el módulo de tracción, aunque redujeron el alargamiento del nanocompuesto.