Un equipo de investigadores del Instituto de Materiales Poliméricos Sintéticos de la Academia de Ciencias de Rusia, MIPT y otros lugares han determinado cómo la regularidad de las moléculas de polipropileno y el tratamiento térmico afectan las propiedades mecánicas del producto final. Sus nuevos conocimientos permiten sintetizar un material con propiedades predeterminadas como elasticidad o dureza. El artículo que detalla el estudio fue publicado en Polímero .

En términos de volumen de producción, polipropileno sólo es superado por polietileno. Al modificar su estructura molecular, el polipropileno se puede utilizar para fabricar materiales con una amplia gama de características, desde bandas elásticas hasta plástico de alto impacto. Sin embargo, la relación entre la estructura química del polímero y sus propiedades mecánicas no se comprende completamente.

Lo que hace que las propiedades de los materiales poliméricos sean tan variables es su composición. Una molécula de polímero es una cadena larga de unidades repetidas de longitud desigual. Si estas moléculas se mezclan más o menos al azar en un material, se dice que es amorfo. Estos polímeros son blandos. En otros materiales, las cadenas de polímero forman interconexiones llamadas enlaces cruzados. Esto da lugar a regiones de estructura atómica muy regular (fig.1), similar a la de los cristales, de ahí el nombre de cristalitos. Mantienen unida toda la red molecular, y cuantos más cristalitos haya en un material, cuanto más difícil es. Para formar enlaces cruzados, las cadenas moleculares deben poseer una cierta regularidad estructural llamada isotacticidad.

Una cadena de polipropileno consta de una columna vertebral de átomos de carbono con átomos de hidrógeno unidos. Todos los demás átomos de carbono de la cadena tienen un grupo metilo unido. Dos átomos de carbono adyacentes en la cadena con los átomos de hidrógeno y el grupo metilo unido a ellos constituyen una unidad repetitiva llamada propileno, o propeno. La configuración espacial de la macromolécula, la cadena del polímero, está determinada por la orientación mutua de los grupos metilo en la cadena (fig.2):si están todos en un lado, se dice que la molécula es isotáctica. Si alternan entre mirar hacia un lado y hacia el otro, el arreglo se conoce como sindiotáctico. La ausencia de un patrón consistente se conoce como atacticidad. Los segmentos de cadena isotáctica son muy eficaces para formar enlaces cruzados. Por lo tanto, un mayor grado de isotacticidad del polipropileno da como resultado un material más resistente. Los químicos pueden sintetizar polipropileno con isotacticidad predeterminada. Los autores se propusieron establecer la relación precisa entre las propiedades mecánicas del material y la isotacticidad.

Que lo hace fuerte

El grado de isotacticidad de un polímero se expresa en términos del contenido de pentadas en él. Una pentada es un segmento de molécula perfectamente isotáctico que tiene cinco unidades repetidas de largo. Los investigadores examinaron polipropilenos caracterizados por varios grados de isotacticidad:específicamente, 25, 29, 50, 72, 78, 82, y más del 95 por ciento. Se obtuvieron muestras de cada tipo de polipropileno en forma de películas, 0,5-0,7 milímetros de grosor, utilizando dos técnicas distintas:a saber, enfriar el material fundido en agua helada y enfriarlo a una velocidad de 3 grados por minuto. A continuación, las películas se sometieron a estiramiento a 10 milímetros por minuto en una máquina de ensayo.

Utilizando los resultados de las pruebas mecánicas, los autores trazaron una curva de tensión-deformación para cada una de las muestras. Descubrieron que el comportamiento de las muestras sometidas a tensión estaba relacionado con su isotacticidad y prehistoria térmica, es decir, si se enfriaron lenta o rápidamente. Los investigadores describieron esta relación como una dependencia del módulo elástico del grado de cristalinidad (fig. 4). Los módulos elásticos más altos corresponden a materiales más duros. El grado de cristalinidad es el porcentaje de cristalitos, en oposición a las regiones amorfas, en el volumen del material. El equipo también demostró que los cristalitos en muestras templadas y enfriadas lentamente diferían en su forma.

"Mucha gente intenta mejorar las propiedades del polipropileno, ya que el retorno de los esfuerzos invertidos es grande. Se produce por millones de toneladas, y solo es necesario modificar ligeramente la estructura de la cadena o las condiciones de preparación para obtener un material con las propiedades deseadas, "dice el autor Maxim Shcherbina, quien enseña en MIPT y es un científico investigador líder en el Laboratorio de Estructuras de Polímeros Funcionales del Instituto de Materiales Poliméricos Sintéticos, RAS. "Durante la síntesis, tú determinas la estructura de la molécula. Pero cuando haces eso también determina las propiedades de la red y, por lo tanto, las propiedades del material. Ésta es la principal conclusión que sacamos en el artículo. Ahora, estamos haciendo cosas similares con el polietileno, otro polímero bastante popular ".