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Polymers

Polímeros y materiales compuestos a un precio increíblemente barato

La polimerización frontal, una nueva estrategia sintética, disminuye el coste energético

by Stu Borman
May 11, 2018 | APPEARED IN VOLUME 96, ISSUE 20

Un grupo de investigadores ha descubierto una manera de fabricar polímeros termoestables de importancia industrial y plásticos reforzados con fibras a un coste considerablemente menor que las condiciones que se requerían hasta ahora.

Credit: Nature
Un frente de polimerización (la línea cercana a la boquilla de la impresora) asciende rápidamente mientras una impresora 3-D extrude un gel de monómero de DCPD, formando un producto ya endurecido con forma de espiral.

La nueva estrategia permitió sintetizar productos como paneles plásticos preformados para el fuselaje de aviones usando menos energía, hasta 10 órdenes de magnitud menos que los procesos industriales que se usan en la actualidad. Por si esto no fuera suficiente, los polímeros y los materiales compuestos resultantes tienen propiedades similares a sus análogos provenientes de métodos convencionales: solidez, estabilidad térmica, resistencia a flexión y resistencia química.

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El método permitió la impresión 3-D de una espiral (arriba) y de un modelo molecular del monómero (centro). El equipo fabricó también un panel hecho de polímero compuesto reforzado con fibra de carbono (abajo) parecido a los usados en coches, barcos y aviones.

El método podría ser útil para fabricar una amplia variedad de polímeros y productos compuestos con muy diversas formas creativas. Éstas incluirían materiales duros y ligeros para la estructura de coches, barcos y aviones, siendo de las aplicaciones con mayor volumen de producción de polímeros compuestos reforzados con fibras.

Actualmente, la fabricación de componentes termoestables de alto rendimiento requiere autoclaves que endurezcan las resinas monoméricas preformadas calentándolas bajo presión. El tamaño de la autoclave va en relación con el tamaño del componente que se va a fabricar, lo que conlleva que algunos sean muy grandes. Además, el proceso es lento y utiliza una enorme cantidad de energía, especialmente para componentes grandes.

Los ingenieros aeroespaciales Scott R. White y Philippe H. Geubelle, el químico Jeffrey S. Moore, la investigadora en ciencia de materiales Nancy R. Sottos, y sus compañeros de equipo de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (Illinois, EEUU), han sido los responsables del desarrollo de este nuevo y rentable proceso (Nature 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0054-x).

Los investigadores estiman que el curado convencional de una pieza de plástico compuesto reforzado con fibras usado en una pequeña sección del fuselaje de un Boeing 787 requiere 96000 kilovatios/hora de energía eléctrica, el equivalente a la energía que consumen nueve hogares en un año. Estiman además que este nuevo método de endurecimiento reduciría las necesidades energéticas para la misma pieza a 9.6 milivatios/hora, lo que supone encender una bombilla de 25 vatios durante unos 2 segundos.

El primer paso de este nuevo proceso consiste es preformar una disolución o gel de monómero diciclopentadieno (DCPD por sus siglas en inglés) o una mezcla compuesta de DCPD y fibras. Tras esto, una fuente de calor inicia la polimerización del material preformado. Una vez iniciado, el monómero tiene suficiente energía interna para autopolimerizar en un producto termoestable, sin necesidad de autoclaves ni centrales energéticas.

El proceso se ha denominado polimerización frontal porque la reacción progresa rápidamente por la cadena monomérica de la resina o de la mezcla de monómero-fibra a lo largo de una línea o frente, asemejándose a las líneas de los frentes meteorológicos o a las formaciones militares. La polimerización frontal de DCPD produce polímeros compuestos o polímeros termoestables reticulados de polidiciclopentadieno (pDCPD por sus siglas en inglés) de alto rendimiento.

La reacción que emplearon los investigadores de Illinois es la polimerización frontal de apertura de anillos por metátesis (FROMP, por sus siglas en inglés) catalizada por rutenio y que se muestra en la figura. La reacción FROMP había sido desarrollada anteriormente, pero su uso estaba extremadamente limitado por la corta "vida útil" de los monómeros. Por ejemplo, un monómero de DCPD o una mezcla monomérica con resina a temperatura ambiente se endurece en unos 30 minutos. En la mayoría de los casos, eso es demasiado rápido para preformar el material de partida correctamente antes de iniciar la polimerización.

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En este ejemplo de reacción FROMP, n es el número de repeticiones monoméricas para formar el polímero y m es el grado de reticulación.

La contribución clave del grupo de investigación ha sido el reciente descubrimiento de inhibidores de fosfito de alquilo, que extienden la ventana temporal de procesado de los monómeros de DCPD de 30 minutos a 30 horas. Los inhibidores posibilitan usar la reacción FROMP para crear un amplio abanico de polímero pDCPD y estructuras compuestas.

Los investigadores usaron una impresora 3-D para formar espirales y un modelo molecular de DCPD. Igualmente, fabricaron polímeros con la forma de letras en relieve, así como paneles compuestos reforzados con fibra. Todos estos productos tienen propiedades similares a las de los polímeros y compuestos poliméricos producidos industrialmente, y son adecuados para aplicaciones de alto rendimiento. Debido a que el calor de activación es la única energía requerida, el método utiliza mucha menos energía que el curado convencional. Y no sólo eso, también es más rápido y no necesita del costoso uso de autoclaves.

"Los autores han mostrado cómo extender el período de aplicación de la reacción FROMP a ámbitos útiles y, lo más importante, cómo hacer materiales provechosos más rápido y barato que usando métodos tradicionales", comenta el pionero en polimerización frontal John A. Pojman Sr., de la Universidad Estatal de Luisiana (Baton Rouge, Luisiana, EEUU).

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White asegura que él y su equipo esperan poder usar la técnica para “desarrollar nuevos métodos de fabricación de estructuras complejas. Hemos presentado varias patentes en Estados Unidos relacionadas con esta investigación, aunque no se ha empezado a comercializar todavía.”

Traducción al español producida por Greco González Miera de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.

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