Nanoarcillas ¿Qué son las nanoarcillas? Son una nueva generación de arcillas procesadas, estas arcillas se encuentran en forma de discos con espesor nanométrico, que se pueden modificar químicamente para poder hacerlas compatibles con monómeros orgánicos y con polímeros.
¿Cómo se obtienen las nanoarcillas? nanoarcillas? Las nanoarcillas se obtienen a partir de arcillas de la familia esmectita. Las esmectitas son minerales que tienen una morfología única. Dentro de esta familia se encuentran varias arcillas como la vermiculita, el talco, la hectorita, la montmorillonita y la bentonita. Las dos arcillas más utilizadas como materia prima para las nanoarcillas son la montmorillonita y la bentonita. La estructura de las nanoarcillas se conforma de láminas o plaquetas con espesor de 1 mm. Las nanoarcillas son modificadas superficialmente para poder dispersarse en las matrices poliméricas.
Estructura de la montmorillonita.
Nanoarcillas en el mundo de los plásticos Las nanopartículas de arcilla han abierto una nueva puerta al futuro de los plásticos, ya que su implementación en los polímeros nos ofrece grandes mejoras en sus propiedades en especial térmicas y mecánicas. Los Plásticos hoy en día han abarcado gran parte del mercado y por lo tanto cada vez se exigen nuevas tecnologías que puedan competir con las anteriores; debido a estas exigencias las nanoarcillas han logrado posicionarse en un lugar muy destacado y cada vez su estudio y aplicación es más extenso; incluso llegando ser aplicada en la industria alimenticia.
¿Para qué sirven las nanoarcillas? Las nanoarcillas mejoran las propiedades de resistencia a la llama, las propiedades de barrera y las propiedades estructurales en muchos plásticos. Además, por su área de superficie con 5 grs. de nanoarcilla se podría cubrir toda la superficie de un campo de football, por esta característica es que al integrarse en una matriz polimérica se obtienen compuestos más ligeros. Las propiedades que se han logrado mejorar en los polímeros con el refuerzo de las nanoarcillas son las siguientes:
Propiedades barreras: la distribución de los diferentes tamaños de las nanopartículas en la matriz polimérica mejora la permeabilidad frente a líquidos y gases. Esto se debe a la restricción al movimiento de las cadenas poliméricas cercanas a las láminas de silicato.
Propiedades ignifugas: la disposición en zigzag de las láminas de silicato
incrementa el retardo de la llama.
Prueba comparativa de retardancia a la flama en PP.
Por ejemplo: First Quality Chemicals, líder nacional en distribución de especialidades químicas, presenta esta nueva tecnología de Nanoarcillas, las cuales están modificadas con derivados de aminas cuaternarias, mejoran las propiedades de retardancia a la flama y las propiedades mecánicas de las poliolefinas como por ejemplo el polipropileno (PP) o el polietileno (PE). Cuentan con tres grados diferentes de nanoarcillas con propiedades similares pero con diferente modificador superficial, el cual facilita su dispersión en diferentes matrices poliméricas. Las nanoarcillas FQC NT al adicionarse entre 1-4% (w/w) logran mejorar la retardancia a la flama y utilizando entre 4-6% (w/w) mejoran además las propiedades mecánicas. Los tres grados se pueden combinar con retardantes a la flama convencionales ya sean halogenados o no. Debido a que se puede combinar con retardantes halogenados se reduce la toxicidad, la gravedad específica y se mejora la procesabilidad.
Actúan de forma sinérgica con los retardantes convencionales al dificultar el paso del oxígeno a través del material, creando una barrera por su dispersión. Adicionando 5% de estas nanoarcillas podrá reducir hasta un 40% de retardante halogenado manteniendo la rigidez y reduciendo el peso de su producto.
Propiedades de barrera (dificultad del paso del oxígeno).
La nanoarcilla FQC NT 200 está modificada con un silano (28-32% w/w), está recomendada para poliolefinas. Además, se recomienda para compuestos de poliamidas, poliuretanos y cauchos de nitrilo.
La FQC NT 210 está modificada con un surfactante (34-36% w/w) y además de utilizarse en poliolefinas se recomienda para compuestos de EVA. Ofrece un fácil procesamiento y excelente balance de propiedades. Combinando la FQC NT 210 con DBDPE se logró mejorar la retardancia a la flama de acuerdo al estándar UL94 pasando de la categoría V-1 a V-0.
Retardancia a la flama combinando nanoarcillas con bromados.
El tercer grado es FQC NT 220 su agente modificador es un siloxano (34-36% w/w) y se recomienda para usarse en poliolefinas. Su agente modificador ayuda a reducir la adsorción de humedad y mejorar la dispersión en resinas poliméricas. Propiedades mecánicas: La elevada superficie que interacciona con el polímero facilita la transferencia de esfuerzos al nanomaterial y au menta no sólo el módulo y la resistencia a la tracción, sino también la tenacidad. La compatibilidad y resistencia de la adhesión en la interface carga-polímero influye de forma decisiva en el comportamiento mecánico. El estudio de las nanoarcillas es muy variable y con múltiples aplicaciones: Investigadores de la Universidad de Alicante han realizado estudios con tintes naturales y sintéticos con propiedades de potenciación y reforzamiento del color y sobre su duración con el paso del tiempo. Han concluido que a pesar de que los tintes sintéticos han tenido una gran aceptación en el mercado, los tintes naturales aún tienen la oportunidad de
persistir en él y esto se puede lograr gracias a la nanotecnología. La investigación está centrada en los colorantes que pueden ser reforzados con nanoarcilla y así dar origen a pigmentos híbridos; que serán de origen natural pero con una gran resistencia. Según explican debido a que las nanoarcillas presentan una estructura cristalina a una escala mínima esta ofrece una mayor resistencia al desgaste. A pesar de que las nanoarcilla es ligeramente más cara que la fibra de vidrio pero es mucho más barata que la fibra de carbono, pero hoy en día es considerada de las nanoparticulas más usadas e importantes, ya que presentan una gran ventaja debido a que solo se requiere una pequeña cantidad para mejorar las propiedades del polímero y esto le permite competir con los refuerzos de fibra de vidrio que comúnmente son usados.
Científicos del Instituto Politécnico Nacional (IPN), están elaborando plásticos biodegradables a base de almidón de papa y nanoarcillas. Dichos plásticos son capaces de desintegrarse en aproximadamente tres meses, lo cual les da una gran mejoría sobre los plásticos tradicionales que llegan a tardar hasta 400 años en sufrir este proceso; lo cual implica un gran problema de contaminación. Estos nanocompuestos pueden ser usados como empaques para conservar frutas y vegetales frescos. Gracias a que en México existen numerosas minas de arcilla y variables fuentes de vegetales de almidón existen muchas posibilidades de industrializar dicho producto que incluso puede ser utilizado para crear botellas de Polietilen Tereftalato (PET).
Gracias a las propiedades de barrera que nos brinda las nanoarcillas incorporadas al polímero, el nanocompuesto obtenido puede utilizarse en la fabricación de
botellas de PET multicapa y en películas para envasado alimentario. Estos productos se están empleando en Europa para botellas de bebidas alcohólicas. Formulas similares están siendo evaluadas para bebidas carbonatadas y para recipientes de carne y queso. Los Nanocompuestos están evaluándose en película, no sólo para mejorar la barrera, sino también para controlar la liberación y migración de los aditivos, como biosidas y tintes. Una empresa muy destacada en el estudio y comercio de la nanopartículas de arcilla es Cloisite ® nanoarcillas. Los productos de arcilla comenzaron en la minería y el procesamiento de las arcillas de montmorillonita a finales de 1940. Hoy Southern Clay Products es una empresa líder en el suministro de ultra-pura montmorillonita natural y montmorillonita orgánicamente modificada a una amplia variedad de industrias. La marca Cloisite® maneja arcillas modificadas; es decir, estas nanopartículas ofrecen una variedad de beneficios a todas las clases de plásticos a concentraciones muy bajas. Las mejoras que pueden obtenerse son: retardante a la flama, mejora propiedades de barrera, mejora la estabilidad dimensional, el material tiene claridad, aumenta las propiedades mecánicas en específico HDT, refuerza la matriz polimérica y tiene baja densidad. Estudios realizados por CLOISITE ® han demostrado que con una pequeña cantidad de nanoarcilla montmorillonita aumenta la temperatura de ablandamiento del Plástico por lo que el reciclaje de los termoplásticos es más eficiente. Teñir los plásticos es más fácil debido a la naturaleza coloidal de la montmorillonita que sirve como un sitio activo para fijar el color. Se han realizado medidas por calorimetría demostrando que al agregar nanoarcilla al plástico la liberación de calor disminuye por lo que se puede usar como un excelente retardante a la Flama. Debido a que el tamaño de estas nanopartículas es mucho más pequeño que los
agentes de refuerzo tradicionales la superf icie del plástico se presenta mucho más suave. Para el año 2020 se pronostica que los nanocompuestos sustituirán en gran parte a los plásticos tradicionales usados en la industria de la construcción, como por ejemplo en tuberías, recubrimientos y paredes exteriores. Se ha encontrado gran potencial en paneles estructurales que puedan sustituir al acero, aluminio y magnesio en donde actualmente los termoplásticos no son aceptados o no se les había encontrado un lugar debido a sus características físicas o mecánicas que no eran adecuadas en esta área de trabajo.
Mientras el ser humano siga buscando la forma de tener una vida más practica la tecnología ira avanzando cada vez más y los polímeros estarán ahí para satisfacer esas necesidades que sin duda cada vez serán más.
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