Con más de 10 años de investigación, científicos del Departamento de Materiales Avanzados del Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) desarrollan nanocompuestos de base polimérica con potencial para diversas aplicaciones industriales.
A pesar del paso del tiempo, el proyecto lejos de concluir, presenta nuevas áreas potenciales y sigue expandiéndose hacia diversos sectores empresariales con la combinación de nanopartículas, polímeros y talento mexicano.
De acuerdo con el doctor Carlos Alberto Ávila Orta, investigador del Departamento de Materiales Avanzados del CIQA y líder del proyecto, una nanopartícula es una partícula en donde al menos una de las dimensiones es de un tamaño menor a los 100 nanómetros. Puede ser en forma de esfera, tubo o cilindro, incluso pueden ser placas en las que el espaciamiento entre las mismas sea menor a 100 nanómetros. Un nanómetro equivale a la millonésima parte de un milímetro.
"Una de las particularidades de las nanopartículas es que poseen propiedades que no se tienen en tamaño mayor. Para obtener el mayor provecho de estas propiedades, se introducen en otros materiales o matrices, en este caso los polímeros. Cuando se incorpora una nanopartícula en un polímero se obtiene un compuesto de base polimérica", explicó el doctor Ávila Orta.
El científico agregó que, en principio, las nanopartículas son de una naturaleza química diferente a los polímeros, y por naturaleza tienden a repelerse ambos componentes. Esto provoca que se formen aglomerados de nanopartículas, lo cual disminuye su potencial.
"La dispersión de las nanopartículas es importante porque de esta manera se aprovecha la mayor área posible de las nanopartículas y, por lo tanto, sus propiedades excepcionales. Si yo no disperso bien una nanopartícula, lo que se forman son aglomerados y no aprovecho la superficie en su totalidad", puntualizó el investigador Ávila Orta.
Además de la dispersión de las nanopartículas, otro aspecto fundamental es el método de incorporación de las nanopartículas al polímero. En esta investigación, los especialistas optaron por el método de mezclado en fundido.
"En este proyecto usamos el mezclado en fundido. Quiere decir que mientras fundo o hago líquido el polímero, agrego las partículas y mediante procesos mecánicos, esfuerzos de corte o vibraciones de sonido puedo romper los aglomerados y mezclar de una manera eficiente", detalló el científico.
Punto de partida y patentamiento
Esta investigación inició en el año 2006, a raíz del interés de una empresa en el tema de los nanocompuestos para diversas aplicaciones, pero solo fue el punto de partida. En el ciclo 2009-2010, una empresa contactó al doctor Ávila Orta y le propuso un proyecto mediante el cual se hiciera una investigación adecuada para dispersar y obtener un concentrado de polipropileno con nanotubos de carbono, con aplicación potencial en la industria automotriz.
"Los trabajos iniciales que se realizaron en esta empresa fue ver todas las tecnologías que actualmente estaban patentadas, se acordó realizar diferentes experimentos, se hizo todo el proyecto pero el patentamiento no fue tan sencillo. Los primeros ocho meses se realizaron todos los experimentos con resultados prometedores, pero en el octavo mes encontramos una patente de un investigador ruso idéntica a lo que estábamos haciendo", narró el doctor Pablo González Morones, posdoctorando del Departamento de Materiales Avanzados del CIQA.
Ante este escenario, el equipo de investigadores realizó una reunión de emergencia y, a través de una lluvia de ideas, obtuvieron ocho ideas de posibles nuevas patentes, entre ellas, aquella que abordaría el proceso de dispersión.
A partir de estas ideas, el proyecto siguió en desarrollo. En 2011, como resultado de una tesis doctoral se obtuvo una patente relacionada con el proceso de desaglomeración en el desarrollo de nanocompuestos de base polimérica.
"En 2011, durante los resultados de investigación de mi tesis doctoral, obtuve un proceso de desaglomeración, hice un estudio de la técnica, vi que era novedoso, hice los experimentos y dieron resultados positivos. CIQA nos apoyó con cursos ante el IMPI y pudimos escribir la primera patente de la tesis", comentó el doctor González Morones.
Después del desarrollo de este proceso de desaglomeración, prosiguieron los estudios e investigaciones del equipo de trabajo y, en 2015, se obtuvo la patente que sería el principio de una serie de aplicaciones potenciales.
La empresa detectó que para poder obtener un buen nanocompuesto con posibilidad de comercializarse era necesario emplear la más baja concentración de la nanopartícula (por el costo) y que transfiriera sus propiedades al polímero.
"De ahí entendimos que uno de los problemas básicos era la dispersión. En esta patente básicamente se abordó este problema, en donde podemos utilizar cualquier tipo de nanopartícula como de carbono, de origen metálico, como los óxidos metálicos o cerámicos, en los que incorporamos un equipo de ultrasonido durante el proceso de extrusión", puntualizó el doctor González Morones.
Se decidió aplicar el ultrasonido de frecuencia variable, esto dio la oportunidad de que diferentes tamaños de aglomerado de las nanopartículas se pueden dispersar muy bien en los diferentes polímeros.
"De ahí se hicieron todos los registros, primero se hizo el registro aquí en México, después en un convenio con la empresa se otorgó en China y Japón; en Estados Unidos, India y Brasil está aún en proceso. Fue la primera patente internacional que se realizó para la desaglomeración de las nanopartículas", indicó el posdoctorando González Morones
A pesar de este gran avance tras años de investigación, el desarrollo aún no era sencillo de transferir al sector industrial debido a la toxicidad de la nanopartícula si se exponía al medio ambiente, a través del aire o tierra, y podría entrar en contacto con los seres humanos.
"Lo que ideamos fue un proceso para injertar químicamente las nanopartículas con las moléculas del polímero, esto nos da una ventaja de que, al momento que un polímero se pueda romper o rayar, la nanopartícula no sale expuesta al medio ambiente, lo que se va a desprender son fragmentos del polímero y la nanopartícula no se va a exponer, por lo que baja el riesgo de toxicidad", precisó el científico González Morones.
Introducir las nanopartículas en un polímero o plástico y después convertirlo en un producto tangible como una fibra es un proceso complejo.
"El aspecto más importante comienza cuando introducimos las partículas al plástico. Para llevar a cabo este proceso, utilizamos una máquina especializada que es un extrusor, particularmente un extrusor doble husillo, en el que se incorpora la resina en forma de pellet (un cilindro de aproximadamente tres milímetros de largo y de diámetro)", explicó el doctor Víctor Javier Cruz Delgado, posdoctorando del Departamento de Materiales Avanzados en CIQA.
El extrusor con la ayuda de calor propicia que este pellet se derrita y, con la aplicación de esfuerzos de corte, los aditivos o nanopartículas se incorporan y se mezclan dentro del polímero para reducir la concentración de las nanopartículas en el producto final.
"El proceso de extrusión inicia con la alimentación de los pellets, estos se funden y son transportados por el extrusor hasta una bomba dosificadora que ayuda a mantener un flujo constante de polímero fundido y, con esto, generamos las condiciones adecuadas para hacer pasar el material por los diferentes canales de flujo, del bloque de distribución", detalló el científico Cruz Delgado.
Este bloque de distribución es una pieza metálica con orificios por donde el material va a pasar, la intención es distribuir el flujo del polímero a lo largo de este bloque y llevarlo hasta su salida. En esta salida, se coloca un accesorio denominado espinereta, algo muy semejante a la `cebolla´ de la regadera de la casa. Una vez que los materiales salen por la espinereta son similares al flujo de la `cebolla´ de la regadera, pero con un tamaño mucho más pequeño.
"La máquina que tenemos es una máquina muy versátil, nos permite obtener, de inicio, dos productos o presentaciones diferentes del mismo material", precisó el especialista Cruz Delgado.
Una de estas presentaciones es la fibra multifilamento continuo, es decir, muchas fibras que van saliendo de forma continua, se estiran para lograr el diámetro que se necesita en estas fibras al final, son colectadas en una bobina y este material está disponible para que se pueda fabricar una tela o hilos para costura.
En la otra presentación, se cambia la espinereta y se obtiene una lluvia continua de filamentos que se van depositando sobre una cinta transportadora, al final son colectados en una bobina. Pero estos filamentos que caen al final sobre la cinta transportadora formarán algo que se denomina una tela no tejida, debe su nombre a que su presentación o forma es similar a una tela, como lo que encontramos en un cubrebocas; el traslape de las fibras que se van depositando forma una estructura tridimensional continua con forma de tela.
El investigador Cruz Delgado aclara que hasta los equipos más especializados no logran una dispersión o incorporación. Debido a esto, los científicos del CIQA implementaron un proceso denominado extrusión asistida con ultrasonido.
"Este proceso previamente fue desarrollado aquí en el CIQA, se cuenta con una patente y lo que nos permite es mejorar la dispersión de estas partículas que, por su propia naturaleza, tienden a mantenerse juntas, al mezclarse con un polímero logramos una reducción del tamaño de estos aglomerados. Pero nos interesa llegar a separarlas individualmente, la aplicación de ondas ultrasonido nos ayuda a homogeneizar esta dispersión y lograr que estas partículas se separen a nivel individual", especificó el doctor Cruz Delgado.
A partir de este proceso, a nivel semiindustrial, los científicos del CIQA han logrado obtener fibras con diversas propiedades como antimicrobianas, antiestáticas, con actividad luminiscente, etcétera. Pero estas aplicaciones son solo el inicio de una serie de áreas de oportunidad potenciales.
El proyecto de nanocompuestos de base polimérica sigue creciendo y cuenta con diferentes ramificaciones y caminos que podría seguir esta investigación.
"Creo que una de las partes sería una menor contaminación, actualmente los materiales que se utilizan en muchas aplicaciones industriales son tóxicos, no quiere decir que las nanopartículas no sean tóxicas pero al estar contenidas dentro de un polímero, la toxicidad disminuye sin perder las propiedades. El estudio que hemos hecho sobre los materiales que hemos elaborado aquí indica que se reduce sensiblemente comparado con lo que ofrece la industria actualmente", indicó el científico Ávila Orta.
Existen diferentes sectores industriales que potencialmente podrían beneficiarse de este tipo de nanocompuestos como automotriz, salud, seguridad y confidencialidad, agroindustrial, energía, aeroespacial, industria marina, entre otros.
