Funciones y métodos de procesamiento de la nanomontmorillonita orgánica en el campo de los polímeros
Introducción a la nanomontmorillonita orgánica
1. Estructura de la Montmorillonita
La Montmorillonita es un mineral de aluminosilicato hidratado en capas naturales. Tiene una estructura cristalina 2:1 compuesta por dos capas de tetraedros de silicio y oxígeno intercalando una capa de octaedros de aluminio y oxígeno. Cada capa de lámina tiene un espesor de aproximadamente 1 nm, con una longitud y un ancho de aproximadamente 100 a 1000 nm, y un espacio entre capas de aproximadamente 1 a 1,5 nm, lo que lo convierte en un nanomaterial bidimensional natural.
Fórmula química: (Na,Ca)₀.₃₃(Al,Mg)₂Si₄O₁₀₂·nH₂O
2. Montmorillonita inorgánica (bentonita acuosa)
El componente principal de la montmorillonita es el mineral de montmorillonita, con un contenido generalmente entre 40% y 65% en minerales extraídos de forma natural. Mediante extracción, secado, trituración y cribado del mineral en bruto, se obtiene un material base de montmorillonita. Luego se dispersa en una suspensión, seguido de desarenado con hidrociclón, purificación centrífuga, modificación de sodio, filtración, secado y desaglomeración para producir montmorillonita (bentonita) a base de sodio de alta pureza.
Normalmente, las partículas de montmorillonita consisten en nanoláminas de silicato cargadas negativamente que se apilan debido a fuerzas electrostáticas. Incluso en condiciones completamente hidratadas y dispersas, las partículas de montmorillonita todavía están compuestas por docenas de láminas apiladas. Por lo tanto, la montmorillonita inorgánica no puede lograr una dispersión de nanohojas individuales en matrices poliméricas, lo que resulta en una baja funcionalidad y una aplicabilidad limitada.
3. Nanomontmorillonita orgánica
Debido a la carga negativa de las capas cristalinas de montmorillonita, cationes como Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ y Na⁺ pueden absorberse e intercambiarse con otros cationes orgánicos, lo que le da a la montmorillonita una buena capacidad de intercambio iónico. Mediante intercambio catiónico, la montmorillonita se intercala con modificadores de intercalación de sales de amonio cuaternario de uso común, como cloruro de octadeciltrimetilamonio (1831), cloruro de octadecildimetilamonio (1827), cloruro de hexadeciltrimetilamonio (1631), cloruro de hexadecilbencildimetilamonio (1627), cloruro de dodecilbencildimetilamonio (1227) y cloruro de diestearildimetilamonio (2HT-75, SM-95).
Esta intercalación aumenta el espacio entre capas a 2 a 4 nm, reduce la energía libre de la superficie del material y cambia la superficie de hidrófila a hidrófoba, lo que da como resultado nanomontmorillonita orgánica. Esto mejora su compatibilidad con matrices poliméricas, lo que permite la formación de nuevos tipos de nanocompuestos de montmorillonita/polímero, que mejoran significativamente las propiedades mecánicas, la estabilidad térmica, las propiedades de barrera a los gases, la resistencia antimicrobiana, la resistencia al envejecimiento por rayos UV, el retardo de llama y más.
4. Papel funcional de la nanomontmorillonita orgánica en los polímeros
La nanoestructura y las características morfológicas de la nanomontmorillonita orgánica difieren de otras nanopartículas inorgánicas bidimensionales o tridimensionales, impartiendo así excelentes propiedades mecánicas, térmicas, funcionales y otras propiedades físicas a los compuestos de polímero/montmorillonita.
Los resultados prácticos existentes muestran que las propiedades mecánicas de los nanocompuestos de polímero/montmorillonita mejoran significativamente. Por ejemplo, la resistencia a la tracción y la resistencia a la flexión aumentan entre un 20% y un 50%, el módulo aumenta entre 1 y 2 veces, el coeficiente de fricción y la resistencia al desgaste mejoran 1 vez, la temperatura de deflexión por calor aumenta entre 80 y 90°C para polímeros cristalinos (como PA) y entre 10 y 30°C para polímeros amorfos, el coeficiente de expansión térmica disminuye aproximadamente un 40%, la tasa de absorción de humedad disminuye un 50%, la estabilidad dimensional mejora entre 2 y 5 veces, y la permeabilidad al vapor de agua, O₂, CO₂ y la luz ultravioleta se reduce a 1/2-1/5.
Durante la combustión, se produce la formación de carbonilla, lo que retrasa significativamente la velocidad de liberación de calor y evita el goteo del fundido, mejorando así en gran medida el retardo de llama. La fluidez de la masa fundida aumenta, la contracción del moldeo disminuye y la procesabilidad mejora. La densidad del material compuesto es similar a la del polímero puro, que es entre un 20% y un 30% menor que la de los polímeros modificados con cargas inorgánicas convencionales. La transparencia del material también se mejora en distintos grados.
Por lo tanto, los nanocompuestos de polímero/montmorillonita se han convertido en una nueva generación de materiales de embalaje de alta barrera, materiales de ingeniería livianos de alta resistencia, materiales eléctricos aislantes con alto retardante de llama y materiales de alto rendimiento resistentes a la fatiga.
5. Métodos de procesamiento y aplicación de nanomontmorillonita orgánica
La montmorillonita debe someterse a dos procesos para lograr una dispersión a nanoescala en polímeros. Sólo cuando las láminas de nanosilicato están completa y uniformemente dispersadas se puede maximizar su eficacia.
La montmorillonita purificada se convierte en nanomontmorillonita orgánica mediante una reacción de intercalación.
El espacio entre capas de la montmorillonita inorgánica es de aproximadamente 1 a 1,5 nm, y sus láminas se apilan debido a fuerzas electrostáticas, lo que hace imposible dispersar las nanohojas individuales. Solo a través de una reacción de intercalación (que generalmente requiere entre un 30 y un 40 % de intercalante) se puede aumentar el espacio entre capas a 2 a 4 nm, convirtiéndola en nanomontmorillonita orgánica, reduciendo la energía libre de la superficie y cambiando la superficie de hidrófila a hidrófoba, permitiendo así una mejor dispersión en los polímeros.
La montmorillonita intercalada debe someterse a un corte de doble tornillo para lograr una dispersión completa a nanoescala.
Para lograr una dispersión y exfoliación óptimas de la montmorillonita orgánica, se recomienda utilizar una extrusora de doble tornillo co-rotativo o una amasadora BUSS al mezclar con termoplásticos.
Durante la composición por extrusión, se recomienda seleccionar una configuración de tornillo con una alta relación longitud-diámetro (>40 L/D) y elementos de mezcla altamente dispersivos. Para evitar la compactación, lo mejor es añadir la montmorillonita orgánica mediante un dispositivo de alimentación lateral al polímero ya fundido.
Durante la dispersión en la extrusora de doble tornillo, se debe tener cuidado de no 'cortar demasiado' la montmorillonita orgánica para evitar la aglomeración. Lo mejor es utilizar elementos de tornillo mezclador dispersivo. El calor excesivo puede provocar una degradación del rendimiento y la formación de olores. El sobrecalentamiento también puede provocar humo en la matriz, y velocidades de corte excesivamente altas en el extrusor pueden provocar reaglomeración y reducción del rendimiento.
Para lograr una mejor dispersión, se recomienda que los fabricantes de materiales para cables, los productores de embalajes de barrera y las empresas de modificación resistentes al calor preparen mezclas maestras de montmorillonita orgánica entre un 30% y un 50% para mezclarlas con gránulos de plástico. Los masterbatches se pueden producir mediante una primera mezcla interna seguida de una dispersión de doble tornillo o una dispersión de alimentación lateral, con la adición adecuada de compatibilizadores de injerto y auxiliares de dispersión.
