Síntesis y caracterización de un material compuesto a base de polietileno de alta densidad y magnetita pulverizada

Abstract

En este trabajo se pretende producir un material compuesto a base de polietileno de alta densidad (HDPE) y magnetita pulverizada (Fe3O4) con el fin de caracterizar sus propiedades mecánicas, magnéticas y eléctricas. Este tipo de matrices poliméricas reforzadas con magnetita han sido motivo de estudio en los recientes años con el fin de desarrollar materiales con aplicaciones tecnológicas enfocadas a la ingeniería y a la biomedicina. Para optimizar el enfoque y el uso tanto de este material compuesto como de sus aplicaciones, la investigación acá desarrollada pretende aportar al mejor conocimiento y entendimiento de sus propiedades. La elaboración del polímero reforzado con partículas de magnetita se llevó a cabo por medio de una extrusora mono-husillo con tres zonas de calentamiento. Siendo esto una de las novedades del trabajo desarrollado, ya que en los trabajos consultados, la producción de este tipo de material se lleva a cabo por medio de extrusoras de doble husillo y mezcladoras con elevadas temperaturas de funcionamiento. Se produjeron cilindros de diferentes diámetros, así como muestras cubicas que se cortaron y adaptaron para ser caracterizadas. Los análisis llevados a cabo comprendieron estudios de difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido, polarización eléctrica, magnetización y resistividad. Los resultados obtenidos por medio de la difracción de rayos X muestran como el porcentaje de cristalinidad aumenta en la medida que se adiciona más volumen de magnetita a las muestras. También permitió la identificación de la fase hematita dentro de la magnetita, y como la cantidad de esta fase se incrementa a medida que se aumenta la temperatura de extrusión. Por su parte, la caracterización magnética deja en evidencia un aumento lineal en la magnetización de saturación y en la susceptibilidad magnética en función de la cantidad de magnetita adicionada al material. Esta misma caracterización magnética en función de la temperatura permite confirmar el cambio de fase estructural que experimenta la magnetita cerca de los 120K llamada transición de Verwey. Por su parte la caracterización morfológica por medio de SEM, así como las pruebas de resistividad y polarización electrónica permitieron determinar un umbral de percolación cerca al 30-33% en contenido en volumen de magnetita en el material, todos estos resultados son muy semejantes a los reportados por otros autores. La síntesis y caracterización del material compuesto permite determinar la variación de sus propiedades en la medida que se aumenta el volumen de magnetita presente en la matriz polimérica y como estas pueden llegar a ser afectadas por el método de fabricación empleado, así como las propiedades de los precursores. El material pasa de ser un material completamente aislante, para contenidos en volumen de magnetita del 0-20%, a un material que permite el flujo de corriente para contenidos superiores al 30% en volumen de magnetita. Estas propiedades eléctricas, así como las magnéticas hacen que este material sea una materia prima prometedora para el desarrollo de productos y aplicaciones biomédicas, farmacéuticas y de ingeniería. Estas aplicaciones incluyen el diseño y producción de contenedores para dispositivos electrónicos con blindaje contra radio frecuencias perturbadoras, fabricación de stents, entrega focalizada de medicamentos y tratamiento de tumores, debido a la baja citotoxicidad de la magnetita.

Abstract. This work describes the synthesis and characterization of a composite material based on magnetite filled HDPE in order to characterize their mechanical, magnetic and electrical properties. This kind of polymer matrices reinforced with magnetite has been studied in recent years in order to develop materials with technological applications focused on engineering and biomedicine. To optimize the use of the composite and its applications, this work aims to contribute to a better knowledge and understanding of their properties. The composite material synthesis was performed trough a single-screw extruder with three heating zones. This is one of the innovations of the work performed, as in previous consulted works the synthesis of this type of material was performed in a twin-screw extruders and mixers at high temperatures. Were produced cylinders of different diameters and cubic samples were cut and adapted to be characterized. The samples were studied trough XRD, scanning electron microscopy, electric polarization, magnetization and volumetric resistivity. The results obtained by X-ray diffraction shown that as the volume percent of magnetite increases the crystallinity of the samples increases. The XRD studies also allowed the identification of the hematite phase in the powdered magnetite and the amount of this phase increases as the extrusion temperature is increased. The magnetic characterization shows how the saturation magnetization and the magnetic susceptibility increase linearly with the amount of magnetite added to the material. The magnetic characterization as a function of the temperature confirms the structural phase change that the magnetite undergoes near to the 120 K called the Verwey transition. Meanwhile the characterization by SEM and the resistivity’s and electronic polarization tests allowed to determine a percolation threshold close to 30-33% of magnetite volume content in the material, these results are very similar to those reported for others authors. The production and characterization of the composite allows determining the variation in its properties as long as the volume of magnetite in the polymeric matrix is increased and how the samples may become affected by the extrusion method used, as well as the properties of the magnetite used as precursor material. The material goes from being a completely insulating material for a volume magnetite content of 0-20%, to a material which allows the flow of current for contents above 30% by volume of magnetite. These properties make of this material a promising raw material for product development and biomedical, pharmaceutical and engineering applications. These applications include the design and production of containers for electronic devices with wireless interference frequency shielding, manufacturing stents, targeted drug delivery and treatment of tumors, this due in part to the low cytotoxicity of the magnetite.