Computational analysis of polymer molecular structure effect on nanocavities replication via injection moulding

Abstract

The purpose of this work is to study how the molecular structure of a polymer affects the replication of nanocavities when injection moulding manufacturing process is used. Even though the process and geometrical factors that affect the replication of nanocavities have been studied by several authors, the effect of the polymer molecular structure on the injection result is less studied. In order to study through simulation the molecular structure influence, Computational Fluid Dynamics methods are not valid because they consider the matter a continuum. This limitation is overcome by means of Molecular Dynamics simulation method, in which each atom movement is tracked in a sort of nbody problem. With a self-made model, the effect of degree of polymerization and tacticity are successfully quantified in the replication of nanocavities of down to 2·2nm2. It is concluded that the degree of polymerization has a negative effect on the nanocavity replication due to the easier entanglement of longer polymer chains. Concerning the tacticity effect, it is found out that syndiotactic polystyrene replicates less than atactic or isotactic polystyrenes because of the larger entanglement of the phenyl groups when in alternate positions along the chain.

El objetivo de este trabajo es estudiar cómo la estructura molecular de un polímero afecta la copia de nanocavidades cuando se utiliza inyección de plástico. Si bien distintos autores han estudiado los factores geométricos y de proceso que afectan a la replicación, el efecto de la estructura molecular del polímero en el resultado de la inyección no se ha analizado tan en detalle. Con el objetivo de estudiar el efecto de la estructura molecular mediante simulación, la dinámica de fluidos computacional no es válida porque considera la materia un continuo. Esta limitación se supera usando la dinámica molecular, de forma que el movimiento de cada átomo se simula como si fuese un problema de n-sólidos. Mediante un modelo propio, el efecto del grado de polimerización y la tacticidad se cuantifican con éxito en nanocavidades de hasta 2·2nm2. Se concluye que el grado de polimerización tiene un efecto negativo en la copia de nanocavidades debido al menor entrelazamiento de las largas cadenas de polímero. Referente a la tacticidad, se prueba que el poliestireno sindiotáctico copia en menor cantidad las nanocavidades que el atáctico o el isotáctico, debido al mayor entrelazamiento de los grupos fenilo cuando se ubican en posiciones alternadas de la cadena.

L’objectiu del treball és estudiar com l’estructura molecular d’un polímer afecta la còpia de nanocavitats quan s’utilitza la injecció de plàstic. Si bé diversos autors han estudiat els factors geomètrics i de procés que afecten la replicació, l’efecte de l’estructura molecular del polímer en el resultat de la injecció no s’ha analitzat tan en detall. Amb l’objectiu d’estudiar l’efecte de l’estructura molecular mitjançant una simulació, la dinàmica de fluids computacional no és vàlida perquè considera la matèria un continu. Aquesta limitació se supera fent ús de la dinàmica molecular, de manera que el moviment de cada àtom se simula com si fos un problema de n-sòlids. Mitjançant un model propi, l’efecte del grau de polimerització i la tacticitat es quantifiquen amb èxit en nanocavitats de fins a 2·2nm2. Es conclou que el grau de polimerització té un efecte negatiu en la còpia de nanocavitats a causa d’un menor entrellaçament de les llargues cadenes de polímer. Pel que fa a la tacticitat, es demostra que el poliestirè sindiotàctic copia menys les nanocavitats que l’atàctic o l’isotàctic a causa d’un menor entrellaçament dels grups fenil quan s’ubiquen en posicions alternades de la cadena.