Estudio del efecto de relleno sólido en la polimerización de los materiales compuestos mediante simulaciones dinámicas moleculares

Abstract

[ES] Los materiales compuestos son aquellos formados por la combinación de dos o más materiales. El objetivo de la formación de este tipo de compuestos es conseguir propiedades que no se podían conseguir con los materiales por separado. En la actualidad, estos compuestos poliméricos están sustituyendo a los materiales metálicos en la industria automovilística, aeronáutica y aeroespacial, principalmente porque son más baratos, requieren menos mantenimiento y son materiales más ligeros. Sin embargo, las principales desventajas de estos compuestos en comparación con los metales son que no soportan temperaturas tan altas, tienen peores propiedades mecánicas y son menos resistentes al rayado y al desgaste. Para mejorar estas características, se suelen utilizar rellenos. Los rellenos son partículas que pueden tener tamaños micro o nano y suelen ser de materiales metálicos o cerámicos.

La polimerización sobre un relleno sólido da lugar a un material con mayor resistencia mecánica, pero mayor fragilidad. Los puntos débiles de estos materiales compuestos suelen estar en la interfaz entre la red polimérica y el relleno sólido.

El objetivo de este proyecto es observar cómo afecta la existencia del relleno sólido a la polimerización de los materiales compuestos y estudiar la interfaz entre ambos. Para llevar a cabo estas polimerizaciones de forma experimental, se prepara una mezcla de monómeros a la que se le puede añadir un aditivo, como un agente endurecedor, y se vierte esta mezcla en estado líquido sobre un relleno sólido, para posteriormente realizar la reticulación.

Sin embargo, estos estudios son difíciles de realizar por medios experimentales porque es difícil acceder al polímero que está rodeado de superficies sólidas, formando configuraciones de juntas cerradas. Por esta razón, los estudios de la interfaz también se han llevado a cabo mediante simulaciones por ordenador.

En este trabajo, los sistemas poliméricos se realizarán mediante simulaciones por ordenador. Para ello se utiliza el simulador dinámico molecular LAMMPS (Large/scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator), que es un programa mediante el cual se pueden modelar diferentes tipos de átomos y moléculas a escala atomística. Mediante LAMMPS se simularán los sistemas de polimerización pura y polimerización en presencia de una pared, para poder comparar ambos y analizar el efecto que tiene la superficie sólida sobre la polimerización. Las trayectorias de las moléculas en estos sistemas podrán ser observadas usando otro programa llamado VMD (Visual Molecular Dynamics), el cual se utiliza para visualizar modelos y estructuras moleculares.

[EN] Composite materials are those formed by a combination of two or more materials. The aim of the formation of this type of composite is to achieve properties that were not available with the materials separately. Currently, these polymeric composites are replacing metallic materials in the automotive, aeronautical, and aerospace industries, mainly because they are cheaper, require less maintenance and are lighter materials. However, the main disadvantages of these composites compared to metals are that they do not withstand such high temperatures, have poorer mechanical properties and are less resistant to scratching and wear. To improve these characteristics, fillers are often used. The fillers are particles that can have micro or nano sizes and are usually made of metallic or ceramic materials.

Polymerization on a solid filler results in a material with higher mechanical strength, but greater brittleness. The weak points of these composites are usually at the interface between the polymeric network and the solid filler.

The aim of this project is to observe how the existence of the solid filler affects the polymerization of composite materials and to study the interface between the two. To carry out these polymerizations experimentally, a mixture of monomers to which an additive such as a hardening agent can be added is prepared, and this mixture is poured in a liquid state onto a solid filler, and then cross-linking takes place.

However, these studies are difficult to perform by experimental means because it is difficult to access the polymer that is surrounded by solid surfaces, forming closed joint configurations. For this reason, interface studies have also been carried out by means of computer simulations.

In this work, the polymeric systems will be realised by means of computer simulations. For this purpose, the LAMMPS (Large/scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) molecular dynamics simulator is used, which is a programme that can be used to model different types of atoms and molecules on an atomistic scale. LAMMPS will be used to simulate pure polymerization and polymerization in the presence of a wall, in order to compare the two and to analyse the effect of the solid surface on polymerization. The trajectories of the molecules in these systems can be observed using another programme called VMD (Visual Molecular Dynamics), which is used to visualise molecular models and structures.