ES2205278T3 - Manocompuestos polimeros para aplicaciones impermeables a los gases. - Google Patents
Manocompuestos polimeros para aplicaciones impermeables a los gases.Info
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Abstract
Una composición que comprende: (i) una arcilla en capas, constituida por partículas laminares cuyos iones han sido intercambiados con un catión orgánico representado por la fórmula I en la que: (1) M es nitrógeno o fósforo, (2) R1 es un grupo alquilo lineal o ramificado que tiene por lo menos 8 átomos de carbono, (3) R2, R3 y R4 se seleccionan independientemente de hidrógeno o ligandos orgánicos u oligoméricos, (4) por lo menos uno de R2, R3 y R4 comprende un grupo óxido de alquileno que tiene 2 a 6 átomos de carbono o un grupo poli(óxido de alquileno), y (ii) por lo menos un agente de expansión para incrementar la distancia basal de la organoarcilla en capas, en el que el agente de expansión se selecciona del grupo formado por poli(caprolactona), poliepóxidos, poliestireno, poliacrilatos, policarbonatos, poliuretanos, polisulfonas, poliéteres, policetonas, poliamidas y poliésteres que comprenden restos de por lo menos un ácido dibásico y un glicol.
Description
Nanocompuestos polímeros para aplicaciones
impermeables a los gases.
Se han usado ampliamente polímeros, incluidos
poliésteres, como poli(tereftalato de etileno) (PET), en
botellas y envases que se usan para bebidas carbónicas, zumos de
frutas y ciertos alimentos. Debido a las limitadas propiedades
aislantes con respecto al oxígeno, dióxido de carbono, etc.,
generalmente no se usan envases de PET para productos que requieran
un almacenamiento prolongado. Por lo tanto, sería deseable
proporcionar propiedades aislantes mejoradas.
Esta invención se refiere a materiales compuestos
poliméricos que tienen propiedades aislantes mejoradas. Los
materiales compuestos poliméricos de esta invención son útiles para
formar envases que tienen propiedades aislantes mejoradas. Los
recipientes hechos de estos poliésteres compuestos son idealmente
convenientes para proteger productos consumibles, como alimentos,
bebidas no alcohólicas y medicinas.
A. Usuki, M. Kato, A. Okada y T. Kurauchi, J.
Appl. Polym. Sci., 63, 137 (1997), describen un polipropileno
compuesto, preparado mezclando en estado fundido polipropileno con
una organoarcilla que ha sido expandida con un oligómero
poliolefínico.
Y. Kurokawa, H. Yasuda y A. Oya, J. Mater.
Sci. Letters, 15, 1.481 (1996), describen un polipropileno
compuesto, preparado copolimerizando diacetona- acrilamida y
polipropileno modificado por ácido maleico, en presencia de una
organoarcilla, y mezclando en estado fundido con polipropileno.
T.J. Pinnavaia y Tie Lan, Chem. Mater, 6,
2.216 (19949, describen organoarcillas que han sido expandidas con
monómeros de resinas epoxídicas.
M. Kawasumi, N. Hasegawa, M. Kato, A. Usuki y A.
Okada, Macromolecules, 30, 6.333 (1997), describen un
polipropileno compuesto, preparado por mezclado simple en estado
fundido de polipropileno, oligómeros de polipropileno modificado por
anhídrido maleico y arcillas en las que se han intercalado iones
estearilamonio.
La patente de los Estados Unidos 4.739.007
describe poliamidas compuestas que contienen un mineral de arcilla
en capas en la que se han intercalado sales orgánicas de onio.
La patente de los Estados Unidos 5.164.460
describe poliimidas compuestas que contienen un mineral de arcilla
en capas intercalada con sales orgánicas de onio.
La patente WO 93/04118 se refiere a un
procedimiento para formar materiales compuestos poliméricos que
comprenden partículas laminares, que contienen sales orgánicas de
onio, dispersas en una matriz polimérica.
Las patentes de los Estados Unidos 5.336.647 y
5.429.999 describen la preparación de arcillas en capas, que
contienen sales de amonio polialcoxilado. No se describe el uso de
estas arcillas en poliésteres.
Entre las numerosas patentes que describen la
preparación de arcillas en capas, que contienen sales amónicas,
están las patentes de los Estados Unidos números 2.531.427,
2.966.506, 4.081.496, 4.105.578, 4.116.866, 4.208.218, 4.391.637,
4.410.364, 4.412.018, 4.434.075, 4.434.076, 4.450.095, 4.517.112,
4.677.158, 4.769.078, 5.110.501 y 5.334.241.
Esta invención proporciona las composiciones y
los materiales compuestos poliméricos especificados en las
reivindicaciones adjuntas.
Aunque se produce cierta mejora de las
propiedades aislantes de un poliéster incorporando una
organoarcilla, inesperadamente se ha encontrado que se produce una
mejora mayor de las propiedades aislantes cuando la organoarcilla se
prehincha con un agente de expansión.
Sin estar ligado por teoría particular alguna, se
cree que la distancia entre las capas de la arcilla se incrementa
debido al agente de expansión y, como resultado, se debilitan las
interacciones de las capas de las partículas laminares con lo que
estas se dispersan mejor en el poliéster.
Una organoarcilla se define como un material de
arcilla en capas, hinchable, cuyos iones han sido intercambiados
con un ion onio. Un agente de expansión se define como un material
que puede incrementar la distancia basal de una organoarcilla cuando
se introduce en las galerías. Una organoarcilla expandida se define
como una organoarcilla que ha sido prehinchada con un agente de
expansión.
Los nuevos poliésteres compuestos de acuerdo con
la presente invención que contienen la organoarcilla expandida
exhiben menor permeabilidad al oxígeno que el poliéster o la mezcla
de poliéster-organoarcilla. La mejora de la
permeabilidad al oxígeno es claramente evidente comparando
películas preparadas de (1) poli(tereftalato de etileno) no
modificado, (2) materiales compuestos de poli(tereftalato de
etileno)-partículas laminares, que contienen 2% en
peso de montomorillonita de bis(2-
hidroxietil)metilseboamonio, y (3) materiales compuestos de
poli(tereftalato de etileno)-partículas
laminares, que contienen 2% de montmorillonita de
bis(2-hidroxietil)metilseboamonio y
prehinchados con poli(óxido de etileno) de peso molecular 3.350.
Las permeabilidades al oxígeno de (1), (2) y (3) son,
respectivamente, 34,8x10^{-21}, 2,9x10^{-21} y 17,4x10^{-21}
cm^{3}/cm^{2}.s.Pa. En la tabla 1 se indican estos ejemplos y
otros ejemplos que demuestran esta invención.
Las composiciones de la presente invención
comprenden entre 0,01 y 25% en peso, preferiblemente entre 0,5 y 25%
en peso, más preferiblemente entre 0,5 y 15% en peso y lo más
preferiblemente entre 0,5 y 10% en peso de por lo menos una
organoarcilla expandida obtenida de arcillas inorgánicas y
orgánicas. La cantidad de organoarcillas expandidas se determina
midiendo la cantidad de cenizas de las composiciones de
poliéster-partículas laminares cuando se tratan de
acuerdo con ASTM D5630-94, que se incorpora en la
presente memoria como referencia.
Las partículas laminares de la presente invención
tienen un espesor menor que aproximadamente 2 nm y un diámetro en el
intervalo de 10 a 1.000 nm. A los efectos de esta invención, las
mediciones se refieren sólo a la partícula laminar y no a
cualesquiera adyuvantes o compuestos de pretratamiento que se puedan
usar. Las partículas laminares adecuadas se obtienen de arcillas
que son polvos de fluidez libre y tienen una capacidad de
intercambio de cationes entre 0,3 y 3 meq/g, preferiblemente entre
0,8 y 1,5 meq/g. Ejemplos de arcillas adecuadas incluyen
filosilicatos en capas, del tipo de las micas, incluidas arcillas,
esmectitas, montmorillonita sódica, hectorita sódica, bentonitas,
nontronita, beidelita, volkonskoíta, saponita, sauconita, magadiíta,
vermiculita, mica, kenyaíta, hectoritas sódicas sintéticas, etc.
Hay disponibles arcillas de esta naturaleza de diversas compañías,
incluidas Southern Clay Products y Nanocor Inc. Generalmente, las
arcillas son una aglomeración densa de partículas laminares que
están apiladas densamente entre sí, como naipes.
Las arcillas en capas, hinchables, preferidas son
filosilicatos del tipo 2:1, que tienen una capacidad de intercambio
de cationes de 50 a 200 miliequivalentes por 100 gramos de mineral.
Las arcillas en capas, hinchables, más preferidas son esmectitas,
especialmente montmorillonita.
Como origen de partículas laminares bajo la
presente invención, también se pueden usar otros materiales que no
son arcillas y que tienen la capacidad de intercambio de iones
antes descrita y el tamaño antes descrito. Estos materiales son
conocidos en la técnica y no necesitan ser descritos en
detalle.
Anteriormente no se habían descrito dispersiones
de partículas laminares que tuvieran una distancia basal grande
(mayor que aproximadamente 3 nm). Las patentes y solicitudes
anteriores han reivindicado producir poliésteres que contienen
partículas laminares intercaladas o exfoliadas, como se indica por
las distancias basales grandes o la falta de una distancia basal
detectable por rayos X; sin embargo, los resultados no pueden ser
reproducidos, particularmente en poliésteres.
Las sales de cationes orgánicos útiles para el
procedimiento de esta invención se pueden representar por la
\hbox{fórmula I}
en la que M representa nitrógeno o fósforo;
X^{-} representa un anión seleccionado del grupo formado por
aniones haluro, hidróxido o acetato, preferiblemente cloruro o
bromuro; R_{1} se selecciona del grupo formado por grupos alquilo
lineales o ramificados que tienen por lo menos 8 átomos de carbono;
R_{2}, R_{3} y R_{4} se seleccionan independientemente de
ligandos orgánicos y oligoméricos o pueden ser hidrógeno, y por lo
menos uno de R_{2}, R_{3} y R_{4} comprende un grupo óxido de
alquileno que tiene 2 a 6 átomos de carbono o un grupo poli(óxido
de alquileno). Ejemplos de ligandos orgánicos útiles incluyen, pero
sin carácter limitativo, grupos alquilo lineales o ramificados que
tienen 1 a 22 átomos de carbono, grupos aralquilo que son restos
bencilo o bencilo sustituido que incluyen restos de anillos
condensados que tienen 1 a 22 átomos de carbono en la porción
alquílica de la estructura, grupos arilo como fenilo y fenilo
sustituido que incluyen sustituyentes aromáticos de anillos
condensados, grupos \beta,\gamma-insaturados que
tienen seis o menos átomos de carbono, y grupos óxido de alquileno
que tienen 2 a 6 átomos de carbono. Ejemplos de ligandos
oligoméricos útiles incluyen, pero sin carácter limitativo,
poli(óxido de alquileno), poliestireno, poliacrilato,
poli(caprolactona),
etc.
Preferiblemente, R_{2}, R_{3} y R_{4} se
seleccionan independientemente de grupos alquilo lineales o
ramificados que tienen 1 a 4 átomos de carbono. Más preferiblemente,
por lo menos uno de R_{2}, R_{3} y R_{4} es metilo y
preferiblemente todos los grupos R_{2}, R_{3} y R_{4} son
metilo.
Ejemplos de iones onio útiles incluyen iones
alquilamonio, como dodecilamonio, octadecilamonio,
bis(2-hidroxietil)octadecilmetilamonio,
etc., y iones alquilfosfonio, como octadeciltrifenilfosfonio.
De acuerdo con el procedimiento de la presente
invención, la arcilla cambiadora de iones seleccionada se trata con
por lo menos un agente de expansión para separar los aglomerados de
partículas laminares a partículas laminares individuales y
tactoides pequeños antes de introducir las partículas laminares en
el poliéster. La separación de las partículas laminares mejora
también la interfaz poliéster/partícula laminar. Se puede usar
cualquier tratamiento que consiga los objetivos antes mencionados.
Ejemplos de tratamientos útiles incluyen intercalación con polímeros
solubles en agua o insolubles en agua, reactivos o monómeros
orgánicos, silanos, metales o compuestos organometálicos, cationes
orgánicos para realizar intercambio de cationes, y sus
combinaciones.
El procedimiento para fabricar el poliéster
compuesto de esta invención comprende (1) preparar la
organoarcilla, (2) prehinchar la organoarcilla con un agente de
expansión y (3) incorporar en un poliéster la organoarcilla
expandida.
La primera etapa de esta invención es la
preparación de la organoarcilla por reacción de una arcilla en
capas, hinchable, con un ion onio. Las organoarcillas de esta
invención se pueden preparar dispersando la arcilla en agua
caliente, lo más preferiblemente a una temperatura de 50 a 80ºC,
añadiendo agitando el ion onio y mezclando después durante un
período de tiempo suficiente para que la mayoría de los cationes,
usualmente iones sodio, asociados con las capas de la arcilla sean
intercambiados por el compuesto de onio. Es deseable usar una
cantidad suficiente de iones onio para intercambiar la mayoría de
los cationes presentes en las galerías. La organoarcilla se aísla
por métodos conocidos en la técnica, como filtración o
centrifugación.
La segunda etapa de esta invención es prehinchar
la organoarcilla con un agente de expansión. Aunque hay disponibles
varios métodos para incorporar el agente de expansión en la
organoarcilla, como mezclado en estado fundido del agente de
expansión y la organoarcilla, secado por aspersión de una mezcla
del agente de expansión y la organoarcilla o preparación de la
organoarcilla en presencia del agente de expansión, el método más
conveniente para esta invención es disolver o suspender el agente de
expansión y la organoarcilla en un disolvente, como cloruro de
metileno, y evaporar después el disolvente para proporcionar la
organoarcilla expandida.
Los agentes de expansión que son útiles para esta
invención comprenden una gama amplia de composiciones poliméricas de
peso molecular bajo a alto. Los polímeros preferidos deben ser
compatibles o miscibles con el poliéster para asegurar la
transparencia del producto final.
Agentes de expansión adecuados son poli(óxido de
etileno), poli(caprolactona) y poliésteres que comprenden
restos de por lo menos un ácido dibásico y un glicol. En algunos
casos puede ser necesario usar más de un glicol para mejorar la
miscibilidad del agente de expansión en disolventes orgánicos. Los
ácidos dibásicos principales son ácido tereftálico, isoftálico,
naftalenodicarboxílico,
ciclohexano-1,4-dicarboxílico,
sodiosulfoisoftálico, etc. Glicoles típicos usados en el poliéster
incluyen los que contienen dos a aproximadamente diez átomos de
carbono. Los glicoles preferidos incluyen etilenglicol,
dietilenglicol, butano-1,4-diol,
propano-1,3-dimetanol y
ciclohexano-1,4-dimetanol. Los pesos
moleculares de estos polímeros pueden variar de 250 a 25.000.
La tercera etapa de esta invención es incorporar
en un poliéster procesable en estado fundido la organoarcilla
expandida. Este proceso se dirige preferiblemente hacia la
preparación de poliésteres compuestos en los que la fase dispersa
está compuesta preferiblemente de capas individuales de la arcilla
en capas o de tactoides con menos de diez capas que tienen una
distancia basal mayor que 30 Angstroms. El componente de mineral de
arcilla intercalada del compuesto de esta invención está presente en
cantidades de hasta 20 por ciento en peso, más preferiblemente de
hasta 15 por ciento en peso. El componente de poliéster del
compuesto de la presente invención está presente en cantidades de
por lo menos 70 por ciento en peso, más preferiblemente de por lo
menos 85 por ciento en peso.
Un método de incorporar en un poliéster la
organoarcilla expandida es la policondensación de monómeros al
poliéster en presencia de la organoarcilla expandida. El poliéster
en la presente invención se puede producir usando procedimientos de
policondensación bien conocidos. El poliéster compuesto preparado de
esta manera se puede tratar también con polimerización en estado
sólido para conseguir la viscosidad intrínseca suficiente para
permitir el procesamiento en estado fundido.
Otro método de incorporación es la extrusión en
estado fundido de una mezcla de la organoarcilla expandida y un
poliéster procesable en estado fundido. Se usan técnicas
convencionales de mezclado de polímeros y aditivos, en las que se
mezcla el polímero a una temperatura suficiente para formar un
fundido del polímero y se añade en un mezclador adecuado, por
ejemplo, un mezclador Banbury, la cantidad deseada de la
organoarcilla expandida. El proceso debe someter la mezcla a
cizallamiento suficiente para desestratificar en capas individuales
por lo menos el 90% en peso del material intercalado. El poliéster
compuesto preparado de esta manera se puede tratar también con
polimerización en estado sólido para conseguir la viscosidad
intrínseca suficiente para permitir el procesamiento en estado
fundido.
En la expansión de organoarcillas en un
disolvente orgánico, se prefiere que el agente de expansión esté
presente en una cantidad suficiente para proporcionar una
organoarcilla totalmente expandida. En la tabla 1 se indican
ejemplos de organoarcillas expandidas usando cloruro de metileno
como disolvente.
En la expansión de organoarcillas en agua, se
obtiene una organoarcilla totalmente expandida cuando el contenido
de arcilla es más de 20% pero menos de 60% en peso de arcilla. En
la tabla 2 se indican ejemplos de organoarcillas expandidas en
agua.
Los agentes de expansión que son útiles para esta
invención comprenden una gama amplia de polímeros de peso molecular
bajo a alto. En la expansión de organoarcillas en un disolvente
orgánico, los polímeros preferidos son los que se disuelven o se
suspenden fácilmente en disolventes orgánicos, como cloruro de
emtileno o tolueno. Las organoarcillas preferidas son los que pueden
ser hinchadas fácilmente por estos disolventes, permitiendo así
acceso fácil del agente de expansión a los espacios entre las capas
de la organoarcilla. Los polímeros preferidos usados como agentes de
expansión deben ser compatibles o miscibles con el polímero usado
para formar el artículo final si se necesita transparencia en el
producto final.
Agentes de expansión adecuados son
poli(caprolactona), poliepóxidos, poliestireno,
poliacrilatos, policarbonatos, poliuretanos, polisulfonas,
poliéteres, policetonas, poliamidas y poliésteres que comprenden
restos de por lo menos un ácido dibásico y un glicol. En algunos
casos, en la preparación de poliésteres puede ser necesario usar más
de un glicol para mejorar la miscibilidad del agente de expansión
en disolventes orgánicos. Los ácidos dibásicos principales son
ácido tereftálico, isoftálico, octadeciloxiisoftálico,
naftalenodicarboxílico,
ciclohexano-1,4-dicarboxílico,
sodiosulfoisoftálico, etc. Glicoles típicos usados en el poliéster
incluyen los que contienen dos a aproximadamente diez átomos de
carbono. Los glicoles preferidos incluyen etilenglicol,
dietilenglicol, butano-1,4-diol,
propano-1,3-dimetanol y
ciclohexano-1,4-dimetanol. Los pesos
moleculares de estos polímeros pueden variar de 250 a 25.000.
También pueden actuar como agentes de expansión especies
monoméricas. Entre estas, se pueden citar Zonyl® y vitamina E.
Por conveniencia en este trabajo, la
organoarcilla expandida se recubrió sobre la superficie de los
gránulos de poliéster antes de la extrusión. Esto se realizó
mezclando, en cloruro de metileno, gránulos de poliéster con la
organoarcilla expandida, seguido de evaporación del cloruro de
metileno.
La organoarcilla tratada de la presente invención
se puede combinar con una gran variedad de polímeros, incluidos
polímeros termoplásticos y mezclas de los mismos y resinas
vulcanizadas y termoplásticas. Las resinas termoplásticas incluyen
polilactonas, poliuretanos, dioles de cada lineal larga,
polieterdioles, polisulfonas, polieteretercetonas, poliamidas,
poliésteres, poliesteramidas, poli(óxidos de arileno),
poli(sulfuros de arileno), polieterimidas, polímeros
vinílicos y sus copolímeros, copolímeros de etileno- ácido acrílico,
copolímeros de etileno-alcohol vinílico, copolímeros
de acrilonitrilo, copolímeros de
metacrilato-estireno, copolímeros de
etileno-acrilato de etilo, copolímeros metacrilados
de butadieno-estireno, poliolefinas, plásticos de
ésteres de celulosa, etc. Se describen muchos polímeros adecuados
en la patente WO 93/04118, cuya descripción se incorpora en la
presente memoria como referencia. Particularmente adecuados para
incorporarlos en las organoarcillas expandidas son poliésteres que
incluyen por lo menos un ácido dibásico y por lo menos un glicol.
Los ácidos dibásicos principales son ácido tereftálico, isoftálico,
naftalenodicarboxílico,
ciclohexano-1,4-dicarboxílico, etc.
Se pueden usar los diversos isómeros o mezclas de isómeros del
ácido naftalenodicarboxílico pero se prefieren los isómeros 1,4,
1,5, 2,6 y 2,7. El ácido
ciclohexano-1,4-dicarboxílico se
puede usar en forma cis, trans o mezclas cis/trans. Además de las
formas ácidas, también se pueden usar los ésteres de alquilo
inferior o los cloruros de ácido.
El componente ácido dicarboxílico del poliéster
puede estar modificado opcionalmente con hasta aproximadamente 50
por ciento en moles de uno o más ácidos dicarboxílicos diferentes.
Dichos ácidos dicarboxílicos adicionales incluyen ácidos
dicarboxílicos que tienen 6 a aproximadamente 40 átomos de carbono y
más preferiblemente ácidos dicarboxílicos seleccionados de ácidos
dicarboxílicos aromáticos que tienen preferiblemente 8 a 14 átomos
de carbono, ácidos dicarboxílicos alifáticos que tienen
preferiblemente 4 a 12 átomos de carbono o ácidos dicarboxílicos
cicloalifáticos que tienen preferiblemente 8 a 12 átomos de carbono.
Ejemplos de ácidos dicarboxílicos adecuados incluyen ácido
tereftálico, ácido ftálico, ácido isoftálico, ácido
naftaleno-2,6-dicarboxílico, ácido
ciclohexanodicarboxílico, ácido ciclohexanodiacético, ácido
difenil-4,4'-dicarboxílico, ácido
succínico, ácido glutárico, ácido adípico, ácido azelaico, ácido
sebácico, ácido diglicólico, ácido
1,4-fenilendioxidiacético, etc. Se pueden preparar
poliésteres de dos o más de los ácidos dicarboxílicos antes
mencionados.
El polímero también puede contener cantidades
pequeñas de comonómeros trifuncionales o tetrafuncionales para
proporcionar ramificación controlada en los polímeros. Dichos
comonómeros incluyen anhídrido trimelítico, trimetilolpropano,
dianhídrido piromelítico, pentaeritritol, ácido trimelítico, ácido
piromelítico y otros poliácidos o polioles que forman poliésteres,
conocidos generalmente en la técnica.
Los glicoles típicos usados en el poliéster
incluyen glicoles alifáticos que contienen dos a aproximadamente
diez átomos de carbono, glicoles aromáticos que contienen 6 a 15
átomos de carbono y glicoles cicloalifáticos que contienen 7 a 14
átomos de carbono. Los glicoles preferidos incluyen etilenglicol,
butano-1,4-diol,
hexano-1,6-diol,
ciclohexano-1,4-dimetanol,
dietilenglicol, etc. Los glioles aromáticos preferidos son
resorcinol e hidroquinona. El componente glicólico puede estar
modificado opcionalmente con hasta aproximadamente 50 por ciento en
moles de uno o más dioles adicionales. Dichos dioles adicionales
incluyen dioles cicloalifáticos que tienen preferiblemente 6 a 20
átomos de carbono y dioles alifáticos que tienen preferiblemente 3 a
20 átomos carbono. Ejemplos de dichos dioles incluyen
dietilenglicol, trietilenglicol,
ciclohexano-1,4-dimetanol,
propano-1,3-diol,
butano-1,4-diol,
pentano-1,5-diol,
hexano-1,6-diol,
3-metilpentano-2,4-diol,
2-metilpentano-1,4-diol,
2,2,4-trimetilpentano-1,3-diol,
2-etilhexano-1,3-diol,
2,2-dietilpropano-1,3-diol,
hexano-1,3- diol,
1,4-di(2-hidroxietoxi)benceno,
1,3-di(2-hidroxietoxi)benceno,
2,2-bis(4-hidroxiciclohexil)propano,
2,4-dihidroxi-1,1,3,3-tetrametilciclobutano,
2,2-bis(3-hidroxietoxifenil)propano,
2,2-bis(4-hidroxi-propoxifenil)propano,
etc. Se puede usar
ciclohexano-1,4-dimetanol en sus
formas cis o trans o mezclas cis/trans. Se pueden preparar
poliésteres de uno o más de los dioles antes mencionados.
También se pueden incluir compuestos
bifuncionales, como ácido hidroxibenzoico.
La cantidad de organoarcilla expandida
incorporada en el poliéster puede variar mucho, dependiendo del uso
pretendido del material compuesto. La cantidad de material
empleado, basado en el contenido de arcilla, es preferiblemente 2 a
20% en peso de la mezcla.
El poliéster que contiene distribuida
homogéneamente la arcilla en capas se puede conformar en películas
por métodos adecuados de formación de películas, como extrusión o
prensado, o, cuando se use el poliéster apropiado, se puede soplar
para formar botellas.
Todas las viscosidades intrínsecas se determinan
a 25ºC usando 0,5 g de polímero por 100 ml de un disolvente
compuesto de 60 partes en peso de fenol y 40 partes en peso de
tetracloroetano. Las temperaturas de fusión se determinan por
calorimetría de exploración diferencial (DSC) con el segundo ciclo
de calentamiento a una velocidad de 20ºC por minuto después de que
la mezcla haya sido calentada hasta el punto de fusión y enfriada
rápidamente por debajo de la temperatura de transición vítrea del
polímero. Las mediciones de la permeabilidad al oxígeno se
obtuvieron de acuerdo con ASTM D-3985 usando un
instrumento MOCON Oxtran -1000 a 30ºC y 68% de humedad relativa, con
oxígeno puro como gas a penetrar y nitrógeno como gas portador. Las
mediciones WAXS de las distancias del plano <001> se
realizaron con muestras en polvo usando un difractómetro Scintag PAD
V de dos círculos equipado con un detector de estado sólido Peltier
usando radiación Cu K\alpha procedente de un tubo cerrado
funcionando a 20 mA y
\hbox{45 kV.}
Este ejemplo ilustra el método de preparar las
organoarcillas usadas en la invención. En una mezcladora Vitamix se
mezcló montmorillonita sódica (10 gramos, 9,5 miliequivalentes,
arcilla suministrada por Southern Clay Products y que tiene una
capacidad de intercambio de cationes de 95 miliequivalentes/100
gramos) con 490 ml de agua a 60ºC, para formar una suspensión de 2%
de arcilla en agua. Se añadió a la mezcladora Vitamix cloruro de
bis(2-hidroxietil)metilseboamonio [4,0
gramos, 9,5 miliequivalentes; disponible comercialmente como
Ethoquad T/12 (solución de 74%)] y se mezcló a gran velocidad
durante un minuto. Los sólidos formados se separaron por filtración
sobre un embudo Buchner. El producto se volvió a suspender en 250 ml
de agua en una mezcladora Vitamix, se filtró de nuevo y se secó en
una estufa de aire forzado a 60ºC durante 16 horas. El producto
tenía una distancia basal de 2,0 nanómetros, medida por difracción
de rayos X.
Este ejemplo ilustra el método usado para
preparar las organoarcillas expandidas usadas en esta invención en
un disolvente orgánico. Se disolvió el agente de expansión
polidimetilsiloxano terminado en carbitol (2,26 gramos; de Petrarch
Systems Inc.) en 60 ml de cloruro de metileno. Después se añadió en
una mezcladora Vitamix la organoarcilla montomorillonita de
bis(2-hidroxietil)metilseboamonio
(2,73 gramos) y se mezcló a gran velocidad. Después se dejó
evaporar el disolvente, proporcionando un material sólido que tenía
una distancia basal de 4,5 nanómetros, medida por difracción de
rayos X.
Ejemplos
3-16
De acuerdo con el procedimiento descrito en el
ejemplo 2 se prepararon las composiciones relacionadas en la tabla
1. La organoarcilla usada fue montmorillonita de
bis(2-hidroxietil)metilseboamonio y el
porcentaje de arcilla usada en cada ejemplo, basado en el peso
total de organoarcilla expandida, fue 40% en peso. Ethoquad
18-25 se puede conseguir comercialmente de AKZO
Chemical Company. PD7610 se puede conseguir comercialmente de
Anderson Chemical Company. AQ55 y PETG 6763 son poliésteres
disponibles comercialmente, preparados por Eastman Chemical Company.
Epon 828 se puede conseguir comercialmente de Shell Chemical
Company. SCX800 lo fabrica S.C. Johnson Wax Co.
Este ejemplo ilustra el método usado para
preparar las organoarcillas expandidas en un medio acuoso. En una
mezcladora Vitamix se disolvió el poliéster soluble en agua AQ 55
(5,0 gramos) en 250 ml de agua caliente. Se añadió a la mezcladora
montmorillonita sódica (5,0 gramos, 4,75 miliequivalentes; arcilla
suministrada por Southern Clay Products y que tiene una capacidad
de intercambio de cationes de 95 miliequivalentes/100 gramos) y se
mezcló durante un minuto. Se suspendió
octadecilbis[polioxietilen(5)]amina (2,32 gramos,
4,75 miliequivalentes; disponible comercialmente como Ethomeen 18/15
de AKZO Chemical Company) en 25 ml de agua y se añadieron 4,88 g de
HCl 0,973N para formar la sal amónica, que se disolvió
inmediatamente. Se añadió después esta solución de sal amónica a la
mezcladora Vitamix que contenía el poliéster AQ55 y la arcilla y se
mezcló a gran velocidad durante un minuto. Los sólidos formados se
separaron por filtración sobre un embudo Buchner. El producto se
volvió a suspender en 250 ml de agua en una mezcladora Vitamix, se
filtró de nuevo y se secó en una estufa de aire forzado a 60ºC
durante 16 horas. El producto tenía una distancia basal de 4,1
nanómetros, medida por difracción de rayos X.
Ejemplos
18-25
De acuerdo con el procedimiento descrito en el
ejemplo 17 se prepararon las composiciones relacionadas en la tabla
2. El agente de expansión fue, en cada caso, AQ 55 y el porcentaje
de arcilla usada en cada ejemplo, basado en el peso total de
organoarcilla expandida, fue 40 por ciento en peso.
Ejemplo comparativo
1
Se repitió el procedimiento del ejemplo 2, con la
excepción de que no se usó agente de expansión. La distancia basal
del producto fue 2,0.
Ejemplo comparativo
2
Se repitió el procedimiento del ejemplo 17, con
la excepción de que se usó cloruro de tridodecilamonio. El producto
tenía una distancia basal de 2,7 nanómetros.
Ejemplo comparativo
3
Se repitió el procedimiento del ejemplo 17, con
la excepción de que se usó cloruro de tetrametilamonio. El producto
tenía una distancia basal de 1,4 nanómetros.
Claims (19)
1. Una composición que comprende:
- (i)
- una arcilla en capas, constituida por partículas laminares cuyos iones han sido intercambiados con un catión orgánico representado por la fórmula I
en la
que:
- (1)
- M es nitrógeno o fósforo,
- (2)
- R_{1} es un grupo alquilo lineal o ramificado que tiene por lo menos 8 átomos de carbono,
- (3)
- R_{2}, R_{3} y R_{4} se seleccionan independientemente de hidrógeno o ligandos orgánicos u oligoméricos,
- (4)
- por lo menos uno de R_{2}, R_{3} y R_{4} comprende un grupo óxido de alquileno que tiene 2 a 6 átomos de carbono o un grupo poli(óxido de alquileno), y
- (ii)
- por lo menos un agente de expansión para incrementar la distancia basal de la organoarcilla en capas, en el que el agente de expansión se selecciona del grupo formado por poli(caprolactona), poliepóxidos, poliestireno, poliacrilatos, policarbonatos, poliuretanos, polisulfonas, poliéteres, policetonas, poliamidas y poliésteres que comprenden restos de por lo menos un ácido dibásico y un glicol.
2. La composición de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que R_{2}, R_{3} y R_{4} no son
hidrógeno.
3. La composición de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que por lo menos uno de R_{2}, R_{3} y
R_{4} es un grupo alquilo que tiene 1 a 4 átomos de carbono.
4. La composición de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que R_{1} es un grupo alquilo lineal o
ramificado que tiene 8 a 25 átomos de carbono.
5. La composición de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que el grupo óxido de alquileno es un grupo
2-hidroxietilo.
6. La composición de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que el catión orgánico es
bis(2-hidroxietil)octadecilmetilamonio.
7. La composición de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que el catión orgánico es
bis(2-hidroxietil)metilseboamonio.
8. La composición de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que el agente de expansión es un
oligómero.
9. La composición de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que el agente de expansión es un polímero
que tiene un peso molecular de 250 a 25.000.
10. La composición de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que el agente de expansión es una poliamida
oligomérica.
11. Un material compuesto polimérico que
comprende un polímero matriz en el que está dispersa la composición
de acuerdo con cualquier reivindicación precedente.
12. El material de acuerdo con la reivindicación
11, en el que el polímero matriz comprende por lo menos uno de un
polímero termoplástico, una mezcla de polímeros termoplásticos, una
resina vulcanizada o una resina termoplástica.
13. El material de acuerdo con la reivindicación
11 o la reivindicación 12, en el que el agente de expansión es
miscible con el polímero matriz.
14. El material de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 13, en el que la arcilla en capas se
incorpora en una cantidad de 2 a 20% en peso de la mezcla.
15. El material de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 14, en el que el polímero matriz es un
poliéster.
16. El material de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 15, en el que el polímero matriz es una
poliamida.
17. El material de acuerdo con la reivindicación
16, en el que el polímero matriz y el agente de expansión son
poliamidas.
18. El material de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 17, en el que el polímero matriz es una
copoliamida o una terpoliamida.
19. El material de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 18, en el que el polímero matriz es
poli(m-xilenoadipamida).
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