Mezclas y Compuestos de Polímeros

La mezcla de polímeros o su refuerzo con fibras y rellenos combina las fortalezas de diferentes materiales, creando sistemas multifásicos cuyas interfaces y morfología determinan el equilibrio final de rigidez, tenacidad y otras propiedades.

Definition

Las mezclas de polímeros son combinaciones físicas de dos o más polímeros, y los compuestos de polímeros son materiales en los que una matriz polimérica se refuerza con fibras o partículas; ambos son sistemas multifásicos cuyas propiedades dependen de la composición, la morfología de fase y la adhesión interfacial.

Scope

Este tema abarca las combinaciones físicas de polímeros y refuerzos: mezclas miscibles versus inmiscibles y la rareza de la miscibilidad, la morfología de fase y la compatibilización, el endurecimiento de polímeros frágiles mediante caucho disperso, y los compuestos reforzados con fibras y partículas, incluyendo el papel de la interfaz y la estimación de la rigidez según la regla de las mezclas.

Core questions

• ¿Por qué la mayoría de los pares de polímeros son inmiscibles y qué morfología resulta?
• ¿Cómo mejora la compatibilización las propiedades de la mezcla?
• ¿Cómo endurece el caucho disperso un plástico frágil?
• ¿Cómo controlan la geometría del refuerzo y la interfaz la rigidez y la resistencia del compuesto?

Key theories

Comportamiento de fase y compatibilización de mezclas

Debido a que la mezcla de cadenas largas obtiene poca entropía, la mayoría de las mezclas se separan en fases; el tamaño y la adhesión de la fase dispersa controlan las propiedades, y los compatibilizadores de bloque o injerto reducen la tensión interfacial y estabilizan una morfología fina y bien unida.

Refuerzo y transferencia de carga en compuestos

Las fibras o partículas rígidas soportan la carga transferida a través de la interfaz matriz-refuerzo, por lo que la rigidez del compuesto aumenta con el contenido y la orientación del refuerzo, mientras que la tenacidad y la resistencia dependen críticamente de la adhesión interfacial y la longitud de la fibra.

Mechanisms

Cuando dos polímeros se mezclan en estado fundido, la pequeña entropía de mezcla generalmente los deja inmiscibles, por lo que uno se dispersa como dominios en el otro; el tamaño del dominio y la adhesión interfacial, ajustables con compatibilizadores, rigen si la mezcla es frágil o tenaz. Las partículas de caucho dispersas endurecen una matriz vítrea al iniciar y controlar muchas pequeñas microfisuras (crazes) o bandas de cizallamiento que absorben energía. En los compuestos, la carga aplicada se transfiere de la matriz flexible a las fibras o partículas rígidas a través de su interfaz, por lo que el módulo, la fracción de volumen, la relación de aspecto y la orientación del refuerzo, junto con la unión interfacial, establecen la rigidez y la resistencia generales.

Clinical relevance

Las mezclas y los compuestos dominan las aplicaciones de ingeniería porque alcanzan combinaciones de propiedades que ningún polímero individual ofrece: los plásticos endurecidos con caucho, como el poliestireno de alto impacto y el ABS, proporcionan resistencia al impacto; las aleaciones de polímeros adaptan el costo y el rendimiento; y los compuestos reforzados con fibras ofrecen materiales ligeros, rígidos y resistentes para la industria aeroespacial, automotriz, artículos deportivos y construcción.

History

Los plásticos endurecidos con caucho surgieron a mediados del siglo XX con el poliestireno de impacto y el ABS; las mezclas de polímeros y las redes interpenetrantes se sistematizaron a partir de la década de 1970; y los compuestos de alto rendimiento reforzados con fibras de vidrio, carbono y aramida crecieron rápidamente durante el mismo período para satisfacer las demandas de materiales estructurales ligeros.

Key figures

• Leslie Sperling
• Souheng Wu

Seminal works

• sperling2006
• young2011

Frequently asked questions

¿Por qué la mayoría de las mezclas de polímeros son inmiscibles?

La mezcla de cadenas largas obtiene muy poca entropía, por lo que incluso pequeñas interacciones desfavorables provocan la separación de fases. Por lo tanto, la mayoría de las mezclas consisten en un polímero disperso como dominios dentro de otro en lugar de formar una solución uniforme.

¿Cómo hace el caucho que un plástico sea más tenaz?

Las partículas de caucho dispersas actúan como concentradores de tensión que desencadenan muchas microfisuras (crazes) o bandas de cizallamiento pequeñas y absorbentes de energía, en lugar de una única grieta catastrófica. Esto distribuye la deformación y aumenta drásticamente la resistencia al impacto.