Síntesis y caracterización de nanopigmentos basados en nanoarcillas

Resumen

Este proyecto de tesis se centra en la incorporación de nanopigmentos en matrices poliméricas termoplásticas, en la evaluación de las propiedades físico-químicas y ópticas (colorimétricas) de los materiales obtenidos y en su comparación con respecto a los mismos plásticos coloreados convencionalmente. Los nanopigmentos deben estar perfectamente dispersados o incorporados en la matriz polimérica para que el desarrollo de sus excelentes propiedades sea óptimo. Se estudiará la introducción, intercalación y/o preferentemente exfoliación, de los nanopigmentos en el polímero. Entre las propiedades físicas se evaluarán propiedades mecánicas, térmicas, de estabilidad y grado de dispersión en la matriz polimérica. Entre las propiedades ópticas lineales se evaluará un nanopigmento primario, estableciendo una metodología para que pueda ser aplicada a otros primarios y, que de este modo sea posible evaluar la gama de colores reproducibles con un conjunto mínimo de nanopigmentos, valorando si esta nueva gama de colores sería superior a las convencionales. Es indudable que la nanotecnología será uno de los motores industriales y económicos en el siglo XXI. Entre las diversas aplicaciones potenciales de la nanotecnología, el desarrollo de nanocompuestos, sobre todo poliméricos, está de gran auge en la actualidad en la medida que se investiga mucho en la mejora de las propiedades físicas y químicas (macroscópicas) de los nanocompuestos plásticos aprovechando o controlando las nuevas propiedades surgidas a escala nanoscópica. Aunque todavía se trabaja en nanotecnología a un nivel básico, no se deben descartar las potenciales y rentables implementaciones industriales a corto o medio plazo. Sobre todo, cuando de cara a la aceptación visual o estética de estos nuevos materiales poliméricos es necesario comprobar si sus prestaciones colorimétricas se acercan o sobrepasan las prestaciones de los colorantes inorgánicos y orgánicos. En este sentido, cabe diferenciar los puntos fuertes y débiles de los tintes orgánicos, los pigmentos inorgánicos y las nanopartículas o nanopigmentos de cara a remarcar parte de los objetivos de este proyecto de tesis. A diferencia de los pigmentos inorgánicos, los tintes orgánicos y las nanopartículas interaccionan con la luz absorbiéndola, en lugar de difundirla. La saturación de los colores generados por tintes orgánicos y nanopartículas puede ser muy alta, con lo que potencialmente la gama de colores reproducibles de los objetos nanopigmentados puede ser muy amplia. Si además, tenemos en cuenta que los objetos coloreados orgánicamente se deterioran químicamente, pero no los nanopigmentados, no cabe duda que gran parte del futuro de la química de colorantes se sustentará en el desarrollo y optimización de los nanopigmentos para cualquier tipo de material (plástico, fibra textil, etc). Pero, evidentemente, siempre intentando que estos materiales nanopigmentados también se caractericen por un alto rendimiento en una gran variedad de propiedades físico-químicas. Sin embargo, para que las nanopartículas desarrollen todas sus propiedades deben estar perfectamente dispersadas en la matriz polimérica, lo que no siempre es fácil de conseguir dada la elevada viscosidad de los polímeros y las relativamente altas velocidades de cizalla necesarias para conseguir un buen grado de mezcla con este tipo de materiales, que en ocasiones puede conducir a la degradación de los mismos. Dadas las ventajas que incorporan estos materiales, los métodos para la incorporación de nanopartículas en matrices poliméricas es un tema de gran interés El objetivo principal de este proyecto de tesis es incorporar nanopigmentos a polímeros y comprobar si los nuevos plásticos nanopigmentados mejoran tanto sus propiedades físico-químicas como las ópticas, ya sean lineales o no lineales. Para ello el proyecto inicial de tesis se centrará en el estudio de preparación de las formulaciones de polímeros adicionando los nanopigmentos, exfoliándolos y/o intercalándolos en las cadenas mediante mezclado intensivo, así como en la evaluación de las propiedades físico-químicas y ópticas (colorimétricas) de los nuevos materiales y su comparación con respecto a los mismos plásticos coloreados convencionalmente. En paralelo a esto, se pretende optimizar el método de síntesis de nanopigmentos para la coloración de plásticos, preparando varios tipos de nanopigmento a partir de nanoarcillas y de colorantes, y variando la saturación de la nanoarcilla. A partir de aquí, se estudiará la influencia del nanopigmento en la matriz polimérica, evaluando propiedades mecánicas, térmicas, colorimétricas, dispersión, estabilidad, etc. comparándose con pigmentos comerciales convencionales. La metodología y plan de trabajo desarrollado ha sido el siguiente: 1- Estudio bibliográfico del estado del arte sobre incorporación de nanopartículas en matrices poliméricas11, del comportamiento óptico de los nanopigmentos en polímeros, y sus diferencias ópticas, lineales y no lineales, con respecto a los pigmentos convencionales. 2- Selección de pigmentos comerciales convencionales y materias primas (nanoarcilla y colorante orgánico) para la síntesis de nanopigmentos27, optimizando el proceso descrito en la patente ¿Coloring Pigment¿ WO0104216, variando el porcentaje de la capacidad de intercambio iónico intercambiada (saturación de la nanoarcilla). 3- Selección de polímeros termoplásticos. 4- Preparación de formulaciones de polímeros y colorantes o nanopigmentos mediante distintas técnicas de procesado de polímeros. 5- Evaluación de las propiedades físico-químicas de las muestras: respuesta mecánica, estabilidad térmica, dispersión del nanopigmento. Comparación de resultados entre muestras nanopigmentadas y coloreadas convencionalmente. 6- Caracterización colorimétrica de las muestra. Medida de espectros de reflectancia, cálculo de coordenadas cromáticas y estimación de los parámetros de rendimiento colorimétrico, evaluación de la estabilidad del color, etc., tanto de las muestras con nanopigmento como de las muestras con pigmentos comerciales. Así mismo, también se calculará la gama de color para el nanopigmento primario estudiado.