Se ha desarrollado un nuevo compuesto con estructura tipo sándwich a partir de capas superficiales de polihidroxialcanoato (PHA) y una capa intermedia de ácido poliláctico y microfibras de celulosa. Las microfibras de celulosa biodegradables se pueden modificar químicamente con un proceso sol-gel para mejorar la compatibilidad entre el refuerzo natural y la matriz polimérica.
Mientras que las microfibras de celulosa modificada se desarrollaron químicamente a través de diferentes procesos para mejorar la compatibilidad del refuerzo natural en la matriz polimérica, las microfibras de celulosa modificada mostraron características altamente hidrófobas con una dispersión homogénea en la matriz de ácido poliláctico.
Masoud Dadras Chomachayi y un equipo de investigación de la Universidad Laval, Canadá, observaron análisis termogravimétricos de las construcciones para mostrar una estabilidad térmica mejorada. Mejoraron las propiedades mecánicas de las construcciones para aumentar su módulo de tracción y resistencia. Cuando los científicos agregaron fibras sin tratar a las construcciones, la permeabilidad al vapor de agua del compuesto sándwich aumentó para mostrar la superioridad de las microfibras de celulosa modificada en comparación con las microfibras de celulosa sin tratar para desarrollar envolturas de edificios.
La investigación se publica en la revista Scientific Reports. .
El arte de construir la envolvente de un edificio
La envolvente del edificio es una parte esencial de la estructura de un edificio que protege a los ocupantes de los impactos ambientales exteriores, incluidos el sol, la lluvia, la nieve, el viento y la contaminación. Este elemento pasivo multicapa es importante para la eficiencia energética y para mantener la salud y el confort de los residentes del edificio. El proceso de fuga de aire, transferencia de calor y difusión de humedad puede tener un efecto significativo en la envolvente del edificio. Por ejemplo, en climas fríos, la concentración masiva de vapor de agua en el interior del edificio es mayor que en el exterior, lo que provoca la migración de humedad a través de las paredes del edificio.
Como resultado, la humedad difundida puede fomentar el crecimiento de moho, reduciendo la eficacia del aislamiento y el deterioro de los materiales de la envolvente del edificio. En la actualidad, se utilizan diversas membranas de barrera en la industria de la construcción, que incluyen láminas de plástico y aislamiento de espuma rígida. Entre estos materiales, los polímeros se utilizan cada vez más para construir envolventes. Los científicos de materiales utilizan láminas extruidas de polietileno como una prominente membrana de barrera de vapor; sin embargo, su uso excesivo es perjudicial para el medio ambiente.
Dado que el polihidroxialcanoato y el ácido poliláctico son biopolímeros importantes en la industria del plástico, trabajos recientes han visto el uso de cargas renovables a base de celulosa como compuestos poliméricos. Por lo tanto, en este trabajo, Chomachayi y sus colegas desarrollaron una nueva membrana de barrera con estructura tipo sándwich a partir de materiales de base biológica, donde agregaron polihidroxialcanoato a las capas superficiales de las membranas debido a sus excelentes propiedades de barrera de vapor y luego agregaron ácido poliláctico como capa intermedia, junto con microfibras de celulosa. para obtener beneficios medioambientales y económicos.
Los científicos caracterizaron los compuestos tipo sándwich preparados en relación con su morfología, estabilidad térmica, propiedades mecánicas y rendimiento de barrera de vapor. Luego realizaron una prueba de durabilidad para investigar el efecto del envejecimiento acelerado en las propiedades mecánicas y de barrera de los materiales.
Los investigadores examinaron la morfología de la superficie de las microfibras de celulosa antes y después de la modificación y examinaron los resultados con microscopía electrónica de barrido. Para impartir rugosidad a las fibras de celulosa, el equipo incorporó nanopartículas esféricas de sílice con un diámetro a nanoescala, de donde obtuvieron las nanopartículas a partir de la hidrólisis y la nucleación del precursor de tetraetilortosilicato en las fibras de celulosa.
Utilizando el análisis infrarrojo por transformada de Fourier, Chomachayi y sus colegas determinaron la estructura química de las microfibras de celulosa antes y después de la modificación sol-gel. Los científicos caracterizaron los compuestos tipo sándwich preparados en relación con su morfología, estabilidad térmica y propiedades mecánicas.
En su mecanismo de acción, durante la modificación sol-gel de microfibras de celulosa con tetraetilortosilicato y hexadeciltrimetoxisilano, el equipo mezcló los materiales combinados en un dispensador e incluyó nanopartículas de dióxido de silicio en la superficie del material. Tras la reacción, centrifugaron la mezcla y obtuvieron microfibras de celulosa hidrófilas, que liofilizaron durante dos días y trituraron para obtener un polvo de celulosa. Para preparar las membranas con estructura tipo sándwich, crearon compuestos de capa intermedia de ácido poliláctico y microfibra de celulosa mediante fundición con solvente y secaron al vacío los gránulos de PHA durante la noche para eliminar la humedad.
Luego, los científicos desarrollaron los compuestos estructurados en sándwich mediante moldeo por compresión y los caracterizaron mediante una variedad de métodos que incluyen microscopía electrónica de barrido, mediciones de ángulos de contacto, análisis termogravimétricos y calorimetría diferencial de barrido.
Para evaluar el impacto de la modificación sol-gel sobre la hidrofobicidad de las microfibras de celulosa, estudiaron los resultados utilizando mediciones del ángulo de contacto. Por ejemplo, los valores del ángulo de contacto de las microfibras de celulosa combinadas y el hexadeciltrimetoxisilano fueron mayores que los de las superficies no tratadas. El equipo llevó a cabo una serie de experimentos para caracterizar la composición de la superficie del material, la química de las construcciones y sus propiedades mecánicas.
Dado que el concepto de durabilidad del material ha ganado mucha atención en Canadá, por ejemplo, el equipo buscó evaluar la vida útil de las láminas de polietileno para uso a largo plazo durante aplicaciones de membranas de barrera de vapor.
De esta manera, Masoud Dadras Chomachayi y su equipo desarrollaron una membrana con estructura tipo sándwich utilizando materiales de base biológica, que incluían polihidroxialcanoato, ácido poliláctico y microfibras de celulosa. Las membranas de barrera regulaban la migración del vapor de agua a través de las paredes para evitar la acumulación de humedad y la estabilidad a largo plazo de los materiales de construcción. El equipo de investigación desarrolló compuestos multicapa utilizando láminas y fibras de polihidroxialcanoato reforzadas con compuestos de ácido poliláctico para crear microfibras de celulosa modificada con incrustaciones de nanopartículas esféricas de sílice en las superficies.
La hidrofilia y la estabilidad térmica de las microfibras de celulosa también mejoraron después del proceso de modificación sol-gel. Los resultados mostraron cómo el módulo de Young de los materiales aumentó al incorporar dos materiales clave en los compuestos. Los resultados exitosos simbolizan el potencial de los biopolímeros para ser alternativas útiles a los materiales convencionales a base de petróleo durante las aplicaciones de construcción. Otros estudios tienen como objetivo mejorar la flexibilidad de los compuestos para aplicaciones más amplias.
Más información: Dadras Chomachayi et al, Desarrollo de un nuevo compuesto estructurado en sándwich a partir de biopolímeros y microfibras de celulosa para aplicaciones de envolventes de edificios, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-49273-0
Información de la revista: Informes científicos
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