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Breve Introducción a la Física de los
Materiales Poliméricos
Instituto de Estructura de la Materia,CSIC
Serrano 119, Madrid 28006,
Spain
M.C. García-Gutiérrez, A. Nogales, T. A. Ezquerra
Nuevos usos para viejos Materiales y nuevos Materiales para viejos usos
( 16-19 de Abril 2007) , Universidad Complutense de Madrid
Esquema
http:/www.iem.cfmac.csic.es/fmacro/downloading.htm
•Introducción histórica
•Nociones de termodinámica
•Nanoestructura de los Materiales Poliméricos
•Dinámica de Polímeros
•Propiedades Eléctricas
•Propiedades Mecánicas
1880 1900 1920
1862Primer plásticohecho por el hombre
1866Celuloide
1891Rayón(viscosa)
1907Baquelita
1913Celofán
Historia de los Materiales Poliméricos: Nacimiento
Baquelita
1933Polietileno
1930 1950 1970
1936PMMA
1930Nylon 66
1937Poliestireno
1941PET
1958Policarbonato
1954Polipropileno
1960EVA
1962Poliimidas
1964PPO
1965Polisulfonas . . .
Historia de los Materiales Poliméricos: La explosión
Sintéticos
<
PE: Polietileno
PET: Polietilentereftalato
PA 6-6: Nylon 6-6
PMMA: Polimetilmetacrilato
PS: Poliestireno
(A)-(A)-(A)·········(A)-(A) (A)n-1 (A)n
Ramificado al azar
Tipos de Materiales Poliméricos
Homopolímeros: Todas los monómeros son igualesCopolímeros : Unidades monoméricas de diferente tipo
proteinas (20 tipos diferentes de unidades)ADN (cuatro tipos diferentes de unidades)
ARQUITECTURA DE POLÍMEROS
Tipo peine
Tipo Estrella
Red polimérica
liquid
SC-liquid
TmTg
glasscrystal
Vsp
Temperature
liquid
SC-liquid
TmTg
glasscrystal
Vsp
Temperature
M.D. Ediger,C.A. Angell, S.R. Nagel, J.Phys.Chem. 100,13200 (1996)
Energie
R
kTmkTg
crystal
glassEnergie
R
kTmkTg
crystal
glass
ri
R=R( )ri
Termodinámica
Tg < T < Tm
T < Tg
Fase cristalina
Fase amorfa
Materiales Poliméricos : Termodinámica
T > Tg
Fase amorfa( Líquido viscoeléstico)
(Vidrio)
Materiales Poliméricos : Jerarquías Estructurales
10–1 m
10-5 m
10-8 m
5x10-10 m
Tg <T < Tm
X-ray DiffractionNeutron Diffraction
SAXS
SANS
AFM
Light ScatteringOptical MicroscopyAFM
Eyes
T > Tg dinámica
-
Técnicas Experimentales : Estructura
( b )
s ( A-1
)
0 .1 8 0 .2 4 0 .3 0 0 .3 6
WAXS( a )
s ( A - 1 )
0 .0 0 0 .0 1 0 .0 2I(
a .u.
)
SAXS
q =2π/Lmax
Structure
Crystalline PhaseAmorphous Phase
L
SAXS interfaceWAXS interface
Esquema del Dispositivo Experimental
Ley de Bragg d = λ/(2 sin θ)
WAXS
SAXS
Materiales Poliméricos de ingeniería
C
OO
C CH2O ( )2
O( )n
PET
CO H2C C 2CH
O
O
O m
PEN
C
O
OO
m
PEEK
Tg ( C)
75
117
145
o
T 433K
I(u.a
.)
q(Å-1)
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
tc(min)
0
3
10
25
110111
200
T 433KT 433K
I(u.a
.)I(u
.a.)
q(Å-1)
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
q(Å-1)
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
tc(min)
0
3
10
25
110111
200
Rayos-X: PEEK
WAXS 110
111
200
Tc = 160 Co
Fracción de cristalesTotalCristalinidad =
Xc,
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
Log10[tc/min]0.5
(a)
Primary Crystallization
Secondary Crystallization
Induction Period
-
Técnicas Experimentales : Dinámica
( b )
s ( A-1
)
0 .1 8 0 .2 4 0 .3 0 0 .3 6
WAXS( a )
s ( A - 1 )
0 .0 0 0 .0 1 0 .0 2I(
a .u.
)
SAXS
q =2π/Lmax
-1 0 1 2 3 4 5 60.0
0.2
0.4
0.6 T = 90 o C
Log 10 [F/Hz]
ε ''
α
Dinámica
DS
Estructura
Crystalline PhaseAmorphous Phase
L
Dinámica de Materiales Poliméricos Espectroscopía Dieléctrica
I
V=VoeiωVoltage
generatort
Current Analyzer
d
Electrode
Sample
Voltage Analyzer
A
Ic = i ω Co ε’ V Ir = ω Co ε’’ V
Co = eo A/d
0.0
0.2
0.4
0.6
-150-100
-500
50100
150200
-1.00.0
1.02.0
3.04.0
ε ''
T(o C)
Log (F / Hz)
0.0
0.2
0.4
0.6
-150-100
-500
50100
150200
-1.00.0
1.02.0
3.04.0
ε ''
T(o C)
Log (F / Hz)
0.0
0.2
0.4
0.6
-150-100
-500
50100
150200
-1.00.0
1.02.0
3.04.0
ε ''
T(o C)
Log (F / Hz)
C
OO
C CH2O ( )2
O( )n
α
βPET
β
α
Dinámica de Materiales Poliméricos Espectroscopía Dieléctrica
C
OO
C CH2O ( )2
O( )n
αβε''
0.0
0.2
0.4
0.6
Log10 [F/Hz]-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
ε'
3
4
5
6
7
7580
85 9095 100 105
β
β
α
α
PET
αβ
( )x
x,x
(ε ε )oε* (ε ) cb1 iωτ
x
xβ
α β=
− ∞= +∞⎡ ⎤+⎢ ⎥⎣ ⎦
∑
Dinámica de Materiales Poliméricos Espectroscopía Dieléctrica
Policarbonato
Alto resistencia al impacto mecánico
debido a la disipación de energia
por la relajación β
-1 0 1 2 3 4
ε''
0.0
0.2
0.4
0.6
Log [F/Hz ]-1 0 1 2 3 4
ε'
3
4
5
6
7-1 0 1 2 3 4
ε''
0.0
0.2
0.4
0.6
Log [F/Hz ]-1 0 1 2 3 4
ε'
3
4
5
6
7-1 0 1 2 3 4
ε''
0.0
0.2
0.4
0.6
Log [F/Hz ]-1 0 1 2 3 4
ε'
3
4
5
6
7-1 0 1 2 3 4
ε''
0.0
0.2
0.4
0.6
-1 0 1 2 3 4
ε''
0.0
0.2
0.4
0.6
Log [F/Hz ]-1 0 1 2 3 4
ε'
3
4
5
6
7-1 0 1 2 3 4
ε''
0.0
0.2
0.4
0.6
Log [F/Hz ]-1 0 1 2 3 4
ε'
3
4
5
6
7β
α
F = F exp (- DT / (T-T ) )max
0
VFT
00
F = F exp (- E / T ) max
Arrehnius
0
α
β
PETPET
( )( )
∞∞∗ +
+
−= ε
ιωτ
εεωε
Cbo
o
1 )(
HN
103/T(K)3 4 5 6
Log [ Fm
ax/H
z ]
-2
0
2
4
6
8
10
103/T(K)3 4 5 6
-2
0
2
4
6
8
10
Log
[F/H
z]
Dinámica de Materiales Poliméricos Espectroscopía Dieléctrica
Propiedades Eléctricas de Materiales poliméricos
Conductividad eléctrica
σ = n µ q
Número de portadoresMovilidadCarga
10-20
PE,PET,PS..
10-15 10-10
Diamante
10-5
PA-dopado
100
Grafito
σ (S/cm)105
PAdopado
Premio Nóbel 2000
Poliacetileno
Propiedades Eléctrica de Materiales poliméricos: Polímero Conductores
Propiedades Mecánicas de Materiales poliméricos
lo l1
Aσ = F/A esfuerzo
∆ l = l1 - lo
ε = ∆l/lο
deformación
Deformaciónunitaria
E = σ/ε Módulo de Young
103
Diamante
102
Acero
101
Grafito
100
PS
10-1
PE
Termoplásticos
E (GPa)
Comportamiento mecánico
Ensayo esfuerzo-deformación en tracción
Material frágil
Material dúctil
Punto de fluencia
Esfu
erzo
(σ)
Deformación (ε)
Deformación (ε)
Esfu
erzo
(σ)
Polímero amorfo o semicristalino,
T<Tg Polímero semicristalino, T>Tg
Elastómero
Polímeros de interés industrial. Universidad de Valladolid, 18-20 octubre 2006
strain(%)0 20 40 60 80 100 120 140
Stre
ss (a
.u.)
0
5
10
15
20
25
30
35I II III
1
2
3 45 6 7
strain(%)0 20 40 60 80 100 120 140
Stre
ss (a
.u.)
0
5
10
15
20
25
30
35I II III
1
2
3 45 6 7
Esfuerzo-Deformación : Arnitel (PBT-PO4))1
7
Viejos Materiales Nuevos usos
Nuevos Materiales Viejos Usos
Polímeros naturalesPolímeros naturales
Diodos luminiscentesCélulas fotovoltaicasSensoresMicroelectrónica
PolímerosPolímerosconductores
Seda
Quitoxano
Colágeno
Seda
Quitoxano
ColágenoCelulosa
• Mas biocompatible• Mínima reacción a un
cuerpo extraño• Hidrofílicos• Apropiados para química
en la superficie• Osteogénicos
• Mas biocompatible• Mínima reacción a un
cuerpo extraño• Hidrofílicos• Apropiados para química
en la superficie• Osteogénicos
PoliésteresPoliolefinaPol. de ingeniería
MedicinaImplantación In Vivo
NuevoHuesoCartilagoHigadoIntestinoUretra
Implantación In VivoImplantación In Vivo
NuevoHuesoCartilagoHigadoIntestinoUretra
NuevoHuesoCartilagoHigadoIntestinoUretra
Materialesbiodegradables
ContenedoresBiodegradablesReciclablesPoco permeables
Conclusiones
INSTITUTO DE ESTRUCTURA DE LA MATERIA
Name email
Tiberio A Ezquerra Investigador científico
web imte155 at iem.cfmac.csic.es
Mari Cruz García-Gutierrez Ramón y Cajal fellow
web imtc304 at iem.cfmac.csic.es
Jaime J. Hernández Predoctoral student FPU
web imth001 at iem.cfmac.csic.es
Amelia Linares Científico titular
web alinares at iem.cfmac.csic.es
Aurora Nogales Ramón y Cajal fellow
web emnogales at iem.cfmac.csic.es
Daniel R. Rueda Investigador científico
web emdaniel at iem.cfmac.csic.es
Soft and Polymeric Condensed Matter Group
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