Nanocompositos a base de polímeros biodegradables reforzados con nanopartículas de sílice

Abstract

El interés por desarrollar materiales biodegradables a partir de recursos renovables ha incrementado en años recientes. Lo anterior debido a la acumulación de residuos materiales no biodegradables en los ecosistemas terrestres y acuáticos. Lo cual afecta la calidad de vida de las especies que habitan dichos ecosistemas. Los polímeros termoplásticos son una clase de materiales importantes para la ingeniería, con gran variedad de aplicaciones, como el diseño de electrodomésticos y artículos para el hogar, así como en elementos estructurales, debido a sus propiedades mecánicas, además de brindar aislamiento térmico y eléctrico, etc. Sin embargo, gran parte de los polímeros termoplásticos no son biodegradables. Por lo tanto, es de interés industrial y académico desarrollar nuevos materiales termoplásticos, basados en polímeros biodegradables y que den solución a la problemática ambiental. En la presente investigación, fueron desarrollados materiales termoplásticos a base de polímeros biodegradables, como son el almidón de maíz y el acetato de celulosa. Ambos presentan alta disponibilidad y bajo costo. El primero presenta una estructura semicristalina, mientras que el segundo posee una estructura amorfa. Estos polímeros fueron reforzados con tres concentraciones de nanopartículas de sílice hidrófila, y tres concentraciones de nanopartículas de sílice hidrófoba. La sílice es conocida por su dureza y alta disponibilidad, de manera que el objetivo de esta investigación fue estudiar la influencia de diferentes concentraciones (2.5 %, 5 % y 7.5 % en peso) de nanopartículas de sílice (hidrófila/hidrófoba), en la conductividad térmica de matrices poliméricas biodegradables con estructura semicristalina y amorfa, para así proponer aplicaciones de estos materiales, principalmente como aislantes térmicos con alto desempeño mecánico. La conductividad térmica de estos materiales fue determinada por calorimetría diferencial de barrido modulado y observada a diferentes temperaturas (20, 40, 60, 80, 100 �C). De igual manera, los materiales obtenidos fueron caracterizados mediante microscopía electrónica de barrido, espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier, pruebas mecánicas estáticas, análisis termogravimétrico, análisis termomecánico y análisis dinámico mecánico. Los resultados mostraron que bajas concentraciones de nanopartículas de sílice hidrófoba en una matriz de almidón de maíz termoplástico, permiten su aplicación como aislante térmico, con valores de conductividad térmica de 0.074 � 0.001 W m-1 �C-1, cuando los aislantes térmicos tradicionales, como las espumas de poliuretano, presentan valores alrededor de 0.06 W m-1 �C-1. Adicionalmente, estos compositos presentan mejores propiedades mecánicas y mayor estabilidad térmica. Por otro lado, altas concentraciones de nanopartículas de sílice hidrófila producen efectos similares a los obtenidos con bajas concentraciones de nanopartículas hidrófobas. Por lo tanto, resulta más eficiente, desde el punto de vista costo-beneficio, la utilización de nanopartículas de sílice hidrófobas para mejorar la capacidad de aislamiento térmico y aumentar las propiedades mecánicas del almidón de maíz termoplástico. Por último, la conductividad térmica de los nanocompositos de matriz de acetato de celulosa aumentó con una concentración baja de nanopartículas de sílice hidrófoba, no obstante, la presencia de estas nanopartículas no mejoró las propiedades mecánicas del acetato de celulosa. Los nanocompositos de nanopartículas hidrófilas y matriz amorfa no mostraron diferencias significativas en la conductividad térmica, ni en las propiedades mecánicas. Esto debido a la estructura amorfa del acetato de celulosa, que permite que este polímero posea baja conductividad térmica en comparación a polímeros semicristalinos como el almidón de maíz, y a la dispersión de las nanopartículas en la matriz.