Polymeric compounds and their applications
Q.F.B. Emmanuel Flores Villa Estudiante de Posgrado Maestría en Ciencia y Tecnología Química, Facultad de Ciencias Químicas. U.A. de C.,
Dra. Aidé Sáenz Galindo Profesor Tiempo Completo de la Facultad de Ciencias Químicas. U.A. de C.,
Dra. Rosa Idalia Narro Céspedes Profesor Tiempo Completo de la Facultad de Ciencias Químicas. U.A. de C.
Dra. Adali Oliva Castañeda Facio Profesor Tiempo Completo de la Facultad de Ciencias Químicas. U.A. de C.
Correo: emmanuelflores@uadec.edu.mx
CienciaCierta No. 59
Edición Julio – Septiembre 2019
Artículo PDF
Resumen
En el presente artículo de revisión se muestra la importancia de los polímeros en la vida cotidiana, así mismo se presenta un panorama general de sus aplicaciones cuando son parte de diferentes compósitos o nanocompuestos. Se presentan las aplicaciones al incorporar fibras naturales de diversos tipos de vegetales, micropartículas de arcillas o materiales minerales, hasta el uso de nanomateriales, con los cuales se logra incrementar o potenciar ciertas características en el producto final, como la dureza, durabilidad, tenacidad, resistencia térmica o bien para generar propiedades que el material no tenia en un inicio, como la posibilidad de ser conductor eléctrico o emitir luminiscencia inducida por lámparas UV, entre otra aplicaciones.
Palabras clave: Plástico, compósito, aditivos, propiedades
Abstract
This review article shows the importance of polymers in everyday life, as well as an overview of their applications when they are part of different composites or nanocompounds. Applications are presented by incorporating natural fibers of various plant types, clay microparticles or mineral materials, up to the use of nanomaterials, with which it is possible to increase or enhance certain characteristics in the final product, such as hardness, durability, toughness, thermal resistance or to generate properties that the material did not have in the beginning, such as the possibility of being an electric conductor or emitting luminescence induced by UV lamps, among other applications.
Key words: Plastic, composite, additives, properties
Introducción
El uso de los materiales poliméricos, en un inicio, era con la intención de reemplazar a aquellos materiales de origen animal que se utilizaban en la fabricación de diversos objetos, siendo el plástico uno de los mejores candidatos para ello, incluso se le dio un atractivo “ecológico” a pesar de provenir de compuestos fósiles no renovables (Martins y col., 2018).
Desde el siglo XIX la palabra plástico ya se utilizaba como un adjetivo para denotar a cualquier material (natural o sintético) con la capacidad de ser moldeado o formado, aunque hoy en día esta palabra hace referencia a aquellos materiales sintéticos denominados polímeros. Por ello se puede considerar a los plásticos como polímeros sintéticos capaces de ser moldeados mediante algún proceso de manufactura (Guerrero y González, 2002).
En la figura 1, se muestra la estructura base del polietileno, ejemplo de un polímero sintético, así cómo el monómero que lo conforma, que está clasificado como una poliolefina, altamente usado como embalaje pues cuenta con una gran estabilidad química, ligereza, impermeabilidad y bajo costo (Arias y Vázquez, 2017).
La versatilidad que tienen los plásticos ha hecho posible su incorporación a cualquier proceso productivo o producto final, razón por la cual en la actualidad el mercado de estos productos tiene un lugar sobresaliente en la economía mundial.
El consumidor promedio usa productos poliméricos de manera cotidiana en su vida, ya sea en aquello que requiere para el consumo personal o los que le permiten desarrollar ciertas actividades productivas (Góngora, 2014).
Existe un sinfín de formas de categorizar a los polímeros, por ejemplo, según su naturaleza como plásticos naturales, semi-sintéticos o sintéticos; o bien por sus propiedades y aplicaciones pueden ser termoplásticos, plásticos de altas prestaciones, termoestables, elastómeros, compósitos, plásticos espumados, y cristales líquidos (Manero y col., 2018).
El plástico puede usarse como matriz para dar origen a un material compuesto o compósito que es aquel formado por dos o más materiales de diferente naturaleza y, con una fase continúa, conocida como matriz y una fase dispersa o discontinua conocida como carga, aditivo o relleno. Los compósitos se pueden clasificar según la escala de integración de los rellenos teniendo los de integración macro, micro y nanoescala (Sagredo, 2017). El objetivo de esta revisión bibliográfica es dar a conocer la importancia que tiene el plástico en nuestras vidas, así como su mejoramiento estructural, el cual tiene la finalidad de conseguir nuevas propiedades o potenciar las existentes, y desarrollar un material ideal para nuevas aplicaciones tecnológicas e industriales. Estos nuevos materiales se consiguen a partir de la incorporación de matrices poliméricas con aditivos (encargados de incrementar o generar nuevas propiedades mecánicas, térmicas o eléctricas), dicha mezcla da como resultado un polímero compuesto o compósito, en él cual si es utilizado un nanomaterial como aditivo se le conoce como nanocompósito.
Materiales compuestos
Los materiales compuestos son una clase de materiales de ingeniería que han encontrado numerosas aplicaciones en diversos campos industriales (automotriz, construcción, embalaje, entre otras) debido a sus propiedades (como baja densidad, resistencia a la corrosión, resistencia mecánica, resistencia a la tracción, entre otras), bajo costo y peso. Los compósitos o polímeros compuestos, son materiales con mejoradas propiedades mecánicas, elevada dureza y resistencia a la tracción. Están formados por dos compuestos inmiscibles que forman dos fases separadas, lo que les confiere propiedades muy interesantes, siendo una fase la matriz, generalmente un polímero termoplástico e incluso puede ser uno termoestable, y la otra es una carga que se suele tratar de una fibra con muy buena resistencia a la tracción (González, 2015).
El nylon podría reemplazar a los metales no ferrosos en ciertas aplicaciones (incluyendo engranes, ruedas y otras partes móviles), pero comparado con los metales este polímero tiene reducida resistencia y rigidez. Añadiendo 0.3% en peso de partículas de hidróxido de itrio modificadas con ácido esteárico en la polimerización del nylon se logró un incremento en la resistencia al impacto (Chen, 2016).
El incremento en el consumo de plásticos y su elevado tiempo de residencia en el medio ambiente ha mostrado la necesidad de productos biodegradables. La adición de ácido cítrico y glicerol en formulaciones de PVC grado medico en proporción 1:1, mostraron la obtención de un polímero hibrido con propiedades hidrolíticas, es decir, se degradan rápidamente en presencia de agua. (Mariano y col., 2014).
El uso de arcillas para la modificación de plásticos es un método que ha arrojado buenos resultados. La adición del 0.5% en peso de polygorskita modificada superficialmente con 3-aminopropiltrimetoxisilano en un matriz de polipropileno, mostró una mejora en las propiedades reológicas del material final comparado con polipropileno sin polygorskita (Soberanis y col., 2015).
Múltiples investigaciones han optado por el uso de materiales plásticos de desecho, con el fin de darles un segundo uso y reducir su impacto en el medio ambiente. Se han obtenido resultados favorables al utilizar plásticos de desecho de los procesos de la industria del papel, los cuales al mezclarlos con un 40% en peso de fibra de caña de azúcar dan como resultado un compósito que es resistente a más de 250°C, presenta un incremento en su absorción de agua y su rigidez se ha incrementado en comparación con el desecho sin modificar (Yoshimitsu y col., 2018).
La adición de nanotubos de carbón, modificados superficialmente, en fluoroelastomeros ha mostrado una mejora en las propiedades térmicas del compósito obtenido en comparación con el polímero que no ha sido tratado (Heidarian y col., 2015).
Plásticos reforzados por fibras naturales
Una actual tendencia es la incorporación de fibras naturales (produce un efecto en la matriz similar al de la fibra de vidrio) para generar compósitos con el plástico buscando obtener un producto amigable con el medio ambiente, haciendo uso de material de desecho de industrias de cada región (Serantes y col., 2006).
La abundante disponibilidad de fibras de materiales naturales muestra un gran abanico de posibilidades para ser explotadas de forma inteligente en varios sectores industriales. La utilización de estas fuentes naturales en aplicaciones de ingeniería apoya al desarrollo global, en los aspectos socioeconómicos, de medio ambiente y de tecnologías verdes (Osswald, 2012).
Los materiales compuestos reforzados con fibras se han usado por décadas para producir partes de automóviles como: tableros de instrumentación, estructuras de asientos, partes del chasís, paneles entre otros. Estas combinaciones reducen el peso y permiten generar formas más complejas en partes que antes eran fabricadas con metales. El uso de estos materiales significa una mejora económica y ecológica, reduciendo costos de producción y operación, y minimizando el impacto ambiental generado por estos productos (Waltkins y col., 2014).
La creación de nuevos productos que sean tanto baratos como ligeros, han surgido gracias a las innovaciones en los materiales compuestos con fibras naturales. La matriz junta a las fibras naturales transfiere la carga, da la forma de una estructura y provee buenos acabados superficiales (Cruz y col., 2015).
Las fibras naturales más empleadas para este tipo de materiales compuestos son: el yute, kenaf, sisal, henequén, fibra de agave, cáscara de coco, fibras celulósicas o lignocelulósicas, fibra de caña, tallo de maíz, corteza de árbol (pino, álamo, abedul, entre otros), borra de algodón, cascarilla de arroz, bagazo de guayule, harina o aserrín de madera seca, bagazos, celulosa, entre otras. Entre los materiales plásticos más reportados en la literatura se encentran el polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), polietileno de alta densidad (HDPE), poliéster, entre otros. Así como una mezcla en diferentes proporciones de estos polímeros antes mencionados (López y Rojas, 2018).
En la figura 2 se muestran algunos tipos de fibras naturales utilizadas en el reforzamiento de plásticos.
Plásticos reforzados con partículas inorgánicas
Se ha encontrado que la adición de partículas inorgánicas en matrices poliméricas confiere nuevas características al material. Hoy en día se reemplazan los compuestos bromados con hidróxidos metálicos, sales, óxidos, grafito, fosfinatos, oxiamidas entro otros, con el fin de evitar la degradación térmica del plástico sin el efecto adverso al medio ambiento que genera el uso de materiales halogenados, los cuales se utilizan como retardantes a la flama (Gutiérrez, 2015).
El estudio de los geopolímeros (polímeros inorgánicos conformados por aluminosilicatos) como materiales que proveen gran resistencia al calor y al fuego en los plásticos, han explorado su uso en muchas ramas científicas e industriales, pues las investigaciones han arrojado resultados favorables en el desarrollo de estas propiedades con la incorporación de estas partículas inorgánicas (Rahman y col., 2017).
Se han desarrollado trabajos que han incluido materiales que se consideraban de desecho para la transformación y obtención de un producto de valor agregado como un compósito a partir de cenizas volantes de una planta de termoeléctrica y residuos de polietileno de baja densidad (LDPE), creando un material polimérico con propiedades mecánicas aumentadas, cuyas potenciales aplicaciones son muy variadas, pues el material es de similar aspecto al producto comercial (Aperador y col., 2015).
Las matrices poliméricas utilizadas en la creación de compósitos pueden ser incluso de materiales reutilizados, investigaciones demuestran que el uso de HDPE reciclado en la generación de materiales compuestos tiene una calidad similar al de su homologo sin uso previo, obteniendo características mecánicas y reológicas superiores, en el producto final (Brown y col., 2017).
Por otro lado la importancia en la conciencia de los seres humanos que se ha creado hoy en día respecto al uso de productos poliméricos desechados, ha llevado a la generación de patentes que plantean la reutilización de envases de PET para la creación de un nanomaterial adicionado con partículas de caolín (arcilla), el cual mediante las interacciones intermoleculares logra crear una mayor energía de cohesión entre las capas, lo que permite la producción de un material de mayor resistencia mecánica (Shahverdi-Shahraki y col., 2018).
El carbonato de calcio (CaCO3) es el aditivo o carga más utilizado en plásticos. Se utiliza en una variedad de polímeros, como PVC, PP, PE, resina epóxica, poliéster, poliuretano, etileno propileno dieno, hasta estireno y poliamidas. Cuando se encuentra molido y purificado es el aditivo de mayor volumen presente en los plásticos. Se purifica mediante la eliminación de hierro y sílice para minimizar la degradación del plástico y se muele finamente para dar a los plásticos cargados altas propiedades físicas al menor costo posible (Leos, 2011).
Plásticos reforzados con nanopartículas y nanoestructuras (nanocompósitos)
En décadas recientes la nanotecnología y el desarrollo de nuevos materiales han tenido un gran realce en la ciencia. Los fenómenos físicos y químicos aún no se comprenden del todo, pero son causados por la generación de grandes áreas superficiales en comparación con el volumen de la nanopartícula, lo cual se verifica a nanoescala (Hack y col., 2018).
La ciencia de los nanomateriales aborda la síntesis, caracterización, exploración y búsqueda de las aplicaciones de las nanoestructuras, que pueden ser puntos cuánticos, nanopartículas, nanocristales, nanohilos, nanoalambres y nanotubos; dependiendo de su composición y dimensiones, pueden conseguir nuevas propiedades físicas, químicas y eléctricas (Ribeiro y col., 2017).
Los nanocompuestos poliméricos, son una clase de materiales de ingeniería que han encontrado diversas aplicaciones en variados campos industriales, biológicos, de construcción, electrónica, biotecnología, medicina, forense, entre otros (Salgado y col., 2016).
La creación de compósitos poliméricos puede hacerse a partir de un solo plástico o una mezcla de varios tipos, obteniendo resultados interesantes, como una mezcla de poliamida 6 con PE previamente modificado con negro de humo, proporciona un compósito con altos valores de torque, resistencia al impacto y un módulo elástico mejorado (Ferreira y col., 2013).
Se ha logrado también la incorporación de nanoarcillas en matrices poliméricas mejorando características del material final; como la adición de nanopartículas de silicato en poliamida 6, obteniendo un nanocompósito que muestra una mayor estabilidad, mejores propiedades mecánicas (como la tensión) y un incremento significativo en la temperatura de deformación térmica (da Paz y col., 2016).
Una de las nanoestructuras utilizadas como carga en la obtención de nanocompósitos, son los nanotubos de carbón, que han atraído un enorme interés debido a la gran cantidad de características que posee en específico las de carácter fisicoquímico, las cuales lo hacen un material novedoso en un amplio rango de aplicaciones (Espinosa y col., 2017).
Estas nanoestructuras han hecho posible la construcción de piezas clave en el desarrollo de una nueva generación de dispositivos electrónicos, como lo son los diodos, transistores y elementos de interconexión (Dmitrev y col., 2015).
Entre las importantes características que aportan las cargas en escala nano a los compósitos es el desarrollo de propiedades que el material no tenía, se ha reportado que nanomateriales con base de polimetilmetacrilato y nanotubos de carbón de pared múltiple (NTCPM) adicionados con partículas de Ag, genera una reducción en la resistencia y transmitancia de su superficie (Soek y Park, 2010).
La modificación previa de los nanotubos de carbón utilizados como carga en la obtención de un nanocompósito, sirve para mejorar la dispersión de estas nanoestructuras en la matriz polimérica e incluso para favorecer las propiedades finales del material; un estudio en el cual se usó como matriz polimérica una resina epóxica y como carga nanotubos modificados superficialmente con grupos carboxilo y amino mostró que el material final incremento su dureza al compararlo con el que no se le añadió ninguna carga (Wesley y col., 2015).
El uso de nanopartículas tiene efectos tan variados que ha hecho que hilos de PET adquieran cualidades de fotoluminiscencia a las lámparas UV al ser adicionado con nanopartículas de óxido de zinc (Ávila y col., 2018).
Las partículas de compuestos inorgánicos tienen como efecto potenciar características de los polímeros, pero requieren de adicionarse en altas concentraciones, el uso de nanopartículas sugiere una posible solución a esto pues se puede mezclar hidróxido de aluminio, borato de zinc y arcilla de bentonita en tamaño nano, proporcionando al material final mayor resistencia a la tensión, resistencia a la rotura y un efecto retardante a la llama (Manero y col., 2018).
Una de las aplicaciones que se les ha encontrado a los nanocompuestos es en el área de la preservación de fuentes de agua potable. Se ha encontrado en estudios que pellets de poliamida 6,6 funcionalizados con nanopartículas de plata agregadas en un porcentaje en peso del 0.05%, confiriéndole a los pellets preparados una actividad antimicrobiana, capaz de reducir en un 97% la presencia de E. coli en muestras de agua (Koslowski y col., 2018).
Hoy en día se han investigado una serie de nanoestructuras por sus aplicaciones en la biomedicina, debido a que pueden funcionar como acarreadores de moléculas de interés. En esta categoría encontramos a las nanopartículas poliméricas junto a otras nanoestructuras como los biopolímeros, los dendrímeros (polímeros sintéticos), las nanopartículas magnéticas, los nanocables, las micelas poliméricas entre otros (Bhushan y col., 2017).
La inclusión de la nanotecnología en el área de la medicina, mediante el uso de nanomateriales y nanodispositivos ha dado origen a la nanomedicina, la cual brinda numerosos beneficios en la prevención, diagnóstico y tratamiento de diversas enfermedades. La tecnología ha ido más allá al lograr conectar la nanotecnología con el internet dando por resultado el Internet de las Nanocosas (IoNT), lo cual tiene potencial de revolucionar la medicina en el siglo XXI (Maksimovic 2017).
En la figura 3 se muestra las estructuras de algunos nanomateriales utilizados en la obtención de nanocompuesto poliméricos.
Conclusiones
Los plásticos, los compósitos y los nanocompuestos hoy en día ocupan un lugar muy importante, tanto en la industria como en nuestra vida diaria, debido principalmente a las numerosas aplicaciones en las que se les involucra además de todas aquellas obtenidas en la búsqueda de mejorar diversos materiales.
El presente trabajo incorporó información relacionada al mejoramiento de los plásticos, desde los inicios en los que se utilizaban materiales vegetales como fibras, pasando por las partículas minerales e inorgánicas y terminando con la adición de nanopartículas o nanoestructuras como carga o aditivo, las cuales han logrado dotar a estos polímeros de propiedades muy interesantes con una baja incorporación porcentaje en peso del aditivo, lo cual permite mantener las características por las cuales se usan los plásticos en diferentes aplicaciones. Es de destacar que a pesar del excesivo uso que le hemos dado y la problemática ambientalista que ha traído consigo, los plásticos siguen siendo la base de numerosas aplicaciones, productos, artículos y procesos, lo cual nos hace imposible retirar por completo su uso de nuestras vidas, prueba de ello son las numerosas investigaciones en torno al mejoramiento y/o generación de compósitos y nanocompósitos los cuales muestren propiedades físicas y químicas nuevas y/o mejoradas comparadas con él polímero original.
Por ello las investigaciones de hoy en día buscan ir más allá en la generación de materiales plásticos de alta ingeniería, pues se ha hecho posible que estos polímeros obtengan nuevas propiedades muy interesantes, las cuales combinadas con los avances tecnológicos actuales y a la conectividad del internet se abren las posibilidades de obtener aplicaciones inimaginables.
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