Modificación por Refuerzo y Aplicaciones del Nailon de Base Biológica

Modificación por Refuerzo y Aplicaciones del Nailon de Base Biológica

1. Modificación por Refuerzo del Nailon 1010

Similar a los rellenos utilizados para reforzar el nailon 11, los investigadores emplean principalmente varias fibras y arcillas para reforzar el nailon 1010.

(1) Refuerzo con Fibra de Carbono
En una extrusora de doble tornillo, se mezclaron en fusión dos tipos de nailon 1010 con diferentes resistencias a la tracción con fibras de carbono.

• Para el nailon 1010 puro con mayor resistencia a la tracción, la adición del 20% y 40% de fibras de carbono aumentó la resistencia a la tracción de 51.4 MPa a 158.0 MPa y 184.9 MPa, respectivamente. La elongación en la rotura disminuyó del 89% al 4.5% y 3.8%.
• Para el nailon 1010 puro con menor resistencia a la tracción, la adición del 10% y 30% de fibras de carbono aumentó la resistencia a la tracción de 26.7 MPa a 71.1 MPa y 102.8 MPa, respectivamente. La elongación en la rotura disminuyó del 277% al 10% y 6.2%.
  A medida que aumentó el contenido de fibra de carbono, la temperatura de cristalización de la mezcla aumentó gradualmente, mientras que la cristalinidad disminuyó.

(2) Refuerzo con Ceniza de Cáscara de Arroz y Nanoarcilla

En una extrusora de doble tornillo, se mezcló en fusión el nailon 1010 con ceniza de cáscara de arroz y nano-montmorillonita.

• Cuando se agregaron 10% y 20% de ceniza de cáscara de arroz, la resistencia a la tracción de la mezcla disminuyó de 46.2 MPa (nailon 1010 puro) a 41.2 MPa y 36.4 MPa, respectivamente. Esto se atribuyó a defectos interfaciales y una transferencia de tensión ineficiente de la matriz polimérica al relleno.
• Se utilizó el modelo de Pukanszky para describir el comportamiento a la tracción de la mezcla, confirmando la inferencia anterior. Cuando se agregó 5% de nano-montmorillonita, la resistencia a la tracción aumentó a 44.0 MPa.
• A medida que aumentó la concentración de ceniza de cáscara de arroz, la temperatura de deflexión por calor (HDT) de la mezcla a 0.46 MPa aumentó de 109°C (nailon 1010 puro) a 144°C y 174°C. Después de agregar 5% de nano-montmorillonita, la HDT superó los 180°C.

(3) Refuerzo con Grafeno
En una extrusora de doble tornillo, se mezcló en fusión el nailon 1010 con grafeno para estudiar su efecto en la movilidad de las cadenas poliméricas y la cristalización. Se descubrió que los grupos amida en la región amorfa del nailon 1010 reaccionaron químicamente con el grafeno, promoviendo la exfoliación intercalar y la dispersión del grafeno en la matriz de nailon.

• Cuando se agregó 5% de grafeno, el módulo de tracción de la mezcla alcanzó 1780 MPa, 1.8 veces el del nailon 1010 puro, mientras que la resistencia a la fluencia fue de 44.7 MPa, 1.4 veces la del nailon puro. La elongación en la rotura disminuyó del 58% (nailon puro) al 23%.
• La entalpía de fusión de la mezcla y del nailon puro fue de 67.3 J/g y 59 J/g, respectivamente, y la estabilidad térmica del polímero aumentó en 10°C.

(4) Refuerzo con Fibras de Pizarra
En una extrusora de doble tornillo, se mezcló en fusión el nailon 1010 con fibras de pizarra tratadas con agentes de acoplamiento de silano oxipropilo y amino, mejorando significativamente la compatibilidad entre el nailon 1010 y las fibras.

• Las fibras de pizarra tratadas con agentes de acoplamiento oxipropilo mostraron el mejor efecto de refuerzo. Cuando la relación en masa de nailon 1010 a fibras de pizarra fue de 85:15, la resistencia a la tracción de la mezcla aumentó de (56.7 ± 1.3) MPa (nailon 1010 puro) a (111.2 ± 1.4) MPa, mientras que la resistencia al impacto permaneció casi sin cambios, demostrando un refuerzo excelente.

2. Modificación por Refuerzo del Nailon 11

En los estudios sobre la modificación por refuerzo del nailon de base biológica, la lignocelulosa, la lignina y las fibras mixtas se utilizan comúnmente como rellenos para modificar el nailon 11. Estas fibras naturales exhiben excelentes efectos de refuerzo debido a sus abundantes grupos hidroxilo y funcionales que contienen oxígeno, los cuales pueden reaccionar químicamente o formar enlaces de hidrógeno con los grupos amida o los grupos terminales de amina y carboxilo del nailon de base biológica durante la mezcla en fusión. Esto mejora significativamente la dispersión de las fibras naturales en la matriz de nailon y mejora las propiedades mecánicas del material bajo impacto externo.

(1) Refuerzo con Lignocelulosa
Se realizaron estudios sobre la preparación, caracterización de rendimiento y cálculo de mezclas de nailon 11/lignocelulosa.

• A medida que la fracción en masa de lignocelulosa aumentó del 20% al 60%, la resistencia al impacto con y sin entalla de la mezcla disminuyó gradualmente.
• El comportamiento de absorción de agua se estudió utilizando el ángulo de contacto y la teoría de difusión de Fick. A medida que aumentó el contenido de lignocelulosa, el ángulo de contacto del agua disminuyó y la absorción de agua aumentó. A 23°C y 40°C, el coeficiente de difusión de Fick de la mezcla con 60% de lignocelulosa fue más del doble que el de la mezcla con 20% de lignocelulosa.

(2) Refuerzo con Lignina
Se utilizó lignina sin tratar como relleno para reforzar el nailon 11 en una extrusora de doble tornillo, produciendo compuestos de nailon completamente de base biológica.

• La adición de lignina dificultó la cristalización del nailon 11 y aumentó el esfuerzo de fluencia y el módulo de Young de la mezcla. Sin embargo, la elongación en la rotura dependió del contenido de lignina: permaneció similar al nailon 11 puro cuando el contenido de lignina fue inferior al 12.5%, pero disminuyó significativamente cuando el contenido de lignina superó el 12.5%.

(3) Refuerzo con Nanocelulosa
El nailon 11 se mezcló en fusión con nanocelulosa en una extrusora de doble tornillo.

• La nanocelulosa no afectó el comportamiento de cristalización de la matriz de nailon 11. Cuando se agregó 0.5% de nanocelulosa, la resistencia a la tracción y la resistencia al impacto de la mezcla aumentaron en un 23% y 67%, respectivamente, en comparación con el nailon 11 puro.
• Cuando se utilizó carboximetilcelulosa como compatibilizador para mezclar nailon 11 con almidón modificado con glicerol, la mezcla con 70% de almidón exhibió una resistencia a la tracción de 20 MPa y una elongación en la rotura del 150%, mostrando excelentes propiedades mecánicas. El análisis reológico y SEM reveló una distribución bicontinua del almidón y el nailon.

(4) Refuerzo con Fibras Mixtas
En lugar de utilizar una sola fibra, el nailon 11 se mezcló en fusión con una mezcla de fibra de madera y fibra de carbono en una extrusora de doble tornillo.

• La resistencia a la tracción de la mezcla fue un 46% mayor que la de las mezclas de nailon 11/fibra de madera. Cuando se agregó polipropileno, la resistencia a la tracción aumentó un 13% más y la resistencia al impacto aumentó un 58%, mientras que el costo se redujo.
• Las imágenes SEM mostraron que las fibras estaban bien dispersas en la matriz polimérica con buena adhesión. La temperatura de deflexión por calor de la mezcla con polipropileno fue 30°C más alta que la de las mezclas de nailon 11/fibra de madera/fibra de carbono.
• La mezcla de nailon 11/polipropileno/fibra de madera/fibra de carbono, con su baja densidad, bajo costo y propiedades mecánicas superiores, es altamente adecuada para aplicaciones automotrices.

3. Modificación por Refuerzo de Otros Nailones de Base Biológica

Si bien la investigación sobre la modificación por refuerzo ha sido extensa para el nailon 11 y el nailon 1010, los estudios sobre otros nailones de base biológica, como el nailon 610, el nailon 510 y el nailon 410, son relativamente limitados.

(1) Refuerzo del Nailon 510
El ácido glutárico se preparó mediante ingeniería metabólica y se polimerizó con ácido sebácico para producir nailon de base biológica 510.

• La viscosidad intrínseca alcanzó 141 mL/g, con un punto de fusión de 215°C, cercano al del nailon 6 y el nailon 66. La densidad fue de 1.07 g/cm³, inferior a la del nailon 6 y el nailon 66 (1.14 g/cm³).
• Cuando se mezcló en fusión con 30% de fibra de vidrio en una extrusora de doble tornillo, la resistencia a la tracción de la mezcla fue de 155 MPa, ligeramente inferior a la del nailon 6 y el nailon 66 (179 MPa y 188 MPa, respectivamente). La elongación en la rotura fue del 3.9%, ligeramente mejor que la del nailon 6 y el nailon 66 (3.8% y 3.7%, respectivamente), y la resistencia al impacto con entalla fue de 12 kJ/m², superior a la del nailon 66 (10 kJ/m²).

(2) Refuerzo del Nailon 410
El nailon 410 se mezcló en fusión con celulosa microcristalina tratada con ácido acético en una extrusora de doble tornillo.

• Después del tratamiento, la estabilidad térmica de la celulosa mejoró, facilitando su dispersión en la matriz de nailon. Cuando el contenido de celulosa estuvo entre el 1% y el 5%, el punto de fusión y la temperatura de cristalización de la mezcla disminuyeron gradualmente, mientras que el módulo de almacenamiento aumentó.

Modificación de Endurecimiento del Nailon de Base Biológica

Los modificadores de endurecimiento para el nailon de base biológica suelen ser poliolefinas no polares, mientras que el nailon es un polímero polar. Para lograr una mezcla efectiva, se añaden compatibilizantes injertados, generalmente utilizando anhídrido maleico como monómero de injerto. Durante la mezcla en fusión, el anhídrido maleico en el compatibilizante reacciona in situ con los grupos terminales de amina y carboxilo de las cadenas de nailon, formando compuestos injertados con compatibilidad interfacial. Esto mejora significativamente la dispersión del endurecedor y aumenta la tenacidad del material al transferir eficazmente la tensión de impacto de la matriz a la fase del endurecedor.