Estudio de la relación estructura-propiedades-procesamiento de nanocompuestos basados en poli (ácido láctico) (PLA) y o-MMT

Study of the Structure-Porperties-Processing Relationship of Nanocomposites Based on Poly (Lactic Acid) (PLA) and o-MMT

Dr.C. Julio C. Velázquez-Infante^I, MSc. Sandra Bárcenas-Martínez^I, Dr.C. Edgar Franco-Urquiza^II, Dr.C. José Gámez-Pérez^III, Dr.C. Orlando Onofre-Santana^II, Dr.C. María Ll. Maspoch-Rulduá^II

I. Grupo de Investigación de Materiales y Ambiente, Universidad de Holguín, Holguín, Cuba. jcvelazquez@facing.uho.edu.cu
II. Centre Català del Plàstic, Terrassa, España. ]]> III. Dept. d’Enginyeria de Sistemes Industrials i Disseny, Universitat Jaume I de Castelló, Castelló, España.

RESUMEN

En este trabajo se investiga la influencia del procesado y del contenido de nanoarcilla en las propiedades mecánicas de láminas obtenidas por extrusión-calandra a partir de un grado comercial de PLA y una nanoarcilla organomodificada. El estudio de la morfología se realizó mediante Difracción de Rayos-X de Grandes Ángulos (WAXS) y Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM), revelando el desarrollo de estructuras intercaladas, aunque también se observaron laminillas exfoliadas y partículas aglomeradas. La caracterización mecánica se realizó mediante ensayos a tracción uniaxial. Así mismo, se aplicó un tratamiento térmico a todas las láminas preparadas que permitió el estudio de los materiales en dos estados diferentes: rejuvenecido y envejecido. El comportamiento mecánico se vio afectado por el procesado sólo cuando el PLA se encuentra en estado envejecido, mientras que el contenido de arcilla únicamente produce algún efecto cuando ésta está presente en un 2,5 % en masa. El tratamiento de rejuvenecimiento provocó una transición frágil-dúctil, que se manifestó en un aumento significativo de la ductilidad.

Palabras clave: poli (ácido láctico) (PLA), nanoarcilla, propiedades mecánicas.

ABSTRACTS

In this work, the effect of processing and nanoclay content on the mechanical properties of thin sheets obtained by cast sheet extrusion from a commercial grade of PLA and organomodified nanoclay has been investigated. Microstructure was studied using Transmission Electron Microscopy (TEM) and Wide Angle X-ray Scattering (WAXS), revealing the development of structures intercalated, although exfoliated clay layers and agglomerates were observed also. The mechanical properties have been assessed by uniaxial tensile tests. Finally, a deaging thermal treatment was applied to all prepared samples, in order to study the materials under two different states: relaxed (after the thermal treatment) and aged (before treatment). The tensile behaviour is affected by processing only in the case of aged PLA samples, whereas the addition of nanoclay is only significant at 2,5 % w/w. The de-aging treatment causes a change in the brittle-ductile behaviour evidenced in a significant increase in ductility.

Keywords: poly (lactic acid) (PLA), nanoclay, mechanical properties.

INTRODUCCIÓN

El poli (ácido láctico) (PLA) es un poliéster lineal alifático termoplástico obtenido a partir de fuentes naturales renovables¹. Las propiedades mecánicas del PLA junto a su carácter biodegradable, lo convierten en un buen candidato para aplicaciones en sectores de gran consumo como el mercado del envase y el embalaje. Para poder utilizar el PLA en este mercado, es necesario optimizar algunas de sus propiedades, tales como la resistencia al impacto, la temperatura de distorsión bajo carga (HDT) y el efecto barrera a los gases.

Se ha descrito² que mediante el refuerzo del PLA con nanoarcillas se puede mejorar algunas de sus propiedades, debido a las dimensiones nanométricas y la extraordinariamente elevada área superficial de las laminillas de nanoarcillas dispersas en la matriz polimérica.

El mezclado en fundido es la vía más adecuada para la producción a escala industrial de compuestos de PLA reforzados con nanoarcillas. Este proceso se realiza mediante una extrusora de doble husillo debido a su elevada capacidad de mezclado dispersivo y distributivo. No obstante, a menudo se requieren varios pases de extrusión para alcanzar la intercalación y posterior exfoliación y distribución homogénea de las laminillas de nanoarcilla. Este proceso puede conducir a la degradación del PLA³.

Por otra parte, la baja velocidad de cristalización del PLA desde el fundido^1,4, provoca que, después de su procesado industrial, se encuentre en estado amorfo. En este estado experimenta envejecimiento físico⁵, fenómeno que produce un reordenamiento de las cadenas poliméricas, conocido como densificación, y que ocasiona una importante disminución del volumen libre, afectando las propiedades del material.

Se ha encontrado que el envejecimiento físico provoca el cambio de comportamiento dúctil a frágil del PLA⁶. No obstante, debido a que el envejecimiento físico no implica cambios permanentes, estos efectos pueden revertirse por medio de un tratamiento térmico desde una temperatura cercana a la temperatura de transición vítrea (Tg)^6,7.

El presente trabajo consiste en la preparación y caracterización de láminas de PLA y de PLA reforzado con nanoarcillas. Se estudia la influencia del procesado y del contenido de nanoarcilla en las propiedades mecánicas de estos materiales. Así mismo, se aplica un tratamiento térmico que permite el estudio de los materiales en dos estados diferentes: relajado (después del tratamiento) y envejecido (antes del tratamiento).

MATERIALES Y MÉTODOS

En este trabajo se utilizó un grado comercial de PLA (NatureWorks, 2002D con 96 % de isómero L-láctico) y una montmorillonita organomodificada (Southern Clay Products, Cloisite 30B con un 30 % de modificador orgánico) ^8,9. Las láminas de 0,4 mm de espesor nominal, se obtuvieron con dos procesos diferentes: extrusión mono-husillo (una etapa de procesado) y extrusión doble husillo (tres etapas de procesado). El perfil de temperaturas aplicado en ambos procesos osciló entre 145 ºC en la zona de alimentación y 200 ºC en la boquilla. La velocidad del husillo fue de 50 y 85 rpm en la extrusión mono-husillo y doble husillo respectivamente. A la salida de la boquilla se colocó un cabezal de extrusión de perfil plano de 10 cm (mono-husillo) y de 12 cm (doble husillo) de ancho. El calandrado de las láminas se llevó a cabo a una temperatura de los cilindros de 50 ºC.

Con el proceso de extrusión mono-husillo se prepararon láminas de PLA virgen (PLA96), en una sola etapa de procesado. Las láminas de PLA reforzadas con nanoarcillas se obtuvieron con el proceso de extrusión doble husillo, llevando a cabo tres etapas de procesado: (i) preparación de un masterbach concentrado de nanoarcilla, (ii) homogeneización del masterbach y (iii) dilución y calandrado de las láminas. Con este procedimiento se obtuvieron láminas con concentraciones finales de nanoarcilla de un 0,5 ± 0,1 y un 2,4 ± 0,1 % en masa (C96-0.5 y C96-2.5, respectivamente).

Adicionalmente, se prepararon láminas de PLA virgen con PLA reprocesado en idénticas condiciones y proporciones que las láminas de PLA reforzadas con nanoarcilla, para tener en cuenta posibles efectos de la degradación por el procesado. Estas láminas se utilizaron como blancos de los compuestos y se denominaron B96-0.5 y B96-2.5.

En todos los casos, los materiales se secaron previo a cada etapa de procesado para evitar la posible degradación por hidrólisis de la matriz polimérica. El PLA y el masterbach se secaron en un deshumidificador Piovan a una temperatura de 80 oC durante 3 h, mientras que la nanoarcilla se secó en un desecador conectado al vacío y colocado en una manta calefactora a 80 ºC por espacio de 3 h.

Algunas de las láminas preparadas fueron sometidas a un tratamiento térmico (rejuvenecimiento), que consistió en un calentamiento a 60 oC durante 20 min seguido de enfriamiento rápido por inmersión en un baño de agua y hielo durante 5 min. Para diferenciar a los materiales con tratamiento de rejuvenecimiento de las láminas sin tratamiento (envejecidas), se adiciona la letra "T" a la nomenclatura previamente descrita.

Caracterización morfológica

La caracterización morfológica de los compuestos se realizó por difracción de rayos-X de grandes ángulos (WAXS) utilizando un difractómetro de rayos-X D4 Endeavor, con una radiación CuKa, longitud de onda l = 0,154 nm, y operando a un voltaje de 40 kV con una intensidad de 40 mA. Las muestras se radiaron a temperatura ambiente (22 ± 1 ºC) en un intervalo 2q desde 2 hasta 20º, y una velocidad de barrido de 8 s/paso. Para el cálculo de la distancia interlaminar (d001) se aplicó la ley de Bragg.

Esta caracterización se complementó mediante observación de cortes ultramicrotómicos en un microscopio electrónico de transmisión (TEM) Hitachi 800MT operado a un voltaje de 200 kV. Los cortes, de alrededor de 100 nm de espesor, se obtuvieron mediante ultramicrotomía utilizando muestras tomadas de la zona de troquelado de las probetas de tracción.

Caracterización mecánica

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Caracterización morfológica

La figura 1 muestra los espectros de difracción WAXS correspondientes a la CLOISITE 30B y los compuestos C96-0.5 y C96-2.5. Asimismo, en la tabla 1 se presenta la posición del pico de difracción (2q) y su correspondiente distancia interlaminar.

La arcilla CLOISITE 30B muestra un pico basal a 2q ~ 5,1º, lo que representa una distancia interlaminar de aproximadamente 1,76 nm, que concuerda con la hoja técnica del fabricante. Por su parte, los compuestos presentaron señales distintas.

En el caso del compuesto C96-0.5 no se aprecia claramente el pico basal, lo cual representaría (teóricamente) el desarrollo de estructuras exfoliadas. No obstante, la presencia de una señal en 2q ~ 5.6º estaría indicando la presencia de partículas aglomeradas. Para el compuesto C96-2.5 se observa un desdoblamiento del pico basal, típico en compuestos que contienen partículas intercaladas y aglomeradas, donde el pico de mayor intensidad, ubicado en 2q ~ 2,8º, esPara complementar este estudio y poder detectar mayores diferencias entre los dos compuestos se realizaron observaciones por TEM. La figura 2 muestra las micrografías TEM obtenidas a partir de los compuestos C96-0.5 y C96-2.5 a bajos (figuras 2a y 2b) y a altos aumentos (figura 2c).

Caracterización mecánica

En la tabla 2 se presentan los valores encontrados del módulo de Young (E), la tensión de cedencia (sy) y la elongación a rotura (eb) de todos los materiales estudiados. La influencia del procesado en el PLA se evaluó mediante la comparación entre materiales sin nanoarcilla, obtenidos en las extrusoras mono y doble husillo.

El módulo de Young no presentó variaciones significativas, por lo que el procesado no parece influir en la rigidez del PLA. La lámina de PLA obtenida en la extrusora de doble husillo presentó mayor sy y eb que la procesada en la extrusora monohusillo. Las diferencias observadas entre estos materiales, obtenidos por diferentes métodos de procesamiento, pueden estar relacionadas con el efecto de la morfología inducida durante el procesado, con diferentes niveles de orientación que explicarían estas variaciones¹².

Se encontró que el incremento del contenido de material reprocesado en las láminas obtenidas en la extrusora de doble husillo (B96-0.5 y B96-2.5) provocó una disminución de las propiedades mecánicas. Esta disminución en las propiedades mecánicas puede estar relacionada con la mayor degradación del PLA que presenta el material reprocesado.

El efecto de la nanoarcilla en las propiedades mecánicas del PLA se estimó a partir de la comparación de cada compuesto con su respectivo blanco (C96-0.5 y B96-0.5 así como C96-2.5 y B96-2.5). De acuerdo con los resultados presentados en la tabla 2, la adición de 0,5 % de nanoarcilla no modifica el comportamiento mecánico de las láminas no tratadas térmicamente. Por otro lado, E y sy varían significativamente con un 2,5 % de nanoarcilla.

El incremento del módulo puede estar relacionado con el incremento de la fracción rígida del compuesto, correspondiente a las laminillas de nanoarcilla. Por otra parte, las laminillas constituyen puntos de anclaje que impiden el deslizamiento de las cadenas, resultando en una sy mayor. Con respecto a la deformación a rotura, eb, la adición de nanoarcilla no produjo una variación significativa teniendo en cuenta la variabilidad de esta medida, en ninguna de las dos concentraciones.

CONCLUSIONES

El estudio de la morfología mediante WAXS y TEM reveló que los compuestos estudiados tienen una estructura mayoritariamente intercalada, aunque también se observaron laminillas exfoliadas y partículas aglomeradas.

El efecto del procesado en el comportamiento mecánico del PLA sólo es apreciable en las láminas envejecidas (no tratadas térmicamente), y promueve la disminución de las propiedades mecánicas por efecto de la degradación del material reporcesado.

La nanoarcilla sólo produce cambios significativos en el comportamiento mecánico del PLA cuando su concentración es de un 2,5 % en masa, observando un aumento de la rigidez y la resistencia del PLA al incrementar el contenido de CLOISITE 30B. La aplicación del tratamiento de rejuvenecimiento, producto del borrado del estado de envejecimiento físico, produce una transición frágil-dúctil en los compuestos.

Actualmente se está trabajando en el estudio del comportamiento mecánico de láminas de PLA sometidas a diferentes condiciones de temperaturas y velocidades de deformación. Se prevé el desarrollo de ensayos donde se simula el proceso de termoconformado de estas láminas.

AGRADECIMIENTOS

Al Ministerio de Educación y Ciencia, por la financiación del proyecto MAT 2010-19721-C02-01. J. C. Velázquez-Infante agradece a la Agencia Española de Cooperación Internacional para el Desarrollo (AECID) la concesión de una beca predoctoral.

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Recibido: 15/09/2013 ]]> Aceptado: 20/12/2013

Julio C. Velázquez Infante. Grupo de Investigación de Materiales y Ambiente, Universidad de Holguín, Holguín, Cuba. jcvelazquez@facing.uho.edu.cu