Estudio de las propiedades mecánicas de nanocompuestos poliméricos

LARA NEGRI; LEOPOLDO GÓMEZ; NICOLÁS GARCÍA; DANIEL VEGA

La Plata

Congreso; TREFEMAC TREFEMAC 2022 XIX Congreso Regional de Física Estadística y Aplicaciones a la Materia Condensada; 2022

Durante varias décadas, uno de los objetivos principales de la ciencia y tecnología de materiales fue desarrollar nuevos materiales que permitan mejorar la calidad de vida de la sociedad. En este contexto surgen los polímeros, particularmente los sintéticos, que ocupan un lugar central dentro de los materiales de ingeniería y que en el último siglo han tenido un crecimiento acelerado con respecto a los materiales tradicionales (cerámicos y metales). Los polímeros son compuestos macromoleculares formados a partir de la unión química de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. Los polímeros sintéticos han revolucionado la economía de todo el mundo. Los químicos en la actualidad tienen la habilidad degenerar diversos polímeros con múltiples aplicaciones de acuerdo a lo que se requiera. Estos materiales también han proporcionado productos totalmente nuevos, creando industrias específicas para su fabricación.Comprender el comportamiento mecánico y viscoelástico de los polímeros es tanto de interés básico, como también fundamental a la hora de considerar sus aplicaciones tecnológicas. Es bien sabido que las propiedades mecánicas de los polímeros en fundido y en soluciones concentradas dependen fundamentalmente del peso molecular de las cadenas. El efecto principal de aumentar el peso molecular es el surgimiento de restricciones topológicas entre las cadenas llamadas enredos (entanglements en inglés). En la actualidad, sabemos que estas restricciones son un aspecto universal de la física de los polímeros y surgen en cualquier polímero flexible si la cadena es lo suficientemente larga y la densidad lo suficientemente alta. Bajo estas condiciones, el efecto de los entrecruzamientos se vuelve tan relevante que el sistema cambia drásticamente sus propiedades físicas, como la viscosidad, la difusión y su comportamiento reológico y mecánico. A pesar de su importancia, todavía subyacen abiertas preguntas de carácter fundamental sobre la física de los enredos. Poco se sabe sobre estas restricciones topológicas y el rol que juegan en las propiedades mecánicas de los sistemas heterogéneos y polímeros multicomponentes.Los nanocompuestos poliméricos son una clase fascinantes de materiales híbridos que contienen nanopartículas típicamente inorgánicas incrustadas en una matriz polimérica que permiten ajustar las propiedades macroscópicas a escala nanométrica. Por ejemplo, se pueden usar para hacer membranas de filtración que sean selectivas y permeables, y se ha demostrado que la presencia de nanopartículas y la interacción con el polímero pueden influir en el volumen libre, la dinámica de la cadena e incluso en el envejecimiento del polímero, que a su vez afecta el transporte molecular del filtrado a través de la membrana. Además, un aumento en la concentración de las nanopartículas incrustadas en la matriz del polímero refuerza, en general, las propiedades mecánicas del nanocompuesto, aumentando su módulo elástico y la viscosidad, así como la temperatura de transición vítrea (Tg), lo que permitiría obtener materiales con alta resistencia al impacto. Sin embargo, una observación opuesta, la disminución de la viscosidad, también se informó recientemente, y las razones fundamentales detrás de este fenómeno son poco conocidas hasta ahora. Este efecto podría estar relacionado con la esperada reducción de los enredos moleculares inducida por el confinamiento local de nanopartículas cercanas, pero esta hipótesis aún no se ha confirmado. Con las simulaciones realizadas para este trabajo se encontró que al aumentar la concentración de las nanopartículas aumentan los entrelazamientos del polímero. Esto nos permite asegurar que, al aumentar dicha concentración las propiedades mecánicas del nanocompuesto son reforzadas. Sin embargo, se pudo observar que cuando la concentración de nanopartículas es muy alta (∼ 45 %) las nanopartículas tienden a cristalizar localizándose en punto particular de la matriz. Esto genera una disminución de los entrelazamientos lo que trae como consecuencia la pérdida del refuerzo mecánico. Por otro lado, se pudo determinar que en general un aumento en el tamaño de las nanopartículas deviene en una pérdida de los entrelazamientos.