La Física de los Polímeros
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Introducción
Hemos visto las propiedades de los polímeros desde la óptica de la Biología (La química de las células) y de la Química (Polímeros: una visión química). Por lo tanto, me parece interesante agregar una tercera visión de estudio: los polímeros desde la perspectiva física.
En esta ocasión, nos centraremos en algunas de las técnicas y tecnologías que emplea la ciencia para estudiar los polímeros.
Propiedades físicas que permiten caracterizar a los diferentes polímeros
(1) Investigación de polímeros mediante la técnica de DSC (Differential Scanning Calorimetry):
La técnica de DSC (en español es: calorimetría diferencial de barrido) es utilizada para investigar la respuesta de los polímeros al calentamiento. Ya hemos comentado que los polímeros se comportan de diferente forma frente a los cambios de temperatura y pueden ser termoplásticos o termoestables.
Por lo tanto, la técnica de DSC se usa para estudiar las propiedades de estas moléculas frente a los cambios térmicos. Por ejemplo el punto de fusión (melting point, Tm) de un polímero (si es cristalino) o su temperatura de transición vítrea (glass transition, Tg) si es un polímero no cristalino o amorfo. También puede medirse la Temperatura de cristalización (Tc).
En ocasiones, podemos encontrarnos con polímeros que son una mezcla de zonas cristalinas y amorfas y pueden entonces presentar ambas propiedades físicas, Tm y Tg.
Equipo DSC
El equipo para realizar DSC se compone de una cámara para colocar las muestras y un software que se utiliza para analizar los datos. Con este podemos monitorear la temperatura y regular la tasa de calentamiento. En general, la tasa de calentamiento se utiliza a razón de 10°C/min.
Las medidas pueden realizarse con solo una pequeña cantidad de muestra, entre 7-10 mg e, que se colocan dentro de un crisol que puede ser de aluminio y se someten a elevadas temperaturas dentro de la cámara del equipo.
¿Cómo realiza las mediciones este equipo?
Los equipos de DSC realizan las mediciones colocando una muestra del polímero de interés en un crisol. Como las mediciones son diferenciales, debe colocarse otro crisol vacío que funcionará como referencia.
La tasa de temperatura varía para una dada cantidad de calor (q) la cual difiere entre los dos crisoles. Esta diferencia depende de la composición del contenido del crisol así como de los cambios de fase. Por lo tanto, la diferencia de la salida de calor entre los dos calentadores es registrada por el equipo. El resultado se grafica como la diferencia de calor (q) versus la temperatura (T) y el tiempo (t).
A continuación, se muestra un esquema del equipo DSC y los crisoles de aluminio donde se coloca la muestra del polímero que se quiere analizar (Figura 1):
Figura 2. Ejemplo de como se ven las propiedades térmicas de los polímeros al ser analizados mediante calorimetría diferencial de barrido.
Definiciones de las propiedases térmicas de los polímeros
(2) ¿A qué llamamos propiedades térmicas de los polímeros?
Los polímeros pueden fundirse (Tm) , una temperatura determinada que los caracteriza. En ocasiones, pueden mostrar una temperatura de transición vítrea (tg) que puede entenderse como la transición vítreo-líquido gradual y reversible de los polímeros amorfos (es decir, que no se ordenan en una red cristalina).
Esta transición producto del aumento de temperatura produce que estas moléculas pasen de un estado vítreo duro y relativamente quebradizo a un estado viscoso.
Es decir, su comportamiento, maleabilidad, dureza y estabilidad dependen de sus respuestas al calor, de su Capacidad Calorífica. Por supuesto todas esas propiedades son medibles, así que veamos un poco de matemática. Estos cálculos son los que hace el equipo DSC y que nos permiten "ver y conocer" la molécula que estamos estudiando.
Matemática del DSC para caracterizar los polímeros
👉Capacidad calorífica (Heat Capacity)
La capacidad calorífica (Cp) de un sistema es la cantidad de calor necesaria para elevar su temperatura 1°C. Esta Cp se suele expresar en unidades de Joules/°C y se puede obtener a partir del flujo de calor y la tasa de calentamiento.
El flujo de calor (heat flow) es la cantidad de calor suministrada por unidad de tiempo:
Donde t es el tiempo y q el calor.
La tasa de calentamiento (heating rate) es el cambio de temperatura en el tiempo:
👉 Transición vítrea (Glass Transition)
Si tenemos un polímero en estado fundido y este es enfriado, alcanzará en un determinado punto una temperatura de transición vítrea (Tg). En este punto, las propiedades mecánicas del polímero cambiarán pasando de un estado elástico a un estado quebradizo debido a los cambios de movilidad de sus cadenas.
Un gráfico típico de de flujo de calor vs temperatura mostrará la Tg como un cambio escalonado de la temperatura (Figura 3). La Cp de los polímeros es usualmente más alta por encima de la Tg. La transición vítrea no ocurre de repente a una única temperatura sino que se establece en un rango de temperaturas. La temperatura en el medio del escalón que es el salto de flujo de calor es la que se toma como Tg.
Figura 3. En este ejemplo se muestra como se produce la transición gradual en un rango de temperaturas.
👉 Cristalización y Temperatura de cristalización (Tc)
Por encima de la Tg, las cadenas de los polímeros tienen una gran movilidad. Existe una temperatura por encima de Tg en la que las cadenas tienen la suficiente energía para formar arreglos ordenados y producirse la cristalización. La cristalización es un evento exotérmico. Por lo tanto, menos calor es necesario para mantener la tasa de calentamiento de la muestra igual a la de la referencia. Esto resulta en un decrecimiento que se puede ver en el grafico de flujo de calor vs temperatura (Figura 4).
Figura 4. La cristalización es un evento exotérmico, por lo que el flujo de calor hacia la muestra debe decrecer para mantener la tasa de calentamiento constante.
Los picos de cristalización pueden ser usados para confirmar que este proceso ocurre en la muestra. Estos gráficos nos permiten encontrar la Temperatura de cristalización (Tc) y determinar el calor latente de cristalización. El calor latente (entalpía) de cristalización es calculado como el área bajo la curva.
👉 Fusión y temperatura de fusión (melting point, Tm)
Las cadenas de los polímeros son capaces de moverse libremente alrededor de la temperatura de fusión (Tm) por lo que no presentan arreglos en su estructura. La fusión es un proceso endotérmico, requiriendo absorción de calor. La temperatura permanece constante durante la fusión a pesar del calentamiento continuo. La energía entregada durante este evento es utilizada para fundir las regiones cristalinas del polímero.
En un gráfico de flujo de calor vs temperatura la fusión se observa como un pico en el que el flujo de calor aumenta a una temperatura constante. El calor agregado al sistema durante el proceso de fusión es el calor latente de fusión. Luego de la fusión, la temperatura vuelve a incrementarse . La Cp del polímero en la fusión es más alta que en el estado sólido por lo que la temperatura aumenta a una tasa mas lenta que antes de la fusión (Figura 5).
Figura 5. La fusión es un evento endotérmico, por lo que el flujo de calor hacia la muestra debe aumentar para mantener la tasa de calentamiento constante.
Hasta aquí la entrada de hoy. Los polímeros están en básicamente todo lo que usamos, y los que son naturales son componentes de las células como el ADN, el ARN y el glucógeno entre muchos otros. El estudio de los polímeros es una área de la ciencia en constante expansión, tanto en el industria del plástico, como en la biomedicina y más... Las nuevas tecnologías nos ayudan a aprender y entenderlos aun más. También a sintetizarlos.
Referencias
Soy Licenciada en Ciencias Biológicas y tengo un PhD en Química Biológica. Escribo esta página basada en mi experiencia como docente e investigadora y utilizo fuentes de información confiables para la redacción de los artículos:
¡¡¡hasta la próxima y gracias por leer!!!
