Tratamiento Superficial por Plasma: Un proceso sustentable para mejorar la adhesión interfacial de materiales para el desarrollo de compuestos poliméricos.

Luis F. Mora Cortes, Erika E. García Padilla, María G. Neira Velázquez,

Gustavo Soria Arguello

Los plásticos son estructuras macromoleculares denominadas polímeros, estos materiales son utilizados en un gran número de aplicaciones. Sin embargo, el desarrollo de la tecnología, la contaminación ambiental y la demanda de materiales con mayor rendimiento y/o propiedades multifuncionales, ha impulsado el desarrollo de los materiales compuestos poliméricos. Los compuestos poliméricos son materiales conformados por dos o más fases, un polímero (termoplástico o termofijo) y un material de refuerzo orgánico o inorgánico, como fibras, partículas, láminas, etc. La finalidad de estos refuerzos es el intercambio y la transferencia de propiedades entre las fases, en donde el refuerzo es conocido como fase dispersa y la matriz polimérica como fase continua. En gran medida, el desempeño de los materiales compuestos se debe a las características y propiedades intrínsecas del agente de refuerzo, la matriz polimérica y al volumen o cantidad de refuerzo empleado [1].

Sin embargo, en muchos casos las propiedades de estos compuestos no alcanzan el rendimiento esperado, esto se debe principalmente a problemas de adhesión interfacial (compatibilidad entre la unión interfacial del refuerzo y la matriz polimérica) y a la aglomeración del refuerzo dentro de la matriz polimérica [2]. Entre las técnicas más utilizadas para promover la dispersión e interacción entre fases, está la modificación química de la fase dispersa o la fase continua y/o el empleo de un agente de acoplamiento que sirva como compatibilizante entre las fases [1].

Una alternativa cada vez más utilizada para mejorar la compatibilidad y/o la transferencia de propiedades entre las fases, es la tecnología de modificación superficial por plasma. El plasma es el cuarto estado de la materia, a medida que aumenta la temperatura de las moléculas, estas se vuelven más energéticas y transforman el estado de la materia en la secuencia: sólido, líquido, gas y plasma. En este estado, las moléculas del gas se disocian para formar un gas de átomos y luego un gas de partículas cargadas, electrones e iones, que se mueven libremente. El plasma puede generarse empleando diferentes tipos de gases, como oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, gases nobles, monómeros y otros compuestos reactivos en fase gas, así como mezclas o combinaciones entre ellos. De acuerdo con el tipo de gas y los parámetros de operación en la generación del plasma, el tratamiento superficial de materiales por plasma tiene la capacidad de realizar diferentes procesos de modificación, entre los que destacan: limpieza, funcionalización, erosión, polimerización, deposición de recubrimientos y esterilización. En la Figura 1 se muestran los principales procesos que se pueden llevar a cabo mediante el tratamiento superficial de materiales por tecnología de plasma.

Figura 1. Principales procesos o tratamientos que se pueden realizar mediante la

tecnología de plasma en el desarrollo de materiales compuestos.

Entre las ventajas del tratamiento superficial de materiales por plasma se encuentran: bajo consumo de reactivos y energía eléctrica, tratamientos en seco que no requieren uso de disolventes, tiempos de tratamiento cortos, baja o nula generación de residuos contaminantes y debido a que es una técnica superficial, no afecta o modifica las propiedades intrínsecas de los materiales.

En el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), el equipo de trabajo en aplicaciones de plasma trabaja en el desarrollo de reactores de plasma para el tratamiento superficial de materiales (partículas, fibras, películas y láminas) que puedan ser empleados en el desarrollo de materiales compuestos. Entre los materiales que se han modificado por plasma de manera exitosa se incluyen: grafeno, grafito, negro de humo, nanotubos de carbono, dióxido de silicio, dióxido de titanio, carburo de boro, partículas y óxidos metálicos, fibras de carbono, fibras de poliamida, almidón, celulosa, fibras naturales de agave, cáñamo, yute y henequén; entre otras [1,3-4]. Estos materiales se han empleado como refuerzo en el desarrollo de compuestos poliméricos, tanto de polímeros termoplásticos como termofijos, obteniendo materiales con nuevas características o con un mejor desempeño en alguna de sus propiedades, por ejemplo, en propiedades térmicas, mejor respuesta ante esfuerzos mecánicos, conductividad eléctrica o en sus propiedades antimicrobianas.

Actualmente, en coordinación con el Laboratorio Nacional en Innovación y Desarrollo de Materiales Ligeros para la Industria automotriz (LANIAUTO) se trabaja en el desarrollo de materiales ligeros, cuyo propósito es disminuir el peso, mantener o mejorar el desempeño mecánico y reducir la huella de carbono generada por vehículos de transporte. La propuesta consiste tratar por plasma materiales de refuerzo para mejorar su adhesión interfacial con diferentes matrices poliméricas. A continuación, se presentan las micrografías obtenidas por microscopía electrónica de barrido (MEB) de dos materiales de interés empleados como fase dispersa en la fabricación de compuestos poliméricos, los cuales fueron sometidos a procesos de polimerización por plasma (Figura 2). En la Figura 2 a) se muestra una micrografía de esferas huecas de vidrio sin tratar y en la Figura 2 b) se muestra la micrografía de las esferas huecas de vidrío polimerizadas por plasma de propileno. Por otra parte, en la Figura 2 c) se observa una micrografía de grafeno sin tratamiento y en la Figura 2 d) se muestra el grafeno polimerizado por plasma de etileno, en ambos casos es posible observar el polímero depositado en la superficie de los materiales, el cual servirá como interfase en la fabricación de compuestos con polipropileno y polietileno, respectivamente.

Figura 2. Micrografías obtenidas por MEB de partículas tratadas por plasma y sin tratar que se

emplean para el desarrollo de materiales compuestos poliméricos. Figura 2a) esferas huecas de

vidrio sin tratar, Figura 2b) esferas huecas de vidrio polimerizadas con plasma de propileno,

Figura 2c) grafeno sin tratar, y Figura 2d) grafeno polimerizado por plasma de etileno.

Agradecimientos:

Al Laboratorio Nacional en Innovación y Desarrollo de Materiales Ligeros para la Industria Automotriz (LANIAUTO) por el soporte para el desarrollo del proyecto 6570.

Contacto:

Dra. María Guadalupe Neira Velázquez

Correo electrónico: gualupe.neira@ciqa.edu.mx

Teléfono: 844 438 9830 Ext. 1334

Dr. Gustavo Soria Arguello

Correo electrónico: gustavo.soria@ciqa.edu.mx

Teléfono: 844 438 9830 Ext. 1022

Referencias:

1. [1] Narro-Céspedes R, Neira-Velázquez M, Mora-Cortes L, Hernández E, Castañeda-Facio A, Ibarra-Alonso, Reyes Acosta Y, Soria-Arguello G, Borjas‐Ramos J. Surface Modification of Sodium Montmorillonite Nanoclay by Plasma Polymerization and Its Effect on the Properties of Polystyrene Nanocomposites. Journal of Nanomaterials. 2018; 1-13.https://doi.org/10.1155/2018/2480798
2. [2] Leone G, D'Angelo GA, Russo P, Ferraro P, Pagliarulo V. Plasma treatment application to improve interfacial adhesion in polypropylene-flax fabric composite laminates. Polymer Composites. 2022; 43(3): 1787.https://doi.org/10.1002/pc.26497
3. [3] Neira-Velázquez M, Borjas‐Ramos José, Hernández E, Hernández‐Ramos Claudia, Narro-Céspedes R, Gámez Francisco. Nanocomposites Prepared with High Density Polyethylene and Carbon Nanofibers Modified by Ethylene Plasma. Plasma Processes and Polymers. 2015; 12: 477-485.https://doi.org/10.1002/ppap.201400065
4. [4] Alonso-Montemayor FJ, Navarro-Rodríguez D, Delgado-Aguilar M, et al. Plasma-treated lignocellulosic fibers for polymer reinforcement. A review. Cellulose. 2022; 29: 659-683.https://doi.org/10.1007/s10570-021-04361-0