Polímeros compuestos - Instituto de Estructura de la Materia

POLÍMEROS COMPUESTOS:
UNA ESTRATEGIA EN EL DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES
IX CURSO DE INICIACIÓN A LA INVESTIGACIÓN
INSTITUTO DE ESTRUCTURA DE LA MATERIA (IEM‐CSIC)
Madrid, 27, 28 y 30 de marzo 2012
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
DINÁMICA Y ESTRUCTURA DE MATERIA CONDENSADA BLANDA
Estructura y dinámica de materia condensada blanda y polimérica nanoestructurada
en tres dimensiones
Nanofabricación de estructuras poliméricas
Materiales poliméricos funcionales a través de la mezcla con nanopartículas
• Concepto de material compuesto. Tipos
• Compuestos poliméricos: matrices y fases dispersas
• Nuestras ultimas aportaciones
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HOJA DE COCOTERO
HUESO POROSO
fleje en voladizo basado en los
fundamentos del
reforzamiento
fibroso
fibras cortas de colágeno embebidas
en una matriz de hidroxiapatita
MADERA
NIDO DE GOLONDRINA
fibras de celulosa en una matriz de lignina
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lodo, ramas, hojas, saliva….
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alquitrán, agregados y vacíos
ADOBE
ASFALTO
fibras vegetales y arcilla
HORMIGÓN
puzolana, cal y agua
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Materiales compuestos son aquellos obtenidos artificialmente por la unión de dos o más
materiales para conseguir propiedades que no son posibles de obtener en los materiales
originales. Las propiedades finales dependen de las propiedades de los materiales que los
constituyen 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 sus
características estructurales y propiedades
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MATRICES
• Metálicas : aluminio, magnesio, cobre, níquel y aleaciones. Aplicaciones aeroespaciales y
automotrices. Permite que el compuesto funcione a altas temperaturas pero la producción
de una pieza de este tipo es costosa.
• Cerámicas: incluyen sólidos inorgánicos no metálicos (silicatos, alúmina, carburo de
silicio). Buenas propiedades a temperaturas muy elevadas, ligeros y frágiles.
• Poliméricas: termoestables, termoplásticos y elastómeros. Buenas propiedades
mecánicas, resistentes a la corrosión y a los agentes químicos. Pueden ser moldeados con
amplia variedad de formas.
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Fibras
Estructurales
Partículas
continuo y alineado
laminar
Diferentes tamaños
distribuidos al azar
discontinuo y alineado
tipo sandwich
tipo sandwich
discontinuo y distribuido al azar
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FASE CONTINUA
Pc = ∑ fi pi
FASE DISCONTINUA
INTERFASE
POSIBILIDAD DE DISEÑAR Y FABRICAR UN MATERIAL SEGÚN ESPECIFICACIONES CONCRETAS
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LG
matriz
fibra
Wa = SG+ LG ‐ SL

SL
aire
SG
Si  = 180º  la gota es esférica con un único
punto de contacto entre el líquido y el sólido. En
este caso NO se produce la impregnación.
Si  = 0º  se produce una impregnación
perfecta.
En general, se considera que el líquido no
impregna al sólido si el ángulo de contacto es
mayor de 90º.
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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.
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PP+ sepiolita tratada con aldehido enántico
PP+ sepiolita tratada con aldehido decílico
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¿Qué es un polímero?
La palabra polímero procede del griego: poly (muchos) y meros (parte)
Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas
denominadas monómeros (grupos funcionales) que forman enormes cadenas de las
formas más diversas
La mayor parte de los polímeros están formados por estructuras de carbón y por tanto se
consideran compuestos orgánicos
Aunque existen polímeros naturales (algodón, celulosa, seda, lana) de gran valor
comercial, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria, son
materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas
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según su composición:
n
homopolímero
copolímero al azar
copolímero en bloque
copolímero de injerto
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según su estructura:
lineal
ramificado
entrecruzado
según su comportamiento frente a la temperatura:
Termoplásticos: después de ablandarse o fundirse, recuperan sus cualidades originales al
enfriarse. En general son polímeros lineales, con bajas Tm y solubles en disolventes
orgánicos. 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 altas
temperaturas. No se pueden volver a moldear.
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POLÍMEROS
TERMOESTABLES
Resinas epoxi
bisfenol A
epliclorhidrina
O
CH2 CH CH2 O
epliclorhidrina
CH3
C
O
O CH2 CH
CH2
CH3
H2 N – CH2 ‐ (CH2)n – CH2 – NH2
O
CH2 CH CH2 O
CH3
C
CH3
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O
O CH2 CH
CH2
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Poliésteres insaturados
R' ‐ n(HC = CH – COO)n – R' CH=CH2
estireno
R' ‐ n(HC = CH – COO)n – R' 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 Soft and Polymeric Matter Group (http://www.iem.cfmac.csic.es/fmacro/softmatpol/)
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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
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Policarbonato
• gran transparencia • estabilidad dimensional y resistencia al fuego
• poca resistencia a los disolventes
Termoplásticos de altas prestaciones
polisulfuro de fenileno
• estructura altamente aromática • alta resistencia mecánica y térmica
• se emplea en la industria aeroespacial
• coste elevado
• dificultad de procesado
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FASE DISPERSA
PARTÍCULAS: L/D ≈ 1
Negro de carbono
• es un material producido por la combustión incompleta de los productos derivados
del petróleo
• es una forma de carbono amorfo con una relación superficie‐volumen
extremadamente altas
• se usa a menudo como pigmento y como refuerzo en productos de goma y plástico
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
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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 los
ácidos, estable a altas temperatura
• se pueden clasificar según el tipo de vidrio (A, D, E) y según la disposición espacial:
Hilo continuo
fibra corta
mat
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tejido
hilos
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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
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tejido
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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
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Y nosostros ……… ¿qué hacemos?
FASE CONTINUA:
Polietileno de alta densidad (HDPE)
Poliamida 12
Investigación de la conductividad eléctrica en materiales
Poliamida 6,6
compuestos poliméricos con nanofibras de carbono
óptimamente dispersadas
FASE DISCONTINUA:
Nanofibras de carbono obtenidas por la
técnica del catalizador flotante los
precursores del catalizador se introducen
de forma continua por la parte superior
del reactor. El catalizador se forma a o
largo del descenso por el reactor y
reacciona con los hidrocarburos presentes
(benceno, n‐hexano, metano, acetileno)
descomponiéndolos para dar lugar al
crecimiento de las nanofibras
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mala distribución, mala dispersión
buena distribución, mala dispersión
buena distribución, buena dispersión
mala distribución, buena dispersión
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PA66/G ANF
in situ Salam anca
(sinterizado en prensa IR)
-4
-1
log10[dcS/cm)]
-5
-6
log10( (S/cm))
-7
-8
-9
-4
-7
-10
-13
PA66 125 m
PA66 400 m
-10
-16
-11
PA66
PA66+N F
PA66+N F
PA66+N F
PA66+N F
PA66+N F
PA66+N F
-12
-13
0
0,5%
1%
2%
3,5%
5%
7,5%
3
6
9
12
15
CNF (wt.-%)
-14
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
A
log 10 (F/H z)
-4
dc
Log10[ /S cm-1]
-5
-6
disolventes
reómetro
in situ
-7
-8
-9
-10
-11
-12
-13
-14
-15
0
3
6
9
12
concentración de GANF (% en peso)
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B
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FASE CONTINUA:
Polifluoruro de vinilideno (PVDF) FASE DISCONTINUA:
El grafeno es una estructura laminar plana, de un átomo de grosor, compuesta por
átomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina en forma de panal
de abeja mediante enlaces covalentes que se formarían a partir de la superposición de
los híbridos sp² de los carbonos enlazados. Es el componente estructural básico de todos
los demás elementos grafíticos incluyendo el grafito, los nanotubos de carbono y los
fullerenos
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FASE DISCONTINUA:
Nanotubos de carbono (SWCNT, MWCNT) → forma alotrópica del carbono, como el
diamante, el grafito o los fullerenos. Pueden presentarse en forma de monocapa en
donde una lámina de átomos de carbono se une por dos de sus lados opuestos formando
un tubo, o en forma de multicapa en donde dos o más láminas se unen por dos de sus
respectivos extremos y una dentro de la otra.
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PVDF:
-2
EG
SWCNT
CNF
log10 [dc/(S/cm)]
-5
-7
-10
-12
-15
0
2
4
6
8
10
% en peso de fase dispersa





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
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POLÍMEROS COMPUESTOS:
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Amelia Linares Dos Santos
Departamento de Física Macromolecular
DINÁMICA Y ESTRUCTURA DE MATERIA CONDENSADA BLANDA Y POLIMÉRICA
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