Absorción de impacto en polímeros semicristalinos e ionómeros

Abstract

En la actualidad, las necesidades de la sociedad exigen un continuo desarrollo de la ciencia, ya sea en cuestiones de salud, tecnología, medio ambiente, etc. Todos estos avances requieren cada vez materiales más óptimos, con una alta eficiencia y bajo costo de producción, donde muchos de ellos son sometidos a condiciones extremas de presión, temperatura y deformación como por ejemplo en ámbitos aeroespaciales, automovilísticos, militares, etc. Generalmente, cuando los materiales son sometidos a grandes deformaciones, el objetivo es que disipe la energía introducida manteniendo su integridad estructural, para poder ser reutilizado. En el último siglo, se ha observado que los materiales poliméricos son ideales en este tipo de procesos, presentando eficiencias mayores que materiales convencionales, como metales o cerámicos, con la posibilidad de tener otras propiedades como transparencia, autocurado, maleabilidad, etc. Aún no está del todo claro los mecanismos que conducen a este comportamiento, donde se cree que un factor clave es la coexistencia de regiones blandas y duras en el material. En la presente tesis se busca dilucidar los mecanismos que posicionan a los materiales poliméricos dentro de los más óptimos en procesos de grandes deformaciones. A través de simulaciones de dinámica molecular se estudia el efecto de la coexistencia de regiones cristalinas (duras) y amorfas (blandas) para un material sometido a un proceso de compresión por pistón, estudiando los mecanismos de disipación de la onda de choque. El mismo análisis se realiza sobre ionómeros (polímeros que contienen grupos iónicos en su estructura que le confiere propiedades únicas como conductividad eléctrica, adhesión y resistencia) en estado fundido, donde se estudia el efecto del número de cargas en el sistema, que actúan como entrelazamientos físicos entre las cadenas de polímero. Por último, se detallan trabajos experimentales sobre copolímeros de etileno y ácido metacrílico (PEMAA), parcialmente neutralizado con diferentes cationes, sometido a experimentos de impacto de proyectiles y reológicos. En los estudios balísticos, el material se encuentra en condiciones ambientales, presentando regiones de etileno cristalinas y amorfas, y aglomerados de cargas de los ácidos neutraliza-dos y los cationes. En los estudios reológicos, los polímeros se encuentran en estado fundido, presentando solo regiones amorfas y aglomerados de cargas. Tanto el grado de neutralización, como el catión utilizado para neutralizar, producen grandes cambios en la respuesta de los materiales en ambos estudios.

Nowadays, societal needs demands a continuous development of science, in mat- ter of health, technology, environment, etc. All these advances require increasingly optimized materials, with high efficiency and low cost of production, where many of them are subject to extreme pressures, temperatures and deformations, like, for example, in the fields of aerospace, automotive, military, etc. Generally, when ma- terials are subjected to large strains, the goal is to dissipate the energy imparted during the process while maintaining structural integrity. Over the past century, polymeric materials have proven to be ideal for these types of processes, offering greater efficiency compared to conventional materials such as metals or ceramics. Moreover, they can exhibit additional properties like transparency, self-healing, malleability, and more. Today, the mechanisms that enhance polymer behavior re- main unclear, although the coexistence of soft and hard domains is considered a key contributing factor. This thesis aims to investigate the underlying mechanisms that make polyme- ric materials particularly suitable for applications involving large deformations. Through molecular dynamics simulations, we investigate the role of coexisting crystalline (hard) and amorphous (soft) domains in a piston-driven compression process, focusing on the mechanisms of shockwave dissipation. A parallel analysis is conducted on ionomers—polymers containing a low concentration of covalently bonded ionic groups—in the melt state, examining how these charged moieties function as physical entanglements between chains. Finally, the project includes impact and rheological experiments on poly(ethylene- co-methacrylic acid) (PEMAA) partially neutralized with various cations. In the ballistic tests, the material is evaluated under ambient conditions, exhibiting crys- talline and amorphous ethylene domains along with clusters of charged particles, while in the rheology test, the material is in melt state, presenting only amorphous ethylene and charged particles domains. Both the degree of neutralization and the specific cation used significantly influence the material’s response in each experi-mental setting.