Síntese e Caracterização de Compositos Polímero-Arcilosos

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I E De Santander

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27/4/2024

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MORELIA, MICHOACÁN SEPTIEMBRE 2017

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA

DIVISIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES

DEPARTAMENTO METAL MECÁNICA
TESIS PROFESIONAL
SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE COMPOSITOS
POLÍMERO-ARCILLOSOS A PARTIR DE NIPAAm,
AAm, SPAK Y NANOARCILLA MODIFICADA
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO EN MATERIALES
PRESENTA:
EDGAR SOLÍS ALBARRÁN
ASESOR EXTERNO:
DR. FRANCISCO JAVIER ILLESCAS MARTÍNEZ
ASESOR INTERNO:
M.C. MARÍA LETICIA ORTIZ GARCÍA

Agradecimientos

La realización de este trabajo de tesis no se pudo lograr sin el apoyo del Dr.
Francisco Javier Illescas Martínez y de la Dra. María del Carmen Díaz Nava, así
como a los compañeros y docentes del Laboratorio de Investigación en Ingeniería
Ambiental perteneciente al Instituto Tecnológico de Toluca.

La investigación para este trabajo de tesis se desarrolló bajo los dos siguientes
proyectos base:

a) Proyecto TecNM clave 5940.16-P.C-P, “Síntesis y caracterización de materiales
novedosos para la separación y soporte de sustancias químicas de interés ambiental
y/o comercial”.

b) Proyecto Cátedras CONACyT 3056, “Síntesis de nanocompositos polímero-
arcillosos para la remoción de compuestos orgánicos de interés ambiental”.

Así mismo agradezco a la comunidad de la carrera de Ingeniería en Materiales del
Instituto Tecnológico de Morelia en especial a los maestros M.C. María Leticia Ortiz
García, Dr. Benjamín Vidales Cárdenas, Ing. Eutimio Guzmán Delgado y M.C.
Emiliano López de la Cruz. Además de la M.C. Lourdes Mondragón Sánchez por su
incondicional apoyo en el análisis de las muestras en el MEB del Posgrado de
Metalurgia.

Contenido

Resumen 1
Antecedentes 2
Delimitación del Problema 7
Justificación 8
Objetivos 8
Objetivo General 8
Objetivos Específicos 9
Hipotésis 9
Marco de Referencia 10
Capítulo I. Introducción 11
Capítulo II. Marco Teórico 12
2.1. Materiales Compuestos 12
2.1.1. Definición 12
2.1.2. Componentes 12
2.1.2.1. Matriz 12
2.1.2.2. Refuerzo 13
2.1.2.3. Interfase 13
2.1.3. Compuestos de matriz polimérica 13
2.1.4. Materiales compuestos reforzados con partículas 14
2.2. Polímeros 15
2.2.1. Reacción de Polimerización Radicalaria 15
2.2.2. Copolímero 17
2.2.2.1. Copolímero Alterno 17
2.2.2.2. Copolímero Aleatorio 18
2.2.2.3. Copolímero de Bloque 18
2.2.2.4. Copolímero de Injerto 18
2.2.3. Hidrogel 19
2.2.4. Polímeros Inteligentes 20
2.2.4.1. Polímeros Termoresponsivos 21

2.2.4.1.1. Temperatura critica superior de la solución (UCST) 21
2.2.4.1.2. Temperatura critica inferior de la solución (LCST) 22
2.2.4.2. Clases de polímeros termosensibles seleccionados 23
2.2.4.2.1. N-Isopropilacrilamida (NIPAAm) 23
2.2.4.2.2. Acrilamida (AAm) 24
2.2.4.2.3. Sal potásica del 3-sulfopropil acrilato (SPAK) 25
2.2.5. Técnicas de Polimerización 26
2.3.5.1. Polimerización en Masa 26
2.3.5.2. Polimerización Frontal 28
2.3. Arcillas 29
2.3.1. Estructura Cristalina de las Arcillas 30
2.3.2. Nanoarcillas 33
2.3.2.1. Nanoarcillas de Montmorillonita 33
2.4. Técnicas de Caracterización 33
2.4.1. Estructura Molecular 34
2.4.1.1. Espectroscopia Infrarroja 34
2.4.1.2. Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR) 35
2.4.2. Morfología 36
2.4.2.1. Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) 37
Capítulo III. Desarrollo Experimental 39
3.1. Equipo 40
3.2. Reactivos 40
3.3. Preparación del copolímero p(NIPAAm-co-SPAK) 41
3.3.1. Determinación del hinchamiento límite 43
3.4. Preparación del composito p(NIPAAm-co-SPAK)-Nanoarcilla modificada 44
3.4.1. Determinación del hinchamiento límite 49
3.5. Preparación del copolímero p(AAm-co-SPAK) 50
3.5.1. Determinación del hinchamiento límite 52
3.6. Preparación del composito p(AAm-co-SPAK)-Nanoarcilla modificada 53
3.6.1. Determinación del hinchamiento límite 54
3.7. Preparación del homopolímero p(SPAK) 55

iii

3.7.1. Determinación del hinchamiento límite 57
3.8. Preparación del composito p(SPAK)-Nanoarcilla modificada 58
3.8.1. Determinación del hinchamiento límite 60
3.9. Preparación del copolímero p(NIPAAm-co-SPAK) mediante polimerización
frontal 61
3.9.1. Determinación del hinchamiento límite 64
Capítulo IV. Análisis de Resultados 66
4.1. Hinchamiento límite de las muestras del copolímero p(NIPAAm-co-SPAK) 66
4.2. Hinchamiento límite de las muestras del composito p(NIPAAm-co-SPAK)-
Nanoarcilla modificada 67
4.3. Hinchamiento límite de las muestras del copolímero p(AAm-co-SPAK) 69
4.4. Hinchamiento límite de las muestras del composito p(AAm-co-SPAK)-Nanoarcilla
modificada 70
4.5. Hinchamiento límite de las muestras del homopolímero p(SPAK) 71
4.6. Hinchamiento límite de las muestras del composito p(SPAK)-Nanoarcilla
modificada 73
4.7. Hinchamiento límite de las muestras del copolímero p(NIPAAm-co-SPAK)
sintetizados mediante polimerización frontal 75
4.8. Microscopia electrónica de barrido (MEB) de los homopolímeros p(NIPAAm),
p(AAm) y p(SPAK) 77
4.9. Microscopia electrónica de barrido (MEB) de los compositos p(AAm)-Nanoarcilla
modificada y p(SPAK)-Nanoarcilla Modificada 78
4.10. Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier de los hidrogeles
NIPAAm, AAm y SPAK 81
Conclusiones 84
Bibliografía 86

Índice de Figuras

Figura 1. Composito polímero-arcilloso, se muestran las 3 formas distintas en las
que la arcilla se incorpora a la matriz polimérica. ...................................................... 14
Figura 2. Etapas de la polimerización por radicales libres. ..................................... 17
Figura 3. Secuencia de los monómeros en un copolímero alternante. .................... 17
Figura 4. Secuencia de los monómeros en un copolímero aleatorio ....................... 18
Figura 5. Secuencia de los monómeros en un copolímero en bloque ..................... 18
Figura 6. Secuencia de los monómeros en un copolímero de injerto ...................... 19
Figura 7. Fórmula química desarrollada de la NIPAAm ........................................... 24
Figura 8. Fórmula química desarrollada de la acrilamida. ....................................... 24
Figura 9. Fórmula química desarrollada del SPAK. ................................................. 26
Figura 10. Síntesis de copolímeros p(AAm-co-SPAK) mediante polimerización en
masa, obsérvese la utilización de un aislante térmico. .............................................. 27
Figura 11. Esquema de un proceso de polimerización frontal de arriba hacia abajo.
.................................................................................................................................. 29
Figura 12. Estructura cristalina de la arcilla tipo esmectita: montmorillonita. ........... 31
Figura 13. Estructura cristalina tipica de las arcillas, se observa la capa de silicato
que se compone de una hoja octaedrica y de una hoja tetraédrica de silice. ........... 32
Figura 14. Espectrómetro marca Buker Modelo Tensor 27 utilizado para las pruebas
de espectroscopia de las muestras de los hidrogeles. .............................................. 36
Figura 15. Diagrama esquemático de los componentes del MEB. .......................... 38
Figura 16. Proceso experimental para la síntesis de compositos polímero-
arcillosos…. ............................................................................................................... 39
Figura 17. Reactivos utilizados en la síntesis de los hidrogeles y compositos. De
izquierda a derecha: SPAK, NIPAAm, Nanoarcilla modificada, AmPS y BIS. ........... 41
Figura 18. Muestras del segundo lote de copolímero p(NIPAAm-co-SPAK), ya secas
listas para las pruebas de caracterización. ............................................................... 43
Figura 19. Muestrasdel composito p(NIPAAm-co-SPAK)-Nanoarcilla modificada del
segundo lote, a diferentes proporciones de nanoarcilla y de entrecruzante BIS. ...... 46

Figura 20. Muestras del composito p(NIPAAm-co-SPAK)-Nanoarcilla modificada del
tercer lote, a diferentes proporciones de entrecruzante BIS. .................................... 47
Figura 21. Muestras de hidrogeles y compositos ya secos, listos para las pruebas de
caracterización. ......................................................................................................... 48
Figura 22. Muestra del copolímero p(AAm-co-SPAK) recién retirado del tubo de
ensayo y puesto en contacto con agua destilada, obsérvese 2 aspectos: el color
transparente característico de la acrilamida y la textura de hinchamiento. ............... 51
Figura 23. Muestras de los compositos p(AAm-co-SPAK)-Nanoarcilla modificada
obsérvese el color blanco producto de la incorporación de la nanoarcilla a la matriz
del composito. ........................................................................................................... 54
Figura 24. Muestras del homopolímero p(SPAK) con 5 mL de agua. ...................... 56
Figura 25. Muestras del homopolímero p(SPAK) con 10 mL de agua. .................... 57
Figura 26. Muestras del composito p(SPAK)-Nanoarcilla modificada con 10 mL de
agua, la arcilla produce un color blanco en el polímero. ........................................... 59
Figura 27. Muestras del composito p(SPAK)-Nanoarcilla modificada con 5 mL de
agua. ......................................................................................................................... 60
Figura 28. Muestras del copolímero p(NIPAAm-co-SPAK) sintetizados mediante
polimerización frontal con 2 mL de DMSO recién retiradas de los tubos de ensaye. 63
Figura 29. Muestras del copolímero p(NIPAAm-co-SPAK) sintetizados mediante
polimerización frontal ya secas, listas para las pruebas de caracterización. ............. 64
Figura 30. Determinación del porcentaje de hinchamiento (% SR) en 5 mL de agua
desionizada a temperatura ambiente con respecto al tiempo para distintas
composiciones en porcentaje en peso de los copolímeros p(NIPAAm-co-SPAK)..... 66
Figura 31. Variación del porcentaje de hinchamiento (% SR) en 10 mL de agua
desionizada a temperatura ambiente con respecto al tiempo para distintas
composiciones en porcentaje en peso de los copolímeros p(NIPAAm-co-SPAK)..... 67
Figura 32. Comparación de la variación del porcentaje de hinchamiento (% SR) en 5
mL de agua desionizada a temperatura ambiente con respecto al tiempo para el
hompolímero de p(NIPAAm) y del composito p(NIPAAm)-Nanoarcilla modificada, con
un peso total de 2 g de NIPAAm en ambos.. ............................................................ 68

Figura 33. Comparación de la variación del porcentaje de hinchamiento (% SR) en
10 mL de agua desionizada a temperatura ambiente con respecto al tiempo para los
compositos p(NIPAAm-co-SPAK) -Nanoarcilla modificada. ...................................... 69
Figura 34. Variación del porcentaje de hinchamiento (% SR) en agua desionizada a
temperatura ambiente con respecto al tiempo para distintas composiciones en % en
peso de los copolímeros p(AAm-co-SPAK). .............................................................. 70
Figura 35. Comparación de la variación del porcentaje de hinchamiento (% SR) en
agua desionizada a temperatura ambiente con respecto al tiempo para el
homopolímero de AAm y el composito p(AAm)-Nanoarcilla modificada, con un peso
total de 2 g de AAm en ambos. ................................................................................. 71
Figura 36. Comparación de la variación del porcentaje de hinchamiento (% SR) en
agua desionizada a temperatura ambiente con respecto al tiempo para los
homopolímeros p(SPAK) variando la BIS en porcentaje en peso y la cantidad de
agua desionizada. ..................................................................................................... 72
Figura 37. Comparación de la variación del porcentaje de hinchamiento (% SR) en
agua desionizada a temperatura ambiente con respecto al tiempo para los hidrogeles
NS-5, SP-3 y SP-4 frente al composito NSA-5 variando la BIS en porcentaje en mol.
.................................................................................................................................. 73
Figura 38. Comparación de la variación del porcentaje de hinchamiento (% SR) en
agua desionizada a temperatura ambiente con respecto al tiempo para los
compositos de p(SPAK)-Nanoarcilla modificada variando la BIS en porcentaje en
peso. ......................................................................................................................... 74
Figura 39. Comparación de la variación del porcentaje de hinchamiento (% SR) en
agua desionizada a temperatura ambiente con respecto al tiempo, para los
homopolímeros de p(SPAK) y los compositos p(SPAK)-Nanoarcilla modificada en 10
mL de agua. .............................................................................................................. 75
Figura 40. Comparación de la variación del porcentaje de hinchamiento (% SR) en
agua desionizada a temperatura ambiente con respecto al tiempo para los
copolímeros p(NIPAAm-co-SPAK) sintetizados mediante polimerización frontal.. .... 76
Figura 41. Microscopia electrónica de barrido de la muestra NS-1 del homopolímero
p(NIPAAm) a diferentes aumentos: a) 300X y b) 1000X. .......................................... 77

vii

Figura 42. Microscopia electrónica de barrido de la muestra AS-1 del homopolímero
p(AAm) a diferentes aumentos: a) 500X y b) 1000X. ................................................ 78
Figura 43. Microscopia electrónica de barrido de la muestra NS-5 del homopolímero
p(SPAK) a diferentes aumentos: a) 500X y b) 1000X. .............................................. 78
Figura 44. Microscopia electrónica de barrido de la muestra ASA-1 del composito
p(AAm)-Nanoarcilla modificada a diferentes aumentos: a) 500X y b) 1000X. ........... 79
Figura 45. Microscopia electrónica de barrido de la muestra ASA-5 del composito
p(SPAK)-Nanoarcilla modificada a diferentes aumentos: a) 500X y b) 1000X. ......... 79
Figura 46. Microscopia electrónica de barrido de la muestra SPA-0 del composito
p(SPAK)-Nanoarcilla modificada a diferentes aumentos: a) 500X y b) 1000X. ......... 80
Figura 47. Espectro infrarrojo por Transformada de Fourier de la muestra NS-1 del
homopolímero de p(NIPAAm). .................................................................................. 81
Figura 48. Espectro infrarrojo por Transformada de Fourier de la muestra AS-1 del
homopolímero p(AAm). ............................................................................................. 82
Figura 49. Comparativa del espectro infrarrojo por Transformada de Fourier de la
muestra NS-5 del homopolímero p(SPAK) y del composito p(SPAK)-Nanoarcilla
modificada de la muestra NSA-5. .............................................................................. 83

viii

Índice de Tablas

Tabla 1. Composiciones de las 5 muestras del primer lote en la preparación del
copolímero p(NIPAAm-co-SPAK) .............................................................................. 41
Tabla 2. Composiciones de las 4 muestras del segundo lote en la preparación del
copolímero p(NIPAAm-co-SPAK). ............................................................................. 42
Tabla 3. Composiciones de las 5 muestras del primer lote en la preparación del
composito p(NIPAAm-co-SPAK)-Nanoarcilla modificada. ......................................... 45
Tabla 4. Composiciones de las 4 muestras del segundo lote en la preparación del
composito p(NIPAAm-co-SPAK)-Nanoarcillamodificada. ......................................... 45
Tabla 5. Composiciones de las 3 muestras del tercer lote en la preparación del
composito p(NIPAAm-co-SPAK)-Nanoarcilla modificada. ......................................... 46
Tabla 6. Composiciones de las 4 muestras del cuarto lote en la preparación del
composito p(NIPAAm-co-SPAK)-Nanoarcilla modificada. ......................................... 47
Tabla 7. Composiciones de las 5 muestras en la preparación del copolímero p(AAm-
co-SPAK)................................................................................................................... 50
Tabla 8. Composiciones de las 5 muestras en la preparación del composito p(AAm-
co-SPAK)-Nanoarcilla modificada. ............................................................................ 53
Tabla 9. Composiciones de las 4 muestras en la preparación del homopolímero
p(SPAK). .................................................................................................................. 56
Tabla 10. Composiciones de las 5 muestras en la preparación del composito
p(SPAK)-Nanoarcilla modificada. .............................................................................. 59
Tabla 11. Composiciones de las 5 muestras en la preparación del copolímero
p(NIPAAm-co-SPAK) sintetizados mediante polimerización frontal ......................... 62
Tabla 12. Resultados de los valores de velocidad final y temperatura máxima que se
obtuvieron de las 5 muestras de síntesis por polimerización frontal del copolímero
p(NIPAAm-co-SPAK). ............................................................................................... 76

Resumen

El presente trabajo consistió en sintetizar copolímeros (hidrogeles) y compositos
(hidrogeles) elaborados con base en N-Isopropilacrilamida (NIPAAm) y Acrilamida
(AAm); ambos fueron mezclados con la sal potásica del 3-sulfopropil acrilato (SPAK)
y añadiéndoles nanoarcilla modificada del tipo montmorillonita para el caso de los
compositos, variando diferentes parámetros como la cantidad de agua de disolución,
porcentaje en peso de entrecruzante Bisacrilamida (BIS) y porcentaje en peso de los
monómeros NIPAAm, AAm y SPAK mediante el mecanismo de polimerización
radicalaria, a través de la técnica de polimerización en masa. Una vez obtenidos los
copolímeros y compositos se les realizaron pruebas físicas de hinchamiento límite.
Asimismo se llevaron a cabo las síntesis de homopolímeros p(SPAK) y de
compositos p(SPAK)-Nanoarcilla modificada variando la cantidad de agua de
disolución y de nanoracilla. Para finalizar la parte experimental se realizó la síntesis
de copolímero p(NIPAAm-co-SPAK), mediante un proceso de polimerización frontal,
posteriormente se realizó un análisis comparativo de los resultados entre ambos
procesos.
Otras técnicas de caracterización aplicadas a estos hidrogeles y compositos fueron
microscopia electrónica de barrido (SEM), la cual nos permitió observar la
microestructura de los homopolímeros y de los compositos, finalmente la
espectroscopia de infrarrojo (FTIR), fue útil para detectar los grupos funcionales de
los componentes de los monómeros de NIPAAm, AAm y de la SPAK.
Los resultados generales obtenidos de esta investigación de la síntesis de los
homopolímeros, copolímeros y compositos polímero-arcillosos, fue que a través de la
caracterización física de la determinación del hinchamiento límite se observó que los
compositos aumentaban ligeramente su capacidad de hinchamiento además de que
tenían mejor aspecto en sus propiedades mecánicas sobre los hompolímeros y
copolímeros. El que mejor desempeño tuvo fue el monómero SPAK con altos
porcentajes de hinchamiento en comparación con la NIPAAm y AAm.

Antecedentes

Los nanocompositos polímero-arcillosos ofrecen una gran mejora en una amplia
gama de propiedades físicas y de ingeniería para polímeros con propiedades
mecánicas bajas. El desarrollo de este tipo de compositos se ha llevado a cabo
durante las últimas dos décadas y media. Hasta el momento, se han logrado
progresos significativos en el desarrollo de métodos sintéticos, la aplicación a
polímeros de ingeniería y la investigación de las principales propiedades de
ingeniería. Sin embargo, estamos lejos del final del túnel en cuanto a la comprensión
de los mecanismos del efecto potenciador en los nanocompuestos (Gao, 2004).

Los nanocompositos polímero-arcillosos son un ejemplo típico de la nanotecnología.
Esta clase de materiales utiliza arcillas de tipo esmectita, tales como hectorita,
montmorillonita y mica sintética, para mejorar las propiedades de los polímeros. Las
arcillas de tipo esmectita tienen una estructura en capas. Cada capa está construida
a partir de átomos de silicio coordinados tetraédricamente, fusionados en un plano
octaédrico compartido por los bordes de Al(OH)3 o Mg(OH)2. De acuerdo con la
naturaleza de la unión de estos átomos, las capas deben exhibir excelentes
propiedades mecánicas paralelas a la dirección de la capa. Sin embargo, las
propiedades mecánicas exactas de las capas no se conocen todavía. Se ha
estimado a partir de un trabajo de modelado reciente que el módulo de Young en la
dirección de la capa es de 50 a 400 veces mayor que el de un polímero. Las capas
tienen una elevada relación de aspecto y cada una tiene aproximadamente 1 nm de
espesor, mientras que el diámetro puede variar de 30 nm a varias micras o mayor.
Cientos o miles de estas capas se apilan junto con fuerzas débiles de van der Waals
para formar una partícula de arcilla. Con una configuración de este tipo, es posible
adaptar arcillas en diversas estructuras diferentes en un polímero (Gao, 2004).

A continuación se describen los trabajos más recientes enfocados a los compositos
polímero-arcillosos de tipo hidrogel que se han realizado en los últimos años y que
están relacionados con esta investigación:

Cortés, et al. (2011) sintetizaron mediante polimerización en microemulsión inversa
(agua-en-aceite) N-isopropilacrilamida a 25 °C para obtener partículas nanometricas
de NIPAAm dispersadas en macrogeles de NIPAAm los cuales absorben mayores
cantidades de agua y el módulo de Young es mayor que los hidrogeles tradicionales.
El procedimiento que llevaron a cabo fue mediante tubos cilíndricos a 25 °C en los
cuales se agregó sulfosuccionato de sodio/tolueno (42 mL) y 20 g de solución acuosa
de NIPAAm, la cual contenía 0.01 g de entrecruzante (BIS) y 0.01 g de iniciador
(KPS), esta mezcla se burbujeo durante 30 min para eliminar el oxígeno, enseguida
se adicionaba el acelerador de reacción (TMEDA), después de 30 minutos se obtuvo
un gel sólido, el cual se dejaba reaccionar por 24 hr mas, finalmente para llevar a
cabo una conversión completa el gel se introducía durante 24 hr más en una estufa a
45 °C. Para comparar los resultados se sintetizo además un hidrogel de NIPAAm
convencional utilizando una relación en peso monómero/agua de 4/44, empleando
las mismas relaciones de peso para los demás agentes. Una vez terminadas las
síntesis tanto de los hidrogeles se secaron al vacío a 45 °C, para eliminar el agente
tensoactivo se lavaron en agua bidestilada a 25 °C durante 3 días, después del
proceso de limpieza las muestras fueron cortadas en cilindros de 1 cm de espesor
por 2 cm de diámetro, se secaron 2 días a temperatura ambiente y después en
estufa de vació a 45 °C hasta obtener un peso constante. Las muestras fueron
caracterizadas mediante pruebas de hinchamiento límite así mismo se les aplicaron
pruebas mecánicas de esfuerzo deformación para obtener el módulo de Young.
Como conclusiones del trabajo se llegó a que mediante la microemulsión inversa de
NIPAAm se obtuvieron hidrogeles nanoestructurados de una sola etapa, además de
que en las pruebas de hinchamiento realizadas estos absorbieron mayores
cantidadesde agua en comparación con el hidrogel convencional de NIPAAm y se
obtuvieron además valores de módulo de Young mayores que los encontrados en el
hidrogel convencional.

El Halah, et al. (2011) sintetizaron tres tipos de hidrogeles súper absorbentes, los
cuales fueron: Poli(acrilamida-co-monoitaconato de metoxietilo) (AAm/MMOEI),
Poli(acrilamida-co-ácido itacónico (AAm/AI) y Poli(Acrilamida) (AAm), para analizar
los efectos de la composición y del porcentaje molar del agente entrecruzante y
aplicarlos en la absorción de iones de cobre, los dos primeros con las siguientes
proporciones molares: 70:30, 80:20, 90:10 y 100:0 a una temperatura de 60 °C por
24 horas, como iniciador se utilizó 1% mol de persulfato de amonio y como
entrecruzante N,N’-metilenbisacrilamida (BIS) al 1% y 3% molar respectivamente,
todos los reactivos se mezclaron bajo una mezcla de solvente de agua/etanol al
60:40%.
Las técnicas de caracterización que se aplicaron a los tres tipos de hidrogeles súper
absorbentes fueron FTIR para analizar la estructura química y TGA/TVA para medir
la degradación que sufren los hidrogeles bajo ciertas temperaturas y pruebas de
hinchamiento límite.
Como resultados obtuvieron que los hidrogeles AAm/MMOEI absorbieron más
cantidad de agua en comparación con los hidrogeles de AAm/AI y AAm; se obtuvo
que a mayor cantidad en porcentaje molar de MMO aumentaban los valores de
hinchamiento límite. Además se encontró que con 3% mol de entrecruzante es
menor la absorción de agua en comparación al 1% mol.
Para finalizar los hidrogeles se sometieron a contacto con una solución de CuSO4 y
se obtuvieron valores de hinchamiento 100 veces menores en comparación con el
contacto en agua, los hidrogeles cambiaron a un color azul, prueba de que
absorbieron iones de cobre.

Scognamillo, et al. (2011) sintetizaron dos polímeros: NIPAAm y SPAK, para
producir hidrogeles súper absorbentes de agua, realizaron varias síntesis variando el
entrecruzante de 1% a 5% mol y las cantidades de los monómeros de 0% a 100%
mol, total entre los 2 monómeros. El procedimiento de la síntesis fue disolver ambos
monómeros junto con el entrecruzante (BIS) y al último la adición del iniciador
(AMPS), todo disuelto en 3 mL de DMSO, las muestras se sintetizaron a través de
polimerización frontal, al finalizar se calcularon las temperaturas máximas y las
velocidades de esta técnica, las muestras se retiraron de los tubos de ensaye y se
lavaron para remover el disolvente.
De las muestras se concluyeron varios aspectos como por ejemplo, a menor cantidad
de entrecruzante se observó una velocidad de síntesis mayor, además de que la
temperatura máxima aumento a medida que la proporción molar de NIPAAm también
aumenta.
Las técnicas de caracterización utilizadas en las muestras fueron: microscopia MEB,
para analizar la estructura morfológica, encontrado aquí que el tamaño de los poros
es influenciado por la cantidad de entrecruzante en las muestras, a menor cantidad
de este, el tamaño de los poros es mayor. Hinchamiento límite, bajo esta técnica
física se obtuvo que este valor depende en gran medida de la cantidad de SPAK y
entrecruzante, al aumentar la cantidad de SPAK, el hinchamiento limite aumenta
considerablemente. Espectroscopia de Infrarrojo, esta técnica de análisis permitió
detectar los grupos funcionales de los monómeros utilizados en la síntesis así como
su comparación con el de los hidrogeles sintetizados. Calorimetría Diferencial de
Barrido, permitió detectar las temperaturas de transición vítrea (Tg) de las muestras,
este valor está influenciado por la cantidad de SPAK y entrecruzante, a menor
cantidad de BIS disminuye la Tg y aumenta la Tg cuando la cantidad de SPAK
disminuye.
Como conclusión se encontró que el SPAK posee los valores más altos en
hinchamiento, adicionalmente es más barato que la NIPAAm dándole a este ciertas
ventajas en un futuro sobre otros monómeros utilizados para sintetizar hidrogeles.

Yu, Liu, et al. (2011) sintetizaron un hidrogel NIPAAm-co-AAm y un hidrogel
nanocomposito de NIPAAm-co-Am/Montmorillonita por medio de polimerización de
radicales libres, el proceso consistió en preparar 3 soluciones de nanoarcilla (3%, 5%
y 7%) en peso (basados en el monómero) dispersando la arcilla en 15 mL de 0.5%
de una solución de ácido acético y mezclando por 24 horas. Después se disolvieron
0.6 g de entrecruzante N-maleilquitosan (NMACH) en 25 mL de agua destilada y se
mezclaron a 25 °C. Por último la arcilla modificada se añadió a la solución de N-
MACH y se agito durante 5 horas, los monómeros fueron introducidos, adicionando
0.45 mL de TEMED como acelerador de reacción, finalmente se adicionaron 4% en
masa de peroxodisulfato de amonio como iniciador.
Las pruebas de caracterización utilizadas en los nanocompósitos fueron:
hinchamiento límite, en un rango de temperatura de 25 a 45 °C, ensayos mecánicos
(ensayo de tensión y de elongación) encontrando mejores resultados en los que
contenían 5% en peso de arcilla, pruebas de degradación enzimática y pruebas de
estabilidad térmica en las que se encontraron fases de pérdida de peso: la primera a
65 °C con pérdida de 3.07%, la segunda a 161.2 °C con pérdida de 13.24% y la
tercera a 402.8 °C con pérdida de 79.33%.
Como conclusión el hinchamiento límite se encontró que disminuía al incrementar la
temperatura, además de que la temperatura de transición vítrea medida en las
pruebas de estabilidad térmica fue mayor en el composito en comparación con el
hidrogel, lo cual significa que las propiedades de estabilidad térmica son mejores en
el composito.

Los trabajos anteriormente citados en el apartado de antecedentes sirvieron para el
desarrollo de este trabajo en los siguientes aspectos: conocer el proceso que
llevaron a cabo para la síntesis de dichos hidrogeles y compositos según el
antecedente que aplica, además de conocer los parámetros y sus valores
correspondientes como lo son: cantidad de monómero, agentes, temperaturas de
síntesis etc., además también de conocer las pruebas de caracterización a las que
sometieron sus pruebas y que resultados obtuvieron, para finalmente conocer y

entender el porqué de sus conclusiones y compararlas a los resultados que se
obtuvieron en este trabajo en particular.

Delimitación del Problema

El proyecto de investigación se delimito en la síntesis de homopolímeros,
copolímeros y compositos polímero-arcillosos a partir de monómeros de NIPAAm,
AAm y SPAK mediante polimerización en masa y polimerización frontal como
además de caracterizar los homopolímeros, copolímeros y compositos polímero-
arcillosos mediante la determinación de hinchamiento límite, microscopia electrónica
de barrido y espectroscopia de infrarrojo.

El presente trabajo se realizó en el Laboratorio de Investigaciones en Ingeniería
Ambiental (LIIA) perteneciente al Instituto Tecnológico de Toluca; posteriormente se
llevaron a cabo trabajos complementarios en los Laboratorios de Posgrado de
Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto Tecnológico de Morelia e Instituto de
Investigaciones Metalúrgicas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de
Hidalgo (UMSNH).

Justificación

Actualmente las normas de regulación de contaminantes en el agua en México no
contemplan la mayoría de contaminantes emergentes del agua dentro de los cuales
se incluyen compuestos orgánicos volátiles y semivolátiles, esto explica que los ríos
lagunas y mantos freáticos están siendo contaminados sin ningún tipo de norma
regulatoria. Por tales motivos surge la necesidad de innovar e implementar el
desarrollo de nuevos materiales eficientes para la remoción total y parcial de estos
componentes del agua que son sumamente tóxicos y alteran los ecosistemas en
donde están presentes. Esta investigaciónpermitiría comparar las propiedades
físicas como el hinchamiento límite y el análisis microestructural y propiedades
químicas como el analisis molecular de los homopolímeros, copolímeros y
compositos polímero-arcilloso sintetizados a base de NIPAAm, AAm, SPAK, y
nanoarcilla modificada del tipo montmorillonita mediante polimerización en masa y
polimerización frontal con la finalidad de determinar para su futura implementación
en la remoción de contaminantes orgánicos tanto volátiles como semivolátiles en
aguas contaminadas.

Objetivos

Objetivo General

Sintetizar y caracterizar homopolímeros, copolímeros y compositos polímero-
arcillosos para determinar y comparar sus propiedades cuando los monómeros
presentan diferentes concentraciones de iniciador, agente entrecruzante y de
nanoarcilla modificada en su estructura.

Objetivos Específicos

 Determinar los monómeros que permitan llevar a cabo su polimerización y
posterior uso como matriz polimérica en la síntesis del composito.

 Seleccionar el material arcilloso que por sus propiedades sea compatible para
incorporarlo en la matriz polimérica.

 Establecer las condiciones óptimas de síntesis del composito polímero-
arcilloso.

 Caracterizar los materiales obtenidos para determinar sus propiedades físicas,
espectroscópicas y morfológicas a través de FTIR y MEB respectivamente.

Hipótesis

La síntesis de un composito polímero-arcilloso con la incorporación de una arcilla
natural o modificada se llevará a cabo a través de un proceso de polimerización por
radicales libres, esto conlleva ciertas ventajas como el aumento del área total de
adsorción en el composito así como la mejora en la capacidad de adsorción del
mismo, además de las propiedades mecánicas que confieran las arcillas harán que el
composito posea un mejor rendimiento y que cuente con un mayor refuerzo en su
estructura.

Marco de Referencia

Actualmente la mayoría de investigaciones que se han realizado en varios países del
mundo, incluido México, para la eliminación de contaminantes orgánicos de aguas
residuales tratan acerca del desarrollo y síntesis de compositos. Las mayoría de
investigaciones que se han realizado solo contemplaban la síntesis de diversos
hidrogeles poliméricos, por lo tanto, la síntesis de un compósito polímero-arcilloso
para su aplicación y uso en la remoción de compuestos orgánicos en el agua es una
propuesta novedosa y original.

Más aún la zona industrial del Valle de Toluca es considerada como una de las
zonas industriales más importantes del país, teniendo cerca de 500 empresas de
diferentes rubros como farmacéuticas, metal-mecánicas, automotrices, plásticos,
alimentos, etc. Al día de hoy se encuentra bajo un problema grave de contaminación
de agua entre los cuales se encuentran infinidad de contaminantes orgánicos
emergentes no regulados por las normas de calidad de agua, es por ello la
importancia que tiene el desarrollo de este tipo de materiales novedosos como los
compositos polímero-arcillosos.

Capítulo I. Introducción

La investigación y desarrollo de nuevos materiales para la remoción de
contaminantes orgánicos en las aguas residuales en los últimos años ha llamado la
atención de investigadores ante la necesidad de que actualmente los niveles de
contaminación en el agua son alarmantes por lo tanto surge la necesidad de
desarrollar materiales baratos con una óptima eficiencia. Los materiales aplicados
varían de acuerdo principalmente a los tipos de contaminantes presentes en el agua;
en la remoción de ciertos contaminantes emergentes se han desarrollado tanto
homopolímeros, copolímeros (ambos hidrogeles) y compositos (hidrogeles),
aprovechando las propiedades de hinchamiento de estos mismos.

La investigación en el campo de los homopolímeros, copolímeros y compositos
polímero-arcillosos específicamente en la síntesis polimérica de componentes tales
como la NIPAAm, AAm y SPAK dentro de la matriz y como refuerzo la nanoarcilla
modificada es relativamente nueva, esto nos lleva a plantear diversas interrogantes
con las cuales algunas fueron respondidas en el desarrollo de esta investigación.

En esta investigación se sintetizaron varios tipos de homopolímeros, copolímeros y
compositos para comparar sus propiedades físicas, químicas y morfológicas, como el
hinchamiento límite y su influencia al variar los parámetros como el entrecruzante
BIS, la cantidad de agua de disolución y la cantidad de nanoarcilla modificada, el
análisis infrarrojo para detectar los grupos funcionales y el análisis de MEB para
analizar la microestructura de los homopolímeros, copolímeros y compositos.

El objetivo del presente trabajo fue llevar a cabo las síntesis y caracterización de los
homopolímeros, copolímeros y compositos polímero-arcillosos para determinar y
comparar sus propiedades cuando los monómeros presentan diferentes
concentraciones de iniciador, agente entrecruzante y nanoarcilla modificada en su
estructura.

Capítulo II. Marco Teórico

2.1. Materiales Compuestos

2.1.1. Definición

Los materiales compuestos son combinaciones macroscópicas de dos o más
materiales diferentes que poseen una interfase discreta y reconocible que los separa.
Debido a ello son heterogéneos es decir sus propiedades no son las mismas en todo
su volumen. Si bien algunos materiales compuestos son naturales (como la madera o
el hueso), la gran mayoría de los materiales compuestos utilizados en la actualidad
son diseñados y fabricados por el hombre (Stupenengo, 2011).

2.1.2. Componentes

2.1.2.1. Matriz

La matriz es la fase continua en la que el refuerzo queda incorporado. Tanto
materiales metálicos, cerámicos o resinas orgánicas pueden ser esta fase. A
excepción de los cerámicos, el material que se elige como matriz no es, en general,
tan rígido ni tan resistente como el material de refuerzo (Stupenengo, 2011).

Las funciones principales de la matriz son: definir las propiedades fisicoquímicas,
transmitir las cargas al refuerzo, protegerlo y brindarle cohesión además de permitir
determinar algunas características del material compuesto como la conformabilidad y
el acabado superficial (Stupenengo, 2011).

Las propiedades de la matriz son: soportar al refuerzo manteniéndolas en su posición
correcta; transferir la carga al refuerzo, protección para evitar sufrir daños durante su
manufactura y uso; y evitar la propagación de grietas en el refuerzo en todo el
compuesto. La matriz, por lo general, es responsable del control principal de las

propiedades eléctricas, el comportamiento químico y el uso a temperaturas elevadas
del compuesto (Stupenengo, 2011).

2.1.2.2. Refuerzo

Es la fase discontinua (o dispersa) que se agrega a la matriz para conferir al
compuesto alguna propiedad que la matriz no posee. En general, el refuerzo se
utiliza para incrementar la resistencia y rigidez mecánicas pero, también, se emplean
refuerzos para mejorar el comportamiento a altas temperaturas o la resistencia a la
abrasión.
El refuerzo puede ser en forma de partículas o de fibras. Como regla general, es más
efectivo cuanto menor tamaño tienen las partículas y más homogéneamente
distribuidas están en la matriz, o cuando se incrementa la relación longitud/diámetro
de la fibra (Stupenengo, 2011).

2.1.2.3. Interfase

Además de las características de las fibras y de la matriz, las propiedades de los
materiales compuestos dependerán de cómo sea la interfase (la región de contacto)
entre estos dos componentes. Si la interfase es débil, la transferencia de carga de la
matriz al refuerzo no será eficiente y/o bien será la matriz la que termine soportando
las cargas (y fallando, puesto que no es muy resistente), o se producirán huecosentre la matriz y el refuerzo, lo cual llevará a la rotura de la pieza (Stupenengo,
2011).

2.1.3. Compuestos de matriz polimérica

Son los más comunes además de que también se los conoce como polímeros (o
plásticos) reforzados con partículas o fibras. La matriz es un polímero y una variedad
de partículas tales como las arcillas, fibras tales como las de vidrio, las de carbono o
las aramídicas, se utilizan como refuerzo (Stupenengo, 2011).

2.1.4. Materiales compuestos reforzados con partículas

El término “grande” se utiliza para indicar las interacciones entre la matriz y las
partículas a un nivel macroscópico. Estos materiales están diseñados para producir
combinación de propiedades poco usuales, y no para mejorar la resistencia
mecánica en ciertos casos específicos (Stupenengo, 2011).

En el caso de los polímeros, son comúnes los materiales reforzados con negro de
humo que son micropartículas de carbono (con diámetros entre 20 y 500 nm),
esencialmente esféricas, producidas por la combustión incompleta del gas natural u
otros derivados del petróleo. La adición de este material (muy económico) al caucho
vulcanizado, aumenta la tenacidad y las resistencias a la tracción, torsión y desgaste,
además de mejorar la resistencia al calor, véase la Figura 1 (Stupenengo, 2011).

Figura 1. Composito polímero arcilloso, se muestran las 3 formas distintas en las que la arcilla se
incorpora a la matriz polimérica.

En algunos polímeros se utilizan aditivos como los dilatadores tales como el
carbonato de calcio, esferas sólidas de vidrio y diversas arcillas, a fin de lograr que
se requiera una menor cantidad de polímero y se reduzca el costo. Los dilatadores
pueden hacer más rígido al polímero, incrementando su dureza, su resistencia al
desgaste, su conductividad térmica y mejorando su resistencia a la termofluencia; sin
embargo, normalmente, reducen la tenacidad y la ductilidad (Stupenengo, 2011).

2.2. Polímeros

Un polímero es una sustancia formada por macromoléculas, es decir, moléculas que
contienen una cantidad muy grande de átomos y tienen un alto peso molecular. El
almidón, la celulosa, la seda y el ADN son ejemplos de polímeros naturales.

Entre los muchos polímeros sintéticos están el nylon, el polietileno y la baquelita. Los
polímeros no necesitan ser homogéneos, y la mayoría no lo son. Aún uno tan sencillo
como el polietileno es una mezcla de macromoléculas con distintas longitudes de
cadena y distintos grados de ramificación.

2.2.1. Reacción de Polimerización Radicalaria

La reacción de polimerización radicalaria consta de las tres etapas básicas de una
reacción en cadena. La primera etapa llamada iniciación, genera un compuesto o
reactivo intermediario a partir de un monómero. Ese intermediario es capaz de
reaccionar con otro monómero para dar una nueva especie reactiva de mayor
tamaño molecular y este proceso puede repetirse un número elevado de veces. En la
etapa de propagación se produce el alargamiento de la cadena polimérica y en la
etapa de terminación las especies reactivas que permiten el crecimiento de la cadena
se eliminan o estabilizan y se detiene la polimerización.

En la etapa de iniciación debe formarse una pequeña cantidad de radicales libres.
Uno de los radicales formados reacciona con el monómero para dar lugar a la
formación de un nuevo radical que es el que va a iniciar el proceso de polimerización.

La formación de los primeros radicales puede conseguirse a partir del propio
monómero, mediante calentamiento a elevadas temperaturas o irradiación
fotoquímica, pero resulta más habitual la adición de un iniciador en pequeñas
cantidades. Un iniciador es un compuesto que se descompone a temperaturas
moderadas generando radicales libres.

La propagación consiste en que el radical inicialmente formado a partir de una
molécula de monómero reacciona a su vez con otro monómero, de modo que se van
adicionando sucesivamente unidades de monómero por el extremo de la cadena
donde se encuentra el centro radicalario, estas reacciones permiten el crecimiento de
la cadena.

La etapa de propagación continuaría teóricamente hasta que todos los monómeros
se consuman. Sin embargo, los pares de radicales también tienen una tendencia a
reaccionar entre sí y por lo tanto la de terminar sus actividades. La terminación
puede ocurrir a través de la combinación o desproporción. En el caso de
combinación o de acoplamiento, dos cadenas de polímero en crecimiento reaccionan
entre sí formando una sola cadena de polímero no reactivo. Y en el caso de
desproporción, un átomo de hidrógeno es transferido de un radical a otro dando
como resultado dos polímeros, uno con un extremo saturado y el otro con un extremo
insaturado y cada uno con un fragmento iniciador de uno, véase la Figura 2.

Figura 2. Etapas de la polimerización por radicales libres.

2.2.2. Copolímero

Es aquel que se produce utilizando monómeros distintos. El empleo de varios
monómeros en la preparación de un polímero permite una mayor versatilidad a la
hora de intentar configurar las propiedades del producto final, pero puede conferirle
una complejidad estructural mucho mayor. Dependiendo de la reactividad relativa de
los distintos monómeros y de las condiciones de preparación podremos obtener
copolímeros alternos, aleatorios, de bloque o injertados.

2.2.2.1. Copolímero Alterno

Cuando los dos monómeros están dispuestos según un ordenamiento alternado, el
polímero es denominado obviamente, un copolímero alternante, véase la Figura 3.

Figura 3. Secuencia de los monómeros en un copolímero alternante.

2.2.2.2. Copolímero Aleatorio

Cuando los dos monómeros están dispuestos siguiendo cualquier orden de acomodo
sin seguir un patrón lógico, véase la Figura 4.

Figura 4. Secuencia de los monómeros en un copolímero aleatorio.

2.2.2.3. Copolímero de Bloque

En un copolímero en bloque, todos los monómeros de un mismo tipo se encuentran
agrupados entre sí, al igual que el otro tipo de monómeros. Un copolímero en bloque
puede ser imaginado como dos homopolímeros unidos por sus extremos, véase la
Figura 5.

Figura 5. Secuencia de los monómeros en un copolímero en bloque.

2.2.2.4. Copolímero de Injerto

Un copolímero de injerto es cuando las cadenas de éste son formadas a partir del
monómero B producto de una polimerización de adición, que se encuentran
injertadas en una cadena polimérica del monómero A, véase la Figura 6.

Figura 6. Secuencia de los monómeros en un copolímero de injerto.

2.2.3. Hidrogel

Originalmente, Wichterle y Lim introdujeron un tipo de gel hidrófobo para usos
biológicos en la década de 1960. Más tarde, una gran suma de esfuerzos y estudios
se han dedicado a promover y extender las ventajas atribuidas a los hidrogeles. Con
mayor frecuencia la tecnología del hidrogel ha dado lugar a avances dramáticos en la
industria farmacéutica y biomédica. Por definición, los hidrogeles son redes
poliméricas con configuración tridimensional capaces de absorber grandes
cantidades de agua o fluidos biológicos (Hamidi, et al., 2008).

La capacidad de los hidrogeles de hincharse en presencia de agua surge de los
grupos hidrófilos unidos a la cadena principal del polímero mientras que su
resistencia a la disolución proviene de las reticulaciones químicas o físicas entre las
cadenas de polímero (Puig, et al., 2001).

Su afinidad para absorber agua se atribuye a la presencia de grupos hidrófilos tales
como -OH, -CONH-, -CONH2-, y -SO3H, que forman las estructuras de hidrogel.

Debido a la contribución de estos grupos y los dominios en la red, el polímero es por
lo tanto hidratado en diferentes grados (a veces, más de 90% en peso), dependiendo
de la naturalezadel medio acuoso y la composición de polímero.

En contraste, las redes poliméricas de características hidrófobas (por ejemplo el poli
ácido láctico) (PLA) o el ácido poli(láctico-co-glicólico) (PLGA), tienen capacidades
límitadas de absorción de agua (<5 a 10%). Mientras que el contenido de agua de un
hidrogel determina sus características físico-químicas únicas, estas estructuras
tienen algunas propiedades físicas comunes que se asemejan a las de los tejidos
vivos, que cualquier otra clase de biomateriales sintéticos, que se atribuye a su alto
contenido de agua, su suave consistencia, y baja tensión interfacial con agua o
fluidos biológicos.

A pesar de su alta afinidad de absorción de agua, los hidrogeles muestran un
comportamiento de hinchamiento en lugar de disolverse en el entorno acuoso
circundante como consecuencia de las reticulaciones críticas presentes en la
estructura del hidrogel. Estos enlaces entrecruzados son de dos categorías
principales, incluyendo: i) físicas (enredos o cristalitos), y ii) químicas (puntos de
enlace y cruces). Los enlaces entrecruzados en la red de polímero son
proporcionados mediante enlaces covalentes, la unión de hidrógeno, interacciones
de van der Waals, o enredos físicos (Hamidi, et al., 2008).

2.2.4. Polímeros Inteligentes

Los polímeros inteligentes son materiales que tienen una o más propiedades que se
pueden cambiar significativamente de una manera controlada por estímulos
externos, tales como: de tensión, de temperatura, de humedad, de pH, eléctricos y
magnéticos.

2.2.4.1. Polímeros Termoresponsivos

Los polímeros termoresponsivos son un tipo de material inteligente que tiene la
habilidad de responder a un cambio de temperatura. Estos tipos de polímeros son
usados para aplicaciones biomédicas, muestran una transición en su fase de
volumen a cierta temperatura la cual causa un cambio repentino en su estado de
solvatación. Polímeros del tipo LCST están basados en NIPAAM (N-
Isopropilacrilamida), DEAM (Dietilacrilamida), MVE (Metil vinil eter) y NVCL (N-Vinil
caprolactama), mientras que del tipo UCST están basados en la combinación de
monómeros del tipo AAm (Acrilamida) y AAc (Ácido Acrílico) (Gandhi, et al., 2015).

El término termoresponsivo se utiliza comúnmente cuando la propiedad en cuestión
es la solubilidad en un disolvente dado, pero también se puede utilizar cuando otras
propiedades se ven afectadas. Los polímeros termosensibles pertenecen a la clase
de materiales estimulo-responsivos, en contraste con los materiales sensibles a la
temperatura (para abreviar, termoresponsible), que cambian sus propiedades de
forma continua con las condiciones ambientales. En un sentido más estricto, los
polímeros termosensibles muestran una brecha de miscibilidad en su diagrama de
temperatura-composición. Dependiendo de si el intervalo de miscibilidad se
encuentra a temperaturas altas o bajas, existe una temperatura crítica superior o
inferior de la solución, respectivamente (abreviado UCST o LCST).

2.2.4.1.1. Temperatura critica superior de la solución (UCST)

Es la temperatura crítica superior a la que los componentes de una mezcla son
miscibles en todas sus proporciones. La palabra superior indica que el UCST es una
cota superior a un intervalo de temperatura de miscibilidad parcial, o miscibilidad sólo
para ciertas composiciones. Por ejemplo, mezclas de hexano - nitrobenceno tienen
una UCST de 19 °C, de modo que estas dos sustancias son miscibles en todas las
proporciones anteriores 19 °C pero no a temperaturas más bajas. Ejemplos a
temperaturas más altas son el sistema de anilina - agua a 168 °C (a presiones lo
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1818087614000634

suficientemente altas como para que exista agua líquida a esa temperatura), y el
sistema de plomo y zinc a 798 °C (una temperatura en que ambos metales son
líquidos).

Algunas soluciones de polímeros también tienen una temperatura crítica de solución
inferior (LCST) o límite inferior de un intervalo de temperatura de miscibilidad parcial.
Para ciertas soluciones de polímero la LCST es mayor que la UCST, de modo que
hay un intervalo de temperatura de miscibilidad completa, con miscibilidad parcial a
ambas temperaturas más altas y más bajas.

El UCST y LCST de mezclas de polímeros en general dependen del grado de la
polimerización, la polidispersidad y ramificación.

El modelo mecánico estadístico fundamental para la UCST de polímeros es la teoría
de solución Flory-Huggins.

2.2.4.1.2. Temperatura critica inferior de la solución (LCST)

Es la temperatura crítica por debajo de la cual los componentes de una mezcla son
miscibles para todas sus composiciones.

Algunas soluciones de polímero tienen una LCST a temperaturas más altas que el
UCST. Esto significa que hay un intervalo de temperatura de miscibilidad completa,
con miscibilidad parcial a ambas temperaturas más altas y más bajas.

En el caso de soluciones de polímeros, la LCST también depende del grado de
polímero de la polimerización, la polidispersidad y la ramificación, así como en la
composición y arquitectura del polímero. Un polímero prominente que posee una
LCST es la poli (N-Isopropilacrilamida), en agua, que sufre una transición colapso
reversible relacionado con la LCST a 33 °C. Otro monómero cuyo homopolímeros y

copolímeros que exhiben un comportamiento LCST en solución es el 2-
(dimetilamino) etil metacrilato.

La LCST depende de la preparación del polímero y en el caso de los copolímeros,
las relaciones de los monómeros, así como la naturaleza hidrófoba o hidrófila del
polímero.

2.2.4.2. Clases de polímeros termosensibles seleccionados

2.2.4.2.1. N-Isopropilacrilamida (NIPAAm)

La poli(NIPAAm) es un polímero sensible a la temperatura que fue sintetizado por
primera vez en la década de 1950 (Schild, 1992). Se puede sintetizar a partir del
monómero N-isopropilacrilamida que está disponible comercialmente. Se sintetiza a
través de polimerización por radicales libres por lo que es útil en una gran variedad
de aplicaciones.
Se forma un hidrogel tridimensional cuando es reticulado con N,N'-metilen-bis-
acrilamida (BIS) o N,N'-cistamina-bis-acrilamida (CBAM). Cuando se calienta en
agua por encima de 32 °C (90 °F), se somete a una transición de temperatura critica
inferior de la solución (LCST) desde un estado hidratado hinchado a un estado
deshidratado encogido, perdiendo aproximadamente el 90% de su volumen. Dado
que la NIPAAm expulsa su contenido líquido a una temperatura próxima a la del
cuerpo humano, la NIPAAm ha sido estudiada por muchos investigadores para
posibles aplicaciones en la ingeniería de tejidos (von Recum, et al., 1998; Lee, et al.,
2010) y la entrega controlada de fármacos. (Chung, et al., 1999; Hu Yan, et al., 2005;
Antunes, et al., 2009). Véase la Figura 7.

Figura 7. Fórmula química desarrollada de la NIPAAm.

PNIPAAm es el candidato más prominente candidato como polímero
termoresponsivo a pesar de que un segundo polímero en esta clase tiene una
temperatura de transición casi idénticos: PDEAm (Poli N,N-dietilacrilamida). Sin
embargo, la temperatura de transición de PDEAm depende de la tacticidad del
polímero, que está en contraste con PNIPAAm. Su biocompatibilidad y la posición de
la LCST a 32-33 °C hacen que el PNIPAAm sea un material muy interesante, por
ejemplo, para la aplicación de liberación controlada de fármacos. La LCST de la
P(NIPAAm) es independiente del peso molecular y la concentración, pero puede ser
cambiado a la modificación del equilibrio hidrófilo o hidrófobo.

2.2.4.2.2. Acrilamida (AAm)

Es un monómero con la fórmula química C3H5NO. Su nombre IUPAC es prop-2-
enamida. Es un monómero inodoro y cristalino en estado sólido de color blanco,
soluble en agua, etanol,éter y cloroformo. La acrilamida se descompone en
presencia de ácidos, bases, agentes oxidantes, hierro y sales de hierro. Se
descompone no térmicamente para formar amoníaco, y la descomposición térmica
produce monóxido de carbono, dióxido de carbono, y óxidos de nitrógeno, véase la
Figura 8.

Figura 8. Fórmula química desarrollada de la acrilamida.

La acrilamida se puede preparar por la hidrólisis de acrilonitrilo por nitrilo hidratasa.
En la industria, la mayoría de la acrilamida se utiliza para sintetizar poliacrilamidas,
que encuentran muchos usos como espesantes solubles en agua. Estos incluyen el
uso en el tratamiento de aguas residuales, electroforesis en gel (SDS-PAGE),
fabricación de papel, procesamiento de minerales, la recuperación terciaria de
petróleo, y la fabricación de telas de planchado permanente. También se utiliza en la
fabricación de colorantes y la fabricación de otros monómeros.

Una red interpenetrante de poli(ácido acrílico) y poliacrilamida es uno de los pocos
ejemplos de un sistema con un comportamiento UCST en el entorno biomédico. La
temperatura de transición es a 25 °C. El comportamiento UCST es causado por los
efectos de cooperación procedentes de los enlaces de hidrógeno entre AAc y
unidades AAm.

2.2.4.2.3. Sal potásica del 3-sulfopropil acrilato (SPAK)

La SPAK es un novedoso monómero solido cristalino de color blanco que
recientemente ha llamado la atención de investigadores a nivel internacional, que
cuando pasa por un proceso de síntesis ocurre la polimerización del monómero
formando un hidrogel transparente, adquiriendo este polímero una gran capacidad de
hinchamiento conforme se somete a contacto con agua u otro liquido ya sea orgánico
o inorgánico, la fórmula química de la SPAK es H2C=CHCO2(CH2)3SO3K. Se utiliza
además para introducir sitios polares cuando se copolimeriza con otros monómeros
como NIPAAm y AAm en las cadenas de estos polímeros, además confiere
estabilidad de corte a la dispersión acuosa del polímero. De recién uso en la
investigación para la síntesis de homopolímeros, copolímeros (hidrogeles) y
compósito polímero-arcillosos junto con la NIPAAm, se ha utilizado para el estudio de
la adsorción de contaminantes presentes en soluciones acuosas. Se ha encontrado
en recientes investigaciones que posee mejores propiedades de hinchamiento en
relación a la NIPAAm además de que sus costos están por debajo de la mitad de los

costos de la NIPAAm, haciendo de la SPAK un candidato fuerte a sustituir en futuros
desarrollos de hidrogeles e hidrogeles compositos a la NIPAAm, véase la Figura 9.

Figura 9. Formula química desarrollada del SPAK.

2.2.5. Técnicas de Polimerización

Las técnicas de polimerización se diferencian de los mecanismos en que estos
últimos se refieren a la forma en la cual la especie química (radicalaria, aniónica,
catiónica, por pasos) lleva a cabo la reacción, mientras que las técnicas de
polimerización se refieren al medio en el cual ocurre la síntesis polimérica
(disolución, masa, suspensión o emulsión).

2.2.5.1. Polimerización en Masa

La polimerización en masa o polimerización in-situ se lleva a cabo añadiendo un
iniciador soluble al monómero o monómeros puros en estado líquido. El iniciador
debe disolverse en el monómero. La reacción se inicia calentando o exponiendo a
radiación la mezcla de monómeros e iniciador; a medida que transcurre la reacción,
la mezcla se vuelve más viscosa. La reacción es exotérmica y se produce una amplia
gama de masas moleculares, véase la Figura 10.

Figura 10. Síntesis de copolímeros p(AAm-co-SPAK) mediante
polimerización en masa, obsérvese la utilización de un aislante térmico.

La polimerización en masa se lleva a cabo en ausencia de cualquier disolvente o
dispersante y es por lo tanto la más simple en términos de formulación. Se utiliza
para la mayoría de los polímeros de crecimiento gradual y en muchos tipos de
polímeros de crecimiento en cadena. En el caso de reacciones de crecimiento de
cadena, que son generalmente exotérmicas, el calor desarrollado puede hacer que la
reacción se vuelva demasiado vigorosa y difícil de controlar a menos que el
enfriamiento sea eficiente.

La polimerización en masa tiene varias ventajas sobre otros métodos, estas ventajas
son:

 El sistema es simple y requiere aislamiento térmico.
 El polímero obtenido es puro.
 Las fundiciones grandes se pueden preparar directamente.
 La distribución del peso molecular se puede cambiar fácilmente con el uso de
un agente de transferencia de cadena.
 El producto obtenido tiene alta claridad óptica.

Desventajas:

 La transferencia de calor y la mezcla se hacen difíciles a medida que aumenta
la viscosidad de la reacción.
 El problema de la transferencia de calor se ve afectado por la naturaleza
altamente exotérmica de la polimerización por la adición de radicales libres.
 La polimerización se obtiene con una amplia distribución de pesos
moleculares debido a la alta viscosidad y a la falta de una buena transferencia
de calor.
 Se obtienen pesos moleculares muy bajos.

2.2.5.2. Polimerización Frontal

La polimerización frontal es un proceso novedoso y de reciente uso como técnica de
polimerización que permite convertir un monómero en un polímero vía una reacción
de polimerización localizada, iniciada en un extremo del sistema mediante un
estímulo térmico o fotoquímico (hv); dicho estimulo desencadena una onda térmica
de propagación que avanza frontalmente (Ramirez, et al., 2008).

La polimerización frontal comienza cuando una fuente de calor o luz entra en
contacto con la superficie de una solución de monómero o iniciador térmico o
fotoquímico, formándose un frente de polimerización en el área de contacto, el cual
presenta una determinada velocidad de propagación y la energía debida a la
exotermicidad del sistema que se difunde a través de la región adyacente,
aumentado la temperatura y la velocidad de la reacción, véase la Figura 11 (Ramirez,
et al., 2008).

Figura 11. Esquema de un proceso de polimerización frontal de arriba hacia abajo.

Existen 2 tipos de polimerización frontal, según la fuente utilizada para la iniciación
de la misma, esta puede clasificarse en: polimerización frontal térmica, en la cual se
utiliza generalmente calor como fuente de energía externa, y polimerización frontal
fotoinducida, donde la reacción de polimerización se inicia mediante una fuente de
luz generalmente luz ultravioleta (Ramirez, et al., 2008).

2.3. Arcillas

Las arcillas son materias primas plásticas debido a su acomodo estructural del tipo
filosilicato y es el principal ingrediente en la mayoría de las piezas cerámicas, es
importante saber tanto como sea posible acerca de sus propiedades para entender
sus funciones y posibilidades (Ayala, 2012).

El término arcilla se aplica a aquellos depósitos térreos naturales que poseen la
singular propiedad de plasticidad. Existen arcillas en depósitos de naturaleza muy
variable en muchas partes del mundo. No existen dos depósitos que tengan

exactamente la misma arcilla ya que frecuentemente muestras distintas de arcilla del
mismo depósito difieren entre sí (Ayala, 2012).

Las arcillas están constituidas principalmente de sílice (SiO2), alúmina (Al2O3) y agua
(H2O). A mayor contenido de alúmina en una arcilla es mayor es refractariedad, pero
menor su capacidad de sinterizado. El agua cristalizada en las arcillas causa que
ocurra contracción de volumen cuando por calentamiento ocurre la deshidratación
(Ayala, 2012).

2.3.1. Estructura Cristalina de las Arcillas

La estructura cristalina de las arcillas está constituida por dos unidades básicas:

a) Una hojatetraédrica compuesta de tetraedros individuales de SiO4, en la cual
las bases triangulares de tetraedros vecinos están ligadas compartiendo tres
de sus cuatro oxígenos, para de esa manera dar forma a una red hexagonal
infinita. Todas las puntas de los tetraedros (los oxígenos apicales) están
orientados del mismo lado de la hoja. El silicio del centro del tetraedro puede
ser, en parte, sustituido por Al o Fe.
b) Una hoja octaédrica compuesta de octaedros individuales que se ligan entre si
lateralmente compartiendo uno de los bordes del octaedro. En la posición
central de cada octaedro se ubican iones positivos (Al o Mg) y en las esquinas
del octaedro se localizan iones negativos (O u OH).
Cuando el octaedro es el de brucita Mg(OH)2, cada uno de los tres octaedros
ligados contiene un ion central de Mg. La esquina de cada octaedro estará
ocupada con un grupo hidroxilo OH, de carga total igual a -6. Pero como cada
uno de los hidroxilos es compartido por tres octaedros, entonces, la carga neta
negativa de cada octaedro es igual a -6x1/3 = -2, justo para neutralizar el Mg
central del octaedro, véase la Figura 12 (Ayala, 2012).

Figura 12. Estructura cristalina de la arcilla tipo esmectita, montmorillonita.

Cuando el ion central es Al, solo dos de cada tres posiciones centrales de los
octaedros ligados está ocupado por Al, mientras que una posición central de
uno de los tres octaedros permanece vacía. El mineral gibsita consiste de
hojas de octaedros con el Al en el centro (Ayala, 2012).

Una hoja octaédrica en la cual todos los centros de los octaedros están
ocupados con iones divalentes (tal como ocurre en la brucita), es llamada hoja
trioctaédrica. En el caso de la hoja octaédrica de la gibsita, en la que
únicamente 2 de cada 3 posiciones centrales de los octaedros, están
ocupadas, es conocida como hoja dioctaédrica (Ayala, 2012).

Entonces, la estructura de los minerales de arcilla consiste de la hoja
tetraédrica unida a la hoja octaédrica por medio de los oxígenos apicales de
los tetraedros que se encuentran sin compartir con otros tetraedros, y por
grupos (OH) de la hoja de gibsita o de brucita, de forma tal que, en el plano de

unión queda un (OH) en el centro de cada hexágono formado por 6 oxígenos
apicales. El resto de los (OH) son reemplazados por los oxígenos de los
tetraedros. A la unión de una hoja tetraédrica con una hoja octaédrica se le
conoce como lámina, véase la Figura 13 (Ayala, 2012).

Figura 13. Estructura cristalina típica de las arcillas, se observa la capa de silicato que se compone de
una hoja octaédrica y de una hoja tetraédrica de silicio.

En la superficie opuesta de la hoja octaédrica que se une a una tetraédrica, se
puede dar la unión con otra hoja tetraédrica. Así, los filosilicatos que son los
minerales que constituyen a las arcillas se pueden clasificar en:

a) Filosilicatos dilaminares 1:1 o T-O, que están formados por la unión de dos
hojas, una tetraédrica (T) y una octaédrica (O)
b) Filosilicatos trilaminares 2:1 o T-O-T, que están formados por tres hojas,
una octaédrica y dos tetraédricas.
c) Filosilicatos trilaminares 2:1:1 o T-O-T-O, que poseen una hoja octaédrica
adicional intercalada entre dos capas TOT.

Varias láminas se pueden juntar unas con otras por medio de cationes entre
láminas, por fuerzas de Van Der Waals, o por enlaces de hidrógeno. De esta
manera se da origen a un cristal de un mineral de arcilla (Ayala, 2012).

2.3.2. Nanoarcillas

Las nanoarcillas son nanopartículas de minerales en capas de silicatos que
dependiendo de la composición química y de la morfología de las nanopartículas, las
nanoarcillas se organizan dentro de varias clases como lo son la montmorillonita,
bentonita, caolinita, hectorita y halloysita. Las nanoarcillas orgánicamente
modificadas (organoarcillas) son un tipo atractivo de nanomateriales híbridos
orgánicos-inorgánicos con usos potenciales como modificadores reológicos,
absorbentes de gas y portadores de administración de fármacos.

2.3.2.1. Nanoarcillas de Montmorillonita

La montmorillonita tipo placa es la nanoarcilla más utilizada en aplicaciones de
materiales. La montmorillonita consiste en capas de aluminosilicatos de ~ 1 nm de
espesor, sustituidas superficialmente con cationes metálicos y apilados en
multicapas de ~ 10 μm de tamaño. Dependiendo de la modificación superficial de las
capas de arcilla, la montmorillonita puede dispersarse en una matriz polimérica para
formar nanocompuestos polímero-arcillosos.

2.4. Técnicas de Caracterización

La caracterización de polímeros es la rama analítica de la ciencia de polímeros la
cual se refiere a la caracterización de los materiales poliméricos en una variedad de
niveles. La caracterización tiene típicamente como objetivo analizar y mejorar el
rendimiento del material. Como tal, muchas técnicas de caracterización idealmente
deben estar vinculados a las propiedades deseables del material tales como la
resistencia, propiedades termoresponsivas, impermeabilidad, estabilidad térmica, y
propiedades ópticas. (Chartoff, 2013). Las técnicas de caracterización se utilizan
normalmente para determinar la masa molecular, la estructura molecular, la
morfología, propiedades térmicas y propiedades mecánicas. (Campbell, et al, 1989).

2.4.1. Estructura Molecular

Muchas de las técnicas analíticas usadas para determinar la estructura molecular de
los compuestos orgánicos desconocidos también se utilizan en la caracterización de
polímeros. Las técnicas espectroscópicas tales como la espectroscopia ultravioleta-
visible, espectroscopia de infrarrojo, espectroscopia Raman, espectroscopia de
resonancia magnética nuclear, espectroscopia de resonancia de spin electrónico,
difracción de rayos X, y espectrometría de masas se utilizan para identificar los
grupos funcionales comunes.

2.4.1.1. Espectroscopia Infrarroja

La espectroscopia infrarroja es la que se ocupa de la región infrarroja del espectro
electromagnético, que es la luz con una longitud de onda mayor y de menor
frecuencia que la luz visible. Cubre una amplia gama de técnicas, en su mayoría
basadas en la espectroscopia de absorción. Como con todas las técnicas
espectroscópicas, que puede ser utilizado para identificar y estudiar los productos
químicos. Para una muestra dada que puede ser sólido, líquido o gaseoso, el método
o la técnica de la espectroscopia de infrarrojo utiliza un instrumento llamado
espectrómetro infrarrojo (o espectrofotómetro) para producir un espectro de
infrarrojos. Un espectro IR de base es esencialmente un gráfico de absorbancia de
luz infrarroja (o de transmitancia) en el eje vertical frente a la frecuencia o longitud de
onda en el eje horizontal. Las unidades típicas de frecuencia utilizada en los
espectros IR son centímetros recíprocos (a veces llamados números de onda), con el
símbolo cm-1. Las unidades de longitud de onda IR se dan comúnmente en
micrómetros (antes llamadas "micras"), que están relacionados con números de onda
de manera recíproca. Un instrumento de laboratorio común que utiliza esta técnica es
el espectrómetro de la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR).

La porción infrarroja del espectro electromagnético se divide generalmente en tres
regiones; el corto, mediano y lejano infrarrojo, llamada así por su relación con el

espectro visible. La energía más alta en el infrarrojo cercano, aproximadamente
14000-4000 cm-1 (0,8-2,5 micras de longitud de onda) puede excitar insinuación o
vibraciones armónicas. Los infrarrojo medio, aproximadamente 4000-400 cm-1 (2,5 a
25 micras) pueden ser utilizados para estudiar las vibraciones fundamentales y la
estructura de rotación-vibración asociado. El infrarrojo lejano, aproximadamente 400
a 10 cm-1 (25 a 1000 micras), situadaadyacente a la región de microondas, tiene
bajo consumo de energía y se puede utilizar para la espectroscopia de rotación. Los
nombres y las clasificaciones de estas subregiones son convenciones, y sólo están
vagamente basadas en las propiedades moleculares o electromagnéticas relativas.

2.4.1.2. Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR)

Es la técnica de medición que permite grabar los espectros infrarrojos que se
encuentran en la región lejana. La luz infrarroja es guiada a través de un
interferómetro y luego a través de la muestra (o viceversa). Un espejo en movimiento
en el interior del aparato altera la distribución de la luz infrarroja que pasa a través
del interferómetro. La señal es grabada directamente, llamada "interferograma", la
cual representa la salida de luz en función de la posición del espejo. Una técnica de
procesamiento de datos llamada transformada de Fourier analiza estos datos en
conjunto dentro del resultado deseado (el espectro de la muestra): La salida de luz
como una función de la longitud de onda infrarroja (o equivalentemente, al número de
onda).

Un método alternativo para la adquisición de espectros es el método "de dispersión"
o el "monocromador de escaneo". En este enfoque, la muestra es irradiada de forma
secuencial con diferentes longitudes de onda individuales. El método de dispersión
es más común en la espectroscopia UV-Vis, pero es menos práctico en el infrarrojo
que en el método de FTIR. Una de las razones en las que se ve favorecida la
espectroscopia FTIR se llama "ventaja de Fellgett" o la "ventaja multiplex": en la cual
la información en todas las frecuencias se recoge al mismo tiempo, mejorando la
velocidad y la relación señal-ruido. Otra ventaja se denomina "Rendimiento

Avanzado de Jacquinot": Una medida de dispersión requiere la detección de los
niveles de luz mucho más bajos que una medición FTIR (White, 1990). Hay otras
ventajas, así como algunas desventajas (White, 1990), pero prácticamente todos los
espectrómetros infrarrojos modernos son instrumentos FTIR, véase figura 14.

Figura 14. Espectrómetro marca Buker Modelo Tensor 27 utilizado para las pruebas de
espectroscopia infrarroja (FTIR) de las muestras de los hidrogeles.

2.4.2. Morfología

La morfología del polímero es una propiedad microescalar que está en gran medida
dictada por las porciones amorfas o cristalinas de las cadenas de polímero y su
influencia en la otra. Las técnicas de microscopia son especialmente útiles en la
determinación de estas propiedades a microescala, como los dominios creados por
la morfología del polímero son lo suficientemente grandes para ser vistos usando
instrumentos de microscopia modernos. Algunas de las técnicas de microscopia más
comunes utilizados son: difracción de rayos X, microscopia electrónica de
transmisión, microscopia electrónica de barrido y microscopia de fuerza atómica.

La morfología del polímero en una mesoescala (nanómetros a micrómetros) es
particularmente importante para las propiedades mecánicas de muchos materiales.
La microscopia electrónica de transmisión en combinación con técnicas de
coloración, también la microscopia electrónica de barrido, la microscopia de sonda de
barrido son herramientas importantes para optimizar la morfología de materiales
como polímeros de polibutadieno-poliestireno y muchas mezclas de polímeros.
La difracción de rayos X en general no es tan potente para esta clase de materiales,
ya que son amorfos o tienen estructura cristalina nula. El ángulo pequeño de
dispersión de como la técnica de dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS)
se puede utilizar para medir los largos períodos de polímeros semicristalinos.

2.4.2.1. Microscopio Electrónico de Barrido (MEB)

El microscopio electrónico de barrido es un microscopio que utiliza un haz de
electrones para producir una alta resolución espacial y alta profundidad de las
imágenes de campo de las muestras sólidas. Estas imágenes proporcionan
información acerca de la topografía así como el estado químico, magnético, y
electrónico de la muestra. El MEB es el dispositivo más ampliamente utilizado
electrón-óptico, y se ha convertido tan fácil de utilizar como un microscopio óptico.

El instrumento MEB se compone de dos partes principales, la consola electrónica y la
columna de electrones:

 La consola electrónica cuenta con botones de control e interruptores que
permiten los ajustes del instrumento tales como corriente de filamento, voltaje
de aceleración, el enfoque, la ampliación, el brillo y el contraste.

 La columna de electrones es donde se genera el haz de electrones bajo vacío,
concentrándose hacia un pequeño diámetro, y escanea la muestra a través de
su superficie mediante bobinas de deflexión electromagnéticas. La parte
inferior de la columna es llamada la cámara de la muestra. El detector de

electrones secundarios se encuentra por encima de la etapa de la muestra
dentro de la cámara de muestras. Las muestras se montan y se aseguran en
el escenario que está controlado por un goniómetro.

La preparación de las muestras que se someten a análisis por MEB tienen que estar
libres de humedad/agua además de que tienen que guardarse en ambientes al vacío.
Además aquellas muestras que no son conductoras se tienen que recubrir con un
material conductor para que sean analizadas eficazmente por los haces de
electrones. Vea figura 15.

Figura 15. Diagrama esquemático de los componentes del MEB (Huebschen, et al, 2016).

Capítulo III. Desarrollo Experimental

En la figura siguiente se muestra la metodología experimental para la síntesis de
compositos polímero-arcillosos.

Figura 16. Proceso experimental para la síntesis de compositos polímero-arcillosos.

3.1. Equipo

Parrilla de agitación marca Thermoline.
Baño ultrasónico marca Kendal.
Tubos de ensaye.
Termopar electrónico.
Balanza analítica marca Sartorius.
Probetas 5 y 10 mL.
Vaso de Precipitados 600 mL.

3.2. Reactivos

Los reactivos empleados para la síntesis de los homopolímeros, copolímeros y
compositos fueron los siguientes: N-Isopropilacrilamida (NIPAAm, 97% de pureza,
PM=112.16 g/mol, P.F.=96 ºC, ρ=1.1 g/cm3), sal potásica del 3-Sulfopropil acrilato
(SPAK, P.M.=232.30 g/mol, P.F.=302ºC), acrilamida (71.08g/mol), nanoarcilla
montmorillonita modificada (35-45% en peso de dimetil dialquil amina), persulfato de
amonio (AmPS, P.M.=228.20 g/mol), N,N'-Metilenbisacrilamida (BIS, P.M.=154.17
g/mol, P.F.=300 ºC), agua desionizada, aceite mineral. Todos los reactivos fueron
adquiridos a Sigma-Aldrich así como el aceite mineral a Macron Fine Chemicals,
Todos los reactivos se utilizaron tal como se recibieron al momento de la compra, sin
llevar a cabo ningún tipo de purificación, véase la Figura 17.

Figura 17. Reactivos utilizados en la síntesis de los hidrogeles y compositos. De izquierda a derecha:
SPAK, NIPAAm, Nanoarcilla modificada, AmPS y BIS.

3.3. Preparación del copolímero p(NIPAAm-co-SPAK)

La preparación del copolímero p(NIPAAm-co-SPAK) se desarrolló bajo el siguiente
procedimiento.

1. Se preparó un lote de 5 copolímeros de acuerdo a las siguientes composiciones:
una masa total de 2 g entre NIPAAm y SPAK, variando las proporciones en masa
entre ambos monómeros, con un 5% mol de entrecruzante BIS, 1% mol de iniciador
AmPS y utilizando 5 mL de agua desionizada como disolvente, como se puede
apreciar en la Tabla 1.

Tabla 1. Composiciones de las 5 muestras del primer lote en la preparación del copolímero
p(NIPAAm-co-SPAK).

Muestra

NIPAAm (g)

SPAK (g)

BIS (% mol)

AmPS (% mol)
NS-1 2 0 5 1
NS-2 1.5 0.5 5 1
NS-3 1 1 5 1
NS-4 0.5 1.5 5 1
NS-5 0 2 5 1

2. Se preparó un segundo lote