Los polímeros se definen
como macromoléculas compuestas por una o varias unidades químicas que se
repiten a lo largo de toda una cadena siendo éstas los monómeros. Deriva del
griego, el prefijo “poli-”, que es equivalente a “muchos”, y el sustantivo “meros”,
que puede traducirse como “partes”. Posee una elevada masa molecular y que es obtenido
a través de un proceso de polimerización la cual consiste en la unión de varias
moléculas de un compuesto a partir del calor, la luz o un catalizador, con la
misión de conformar una cadena de múltiples eslabones de moléculas y así
entonces obtener una macromolécula.
Clasificación
Los
polímeros se clasifican según diversos criterios:
Según su forma: Si
tomamos en cuenta la forma
del polímero, estos se pueden clasificar en polímeros lineales y polímeros ramificados.
a)
Los polímeros lineales
se origina cuando el monómero que lo forma tiene dos puntos de ataque, de modo
que el polímero se forma unidireccionalmente, formando cadenas lineales.
b)
Los polímeros
ramificados se forman porque el monómero posee tres o más
puntos de ataque, de modo que la polimerización ocurre tridimensionalmente, es
decir, en las tres direcciones del espacio. En base a esto es que podemos
encontrar variadas formas:
La
variedad de disposiciones estructurales en los polímeros permiten que estos
cuenten con características diversas; de esta manera podemos encontrar que los
polímeros lineales son materiales blandos y moldeables, mientras que los
polímeros ramificados serán frágiles y rígidos.
Según el tipo de sus monómeros: Por
otro lado, si tomamos en consideración, los tipos de monómeros que constituyen
la cadena; tenemos los homopolímeros
y los copolímeros.
Los
homopolímeros:
son aquellos donde hay presente una sola clase de monómeros. Por ejemplo: el
polipropileno.
Los copolímeros:
son aquellos en donde hay presente dos o más clases de monómeros, dispuestos al
azar, alternadamente, en bloques o siendo injertados en una cadena principal. Ej
el poliuretano.
Según su origen: Finalmente,
si tomamos en consideración el origen de los polímeros, encontramos los naturales o biopolímeros,
que son aquellos que se encuentran en la naturaleza, formando parte de los
seres vivos como la celulosa, el almidón, el caucho, el colágeno, la seda, etc.;
y los sintéticos
que son aquellos fabricados en laboratorios o en procesos de producción en
industrias como el nailon, la baquelita, el PVC y el teflón.
Es
importante señalar, que tanto polímeros naturales como sintéticos están
formados por los mismos componentes, sin embargo, lo que cambia en ellos es el
método de obtención.
Polimerización
En química
orgánica, la reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus
monómeros se denomina polimerización. Según el mecanismo por el cual se produce
la reacción de polimerización para dar lugar al polímero, esta se clasifica
como "polimerización por pasos" o como "polimerización en cadena".
En cualquier caso, el tamaño de la cadena dependerá de parámetros como la
temperatura o el tiempo de reacción, teniendo cada cadena un tamaño distinto y,
por tanto, una masa molecular distinta, de ahí que se hable de masa promedio
del polímero.
Clasificación
Los polímeros de adición
se forman gracias a la unión sucesiva de monómeros que tienen 1 o más enlaces
dobles y triples. El proceso se divide en 3 etapas: la iniciación, en la que
una molécula llamada iniciador actúa como reactivo; la propagación, en la cual
la cadena se comienza a alargar por repetición del monómero y la terminación,
donde se interrumpe el proceso de propagación y la cadena termina de crecer
porque se han agotado los monómeros. Finalmente, los polímeros de adición se
pueden obtener gracias a un proceso de polimerización cationica, aniónica, o
radicalaria, de acuerdo al reactivo iniciador que se utilice.
Los polímeros de
condensación se forman por un mecanismo de reacción en etapas, es decir, a
diferencia de la polimerización anterior, ésta no depende de la reacción por la
que es precedida: el polímero se forma dado que los monómeros que actúan aquí
tienen más de un grupo funcional capaz de reaccionar con el grupo de otro
monómero. Los grupos ácido carboxílico, amino y alcohol son los mas utilizados
en estos fines. Aquí, por cada nuevo enlace que se forma entre los monómeros,
se libera una molecacula pequeña.
Esta polimerización es muy característica de los biopolímeros, por ejemplo, de los enlaces peptídico y glucosidicos.
Esta polimerización es muy característica de los biopolímeros, por ejemplo, de los enlaces peptídico y glucosidicos.
En la polimerización por
etapas, la cadena de polímero crece paulatinamente siempre y cuando haya
monómeros disponibles, añadiéndose un monómero cada vez. Se incluyen todos los
polímeros de condensación de Carothers y algunos otros que no liberan moléculas
pequeñas pero sí se forman gradualmente, como por ejemplo, los poliuretanos.
Los polímeros
formados por reacción en cadena son aquellos en que cada cadena individual
de polímero se crea a gran velocidad pero luego queda inactiva, aun cuando esta
rodeada por monómeros.
Historia
Los
polímeros han estado presentes en la vida y la naturaleza desde sus comienzos,
como pueden ser las proteínas, pero los primeros polímeros artificiales
surgieron a mediados del siglo diecinueve desarrollándose hasta nuestros días.
Los primeros polímeros artificiales se obtuvieron a base de la transformación
de polímeros naturales (caucho, seda, algodón, etc…). Se cree que el primer
polímero fue elaborado por Charles Goodyear en 1839 con el vulcanizado del
caucho. En 1846 y 1868 se desarrollaron formas de sintetizar celuloide a partir
del nitrato de celulosa. Pero el primer polímero totalmente sintético fue
desarrollado por el químico estadounidense Leo Hendrik Baekeland: la baquelita.
Este producto tuvo un gran éxito debido a sus peculiares propiedades: se le
podía dar la forma deseada antes de que se enfriara, no conducía la
electricidad y era resistente al agua y los disolventes. Pronto surgieron otros
polímeros que revolucionarían esta industria como el poliestireno y el
policloruro de vinilo (PVC), 1911 y 1912 respectivamente. Estos polímeros
fueron sustitutos del caucho y se usaron para la creación de objetos y
utensilios de la vida cotidiana. Otros polímeros importantes fueron el
metracrilato de metilo polimerizado (plexiglás) que se usó como sustituto del
cristal, el teflón, usado en utensilios de cocina por sus propiedades
antiadherentes y el nailon, primer plástico de alto rendimiento.
El avance de la industria de los polímeros se intensificó mucho a partir de 1926, cuando el químico alemán Hermann Staudinger expuso su teoría de los polímeros: largas cadenas de pequeñas unidades unidas por enlaces covalentes (fundamento de la química macromolecular). Esta industria volvió a sufrir otro gran avance en la segunda guerra mundial. Puesto que la mayoría de los países no recibía materias primas, ya sea porque el país que se la suministraba se encontraba en el bando contrario, o porque las rutas de comercio estaban muy controladas, se vieron obligados a desarrollar nuevos polímeros para sustituir las materias primas con las que normalmente hacían los distintos productos o armas de combate. Ejemplo de esto puede ser el caucho sintético usado por Alemania para las ruedas de los tanques y el nailon, desarrollado por los E.E.U.U. usado para fabricar textiles como paracaídas o prendas combinándolo con lana o algodón.
Durante la posguerra y hasta nuestros días la industria de los polímeros ha seguido avanzando a pasos agigantados desarrollándose nuevos polímeros como el polietileno o el polipropileno, dos de los polímeros más usados en la actualidad.
El avance de la industria de los polímeros se intensificó mucho a partir de 1926, cuando el químico alemán Hermann Staudinger expuso su teoría de los polímeros: largas cadenas de pequeñas unidades unidas por enlaces covalentes (fundamento de la química macromolecular). Esta industria volvió a sufrir otro gran avance en la segunda guerra mundial. Puesto que la mayoría de los países no recibía materias primas, ya sea porque el país que se la suministraba se encontraba en el bando contrario, o porque las rutas de comercio estaban muy controladas, se vieron obligados a desarrollar nuevos polímeros para sustituir las materias primas con las que normalmente hacían los distintos productos o armas de combate. Ejemplo de esto puede ser el caucho sintético usado por Alemania para las ruedas de los tanques y el nailon, desarrollado por los E.E.U.U. usado para fabricar textiles como paracaídas o prendas combinándolo con lana o algodón.
Durante la posguerra y hasta nuestros días la industria de los polímeros ha seguido avanzando a pasos agigantados desarrollándose nuevos polímeros como el polietileno o el polipropileno, dos de los polímeros más usados en la actualidad.
Propiedades de los polímeros
Propiedades
eléctricas
Los polímeros industriales en general suelen ser
malos conductores eléctricos, por lo que se emplean masivamente en la industria
eléctrica y electrónica como materiales aislantes. Las baquelitas (resinas fenólicas) sustituyeron con
ventaja a las porcelanas y el vidrio en el aparellaje de baja tensión hace ya muchos años; termoplásticos como el PVC y los PE, entre otros, se utilizan en la fabricación de cables eléctricos, llegando en la actualidad a
tensiones de aplicación superiores a los 20 KV,
y casi todas las carcasas de los equipos electrónicos se construyen en
termoplásticos de magníficas propiedades mecánicas, además de eléctricas y de
gran duración y resistencia al medio ambiente,
como son, por ejemplo, las resinas ABS.
Para evitar cargas
estáticas en aplicaciones que lo requieran, se ha generalizado el
uso de antiestáticos que permite en la superficie del polímero una conducción
parcial de cargas eléctricas.
Evidentemente la principal desventaja de los
materiales plásticos en estas aplicaciones está en relación a la pérdida de
características mecánicas y geométricas con la temperatura. Sin embargo, ya se
dispone de materiales que resisten sin problemas temperaturas relativamente
elevadas (superiores a los 200 °C).
Las propiedades eléctricas de los polímeros
industriales están determinadas principalmente, por la naturaleza química del
material (enlaces covalentes de mayor o
menor polaridad) y son poco sensibles a la microestructura cristalina o amorfa
del material, que afecta mucho más a las propiedades mecánicas. Su estudio se
acomete mediante ensayos de comportamiento en campos eléctricos de distinta
intensidad y frecuencia. Seguidamente se analizan las características
eléctricas de estos materiales.
Los polímeros
conductores fueron desarrollados en 1974 y sus aplicaciones aún
están siendo estudiadas.
Propiedades
físicas de los polímeros
Estudios de difracción
de rayos X sobre muestras de polietileno
comercial, muestran que este material, constituido por moléculas que pueden contener desde 1000 hasta
150 000 grupos CH2 – CH2 presentan regiones
con un cierto ordenamiento cristalino, y otras donde se evidencia un carácter
amorfo: a éstas últimas se les considera defectos del cristal. En este caso las
fuerzas responsables del ordenamiento cuasicristalino, son las llamadas fuerzas de van der Waals. En otros casos (nylon 66) la responsabilidad del ordenamiento
recae en los enlaces de H.
La temperatura
tiene mucha importancia en relación al comportamiento de los polímeros. A
temperaturas más bajas los polímeros se vuelven más duros y con ciertas
características vítreas, debido a la pérdida de movimiento relativo entre las
cadenas que forman el material. La temperatura a la que funden las zonas
cristalinas se llama temperatura de fusión (Tf). Otra temperatura importante es
la de descomposición y es conveniente que sea bastante superior a Tf.
Las
propiedades mecánicas
Son una consecuencia directa de su composición, así
como de la estructura molecular, tanto a
nivel molecular como supermolecular. Actualmente las propiedades mecánicas de
interés son las de los materiales polímeros y éstas han de ser mejoradas
mediante la modificación de la composición o morfología: por ejemplo, cambiar
la temperatura a la que los polímeros se ablandan y recuperan el estado de
sólido elástico o también el grado global del orden tridimensional. Normalmente
el incentivo de estudios sobre las propiedades mecánicas es generalmente debido
a la necesidad de correlacionar la respuesta de diferentes materiales bajo un
rango de condiciones con objeto de predecir el comportamiento de estos
polímeros en aplicaciones prácticas.
Durante mucho tiempo los ensayos han sido realizados
para comprender el comportamiento mecánico de los materiales plásticos a través
de la deformación de la red de polímeros reticulados y cadenas moleculares
enredadas, pero los esfuerzos para describir la deformación de otros polímeros
sólidos en términos de procesos operando a escala molecular son más recientes.
Por lo tanto, se considerarán los diferentes tipos de respuesta mostrados por
los polímeros sólidos a diferentes niveles de tensión aplicados; elasticidad,
viscoelasticidad, flujo plástico y fractura.
Bibliografía
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