Programa Curso 2009-2010

Polímeros en Ingeniería

Contenido de la Asignatura:

• Estructura, propiedades y procesado de materiales poliméricos • Metodología experimental. Tratamiento de datos. Presentación del resultado de un trabajo experimental

Profesores: Gloria Gallego Ferrer y José Luis Gómez Ribelles Departamento de Termodinámica Aplicada y Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular de la UPV

Polímeros en Ingeniería. Programa I.- Polímeros. 1.- Introducción. Relación entre estructura y propiedades de los polímeros. Polímeros. Conformaciones. Cristalinidad. Transiciones de Fase. Propiedades mecánicas de polímeros amorfos y semicristalinos. Medida de la cristalinidad. Modificación de las propiedades de un polímero: aditivos, materiales de carga, plastificantes, copolimerización, injerto, mezclas, entrecruzamiento. 2.- Conformaciones y dimensiones características de las cadenas de polímero El ovillo estadístico. Distancia extremo-extremo. La cadena libremente enlazada. Restricciones a la orientación de los segmentos de la cadena. Relación característica. Cadena equivalente de Kuhn. Comportamiento termoelástico del polímero. Teoría de la elasticidad del caucho. 3.- Estructura cristalina. Cristalinidad. Temperatura de fusión en función del tamaño de cristal. Ecuación de Gibbs-Thomson. Cristalización primaria. Nucleación y crecimiento de cristal. Relación entre la temperatura de cristalización y el tamaño de cristal. Cristalización secundaria.

Polímeros en Ingeniería. Programa I.- Polímeros. 4.- El estado vítreo. La transición vítrea. Relajación estructural. Reordenamientos conformacionales. Teoría de Adam y Gibbs. Estado vítreo. Temperatura de transición vítrea. Dependencia de la Tg con la la estructura química y física del polímero. Plastificación. 5.- Solubilidad e hinchado de redes de polímero. La teoría de Flory-Huggins. Parámetro de solubilidad. Gelificación. Hidrogeles poliméricos. Proceso de absorción de agua. Teoría de Flory-Rehner. 6.- Mezclas de polímeros. Homogeneidad y separación de fases. Criterios de miscibilidad. Transición vítrea en aleaciones de polímero. Separación de fases. Compatibilizadores. Influencia del procesado sobre la morfología de fases. Influencia de la microestructura sobre las propiedades mecánicas. Técnicas de microscopía electrónica aplicadas a la caracterización de la morfología de mezclas poliméricas.

Polímeros en Ingeniería. Programa II.- Propiedades 7.- Viscoelasticidad lineal. Descripción de la respuesta viscoelástica. Respuesta instantánea, procesos de relajación secundaria, relajación principal o relajación α, asociada a la transición vítrea. Deformación plástica. Flojo irreversible. Ensayos de fluencia y de relajación de tensiones. Modelos del comportamiento mecánico. Tiempos de relajación y de retardo. Distribución de tiempos de relajación. Ecuación de Kohlrausch-Williams-Watts KWW. Consecuencias del comportamiento lineal. Principio de superposición de Bolzmann. Ensayos dinámico-mecánicos. Módulo complejo. Tangente de pérdidas. Relación entre la componente imaginaria del módulo de Young y la energía disipada por ciclo.

8.- Fluencia y Fractura. Resistencia al Impacto. Fatiga. Mecanismos de fallo en polímeros. Fractura dúctil y fractura frágil. Fluencia (yield). Construcción de Considère. Modelo de Eyring para el flujo en estado sólido. Dependencia de la tensión de fluencia con la temperatura y con la velocidad de deformación. Influencia de la estrucutura y composición química del polímero. Crazing. Formación de grietas. Mecánica de la fractura. Propiedades de fractura en polímeros. Resistencia al impacto. Modificación de polímeros para aumentar la resistencia al impacto. Fatiga.

9.- Hidrogeles. Absorción de agua. Contenido de agua en equilibrio. Isotermas de absorción. Difusión. Teoría de Fick. Coeficiente de difusión.

Polímeros en Ingeniería. Programa 10.- Tensión superficial. Modificación superficial Energía superficial de líquidos. Energía superficial de polímeros sólidos. Expresión general para la tensión superficial. Adhesión. Polimerización por plasma.

11.- Principales polímeros en ingeniería. Caracterización de sus propiedades de polímeros. Ensayos estándar. Tipos de polímeros para ingeniería. Estructura química. Aspectos de la microestructura que afectan a las propiedades. Resistencia mecánica. Modos de deformación. Dureza. Abrasión. Resistencia al impacto. Fatiga. Caracterización térmica. Transición vítrea. Punto de reblandecimiento. Punto de fusión. Resistencia química. Inflamabilidad. Propiedades eléctricas. Propiedades ópticas. Densidad.

III.- Procesado 11.- Procesado de sistemas poliméricos multifásicos. Formulación. Aditivos. Extrusión. Mecanismo de flujo del polímero. Boquillas. Extrusora de doble husillo. Mezclado de polímeros en extrusora. Mezclas reactivas. Granceado. Coextrusión. Inyección. Morfología inducida por el flujo. Procesado de polímeros con refuerzo disperso. Otros métodos de procesado.

12.- Análisis del flujo de mezclas de polímeros. Flujo newtoniano de mezclas de polímeros. Flujo no newtoniano. Reología Flujo de mezclas homogéneas. Mezclas incompatibles Miscibilidad inducida por el flujo.

Técnicas experimentales. Síntesis, modificación superficial, transformación y moldeo de polímeros.

Síntesis química Extrusora Vacío

Molinos

Generador de Ozono

Cámara de Plasma

Técnicas experimentales. Caracterización de propiedades físicas. Microscopía Calorimetría

Tensión superficial y ángulo de contacto Propiedades dieléctricas

Cinética de absorción y desorción de agua

Técnicas experimentales. Caracterización de propiedades físicas.

Propiedades mecánicodinámicas

Resistencia mecánica

Ensayos de fatiga Dilatometría

Polímeros en Ingeniería. Programa

Demostración de técnicas experimentales n.

Calorimetría diferencial de barrido

n.

Tensión superficial.

n.

Modificación superficial por Plasma

n.

Caracterización de la miscibilidad mediante ensayos dinámicomecánicos.

n

Máquina de ensayos en Fatiga

n.

Microscopía óptica.

Polímeros en Ingeniería. Programa

Prácticas de laboratorio 1.- Extrusión. Extrusora de doble husillo. Accionamiento, reómetro de par de torsión. Husillos. Geometría del husillo. Boquillas. Sistema de calefacción y enfriamiento. Control y medida de la temperatura. Tolva de alimentación. Perfil de temperaturas a lo largo del husillo. Velocidad de rotación. Boquillas. Calandra de extracción. • Influencia de la temperatura de boquilla sobre la viscosidad a la salida. Medida del par de torsión. • Ensanchamiento en la boquilla • Medida del flujo.

2.- Mezcla de polímeros en extrusora de doble husillo. Granceado: Mezcla PC/ABS. Alimentación con mezcla de granzas en seco. Granceado. Problema de la retención de volátiles. Puerto de venteo. Decompresión en el punto de venteo. Preparación de muestras para estudios de miscibilidad.

Polímeros en Ingeniería. Programa

Prácticas de laboratorio en grupos reducidos 3.- Máquina de ensayos en tracción. • Ensayos tensión-deformación en muestras de polipropileno isotáctico. Tensión de fluencia, alargamiento a rotura, estricción, módulos. • Estudio de la dispersión de los resultados. • Influencia de la velocidad de deformación. • Energía de rotura. 4.- Viscosimetría. • • •

Determinación de viscosidad Peso molecular. Tamaño del ovillo molecular.

Calendario Clases de Aula

Práctica de Laboratorio (CBIT)

Fechas 2009

Clases de Aula

Programa

23/9

Solubilidad

Introducción

24/9, 30/9

25/11 26/11 9/12

Tensión Superficial

2/12

La Cadena Polimérica

1/10

Teoría de la Elasticidad del Caucho

8/10

Transición Vítrea

21/10 28/10

Fluencia, Fatiga

10/12 16/12

22/10

Miscibilidad. Microscopía Electrónica

17/12

DSC Cristalización

29/10 4/11 Microscopio Óptico

Viscoelasticidad

5/11 11/11 18/11 19/11

Analizador dinámico-mecánico

12/11

Práctica de Laboratorio (CBIT)

Tensión Superficial. Cámara Plasma

Fechas 2009

3/12

Prácticas por la tarde 4 a 7 (Servicio de microscopía de la UPV) Procesado Extrusora

26/10

Mezcla de polímeros

9/11

Ensayos de Tracción.

14/12

Polímeros en Ingeniería. Programa Bibliografía para la asignatura “Polímeros en Ingeniería” de 2º curso de Ingeniero de Materiales A.Horta Zubiaga. Macromolecuas. Universidad Necional de Educación a Distancia 1991 F.W. Billmeyer Jr. Ciencia de los polímeros. Ed. Reverté, 1978. J.M.G. Cowie. Polymers: Chemistry & Physics of Modern Materials. Blackie Academic & Professional. 1991 R.J. Crawford, Plastics Engineering, 3rd ed Butterworths 1998 D.W. van Krevelen. Properties of Polymers Elsevier 1990 J.M. Charrier, Polymeric Materials and Processing, Hanser, Munich 1990 P.C. Powell, Engineering with Polymers, 2dn ed. Kluwer, Dordrecht 1998 N. Inagaki. Plasma Surface Modification and Plasma Polymerization. Technomic, 1996 L.A. Utracki (Editor) Two-Phase Polymer Systems. Hanser, 1991 A.W. Birley, R.J. Heath, M.J. Scott, Plastics Materials Properties and Applications, Blackie, Glasgow 1988 N.G. McCrum, C.P. Buckley, C.B. Bucknall, Principles of Polymer Engineering, Oxford Sci. Pub, 1988

Polímeros en Ingeniería. Programa

Metodología experimental. Tratamiento de datos. Presentación del resultado de un trabajo experimental.

Comportamiento mecánico de redes poliméricas en la región de la transición vítrea. Tratamiento de datos experimentales de espectroscopía dieléctrica y dinámico-mecánica. • Definición del problema • El estado del arte. Búsqueda de información. Literatura científica y técnica. • Adquisición de datos. • Representación de datos experimentales. Figuras y Tablas. • Análisis de los resultados. • Conclusiones •

Presentación escrita de los resultados.

La memoria escrita del trabajo se presentará en grupos de dos personas.

Polímeros en Ingeniería. Evaluación

Contenido de las clases teóricas y prácticas. Examen escrito

60%

Memoria escrita trabajo sobre redes poliméricas

30%

Prácticas de laboratorio:

10%

Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular: Edificio 8E (Ciudad politécnica de la Innovación, CPI), Acceso F Nivel 1, Escalera 6

Ingeniería Tisular. Regeneración de Tejidos y Órganos

4.- “Scaffolds” Soportes macroporosos para Ingeniería Tisular

Red de Terapia Celular Instituto de Salud Carlos III

Unidad de Medicina Regenerativa

Soportes sintéticos en Ingeniería Tisular Células madre embrionarias

Células madre adultas

Células diferenciadas

Líneas celulares

Proliferación in vitro

Biomaterials a a substrate for the cell expansion and differentiation

Diferenciación in vitro

Proliferación in vitro Scaffold cultivo in vitro

Implante Degradación del scaffold Regeneración del tejido

Ingeniería Tisular. Regeneración de Tejidos y Órganos

Procedimientos para generar la estructura de poros interconectados: Porógenos, plantillas de la estructura porosa, liofilización (“freeze drying”) y “freeze extraction”, tejidos, microfabricación asistida por ordenador...

Plantillas de la estructura porosa Material para hacer la plantilla: Partículas poliméricas, sal, azucar, fibras, telas…

Proceso de sinterizado Tratamientos térmicos y mecánicos. Disolución parcial. Plantillas preparadas con impresoras 3D, máquinas de prototipado rápido.

Introducción del material matriz en la plantilla Polimerización “in situ”. Inyección en fundido bajo presión. Inyección de una disolución del polímero seguida de la evaporación o sublimación del disolvente. Eliminación del material de la plantilla Disolución selectiva.

Plantillas de la estructura porosa Sustratos de diferente carácter hidrófilo preparados por polimerización “in situ” con una plantilla preparada con partículas poliméricas esféricas sinterizadas.

PEA

P(EA-co-HEMA) 30/70

P(EA-co-HEMA) 50/50 PHEMA

Plantillas de la estructura porosa Control de la porosidad y interconectividad de los poros en scaffolds de policaprolactona. El polímero se inyectó fundido en una plantilla preparada con partículas poliméricas sinterizadas.

Plantillas de la estructura porosa Scaffold de poliacrilato de etilo con una estructura de poros en forma de canales alineados, preparado por polimerización “in situ” utilizando fibras como porógeno.

Red ortogonal de canales cilíndricos interconectados. Polimerización “in situ” de nanocomposites híbridos polímeor-cerámica.

Porógenos. “Particle leaching” Material de relleno

Partículas esféricas de polímero Cristales de sales inorgánicas Azucar

Mezclado con el material matriz.

Polimerización in situ. Mezcla en fundido Dispersión del relleno en una disolución del polímeor matriz.

Extracción del porógeno Disolución selectiva

Porógenos. “Particle leaching” Scaffolds preparados por “particle leaching” usando partículas esféricas de porógeno.

PCL

PLLA porosity 83%

Separación de fases durante la polimerización

Alta concentración de monómero Alta solubilidad del polímero en el disolvente

Monomero + Disolvente + Entrecruzador + Iniciadores

Baja concentración de monómero en la disolución reactiva. Baja solubilidad del polímero en el disolvente

Hidrogeles porosos de acrilato de hidroxietilo

Recubrimiento hidrófilo obtenido por polimerización por plasma sobre un sustrato hidrófobo.

“Freeze drying” y “freeze extraction” Disolución del polímero en un disolvente adecuado

Buenos disolventes del polímero o mezclas de un buen disolvente con un no solvente `para inducir la separación de fases líquidas

Tratamientos térmicos que acaban con la disolución congelada Tratamientos de germinación y crecimiento de fases líquidas separadas. Enfriamiento brusco en nitrógeno líquido o en un medio a baja temperatura.

Extracción del disolvente

Sublimación del disolvente (freeze drying) o Extracción a baja temperatura con otro solvente (freeze extraction)

Scaffold de Ácido Hialurónico preparado por freeze drying

Evaluación Biológica.

Otras líneas de investigación. Nuevos materiales. Fenómenos físicos ligados a los biomateriales.

• Nuevos hidrogeles reforzados mecánicamente.

• Miscibilidad y separación de fases en redes poliméricas interpenetradas. • Transiciones de fase y movilidad molecular de geles poliméricos. • El estado vítreo. • Cinéticas de curado de materiales poliméricos: cementos óseos y materiales dentales. • Efecto de la esterilización sobre materiales poliméricos.

Otra oferta docente Asignaturas de libre elección •

Biomateriales (ETSII)

•

Physical concepts (ETSII) Docencia en Inglés

Trabajos dirigidos por Departamentos para créditos de libre elección. • Trabajos de un cuatrimestre de duración enmarcados en las líneas de investigación del Centro.

Proyecto Final de Carrera

Becas Erasmus Destinos Universidad Nacional Técnica de Atenas, Grecia Universidade do Minho, Guimaraes, Portugal Universitá degli Studi de Palermo, Italia Univerzita Karlova V Prace, Praga, Rep. Checa Université de Paris XI, Francia Universidade Nova de Lisboa, Portugal Université de Rouen Haute-Normandie, Francia Becas de tres o seis meses para realizar el Proyecto Final de Carrera