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 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 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 Soft and Polymeric Matter Group (http://www.iem.cfmac.csic.es/fmacro/softmatpol/) Instituto de Estructura de la Materia lodo, ramas, hojas, saliva…. POLÍMEROS COMPUESTOS: UNA ESTRATEGIA EN EL DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES alquitrán, agregados y vacíos ADOBE ASFALTO fibras vegetales y arcilla HORMIGÓN puzolana, cal y agua 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 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 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 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. 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 Fibras Estructurales Partículas continuo y alineado laminar Diferentes tamaños distribuidos al azar discontinuo y alineado tipo sandwich tipo sandwich discontinuo y distribuido al azar 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 FASE CONTINUA Pc = ∑ fi pi FASE DISCONTINUA INTERFASE POSIBILIDAD DE DISEÑAR Y FABRICAR UN MATERIAL SEGÚN ESPECIFICACIONES CONCRETAS 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 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. 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 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. 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 PP+ sepiolita tratada con aldehido enántico PP+ sepiolita tratada con aldehido decílico 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 ¿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 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 según su composición: n homopolímero copolímero al azar copolímero en bloque copolímero de injerto 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 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. 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 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 Soft and Polymeric Matter Group (http://www.iem.cfmac.csic.es/fmacro/softmatpol/) Instituto de Estructura de la Materia O O CH2 CH CH2 POLÍMEROS COMPUESTOS: UNA ESTRATEGIA EN EL DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES 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/) Instituto de Estructura de la Materia POLÍMEROS COMPUESTOS: UNA ESTRATEGIA EN EL DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES 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 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 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 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 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 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 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 Soft and Polymeric Matter Group (http://www.iem.cfmac.csic.es/fmacro/softmatpol/) Instituto de Estructura de la Materia tejido hilos POLÍMEROS COMPUESTOS: UNA ESTRATEGIA EN EL DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES 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 Soft and Polymeric Matter Group (http://www.iem.cfmac.csic.es/fmacro/softmatpol/) Instituto de Estructura de la Materia tejido POLÍMEROS COMPUESTOS: UNA ESTRATEGIA EN EL DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES 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 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 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 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 mala distribución, mala dispersión buena distribución, mala dispersión buena distribución, buena dispersión mala distribución, buena dispersión 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 PA66/G ANF in situ Salam anca (sinterizado en prensa IR) -4 -1 log10[dcS/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) Soft and Polymeric Matter Group (http://www.iem.cfmac.csic.es/fmacro/softmatpol/) Instituto de Estructura de la Materia B POLÍMEROS COMPUESTOS: UNA ESTRATEGIA EN EL DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES 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 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 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. 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 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 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 Amelia Linares Dos Santos Departamento de Física Macromolecular DINÁMICA Y ESTRUCTURA DE MATERIA CONDENSADA BLANDA Y POLIMÉRICA Soft and Polymeric Matter Group (http://www.iem.cfmac.csic.es/fmacro/softmatpol/) Instituto de Estructura de la Materia