Desarrollo de filmes de nanocomposites con propiedades ópticas especiales a partir de hidróxidos dobles laminares híbridos

Abstract

[SPA] El objetivo de esta tesis ha sido la obtención de filmes fabricados con polietileno o copolímero EVA, para su utilización en cubierta de invernadero, con propiedades ópticas mejoradas mediante la incorporación de los aditivos en forma de hidróxidos dobles laminares también llamados arcillas aniónicas. Los aditivos empleados han sido sustancias aniónicas susceptibles de ser introducidas entre las láminas de un hidróxido doble laminar (HDL) mediante un proceso de intercambio aniónico en medio acuoso, para la obtención de un HDL modificado o híbrido. Se han empleado cuatro sustancias para la preparación de los HDL híbridos, el blanqueante óptico (BO) disodio 2,2'-([1,1'-bifenil]-4,4'-diildivinileno)-bis(bencenosulfonato), la sustancia absorbedora ultravioleta sal sódica del ácido fenilbenzimidazol sulfónico (PBS) y los colorantes indicadores halocrómicos azul de bromo timol y amarillo de metilo. Se han desarrollado tres tipos de filmes, uno con propiedades fluorescentes, otro con propiedades barrera frente a la radiación UV y un último film que actúe como indicador por cambio de color frente a la acumulación de azufre. La incorporación de estas sustancias en forma de HDL híbridos pretende mejorar su dispersión y compatibilización con la matriz de polietileno y potenciar su efecto óptico, ya que las arcillas laminares pueden dispersarse en forma de láminas de dimensiones nanométricas, además de inmovilizar el aditivo para evitar su migración. En una primera fase de la tesis se han preparado los tres tipos hidróxidos dobles laminares híbridos y se ha procedido a su caracterización, mediante análisis elemental CHNS y XRF, térmicos TGA y espectroscópicos FTIR y DRX, y se ha confirmado el éxito del proceso de intercambio y la composición de las arcillas obtenidas. En una segunda fase se han preparado los filmes con los aditivos puros y con los HDL híbridos obtenidos, mediante extrusión del material fundido, con y sin el uso de una sustancia compatibilizante, el surfactante no ionico sorbitán monoestearato. Posteriormente se ha procedido al estudio comparativo de las propiedades de los filmes obtenidos; comportamiento óptico frente a la radiación UV-VIS, propiedades mecánicas en tracción y propiedades reológicas, estas últimas determinas mediante ensayos dinámicos oscilatorios del material fundido. Los resultados obtenidos han confirmado una mejora importante de las funciones ópticas de los filmes formulados con los HDL híbridos, así como otras de propiedades estudiadas. En una tercera fase se ha formulado el film indicador óptico, utilizando además de la matriz plástica y los colorantes indicadores, una sustancia buffer y un polímero superabsorbente, con el fin de ajustar el rango de pH de trabajo. Posteriormente se ha verificado su funcionamiento en un ambiente simulado de acumulación de azufre similar al ocurrido en los invernaderos en los que se aplica sublimación de azufre, comprobando el cambio de color experimentado y asociándolo a los niveles de concentración de azufre acumulado.

[ENG] The objective of this work was to obtain films made of polyethylene or EVA copolymer, to be used as greenhouse covers, with improved optical properties, by incorporating additives in the form of double layered hydroxides, also called anionic clays. The additives used are anionic substances capable of being introduced between the sheets of the double layered hydroxide (LDH), by means of an anion exchange process , in order to obtain a modified or hybrid LDH. Four substances were used for the preparation of the hybrid LDHs, the optical brightener disodium 2,2'-([1,1'-biphenyl]-4,4'-diildivinylene)-bis-(benzenesulfonate), the ultraviolet light absorber sodium salt of phenylbenzimidazole sulfonic acid and the halochromic dyes bromine blue thymol and methyl yellow. Three types of films have been developed, one with fluorescent properties, another with a barrier against UV radiation and a film to act as an indicator by color change against the accumulation of sulfur. The incorporation of these substances in the form of hybrid HDL aims to improve their dispersion and compatibilization with the polyethylene matrix to enhance its optical effect, since lamellar clays can be dispersed in the form of nanosized sheets, besides immobilizing the additives to avoid their migration. In a first phase of the thesis, the three types of the hybrid double layered hydroxides were prepared and subsequently characterized, by means of elemental analysis such as CHNS and XRF, thermal TGA and spectroscopic FTIR and XRD. The success of the exchange process was confirmed, as well as the composition of the clays obtained. In a second phase, films were prepared adding the pure additives and the hybrid HDLs, by melt extrusion, with and without the use of a compatibilizing substance, the non-ionic surfactant sorbitan monostearate. Subsequently, a comparative study of the properties of the obtained films was carried out; performance against UV-VIS radiation, mechanical properties by traction tests and rheological properties, determining the main viscoelastic properties of molten material by means of dynamic oscillatory tests. The results obtained confirmed a significant improvement in the optical performance of the films formulated with hybrid LDH, as well as other of the properties studied. In a third phase, the optical indicator film was formulated using, in addition to the plastic matrix and the indicator dyes, buffer substances and a superabsorbent polymer, in order to adjust the working pH range. Subsequently, the film performance was verified in a simulated sulfur accumulation environment, similar to that occurring in greenhouses in which sulfur sublimation is applied, by checking the change of color that takes place while sulfur is accumulating in the film.