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

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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.

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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.

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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.

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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.