Desarrollo de un material compuesto a partir de caucho natural y nanoesferas de carbono

Abstract

Research and development of new materials are essential for the advancement of modern technology. Carbon-based nanomaterials have recently played a pivotal role in enhancing the properties of materials such as polymers, metals, and ceramics. However, two key challenges persist: the environmental impact due to the use of petroleum-derived carbon sources during synthesis, and inconsistencies in particle sizes, leading to uncontrolled properties in the new materials. Based on these considerations, this study opted to incorporate carbon nanospheres into a natural rubber matrix (cis-1,4-polyisoprene) to obtain a composite material with improved hardness and electrical conductivity properties. In this study, different concentrations of solid-type carbon nanospheres were incorporated into a cis-1,4-polyisoprene matrix, an elastomer that can be deformed and return to its original state. In line with green chemistry principles, these carbon nanospheres were synthesized from the same polyisoprene to test its use as a sustainable carbon source using the Chemical Vapor Deposition method. The use of a quartz tube reactor with and without metal catalysts inside a laboratory tube furnace allowed synthesis at variable temperatures and the extraction of different samples. The characterization of the samples was carried out using Scanning Electron Microscopy, Energy Dispersive Spectroscopy, Fourier Transform Infrared Spectroscopy, and Raman Spectroscopy. These techniques identified solid carbon nanospheres with variable diameters and carbon percentages. The main functional groups and bands that characterize the presence of this type of structure were obtained, indicating a high degree of graphitization and low defect rates.

La investigación y el desarrollo de nuevos materiales son esenciales para el avance de la tecnología moderna. Los nanomateriales con base en carbono han desempeñado recientemente un papel fundamental en la mejora de las propiedades de los materiales, como polímeros, metales y cerámicos. Sin embargo, persisten dos desafíos clave: El impacto ambiental debido al uso de fuentes de carbono derivadas del petróleo durante la síntesis e inconsistencias en los tamaños de partículas, lo que conduce a un descontrol en las propiedades de los nuevos materiales. Debido a estas declaraciones es que se optó en la presente investigación por incorporar nanoesferas de carbono en una matriz de caucho natural (cis-1,4-poliisopreno) con la finalidad de conseguir un material compuesto y mejorando sus propiedades de dureza y conductividad eléctrica. En la presente investigación se incorporaron diferentes concentraciones de nanoesferas de carbono de tipo sólidas a una matriz de cis-1,4-poliisopreno; un elastómero que puede ser deformado y regresar a su estado original. Tomando en cuenta los principios de la química verde dichas nanoesferas de carbono se sintetizaron a partir del mismo poliisopreno para probar su uso como fuente sustentable de carbono mediante el método de Deposición Química de Vapor. El uso de un reactor de tubo de cuarzo con y sin catalizadores metálicos dentro de un horno tubular de laboratorio permitió la síntesis a temperaturas variables y la extracción de las diferentes muestras. La caracterización de las muestras se llevó a cabo mediante Microscopía Electrónica de Barrido, Espectroscopía de Energía Dispersa, Espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier y la Espectroscopía Raman. Mediante estas técnicas se lograron identificar nanoesferas de carbono sólidas con tamaños de diámetro y porcentajes de carbono variables. Se obtuvieron los principales grupos funcionales, las bandas que caracterizan la presencia de este tipo de estructuras y que indicaron un alto grado de grafitización y bajo grado de defectos.