Aplicación de recubrimientos de carbono DLC sobre Poli (ácido láctico) mediante Sputtering Magnetrón. Transformaciones en el plástico y efecto sobre algunas propiedades.

Abstract

Desde finales del s. XX hasta el día de hoy, la demanda de polímeros sintéticos continua creciendo para multitud de aplicaciones, entre otras la fabricación de envases. La mayoría de estos polímeros son poliolefinas, y una gran cantidad de éstos acaba como productos de desecho. La problemática que conlleva estos plásticos una vez desechados, es que son inmunes a la mayoría de los procesos de degradación naturales, por lo que suponen un importante contaminante del medio ambiente.
Debido a este contexto, los bioplásticos tienen cada día un papel más importante como reemplazo de estos polímeros no biodegradables en muchas aplicaciones. Hoy en día, está creciendo casi exponencialmente la demanda de materiales poliméricos “verdes”, que no incluyan compuestos tóxicos o nocivos durante su fabricación y que sean degradables en el medio ambiente. Dentro de este grupo ocupa un lugar muy destacado el poli (ácido láctico), que será el objeto de estudio de este proyecto.
El poli (ácido láctico) es un poliéster alifático, producido por la polimerización por apertura de anillo de la lactida o a partir del ácido láctico. Estos monómeros pueden ser sintetizados químicamente u obtenidos mediante fermentación. La síntesis química produce una mezcla racémica de D y L-ácido láctico, mientras que por fermentación puede obtenerse cada uno de sus isómeros puro, lo que conlleva una gran ventaja, que junto con el bajo coste del sustrato y los bajos valores de consumo energético y temperatura, hacen esta vía de síntesis mucho más atractiva.
Con el fin de mejorar algunas de sus propiedades, como las propiedades de barrera, resistencia al impacto, etc., se están investigando diferentes soluciones, y en el caso de este proyecto se va a estudiar cómo afecta una capa de recubrimiento de carbono, del tipo DLC (Dyamond Like Carbon), de tamaño nanométrico, a la estructura química del PLA y a algunas de sus propiedades.
La técnica empleada para la aplicación del recubrimiento consiste en un tipo de deposición física de vapor, llamada "Sputtering Magnetron", que emplea el bombardeo con iones para liberar los átomos del material que se desea depositar, en este caso el carbono. La presencia de un fuerte campo magnético dentro de la cámara de tratamiento sirve para mejorar la deposición sobre la muestra, además de estabilizar el plasma, mejorando la eficiencia de deposición.
En este proyecto se utilizan tres muestras de PLA recubiertas con diferentes espesores de carbono, con el fin de poder comparar como afecta a la estructura química del plástico y a algunas de sus propiedades.
Para ello se emplean diferentes técnicas de caracterización, cuyos resultados más destacados se incluyen a continuación.
En primer lugar, del análisis por espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), se comprueba que, a consecuencia del tratamiento de recubrimiento, se produce una cristalización del PLA.
Puesto que los infrarrojos se obtuvieron por ATR, tan sólo permite obtener información acerca de la superficie analizada. No obstante, en el análisis de las caras no recubiertas de los filmes tratados se observan los mismos cambios que en la cara que sí contiene carbono. Esto permite pensar que la cristalización ha tenido lugar en todo el filme y no sólo en la cara tratada. Para asegurarlo, se procede a analizar las muestras por difracción de rayos-X.
Por tanto, la cristalización tiene lugar en todo el filme, y se debe a las condiciones térmicas del proceso de recubrimiento en lugar de deberse a la energía aportada por los iones al chocar contra la superficie del filme, lo que produciría una cristalización sólo en la superficie tratada.
Por otra parte, el recubrimiento de carbono afecta a algunas propiedades ópticas que son muy importantes para las posibles aplicaciones del plástico. Los datos del estudio de la turbidez revelan que el recubrimiento de carbono provoca un enturbiamiento del filme, lo que afectaría a su uso en la industria de fabricación de envases.
Además, del análisis por espectroscopia UV-visible, se comprueba que el porcentaje de transmisión de la luz en la zona visible se reduce al incrementarse el carbono depositado en el filme, pasando de un 82,70% con un recubrimiento de carbono de 10nm de espesor, hasta el 71,38% cuando el espesor del recubrimiento es de 20nm.
Por último, se ha estudiado la influencia del recubrimiento sobre las propiedades de barrera del plástico. Hay que mencionar, que debido al espesor irregular de los filmes, las medidas de permeabilidad tiene una incertidumbre muy alta pese a su buena reproducibilidad. Los resultados de dichas medidas a la permeación de oxígeno y nitrógeno a 30ºC, son del mismo orden de magnitud que los obtenidos en diferentes estudios sobre el PLA realizados por el grupo de investigación en el que se ha realizado el proyecto. Por tanto, se deduce que el recubrimiento de carbono no mejora de manera significativa las propiedades de barrera del plástico, y que los valores de permeabilidad relativamente altos obtenidos, se deben a la cristalización que se produce durante el proceso de recubrimiento, en lugar de al carbono depositado.
Se observó al microscopio óptico uno de los filmes de PLA recubiertos, apreciándose grietas con bordes rectos características de rotura frágil en la superficie del recubrimiento. Estas grietas explican el escaso efecto del recubrimiento sobre la permeabilidad, y se podría tratar de solucionar aumentando el porcentaje de hidrógeno en el recubrimiento, con el fin de flexibilizarlo y que no se agriete.
Por todo lo expuesto anteriormente, se puede decir que se logró recubrir satisfactoriamente los filmes de PLA con carbono DLC, pero que el carbono depositado no mejora significativamente la permeabilidad, y empeora algunas de las propiedades ópticas del polímero. Además, el tratamiento genera temperaturas elevadas en el plástico que, en el caso del PLA, causan cristalización..
Los resultados de este proyecto indican que, en general que en el caso del PLA es necesario buscar técnicas de aplicación de recubrimientos de baja temperatura, y se podría estudiar en un futuro la aplicación de otros recubrimientos, como por ejemplo el SiOx, o la incorporación de más hidrógeno al recubrimiento con carbono, para tratar que la capa de este no se agriete.