Por qué amamos los nanocompuestos de polímero (¡y tú también deberías!)

Los nanocompuestos de polímeros son uno de los temas más candentes en la tecnología del plástico en la actualidad. Los nanocompuestos son materiales que contienen fibras a nanoescala mantenidas en una fase continua llamada matriz o resina. Las nanopartículas son aquellas que tienen entre 1 y 100 nanómetros de tamaño. (Un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro). Por tanto, los nanocompuestos de plástico están formados por nanopartículas incrustadas en resina plástica y son una mezcla casi molecular de moléculas de resina y partículas a nanoescala.

Los nanocompuestos no son un fenómeno nuevo en la naturaleza. Gran parte de la parte inorgánica del suelo está formada por nanomateriales, lo que le confiere la capacidad de filtrar partículas a nivel molecular o nano. Nuestros huesos son ejemplos de un nanocompuesto, al igual que las partes de las conchas de moluscos. Por ejemplo, el nácar (nácar) está formado por capas alternas de aragonito inorgánico (CaCO ₃ ) y un biopolímero orgánico. El nácar es dos veces más duro y 1000 veces más resistente que los materiales que lo componen.

Actualmente, las nanoarcillas, también llamadas nanominerales, son el aditivo comercial más utilizado para la preparación de nanocomposites plásticos. Las nanoarcillas representan casi el 80% del volumen total producido en todo el mundo. La nanoarcilla más utilizada es la montmorillonita, que es un mineral muy blando que típicamente forma una arcilla de cristales microscópicos. También están ganando en uso comercial las nanofibras de carbono y los nanotubos de carbono. Los MWCNT, o nanotubos de carbono de paredes múltiples, se utilizan en la fabricación de semiconductores. Además, otro grupo de nanopartículas en uso son los silsesquioxanos oligoméricos poliédricos sintéticos (POSS). Los POSS están hechos de átomos de silicio y oxígeno unidos entre sí en forma cúbica, con átomos de silicio ocupando las esquinas. Se han mezclado nanofibras con una variedad de polímeros que incluyen poliamidas (nailon), polipropileno, poliestireno, resinas epoxi, poliuretanos, poliimidas, PET y otros para hacer útiles nanocompuestos de polímeros.

Entonces, ¿qué hace que los nanocompuestos de polímeros sean mejores que los compuestos de plástico ordinarios? En términos mecánicos, los nanocompuestos de polímeros se diferencian de los materiales compuestos convencionales debido a su relación de aspecto y relación de superficie a volumen excepcionalmente altas, así como a su relación de resistencia a peso. Examinemos esto más a fondo:

• La relación de aspecto es la longitud / diámetro de un objeto. Por tanto, las partículas con una relación de aspecto alta son largas y delgadas, mientras que las que tienen una relación de aspecto baja son cortas y anchas. Las nanopartículas de alta relación de aspecto se denominan (HARNS).

• La relación superficie / volumen es la cantidad de área de superficie por unidad de volumen de un objeto y es inversamente proporcional al tamaño. Por tanto, los materiales con una alta relación área superficial a volumen son aquellos que tienen un diámetro pequeño o son muy porosos. Estos reaccionan a velocidades mucho más rápidas que los materiales monolíticos porque hay más superficie disponible para reaccionar. Un ejemplo simple es entre partículas de sal gruesas y finas. La sal gruesa se disolverá más lentamente en agua que los granos de sal fina que tienen una relación superficie / volumen relativamente alta.

• La relación resistencia / peso o resistencia específica se define aquí como la fuerza de un material por unidad de área en el momento de la falla dividida por su densidad. Los nanocompuestos tienen una relación resistencia / peso más alta que los compuestos reforzados con fibra de carbono o fibra de vidrio. La resistencia a la tracción de la fibra de carbono es de 6.300 MPa con una resistencia específica de 2.457 kN x m / kg, mientras que la de los nanotubos de carbono es de 23.000 MPa y una resistencia específica de 45.268 kN x m / kg. Los nanocompuestos contienen típicamente cargas del 2 al 10% en peso, sin embargo, estos compuestos producen mejoras en las propiedades que son iguales o mejores que los compuestos de polímero tradicionales que contienen 20-30% de mineral o vidrio.

Los nanocompuestos de polímero se utilizan en una variedad de aplicaciones. Como ejemplo, veamos el uso de nanocompuestos en los ánodos de las baterías de iones de litio. Los ánodos hechos de un nanocompuesto de silicio y carbono permiten un contacto más cercano con el electrolito de litio y, por lo tanto, una carga y descarga de energía más rápida. También se utilizan en palas de molinos de viento por su relación resistencia / peso y en automóviles y aviones para mejorar la eficiencia del combustible.

¿Utiliza nanocompuestos de polímeros en sus aplicaciones? Cuéntamelo en la sección de comentarios a continuación.

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