VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandia 2002

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INFLUENCIA DEL TIPO DE CARGA EN LA CONDUCTA MECÁNICA DE POLIPROPILENO R. Llano-Ponte, E. Pordomingo, P. Gañán, F. Mujika, I. Mondragon Dpto. Ingeniería Química y del Medio Ambiente. Escuela de Ingeniería Técnica Industrial. Univ. País Vasco/Euskal Herriko Unib. Avda. Felipe IV, 1-B 20011 San Sebastián - Donostia e-mail: [email protected], [email protected] RESUMEN En este trabajo se han estudiado comparativamente las propiedades mecánicas de polipropileno reforzado con cargas tradicionales, CaCO3, y con arcillas aniónicas de tipo hidrotalcita. Las hidrotalcitas han sido sintetizadas con distintas relaciones estequiométricas entre sus componentes. Palabras claves Polipropileno, cargas, conducta mecánica 1. INTRODUCCIÓN Las arcillas aniónicas naturales y las mezclas de hidróxidos laminados conteniendo aniones que puede ser intercambiables son poco conocidas, y por ello su difusión es mucho menor que la de las arcillas catiónicas. Las arcillas aniónicas basadas en compuestos de tipo hidrotalcita se pueden utilizar en diferentes tipos de aplicaciones. En la figura 1 se muestran algunas de las aplicaciones donde este tipo de producto se utiliza con mayor frecuencia. CatÆlisis - Hidrogenacin - Polimerizacin

Ayuda catÆlisis - Ziegler-Natta - CeO2

HIDROTALCITA Adsorbente - Detec. halgeno -Estabilizacin PVC - Agua residual

Industria - Retrasador de llama -Tamiz Molecular - Cambiador inico

Medicina - AntiÆcido - Antipeptina - Estabilizador

Figura 1. Algunas aplicaciones de la Hidrotalcita.

Llano-Ponte, Pordomingo, Gañán, Mujika y Mondragon

El objetivo de esta investigación ha sido analizar comparativamente la conducta mecánica de polipropileno moldeado por inyección y reforzado con una carga tradicional y con diversas hidrotalcitas sintetizadas en laboratorio. Diferentes tipos de hidrotalcitas han sido sintetizados por co-precipitación en diversas soluciones acuosas. 2. PARTE EXPERIMENTAL Materiales Las hidrotalcitas (HT) se han preparado mediante co-precipitación a pH comprendido entre 8.5 y 9.5, utilizando una solución acuosa de MgSO4.7H2O y Al2(SO4)3.18H2O de tal forma que las cantidades de Mg y Al mantengan la relación deseada. Las proporciones Mg/Al utilizadas han sido 1.5; 3 y 4 según la ecuación estequiométrica siguiente: [Mg(1-x)Alx(OH)2](CO3)x/n.m H2O donde x = M(III)/[M(II)+M(III)] y n = carga del anión. La referencia SU se refiere a hidrotalcita preparada en soluciones de magnesio, sulfato de aluminio y carbonato sódico, mientras que la referencia AL se utiliza cuando las soluciones son de cloruro de magnesio, aluminato sódico y carbonato sódico. También se ha utilizado un a hidrotalcita de referencia, R. A la carga de CaCO3 se le ha denominado CC. Los preparados de hidrotalcitas y sus correspondientes ecuaciones estequiométricas se muestran en la tabla 1. Tabla 1. Relaciones estequiométricas de las hidrotalcitas utilizadas. Producto

Relación

Estequiometría

Mg/Al

3/1

[Mg0.75Al0.25(OH)2](CO3)0.125.0.625H2O

Mg/Al

1.5/1

[Mg0.6Al0.4(OH)2](CO3)0.2.0.4H2O

Mg/Al

4/1

[Mg0.8Al0.2(OH)2](CO3)0.1.0.7H2O

Para la caracterización de estos productos tras la síntesis se han utilizados dos técnicas. Por una parte el análisis mediante espectrometría infrarroja (FTIR), que, aunque no es una técnica específica para el diagnóstico de los compuestos de hidrotalcita, se ha aprovechado para la identificación de la presencia de diferentes aniones. Las principales bandas de absorción están comprendidas entre 1000 y 1800 cm-1. Mediante análisis termogravimétrico (TGA) se ha estudiado la descomposición térmica de los compuestos de hidrotalcita. Esta descomposición tiene lugar en tres etapas: Primera etapa: pérdida de agua (hasta los 200ºC), Segunda etapa: debida a la pérdida de grupos hidroxilo de la lámina de brucita en forma de agua y del anión carbonato en forma de CO2 (a 275 – 450ºC), Tercera etapa: degradación de la hidrotalcita (por encima de los 600ºC). En la tabla 2 se muestran los resultados de los análisis termogravimétricos. La matriz termoplástica utilizada ha sido un polipropileno, PP, Solvay 355 HV 200; con un MFI de 10 g/10 min. Con objetivos comparativos se ha utilizado también una carga reforzante tradicional como el CaCO3.

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VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos

Tabla 2. Resumen de los datos obtenidos mediante TGA. 1.5/1 3/1 4/1 T (ºC)

(mg)

%

(mg)

%

(mg)

%

0 – 100

0

0

0.02

0.79

-0.01

-0.29

100 – 200

-0.07

-1.77

-0.07

-2.76

-0.13

-3.78

275 – 450

-0.83

-20.96

-036

-14.20

-0.64

-18.61

450 - 600

-0.13

-3.28

-0.11

-4.34

-024

-6.98

Proceso de mezclado y fabricación de probetas Para el mezclado de los materiales anteriormente mencionados se ha utilizado una mezcladora Rheomix 600/610. un rotor Roller. La tabla 3 muestra el proceso de cálculo seguido para la determinación de la densidad media de las mezclas hidrotalcita/polipropileno aplicado a uno de los casos estudiados (HT/1.5/1)SU*/PP). Tabla 3. Determinación de la densidad de las hidrotalcitas. HT (1.5/1) Vtotal añadido = 1092 cm3 Soluciones [mol/L] masa (g) (para Vtotal = 1092 cm3) MgSO4.7H2O (1) Al2(SO4)3.18 H2O (2) Na2CO3 (3)

MgSO4.7H2O (1) 1.68

1.5 1 3.25

134.75 242.42 125.39 Total: 502.12

Densidad (g/cm3) Al2(SO4)3.18H2O (2) 1.69

V (%) 26.74 48.27 27.97

Na2CO3 (3) 2.53

Densidad media HT: ρ = ρ1X1+ρ2X2+ρ3X3 ⇒ 1.895 Densidad PP : 0.9 DENSIDAD MEDIA MEZCLA : XPP ρPP + XHT ρHT = f(X) Con los productos obtenidos en el proceso de mezclado se fabricaron, mediante moldeo por inyección, probetas para realizar ensayos de flexión y tracción. Se ha utilizado una inyectora Battenfeld 1020. Para la caracterización de los materiales se han realizado ensayos de flexión a tres puntos y de tracción. Se ha utilizado una máquina universal de ensayos mecánicos, Instron 4206. Los ensayos de flexión se han realizado siguiendo la norma ASTM D-790M, a temperatura ambiente (23±2ºC) y una humedad relativa del 50±5%. Los ensayos de tracción se han realizado de acuerdo con la norma ASTM D-638D en las mismas condiciones de temperatura y humedad del ensayo de flexión.

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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La figura 2 muestran los resultados de los ensayos de flexión en tres puntos para polipropileno reforzado con diversos porcentajes de carga. La rigidez es proporcional al porcentaje de carga empleado y se consiguen incrementos hasta del 30% al sustituir la carga tradicional por algunas hidrotalcitas. Sin embargo, este incremento de rigidez no lleva consigue un aumento de la resistencia como consecuencia de la menor deformabilidad a medida que incrementa el contenido de carga, inferior incluso a la del polipropileno base. CC 4/1 SU 3/1 SU 1.5/1 SU PP

5500 5000 4500 4000

Ef (MPa)

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0

10

20

30

Hidrotalcita (%)

CC 4/1 SU 3/1 SU 1.5/1 SU PP

50

0,045 0,040

40

0,035

εmÆxima(mm/mm)

σf (MPa)

CC 4/1 SU 3/1 SU 1.5/1 SU PP

30

20

10

0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000

0 0

10

20

Hidrotalcita (%)

30

0

10

20

30

Hidrotalcita (%)

Figura 2. Variación de las propiedades de flexión en función del contenido de hidrotalcita. La figura 3 analiza el comportamiento a tracción de polipropileno reforzado con dos hidrotalcitas sintetizadas de proporción Mg/Al: 3/1 y una hidrotalcita tomada de referencia. Al igual que al analizar la conducta a flexión, se hace evidente que un adecuado control de los constituyentes de la hidrotalcita puede significar una clara mejora en la rigidez del plástico reforzado, aunque ello conlleve a una disminución de propiedades como resistencia y ductilidad, algo habitual para refuerzo de polímeros con cargas. 4. CONCLUSIONES En este trabajo se han sintetizado diferentes hidrotalcitas con el objeto de analizar sus posibilidades como refuerzo de polipropileno comparativamente con otras cargas tradicionales. Estas cargas han sido caracterizadas en su estructura por técnicas físicoquímicas. Una adecuada elección de la relación estequiométrica permite obtener valores de rigidez del plástico reforzado considerablemente superior a la conseguida con otras cargas.

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SU AL R PP

1200

1000

Et(MPa)

800

600

400

200

0 0

10

20

30

Hidrotalcita (%)

SU AL R PP

30

0,16

25

0,14 0,12

εmÆxima(mm/mm)

20

σf (MPa)

SU AL R PP

15

10

5

0,10 0,08 0,06 0,04 0,02

0 0

10

20

Hidrotalcita (%)

30

0,00 0

10

20

30

Hidrotalcita (%)

Figura 3. Variación del módulo a tracción versus el contenido de hidrotalcita. Agradecimiento: Esta investigación ha sido co-financiada por la Diputación Foral de

Gipuzkoa en el proyecto 136/2001: ‘Análisis del comportamiento en servicio de polipropilenos con diferentes tipos de carga moldeados por inyección’. 5. REFERENCIAS 1. Alexy, P., Kosikova, B. Podstránska, G., Polymer, 41, 4901, 2000. 2. Costantino, U., Marmottini, F., Nocchetti, M., Vivan, R., European Journal of Inorganic Chemistry, 1439, 1998. 3. Prinetto, F., Ghiotti, G., Graffin, P., Tichit, D., Microporous and Mesopourous Materials, 39, 229, 2000. 4. Stanimirova, TS., Vergilov, I. Kirov, G., Journal of Materials Science, 34, 4153, 1999. 5. Hibino, T., Tsunashima, A., Journal of Materials Science, 19, 1403, 2000.

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