POLÍMEROS
CAPÍTULO 1. Introducción
Los polímeros son conocidos desde tiempos
muy remotos y la utilización de ellos fue ampliamente difundida, no obstante se
desconocía su constitución y por tanto sus aplicaciones eran limitadas.
Durante el siglo
XIX descubrimos que los polímeros naturales están constituidos por
macromoléculas y éstas, a su vez, por cientos de miles de unidades que se repiten,
conocidas como monómeros.
Posteriormente,
aprendimos a modificar los polímeros naturales generando otros productos útiles
como hule vulcanizado, celuloide y rayón.
Ya con un mejor
entendimiento al respecto, en el siglo XX, se sintetizaron polímeros de muchas
clases, la mayor parte de ellos derivados del petróleo.
El impacto sobre
nuestra forma de vida ha sido grande, al grado de familiarizarnos con ellos tan
cotidianamente que ya no los percibimos.
Actualmente se
utilizan materiales poliméricos naturales, modificados y sintéticos por lo que
hay una amplia gama de productos.
En las últimas décadas se ha realizado un
proceso de sustitución de materiales tradicionales como vidrio, papel, cartón y
metal, por plásticos. Así, la mayoría de los envases y empaques que
tradicionalmente se manufacturaban con vidrio, papel, cartón o metal, ahora se
hacen con algún plástico sintético como polietileno, polietilentereftalato o
poliestireno.
A causa del proceso
de sustitución, los polímeros sintéticos son cada vez más importantes y se
fabrican en mayor cantidad. De aquí que
también tengan importancia económica.
En el campo de las
fibras y hules sintéticos sucede también un proceso de sustitución similar al
anterior.
De esta forma, las
tradicionales fibras naturales, por ejemplo el algodón y lana, de muchas
prendas de vestir, son sustituidas por sintéticas como poliéster. El hule látex que se encontraba en la goma de
mascar, ahora es sustituido por caucho sintético.
Los polímeros
sintéticos son importantes en la medida que contribuyen a satisface nuestras
necesidades básicas, pero también son importantes desde otros enfoques, como el
industrial.
Definición: “los polímeros son sustancias constituidas por miles de
moléculas sencillas para formar
macromoléculas, cuyo peso molecular puede ser de varios miles de uma´s”, Cada macromolécula está constituida por
unidades estructurales que se repiten llamadas monómeros ó meros.
Los polímeros se obtienen químicamente al
unirse desde cientos y hasta miles de moléculas sencillas a través de procesos
de polimerización.
H H H H H H
│ │ │ │ │ │
― C―C ―[C―C―C―C]n―
│
│ │ │ │ │
H Cl H Cl H
Cl
Monómero Polímero
En el proceso de fabricación de polímeros
puede utilizarse un solo tipo de monómero, con lo que resultan moléculas
poliméricas constituidas por un único tipo de mero, siendo el producto un
homopolímero, o utilizando dos o más monómeros, lo que genera copolímeros o
heteropolímeros.
Cuando son
copolímeros pueden resultar diferentes clases de polímeros:
a)
Aleatorios. La posición de los diferentes meros es al azar
b)
Alternos. La posición de los meros se alternan periódicamente
c)
De bloque
d)
De injerto. Las posiciones de los meros son en bloque pero insertadas en una
cadena principal de diferentes monómeros
CLASIFICACIÓN
Los polímeros pueden clasificarse de varias
maneras: de acuerdo a su origen, usos tecnológicos, propiedades físicas,
estructuras y tipos de reacción química mediante la cual se preparan.
Estas clasificaciones no se excluyen
mutuamente.
1.
Por su origen
a)
Naturales. Pueden provenir de animales como la lana, seda y cuero, o de
vegetales como el algodón, corcho y caucho (hule)
n
Estructura del
caucho
b)
Sintéticos. Provienen de los derivados del petróleo, ejemplos: polietileno,
polipropileno, poliestireno, poliéster, poliuretano, nylon, etc.
O O
║ H H
║
O – CH2 – CH2 –
O – C – N N – C – O
n
Estructura del poliuretano
O O
║ ║
O – CH2 – CH2 – O – C C – O
n
Estructura del poliéster
O O
║ ║
NH – (CH2)6 –
NH – C – (CH2)4 – C – NH
n
Estructura del Nylon 6,6
2.
Por el uso al que se destinan
a)
Fibras.
Son materiales constituidos por hilos muy delgados que se entrelazan. Tienen la
propiedad de ser muy flexibles y de resistir la tensión, es decir, de ser
estirados sin que se rompan. Al tejerse
constituyen telas y textiles diversos que pueden utilizarse en la manufactura de
ropa.
b)
Hules.
Los hules o cauchos son materiales que tienen la propiedad de elasticidad, es
decir, pueden ser alargados o estirados por acción de una fuerza, a veces hasta
varias veces su tamaño original. Por
supuesto, como en el caso de las ligas, si el alargamiento es excesivo, no
vuelve a su estado original y se rompe.
Los hules o cauchos son también muy flexibles, ejemplos: guantes para
manos, suelas para zapatos, cámaras para soportar el aire de las llantas de
automóviles.
c)
Plásticos. Se trata de materiales sólidos
que tienen la característica de adquirir formas muy diversas ya que poseen la
propiedad de ser moldeables. Pueden
tener forma de placas o planchas para recubrir mesas o paredes; los tubos que
se emplean en cañerías, de pijas y tornillos, que unen partes que no se someten
a grandes esfuerzos, manijas para puertas, juguetes, etc.
3.
Por su estructura
I.
Lineales. Estos poseen macromoléculas independientes unas de otras, es decir, no
se encuentran unidas entre sí por medio de fuertes enlaces químicos, sino por
simples fuerzas de Van Der Waals o por puentes de hidrógeno. Sus macromoléculas pueden ser ramificadas o
no.
II De red. En este tipo de polímero las
macromoléculas que los constituyen se
encuentran entrecruzadas o unidas por medio de enlaces químicos, por lo
que forman una estructura tridimensional
muy estable.
4.- Por sus propiedades a propiedades físicas
1.
Termoplásticos. Tienen la característica de que se ablanda o reblandecen al
calentarlos, haciéndose más o menos fluidos y pueden por tanto, moldearse en
formas útiles como en el caso de los envases.
Al calentarse pueden reblandecerse y conformarse en varias ocasiones por
lo que pueden reciclarse. También se
clasifican como polímeros lineales pues se constituyen de macromoléculas unidas
débilmente entres sí, ya que no existen enlaces químicos entre ellas. Por acción del calor, las fuerzas
intermoleculares que unen a las macromoléculas se debilitan y a esto se debe el
reblandecimiento de los materiales.
2.
Termofijos. Estos polímeros no poseen la
propiedad de reblandecerse por acción del calor, lo que implica que no sean
reciclables, pues resisten temperaturas de varios cientos de grados y cuando
alcanza temperaturas muy elevadas se descomponen de forma irreversible. Se trata de materiales rígidos y quebradizos,
como las clavijas, los mangos de planchas y ollas exprés. Estos polímeros son de red, ya que las
cadenas que los forman están fuertemente unidas por enlaces químicos, por lo
que son muy estables y resisten altas temperaturas, y por lo cual se rompen
irreversiblemente los enlaces químicos a MUY ALTAS temperaturas.
6. De acuerdo al tipo de
reacción de la cual se obtienen
a.
Polímeros de adición. Se obtienen por polimerización
de monómeros insaturados, generalmente los derivados del etileno.
b.
Polímeros de condensación. Se obtienen empleando
sustancias como diaminas, dialcoholes, o diácidos carboxílicos.
CAPÍTULO 2. Fabricación de polímeros
Los polímeros se constituyen por miles de
unidades (meros) que se unieron por un proceso químico denominado polimerización.
nA → -[A-A-A-A-A-A-A-A-A-]n
-
Se conocen dos métodos para sintetizar
polímeros
- Por adición o poli adición. Consisten
en atacar un doble enlace carbono-carbono con la finalidad de unir a cada
átomo de carbono con otro átomo o grupo de átomos. En este proceso se aprovecha la
reactividad del doble enlace, el cual se realiza en tres etapas:
a)
Iniciación. Para comenzar el proceso de polimerización se añade al monómero un
iniciador adecuado, el cual atacara las moléculas del monómero por la parte
del doble enlace, rompiéndolo y formando
una agrupación capaz de generar el crecimiento de las cadenas poliméricas.
b) Propagación. Una vez iniciada la cadena, la reacción procede espontáneamente, es
decir, con el ataque a otras moléculas monoméricas crecerá la cadena en la
medida que se unan a la cadena en formación las unidades reactivas. Inicialmente
el proceso es lento, pero después se acelera con la liberación de
energía que provoca el incremento de la temperatura y por lo tanto la velocidad
de reacción. Cuando las cadenas han
crecido mucho, el número de moléculas de monómero es relativamente pequeño y
deben difundirse hasta alcanzar el extremo activo de una cadena para poderse
adicionar a ella. En consecuencia la
velocidad de crecimiento disminuye nuevamente.
Para el crecimiento de la cadena implica que para cada monómero se unan
dos moléculas, una en cada extremo del doble enlace. Así pues, la ruptura del doble enlace implica
la existencia de dos lugares a los cuales pueden fijarse las moléculas.
c)
Terminación. Las cadenas pueden concluirse
mediante dos mecanismos: primero, los extremos de dos cadenas en crecimiento
pueden unirse para producir una sola cadena larga; segundo, el extremo activo
de la cadena puede atraer a un grupo iniciador (―OH) el cual termina
la cadena. Durante el crecimiento, las
cadenas de polímeros se tuercen y voltean debido a la naturaleza del enlace
covalente sencillo, que permite que giren los grupos unidos a través de él. Las
cadenas se tuercen y voltean debido a factores externos, como la temperatura y
la disponibilidad o ubicación del siguiente monómero que se une a la
cadena. Finalmente las cadenas quedan
entremezcladas debido a que crecieron simultáneamente. La apariencia de las cadenas poliméricas es
similar a un montón de lombrices de tierra o a un plato de espagueti.
- 2. Por condensación o policondensación.
Consiste en unir moléculas por zonas bien definidas, generalmente donde se
localizan grupos amina, alcohol o ácidos carboxílicos, con lo que se
forman moléculas más complejas, como amidas, éteres o ésteres, a la vez
que se eliminan otras simples, como las del agua. Estas reacciones se inducen por medio de
un calentamiento y a veces también con presión y catalizadores. Las longitudes de las cadenas
resultantes dependen de la facilidad con que los monómeros pueden
difundirse hacia los extremos e intervenir en la reacción de condensación;
y la terminación ocurre cuando ningún monómero más alcanza el extremo de
la cadena para continuar la reacción.
