Silanos y fibras de celulosa para refuerzo de materiales compuestos
-
Upload
jjdapena -
Category
Technology
-
view
669 -
download
2
Transcript of Silanos y fibras de celulosa para refuerzo de materiales compuestos
UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRIDFacultad de Ciencias Químicas
Departamento de Ingeniería Química
CARACTERIZACIÓN Y MODIFICACIÓN SUPERFICIAL DE FIBRASCELULÓSICAS TIPO VISCOSA CON 3-AMINOPROPIL TRIMETOXISILANO
Máster en Ingeniería de Procesos Industriales Proyecto de Investigación
Juan José Dapena Gómez
Directores: Dª. Mª Virginia Alonso Rubio y D. Francisco Rodríguez Somolinos
Madrid, septiembre 2010
2Caracterización y modificación superficial de fibras celulósicas tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano
2
OBJETIVOSModificación con silanosCaracterización
fibras celulósicas tipo viscosa
ACOPLAMIENTO
Fibras celulósicas Matriz fenólica
MATERIALES COMPUESTOS DE BAJO IMPACTO AMBIENTAL“Natural fiber green composites (NFGC)”
Optimización de las condiciones de modificación con silano
3Caracterización y modificación superficial de fibras celulósicas tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano
3
FIBRAS COMO REFUERZO EN MATERIALES COMPUESTOS
Material compuesto
Unión de dos o más componentes que da lugar a uno nuevo con propiedades características específicas
Evolución histórica
ACTUALIDADF. Naturales
•Análisis Ciclo Vida-Impacto ambiental•Legislación ambiental
•Costes
•Análisis Ciclo Vida-Impacto ambiental•Legislación ambiental
•Costes
Química verde“Green Chemistry”Química verde“Green Chemistry”
4Caracterización y modificación superficial de fibras celulósicas tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano
4
FIBRAS COMO REFUERZO EN MATERIALES COMPUESTOS
Fibras naturales
REGENERADAS
Matrices
•Termoplásticas: polietileno, polipropileno, poliestireno, etc.
•Termoestables: baquelita, resina epoxi, resina fenólica, etc.
5Caracterización y modificación superficial de fibras celulósicas tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano
5
FIBRAS COMO REFUERZO EN MATERIALES COMPUESTOS
Estructura de la celulosa
Zonas cristalinasAlto orden
Poco reactivas
Zonas amorfas Bajo orden
Más reactivas
6Caracterización y modificación superficial de fibras celulósicas tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano
6
FIBRAS COMO REFUERZO EN MATERIALES COMPUESTOS
Problema
•Tratamiento físico: descargas eléctricas de plasma
•Tratamiento químico: mercerización, agentes de acomplamiento, etc.
FIBRASHidrofílicas
MATRIZHidrofóbica
¿Soluciones? Modificación de las fibras
7Caracterización y modificación superficial de fibras celulósicas tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano
7
MODIFICACIÓN DE FIBRAS: TRATAMIENTO CON SILANOS
R(4-n)-Si-(R’X)n (n=1,2)
3-aminopropil trimetoxisilano
21Posibilidad de
formar silanoles y reaccionar con los OH de la superficie
de la fibra
Capacidad de formar enlaces
covalentes con la matriz
R = alkoxy X =grupo organofuncional
R’ =grupo alquilo
RESINAOH
OH
OHFIB
RA
S
Fórmula general de silano
8Caracterización y modificación superficial de fibras celulósicas tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano
8
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Modificación de las fibras
Hidrólisis del silano (30min, pH=3,5) CONCENTRACIÓN (C)Hidrólisis del silano (30min, pH=3,5) CONCENTRACIÓN (C)
Introducción de la fibra (2g)Introducción de la fibra (2g)
TIEMPO DE INMERSIÓN (t)TIEMPO DE INMERSIÓN (t)
Secado al aire (30 min)Secado al aire (30 min)
Secado en estufa (24h, 60ºC)Secado en estufa (24h, 60ºC)
Preparación de las muestras y análisis (FTIR, SEM)Preparación de las muestras y análisis (FTIR, SEM)
SILANO – C(%)80/20w Etanol/AguaÁc.Acético (pH=3.5)
FIBRA TIPO VISCOSA
t(min)
9Caracterización y modificación superficial de fibras celulósicas tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano
9
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Muestra C (% en volumen silano)
t (min)
1 2,5 1052 4,6 1053 4,0 304 0,4 1055 4,0 1806 2,5 1057 1,0 1808 1,0 309 2,5 10510 2,5 21111 2,5 0
(1) EXPERIMENTOS PREVIOS
(2) DISEÑO DE EXPERIMENTOS (22 + 3 centrales + 4 estrella)
•Caracterización de materiales de partida (celulosa pura, silano)•Concentraciones [entre 1 y 10%] •Tiempos de inmersión [entre 0 y 180 min]
10Caracterización y modificación superficial de fibras celulósicas tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano
10
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Métodos de caracterización
Enlaces superficialesBandas características
Cambios estructurales
1. FTIR
2. SEM
Observación de cambios superficiales
11Caracterización y modificación superficial de fibras celulósicas tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano
11
RESULTADOS Y DISCUSIÓN: ENSAYOS PREVIOS
Silano puro
Celulosa pura
Abs
orba
ncia
Longitud de onda (cm-1)
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
Celulosa en medio sin silano
0,0
1,0
El medio no afecta a las bandas de estudioEl medio no afecta a las bandas de estudio
11
22
1650: Caract. Celulosa tipo II1650: Caract. Celulosa tipo II
900: Enlace -glucoxídico900: Enlace -glucoxídico
11
22
CH3-COOH
OH
-C=O
33
1550: Enlace Amino1550: Enlace Amino33
44
1100: Grupos Si-O-Si+ Si-O-CH31100: Grupos Si-O-Si+ Si-O-CH344
CELULOSA:
SILANO:
12Caracterización y modificación superficial de fibras celulósicas tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano
12
RESULTADOS Y DISCUSIÓN: ENSAYOS PREVIOS
•C < 1% no se aprecia recubrimiento•C > 4% se exceso de silano•Rango de interés: C (1 %, 4 %)
•C < 1% no se aprecia recubrimiento•C > 4% se exceso de silano•Rango de interés: C (1 %, 4 %)
4,0%, 120min0,5%, 120min 1,0%, 120min
4,0%, 30min1,0%, 30min
Efecto del tiempo de inm
ersiónEfecto del tiem
po de inmersión
Efecto de la concentración de silanoEfecto de la concentración de silano
• tiempo mayor recubrimiento •Mayor efecto de C que t•Rango de interés: t (30 min, 180 min)
• tiempo mayor recubrimiento •Mayor efecto de C que t•Rango de interés: t (30 min, 180 min)
Celulosa pura
++--
--
13Caracterización y modificación superficial de fibras celulósicas tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano
13
RESULTADOS Y DISCUSIÓN: DISEÑO DE EXPERIMENTOS
Silano 4,6%
Celulosa pura
Abs
orba
ncia
Longitud de onda (cm-1)
2500 2000 1500 1000 500
0,0
1,0
11 22 33Bandas características de la fibra modificada
Indicador de enlaces entre el silano y la fibra:
I 1100/1020
Indicador de enlaces entre el silano y la fibra:
I 1100/1020
1550: NH21550: NH2
1100: Si-O-Si + Si-O-CH31100: Si-O-Si + Si-O-CH3
1020: Si-O-Si + Si-O-C1020: Si-O-Si + Si-O-C
11
2233
14Caracterización y modificación superficial de fibras celulósicas tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano
14
•Fibras aisladas•Se aprecian las -fibrillas•Fibras aisladas•Se aprecian las -fibrillas
•Silano entre las fibras•No se aprecian las -fibrillas•Se observa capa de recubrimiento
•Silano entre las fibras•No se aprecian las -fibrillas•Se observa capa de recubrimiento
RESULTADOS Y DISCUSIÓN: DISEÑO DE EXPERIMENTOS
0,4%, 105min 2,5%, 105min 4,6%, 105min
++-- Concentración de silano en el medioConcentración de silano en el medio
15Caracterización y modificación superficial de fibras celulósicas tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano
15
RESULTADOS Y DISCUSIÓN: DISEÑO DE EXPERIMENTOS
(min
)
(% en peso)
Intensidad relativa 1550/900I1100/1020
Intensidad relativa 1550/900I1550/900
(% en peso)
(min
)
RESPUESTA 1
(Maximizar)
RESPUESTA 1
(Maximizar)
RESPUESTA 2
(Minimizar)
RESPUESTA 2
(Minimizar)
I1550/900
I1100/1020
I1100/1020 = 0,802842 +
0,015362*C + 0,000711*t + 0,005361*C2 - 0,000082*C*t - 9,3713E-7*t2
I1550/900 = 0,541076 +
0,275807*C + 0,000680*t - 0,019908*C2
R2 = 94,8 %R2 = 94,8 %
R2 = 96,1 %R2 = 96,1 %
16Caracterización y modificación superficial de fibras celulósicas tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano
16
RESULTADOS Y DISCUSIÓN: DISEÑO DE EXPERIMENTOS
ÓPTIMO:C=2,5% y t= 60 min
ÓPTIMO:C=2,5% y t= 60 min
C (% en peso)
t (m
in)
1,43
1,19
1,11
0,87
180
30
120
60
1 42,5
0,91
0,856
0,982
RESPUESTA 1 + RESPUESTA 2 OBSERVACIÓN SEM
UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRIDFacultad de Ciencias Químicas
Departamento de Ingeniería Química
CARACTERIZACIÓN Y MODIFICACIÓN SUPERFICIAL DE FIBRASCELULÓSICAS TIPO VISCOSA CON 3-AMINOPROPIL TRIMETOXISILANO
Máster en Ingeniería de Procesos Industriales Proyecto de Investigación
Juan José Dapena Gómez
Directores: Dª. Mª Virginia Alonso Rubio y D. Francisco Rodríguez Somolinos
Madrid, septiembre 2010
CONCLUSIONES
La comparación de los espectros de infrarrojo de la fibra de celulosa pura, de la celulosa en el medio de reacción (etanol-agua) y del silano, mostraron que las bandas de la solución etanol-agua no interfieren con las bandas del silano estudiado..
Las bandas más significativas del espectro de infrarrojo para el estudio de los cambios superficiales en la superficie de la fibra con silanos son la correspondiente al grupo funcional NH2 del silano (=1550cm-1), la relativa a los enlaces Si-O-Si + Si-O-CH3 (=1100cm-1) y la correspondiente a los enlaces Si-O-Si + Si-O-C (=1020cm-
1)Los intervalos de concentración de silano y tiempo de
inmersión más apropiados para la modificación de las fibras son 1 – 4 % y 30 – 180 minutos. Por debajo del límite inferior de ambas variables no se aprecia silano en las fibras celulósicas, mientras que por encima del límite superior se aprecia un exceso de silano.
CONCLUSIONES
La concentración de silano y el tiempo de disolución elegidos como más favorables para la modificación superficial de las fibras de celulosa tipo viscosa con 3-aminopropil trimetoxisilano son:
Concentración de silano: 2,5% en pesoTiempo de inmersión: 60 min
La concentración de silano influye de forma más significativa que el tiempo de inmersión sobre el proceso de modificación superficial de fibras de celulosa tipo viscosa.