Síntesis de nanocompuestos “inteligentes” de hidrogeles de poli(N-Isopropilacrilamida-co-ácido acrílico) y nanotubos de carbono funcionalizados

Abstract

En este trabajo se documenta la síntesis y caracterización de hidrogeles nanocompuestos preparados con una matriz de poli(ácido acrílico-co-N-isopropil acrilamida) y, como agente reforzante, nanotubos de carbono (CNTs) funcionalizados químicamente. Los CNTs se prepararon por el método de deposición química en fase vapor (CVD) y se purificaron con vapor sobrecalentado a 600°C. Los CNTs purificados se funcionalizaron siguiendo un procedimiento de dos pasos: (1) inicialmente se les injertó grupos hidroxilo, carboxilo y carbonilo obteniéndose CNTs parcialmente oxidados (CNTsoxi) y posteriormente, (2) los CNTsoxi se hicieron reaccionar con cloruro de acriloilo para obtener CNTs funcionalizados con dobles enlaces carbono-carbono terminales (CNTsCAc). El éxito de la síntesis de los CNTs se verificó por microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM), corroborando que se obtuvieron CNTs de pared multiple, que forman interacciones de Van der Waals entre sí. Así mismo, los CNTs oxidados tienen regiones donde grupos hidroxilo y carboxilo se han anclado, de manera éxitosa en sus paredes. Por medio de microscopía electrónica de transmisión (TEM), se observaron CNTs con dos tipos de estructuras: helicoidal y cilíndrica. Los hidrogeles con nanotubos de carbono funcionalizados (CNTsf), se sintetizaron añadiendo a los CNTsCAc soluciones acusosas de: (1) ácido acrílico (AA), (2) N-isopropil acrilamida (NIPA), (3) N,N-metilen bis-acrilamida (NMBA) (entrecruzante), (4) N,N’,N’,N’-tetrametil-etilendiamina (N-tmed) (catalizador) y (5) persulfato de potasio (KPS) (iniciador), polimerizando esta mezcla a las mismas condiciones que las usadas para sintetizar hidrogeles sin CNTsf. Los hidrogeles sintetizados y purificados se caracterizaron usando las técnicas de espectroscopia infrarroja (IR), calorimetría diferencial de barrido (DSC), y por medio de pruebas mecánicas de compresión para determinar su módulo de Young. Por medio de la espectroscopia de IR se detectó que los hidrogeles sin CNTs preparados a las composiciones: 95% (AA), 90% (AA), 85% (AA) y 80% (AA), muestran un comportamiento vibracional similar. Así en los espectros IR de estos hidrogeles se detectaron grupos amina y carbonilo. La formación de los hidrogeles es consecuencia de las reacciones de los dobles enlaces carbono carbono. Los espectros IR de los hidrogeles sintetizados con CNTs funcionalizados con cloruro de acriloílo, y con una composición similar a la de los hidrogeles sin CNTs, también son similares. La diferencia significativa entre las dos series de espectros es la detección del grupo cloro en los espectros IR de los hidrogeles preparados con CNTs funcionalizados. En la caracterización por calorimetría diferencial de barrido (DSC), se observó que los termogramas de los hidrogeles sin CNTs, muestran temperaturas de transición vítrea (Tgs) en el rango de 65 a 40°C, mientras que los termogramas de los hidrogeles con CNTs presentan Tgs en el intervalo de 63 a 39°C. Los hidrogeles sin CNTs, presentan un módulo de Young más bajo que los hidrogeles con CNTs funcionalizados. Se evaluaron las cinéticas de hinchamiento de los hidrogeles con y sin nanotubos de carbono a la temperatura del laboratorio (aproximadamente 25ºC) a tres pHs: 4, 7 y 10, así como también, a estos mismos pHs pero a una temperatura de 37°C. Las cinéticas de hinchamiento se modelaron con una ecuación cinética de segundo orden y se determinó la influencia de los CNTsf sobre el hinchamiento. El contenido de CNTs funcionalizados en los hidrogeles nanocompuestos fue de 0.1% respecto a la masa total del hidrogel.