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Soft and Polymeric Matter Group (http://www.iem.cfmac.csic.es/fmacro/softmatpol/)Instituto de Estructura de la Materia

POLÍMEROS COMPUESTOS:UNA ESTRATEGIA EN EL DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES

IX CURSO DE INICIACIÓN A LA INVESTIGACIÓN

Madrid, 27, 28 y 30 de marzo 2012

INSTITUTO DE ESTRUCTURA DE LA MATERIA (IEM‐CSIC)



Estructura y dinámica de materia condensada blanda y polimérica nanoestructuradaen tres dimensiones

Nanofabricación de estructuras poliméricas

Materiales poliméricos funcionales a través de la mezcla con nanopartículas

DINÁMICA Y ESTRUCTURA DE MATERIA CONDENSADA BLANDA

• Concepto de material compuesto. Tipos• Compuestos poliméricos: matrices y fases dispersas• Nuestras ultimas aportaciones



fibras cortas de colágeno embebidasen una matriz de hidroxiapatita

HUESO POROSOHOJA DE COCOTERO

fleje en voladizo basado en losfundamentos del reforzamientofibroso

fibras de celulosa en una matriz de lignina

MADERA

lodo, ramas, hojas, saliva….

NIDO DE GOLONDRINA



ADOBE

fibras vegetales y arcilla

ASFALTO

alquitrán, agregados y vacíos

puzolana, cal y agua

HORMIGÓN



Materiales compuestos son aquellos obtenidos artificialmente por la unión de dos o másmateriales para conseguir propiedades que no son posibles de obtener en los materialesoriginales. Las propiedades finales dependen de las propiedades de los materiales que losconstituyen así como de su distribución e interacción entre ellos.

Presentan varias fases física y químicamente distintas (separadas por una interfase),completamente insolubles entre sí→ fase continua o matriz y fase discontinua.

Sus propiedades son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes(sinergia)

Cada uno de estos componentes retiene su identidad en el compuesto, manteniendo suscaracterísticas estructurales y propiedades



MATRICES

• Metálicas : aluminio, magnesio, cobre, níquel y aleaciones. Aplicaciones aeroespaciales yautomotrices. Permite que el compuesto funcione a altas temperaturas pero la producciónde una pieza de este tipo es costosa.

• Cerámicas: incluyen sólidos inorgánicos no metálicos (silicatos, alúmina, carburo desilicio). Buenas propiedades a temperaturas muy elevadas, ligeros y frágiles.

• Poliméricas: termoestables, termoplásticos y elastómeros. Buenas propiedadesmecánicas, resistentes a la corrosión y a los agentes químicos. Pueden ser moldeados conamplia variedad de formas.



tipo sandwich

Estructurales

laminar

tipo sandwich

Partículas

Diferentes tamañosdistribuidos al azar

Fibras

continuo y alineado

discontinuo y alineado

discontinuo y distribuido al azar



FASE DISCONTINUAFASE DISCONTINUAFASE CONTINUAFASE CONTINUA

INTERFASEINTERFASE

Pc = ∑ fi pi

POSIBILIDAD DE DISEÑAR Y FABRICAR UN MATERIAL SEGÚN ESPECIFICACIONES CONCRETAS



LGaire

matriz

fibraSGSL

Wa = SG+ LG ‐ SL Si = 180º la gota es esférica con un únicopunto de contacto entre el líquido y el sólido. Eneste caso NO se produce la impregnación.Si = 0º se produce una impregnaciónperfecta.En general, se considera que el líquido noimpregna al sólido si el ángulo de contacto esmayor de 90º.



a) Unión mecánica. La existencia de rugosidades entre ambas superficies favorecen la

unión, en el sentido de que a mayor rugosidad más efectiva es la unión en la interfase.

b) Unión electrostática. Este tipo de unión se da cuando una de las superficies tiene

carga positiva y la otra negativa.

c) Unión química. Cuando la superficie de la fase discontinua tiene grupos químicos

compatibles con grupos químicos de la fase continua.

d) Unión mediante difusión. Ambas fases tienen cadenas poliméricas que se difunden

entre ellas.



PP+ sepiolita tratada con aldehido enántico PP+ sepiolita tratada con aldehido decílico



Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñasdenominadas monómeros (grupos funcionales) que forman enormes cadenas de lasformas más diversas

La palabra polímero procede del griego: poly (muchos) y meros (parte)

La mayor parte de los polímeros están formados por estructuras de carbón y por tanto seconsideran compuestos orgánicos

Aunque existen polímeros naturales (algodón, celulosa, seda, lana) de gran valorcomercial, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria, sonmateriales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas

¿Qué es un polímero?



nhomopolímero

copolímero al azar

copolímero en bloque

copolímero de injerto

según su composición:



lineal ramificado entrecruzado

según su estructura:

según su comportamiento frente a la temperatura:

Termoplásticos: después de ablandarse o fundirse, recuperan sus cualidades originales alenfriarse. En general son polímeros lineales, con bajas Tm y solubles en disolventesorgánicos. Se pueden moldear repetidamente.

Termoestables: sufren una serie de reacciones químicas, llamadas de curado o reticulación,dando lugar a un producto rígido, insoluble e infusible. Se descomponen a altastemperaturas. No se pueden volver a moldear.



POLÍMEROS

TERMOESTABLES

CH2 CH CH2 OO

CH2CHCH2OO

C

CH3

CH3

Resinas epoxi

epliclorhidrina bisfenol Aepliclorhidrina

H2 N – CH2 ‐ (CH2)n – CH2 – NH2

CH2 CH CH2 OO

CH2CHCH2OO

C

CH3

CH3



Poliésteres insaturados

R' ‐ n(HC = CH – COO)n – R'

R' ‐ n(HC = CH – COO)n – R'

CH=CH2

estireno

Policarbonato

H2C = CH – CH2OH alcohol alílico

HO – CH2 – CH2 – OH etilen glicol

CH2 = CH –CH2 – O – CO – O‐ CH2 – CH2 – O – CO –CH2 – CH = CH2

monómero



TERMOPLÁSTICOS

Polipropileno‐ CH2 – CH –CH3

• es el termoplástico más utilizado como matriz• baja densidad• reciclabilidad• buenas propiedades mecánicas y térmicas

Polietilen tereftalato

• gran transparencia• buena resistencia al fuego• buenas características eléctricas• resistencia a la fluencia



Policarbonato

• gran transparencia • estabilidad dimensional y resistencia al fuego• poca resistencia a los disolventes

Termoplásticos de altas prestacionespolisulfuro de fenileno

• estructura altamente aromática • alta resistencia mecánica y térmica• se emplea en la industria aeroespacial• coste elevado• dificultad de procesado



FASE DISPERSAPARTÍCULAS: L/D ≈ 1

Arcillas• sepiolita silicato de magnesio hidratado

Mg4Si6O15(OH)2∙6H2O• atapulgita hidroxisilicato de magnesio y aluminio

(MgAl)2Si4O10(OH)∙4(H2O)• caolín disilicato alumínico dihidratado

Al2Si2O5(OH)4 H2O• montmorillonita hidroxisilicato de magnesio y aluminio :

(Na,Ca)0,3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2 ∙nH2O

Negro de carbono• es un material producido por la combustión incompleta de los productos derivadosdel petróleo• es una forma de carbono amorfo con una relación superficie‐volumenextremadamente altas• se usa a menudo como pigmento y como refuerzo en productos de goma y plástico



FIBRAS: L/D >100

Fibra de vidrio• se obtienen al hacer pasar vidrio fundido a través de una pieza de agujeros muy finos .Al solidificarse tienen suficiente flexibilidad paras esr usados como fibras• reducido precio y gran versatilidad, flexibles, buen aislamiento térmico, inerte a losácidos, estable a altas temperatura• se pueden clasificar según el tipo de vidrio (A, D, E) y según la disposición espacial:

Hilo continuo mat tejido hilosfibra corta



Fibras de carbono• ligeras, de gran resistencia y elevado modulo de elasticidad aplicaciones aeroespaciales• elevado precio limita su uso en algunas industrias (como la automotriz)• baja densidad en comparación con el acero• provienen principalmente de dos fuentes, poliacrilonitrilo (PAN) y alquitrán• gran capacidad de aislamiento térmico

fibras cortas tejido



Fibras de aramida• se obtienen a partir de una poliamida aromática • la más utilizada es la Kevlar, sintetizada por Stephanie Kwolek en 1965 para Du Pont. • muy rígidas• baja densidad• excelente resistencia al impacto, al calor y a los disolvente• resistente a la corrosión



FASE CONTINUA:Polietileno de alta densidad (HDPE)Poliamida 12Poliamida 6,6

Investigación de la conductividad eléctrica en materialescompuestos poliméricos con nanofibras de carbonoóptimamente dispersadas

FASE DISCONTINUA:Nanofibras de carbono obtenidas por latécnica del catalizador flotante losprecursores del catalizador se introducende forma continua por la parte superiordel reactor. El catalizador se forma a olargo del descenso por el reactor yreacciona con los hidrocarburos presentes(benceno, n‐hexano, metano, acetileno)descomponiéndolos para dar lugar alcrecimiento de las nanofibras

Y nosostros ……… ¿qué hacemos?



mala distribución, mala dispersión

buena distribución, mala dispersión

buena distribución, buena dispersión

mala distribución, buena dispersión



concentración de GANF (% en peso)

0 3 6 9 12

Log 10

[dc

/S c

m-1

]

-15

-14

-13

-12

-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

disolventesreómetro in situ

PA66/GANFin situ Salamanca

(sinterizado en prensa IR)

log10 (F/Hz)-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

log 10

( (S

/cm

))

-14

-13

-12

-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

PA66PA66+NF 0,5%PA66+NF 1%PA66+NF 2%PA66+NF 3,5% PA66+NF 5% PA66+NF 7,5%

A B

CNF (wt.-%)0 3 6 9 12 15

log 10

[ dc

S/cm

)]

-16

-13

-10

-7

-4

-1

PA66 125 mPA66 400 m



FASE CONTINUA:Polifluoruro de vinilideno (PVDF)

FASE DISCONTINUA:El grafeno es una estructura laminar plana, de un átomo de grosor, compuesta porátomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina en forma de panalde abeja mediante enlaces covalentes que se formarían a partir de la superposición delos híbridos sp² de los carbonos enlazados. Es el componente estructural básico de todoslos demás elementos grafíticos incluyendo el grafito, los nanotubos de carbono y losfullerenos



FASE DISCONTINUA:Nanotubos de carbono (SWCNT, MWCNT) → forma alotrópica del carbono, como eldiamante, el grafito o los fullerenos. Pueden presentarse en forma de monocapa endonde una lámina de átomos de carbono se une por dos de sus lados opuestos formandoun tubo, o en forma de multicapa en donde dos o más láminas se unen por dos de susrespectivos extremos y una dentro de la otra.



PVDF:

Calorimetría diferencial de barrido (DSC) Espectroscopía dieléctrica de banda ancha (BDS) Dispersión de rayos X a ángulos bajos (SAXS) Dispersión de rayos X a ángulos altos (WAXS) Estudio de propiedades mecánicas: microdureza, ensayos en tracción, flexión, etc

0 2 4 6 8 10-15

-12

-10

-7

-5

-2

log 10

[dc

/(S/c

m)]

% en peso de fase dispersa

SWCNT EG

CNF



Amelia Linares Dos SantosDepartamento de Física Macromolecular

DINÁMICA Y ESTRUCTURA DE MATERIA CONDENSADA BLANDA Y POLIMÉRICA

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