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VII CAIQ2013 y 2das JASP ESTUDIO DE NANOCOMPUESTOS BASADOS EN COPOLÍMEROS PROPILENO-ETILENO Y MONTMORILLONITA ORGANOFÍLICA Verónica Riechert a, *, Lidia Quinzani a y Marcelo Failla a,b a Planta Piloto de Ingeniería Química (CONICET-UNS), Camino La Carrindanga km. 7 - 8000 Bahía Blanca Argentina b Departamento de Ingeniería, Universidad Nacional del Sur, Bahía Blanca, Argentina *[email protected] Resumen. Se prepararon nanocompuestos mezclando un copolímero propileno-etileno (CPE) y diferentes concentraciones de montmorillonita organofílica (o-MMT). El CPE fue funcionalizado (CPEg) con 0.44% p/p de anhídrido maleico para usarlo como compatibilizante. El CPEg y los compuestos con 2, 5 y 8% p/p de o-MMT y relación 3:1 CPEg:o-MMT fueron elaborados en fundido en una mezcladora de laboratorio. La estructura y morfología de fase de los compuestos se analizó mediante difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido. Todos los materiales fueron caracterizados mediante reometría rotacional y permeabilidad al oxígeno. El incremento en el contenido de arcilla se traduce en un aumento gradual de los módulos dinámicos del material, mayormente en el módulo elástico y a baja frecuencia, y una disminución de la permeabilidad al oxígeno respecto al CPE original. Estos resultados sugieren que existe interacción entre las partículas de arcilla, lo que sólo podría estar ocurriendo a estas bajas concentraciones si existe delaminación y una buena dispersión de partículas. Al realizar un proceso de añejamiento en estado fundido a los compuestos, los módulos dinámicos aumentan, principalmente el elástico, llegando el de 8% p/p de o-MMT a presentar un comportamiento casi-sólido (módulo elástico mayor al viscoso). Palabras clave: Copolímero Propileno-Etileno, Montmorillonita, Nanocompuestos.

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VII CAIQ2013 y 2das JASP

ESTUDIO DE NANOCOMPUESTOS BASADOS EN

COPOLÍMEROS PROPILENO-ETILENO Y

MONTMORILLONITA ORGANOFÍLICA

Verónica Riecherta,*, Lidia Quinzani

a y Marcelo Failla

a,b

aPlanta Piloto de Ingeniería Química (CONICET-UNS), Camino La Carrindanga km. 7

- 8000 Bahía Blanca – Argentina

bDepartamento de Ingeniería, Universidad Nacional del Sur, Bahía Blanca, Argentina

*[email protected]

Resumen. Se prepararon nanocompuestos mezclando un copolímero

propileno-etileno (CPE) y diferentes concentraciones de montmorillonita

organofílica (o-MMT). El CPE fue funcionalizado (CPEg) con 0.44% p/p de

anhídrido maleico para usarlo como compatibilizante. El CPEg y los

compuestos con 2, 5 y 8% p/p de o-MMT y relación 3:1 CPEg:o-MMT

fueron elaborados en fundido en una mezcladora de laboratorio. La

estructura y morfología de fase de los compuestos se analizó mediante

difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido. Todos los

materiales fueron caracterizados mediante reometría rotacional y

permeabilidad al oxígeno. El incremento en el contenido de arcilla se

traduce en un aumento gradual de los módulos dinámicos del material,

mayormente en el módulo elástico y a baja frecuencia, y una disminución de

la permeabilidad al oxígeno respecto al CPE original. Estos resultados

sugieren que existe interacción entre las partículas de arcilla, lo que sólo

podría estar ocurriendo a estas bajas concentraciones si existe delaminación

y una buena dispersión de partículas. Al realizar un proceso de añejamiento

en estado fundido a los compuestos, los módulos dinámicos aumentan,

principalmente el elástico, llegando el de 8% p/p de o-MMT a presentar un

comportamiento casi-sólido (módulo elástico mayor al viscoso).

Palabras clave: Copolímero Propileno-Etileno, Montmorillonita, Nanocompuestos.

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1. Introducción

Durante los últimos quince o veinte años, el interés científico e industrial que han

despertado los nanocompuestos de cerámicos y polímeros ha sido muy grande

(Chrissopoulou y Anastasiadis, 2011; Khosrokhavar y col., 2009; Zhu y col., 2011;). En

particular, los nanocompuestos poliméricos (NCP) son materiales reforzados preparados

con bajas concentraciones de partículas con dimensiones que alcanzan la escala del

nanómetro. Las propiedades físicas, mecánicas y de barrera de los polímeros así

modificados suelen verse mejoradas, especialmente si esa carga tiene una gran relación

de aspecto. Esto se suele lograr sin aumentar significativamente la densidad del

polímero y sin que su reciclabilidad y sus propiedades ópticas cambien (Mittal, 2009;

Utracki, 2004).

Las arcillas constituyen las cargas más usadas hasta el momento en la preparación de

NCPs por estar constituidas por partículas formadas por estructuras estratificadas de

alúmino-silicatos de ~1 nm de espesor y ~500 nm de diámetro (Betega de Paiva y col.,

2008). La posibilidad de separar en láminas estas partículas, o al menos romperlas en

tactoides formados por unas pocas láminas, y lograr que grandes cantidades de

partículas inorgánicas con una gran relación de aspecto se dispersen en la matriz

polimérica, es lo que hace tan atractivo el uso de esta carga. Cuanto mayor es el grado

de delaminación alcanzado, mayores serán los cambios en las propiedades del material,

por lo que la separación de las láminas de arcilla y la calidad de la dispersión de éstas en

el polímero son las etapas claves en la preparación de estos NCPs. En la práctica, la

estructura que se logra en estos materiales es una mezcla de láminas, tactoides y

partículas "intercaladas" de arcilla en la matriz polimérica. La estructura intercalada se

refiere a apilamientos con penetración parcial de moléculas de polímero, lo que aumenta

la separación interlaminar, sin delaminación.

La arcilla natural más utilizada actualmente en la elaboración de NCPs es la

montmorillonita (MMT). Se trata de un alúmino-silicato laminado en el que las

laminillas pueden alcanzar un tamaño de 1 m de diámetro y ~1 nm de espesor (Betega

de Paiva y col., 2008). Entre 5 y 10 de estas laminillas se asocian en partículas primarias

de unos 10 nm en dirección transversal que, a su vez, forman grandes agregados

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irregulares de 0.1 a 10 m de diámetro promedio dándole a la arcilla su estructura

estratificada. La MMT es altamente hidrofílica, con una elevada energía superficial que,

por lo tanto, no resulta compatible con la mayoría de los polímeros. Una manera de

reducir este problema es tratándola químicamente para disminuir su energía superficial

otorgándole así un carácter más hidrofóbico. El tratamiento más utilizado es el

intercambio de los cationes inorgánicos que se encuentran sobre la superficie de los

silicatos por cationes orgánicos que cumplen funciones hidrofílicas y organofílicas

simultáneamente (Rohlmann y col., 2008; Betega de Paiva y col., 2008). A la arcilla así

modificada se la denomina montmorillonita organofílica (o-MMT). Este intercambio de

iones pequeños por otros mucho más voluminosos logra, por otra parte, aumentar la

separación de las laminillas y facilitar la futura penetración de las moléculas de

polímero y la consecuente delaminación (Alexandre y Dubois, 2000).

Diferentes polímeros ya han sido utilizados como matrices de NCP, tales como

polipropileno (PP) y polietileno (PE). Por otro lado, los copolímeros al azar propileno-

etileno (CPE), en los que el contenido de etileno suele ser bajo, entre 1 y 7% p/p, han

logrado cubrir un nicho importante del mercado actual de polímeros termoplásticos (del

orden del 10% del mercado de PP). La incorporación de etileno en el PP afecta su grado

de cristalinidad disminuyendo la rigidez, la dureza y la resistencia a la tracción, a la vez

que se obtiene un material más transparente, con menor temperatura de fusión y peso

específico que el homopolímero (Caballero y col., 2007). Esta combinación de

propiedades condicionan las aplicaciones a las que están dirigidos los CPE, siendo una

de las más conocidas los envases para alimentos en las que sus propiedades barrera a la

difusión de gases y líquidos resultan de importancia. De allí que, la mejora en las

propiedades barrera de estos copolímeros por el agregado de una pequeña proporción de

arcilla delaminada, resultaría muy ventajoso desde un punto de vista tecnológico y de

gran beneficio económico dado su importancia dentro del mercado.

Debido a la naturaleza apolar de los polímeros, la interacción entre ellos y la carga es

pobre aun usando una arcilla organofílica. Se recurre entonces a un tercer componente o

agente compatibilizante, el cual aumenta la afinidad. Los más utilizados son polímeros

funcionalizados con algún grupo químico polar, como por ejemplo anhídrido maleico

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(AM) (Russsell, 2002; Moad, 1999; Lui y col., 2012). El grado de exfoliación de la o-

MMT en la matriz polimérica y las propiedades finales de los compuestos dependen

tanto del peso molecular del agente compatibilizante, como de su grado de

funcionalización y de la concentración con que se usa.

Los nanocompuestos basados en polímeros termoplásticos se pueden obtener por tres

mecanismos, esto es, por polimerización “in-situ”, solución y mezclado en fundido

(Mittal, 2009). El proceso de mezclado en fundido es el más popular debido a su

simpleza y potencial aplicación a nivel industrial, además de ser un método amigable

con el medio ambiente, ya que no se utilizan solventes orgánicos. Éste consiste en

mezclar los componentes a una temperatura superior a la de fusión. El mismo mezclado

produce la delaminación de las partículas de arcilla organofílica.

En el presente trabajo se estudian las propiedades reológicas y de barrera de mezclas

de CPE, CPE funcionalizado con AM (CPEg), y una o-MMT comercial. Las mezclas

fueron elaboradas mediante la técnica de mezclado en fundido en una mezcladora de

laboratorio Brabender® Plastograph bajo atmósfera de nitrógeno. Se han preparado

compuestos con 2, 5 y 8% p/p de arcilla, respetando en todos ellos una relación CPEg:o-

MMT de 3:1. El propósito de este trabajo es estudiar la relación entre la composición,

estructura, y las propiedades barrera y reológicas de los compuestos, así como los

factores que afectan a la dispersión de la carga en la matriz polimérica.

2. Procedimiento Experimental

2.1. Materiales

El polímero utilizado es un copolímero propileno-etileno (CPE) comercial con un

contenido de etileno del 3% p/p (Petroquímica Cuyo S.A.I.C.) y la carga es una

montmorillonita organofílica (o-MMT) de origen comercial, la Nanomer® I.44P de

Nanocor.

2.2. Preparación de CPEg

Como agente compatibilizante se empleó el CPE funcionalizado con AM (CPEg).

Dicha funcionalización se llevó a cabo en la mezcladora de laboratorio Brabender®

Plastograph a 180°C. Para ello se disolvió AM (3% p/p respecto al CPE) en metil-etil

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cetona, y se impregnó en una porción del CPE a funcionalizar. Transcurridas 24 horas

de impregnación bajo atmósfera de nitrógeno, se incorporó al preparado el peróxido

2,5diterbutil-2,5dimetil peroxihexano (2000 ppm respecto al CPE), y se procedió a

procesarlo en la mezcladora conjuntamente con el CPE restante.

El porcentaje de AM injertado en el CPEg se determinó mediante espectroscopía de

infrarrojo (FTIR, Nicolet Nexus). Las mediciones se realizaron sobre material purificado

por disolución en xileno y precipitación con metil-etil-cetona, que fue procesado en

forma de película de aproximadamente 100 μm de espesor. Previo a la medición, el

material permaneció 24 horas a 110°C bajo vacío para asegurar la conversión del ácido

maleico que se pudo formar durante el procesamiento a anhídrido maleico (Sclavons y

col., 2004).

Mediante el análisis de los espectros de infrarrojo, y la relación de la absorbancia a

1785 cm-1

respecto de aquella a 2720 cm-1

, se determinó un grado de injerto de AM

haciendo uso de una curva de calibración previamente obtenida en el grupo para PP

funcionalizado con este material. La cantidad de AM injertado resultó de 0.44% p/p.

2.2. Preparación de las mezclas

Se obtuvieron compuestos de CPE/CPEg/o-MMT con contenidos de 2, 5 y 8%p/p de

arcilla y una relación CPEg:o-MMT fija de 3:1 (código de identificación: N2, N4 y N8).

Además se preparó una mezcla de CPE/o-MMT con 5% p/p de arcilla (código de

identificación: C5) y una mezcla de CPE/CPEg correspondiente a la matriz polimérica

de N5 (código de identificación: m-N5). Todos estos materiales fueron preparados en la

mezcladora de laboratorio a 180°C, mezclando durante 20 minutos a 30 rpm y bajo

atmósfera de nitrógeno. En todos los casos los componentes se agregaron directamente

a la mezcladora incorporando 0.01% p/p del antioxidante Irganox® 1010, previo

tratamiento bajo vacío y 35°C para eliminar trazas de agua.

2.3. Caracterización

La estructura de los compuestos fue analizada mediante difracción de rayos-X (DRX,

Philips PW1710) a temperatura ambiente empleando radiación CuKα, y mediante

microscopía electrónica de barrido (SEM) usando un microscopio LEO EVO-40 XVP

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operando a 10 kV. En cuanto al comportamiento reológico, los polímeros, sus mezclas y

los compuestos fueron caracterizados mediante reometría rotacional (TA Instruments

AR-G2) determinando los módulos dinámicos de los materiales en flujo de corte

oscilatorio de pequeña amplitud entre platos paralelos bajo atmósfera de nitrógeno.

Dichas propiedades fueron medidas a 180°C a frecuencias entre 0.01 y 400 s-1

aplicando

tensiones contempladas dentro del rango de viscoelasticidad lineal de cada material. A

los nanocompuestos, en particular, se les realizó además un proceso de añejamiento en

reposo a 185°C durante 1 hora, seguido de un barrido final de frecuencias a 180°C. En

el caso de N5, seguidamente se aplicaron barridos de frecuencia consecutivos a 190,

200, y nuevamente 180°C.

La permeabilidad al oxígeno de películas de los compuestos y de la matriz m-N5 se

determinó a 23°C y 1 atm de acuerdo a la norma ASTM D3985 empleando un equipo

MOCON Ox-Tran 2/21 MHs. Las películas con espesores entre 100 y 200 μm usadas en

los ensayos se elaboraron por moldeo por compresión en una prensa hidráulica a 180°C.

3. Resultados y Discusión

En la Figura 1 se muestran los difractogramas de la arcilla y de los tres compuestos.

Los espaciados interlaminares determinados desde estos difractogramas se listan en la

Tabla 1.

Los espectros de la Figura 1 muestran que el pico de difracción del plano (001) de la

o-MMT se desplaza hacia valores de ángulos más bajos cuando la arcilla se mezcla con

los polímeros, y que la intensidad del pico de difracción aumenta gradualmente con la

concentración de arcilla. Estos resultados indican un aumento del espaciado

interlaminar de ~0.6 nm seguramente debido a la intercalación de uno o ambos

polímeros. Cabe señalar que el análisis de estos difractogramas no permite dilucidar el

grado de delaminación de las partículas de arcilla. Sin embargo, los resultados de SEM,

reología y permeabilidad que se analizan a continuación sugieren que durante el

procesamiento se produce delaminación de la arcilla (al menos en pequeños tactoides)

con distribución homogénea.

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Figura 1. Difractogramas de la arcilla y los nanocompuestos.

Tabla 1. Espaciado interlaminar de la arcilla y los compuestos

Material d001 (nm)

o-MMT 2.7

N2 3.3

N5 3.3

N8 3.1

La Figura 2 muestra las micrografías obtenidas por SEM de los tres compuestos. Las

superficies corresponden a cortes de las muestras usadas en el estudio reológico. Las

mismas fueron obtenidas mediante corte con ultramicrótomo y posterior tratamiento de

oxidación con solución permangánica para generar mayor contraste de fases (Olley y

Bassett, 1982). Las imágenes seleccionadas, obtenidas con una magnificación de

10000x, son representativas de la estructura de cada compuesto. En todos los casos se

observa una distribución relativamente homogénea de partículas de arcilla que sugieren

exfoliación parcial de los cúmulos de la carga en pequeños tactoides. Como es de

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esperar, los dominios de arcilla que se observan en las micrografías aumentan con la

concentración de la misma.

La Figura 3 presenta el módulo elástico (G) y la viscosidad dinámica (=G/) de

los polímeros (CPE y CPEg) y la mezcla m-N5 medidos a 180°C. Como se puede

observar, los valores de las propiedades del CPEg son menores a los correspondientes al

CPE. Esto se debe a una disminución del peso molecular del polímero producto de la

escisión molecular que genera la reacción del polímero con el peróxido orgánico

durante la funcionalización. Por otra parte, las propiedades dinámicas de la matriz del

compuesto N5 se encuentran entre las de sus componentes aunque relativamente más

cercanas a las del CPE.

Figura 2. Micrografías de los compuestos N2 (arriba), N5 (abajo-izquierda)

y N8 (abajo-derecha). Las imágenes corresponden a secciones de 31.1 x 21.8 m.

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La Figura 3 incluye, además, las predicciones de la Regla de Mezclado Logarítmica

(RML) (Han, 2007) para ambos módulos, esto es:

2111 log)1(loglog pppmezcla (1)

donde p indica la propiedad, G ó , y 1 es la concentración de uno de los

componentes. Puede verse en la figura que las propiedades de la mezcla m-N5 no

coinciden con las predicciones de la RML, existiendo una desviación positiva respecto

de la misma. Este resultado indica que los polímeros CPE y CPEg podrían presentar

inmiscibilidad en las concentraciones de esta mezcla, aunque no es tan definitivo ya que

hay mezclas miscibles que presentan desviación respecto de la RML (Utracki, 1989).

Figura 3. Módulo elástico (izquierda) y viscosidad dinámica (derecha) a 180°C de los

polímeros y la mezcla m-N5 correspondiente a la matriz del compuesto N5.

La Figura 4 presenta los módulos dinámicos de los compuestos C5 y N5, además de

los del CPE, todos a 180°C. La ausencia de compatibilizante genera un material

compuesto con propiedades muy similares a las del CPE, mientras que el N5 presenta

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módulos muy superiores especialmente a bajas frecuencias (de hasta 25 veces en G y

2.5 veces en G). Esto demuestra el papel fundamental que juega el compatibilizante en

la delaminación y dispersión de la arcilla para dar lugar a un nanocompuesto en lugar de

un compuesto tradicional. El aumento de las propiedades, sobre todo elásticas, en N5 se

puede explicar si existe interacción entre partículas de carga que, a su vez, sólo podría

producirse si la arcilla original se delaminó (al menos en pequeños tactoides), hecho que

se confirma en las micrografías de SEM (ver Figura 2).

Figura 4. Módulos dinámicos de los compuestos CPE/o-MMT y CPE/CPEg/o-MMT

con 5% p/p de arcilla medidos a 180°C.

La Figura 5 presenta los módulos dinámicos de los tres compuestos N# medidos a

180°C en los barridos de frecuencia anteriores y posteriores al añejamiento a 185°C. Se

incluye, además, como referencia los datos de los polímeros. La presencia de la arcilla

se traduce en un aumento significativo de ambos parámetros, sobre todo en G y a baja

frecuencia. Este efecto se hace más notable a medida que aumenta la concentración de

o-MMT como puede observarse en la figura de Han (2007) de las propiedades

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viscoelásticas lineales (ver Figura 6). En esta representación los datos de CPE y CPEg

caen prácticamente sobre una recta de pendiente 2 como corresponde a un material

homogéneo de baja polidispersión. A medida que la concentración de arcilla aumenta,

los datos de G aumentan más que los de G, sobre todo a baja frecuencia, lo que genera

un alejamiento notorio respecto de la recta. Es más, en el caso de N8, el módulo elástico

llega a ser mayor que el viscoso, presentando este polímero un comportamiento ‘casi-

sólido’. Esto se puede atribuir a la presencia de láminas o apilamientos de láminas que

se habrían generado por delaminación, las que interactúan entre sí llevando a una

situación de percolación.

Figura 5. Módulo elástico (izquierda) y viscosidad dinámica (derecha) de los

compuestos a 180°C, antes y después de una hora de añejamiento en reposo a 185°C.

Los datos presentados en la Figura 5 muestran que el proceso de añejamiento

aplicado a los compuestos provoca un incremento en el valor de G (sobre todo a bajas

frecuencias), mientras que η prácticamente no se ve afectada. El aumento del módulo

elástico con el añejamiento sugiere que la morfología de fases inicial del material (tal

como sale de la mezcladora) no está en equilibrio termodinámico, por lo que, durante la

etapa de reposo en fundido, el movimiento de las moléculas lleva a un reordenamiento

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de las fases que da lugar a mayor interacción entre las partículas. Este fenómeno ya ha

sido observado en nanocompuestos de PP (Rohlmann y col., 2006) y de PE (Horst y

col., 2012).

Figura 6. Módulo elástico de los polímeros y los compuestos (luego del añejamiento)

en función del módulo viscoso.

Como ya se comentara, en el caso de N5, luego del barrido de frecuencias realizado a

180°C en el material añejado, se aplicaron barridos de frecuencia consecutivos a

temperaturas crecientes, seguidos de un barrido final a 180°C. La intención de este

estudio es analizar el comportamiento termo-reológico de los nanocompuestos, para lo

cual se debe contar con estructuras de fases en equilibrio. Sin embargo, los resultados

obtenidos, que se muestran en la Figura 7, demuestran que el añejamiento de 1 hora a

185°C no es suficiente para alcanzar ese equilibrio, ya que los módulos elásticos

medidos a baja frecuencia en el barrido final a 180°C, luego de los ensayos a distintas

temperaturas, son levemente superiores. Esto sugiere que la morfología de N5 siguió

cambiando durante el estudio termo-reológico. En próximos estudios se usarán tiempos

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y temperaturas de añejamiento superiores a las usadas en este caso, siempre cuidando de

no llegar a producir la degradación química del intercalante de la arcilla, la cual inicia a

~210°C.

La Figura 8 presenta los valores de permeabilidad al oxígeno determinados en

películas de los polímeros y los compuestos en función de la cantidad de arcilla

contenida. El CPEg tiene una permeabilidad levemente inferior a la del CPE. Por otra

parte, los compuestos presentan permeabilidades que decrecen con la concentración de

arcilla, lográndose una reducción de hasta el 22% respecto al CPE para el compuesto

con 8% p/p de arcilla. En el caso del compuesto sin compatibilizante, C5, también

existe una reducción de la permeabilidad pero ésta resulta bastante menos notable que

en el caso de N5, lo que nuevamente confirma que el agente compatibilizante

contribuye a la delaminación y a una buena distribución de esas láminas y tactoides de

arcilla en la matriz polimérica. Para una comparación más apropiada, este estudio se

completará determinando las permeabilidades al oxígeno de películas de mezclas de

CPE y CPEg correspondientes a las matrices de los tres nanocompuestos.

Figura 7. Módulo elástico (izquierda) y viscosidad dinámica (derecha) del

nanocompuesto N5 medidos en barridos de frecuencia a distintas temperaturas.

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Figura 8. Permeabilidad al oxígeno de los materiales estudiados.

4. Conclusiones

Se prepararon nanocompuestos basados en un CPE que contiene 3% p/p de etileno y

una montmorillonita organofílica de origen comercial, usando CPEg con 0.44% p/p de

AM como compatibilizante. Los resultados de DRX, SEM, reología rotacional y

permeabilidad obtenidos hasta el presente señalan que el proceso de mezclado en

fundido produce una importante delaminación de la arcilla en presencia del

compatibilizante, la cual estaría homogéneamente distribuida. Los materiales generados

a partir del uso de CPE, CPEg y o-MMT tendrían las características de nanocompuestos

intercalados que alcanzarían la percolación de las láminas y tactoides de arcilla a

concentraciones entre 5 y 8% p/p. Este rango sería aún menor que el observado en

estudios previos de nanocompuestos de polipropileno y de polietileno con la misma

arcilla (Rohlmann y col., 2008; Horst y col., 2012).

El análisis reológico demuestra que los compuestos presentan originalmente una

estructura de fases termodinámicamente inestable, la cual cambia durante el

añejamiento en fundido. Eso se manifiesta en un aumento de los módulos dinámicos, y

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sobre todo en el módulo elástico a bajas frecuencias, ya que es el parámetro más

sensible a las interacciones entre fases y a procesos de relajación lentos. Todos estos

efectos se hacen más notables cuanto mayor es la concentración de arcilla.

En cuanto a la permeabilidad al oxígeno de los compuestos, esta resulta menor a las

del CPE, sobre todo cuando se usa 5 y 8 %p/p de o-MMT, alcanzándose una reducción

de hasta ~22% con el agregado de 8% p/p de arcilla.

Referencias

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