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ACTIVACIÓN Y PRODUCCIÓN DE SUPERFICIES SILANIZADAS
Poveda et. al., 89–101
ACTIVACIÓN Y PRODUCCIÓN
DE SUPERFICIES SILANIZADAS
ACTIVATION AND PRODUCTION OF SILANIZED SURFACES
Ana Poveda G.
1
*
, Pablo Bonilla V.
1*
, Joseth Rivera Q.
1
,
Javier Santamaría A.
1
, Lenin Ron G.
2
& Pamela Mosquera C.
3
Recibido: 2 de junio 2020 / Aceptado: 15 de diciembre 2020
DOI: 10.26807/ia.v9i1.172
Palabras claves: (7-octen-1-il) trimetoxisilano, ángulo de contacto,
silanización, superficies hidrofóbicas
Keywords: (7-octen-1-il) trimethoxysilane, contact angle,
hydrophobic surface, silanization.
RESUMEN
En el presente trabajo se estandarizó una metodología para la activación y pro-
ducción de superficies silanizadas de naturaleza hidrofóbica. La metodología
fue realizada mediante la activación de grupos OH de superficies de vidrio eli-
1 Facultad de Ciencias Químicas, Instituto de Investigación en Salud Pública y Zoonosis-CIZ, Quito,
Ecuador. (ajrivera@uce.edu.ec, jrsantamaria@uce.edu.ec, *correspondencia: apoveda@uce.edu.ec,
pmbonilla@uce.edu.ec).
2 Universidad Central del Ecuador, Facultad de Ciencias Agrícolas, Quito, Ecuador. (ljron@uce.edu.ec).
3 Universidad de las Américas, Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Quito, Ecuador. (pmmos
quera@udlanet.ec) .
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minando la materia inorgánica con etanol y la materia orgánica por reacciones
de oxidación, mediante la construcción de una cámara de UV/ozono con dos
longitudes de onda diferentes (253,7 nm y 180 nm). Se realizó la silanización
de las superficies de vidrio activadas exponiéndolas con el reactivo (7-octen-
1-il) trimetoxisilano/n-heptano a diferentes tiempos. La hidrofobicidad obtenida
en las superficies silanizadas se determinó midiendo el ángulo de contacto (q).
Los resultados permitieron concluir que existe influencia del tiempo de expo-
sición en la formación de superficies hidrofóbicas. Se obtuvieron ángulos de
contacto de 92,417° ± 0,631, tras 7 h de exposición seguidas de un proceso
de limpieza de las superficies.
ABSTRACT
In this research a methodology for activation and production of silanized sur-
faces of hydrophobic nature was standardized. The methodology was performed
by activation of OH groups at glass surfaces by removing inorganic matter with
ethanol and organic matter by oxidation reactions in a UV / ozone chamber
with two different wavelengths (253.7 nm and 180 nm). The silanization was
performed by exposition of the activated surfaces to (7-octen-1-yl) trimethoxy-
silane / n-heptane for different times. The hydrophobicity obtained at silanized
surfaces was determined by measuring the contact angle (q). Because the data
obtained it was determined that the exposure time of the reagent influences the
formation of hydrophobic surfaces. After 7 h of exposition and cleaning of the
surfaces, contact angles of 92.417° ± 0.631 were obtained.
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ACTIVACIÓN Y PRODUCCIÓN DE SUPERFICIES SILANIZADAS
Poveda et. al., 89–101
El recubrimiento de superficies con
polímeros hidrofóbicos tiene múlti-
ples aplicaciones. Este trabajo se cen-
tra en el uso de (7-octen-1-il) trime
toxisilano, para realizar una silaniza-
ción o recubrimiento de superficies
de vidrio. Los silanos presentan ca-
racterísticas de auto asociación y, tras
su adsorción a una superficie, los
grupos orgánicos de naturaleza hi-
drofóbica se ordenan generando una
superficie hidrofóbica.
La silanización de superficies se ha
utilizado para múltiples aplicaciones,
entre otras, biotecnológicas de uso
industrial o con fines investigativos
como la inmovilización de lipasas
para su reciclaje en procesos de bio-
catálisis (Wang et al., 2012), técnicas
moleculares como el peinado de
DNA (Giri et al., 2016), o la elimina-
ción selectiva de albúmina de sueros
humanos para su posterior análisis
proteómico (Bhakta et al., 2017).
Otras aplicaciones se han realizado
en el campo de la odontología (For-
nazari et al., 2017) en empastes y re-
paraciones por sus propiedades
altamente resistentes, o para proteger
materiales delicados como diato-
meas (Perera, Mortazavian, & Blum
2017).
El proceso de silanización consta de
dos etapas: limpieza de la superficie
y funcionalización de la superficie a
silanizar. El objetivo de la etapa de
limpieza es eliminar residuos orgáni-
cos e inorgánicos y dejar expuestos
los grupos –OH de la estructura mo-
lecular del vidrio, obteniendo una su-
perficie activada que permita poste-
riormente la reacción de silaniza-
ción. Diferentes métodos de limpieza
de superficie de vidrio han sido re-
portados, siendo la limpieza con áci-
dos uno de los métodos más
accesibles por su bajo costo (Ej. solu-
ción “piraña” [H
2
SO
4
(3): H
2
O
2
(1),
(v:v)]). Sin embargo, tiene como prin-
cipales limitantes la alta producción
de desechos contaminantes y un alto
riesgo para el usuario (Labit et al.,
2010). Se han desarrollado equipos
que generan un plasma de barrera
dieléctrica, que permiten limpiar su-
perficies de una manera más segura
para el usuario (Sung & Hay 2014).
Estos equipos requieren el uso de
gases como argón, oxígeno, nitró-
geno-hidrógeno, y se generan radica-
INTRODUCCIÓN
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les de oxígeno que reaccionan con la
materia orgánica. Estos equipos son
muy adecuados cuando la superficie
a limpiar es irregular, por ejemplo,
superficies microporosas, si bien la li-
mitante es que se requiere una inver-
sión elevada para la adquisición del
equipo y de los gases. Otra alterna-
tiva económicamente más accesible
es el método de limpieza empleando
luz UV en combinación con ozono
(O
3
). Este método fue reportado por
Vig (1985) utilizando un dispositivo
de elaboración casera. Desde enton-
ces, equipos de características simi-
lares pueden adquirirse en el mer ca
do (Schwob, Renty, Coulon, Gostan,
Boyer, Camet-Gabut & Amato 2009),
pero también requieren de una inver-
sión inicial relativamente costosa. La
luz UV de 253,7 y 180 nm de longi-
tud de onda (l) interacciona con el
O
2
para generar O
3
y oxígeno ató-
mico. A su vez, estos interaccionan
con la materia orgánica destruyén-
dola.
Una vez obtenidas superficies libres
de residuos, se procede a funcionali-
zar la superficie con (7 octen 1 il)tri-
metoxisilano. El proceso de silaniza-
ción puede realizarse en fase gaseosa
o en fase líquida. La silanización en
fase gaseosa es muy efectiva y repro-
ducible, sin embargo, la metodología
es compleja y requiere de cámaras
anhidras de difícil manejo. Otra alter-
nativa más sencilla es la silanización
en fase líquida (Labit et al., 2010).
Este proceso permite que una mono-
o multicapa de moléculas de silano
se adhiera a la superficie de vidrio en
presencia de un solvente como el n-
heptano (Figura 1A).
En este trabajo se adaptó y desarrolló
un método sencillo y asequible para
limpiar y silanizar superficies de vi-
drio, que no depende de dispositivos
comerciales que implican un elevado
costo. La materia inorgánica y orgá-
nica se eliminó con solventes e irra-
diación UV en un dispositivo de
vidrio que puede ser cargado con
oxígeno (Vig, 1985). Finalmente, se
realizó el proceso de silanización por
reacción en líquido (Labit et al.,
2010). Además, se introdujo una me-
todología para evaluar cuantitativa-
mente la calidad de las superficies
hidrofóbicas obtenidas, basada en la
determinación del ángulo de con-
tacto (l) (Al-Bakri et al., 2014).
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A.
B.
Figura 1. Representación esquemática de moléculas de
(7-octen-1-il) trimetoxisilano adheridas y ordenadas sobre una superficie de vidrio,
generando una superficie hidrofóbica (A).
Esquema y dimensiones de la cámara UV construida en este trabajo (B)
MATERIALES Y MÉTODOS
Limpieza de superficies de vidrio
Se utilizaron cubreobjetos (22 x 22
mm) como superficies de vidrio. Para
eliminar la materia inorgánica y parte
de la orgánica se realizó una lim-
pieza con agua jabonosa durante 2
minutos con agitación suave. Los res-
tos de jabón se eliminaron lavando el
cubreobjetos 2 veces con 50 mL de
agua destilada, 2 minutos. A conti-
nuación, se lavó con 20 mL de etanol
absoluto (99 %, Scharlau, ACS basic,
ref.ET0023025P), 2 minutos y final-
mente se dejó secar al aire. Los cu-
breobjetos se introdujeron en una cá-
mara de UV, construida en vidrio y
con dos lámparas UV de 180 nm (8
W) y una de 253,7 nm (15 W, G15t8)
(Figura 1B). La cámara dispone de
una salida por la cual se puede con-
trolar la entrada y salida de gases.
Con una bomba de vacío se extrajo
el aire y se llenó la cámara con 1000
cm
3
de oxígeno industrial. Se encen-
dieron las lámparas y se irradió du-
rante 3 horas a temperatura ambiente
(18-20 ºC).
Silanización en fase líquida
Se preparó una solución de (7-octen-
1-il) trimetoxisilano (grado técnico,
80 %; Sigma Aldrich, ref. 452815) al
0,00399 M, en n-heptano (anhidro,
99 %; Sigma Aldrich, ref. 246654) y
se incubaron los cubreobjetos tras el
proceso de limpieza y seleccionados
al azar, durante 2-24 horas en un de-
secador dentro de una campana ex-
tractora. Transcurrido el tiempo los
cubreobjetos se secaron al aire.
Para eliminar el exceso de silano ad-
herido se colocaron los cubreobjetos,
de uno en uno, en 20 mL de n-hep-
tano y se sometió a ultrasonicación
(5 min, pulsos 30 s, al 33 %, con
sonda microtip de 6 mm, que equi-
vale a una intensidad sónica de 89
W/cm
2
). Se utilizó un procesador de
ultrasonidos para líquidos de 130 W
y de frecuencia 20 kHz (modelo
GEX130). Se repitió el proceso en 20
mL de cloroformo y se secaron los
cubreobjetos al aire. Finalmente se
almacenaron en un desecador.
Determinación del ángulo de con-
tacto (
l
)
Se determinó el ángulo de contacto
utilizando la técnica goniométrica de
gota yacente o sessile drop (Al-bakri
et al., 2014). Para ello se depositaron
5 µL de agua bidestilada sobre la su-
perficie del cubreobjetos a analizar.
Se tomó una fotografía de la gota con
el objetivo 1.6X. Las imágenes se
analizaron con el ImageJ, (Schneider,
C.A., Rasband, W.S., Eliceiri, 2012).
Se midieron los ángulos izquierdo y
derecho de cada muestra y como
controles se utilizaron superficies si-
lanizadas proporcionadas por un la-
boratorio (comunicación personal,
(Schwob, Renty, Coulon, Gostan, Bo -
yer, Camet-Gabut, & Amato 2009)),
superficies no tratadas y superficies
silanizadas durante 7 horas sin lim-
pieza previa. Cuanto mayor es el án-
gulo de contacto obtenido, mayor es
la hidrofobicidad.
Análisis estadístico
Para la comparación del ángulo (l)
de lectura generado a diversos nive-
les de tiempo y según el tipo de lám-
para, se empleó un esquema factorial
con cinco niveles de tiempo y dos
tipos de lámpara. Un ANOVA (Aná-
lisis de varianza) fue establecido para
las comparaciones de medias de los
efectos individuales y de posible in-
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teracción. En el caso de la optimiza-
ción del tiempo de medición un es-
quema de ANOVA de una vía fue
establecido. Cuando se encontraron
diferencias dentro de los efectos in-
dividuales fue aplicada la prueba de
Tukey para contrastes múltiples. La
significación estadística para este es-
tudio se estableció en el 5 %. Para ge-
nerar los gráficos se utilizó el paquete
ggplot2 del software estadístico R
versión 3.3.2 (Team, 2014).
RESULTADOS
Influencia del tiempo de exposición
a silano y de la
l
de la luz UV, sobre
la formación de superficies hidrofó-
bicas en matrices de vidrio
Con el objetivo de determinar si el
tiempo de exposición influye sobre la
calidad de la superficie hidrofóbica,
se silanizaron cubreobjetos de vidrio
sometiéndolos a 2, 7, 12, 17 y 24 h
de exposición a (7-octen-1-il)trimeto-
xisilano en fase líquida. Se realizaron
4 repeticiones cada tiempo de expo-
sición siguiendo la metodología des-
crita, con la única excepción de que
se utilizó únicamente una lámpara de
253,7 nm (15 W) en la cámara de
UV. La hidrofobicidad de las superfi-
cies obtenidas se determinó mi-
diendo el ángulo de contacto (Tabla
1).
Tabla 1. Ángulos de contacto (
q
) obtenidos de superficies de vidrio silanizadas
previamente sometidas a irradiación UV con lámpara de
l
253,7 nm (15 W),
a diferentes tiempos. La tabla muestra los promedios (Prom),
desviación estándar (SD) y la varianza
2 h 7 h 12 h 17 h 24 h
Prom 61,724 89,681 77,723 80,237 79,073
+ SD ±0,851 ± 0,891 ± 0,778 ±0,802 ± 0,867
Varianza 0,724 0,794 0,605 0,643 0,751
Los resultados muestran que el mayor
grado de hidrofobicidad de las super-
ficies de vidrio silanizadas se obtuvo
a las 7 horas de exposición (ángulo
de contacto promedio de 89,681° ±
0,891), mientras que a tiempos supe-
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riores se obtienen ángulos de con-
tacto aproximadamente 10° menores
(Figura 2) lo que puede deberse a un
proceso de saturación de los sitios
activados. Por otro lado, nos plantea-
mos si utilizando simultáneamente
lámparas de UV de 253,7 y 180 nm,
podíamos obtener mejores resultados
que utilizando únicamente la lámpara
de UV de 253,7 nm, ya que los equi-
pos comerciales están dotados de
lámparas de ambas l (UV Ozone
cleaner, Novascan). Para ello se insta-
laron dos lámparas adicionales de
180 nm (8 W) en la cámara de UV. La
introducción de la l a 180 nm su-
pone la generación de oxígeno ató-
mico que contribuye a mejorar la
eliminación de residuos orgánicos. Se
repitió el experimento anterior, pero
utilizando luz UV a ambas longitudes
de onda: 253,7 y 180 nm, simultá-
neamente. Los resultados obtenidos
(Tabla 2) muestran una tendencia si-
milar a los resultados obtenidos irra-
diando únicamente con UV de 253,7
nm, pero los ángulos de contacto me-
joraron de 2° a 3° en todos los tiem-
pos de exposición (Figura 2).
Tabla 2. Ángulos de contacto (
q
) obtenidos de superficies de vidrio silanizadas
previamente sometidas a irradiación UV con una lámpara de
l
253,7 nm (15 W)
y dos de
l
180 nm (8 W), a diferentes tiempos.
La tabla muestra los promedios (Prom), desviación estándar (SD) y la varianza
2 h 7 h 12 h 17 h 24 h
Prom 64,215 92,448 80,082 81,795 80,559
+ SD ± 0,544 ± 0,497 ± 0,577 ± 0,609 ± 0,572
Varianza 0,296 0,247 0,333 0,371 0,327
Estos resultados permiten concluir
que la irradiación UV simultánea con
l 253,7 nm y l 180 nm mejora la hi-
drofobicidad de las superficies obte-
nidas, por lo que de aquí en adelante
se trabajó con estas condiciones.
Además, corroboran que el mejor
tiempo de silanización son 7 horas.
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Figura 2. Tendencia obtenida en los ángulos de contacto (
q
) promedio
(2, 7, 12, 17 y 24 h)
utilizando luz UV a
l
253,7 nm (magenta) o utilizando
l
253,7 y 180 nm (gris)
Tabla 3. Análisis estadístico
ANOVA para medias clasificadas por lámpara, tiempo e interacción
Fuente gl SC CM Valor F Pr (>F)
Lámp. 1,0 87,4 87,4 71,5 0,00 ***
Tiempo 4,0 6511 1627,8 1332,1 <2,2e-16 ***
Interac. 4,0 5,1 1,3 1,0 0,39 n.s.
Residual 70,0 85,5 1,2
Tukey 5% de significación para Lámpara
Grupos Lámpara (
l
, nm) Prom.
A 253,7/180 79,78
B 253,7 77,69
Grupos Tiempo (h) Prom.
A 7 91,06
B 17 81,02
C 24 79,82
D 12 78,80
E 2 62,97
Tukey 5% de significación para Tiempo
98
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Se realizó un análisis estadístico
(ANOVA y prueba de Tukey, Tabla 3)
que corrobora que los resultados ob-
tenidos a tiempo 7 horas es estadísti-
camente diferente de los otros
tiempos de exposición; igualmente
los datos obtenidos a 253,7 nm son
estadísticamente diferentes a los ob-
tenidos a 253,7 y 180 nm.
Influencia de la limpieza posterior al
proceso de silanización sobre la for-
mación de superficies hidrofóbicas
sobre matrices de vidrio
Se pudo observar al microscopio que
los cubreobjetos silanizados presen-
taban acumulaciones de residuos de
(7-octen-1-il)trimetoxisilano, lo que
sugería que la superficie no era ho-
mogénea. Para determinar si un pro-
ceso de limpieza tras la silanización
mejora la calidad de la superficie, se
realizó un ensayo con un proceso de
silanización de 7 horas y se comparó
con los resultados obtenidos con el
mismo ensayo, seguido de un pro-
ceso de limpieza con heptano y clo-
roformo. Los ángulos de contacto
(Tabla 4), muestran que la limpieza
de posterior al proceso de silaniza-
ción incrementa el promedio del án-
gulo de contacto en 2,7°, indicando
que tienen una mayor hidrofobici-
dad. El análisis estadístico soporta
que esta diferencia es significativa y,
por tanto, se recomienda incluir el
paso de limpieza posterior a la sila-
nización en el protocolo.
Tabla 4. Ángulos de contacto (
q
)
obtenidos de superficies de vidrio,
sin y con limpieza post-silanización.
La tabla muestra los promedios (Prom),
desviación estándar (SD) y la varianza
obtenida en cada población
Sin Con
limpieza limpieza
post- post-
silanización silanización
Prom 89,860 92,417
+ SD ± 0,443 ± 0,631
Varianza 0,196 0,398
DISCUSIÓN
Utilizando las condiciones de trabajo
estandarizadas descritas en este tra-
bajo, se obtuvieron superficies con
un ángulo de contacto de 92,417°,
bastante próximo al ángulo de con-
tacto obtenido en superficies adqui-
ridas a un laboratorio externo, de
93,031°, Figura 3.
99
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Los resultados indican que la elimi-
nación de residuos orgánicos, com-
binando luz UV de l de 253,7 y 180
nm simultáneamente, mejora la hi-
drofobicidad de las superficies obte-
nidas en aproximadamente 3° (Tablas
1 y 2, 7 horas de exposición). Final-
mente es recomendable eliminar el
exceso de silano con la ayuda de ul-
trasonidos en presencia de n-hep-
tano/cloroformo. Estas condiciones
de trabajo permiten obtener superfi-
cies hidrofóbicas con un ángulo de
contacto (l) superior a 90°.
Figura 3. Fotografías y valores
de ángulos de contacto de referencia
de una gota de agua bidestilada
depositada en superficie obtenida en
este trabajo: superficie silanizada 7h,
control y superficie hidrofílica. El ángulo
de contacto (
q
) se muestra en grados º
CONCLUSIÓN
En este trabajo se ha adaptado con
éxito una metodología sencilla para
limpiar y silanizar superficies de vi-
drio, independiente de dispositivos
comerciales que implican un elevado
costo. Los residuos de materia inor-
gánica y orgánica se eliminaron con
solventes e irradiación UV en un dis-
positivo de vidrio que puede ser car-
gado con oxígeno. La silanización se
realizó por reacción en líquido. Fi-
nalmente, se determinó el ángulo de
contacto, como método de evalua-
ción de la hidrofobicidad de las su-
perficies.
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AGRADECIMIENTOS
Los autores de este trabajo agradecemos la ayuda a E. S. con los cubreobjetos
silanizados y a C. A. de la Escuela Politécnica Nacional por sus aportes y dis-
cusión científica. También agradecemos al personal de la Facultad de Ciencias
Químicas y del Instituto de Investigación en Salud Pública y Zoonosis-CIZ por
el apoyo brindado. Este trabajo ha sido financiado con recursos de la Univer-
sidad Central del Ecuador (Proyecto #21).
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