Los polímeros cargados con partículas conductivas siguen contando con un gran número de aplicaciones, por lo que se observa un creciente interés por comprender a fondo sus propiedades eléctricas, mecánicas y químicas, así como la relación existente entre ellas. Entre las aplicaciones más importantes de los materiales poliméricos conductivos, podemos encontrar recubrimientos antiestáticos, escudos contra interferencias electromagnéticas, diferentes tipos de sensores, tales como, sensores de contacto, químicos, de deformación, de temperatura, etc.

El interés sobre el fenómeno de difusión de disolventes a través de matrices poliméricas que contienen partículas conductivas estriba en el potencial de estos materiales como sensores químicos (1-3). El principio general de su funcionamiento es la separación de las partículas conductivas debido a la fuerza de hinchamiento provocada por el contacto con el disolvente, que aumenta la distancia interpartícula, promoviendo un aumento de la resistencia eléctrica. Al disgregarse la red primaria de partículas, la resistencia se eleva exponencialmente una vez que se traspasa el punto de percolación eléctrica en el sentido conductor-aislante.

En general, no abunda la literatura respecto al empleo de compuestos poliméricos como sensores químicos en sistemas de un solo componente como matriz polimérica. En el caso de la difusión en mezclas de polímeros (4), es aún más evidente la falta de información, no obstante que en lo referente a elastómeros, una gran variedad de aplicaciones se basan en mezclas de ellos. El empleo de mezclas poliméricas como matrices en sensores químicos permite, a diferencia del empleo de un solo componente, obtener una gama más amplia de efectos basados en las propiedades eléctricas y de hinchamiento. Esto se debe a la variedad de morfologías que puede presentar una mezcla como resultado de las diferencias fisicoquímicas existentes entre sus componentes.

En el presente proyecto se propone emplear una mezcla de elastómeros como matriz de un sensor químico. Los elastómeros que componen la mezcla presentan una gran diferencia en su capacidad de insaturación, ya que mientras que el hule butadieno (BR) se caracteriza por su alta insaturación (un doble enlace cada dos átomos de carbono), el EPDM (Etileno Propileno Monómero Dieno) comercial alcanza como máximo 15 dobles enlaces por cada 1000 átomos de carbón, independientemente del monómero dieno empleado (5). En virtud de tal diferencia estructural, es de esperarse que el proceso de difusión dependa en gran medida de las diferentes interacciones polímero-carga y, en el caso de mezclas vulcanizadas con un sistema convencional de azufre/aceleradores, dependa de la generación de zonas de muy diferente densidad de entrecruzamiento, por la selectividad que presenta este sistema hacia los dobles enlaces. Al respecto, Lee (6) menciona que al someterse la mezcla entrecruzada a la acción de un disolvente con afinidad similar por los dos elastómeros, éste se difundirá a través de la mezcla en forma selectiva, es decir, buscará inicialmente los caminos de más fácil difusión a través del componente con mucho menor densidad de entrecruzamiento, en este caso, el EPDM.

En la mayoría de las mezclas elastoméricas existe heterogeneidad en la distribución de negro de humo debido a diversos factores como insaturación, viscosidad, polaridad y método de mezclado (7-13). En el mezclado mecánico convencional de la mezcla BR/EPDM y negro de humo, éste último tiende a ubicarse preferentemente en la fase de BR, confirmando la selectividad por la fase más insaturada (16). Entonces, la difusión de un disolvente a través de éste sistema se verá influenciada, además del entrecruzamiento, por la distribución de negro de humo.

Estudiar la difusión de un disolvente en mezclas elastoméricas con partículas de carbón, considerando las diferentes propiedades fisicoquímicas como la energía superficial, densidad de entrecruzamiento, tensiones superficiales, de cada componente elastomérico y su contribución al proceso de hinchamiento.

Con base en los resultados de estas pruebas, conocer el potencial de aplicación de las mezclas elastoméricas como sensores químicos.

El fenómeno de difusión de disolventes en una mezcla elastomérica depende principalmente de tres factores: La distribución de carga entre fases, la diferencia en densidad de entrecruzamiento y los efectos interfaciales polímero–polímero y polímero-carga.

El empleo de mezclas elastoméricas ha dado como resultado un sin número de mejoras para diferentes aplicaciones que demandan propiedades específicas. El caso de las propiedades eléctricas no es la excepción, desde que el manejo de varias composiciones genera un amplio intervalo de tiempos de respuesta y conductividad eléctrica. Este hecho se refleja directamente en la sensibilidad de un sistema de detección a través de sensores químicos.

donde,

_X = disolvente

_A = polímero _A

_B = polímero _B

Siguiendo una analogía con Márquez y col. podemos asumir que cuando

La incorporación de negro de humo modificará las propiedades superficiales de cada fase elastomérica dando como resultado diferentes patrones de distribución del disolvente en función de la localización preferencial de la carga.

Es posible evaluar el efecto de la distribución de carga en el proceso de hinchamiento induciendo la localización preferencial de negro de humo en la mezcla mediante la elaboración de concentrados. En esta forma se evaluaría la razón de hinchamiento para un sistema donde el negro de humo se encuentre mayoritariamente en la fase de EPDM, y comparar con el patrón de difusión descrito cuando el negro de humo es inducido a localizarse en la fase de BR.

En la Tabla I y II se presentan algunas características fisicoquímicas importantes de los elastómeros y carga conductiva, respectivamente, que serán utilizados en el estudio.

Tabla I. Elastómeros

Para evaluar el efecto del entrecruzamiento se prepararán muestras en el intervalo de composición BR/EPDM 100/0, 90/10, 80/20, 70/30, 60/40, 50/50, 40/50, 30/70 20/80, 10/90 y 0/100. El sistema de vulcanización se presenta en la Tabla III.

* Mercaptobenzotiazol

**Monosulfuro de tetrametiltiuram

La preparación de las muestras se realizará como sigue: se dejarán mezclar el EPDM y BR durante 1 minuto y al cabo de ese tiempo se agregarán de manera sucesiva el ácido esteárico, óxido de zinc, azufre y aceleradores. El tiempo de mezclado se ajustará a los tiempos de vulcanización obtenidos en su evaluación. Para realizar el mezclado se utilizará un mezclador interno Brabender DDRV752 con cámara de mezclado de 60 cm³ y rotores tipo Banbury.

En relación al efecto de la distribución de negro de humo, las formulaciones se prepararán de acuerdo con tres métodos: 1) concentrado de BR/negro de humo y mezclado posterior con EPDM, 2) mezclado convencional, es decir, incorporación del negro de humo en la mezcla de hules y, 3) concentrado de EPDM/negro de humo y mezclado posterior con BR. La Tabla IV presenta las distintas formulaciones.

Posterior al mezclado, el material con y sin negro de humo será alimentado a un extrusor para obtener filamentos con el fin de medir la conductividad eléctrica, en su caso, y obtener muestras para la evaluación del hinchamiento.

Las determinaciones de tensión superficial se realizarán mediante un equipo para la medición de ángulo de contacto First Ten Angstroms modelo FTA 200

La evaluación del hinchamiento se llevará a cabo en un equipo analizador termomecánico (TMA) 2940 de TA Instruments, el cual, cuenta con sonda para ejercer una fuerza desde 0.1 a 1 N.

En la implementación de la evaluación eléctrica, los filamentos se evaluarán utilizando un sistema de conectores sellados que, una vez colocado el filamento, pueden sumergirse en el disolvente sin riesgo de que éste interfiera en el contacto eléctrico. La resistencia eléctrica será registrada por un equipo de monitoreo que cuenta con una tarjeta electrónica de adquisición de datos.

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