Estudio de la difusión de disolventes y su efecto en la conductividad eléctrica

Justificación

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.

Objetivo

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.

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

Hipotesis

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.

Materiales y metodos

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.