INTRODUCCION

Instituto Tecnolgico de Saltillo

Ingeniera en Materiales

Proyecto: Fabricacin de Polmero Conductor a Base de Dextrina, Dopado con Partculas de Cu, Sntesis y Caracterizacin de Propiedades Elctricas

EDUARDO ISAIAS RODRIGUEZ CERDALIDIA GABRIELA DELGADO INTERIALEMANUEL AGUILAR SALINASComment by eduardo rodriguez: Tu nombre completo Mayo 2015 Saltillo, Coahuila.

Contenido Objetivo..3 1. INTRODUCCION42.1. Clasificacin de los polmeros.52.2. Polmeros Conductores.62.2.1. Tipos de Polmeros Conductores.72.2.2. Mtodos de Sntesis.72.3. Bandas y Enlaces.82.4. Dextrinas.102.4.1. Mtodos de obtencin de dextrinas.11II.5. Sustancias plastificantes.142.5.1. Agua destilada.152.5.2. Glicerol o glicerina.152.6. Dopaje162.6.1. Tipos de dopaje.172.7. Dopaje en polmeros.19II.8.1. Partculas metlicas.192.8. Conductividad en polmeros.202.8.1. Punto de percolacin.223. DESARROLLO EXPERIMENTAL233.1. Materiales233.2. Preparacin del polmero233.3. Conductividad254. ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS264.1. Caracterizacin del polmero conductor265. CONCLUSIONES306. Bibliografa31

OBJETIVOEste proyecto se pens viendo la necesidad de reemplazar el hilo de cobre dentro del cable de los audfonos debido a que este se daa con facilidad y los audfonos se vuelven inservibles, el reemplazo de este hilo beneficiara a la durabilidad de los audfonos ya que estos al no contar con el hilo de cobre son ms resistentes con respecto a que el dobles de los cables no afectara al material y este seguira cumpliendo su funcin como conductor, al contrario del hilo de cobre que al doblarse se rompe y los audfonos dejan de funcionar.

1. INTRODUCCION

Los polmeros presentan gran variedad de ventajas con respecto a otros materiales con la misma aplicacin debido a sus caractersticas como: elevada resistencia a las agresiones del medio, su peso ms liviano y su precio ms econmico de fabricacin en masa. Debido a que estos son derivados del petrleo presentan desventajas si su uso es inadecuado como una elevada generacin y acumulacin de residuos polimricos, daando ecosistemas naturales de manera irreversible.

Los polmeros biodegradables son parte de una amplia familia de plsticos. Pueden ser producidos a partir de recursos renovables de origen fsil.Son materiales capaces de desarrollar una descomposicin aerbica anaerbica por accin de microorganismos tales como bacterias, hongos y algas bajo condiciones que naturalmente ocurren en la biosfera. Son degradados por accin enzimtica de los microorganismos bajo condiciones normales del medio ambiente.

En las ltimas dcadas se ha producido un desarrollo espectacular en el campo de los materiales orgnicos conductores y en especial de los polmeros conductores, por la posibilidad que brindan de combinar en un nico material las propiedades de los polmeros tradicionales con algunas de los metales, como es la conductividad elctrica.

En este proyecto se enfoca en la fabricacin de un polmero conductor biodegradable a base de dextrina de maz como sustituto de los cables de cobre que se encuentran en el interior de los audfonos, as como una alternativa a los polmeros fabricados a partir de derivados del petrleo.

Al hablar de los audfonos de nuestros sistemas de audio porttiles, es probable que a todos se nos frunza un poco el ceo, porque inevitablemente son sinnimo de malos ratos. Siempre se corta algn cablecito, deja de funcionar uno o suena ms bajo el otro, hay que poner el conector en una posicin especfica para que suenen, se mueven y se oye interferencia o entrecortado. Un desastre, siempre problemas menores o puntuales, pero irreparables por uno mismo. Y razn por la cual hay que comprar un juego nuevo de audfonos, que al igual que los anteriores son propensos a fallar a corto plazo. Frustra que una pequea, pero molesta falla en un punto haga que se tengan que desechar por completo.

2. MARCO TEORICO

2.1. Clasificacin de los polmeros.

Los termoestables tienen una estructura entrecruzada que los hace duros y rgidos. Son resistentes a temperaturas ms elevadas que los de tipo termoplstico. Aun as, si se someten a temperaturas demasiado altas se descomponen y se vuelven quebradizos. Su estructura densamente reticulada les impide ser solubles.

Los elastmeros se caracterizan por recuperar su forma original una vez ha cesado la fuerza a la que han sido sometidos. No pueden fundirse una vez fabricados y son tambin insolubles.

Los termoplsticos presentan una estructura lineal, se pueden fundir y solidificar aplicando calor de manera reversible y retienen su forma al enfriarse. Son solubles. Representan la mayor parte de los plsticos de uso comn (figura 2.1) [1].

7Figura. 2.1. Clasificacin de los polmeros.2.2. Polmeros Conductores.

El desarrollo cientfico ha dado lugar a dos tipos de materiales conductores electrnicos con matriz polimrica: los conductores extrnsecos y los intrnsecos. Los conductores extrnsecos con matriz polimrica son materiales compuestos formados por un polmero, generalmente termoplstico y una carga: polvo metlico, hilos metlicos, etc. Los conductores intrnsecos son materiales polimricos cuyas molculas son capaces de conducir la electricidad (fig. 2.2.). [2]

Fig. 2.2. Polmero conductor.

Los polmeros electrnicamente conductores son complejos de alta conductividad, estructurado por cadenas carbonadas con enlaces alternados sencillos, dobles o triples. En investigaciones anteriores, se ponen de manifiesto que ciertas estructuras polimricas en las que existen sistemas -electrnicos muy extendidos pueden transformarse, bajo la accin de agentes oxidantes y reductores, en complejos polimricos de alta conductividad [3].

La formacin de un polmero conductor tiene lugar mediante el proceso de creacin de un poliin (policatin o polianin) por va qumica o electroqumica, con la insercin simultnea de contraiones que mantengan la electroneutralidad local de la cadena. El proceso de dopado de un polmero lleva implcito la generacin de estados energticos en la zona prohibida que permitan el salto de electrones que provoca la creacin de estructuras polarnicas y bipolarnicas [3]- [4].

Los polmeros conductores difieren de los polmeros aislantes debido, principalmente, a la presencia de agentes dopantes que modifican la cantidad de electrones en las distintas bandas [3].

2.2.1. Tipos de Polmeros Conductores.

Los conductores de matriz polimrica se dividen en dos tipos:1. Conductores extrnsecos.- son materiales compuestos formados por un polmero, generalmente termoplstico, y una carga: polvo metlico, hilos metlicos, etc. 2. Conductores intrnsecos.- son materiales polimricos cuyas molculas son capaces de conducir electricidad. La conductividad es una propiedad intrnseca del material [2].

2.2.2. Mtodos de Sntesis.

Para la sntesis de un polmero conductor existen diferentes mtodos entre los cuales se encuentran los siguientes:

1. Por sntesis directa (Mtodo desarrollado por Sirakawa en 1971): la pared interna de un recipiente de vidrio se recubre con un catalizador Ziegler-Natta. Ej. El paso de una corriente de acetileno da lugar a una pelcula brillante de poliacetileno. 2. Por oxidacin qumica del monmero: en una disolucin monomrica se aade un oxidante cuyo potencial corresponda al potencial de oxidacin del monmero. Ej. Sales de Fe3+ en disoluciones de pirrol. Se forma un precipitado negro de polipirrol. La presencia de otras sales mejora las propiedades del polmero al favorecer su oxidacin reversible. 3. Por oxidacin electroqumica: anloga a la oxidacin qumica. Ahora el proceso es heterogneo y se produce sobre el nodo de una celda electroqumica que contiene un disolvente y una sal. Esta permite el paso de corriente y favorece la oxidacin del polmero. 4. Por oxidacin en plasma: la generacin de un plasma inicia la polimerizacin en la superficie sobre la que se proyecta. 5. A partir de precursores: un polmero precursor, generalmente soluble, es aplicado en la superficie deseada. Por calentamiento se descompone dando una molcula gaseosa y un polmero conductor insoluble [2].

2.3. Bandas y Enlaces.

Al hablar de materiales conductores, lo primero que se viene a la mente son los metales, de entre los cuales el ms comn es el cobre. Pero qu es lo que lo hace conductor?. Un material puede ser un conductor si contiene partculas mviles cargadas elctricamente como los electrones. En un conductor algunos electrones son capaces de moverse libremente en el material, pero no pueden en un aislante. En una molcula los tomos que la conforman se mantienen juntas a travs de enlaces, y estos enlaces se forman gracias a que dos o ms tomos comparten electrones. En las molculas orgnicas generalmente cada uno de los tomos involucrados en la formacin de un enlace comparte electrones de una manera igualitaria, esto es, cada tomo dona uno de sus electrones para que se efectu la unin, como consecuencia, los electrones de enlace no estn restringidos a moverse alrededor del ncleo de su propio tomo, sino que pueden moverse en una zona intermedia entre los tomos que se han enlazado, al hacerlo as, ganan un poco ms de libertad de movimiento. Si se pudiera visualizar un pedazo de cualquier slido, sea metal, semiconductor o aislante, se vera un sin fin de tomos o molculas una al lado de otra en un arreglo tridimensional, tan cerca que los orbitales atmicos y/o moleculares se superponen entre s, formando una regin o banda en la cual los electrones pueden moverse libremente transportando cargas, sin importar a que tomo o molcula hayan pertenecido originalmente. En un aislante como el diamante, un semiconductor como el silicio o un conductor como el cobre, las bandas de electrones se extienden a travs de la celda cristalina; aun as los electrones pueden ms o menos moverse libremente solo en el cobre (fig.2.3). a qu se debe esto? El factor crucial que permite el mayor grado de movimiento de electrones de un conductor tiene que ver con cuan llenas de electrones estn sus bandas. Los semiconductores son materiales que tienen una conductividad mucho menor que la de un metal pero que no pueden considerarse aislantes. La introduccin de dopantes en la estructura del material semiconductor solido ayuda a que este pueda transformarse en un conductor fcilmente, ya que la funcin que desempean pueden ser de dos tipos: 1) actuar como secuestrador de algunos electrones de la banda llena o 2) inyectar electrones a la banda conductora de electricidad que esta vaca. El resultado final en ambos casos es proporcionar movilidad a los electrones [5].

Figura 2.3. Bandas de conductividad de los tres tipos de material.

2.4. Dextrinas.

La dextrina son productos derivados de la degradacin parcial del almidn obtenidos por medio de temperatura y/o catalizadores, en un mecanismo de conversin que involucra procesos de ruptura hidroltica, reorganizacin de molculas y repolimerizacion. La dextrina tiene la misma frmula emprica del almidn original (C5H10O5)n, donde en el almidn el valor de "n" es completamente largo pero en las dextrinas decrece progresivamente con la degradacin del almidn. La dextrina es considerada qumicamente intermediaria entre el almidn y la dextrosa, se presenta como un slido amorfo color crema hasta marrn, soluble en agua fra, insoluble en alcohol. El origen del almidn es muy importante para la fabricacin de dextrinas, ya que de este depende la calidad y propiedades de las mismas. El almidn de yuca es actualmente reconocido como la materia prima para la produccin de dextrinas de alta calidad. El proceso de obtencin de dextrinas es bsicamente el mismo para todas [6].

2.4.1. Mtodos de obtencin de dextrinas.

La obtencin de dextrinas se puede llevar a cabo por dos rutas: va seca y va hmeda.Va hmeda: el almidn se dispersa en agua y es calentado en presencia de un catalizador o tratado con enzimas y posteriormente secado. Los tratamientos que utilizan cidos y enzimas se describen a continuacin.1. Tratamiento con cido: se preparan por simple calentamiento de suspensiones acuosas de almidn con cido. Son usadas para textiles o adhesivos, sin embargo, poseen cierta cantidad de dextrosa y su presencia en cantidades excesivas causa rompimiento de la pelcula adhesiva.2. Tratamiento con enzima: se lleva a cabo por tratamiento de una pasta de almidn, con enzimas hidroltica. Segn el tipo de enzima se pueden obtener maltodextrinas, que se emplean en mezclas de jabones secos, encapsulantes de sabor, aromas y color, espesantes y estabilizantes de emulsiones y espumas, etc.Va seca: el almidn es sometido a altas temperaturas en presencia de un catalizador, dependiendo de la temperatura que se maneje, y la presencia o ausencia de un catalizador se pueden obtener tres clases de dextrinas. 1. Dextrinas blancas: se obtienen por tratamiento del almidn con trazas de cidos minerales, pH bajo, baja temperatura, 80-120C y tiempos de tostacin relativamente cortos; 3-8hrs. Son de color blanco al igual que el almidn, poseen viscosidad variable y su solubilidad en agua fra puede ser desde 0-90%. En estas dextrinas la hidrolisis es la principal reaccin, obtenindose almidones depolimerizados por ruptura de enlaces.2. Dextrinas amarillas o canarias: son obtenidas a temperaturas mayores, aproximadamente entre 150-220C pH bajo y largo tiempo de tostacin entre 6-8 hr. Presentan un distintivo color que va desde crema a amarillo y tienen alta solubilidad. La mayora son solubles 100% en agua fra. Estas dextrinas resultan de la combinacin de dos mecanismos hidrolisis y repolimerizacion, los cuales tienen lugar en sucesin.3. Gomas britnicas: se forman cuando el almidn solo se calienta a temperaturas altas entre 130-220C, alto pH y por un tiempo largo de proceso entre 10-20 hr. El rompimiento hidroltico es mnimo y las reacciones de dextrinizacion son lentas [6].2.4.1.1. Reacciones en el proceso de dextrinizacin por ruta seca.

En la dextrinizacin ocurren principalmente tres reacciones, las cuales se describen a continuacin [6].Hidrolisis: esta primera etapa est dada por el rompimiento de los enlaces glucosidicos y probablemente algunos enlaces, esta reaccin tiene lugar en la etapa de presecado por la accin del catalizador, la humedad y el calor. El principal resultado es una reduccin del tamao de la molcula, un decrecimiento en la viscosidad y un incremento en la cantidad de azucares reductores.Tranglucosidacion: una vez ocurre el rompimiento de los enlaces glucosidicos se da una reubicacin de las molculas para la produccin de estructuras altamente ramificadas. La recombinacin de fragmentos se realiza entre los grupos hidroxilos ms cercanos a la molcula fraccionada, este tipo de reaccin es la que produce estructuras ramificadas.Repolimerizacin: durante esta etapa el nmero de azucares reductores disminuye, dado que la glucosa es capaz de polimerizar a altas temperaturas y en la presencia de cantidades catalticas de cido. Durante este proceso se lleva a cabo una repolimerizacin o unin de algunas molculas en otras ms largas.

Fig. 2.4. Clasificacin de almidones modificados.

II.5. Sustancias plastificantes.

Los productos fabricados nicamente por almidn o por consiguiente un producto derivado del mismo como lo es la dextrina, destacan por su elevada fragilidad. Para combatir esta limitacin, se hace necesaria la adicin de distintos componentes denominados plastificantes con el objetivo de mejorar su flexibilidad y procesabilidad. La incorporacin de los plastificantes mejora el proceso de gelatinizacin, proceso indispensable para la obtencin del almidn termoplstico. La fragilidad antes citada de los termoplsticos fabricados, se contrarresta disminuyendo la absorcin de agua del almidn con la ayuda de diversos aditivos plastificantes en el proceso de mezclado.

Un plastificante ptimo debe ser polar, hidroflico y ser compatible con la dextrina. Otro requerimiento importante es que su punto de ebullicin sea menor que la temperatura programada en la mezcladora para evitar su evaporacin durante el proceso de mezclado. Los plastificantes juegan un papel crucial en la microestructura y cristalizacin de la dextrina termoplstico elaborado observndose diferencias en su aspecto fsico y sus propiedades mecnicas finales. La proporcin de plastificante aadido influye por ser el causante de la desestructuracin de las cadenas de la dextrina y repercute tanto en sus propiedades morfolgicas y mecnicas, as como en sus propiedades trmicas de transicin vtrea. [1]

2.5.1. Agua destilada.

El agua destilada est libre de impurezas e iones. Por medio de la destilacin se consigue un agua carente de cloruros, calcio, magnesio y flor. Su frmula qumica es H2O. El oxgeno es ms electronegativo que el hidrgeno y atrae con ms fuerza a los electrones de cada enlace covalente. El resultado de esta diferencia de electronegatividades provoca que la molcula de agua, aunque tiene una carga total neutra (igual nmero de protones que de electrones), presenta una distribucin asimtrica de sus electrones, lo que la convierte en una molcula polar, alrededor del oxgeno se concentra una densidad de carga negativa.

Es el plastificante natural ms econmico, y por este motivo es el de ms fcil acceso. Es un plastificante efectivo del almidn por su compatibilidad. [1]

2.5.2. Glicerol o glicerina.

El glicerol es un alcohol con tres grupos hidroxilo (fig.6). Estos grupos hidroxilos le permiten ser soluble en agua. Tiene un aspecto de lquido incoloro y viscoso. No es txico, lo que le permite ser un buen lubricante para mquinas alimenticias.

Fig. 2.5 Estructura molecular de la glicerina.

Junto con el agua destilada, el glicerol es el plastificante ms comnmente utilizado en los diferentes estudios que se han realizado sobre la fabricacin de polmeros termoplsticos a partir del almidn y sus subproductos como la dextrina. Las mezclas que contienen glicerol tienen un aspecto morfolgico suave y uniforme. En teora deben tener un aspecto homogneo final, esta caracterstica es un claro indicador de que el almidn ha plastificado. Este componente presenta una gran utilidad para retardar la retrogradacin de los productos termo plastificados y su accin como lubricante facilita la movilidad de las cadenas polimricas del almidn. [1]

2.6. Dopaje

En la produccin de semiconductores, se denomina dopaje al proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente puro (tambin referido como intrnseco) con el fin de cambiar sus propiedades elctricas. Las impurezas utilizadas dependen del tipo de semiconductores a dopar. A los semiconductores con dopajes ligeros y moderados se los conoce como extrnsecos. Un semiconductor altamente dopado, que acta ms como unconductor que como un semiconductor, es llamado degenerado. El nmero de tomos dopantes necesitados para crear una diferencia en las capacidades conductoras de un semiconductor es muy pequea. Cuando se agregan unpequeo nmero de tomos dopantes(en el orden de1 cada 100.000.000 de tomos) entonces se dice que el dopaje es bajo o ligero. Cuando se agregan muchos ms tomos (en el orden de 1 cada 10.000 tomos) entonces se dice que el dopaje es alto o pesado. Este dopaje pesado se representa con la nomenclatura N+ para material de tipo N, oP+ para material de tipoP.

2.6.1. Tipos de dopaje.

TIPO N Se llama material tipo N al que posee tomos de impurezas que permiten la aparicin de electrones sin huecos asociados a los mismos (fig. 8). Los tomos de este tipo se llaman donantes ya que "donan" o entregan electrones. Suelen ser de valencia cinco, como el Arsnico y el Fsforo. De esta forma, no se ha desbalanceado la neutralidad elctrica, ya que el tomo introducido al semiconductor es neutro, pero posee un electrn no ligado, a diferencia de los tomos que conforman la estructura original, por lo que la energa necesaria para separarlo del tomo ser menor que la necesitada para romper una ligadura en el cristal de silicio (o del semiconductor original). Finalmente, existirn ms electrones que huecos, por lo que los primeros sern los portadores mayoritarios y los ltimos los minoritarios. La cantidad de portadores mayoritarios ser funcin directa de la cantidad de tomos de impurezas introducidos. El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Fsforo (dopaje N). En el caso del Fsforo, se dona un electrn.

Fig. 2.6 Dopaje tipo N.

TIPO P Se llama as al material que tiene tomos de impurezas que permiten la formacin de huecos sin que aparezcan electrones asociados a los mismos, como ocurre al romperse una ligadura (Fig. 9). Los tomos de este tipo se llaman aceptores, ya que "aceptan" o toman un electrn. Suelen ser de valencia tres, como el Aluminio, el Indio o el Galio. Nuevamente, el tomo introducido es neutro, por lo que no modificar la neutralidad elctrica del cristal, pero debido a que solo tiene tres electrones en su ltima capa de valencia, aparecer una ligadura rota, que tender a tomar electrones de los tomos prximos, generando finalmente ms huecos que electrones, por lo que los primeros sern los portadores mayoritarios y los segundos los minoritarios. Al igual que en el material tipo N, la cantidad de portadores mayoritarios ser funcin directa de la cantidad de tomos de impurezas introducidos. El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Boro (P dopaje). En el caso del boro le falta un electrn y, por tanto, es donado un hueco de electrn.

Fig. 2.7. Dopaje tipo P.

2.7. Dopaje en polmeros.

Generalmente los polmeros pueden ser dopados por diferentes motivos: Reducir el costo del producto polimrico. Mejorar caractersticas mecnicas del polmero. Obtener productos polimricos de diferentes colores. Crear materiales compuestos. Otorgarle nuevas propiedades al polmero como conductividad, en este caso se utilizan materiales dopantes como lo son las partculas metlicas las cuales convierten al polmero de aislante a conductor.La principal razn para aadir partculas metlicas a un polmero es la de mejorar las caractersticas de conductividad elctrica y/o trmica del mismo. En general, la propiedades de resistencia, flexibilidad y baja densidad decrecen por la adicin de partculas metlicas. La conductividad trmica de este tipo de materiales se incrementa hasta 10 veces [7]- [8]- [9].

II.8.1. Partculas metlicas.

Debido a que los metales son conductores de electricidad, son utilizados como materiales de dopaje en polmeros para conferirle propiedades de conduccin. Recientemente se ha utilizado partculas esfricas o irregulares. Estas partculas son de 100m o menos de dimetro. Se requieren pequeas partculas isotropas en altas concentraciones para producir un polmero conductor.Mtodos de medicin de tamao de partculaTamices: esta es la tcnica ms usada para partculas grandes. Su principal ventaja es ser barata y prctica. Consiste en hacer pasar una muestra de peso conocido a travs de una serie de tamices de diferentes aperturas colocados uno sobre otro, siendo el primero el de orificios ms grandes. Despus de un determinado tiempo de agitacin que permite que las partculas caigan a travs de los tamices de diferentes aperturas, se pesa el contenido de cada nivel, y con esto se sabe que proporcin de la muestra original quedo retenida en cada nivel; y como se sabe con exactitud la apertura de cada malla, se puede establecer la frecuencia de las partculas que recurren en cada intervalo de tamao y con esto se obtiene la distribucin de tamao de partcula. Las principales desventajas son: Reproducibilidad de los tamices. No es posible la medida de sprays o emulsiones. Complicaciones para materiales cohesivos y aglomerados como las arcillas.Microscopia: es una excelente tcnica, ya que se pueden observar las partculas directamente y estudiar la forma de las mismas, lo que permite saber si se ha realizado una correcta dispersin. El mtodo es relativamente barato, adems en algunos sistemas de microscopia, es posible incluir sistemas de anlisis de imagen. No se pueden examinar todas las partculas individualmente, solo se examinan unas cuantas partculas, por lo que existe el riesgo de realizar un muestreo no representativo [10].

2.8. Conductividad en polmeros.

En los polmeros la conductividad se encuentra en funcin del contenido de material dopante que sea conductor. La adicin de un conductor o semiconductor a un aislante afecta sus propiedades de conductividad de acuerdo al grado de dopaje y a la proximidad entre partcula y partcula conductora. Existen tres tipos de situaciones posibles: no hay contacto entre las partculas, cercana prxima y contacto fsico [4]- [8]- [11].1. Cuando las partculas conductoras estn aisladas (no hay contacto), la conductividad del material cambia ligeramente. El material permanece aislante.2. Cuando las partculas estn cerca unas de otras, los electrones pueden saltar de un electrn a otro formndose un flujo de corriente.3. La tercera condicin es posible cuando un material dopante conductor es introducido en la matriz aislante en tal cantidad que existe un contacto fsico entre las partculas formando una red continua a travs del material. Cuando una matriz polimrica es dopada con partculas conductoras gana propiedades de conductividad. Cuando la fraccin en volumen de partculas alcanza un valor critico (llamado lmite de percolacin o punto de percolacin) se forma un clster conductor infinito, y consecuentemente el compuesto se vuelve conductor. A medida que la concentracin de partculas conductoras aumenta hasta alcanzar un valor mximo, el valor de la conductividad incrementa varios rdenes de magnitud hasta alcanzar un valor de conductividad en el punto mximo de percolacin (fig.10). Por debajo del punto de percolacin el cambio en la conductividad es despreciable y la conductividad del material es igual a la del polmero o ligeramente mayor [12.]

Fig. 2.8. Dependencia de la conductividad con la fraccin en volumen del dopante.

2.8.1. Punto de percolacin.

Los compsitos conformados por un relleno conductor elctrico disperso en un polmero aislante se vuelven conductores cuando el contenido de relleno excede un valor crtico, conocido como punto de percolacin. El punto de percolacin elctrica se caracteriza por un aumento drstico en la conductividad, en varios rdenes de magnitud, lo cual se atribuye a la formacin de una red conductora tridimensional del material de relleno dentro de la matriz. El punto de percolacin normalmente se determina por medio de una grfica de conductividad versus carga de relleno (fig. 12), en la cual existen tres zonas claramente definidas: una zona de baja conductividad (donde la cantidad de relleno es demasiado baja y el compsito se comporta elctricamente como la matriz aislante), una zona de aumento de la conductividad en varios rdenes de magnitud (que corresponde a una carga crtica de material de relleno, en que la probabilidad de que se formen redes de interconexin es muy alta) y una zona de conduccin (que corresponde al momento en que el relleno ya es capaz de formar una red interconectada a lo largo de todo el material); la zona en que se produce el aumento en la conductividad se define como lmite de percolacin. La forma del dopante conductor tambin tiene influencia en el punto de percolacin [13]. Donde en la regin 1 el compuesto es no conductivo, la matriz incluye partculas separadas del dopante conductor. Regin 2 la regin de percolacin, se crea el clster conductor, la conductividad se incrementa bruscamente. Regin3 la conductividad se incrementa lentamente debido al crecimiento del clster (fig.11).

Fig. 2.9. Influencia de la forma del dopante sobre el punto de percolacin.

Fig. 2.10. Punto de percolacin.

3. DESARROLLO EXPERIMENTAL

A continuacin se hablar de la metodologa que fue utilizada para la fabricacin del prototipo de polmero conductor, as como de los factores que influyeron en las caractersticas del mismo, adems de la realizacin de la conductividad de cada muestra.

3.1. Materiales

Se utiliz dextrina en polvo, partculas de cobre de un tamao promedio de 650 m, las cuales se obtuvieron por limado de un alambre de cobre, y glicerina lquida.Para la realizacin del polmero las muestras se doparon con tres cantidades distintas de cobre: 1 gramo, 2 gramos, 3gramos, 4 gramos y 5 gramos, para observar el efecto de la cantidad de cobre.

3.2. Preparacin del polmero

En un vaso de precipitado se calent 3 ml de glicerina hasta hervir, que fue aproximadamente entre 70 y 80C (fig.3.1a). Inmediatamente despus de que la glicerina comenz a hervir se le aadi 4 gramos de dextrina y se mezclaron a una temperatura constante de 80C (fig.3.1 b y c), hasta alcanzar el minuto con treinta segundos de calentamiento (cuando la mezcla presenta una tonalidad caf).c)

b)a)

Figura 3. 1. Procedimiento experimental, a) calentamiento de la glicerina y el agua destilada, b) adicin de la dextrina, c) mezclado.

Al alcanzar el minuto con treinta segundos de calentamiento se retir del fuego y se aadieron las partculas de cobre, se realiz un mezclado uniforme hasta obtener una homogenizacin de las partculas dispersas de cobre en el material polimrico (se alcanza un tono caf debido a la adicin de las partculas de cobre) aproximadamente a los 3 minutos de preparacin, y el material fue extrado con la ayuda del agitador (varilla de vidrio) del vaso de precipitado y colocado en un vidrio de reloj (fig.3.2 a, b y c).a)b)

c)

Figura 3.2 a) adicin del Cu, b) mezclado, c) extraccin del material.

a)

Despus de la extraccin se le dio forma de hilo para medir su longitud como se puede observar en la figura 3.3, donde puede llegar a medir ms de 40 cm. En la figura 3.4 se puede observar un cambio en la tonalidad del polmero debido a la saturacin del cobre en el polmero.

b)Figura 3.4. a) Polmero con 1gr de cobre, b) polmero con 5gr de cobreb)

a)Figura 3.3. Comparacin de la extensin del polmero contra una regla de 30cm.

3.3. ConductividadPara medir la conductividad las muestras de polmero se colocaron en diferentes tubos de plstico fig.4. La medicin de la conductividad se llev a cabo con un hmetro el cual mide la resistencia de un circuito elctrico, entre menor sea la resistencia elctrica mayor conductividad presenta el circuito. Para realizar la conversin de ohms a simens se utiliz la siguiente frmula [16]:

Figura 4. Muestras para anlisis de conductividad

En la siguiente tabla (Tabla 3.1) se muestran las diferentes cantidades de material que se utilizaron para realizar las pruebas de conductividad y los resultados de cada muestra. Tabla 3.1. Resultados de conductividad Material Muestra 1Muestra 2Muestra 3Muestra 4Muestra 5

Dextrina4 gr4gr4gr 4gr4gr

Glicerina3ml3ml3ml3ml3ml

Agua destilada 1ml1ml1ml1ml1ml

Cobre 1gr2gr3gr4gr5gr

Conductividad0.0045 S/cm0.000181 S/cm0.0022 S/cm0.000285 S/cm0.0004 S/cm

Como se puede observar en la tabla anterior la muestra 1 present una conductividad de 0.0045 S/cm, siendo esta la que present una mayor conductividad. Mientras que la segunda muestra present una conductividad de 0.000181 S/cm, siendo esta la de menor conductividad.

4. ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS

A continuacin se hablara sobre los resultados obtenidos de los experimentos con diferentes cantidades de Cu, as como del comportamiento de la conductividad del material.4.1. Caracterizacin del polmero conductor

Se analiz la morfologa del polmero conductor con el microscopio electrnico de barrido para observar las caractersticas que presenta, as como la distribucin de las partculas de Cu, el tipo de unin entre las partculas y la matriz polimrica. Se encontr que el polmero presenta grietas, las cuales se atribuyen al alto contenido de partculas de Cu, la unin entre las partculas y la matriz polimrica es meramente fsica.En la figura 4.1.1 se observa la morfologa del polmero conductor mediante SEM con electrones secundarios.a)b)

Figura. 4.1.1. Anlisis de la morfologa del polmero conductor a) vista transversal, b) vista longitudinal

En la figura 4.1.2 se muestra un anlisis puntual de composicin qumica de una partcula de cobre Fig. 4.1.2. Anlisis qumico cualitativo de una partcula de Cu, micrografa y espectro mediante SEM con electrones secundarios.

En la figura 4.1.3 muestra un anlisis puntual de composicin qumica de la matriz polimrica donde se muestra que los elementos abundantes son el carbn y oxigeno, tambin se puede observar que presenta algo de cobre.

Fig. 4.1.3. Anlisis de la matriz polimrica.

En la figura 4.1.4 se muestra la interfaz entre la matriz polimrica y la partcula de cobre mediante electrones secundarios

Fig. 4.1.4. Micrografa de la unin entre las partculas y la matriz.En la figura 4.1.5 se muestra una fractura del polmero en donde se realiza una comparacin de los electrones secundarios y los retrodispersados para mostrar el tipo de unin entre el polmero y el cobre a)b)

Fig. 4.1.5. Micrografas de las fracturas en la superficie del polmero, a) SEM electrones retrodispersados, b) SEM electrones secundarios.

En la figura 4.1.6 se muestra la dispersin de las partculas de cobre en la matriz polimrica con electrones retrodispersados.

a)b)c)

Fig.4.1.6. Anlisis mediante SEM de la distribucin de partculas de Cu en la matriz polimrica, a) con 2gr de Cu, b) con 3gr de Cu, c) con 4 gr de Cu.

5. CONCLUSIONES

Al aumentar el contenido de cobre, la cantidad de grietas aumenta, lo que provoca que se pierda continuidad en el material y la conductividad del material disminuye. Es posible obtener un material compuesto de matriz polimrica semiconductor a base de dextrina dopado con partculas de cobre que obtenga conductividades de hasta .0045 S/cm.

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