Temperatura y polímeros

Ahora que tenemos una mejor comprensión de la estructura del material, profundizaremos en sus propiedades térmicas para entender su comportamiento en función de la temperatura. Para ello, primero necesitamos definir la prueba que revelará las propiedades térmicas de un polímero: DSC.

Definición de DSC

La calorimetría diferencial de barrido (DSC) es un tipo de análisis térmico en el que una muestra se coloca dentro de una cámara y se mide la cantidad de calor necesaria para aumentar continuamente la temperatura interna de la cámara. Esta forma de análisis está diseñada para identificar las temperaturas en las que la muestra experimenta ciertas transiciones de estado, p. ej., la transición vítrea, la cristalización y la fusión, documentando cómo reacciona un polímero al aumento gradual de calor mediante su nivel de absorción y liberación de energía.

DSC

Temperatura de transición vítrea (Tg)

La temperatura de transición vítrea puede encontrarse en todos los polímeros; se refiere a la temperatura en la que el estado físico de un polímero pasa de vítreo (duro y frágil) a gomoso (blando y flexible). La Tg se utiliza generalmente para indicar la temperatura de trabajo máxima de un polímero amorfo.

Temperatura de cristalización (Tc)

La cristalización ocurre entre Tg y Tm (temperatura de fusión). Es el proceso mediante el cual las moléculas del polímero se alinean para formar cristales. La temperatura de cristalización es el punto en el que los polímeros cristalizan a la velocidad más alta.

Temperatura de fusión (Tm)

La temperatura de fusión es el punto en el que los dominios cristalinos de un polímero semicristalino empiezan a fundirse/deformarse. Los polímeros amorfos no tienen una temperatura de fusión definida.

Temperatura de descomposición (Td)

La temperatura de descomposición es la temperatura a la que un material comienza a deteriorarse, es decir, cuando la cadena principal del polímero empieza a descomponerse.

Notas sobre el gráfico y las definiciones anteriores

Una forma sencilla de entenderlo es que el calor (energía) inyectado en la cámara se utilizará para aumentar la temperatura interna; sin embargo, si la muestra (polímero) dentro de la cámara absorbe algo de energía térmica para la realineación estructural, será necesario inyectar más calor para aumentar continuamente la temperatura a una tasa constante.

Refiriéndose al gráfico de abajo, al principio se aplica una cantidad constante de calor al sistema para aumentar la temperatura a cierta tasa. En Tg (temperatura de transición vítrea), podemos observar que se requiere más calor para aumentar la temperatura a esa misma tasa; esto se debe a que la muestra absorberá algo de energía térmica para romper sus enlaces no covalentes y permitir que los polímeros se muevan con mayor libertad (resultando en que el material se vuelva blando).

Después de esta transición de fase, la muestra tendrá una mayor capacidad calorífica, por lo que el sistema seguirá necesitando inyectar una cantidad constante de calor para aumentar la temperatura del sistema a la misma tasa, pero esta cantidad será mayor que antes de la Tg. La energía continuamente absorbida por la muestra hará que la microestructura del polímero se mueva con más y más libertad (las excite). En Tc (temperatura de cristalización), las cadenas del polímero de la muestra tendrán suficiente movimiento libre para formar cristales. Entonces la muestra liberará energía (calor), lo que significa que necesitaremos inyectar menos calor al sistema para aumentar su temperatura.

La razón es que la estructura cristalina (una estructura más ordenada) proviene de una estructura más desordenada, lo cual requerirá menos energía, de ahí la liberación del exceso de energía. Una vez formados los cristales, la muestra ya no liberará más energía al sistema. Sin embargo, poco después de crear los cristales, en Tm (temperatura de fusión), las cadenas del polímero seguirán ganando energía (movimiento), lo que las excitara demasiado y hará que rompan la estructura cristalina, absorbiendo así energía del sistema, por lo tanto será necesario inyectar más energía en el sistema para continuar aumentando la temperatura a una tasa constante. Después de romper todos los cristales, la muestra no requerirá energía adicional del sistema. Esto explica los dos picos opuestos en Tc y Tm. En Td (temperatura de descomposición), la muestra comenzará a descomponerse, lo que significa que los enlaces covalentes empezarán a romperse, la muestra perderá su capacidad calorífica y por tanto se necesitará menos calor para aumentar la temperatura del sistema.

Ahora que las transiciones térmicas y el comportamiento de los polímeros en función de la temperatura se entienden mejor, podemos usar este conocimiento para explicar algunos de los fenómenos de la impresión 3D: