Poliuretanos termoplásticos segmentados lineales: síntesis, caracterización y modelado matemático

Abstract

En esta tesis se ha investigado experimental y teóricamente la síntesis de poliuretanos termoplásticos segmentados lineales (STPUs). Estos polímeros presentan gran flexibilidad en cuanto a sus estructuras molecular y morfológica, obtenidas a partir de diferentes composiciones químicas, condiciones de síntesis y de procesamiento. Sus aplicaciones incluyen diferentes campos tales como biomedicina, industria automotriz, electrónica y del calzado. Se estudió la síntesis y caracterización de STPUs basados en diisocianato de 4,4'‑metilendifenilo (MDI), poli(óxido de tetrametileno) diol (PTMO) como macrodiol y 1,4 butanodiol (BD) como extensor de cadena, y el modelado matemático de los procesos involucrados. El objetivo final fue avanzar en el control y optimización de los procesos a fin de obtener materiales con propiedades pre‑especificadas. Las síntesis se llevaron a cabo en un proceso en dos etapas variando la masa molar del macrodiol y la relación molar de diisocianato/macrodiol/extensor de cadena. Para el seguimiento de las reacciones se emplearon técnicas de caracterización, tales como espectroscopía de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR), resonancia magnética nuclear (RMN) y cromatografía de exclusión por tamaño (SEC). Los materiales finales obtenidos por la técnica de “casting” fueron caracterizados por difracción de rayos X (DRX), microscopía electrónica de barrido (SEM), análisis termogravimétrico (TGA), calorimetría diferencial de barrido (DSC), análisis dinamomecánico (DMA), y ensayos de tensión‑deformación. Finalmente, se desarrollaron modelos matemáticos que simulan la síntesis de STPUs en dos etapas y permiten estimar la estructura molecular detallada. Los mismos se basan en mecanismos de síntesis complejos y novedosas herramientas desarrolladas para este tipo de sistemas.

In this thesis, the synthesis of linear segmented thermoplastic polyurethanes (STPUs) has been experimental- and theoretically studied. The molecular and morphological structure of these polymers could be tailored by modifying chemical composition, synthesis conditions, and processing. The applications of STPUs include different fields, such as biomedicine, and automotive, electronics and footwear industries. The synthesis and characterization of STPUs, and the mathematical modeling of the processes were studied. The final aim is to control and optimize the processes in order to obtain materials with pre-specified properties. The synthetized STPUs were based on 4,4' methylene diphenyl diisocyanate (MDI), poly(tetramethylene oxide) diol (PTMO) as macrodiol, and 1,4 butanediol (BD) as chain extender. The syntheses were carried out in a two stage process by varying the molar mass of the macrodiol and the molar ratio diisocyanate/macrodiol/chain extender. The reactions were followed by different characterization techniques, such as Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), hydrogen nuclear magnetic resonance (1H NMR), and size exclusion chromatography (SEC). In addition, the final materials obtained by casting were characterized by X ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), dynamic mechanical analysis (DMA), and tensil tests. Finally, mathematical models that simulate the two-stages synthesis of STPUs were developed to estimate the detailed molecular structure. These models are based on complex kinetic mechanisms and new tools specially developed for these systems.