Preparación de nanocompósitos basados en copolimeros de etileno-1-octeno (engage)/arcillas y mezclas de polipropileno/engage/arcillas y estudio de sus propiedades

Abstract

En esta tesis se estudiaron la preparación y caracterización de nanocompósitos de matrices poliolefinicas y una arcilla de estructura laminar con dimensiones nanométricas del tipo filosilicatos 2:1 como es la montmorillonita, empleando diferentes métodos para su preparación. Los polímeros usados como matrices fueron el copolímero estadístico de etileno y 1-octeno (Engage) o una mezcla de polipropileno (PP) y Engage con una composición de 70% PP y 30% de Engage. El copolímero estadístico de etileno y 1-octeno (Engage) corresponde a un elastómero olefínico y el PP a un polímero termoplástico. La montmorillonita fue modificada orgánicamente mediante la intercalación con octadecilamina con el objeto de proporcionarle un carácter más hidrofóbico como también aumentar su distancia ínterlaminar. Se encontró que la formación de nanocompósitos a base de poliolefinas se dificulta debido a la incompatibilidad existente entre la matriz polimérica de naturaleza apolar con la montmorillonita modificada orgánicamente que aún conserva su carácter polar, no permitiendo establecer las interacciones intermoleculares necesarias para su miscibilidad. Se estudio la influencia de adición de agentes compatibilizantes para mejorar la compatibilidad entre la matriz polimérica y la montmorillonita. Los agentes compatibilizantes fueron sintetizados mediante copolimerización por injerto de ácido itacónico como monómero polar en polipropileno y/o Engage en estado fundido, usando peróxidos orgánicos como iniciador radical y antioxidantes apropiados en un mezclador discontinuo del tipo Brabender-Plasticorder. El agente compatibilizante favorece la interacción entre la arcilla y la matriz polimérica por poseer grupos polares proveniente del ácido itacónico injertado. La metodología de preparación de los nanocompósitos de Engage/montmorillonita y PP/Engage/montmorillonita, al adicionar agentes compatibilizantes, fue mediante el método de masterbatch. El masterbatch consiste en hacer una premezcla del compatibilizante con la arcilla modificada orgánicamente, en una relación de 3 partes de compatibilizante por 1 parte de arcilla. El nanocompósito se preparo agregando una cantidad determinada del masterbatch a la matriz polimérica de tal manera que contribuya al porcentaje de arcilla deseado en el nanocompósito. Tanto los métodos de preparación de los masterbatch como de los nanocompósitos se variaron en este estudio, los que se prepararon tanto en solución o en fundido. Los nanocompósitos de Engage/montmorillonita fueron obtenidos mediante el uso de método fundido tanto para la preparación del masterbatch como para el nanocompósito como también por los métodos de preparación del masterbatch en solución y el nanocompósito en fundido. Además, se utilizó también el método de preparación de tanto el masterbatch como el nanocompósito en solución. Los resultados indicaron que el nanocompósito de Engage/montmorillonita preparado en solución con el masterbatch obtenido de la misma manera, posee mejores propiedades mecánicas, producto de la intercalación y exfoliación parcial del polímero en la arcilla, afirmación que se corroboro por análisis de difracción de rayos X que indicó el estado de los planos cristalinos de la arcilla en el polímero y por microscopia electrónica de transmisión (TEM) que demostró el grado de dispersión y el estado de la arcilla en la matriz polimérica. En el caso de los nanocompósitos de PP/Engage/montmorillonita, estos fueron preparados por el método masterbatch, pero esta vez se cambio tanto la composición como el método de preparación de éste, de manera tal, que la composición final de ambos nanocompósitos sea la misma. El primer método para la preparación del nanocompósito tipo PP/Engage/montmorillonita fue mediante un masterbatch de Engage preparado en solución para una posterior preparación del nanocompósito en fundido, y el segundo método fue mediante un masterbatch de polipropileno preparado en fundido para una posterior preparación del nanocompósito por el mismo método. Los resultados obtenidos de la caracterización de los nanocompósitos indicaron que en ambos métodos se logro un incremento de las propiedades mecánicas producto de la buena intercalación del polímero en la arcilla, como también una buena compatibilidad de los polímeros que componen la matriz, afirmación que también fue corroborada por análisis de difracción de rayos X y microscopia electrónica de transmisión (TEM).

In this thesis nanocomposites based on polyolefins and a nanoclay of the 2:1 type phylosilicate such as montmorillonite were prepared and characterized. The nanocomposites were prepared by using different methods, in solution or in the melt phase. The polymeric matrices used were a random copolymer of ethylene and 1-octene (Engage) and a blend of polypropylene (PP) an Engage with a composition of 70% PP and 30 % Engage. The copolymer of ethylene and 1-octene is an olefinic elastomer while PP is a thermoplastic polymer. The montmorillonite was modified organically by intercalation with octadecylamine with the aim of both, increasing its hydrophobicity as well as its interlaminar spacing. It was found that the formation of nanocomposites based on polyolefins was limited due to the incompatibility of the nonpolar polyolefin matrix with organically modified montmorillonite which still conserves its polar character, hence not allowing the intermolecular interaction necessary for miscibility to occur. An study regarding the addition of compatibilizing agents was carried out in order to promote the compatibility between the polymeric matrix and montmorillonite. The compatibilizing agents were synthesized by graft copolymerization of itaconic acid onto Engage or PP in the melt phase and by using organic peroxides as radical initiator and adequate antioxidants in a Brabender Plasticorder type mixer. The role of compatibilizing agent is to promote interactions between the nonpolar polymer and polar montmorillonite through polar functional grupos of grafted itaconic acid. The methodology used for the preparation of the nanocomposite of Engage/montmorillonite and Engage/PP/montmorillonite containing compatibilizing agents was the method of masterbatch. The masterbatch consists of preparing a mixture of 3 parts of the compatibilizing agent and 1 part of the organically modified clay. The nanocomposite was prepared by adding a determined amount of the masterbatch to the polymer matrix in such a way that it contributes to the final nanocomposite the desired amount of the clay. Both the preparation methods for the masterbatch as well as for the nanocomposites were varied in this study, either in solution or in the melt phase. Nanocomposites of Engage/montmorillonite were obtained by melt mixing, both for the preparation of the masterbatch as well as for the nanocomposite. This nanocomposite was also prepared by using the method of the preparation of the masterbatch in solution and the nanocomposite in the melt. Moreover, the solution method was used for the preparation of both the master batch and the Engage/montmorillonite nanocomposite. These nanocomposites were characterized and the results showed that the Engage/montmorillonite nanocomposite prepared in solution by using a masterbatch also prepared by this method has better mechanical properties than nanocomposite prepared by using the melt method. This was attributed to the parcial intercalation/exfoliation of the clay by the polymer matrix. This was further confirmed by X ray diffraction analysis and transmission electron microscopy, where loss of clay crystallinity and a higher degree of clay dispersion in the polymer was observed. In the case of the PP/Engage/montmorillonite nanocomposites, these were prepared by the method of masterbatch but in this case, not only the composition but also the method of their preparation were changed in such a way that both nanocomposites had the same final composition. The first method used for the preparation of the nanocomposite was the preparation of an Engage masterbatch in solution and the second method was the preparation of a PP masterbatch in the melt phase for a further preparation of a nanocomposite by the same method. The results obtained from characterization of the nanocomposites indicated that for both methods an increase in mechanical properties were achieved. This was attributed to a higher degree of the clay intercalation/exfoliation by the polymer matrix. This fact was corroborated by X ray diffraction analysis and transmission electron microscopy (TEM) of the nanocomposites.