Estudio de la geometría molecular de polímeros derivados de la celulosa mediante viscosimetría y simulación molecular

Abstract

Esta tesis presenta un estudio integral del comportamiento reológico de derivados de la celulosa, mediante una combinación de enfoques teóricos, experimentales y de simulación computacional. En la parte de simulación computacional, se implementó un modelo de grano grueso basado en esferocilindros duros con potencial de pozo cuadrado (HSCSW), utilizando el algoritmo de Monte Carlo en el ensamble canónico. A partir de datos experimentales Martínez-Richa, (2012), se calcularon parámetros geométricos y termodinámicos, como la densidad reducida, la temperatura reducida y el parámetro de orden nemático (S). Se observó una correlación directa entre la viscosidad intrínseca y el grado de ordenamiento molecular, especialmente a temperaturas elevadas, lo que indica una mayor flexibilidad de las cadenas poliméricas. Este análisis se realizó para la O-(2-hidroxietil) celulosa (HEC), utilizando tres modelos teóricos (Onsager, Simha y Kuhn-Kuhn), donde el sistema tiene condiciones neutras, pH 4.5 y temperaturas de 25C y 40C, ver capítulo 6. A partir de los buenos resultados que se obtuvieron de la simulación computacional de la HEC, se realizan experimentos para determinar la viscosidad intrínseca de otro derivado de la celulosa: la Carboximetilcelulosa (CMC). Los resultados de mediciones viscosimétricas de tres muestras de CMC en disoluciones acuosas a diferentes temperaturas y pHs. Desde el punto de vista teórico, se revisaron los fundamentos de la reología, la viscosidad intrínseca y su relación con el peso molecular, utilizando modelos clásicos como los de Huggins, Kraemer, Martin, Maron-Reznik, Schulz-Blaschke, Arrhenius-RotherHoffmann y Fuoss-Strauss. Se aplicó la ecuación de Mark-Houwink para establecer la dependencia entre la viscosidad intrínseca y el peso molecular, y se exploraron modelos para polímeros rígidos y cristales líquidos. En la parte experimental, se caracterizaron tres tipos de CMC (ultra baja, baja y ultra alta viscosidad) mediante espectroscopía RMN CP/MAS 13C, calorimetría diferencial de barrido (DSC) y viscosimetría capilar. Se determinaron parámetros como la viscosidad intrínseca, energía de activación, factor de frecuencia, radio de giro y razón de aspecto (L/σ), observando cómo estos varían con el pH, la temperatura y la adición de etilenglicol. Los resultados mostraron que la viscosidad disminuye con el aumento de temperatura y aumenta con la concentración y el peso molecular, confirmando el comportamiento viscoelástico no newtoniano de la CMC. La metodología desarrollada permite una caracterización avanzada de derivados de la celulosa, con aplicaciones potenciales en la industria alimentaria, farmacéutica y cosmética. Además, se propone extender el enfoque a otros derivados como la metilcelulosa y la hidroxipropilmetilcelulosa, incorporando efectos de carga eléctrica mediante modelos con interacción de tipo Yukawa.