Preparación de nanocompuestos polietileno/arcilla con catalizadores metalocénicos soportados

Abstract

Los polímeros son sustancias compuestas por la unión de pequeñas moléculas que se repiten llamadas monómeros y que forman enormes cadenas. Dichas cadenas pueden ser lineales, o presentar ramificaciones laterales e incluso entrecruzamiento entre las cadenas principales. En el caso de que en su estructura solo aparezca un tipo de monómero se les denomina homopolímeros. Mientras que si existen diferentes tipos de monómeros en su estructura se denominan copolímeros. Estos compuestos constituyen en la actualidad uno de los materiales de mayor uso a nivel mundial, tanto por su versatilidad como por sus características y precio, además son una alternativa ligera y funcional capaz de sustituir a otros materiales como metálicos o cerámicos para numerosas aplicaciones. Los polímeros obtenidos a partir de olefinas suponen un grupo de plásticos muy económicos y de gran demanda a nivel mundial. Algunas de las poliolefinas más habituales son los polietilenos, el polipropileno y el caucho etileno-propileno. Durante esta investigación se llevó a cabo a síntesis de polietileno de alta densidad (High Density Polyethylene HDPE) y de polietileno lineal de baja densidad mediante la copolimerización de etileno/1-hexeno (Lineal Low Density Polyethylene LLDPE). El descubrimiento de los nanocompuestos (polímeros que presentan partículas inorgánicas dispersas en su matriz), junto con los avances producidos en las últimas décadas en el campo de la catálisis, han permitido mejorar sus propiedades, así como controlar su morfología y características. Los nanocompuestos presentan ciertas mejoras frente a los polímeros tradicionales. Ofrecen una baja permeación frente a gases, lo que supone una ventaja para el almacenamiento de alimentos y de compuestos volátiles. Además presentan un poder de retardo de llama mejorado, lo cual les hace más resistentes al fuego. De igual modo sus propiedades mecánicas se ven reforzadas, presentando los nanocompuestos mayor tenacidad y resistencia. En sectores como automoción o aeronáutica se utilizan para sustituir algunos materiales más pesados, permitiendo así aligerar estructuras y reducir consumos. Todas estas ventajas se obtienen con la adición de pequeñas cantidades de partículas inorgánicas, las cuales son económicas y abundantes, y sin que se precisen variaciones significativas en el proceso de polimerización, lo cual convierte a estos materiales en una alternativa muy interesante frente a los polímeros tradicionales. Las partículas adicionadas deben contener al menos una de sus dimensiones en el rango nanométrico, pudiendo emplearse para ello partículas laminares, esféricas o fibrosas. En el caso de esta experimentación se utilizó un tipo de arcilla (sepiolita de nombre comercial Pansil), por lo que las partículas agregadas presentan morfología laminar. Para llevar a cabo la síntesis de estos materiales compuestos se pueden utilizar diversos procedimientos, siendo los más habituales los procesos en emulsión, en solución, in-situ y en estado fundido. En concreto, para el caso de nanocompuestos polietileno/arcilla, debido a la débil interacción entre las cadenas de polietileno (no polares) y la superficie hidrofílica de la arcilla los procesos utilizados son en estado fundido e in-situ, siendo este último el empleado en la presente investigación. El método de polimerización in situ consiste en utilizar un sistema catalizador/cocatalizador que se encuentra anclado, preferiblemente, en el espaciado interlaminar de la arcilla cuando este material es el soporte. Al llevarse a cabo la reacción de polimerización, el crecimiento del polímero provoca la destrucción de la estructura de la arcilla, y ésta queda en la matriz polimérica. Este método se ha llevado a cabo en el presente trabajo, pero además se ha realizado de forma combinada lo que podría denominarse como proceso de mezclado in situ, ya que se han llevado a cabo las reacciones de polimerización con arcilla adicional presente en el medio de reacción. Durante este proyecto se llevó a cabo la síntesis de nanocompuestos polietileno/arcilla con y sin adición de 1-hexeno, empleando un sistema catalítico metalocénico soportado sobre sílice y arcilla, con el objetivo de comparar ambos soportes. Para la polimerización se empleó un reactor de vidrio tipo tanque agitado semicontinuo, en el que se adiciona un gramo de arcilla con objeto de llevar a cabo un mezclado in situ; no obstante, para poder analizar el efecto de la presencia de arcilla en el medio de reacción también se llevaron a cabo las reacciones sin arcilla. Los polímeros y catalizadores soportados sintetizados se analizaron mediante diferentes técnicas de caracterización (isotermas de adsorción de N2, microscopía electrónica de transmisión y de barrido, análisis termogravimétrico, fluorescencia de rayos X, difracción de rayos X, Cromatografía de permeación en gel, calorimetría diferencial de barrido, análisis dinamomecánico, análisis de fraccionamiento por cristalización y resonancia magnética nuclear). La finalidad es estudiar la morfología y características de estos compuestos, así como comprobar si la arcilla afecta al proceso de polimerización y si existe tal mejora en las propiedades mecánicas de los nanocompuestos frente a las de los polímeros de partida. Los nanocompuestos sintetizados en los que se encontraba presente arcilla en el medio de reacción presentaron mayor peso molecular y mayor fracción cristalina, lo que se tradujo en mejores propiedades mecánicas y térmicas tanto en el polietileno homopolímero, como en los copolímeros de etileno/1-hexeno. Mediante el análisis de difracción de rayos X se comprobó que la estructura de la sepiolita parece mantenerse intacta, conservándose la distancia interlaminar, aunque no se descarta que algunas láminas se exfolien. Por tanto los compuestos obtenidos resultarían ser microcompuestos.