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Una revisión de los compuestos de fibra de vidrio de ácido poliláctico

En un artículo publicado recientemente en la revista de acceso abierto PolímerosEn este estudio, los investigadores exploraron el efecto de diferentes fibras de vidrio (GF) derivadas de borosilicatos, silicatos y fosfatos de hierro comerciales en la síntesis de compuestos de ácido poliláctico (PLA), además de sus propiedades físicas y estructurales.

estancia: Ácido poliláctico – compuestos de fibra de vidrio: propiedades estructurales, térmicas y eléctricas. Haber de imagen: Pixparts/Shutterstock.com

antecedentes

Se han realizado importantes estudios durante la última década sobre la fabricación de biopolímeros utilizando recursos renovables para reemplazar polímeros sintéticos peligrosos para el medio ambiente. El ácido poliláctico (PLA) es biodegradable, versátil y se deriva completamente del uso de recursos naturales. Aunque el PLA tiene muchas ventajas en lo que respecta al rendimiento y la producción, sus malas propiedades mecánicas, como la baja resistencia al calor y la fragilidad, limitan su aplicabilidad.

En la última década se han inventado varios compuestos de PLA con diferentes rellenos para abordar estas deficiencias y generar polímeros beneficiosos para el medio ambiente con excelentes propiedades fisicoquímicas. Los GF son atractivos debido a su resistencia térmica ideal, propiedades mecánicas, costo relativamente bajo y producción simple. Muchas propiedades del GF pueden alterarse durante la fabricación de compuestos de vidrio PLA, y se requiere una comprensión detallada de las propiedades estructurales y de composición para aprovechar al máximo su potencial.

Imágenes de microscopía óptica (lado izquierdo) y distribución de longitud de fibra molida (lado derecho) para (a) PLA-WG, (b) PLA-IPG, (c) PLA-HYBG y (d) compuestos PLA-ARG.

Imágenes de microscopía óptica (lado izquierdo) y distribución de longitud de fibra molida (lado derecho) para (a) PLA-WG, (b) PLA-IPG, (c) PLA-HYBG y (d) compuestos PLA-ARG. Crédito de la imagen: Klaser, T et al., Polímeros

Sobre el estudio

En este estudio, el equipo utilizó cuatro tipos de GF para fabricar compuestos de vidrio, incluidas las fibras de vidrio de fosfato de hierro (IPG). In vitro, GFs con una composición de 40Fe2a3-60p2a5 en relación molar (IPG). Los compuestos PLA-vidrio se prepararon disolviendo PLA en solvente orgánico y solución GF.

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Se utilizó un difractómetro para obtener datos de difracción de rayos X (XRD) a temperatura ambiente. Se utilizó el software Eva para identificar PLA y componentes compuestos. El análisis térmico se realizó a temperaturas de 20 a 200 °C a una velocidad de calentamiento de 10 K/min.

Se usó microscopía de polarización para examinar la sección transversal y la morfología de la superficie de los compuestos de vidrio PLA, y se usó espectroscopía de impedancia (IS) para evaluar las propiedades eléctricas de los compuestos. Para confirmar si los diferentes tipos de vidrio podrían mejorar el proceso de cristalización de PLA, se realizó el calentamiento de los compuestos de vidrio PLA durante 10 minutos a 210 °C, seguido de un recocido durante 1 hora a 90 °C. Los compuestos recocidos se examinaron con XRD después del tratamiento térmico.

Curvas DSC para elegantes compuestos PLA y PLA-vidrio en (a) primer y (b) segundo ciclo termoeléctrico.

Curvas DSC para elegantes compuestos PLA y PLA-vidrio en (a) primer y (b) segundo ciclo termoeléctrico. Crédito de la imagen: Klaser, T et al., Polímeros

notas

El diagrama de difracción XRD de grado industrial de PLA mostró fuertes líneas de difracción atribuidas a impurezas de talco y calcita cubiertas con un gran halo asociado con PLA amorfo. Además, los patrones de difracción de los compuestos PLA-vidrio eran similares a los del PLA, y no mostraban cristalización de GF ni PLA. Los compuestos PLA-vidrio con tratamiento térmico no mostraron nuevas líneas de difracción en sus patrones XRD, lo que indica que la cristalización de PLA no comenzó con ningún tipo de GF y que todos los compuestos continuaron siendo amorfos.

La falta de cristalización después del tratamiento térmico se puede atribuir a la unión a granel entre la matriz PLA y los GF. Como resultado, si se logra una gran cantidad de interacción entre PLA y GF, se puede concluir que las fibras pueden inducir la cristalización de la matriz PLA después del tratamiento térmico. Además, las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) revelaron que los GF en todos los compuestos se distribuyeron y orientaron aleatoriamente dentro de la matriz PLA.

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Las imágenes de la sección transversal mostraron que todos los tipos de GF forman un enlace débil con la matriz PLA. En este estudio, la superficie de GF no se alteró para mejorar la interacción del enlace del polímero. Como consecuencia, se esperaba una interacción ligeramente más débil entre la matriz PLA y los GF en estos compuestos.

En la corrida de calentamiento inicial, las curvas DSC de los compuestos PLA-vidrio, independientemente de la especie GF, mostraron propiedades muy comparables con las del PLA normal, lo que demuestra que la inclusión de GF no afectó la temperatura de fusión o la transición vítrea. Esto indica que todos los GF pueden inhibir la cristalización de PLA, posiblemente debido a interacciones más débiles de la matriz de GF y PLA de los sitios de nucleación y/o cantidades excesivas de GF, lo que impide el desarrollo de grandes dominios cristalinos.

Además, las mediciones de conductividad de CC indicaron que todos los compuestos de fibra de vidrio PLA exhibieron un comportamiento de Arrhenius; Es decir, dependencia lineal de la temperatura en todo el rango de temperatura. Estos resultados incluyeron una estabilidad a alta temperatura significativamente mayor de los compuestos de fibra de vidrio PLA en comparación con el elegante PLA.

( a ) Espectros de conducción a diferentes temperaturas para el compuesto PLA-WG y ( b ) Gráfico de Arrhenius para la conductividad de CC de todos los compuestos.

( a ) Espectros de conducción a diferentes temperaturas para el compuesto PLA-WG y ( b ) Gráfico de Arrhenius para la conductividad de CC de todos los compuestos. Crédito de la imagen: Klaser, T et al., Polímeros

Conclusiones

En resumen, los investigadores demostraron la síntesis de PLA de grado técnico y compuestos de vidrio PLA y varios tipos de GF con una relación de peso de 1: 1. En comparación con el PLA elegante, estos compuestos mostraron una estabilidad térmica, resistencia mecánica y propiedades aislantes superiores.

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Como lo demuestra el comportamiento de Arrhenius, la inclusión de todos los tipos de GF mejora las cualidades aislantes al reducir la conductividad y ampliar el rango de estabilidad térmica de los compuestos. Según los autores, estos compuestos pueden ser ideales para el uso disponible a pequeña escala en aplicaciones de construcción en interiores y exteriores donde se requiere la degradación del material en el sitio.

fuente

Claser, T.; Palín, L.; Skoko, Ž. ; Bavich, L.; Šantić, A. Ácido poliláctico – Compuestos de fibra de vidrio: propiedades estructurales, térmicas y eléctricas. Polímeros 2022, 14, 4012. https://www.mdpi.com/2073-4360/14/19/4012

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