Study of the process-density-structure relationship in low density nanocellular materials based on PMMA

Abstract

Este estudio describe cuales son las condiciones de proceso necesarias para producir materiales nanocelulares de baja densidad basados en PMMA. Tras optimizar los parámetros de proceso se han obtenido materiales nanocelulares con tamaños de celda entre 200 y 250nm y densidades de nucleación mayores de 1014 núcleos/cm3. El rango de densidades relativas (densidad del material dividida por la densidad del material de partida) conseguidas es muy amplio, desde 0.45 hasta valores realmente bajos de 0.25. Normalmente, para alcanzar datos como este se han utilizado copolímeros, así como materiales con nanopartículas, o bien se han usado unas condiciones de saturación extremas, como temperaturas de saturación por debajo de los 0ºC, pero nunca antes se habían alcanzado valores en los rangos encontrados en este trabajo con un homopolímero sin aditivar como es el PMMA. De acuerdo con previos resultados1,2, se han fijado unas condiciones de saturación y despresurización que aseguran la absorción de una cantidad suficiente de gas por parte del material. Esto dará lugar a la producción de suficientes puntos de nucleación. Para la optimización final de los materiales se ha llevado a cabo un estudio los parámetros de espumado. Así pues las condiciones de saturación han sido de 31MPa de presión y 25ºC de temperatura, obteniendo de esta forma un 31% de CO2 absorbido. Por su parte el ratio de despresurización ha sido de 100MPa/s. Por último los parámetros de espumado se han modificado variando la temperatura de espumado de 10ºC en 10ºC, desde los 40ºC hasta los 110ºC y se han usado tiempos de espumado de 1, 2 y 5 minutos para cada temperatura usada. Una vez fabricados estos materiales, se ha llevado a cabo un estudio detallado, tanto de su densidad como de su estructura celular, con el objetivo de encontrar una clara relación proceso-densidad-estructura. Para ello se han analizado todos los parámetros que definen la estructura celular, dividiendo el estudio en dos partes, parámetros que definen las características de la fase gaseosa y parámetros que definen las características de la fase sólida. En cuanto a la fase gaseosa se han analizado parámetros como el tamaño de celda, la densidad de nucleación y el porcentaje de celda abierta. Mientras que para la caracterización de la fase sólida se ha analizado el espesor de pared y la fracción de masa en las aristas. Este análisis ha llevado a obtener información detallada de cómo afectan los parámetros de proceso a la estructura final del material celular. Así pues se ha encontrado que el incremento de temperatura y tiempo de espumado provocan una disminución de la densidad relativa del material, hasta los 110ºC, temperatura que parece ser el límite superior de fabricación de estos materiales. Por otra parte en cuanto a la estructura, un aumento de la temperatura y el tiempo de espumado no producen un efecto significativo en el tamaño de celda, no siendo así para la densidad de nucleación, la cual se ve incrementada en un factor dos cuando se pasa de bajas a altas temperaturas de espumado. Por otra parte, en cuanto a la fase sólida se refiere, se ha concluido que el espesor de pared permanece también constante, con valores muy bajos de 25nm, mientras que la fracción de masa en las aristas disminuye conforme aumenta la temperatura y el tiempo de espumado. Todos los cambios que se observan en la estructura celular, tienen una clara relación con la reducción de la densidad relativa. Es por ello que se ha concluido que un aumento de la temperatura y el tiempo de espumado dan como resultado la reducción de la densidad del material celular que se traduce en un aumento en la densidad de nucleación así como una disminución de la fracción de masa en las aristas. Se han estudiado también parámetros adicionales como la interconexión de la fase gaseosa, viendo que ésta aumenta con la reducción de densidad. Por último el efecto de confinamiento, que se puede detectar a través de un incremento de la temperatura de transición vítrea del material nanocelular frente al sólido de partida, ha sido confirmado para estas estructuras, observándose una dependencia del mismo con la densidad de los materiales.