e etd f estado amorfo

43
lido estado só eros en e Etd f los políme Estado amorfo. Transición vítrea ades de l Transición vítrea : Propied WC 2014 O J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

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Page 1: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

óer

os e

n e

E t d f

los

polím

e Estado amorfo.Transición vítrea

ades

de

l Transición vítrea

: Pro

pied

WC

201

4O

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

Page 2: e Etd f Estado amorfo

lido

2.2.1. Estado amorfo y estado cristalino1. Polímeros en estado sólidoes

tado

só El comportamiento de los polímeros en estado sólido es muy diferente del estado

sólido clásico. En la práctica los polímeros sólidos pueden encontrarse en dosestados de agregación diferentes : amorfos (a) cristalinos (b) .

eros

en

elo

s po

líme

Amorfos: Se trata de un estado desordenado similar al de líquidos y gases por lo

(a) (b)

ades

de

l Amorfos: Se trata de un estado desordenado, similar al de líquidos y gases, por loque se pueden clasificar como líquidos subenfriados. Las cadenas adoptan laconformación de ovillo estadístico. Al ser calentados sufren un proceso paulatino dereblandecimiento: a temperatura ambiente suelen ser sólidos rígidos (estado vítreo)

: Pro

pied

reblandecimiento: a temperatura ambiente suelen ser sólidos rígidos (estado vítreo),que al ser calentados se reblandecen y pasan a ser deformables (estado gomoso). Sise aumenta más la temperatura pueden llegar a ser un líquido. El paso desde elestado vítreo al estado deformable/gomoso se conoce como transición vítrea.

WC

201

4

g

(Temperatura a la que tiene lugar dicha transición: Temperatura de transición vítrea Tg)

O

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

Estado vítreo (duro) Tg Estado gomoso (blando)

Page 3: e Etd f Estado amorfo

lido

2.2.1. Estado amorfo y estado cristalino

esta

do s

ó

Cristalinos: Polímeros muy ordenados, las moléculas presentan posición,dirección y estructura ordenadas. Las cadenas de polímero se empaquetan

eros

en

e

para formar cristales. Sufren fusión con el aumento de la temperatura quese caracteriza por la temperatura de fusión (Tm).

los

polím

e

Dado que los polímeros son cadenas macromoleculares largas, éstas no seempaquetan fácilmente, por lo que salvo algunos casos de polimerizacionesespeciales a partir de monómeros 100% cristalinos es muy difícil encontrar

ades

de

l especiales a partir de monómeros 100% cristalinos, es muy difícil encontrarun polímero 100% cristalino.

En general los polímeros tienen na cristalinidad entre 30 90% En

: Pro

pied En general, los polímeros tienen una cristalinidad entre 30 y 90%. En

realidad se trata de sólidos semicristalinos que tienen tanto una zonacristalina como una zona amorfa, por lo que presentan dos transiciones

WC

201

4 térmicas: transición vítrea (Tg) y fusión (Tm).

O

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

Page 4: e Etd f Estado amorfo

lido 2. Estado amorfo

esta

do s

ó

El estado amorfo se da frecuentemente en los polímeros sintéticos:• La mayoría de los polímeros sintéticos son 100% amorfos.• Los polímeros cristalinos tienen partes amorfas y fácilmente se convierten en

eros

en

e p p yamorfos por enfriamiento rápido del fundido.• Los elastómeros son polímeros amorfos en los que existe entrecruzamiento delas cadenas que son deformables por encontrarse en el estado gomoso (por

los

polím

e

encima de la Tg) .

L dif ió d R X it dif i fá il t l ti d t t

ades

de

l La difracción de Rayos X permite diferenciar fácilmente los tipos de estructuraspresentes en un sólido. Los Rayos X al incidir en un sólido con un ángulo θ dan lugara una difracción descrita por la Ley de Bragg. dsenn 2

: Pro

pied

dsennθ: ángulo formado por el rayo incidente y elrayo difractado.θ

WC

201

4

y

n: índice de difracción.

: longitud de onda de la radiación utilizada.

d

d·senθ

O

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

d: distancia entre los planos del cristal.

Page 5: e Etd f Estado amorfo

lido

12000

esta

do s

ó

Los picos de alta intensidad en undifractograma indican que los ángulos6000

8000

10000

12000

110

200

sida

d (c

ps)

eros

en

e difractograma indican que los ángulostienen un valor característico, reflejo delorden interno. Sólido cristalino.

20 40 60 80 100 120 140 1600

2000

4000321 400

220

211

222

310

Inte

ns

los

polím

e

En los polímeros cristalinos

20 40 60 80 100 120 140 160

Angulo de difracción 2

nsid

ad

ades

de

l En los polímeros cristalinos(semicristalinos) podemos ver cómo lospicos, zonas cristalinas, se ensanchan yaparece una contribución amorfa difusa

Inte

n

: Pro

pied

aparece una contribución amorfa difusade fondo.

dad

26 24 22 20 18 16 14

Angulo de difracción 2

WC

201

4

El difractograma de un polímero amorfoes similar al de un líquido no se definen

Inte

nsid

O

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es similar al de un líquido, no se definenpicos debido al desorden del material.

Angulo de difracción 2

Page 6: e Etd f Estado amorfo

lido

3. Transición vítreaSólido Estado

Líquidoes

tado

só rígido gomoso LíquidoTg

Transición vítrea es, por tanto, el paso de un vidrio, sólido rígido con desorden interno, a

eros

en

e

gun sólido deformable. Este fenómeno aunque es característico de los polímeros tambiénse observa en sustancias orgánicas (glicerina) e inorgánicas (azufre).El paso desde el estado vítreo al estado deformable tiene su origen en un modificación enla capacidad de sufrir cambios conformacionales:

los

polím

e

T< Tg Las cadenas no poseen energía suficiente para cambiar de conformación.

la capacidad de sufrir cambios conformacionales:

ades

de

l g

T>Tg Las cadenas pueden cambiar fácilmente de conformación. Adquieren movilidad.

: Pro

pied La transición vítrea implica fuertes cambios de las propiedades del polímero con la

temperatura. De forma que la transición vítrea se puede detectar mediante el cambio depropiedades tales como:

WC

201

4 propiedades tales como:• Propiedades mecánicas

• Capacidad calorífica

Volumen específicoO

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

• Volumen específico

• Índice de refracción

Page 7: e Etd f Estado amorfo

lido 4. Técnicas de medida de la transición vítrea

esta

do s

ó

En la siguiente tabla se resumen las diferentes técnicas que permiten la medidaexperimental de la transición vítrea por cambio de propiedades físicas de los polímeros:

eros

en

e

Propiedad Técnica Siglas

T t A áli i té i dif i l DTA

los

polím

e Temperatura Análisis térmico diferencial DTA

Entalpía Calorimetría diferencial de barrido DSC

Dimensiones Termodilatometría TD

ades

de

l Dimensiones Termodilatometría TD

Modulo Análisis Termomecánico

A áli i Di á i M á i

TMA

DMTA/DMA

: Pro

pied Análisis Dinámico-Mecánico DMTA/DMA

P. Magnéticas Termomagnetometría TM

P Eléctricas Termoelectrometría TE

WC

201

4 P. Eléctricas Termoelectrometría TE

P. Acústicas Termoacustimetría TS

O

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

Page 8: e Etd f Estado amorfo

lido A continuación se examinan algunas de estas técnicas:

esta

do s

ó

Dilatometría capilar o termodilatometría

eros

en

e

El volumen específico (vsp) presenta ungran cambio en la temperatura de

Vsp

los

polím

e

transición vítrea.

L

ades

de

l

SAl llegar a la transición vítrea se observa uncambio de pendiente.

: Pro

pied

Tg TLa dilatometría permite calcular elcoeficiente de expansión (), que esdif t l t d ít ( ) l

WC

201

4 diferente para el estado vítreo (s) y para elgomoso (L). sp

Tv

v

1

O

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psp Tv

Page 9: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó Un dilatómetro está formado por un bulbo y un capilar. El capilar tiene una serie dedivisiones que permiten medir los cambios de volumen específico.

eros

en

e

Para medir los cambios de volumen se introduceuna muestra de polímero en el bulbo, se hace

Junta esmerilada

los

polím

e

vacío y, posteriormente, se rellena con mercurio.

El mercurio es inerte al polímero y tiene unvolumen específico conocido en función de la C il

ades

de

l volumen específico conocido en función de latemperatura.

Todo el sistema se introduce en un baño

Capilar

P lí

: Pro

pied termostático. Una vez calibrado el dilatómetro, se

varía la temperatura y se mide la variación devolumen de la muestra + mercurio.

Polímero

Mercurio5 mm 15 mm

WC

201

4

Dado que la variación del mercurio frente a latemperatura es conocida, se puede determinar lavariación del volumen específico de la muestra

Dilatómetro

O

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variación del volumen específico de la muestra.

Page 10: e Etd f Estado amorfo

lido

Técnicas calorimétricases

tado

A continuación se analizan brevemente dos de las técnicas calorimétricasá l d l l i t í dif i l d b id (DSC) l áli i

eros

en

e más empleadas: la calorimetría diferencial de barrido (DSC) y el análisistérmico diferencial (DTA).

La base de estas técnicas es un horno que permite un control adecuado de

los

polím

e La base de estas técnicas es un horno que permite un control adecuado dela temperatura de la muestra. Según cómo se obtiene la información sediferencian diferentes técnicas:

ades

de

l

• DTA (análisis térmico diferencial)

• DTA Boersma

: Pro

pied

• DTA Boersma

• DSC (calorimetría diferencial de barrido)

WC

201

4 Estos métodos tienen como principales ventajas la rapidez de la medida y lapoca muestra necesaria para realizarla.

O

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Page 11: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

DTA clásico

eros

en

e

∆TDentro del horno hay un sólo calefactorencargado de calentar dos cavidades

los

polím

e encargado de calentar dos cavidades,la de la muestra (S) y la de unareferencia (R). Cada cavidad tiene sucorrespondiente termopar embebido y

ades

de

l

S R

correspondiente termopar embebido, yse mide la diferencia de temperaturaentre la muestra y la referencia.

: Pro

pied

Calefactor

S REsta técnica no es muy utilizada enpolímeros debido a la dificultad decalibración

WC

201

4 calibración.

O

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Page 12: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

DTA BOERSMA

eros

en

e

En este caso también el horno consta de

los

polím

e

S R un solo calefactor, pero tanto la muestra(S) como la referencia (R) se encuentranen la misma cavidad, en dos crisoles

ades

de

l

Calefactor

∆T,

diferentes. El equipo mide la diferencia detemperatura entre los crisoles.

: Pro

pied

Calefactor

WC

201

4O

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

Page 13: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

Sensores

DSCer

os e

n e

S R

los

polím

ead

es d

e l

Calefactores

: Pro

pied

En este caso no hay un sólo horno, si no que tanto la muestra (S) como la

Calefactores

WC

201

4 referencia (R) cuentan con su propio horno, con su calefactor y con su sensor.En este caso no se mide la diferencia de temperatura entre muestra y referenciasi no que lo que se mide es el flujo de calor neto hacia la muestra para

O

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

mantener ambas a igual temperatura.

Page 14: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

¿Qué información se obtiene

eros

en

e de una curva DSC?

los

polím

e

Tg Tc Tm

ades

de

l

A partir de un termograma DSC se puede obtener la siguiente información:

: Pro

pied • Temperatura de la transición: vítrea (Tg), cristalización (Tc), fusión (Tm).

• Sentido de la transición o transformación (endotérmica o exotérmica).

WC

201

4 • Cambios de calor específico.

• Intensidad de la transición.

R id d l t i ióO

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• Rapidez de la transición.

• Calor puesto en juego en la transición.

Page 15: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

Factores que afectan

eros

en

e a los termogramas

los

polím

e

Tg Tc Tm

ades

de

l

Ciertos factores pueden afectar a los termogramas de DSC :

: Pro

pied • Velocidad de calentamiento.

• Geometría de los crisoles.

WC

201

4 • Tamaño de la muestra (peso, homogeneidad…).

• Empaquetamiento de la muestra.

O

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• Tratamiento térmico previo de la muestra (historial térmico).

• Atmósfera bajo la que se realiza el experimento.

Page 16: e Etd f Estado amorfo

lido ¿Cómo determinar el valor de Tg por DSC?

esta

do s

ó

La transición vítrea se corresponde con un cambio de la capacidad caloríficadel polímero originado por un cambio en la capacidad de pasar de unaconformación a otra, y se observa como un salto en la línea base del

eros

en

e

Existen diferentes criterios para tomar el valor de Tg:

conformación a otra, y se observa como un salto en la línea base deltermograma.

los

polím

e

1) Temperatura umbral (onset). Consiste en extrapolar lalínea base antes de la transición y la línea base durante elsalto (tangente a la curva), el corte de ambas rectas es la1

ades

de

l

Tg.

2) Temperatura mitad de la ∆Cp. Consiste en extrapolar lalínea base antes durante y después del salto La bisectriz

Tg

2

: Pro

pied

línea base antes, durante y después del salto. La bisectrizde la línea que une los dos puntos obtenidos es la Tg.

3) Temperatura en el punto de inflexión de la curva.

WC

201

4

3) Temperatura en el punto de inflexión de la curva.Consiste en derivar la curva y determinar el punto deinflexión de la misma, que es la Tg.

O

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Page 17: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

Rápido

B

AVspLa temperatura a la que se da la transición

vítrea es función del procesocalentamiento/enfriamiento al que haya estado

eros

en

e B

C

calentamiento/enfriamiento al que haya estadosometida la muestra.

los

polím

e

Despacio

T

ades

de

l

En una muestra semicristalina, cuanto mayor es la parte cristalina, la medida de la Tg

: Pro

pied

y p ges más difícil.

1) Si se enfría rápido, no le da tiempo a cristalizar y la muestra será amorfa.

WC

201

4

2) Si se enfría despacio, se da una cristalización (AC) y el volumen específicodisminuye rápidamente.

O

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Page 18: e Etd f Estado amorfo

lido 5. Teorías sobre la transición vítrea

esta

do s

ó

No existe una teoría unificada para explicar la transición vítrea,

eros

en

e p p ,sino teorías parciales:

Volumen libre

los

polím

e Volumen libre

Tratamiento Cinético

ades

de

l

Tratamiento Termodinámico

: Pro

pied

WC

201

4O

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Page 19: e Etd f Estado amorfo

lido 5.1. Volumen libre

esta

do s

ó

Esta teoría analiza cómo evoluciona el volumen libre (no ocupado por las moléculas,volumen vacío) durante el proceso de la transición vítrea. El volumen libre serelaciona directamente con la movilidad de las cadenas y la capacidad de cambiar

eros

en

e relaciona directamente con la movilidad de las cadenas y la capacidad de cambiarde conformación.

En la figura se representa el volumen ocupado por un polímero frente al volumen

los

polím

e g p p p pespecífico.

El volumen total, V, V = V0 + Vf

ades

de

l

l

Estadoamorfo

Volumenlibre

pecí

fico Dónde, V0 es el volumen físico ocupado por las

cadenas, y Vf es el volumen libre.

Por debajo de la T el volumen libre es casi

: Pro

pied

gVolumenocupado

Estadovítreo

men

esp Por debajo de la Tg el volumen libre es casi

constante, Vf*.

Por encima de la Tg Vf aumenta y cuanto mayorl t t V d i

WC

201

4 ocupado

Vol

um es la temperatura, mayor es Vf, es decir mayores la movilidad.

O

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T

Page 20: e Etd f Estado amorfo

lido Si la temperatura es próxima a la Tg se cumple:

Estado Volumenco

esta

do s

ó

Pff T

VTgTVV

)(*l

Volumen

amorfoVolumenlibre

Estadovítreo en

esp

ecífi

c

eros

en

e PT g ocupado

T

Vol

um

los

polím

e

Dividiendo la expresión anterior por V, se obtiene la expresión para la fracción de volumen libre, f:

ades

de

l

)( ) V(V f0 fgff TgTff

VV

VVVf

: Pro

pied

gf VVV 00

WC

201

4

Pf T

V

V1 Coeficiente de expansión del volumen libre

Por debajo de la Tg generalmente en polímeros:

O

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Pfg = 0,025 y f = 4,8 x 104 K-1

Page 21: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

Las teorías del volumen libre relacionan f con la movilidad de las cadenas,medida a través de la viscosidad del polímero ().

eros

en

e

La ecuación de Doolittle relaciona la viscosidad y el volumen libre:

oV

los

polím

e

fBAAe f

oVVB

lnln

ades

de

l

A y B son constantes.

: Pro

pied

WC

201

4O

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Page 22: e Etd f Estado amorfo

lido 5.2.Teoría Cinética

esta

do s

ó El estado vítreo de un polímero no es unestado de equilibrio termodinámico

La propiedades varían con el tiempo

E t t í id l t i ió ít t i ió t di á i i

eros

en

e Esta teoría no considera la transición vítrea como una transición termodinámica, si nocomo un proceso cinético. La Tg depende de la velocidad de calentamiento/enfriamiento.

Un polímero en la posición A tiene cierta

los

polím

e

A

Un polímero en la posición A tiene ciertamovilidad, que disminuye al enfriarlo hasta elpunto C.

ades

de

l

ífico

(Vsp

)

A Una vez que se encuentra el polímero atemperatura C, si se deja el sistema encondiciones isotermas durante un periodo deti fi i t t l l l

: Pro

pied

olum

en e

spec B

Ctiempo suficientemente largo el volumenespecífico se continúa reduciendo hasta llegar alpunto D. Ese punto es la extrapolación desde elpunto A línea de equilibrio El tiempo es tan largo

WC

201

4 Vo

T t

D Tg(q)

punto A, línea de equilibrio. El tiempo es tan largoque se puede suponer que es un estado deequilibrio, pero en realidad no lo es. Atemperaturas muy bajas el tiempo necesario paraO

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

Temperatura temperaturas muy bajas el tiempo necesario paraque el sistema alcance el equilibrio es muy alto.

Page 23: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

De C-D las cadenas cambian lentamente de conformación (y de entalpía) hacia lasconformaciones de mínima energía. Esta variación isoterma del volumen libre y de laentalpía se denomina envejecimiento físico.

eros

en

e p j

El envejecimiento físico influye en la resistencia al impacto de los polímeros por lo que esde gran importancia en la industria.

los

polím

ead

es d

e l

Vsp

)

A

: Pro

pied

n es

pecí

fico

(V

BC

WC

201

4

Vol

umen

D Tg(q)O

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

Temperatura

D Tg(q)

Page 24: e Etd f Estado amorfo

lido 5.3.Teoría Termodinámica

esta

do s

ó

Esta teoría estudia la transición vítrea como si se tratara de un cambio de fasetermodinámico. Ehrenfest propuso la siguiente clasificación de las transicionestermodinámicas.

eros

en

e

Transiciones de primer orden

A lo largo de la transición la Energía libre de Gibbs es continua y sus primeras

los

polím

e

G

G

derivadas son discontinuas. (Cp capacidad calorífica; k compresibilidad; α coeficientede expansión térmica).

ades

de

l dPVTSG PT

GS

TPGV

: Pro

pied V, H, S

α, Cp, k

WC

201

4O

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

Ttr T Ttr T

Page 25: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

Transiciones de segundo orden.

A lo largo de la transición la Energía libre de Gibbs es continua y sus primerasderivadas son continuas pero las segundas derivadas son discontinuas

eros

en

e

CSG p

2

derivadas son continuas, pero las segundas derivadas son discontinuas.

HTG

los

polím

e

TTT PP

2

pP

PP

CTH

T

TT

1

ades

de

l

VTV

PG

2

2VTV

PG

T PPT

: Pro

pied

TP TT

α, Cp, kV, H, S

WC

201

4O

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014Ttr TTtr T

Page 26: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

Transición vítrea

Analizando la transición vítrea se puede ver que no hay discontinuidad en la primera

eros

en

e derivada de la energía libre de Gibbs, hay un cambio de pendiente pero permanececontinua y sin embargo sí la hay en las segundas derivadas. La transición vítreacumple las características de una transición de segundo orden.

los

polím

e

Sin embargo, como se ha visto, la transición depende de la velocidad decalentamiento/enfriamiento, por lo que no es una transición de segundo ordenpropiamente dicha, si no que se pude considerar como una pseudo-transición de

ades

de

l p p q p psegundo orden.

Por lo tanto, tiene tanto comportamiento cinético como termodinámico.

: Pro

pied V, H, S α, Cp, k

WC

201

4O

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

Ttr T Ttr T

Page 27: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

Una de las teorías termodinámicas más importantes es la Teoría de Gibbs-DiMarzio

eros

en

e

Si la velocidad de enfriamiento esinfinitamente pequeña el material puedellegar al equilibrio en cada temperatura y,

0,2

SCONFOR

los

polím

e ega a equ b o e cada e pe a u a y,por lo tanto, el sólido amorfo puede llegara un equilibrio verdadero.

En este caso se puede decir que existe

0,1

ades

de

l En este caso se puede decir que existeuna verdadera transición termodinámicade segundo orden.

350 400 450 500

0,0

T

: Pro

pied

El número de conformaciones posibles para la cadena decrece al decrecer latemperatura, hasta llegar a una temperatura ideal en la que solamente es posible

T

WC

201

4

p , g p q puna conformación y su entropía conformacional es cero.

Esa temperatura ideal que denominaremos como T2 no se puede obtener de maneraexperimental pero se puede aproximar a partir de la Teoría de Volumen LibreO

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

experimental, pero se puede aproximar a partir de la Teoría de Volumen Libre.

Page 28: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

A esa velocidad de enfriamiento infinitamente lenta, cuando el material llega aesa temperatura de equilibrio T el volumen libre es cero por lo que no hay

eros

en

e

TTff

esa temperatura de equilibrio T2 el volumen libre es cero, por lo que no hayespacio para que se produzcan saltos conformacionales. Entonces:

los

polím

e gfgT TTff

Teniendo en cuenta que cuando T = T2 entonces fT = 0:

ades

de

l q 2 T

gfg TTf 20

: Pro

pied

Recordando que generalmente fg = 0,025 y f = 4,8 x 104 K-1, entonces:

50TT

WC

201

4

Es decir que la hipotética temperatura de transición vítrea en condiciones de

502 gTT

O

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

s dec que a potét ca te pe atu a de t a s c ó t ea e co d c o es deequilibrio estaría a unos 50ºC por debajo de la Tg obtenida experimentalmente.

Page 29: e Etd f Estado amorfo

lido 6. Factores que afectan la Tg.

esta

do s

ó

D d l t i ió ít d d l lí d i

6.1. Estructura químicaer

os e

n e Dado que la transición vítrea se produce cuando el polímero adquiere

capacidad de cambiar de conformación, la temperatura a la que tiene lugaresta transición está condicionada por su estructura química:

los

polím

e

— Tipos de enlaces

ades

de

l

— Volumen de los grupos sustituyentes

Los factores relacionados con la estructura química de los que depende

: Pro

pied directamente la Tg son:

— La flexibilidad de la cadena

WC

201

4

— Las interacciones intermoleculares entre las cadenas

O

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

Page 30: e Etd f Estado amorfo

lido

Flexiblees

tado

Flexibilidad

eros

en

e

¿Cual tienemayor Tg?

La flexibilidad es un factor muyimportante en la transición vítrea.Aquellas cadenas poliméricas que

los

polím

e

Rígido

sean más flexibles tendrán unatemperatura de transición vítrea másbaja.

ades

de

l

Interacciones intermoleculares

Las interacciones moleculares tienen granNombre Grupo Tg (ºC)

: Pro

pied importancia cuando los polímeros son

polares. Así, cuando hay grupos polaresen las cadenas de polímero la Tg aumenta

plateral

g ( )

Polietileno H -85Polipropileno CH3 -20

WC

201

4 significativamente, dado que cuanto máspolares sean dichos grupos mayor será elnúmero de interacciones entre las

d t t ilid d

Polipropileno CH3 20Poli(alcohol vinílico) OH 85Poli(cloruro de vinilo) Cl 81

O

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cadenas y, por tanto, menor su movilidad.Poliacrilonitrilo CN 105Poli(acetato de vinilo) OCOCH3 28

Page 31: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

Nombre Unidad Repetitiva Tg (ºC)

eros

en

e g

Polidimetilsiloxano -123

los

polím

e

Polietileno -93

ades

de

l

Poli(óxido de etileno) -67

: Pro

pied

Poli(óxido de fenileno) 83

WC

201

4

Poli(p-xilileno) ~ 280

O

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Poli(p xilileno) 280

Page 32: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó Como ya se ha mencionado con anterioridad (Tema 2) la estructura delpolidimetilsiloxano (Si-O) es más flexible , lo que hace que su Tg sea muy baja (-123ºC).

eros

en

e

El li il bié fl ibl i b T b j ( 93ºC)

los

polím

e El polietileno también es muy flexible, sin embargo, su Tg no es tan baja (-93ºC) yaque es un polímero semicristalino con un porcentaje de zona amorfa pequeño.

ades

de

l

Por su parte, el poli(óxido de etileno) también es muy flexible (enlaces C-O) aunqueligeramente menos que el polietileno y por ello su T es mayor ( 67ºC)

: Pro

pied

ligeramente menos que el polietileno, y por ello su Tg es mayor (-67 C).

WC

201

4

Si se introducen elementos rígidos, como pueden ser los grupos fenilos, la flexibilidadde la cadena disminuye con lo que la Tg aumenta, como es el caso del poli(óxido defenileno) y poli(p-xilileno).

O

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) y p (p )

Page 33: e Etd f Estado amorfo

lido

Sustituyentes laterales

esta

do s

ó Nombre Grupo lateral Tg (ºC)Polietileno H -85Polipropileno CH3 -20

eros

en

e

p p 3

Poli(but-1-eno) C2H5 -24Poli(pent-1-eno) C3H7 -40P li(h 1 ) C H 50

los

polím

e Poli(hex-1-eno) C4H9 -50Poli(4-metil pent-1-eno) CH2-CH(CH3)2 29

ades

de

l

Los sustituyentes laterales limitan la rotación de la cadena, por lo que a medida queaumenta el volumen de esos grupos aumenta la Tg. Sin embargo, cuando dichosustituyente es lineal, a pesar de que en un principio la Tg aumenta, a medida que la

d lifáti li l t d t ñ l T d l lí di i i á E d i l

: Pro

pied cadena alifática lineal aumenta de tamaño, la Tg del polímero disminuirá. Es decir, los

sustituyentes lineales y largos aumentan la flexibilidad de la cadena y el volumen libre,de forma que disminuyen la Tg. Los grupos sustituyentes rígidos y de gran volumenaportan rigidez a la cadena por lo que su T será más alta

WC

201

4 aportan rigidez a la cadena, por lo que su Tg será más alta.

Simetría

Si los polímeros tienen dos sustituyentes laterales y éstos además son simétricos, la

O

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p y yTg disminuye con respecto a los que no lo son.

Page 34: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

óer

os e

n e

Aumento de la Tg Disminución de la Tg

Grupos que aumentan la rigidez Grupos que aumentan la

los

polím

e

de la cadena principal. flexibilidad de la cadena

G í G f

ades

de

l Grupos laterales rígidos y de gran volumen

Grupos laterales flexibles

: Pro

pied

Interacciones intermoleculares Sustituyentes simétricos

WC

201

4O

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

Page 35: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

Existe una relación entre el peso molecularNombre Mn Tg (ºC)Estireno 104 134

6.2. Peso molecular

eros

en

e del polímero y su Tg. Al aumentar el pesomolecular lo hace también la Tg. Sin embargo,esa dependencia es más significativa en los

Estireno 104 -134

Dímero 208 -104

Trímero 312 -40

PS 600 40

los

polím

e

pesos moleculares bajos, ya que para pesosmoleculares en torno a 100.000 la Tg seestabiliza. Esta dependencia se puede seguir

í i t

PS 600 -40

PS 2000 40

PS 4000 62

ades

de

l empíricamente:PS 17000 86

PS 37000 94

PS 110000 100kTgTg

: Pro

pied

Siendo la Tg para un peso molecular

Mngg

TgTg (ºC) Tg

WC

201

4

ginfinito, k una constante propia del polímero yMn el peso molecular promedio en número.

O

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1/Mn (mol/g)

Page 36: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

Fox estudió los factores que afectan a la Tg cuando el peso molecular disminuye,atribuyendo la dependencia entre el peso molecular y la Tg a la influencia de los

eros

en

e y p p y ggrupos finales de las cadenas. Basándose en la idea de que los grupos finales de lascadenas tienen mayor volumen libre que los grupos centrales de las cadenas llegó adeducir la siguiente expresión teórica que justifica la relación empírica anterior:

los

polím

e

NaTgTg 2

Ecuación de FOX

ades

de

l

MnTgTg

f Ecuación de FOX

: Pro

pied Siendo ρ la densidad del polímero, θ la fracción de volumen libre correspondiente a

los grupos finales, αf el coeficiente de expansión de volumen libre, y el 2 correspondeal número de grupos finales presentes en la cadena.

WC

201

4

g p p

O

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Page 37: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

Los polímeros ramificados flexibles son aquellos en los que sus ramas aportanvolumen libre al sistema separando las cadenas y haciéndolas más móviles con lo

6.3. Ramificacióner

os e

n e volumen libre al sistema separando las cadenas y haciéndolas más móviles, con lo

que la Tg disminuye.

Cuando se presentan esas condiciones se puede determinar teóricamente la Tg

los

polím

e

mediante modificación de la ecuación de Fox. Así, considerando que cada rama de lacadena aporta un grupo final con más volumen libre, se llega a deducir la siguienteexpresión:

ades

de

l

MnNayTgTgf

: Pro

pied

Siendo “y” el número de finales de cadena presentes en la cadena (cada rama aporta

f

WC

201

4

y p ( pun final de cadena).

Sin embargo, si el número de ramificaciones es muy elevado, la cadena perderáilid d h i d t l TO

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

movilidad haciendo aumentar la Tg.

Page 38: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

Cuando las cadenas se encuentran entrecruzadas formando una red suilid d d Ad á l d tá á ó i l

6.4. Entrecruzamientoer

os e

n e movilidad se reduce. Además, las cadenas están más próximas y el

volumen libre disminuye. Todo ello hace que la Tg aumente.

los

polím

e

Los polímeros termoestables son polímeros muy entrecruzados, por lo quetienen una Tg tan alta que en muchos caso no se puede observar dado quese degradan antes de alcanzarla.

ades

de

l se degradan antes de alcanzarla.

No es fácil relacionar el grado de entrecruzamiento y la Tg, ya que todos losenlaces presentes en la red no tienen por qué ser iguales

: Pro

pied

enlaces presentes en la red no tienen por qué ser iguales.

Cuando el entrecruzamiento no es muy elevado se observa unad d i li l t l T l d d t i t

WC

201

4 dependencia lineal entre la Tg y el grado de entrecruzamiento,

O

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Page 39: e Etd f Estado amorfo

lido

6.5. Tacticidades

tado

La tacticidad proporciona diferente capacidad de movimiento a las cadenas siendo

eros

en

e también un factor que afecta a la Tg, Sin embargo, es muy difícil de sistematizar. Asípor ejemplo, en el caso de los poliacrilatos no hay una gran variación con latacticidad, mientras que el polimetacrilato atáctico tiene mayor Tg que el isotáctico, lo

f

los

polím

e que en este caso se atribuye a las diferentes barreras de potencial de cada una delas ordenaciones.

ades

de

l

Poliacrilatos Polimetacrilatos

: Pro

pied Isotáctico Sindiotáctico Isotáctico Sindiotáctico

Metilo 10 8 43 105

WC

201

4 Etilo -25 -22 8 65

O

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Page 40: e Etd f Estado amorfo

lido

6.6. Presiónes

tado

Uno de los factores externos que más afecta a la Tg es la presión. Así, la variaciónd id l T d bid l bi d ió d i t i l

eros

en

e producida en la Tg debido a los cambios de presión es de gran importancia en losprocesos de transformación de la industria del plástico.

Si se analiza la influencia de la presión en la Tg de un polímero desde el punto de

los

polím

e Si se analiza la influencia de la presión en la Tg de un polímero desde el punto devista del volumen libre, al aumentar la presión el volumen libre disminuye y, por lotanto, la Tg aumenta.

ades

de

l

Tomando como referencia las ecuaciones de Ehrenfest para una transición desegundo orden, se puede relacionar la presión y la Tg:

: Pro

pied

TVkddTg

Dónde es el coeficiente de comprensibilidad,

el coeficiente de expansión isoterma y el

WC

201

4 CpdP el coeficiente de expansión isoterma y Cp elcalor específico.

O

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Page 41: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó

Polímero Tg dTg/dP (K/atm)

Caucho natural -72 0,024

eros

en

e

Poliisobutileno -70 0,024

Poli(acetato de vinilo) 25 0,022

P li( l d i il ) 87 0 016

los

polím

e Poli(cloruro de vinilo) 87 0,016

Poliestireno 100 0,031

Poli(metil metacrilato) 105 0 020-0 023

ades

de

l Poli(metil metacrilato) 105 0,020-0,023

En la tabla se muestran algunos ejemplos de la variación de la Tg de polímero enf ió d l i ió d l ió S d i lí li l

: Pro

pied

función de la variación de la presión. Se puede apreciar como para polímeros linealesla variación de la Tg en función de la presión es similar. En general, para la mayoría delos polímeros se cumple que:

WC

201

4

atmKTVdTg /020

O

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atmKCpdP

/02,0

Page 42: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

óer

os e

n e 7. Plastificación

los

polím

e

Si a un polímero se le añade una sustancia de bajo peso molecular,miscible y de alta temperatura de ebullición, ésta aportará volumen libre alpolímero separando las cadenas e incluso bloqueando las interacciones

ades

de

l p p qintermoleculares, de este modo la movilidad de las cadenas aumenta y laTg disminuye. A este proceso se le denomina plastificación.

: Pro

pied

Existen también sustancias con el efecto contrario, los antiplastificantes,los cuales aportan rigidez a las cadenas y/o potencian las interacciones

WC

201

4 intermoleculares.

O

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

Page 43: e Etd f Estado amorfo

lido

esta

do s

ó En la figura se presenta una simulación del efecto del plastificante sobre la Tg de unahipotética muestra de PVC.

eros

en

e

350

400 La Tg de la muestra se puede predecir apartir de teorías del volumen libre:

TgwTgkw 2)(

los

polím

e

250

300

Tg (

K)

Siendo αr el coeficiente de expansión por

21

2211

wkwTgwTgkwTg

1

2

)()(

gr

grk

ades

de

l

0,0 0,2 0,4 0,6200

250

Cantidad de plastificante

rencima de la Tg, αg el coeficiente deexpansión por debajo de la Tg, 1corresponde al polímero y 2 al

: Pro

pied

Cantidad de plastificante plastificante.

Entre los plastificantes más utilizados se encuentran los ftalatos, fosfatos, ésteres de

WC

201

4 Entre los plastificantes más utilizados se encuentran los ftalatos, fosfatos, ésteres deácidos grasos y glicoles, entre otros. Todos los plastificantes no tienen el mismoefecto, dependiendo de su estructura el plastificante rebaja la Tg en un grado u otro.

Los plastificantes pueden acarrear algunos problemas a las muestras de polímeroO

J.M. Laza, L. Pérez, L.Ruiz@2014

Los plastificantes pueden acarrear algunos problemas a las muestras de polímero,como pueden ser su migración hacia la superficie o su disminuir su estabilidadtérmica.