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Aiju estudia su desarrollo en la industria juguetera

Formulaciones plásticas conductoras con nanofibras de carbono

Ana Ibáñez García, Asunción Martínez y Ana Sánchez, del Centro Tecnológico del Juguete (Aiju)09/02/2011

9 de febrero de 2011

La sociedad moderna se caracteriza por el uso masivo de componentes electrónicos a todos los niveles (procesos industriales, transporte, telecomunicaciones y hogar, entre otros). La tendencia hacia la miniaturización, mayor velocidad de procesamiento de datos e introducción masiva de la electrónica en todos los productos y procesos resulta evidente. Junto a esta tendencia imparable, vienen asociados diversos problemas relacionados con lo que se denomina ruido o interferencias electromagnéticas (electromagnetic interferences, EMI) que, de hecho, no paran de crecer. Ello es debido a que los equipos electrónicos y de telecomunicaciones emiten, muchas veces, radiación electromagnética no deseada (a frecuencias diferentes de la de uso) que en ciertos casos puede ser recogida por otros equipos alterando su funcionamiento o introduciendo señales parásitas no deseadas.

Dentro de la amplia oferta juguetera de que dispone el sector español cabe destacar la elevada variedad de juguetes eléctricos y electrónicos: juguetes que incorporan motores eléctricos o bobinas magnéticas, componentes electrónicos, imanes o cableados, los cuales suponen alrededor de un 20% de la producción, yendo dicho porcentaje en aumento. El problema de las interferencias electromagnéticas no es ajeno a estos productos jugueteros, ya que como cualquier dispositivo electrónico, son sensibles a las interferencias electromagnéticas (EMI) que pueden causarles problemas de funcionamiento. Sin embargo, a no ser que se trate de un juguete de elevado precio o complejidad (como un ordenador) en la actualidad no se están protegiendo los juguetes de este tipo de las radiaciones electromagnéticas no deseadas, por lo que pueden tener tanto un mal funcionamiento, o pueden producir interferencias a los alrededores.

Con todo lo indicado, Aiju está desarrollando el proyecto Emitoy, financiado por el Impiva y expediente IMIDIC/2010/40, cuyo objetivo principal es la obtención de nuevas formulaciones plásticas conductoras que eviten estas interferencias de carácter electromagnético. Para ello, se propone la incorporación de nanofibras de carbono a los termoplásticos más utilizados en el sector juguete (PP) a niveles tanto de disipación electrostática, pintado electrostático como apantallamiento electromagnético. Las características principales que deben cumplir los materiales que se obtengan son: que sean ligeros (base materiales plásticos), de amplia respuesta frente a campo magnético y campo eléctrico, de precio competitivo y procesables mediante extrusión, inyección.

Materiales

Se ha utilizado como matriz de los compuestos polipropileno (PB 180 G2M). En la Tabla 1 se incluyen algunas de las propiedades del material.

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Tabla 1. Propiedades del PP
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Figura 1. Imágenes de Sem (a) y Tem (b) de las nanofibras Ganf.

Las nanofibras de carbono Ganf, empleadas han sido aportadas por la empresa española Grupo Antolín Ingeniería. En la Figura 1 se incluyen muestran imágenes por microscopía Sem (izquierda) y Tem (derecha), donde se observa que son muy largas (varias micras), enredadas unas con otras y con un diámetro medio de 60 nm.

El negro de carbono empleado ha sido Ensaco 250G de la empresa Timcal. En las imágenes Tem (Figura 2) se observa que está formado por estructuras esféricas de unos 20 nm.

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Figura 2. Imagen Tem del negro de carbono ENSACO 250G.

Métodos experimentales

Preparación de las formulaciones

Las mezclas se realizaron en un mezclador de laboratorio HaakePolylab QC con rodillos bambury, de 50 ml. Para la realización de los nanocompuestos, se añadieron masas de matriz y nanocarga para la obtención final de 50 ml, considerando las densidades de Ganf, CB y PP los valores 1700, 2100 y 900 kg/m3, respectivamente. Se utilizó una temperatura de 220° C, una velocidad de husillos de 60 rpm y un tiempo de mezcla de 40 minutos. Tras la mezcla, se prepararon en la prensa de platos calientes films de 1 mm de espesor a 220° C.

Análisis de la dispersión

Para el análisis de la dispersión, se cortaron micrótomos, en condiciones criogénicas, de 15 micras de espesor con un equipo LEICA. EL PP tiene un punto de transición vítrea inferior a la temperatura ambiente, por lo que es preciso llevar a cabo esta operación cuando este está en nitrógeno líquido. Los microtomos se observaron en un microscopio óptico de transmisión Nikon a 100 aumentos, y las imágenes fueron dimensionadas por un software específico.

Resultados

Nanocompuestos Ganf-PP

La Figura 3 muestra la dispersión en micrótomos de nanocompuestos al 2,5% en peso de Ganf. Se puede observar que los pocos aglomerados que se observan tienen un tamaño inferior a las 5 micras. Por tanto, la dispersión alcanzada por el procedimiento de dispersión (condiciones de la mezcladora) son muy satisfactorias.

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Figura 3. Imagen de microscopía óptica de PP-Ganf al 2,5% en peso.

Nanocompuestos CB-PP

La Figura 4 muestra una imagen de microscopía óptica de transmisión de nanocompuestos de negro de carbono con PP con una concentración del 2,5%. La dispersión obtenida tras el procesado es buena ya que no se observan aglomerados.

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Figura 4. Microscopia óptica de nanocompuestos CB-PP

Conclusiones

Los resultados obtenidos muestran que las mezclas obtenidas con nanofibras de carbono y negro de humo presentan buena dispersión en la matriz. El alto índice de fluidez del PP facilitan favorece la dispersión de la carga.

Dado que el objetivo del proyecto es el desarrollo de nanocompuestos híbridos de polipropileno con nanofibras de carbono y negro de humo con apantallamiento electromagnético, las próximas tareas a realizar consistirán en incorporar negro de carbono a la matriz de PP mediante una extrusora de doble husillo corrotante, y posteriormente se adicionarán distintas cantidades de Ganf: 2, 4 y 6%.

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Agradecimientos

El presente proyecto está financiado el Impiva (IMIDIC/2010/40). También agradecemos al Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Alicante por el asesoramiento recibido.

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Instituto Tecnológico del Juguete

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