Caracterización topológica de nanocompuestos poliméricos

NEGRI L; GÓMEZ L R; VEGA D A; GARCÍA N. A.

Bariloche

Congreso; 107° Reunión de la Asociación Física Argentina; 2022

Asociación de Física Argentina

Los polímeros son compuestos macromoleculares formados a través de la unión química de moléculas pequeñas conocidas como monómeros. Para considerar las aplicaciones tecnológicas de los polímeros, es imprescindible comprender el comportamiento mecánico y viscoelástico de los mismos. Se sabe que las propiedades mecánicas de los polímeros en fundido y en soluciones concentradas dependen principalmente de la longitud de la cadena (peso molecular). Dentro de la física universal de los polímeros se descubrió que al aumentar el peso molecular, a partir de cierto valor crítico surgen restricciones topológicas conocidas como entrelazamientos (del inglés entanglements). Estas restricciones dictan las propiedades físicas del sistema, alterando por ejemplo: viscosidad, comportamiento reológico, comportamiento mecánico, entre otras [1].Los entrelazamientos han sido ampliamente estudiados para cadenas lineales con una sola unidad estructural (homopolímero), sin embargo y a pesar de su importancia, no se conoce en profundidad la influencia que estos tienen sobre las propiedades físicas en sistemas más complejos como son los polímeros heterogéneos y multicompo- nentes. Un interesante caso dentro de este último grupo son los Nanocompuestos Poliméricos (Nanocomposites); que son materiales híbridos que contienen nanopartículas, usualmente inorgánicas, incrustadas en una matriz polimérica que permiten ajustar las propiedades macroscópicas a escala nanométrica. Se ha demostrado que la presencia de nanopartículas y su interacción con el polímero influyen en el volumen libre, la dinámica de la ca- dena y también en el envejecimiento del material, que se relaciona con el transporte molecular del filtrado en la membrana [2-4].Se ha reportado en la literatura que un aumento en la concentración de las nanopartículas incrustadas en la matriz de polímero, en general, refuerza las propiedades mecánicas del nanocompuesto, aumentando su módulo elástico y su viscosidad, así como también la temperatura de transición vítrea (Tg), lo que nos permitiría obtener materiales altamente resistentes [2-4].Sin embargo, también se ha observado el comportamiento opuesto, la disminución de la viscosidad, pero los fundamentos detrás de este fenómeno son desconocidos hasta el momento. Este comportamiento podría asociarse a la esperada reducción de los enredos moleculares inducida por el confinamiento local de nanopartículas cercanas, pero esta hipótesis aún no está confirmada [2-4].En este trabajo se realizaron simulaciones de dinámica molecular de nanocompuestos poliméricos, donde se caracterizó la topología del sistema para diferentes tamaños de nanopartículas y sus distintas concentraciones en la matriz [5-6]. Se obtuvo 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 un 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.[1] Doi, M., Edwards, S. F., ”The Theory of Polymer Dynamics”, Oxford University Press: Oxford, (1986)[2] Merkel, T.C., Freeman, B.D. et al., Science, 296, 519-522 (2002)[3] Ramesh, N., Davis, P.K et al., J. Polym. Sci. B Polym. Phys., 49, 1629-1644 (2011)[4] Wang, H., Hor J.L., et al., ACS Nano, 12, 5580-5587 (2018)[5] García N. A., Barrat, J.-L., Macromolecules 51, 9850-9860 (2018)[6] M. Kröger, Comput. Phys. Commun. 168:3, 209-232, (2005). Sachin Shanbhag and Martin Kröger, Macromolecules, 40 (8)