Los polímeros se
definen como macromoléculas compuestas por una o varias unidades químicas
(monómeros) que se repiten a lo largo de toda una cadena.
Un polímero es como
si uniésemos con un hilo muchas monedas perforadas por el centro, al final
obtenemos una cadena de monedas, en donde las monedas serían los monómeros y la
cadena con las monedas sería el polímero.
La parte básica de
un polímero son los monómeros, los monómeros son las unidades químicas que se
repiten a lo largo de toda la cadena de un polímero, por ejemplo el monómero
del polietileno es el etileno, el cual se repite x veces a lo largo de toda la
cadena.
En función de la
repetición o variedad de los monómeros, los polímeros se clasifican en:
flecha Homopolímero
- Se le denomina así al polímero que está formado por el mismo monómero a lo
largo de toda su cadena, el polietileno, poliestireno o polipropileno son
ejemplos de polímeros pertenecientes a esta familia.
flecha Copolímero -
Se le denomina así al polímero que está formado por al menos 2 monómeros
diferentes a lo largo de toda su cadena, el ABS o el SBR son ejemplos
pertenecientes a esta familia.
La formación de las
cadenas poliméricas se producen mediante las diferentes polireacciones que
pueden ocurrir entre los monóneros, estas polireacciones se clasifican en:
Polimerización
Policondensación
Poliadición
En función de cómo
se encuentren enlazadas o unidas (enlaces químicos o fuerzas intermoleculares)
y la disposición de las diferentes cadenas que conforma el polímero, los
materiales poliméricos resultantes se clasifican en:
Termoplásticos
Elastómeros
Termoestables
En función de la
composición química, los polímeros pueden ser inorgánicos como por ejemplo el
vidrio, o pueden ser orgánicos como por ejemplo los adhesivos de resina epoxi,
los polímeros orgánicos se pueden clasificar a su vez en polímeros naturales
como las proteínas y en polímeros sintéticos como los materiales termoestables.
Existen diferentes
parámetros que miden las propiedades de los polímeros como el radio de giro, la
densidad del polímero, la distancia media entre las cadenas poliméricas, la
longitud del segmento cuasi-estático dentro de las cadenas poliméricas, etc...
Entre las
propiedades que definen las propiedades de los polímeros, las más importantes
son:
flecha La
temperatura de transición vítrea del polímero
flecha El peso
medio molecular del polímero
La temperatura de
transición vítrea determina la temperatura en la cual el polímero cambia
radicalmente sus propiedades mecánicas, cuando la temperatura de transición
vítrea es ligeramente inferior a la temperatura ambiente el polímero se
comporta como un material elástico (elastómero), cuando la temperatura de transición
vitrea es superior a la temperatura ambiente el polímero se comporta como un
material rígido (termoestable).
El peso molecular
medio determina de manera directa tanto el tamaño del polímero así como sus
propiedades tanto químicas como mecánicas (viscosidad, mojado, resistencia a la
fluencia, resistencia a la abrasión …), polímeros con alto peso molecular medio
corresponden a materiales muy viscosos.
Existen un gran
abanico de materiales cuya composición se basan en polímeros, todos los
plásticos, los recubrimientos de pintura, los adhesivos, los materiales
compuestos, etc... Son ejemplos de materiales basados en polímeros que
utilizamos en nuestro dia a día.
También llamadas
fuerzas de dispersión, presentes en las moléculas de muy baja polaridad, generalmente
hidrocarburos. Estas fuerzas provienen de dipolos transitorios: como resultado
de los movimientos de electrones, en cierto instante una porción de la molécula
se vuelve ligeramente negativa, mientras que en otra región aparece una carga
positiva equivalente. Así se forman dipolos no-permanentes. Estos dipolos
producen atracciones electroestáticas muy débiles en las moléculas de tamaño
normal, pero en los polímeros, formados por miles de estas pequeñas moléculas,
las fuerzas de atracción se multiplican y llegan a ser enormes, como en el caso
del polietileno.
En la tabla 1.1 se
observa como cambian la densidad y la temperatura de fusión, al aumentar el
número de átomos de carbono en la serie de los hidrocarburos. Los compuestos
más pequeños son gases a la temperatura ambiente. al aumentar progresivamente
el número de carbonos, los compuestos se vuelven líquidos y luego sólidos, cada
vez con mayor densidad y mayor temperatura de fusión, hasta llegar a los
polietilenos con densidades que van de 0,92 a 0, 96 g / cm3 y temperaturas de
fusión entre 105 y 135° C.
Por otra parte, los
polímeros pueden ser lineales, formados por una única cadena de monómeros, o
bien esta cadena puede presentar ramificaciones de mayor o menor tamaño.
También se pueden formar entrecruzamientos provocados por el enlace entre
átomos de distintas cadenas.
La naturaleza
química de los monómeros, su masa molecular y otras propiedades físicas, así
como la estructura que presentan, determinan diferentes características para
cada polímero. Por ejemplo, si un polímero presenta entrecruzamiento, el
material será más difícil de fundir que si no presentara ninguno.
Los enlaces de
carbono en los polímeros no son equivalentes entre sí, por eso dependiendo del
orden estereoquímica de los enlaces, un polímero puede ser: atáctico (sin
orden), isotáctico (mismo orden), o sindiotáctico (orden alternante) a esta
conformación se la llama tacticidad. Las propiedades de un polímero pueden
verse modificadas severamente dependiendo de su estereoquímica.
En el caso de que
el polímero provenga de un único tipo de monómero se denomina homopolímero y si
proviene de varios monómeros se llama copolímero o heteropolímero. Por ejemplo,
el poliestireno es un homopolímero, pues proviene de un único tipo de monómero,
el estireno, mientras que si se parte de estireno y acrilonitrilo se puede
obtener un copolímero de estos dos monómeros.
En los
heteropolímeros los monómeros pueden distribuirse de diferentes maneras,
particularmente para polímeros naturales, los monómeros pueden repetirse de
forma aleatoria, informativa (como en los polipéptidos de las proteínas o en
los polinucleótidos de los ácidos nucleicos) o periódica, como en el
peptidoglucano o en algunos polisacáridos.
Los monómeros que
conforman la cadena de un copolímero se pueden ubicar en la cadena principal
alternándose según diversos patrones, denominándose copolímero alternante,
copolímero en bloque, copolímero aleatorio, copolímero de injerto. Para lograr
este diseño, la reacción de polimerización y los catalizadores deben ser los
adecuados.
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).
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 cuasi cristalino, 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.
Propiedades
mecánicas
Son una
consecuencia directa de su composición, así como de la estructura molecular,
tanto a nivel molecular como supramolecular. 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, visco elasticidad, flujo
plástico y fractura.
Clasificación
Según su origen
Polímeros
naturales. Existen en la naturaleza muchos polímeros y las biomoléculas que
forman los seres vivos son macromoléculas poliméricas. Por ejemplo, las
proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos (como la celulosa y la
quitina), el hule o caucho natural, la lignina, etc.
Polímeros
semisintéticos. Se obtienen por transformación de polímeros naturales. Por
ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc.
Polímeros
sintéticos. Muchos polímeros se obtienen industrialmente a partir de los
monómeros. Por ejemplo, el nailon, el poliestireno, el policloruro de vinilo (PVC),
el polietileno, etc.
Según su mecanismo
de polimerización
En 1929 Carothers
propuso la siguiente clasificación:
Polímeros de
adición. La polimerización no implica la liberación de ningún compuesto de baja
masa molecular. Esta polimerización se genera cuando un
"catalizador", inicia la reacción. Este catalizador separa la unión
doble carbono en los monómeros, luego aquellos monómeros se unen con otros
debido a los electrones libres, y así se van uniendo uno tras uno hasta que la
reacción termina.
Polímeros de
condensación. La reacción de polimerización implica a cada paso la formación de
una molécula de baja masa molecular, por ejemplo agua.
Clasificación de
Flory
Polímeros formados
por reacción en cadena. Se requiere un iniciador para comenzar la polimerización;
un ejemplo es la polimerización de alquenos (de tipo radicalario). En este caso
el iniciador reacciona con una molécula de monómero, dando lugar a un radical
libre, que reacciona con otro monómero y así sucesivamente. La concentración de
monómero disminuye lentamente. Además de la polimerización de alquenos, incluye
también polimerización donde las cadenas reactivas son iones (polimerización
catiónica y aniónica).
Polímeros formados
por reacción por etapas. El peso molecular del polímero crece a lo largo del
tiempo de manera lenta, por etapas. Ello es debido a que el monómero desaparece
rápidamente, pero no da inmediatamente un polímero de peso molecular elevado,
sino una distribución entre dímeros, trímeros, y en general, oligómeros;
transcurrido un cierto tiempo, estos oligómeros empiezan a reaccionar entre sí,
dando lugar a especies de tipo polimérico. Esta categoría incluye todos los
polímeros de condensación de Carothers y además algunos otros que no liberan
moléculas pequeñas pero sí se forman gradualmente, como por ejemplo los
poliuretanos.
Discusión
Importancia de los
polímeros
En el ámbito de la
ciencia, los polímeros son sustancias muy importantes debido a que pueden tener
varios y muy diversos usos en la vida cotidiana. Los polímeros pueden ser
descriptos como sustancias compuestas en las cuales se entremezclan varias
moléculas de monómeros formando moléculas más pesadas y que pueden ser
encontradas en diversos objetos y elementos naturales. Los polímeros pueden ser
también artificiales o creados por el hombre cuando los polímeros naturales son
transformados (ejemplos de esto son los textiles sintéticos como el nylon).
Podríamos
simplificar la composición de un polímero diciendo que el mismo es una unión de
miles de moléculas conocidas como monómeros (moléculas más pequeñas y menos
pesadas). Estos monómeros se unen a través de enlaces químicos que les confiere
estabilidad y que hace que permanezcan en su calidad de moléculas más complejas
o polímeros. La palabra polímeros proviene del griego, idioma en el cual el
prefijo poli significa muchos y el sufijo mero significa parte.
En la naturaleza
encontramos muchos elementos que pueden ser considerados polímeros y que van
desde elementos presentes en la alimentación (como el almidón, la celulosa)
hasta elementos textiles (el nylon, aunque el mismo es un polímero resultante
de la alteración de polímeros naturales, o la seda) e incluso el ADN que cada
ser vivo posee. Los polímeros se pueden formar básicamente por dos procesos:
por condensación de varias moléculas de monómeros o por la adición que supone
una suma de todas las moléculas de monómeros que se multiplican.
La importancia de
los polímeros reside especialmente en la variedad de utilidades que el ser
humano le puede dar a estos compuestos. Así, los polímeros están presentes en
muchos de los alimentos o materias primas que consumimos, pero también en los
textiles (incluso pudiéndose convertir en polímeros sintéticos a partir de la
transformación de otros), en la electricidad, en materiales utilizados para la
construcción como el caucho, en el plástico y otros materiales cotidianos como
el poli estireno, el polietileno, en productos químicos como el cloro, en la
silicona, etc. Todos estos materiales son utilizados por diferentes razones ya
que brindan propiedades distintas a cada uso: elasticidad, plasticidad, pueden
ser adhesivos, resistencia al daño, etc.
Todos los factores mencionados
anteriormente son susceptibles de mucha variabilidad, lo que hace que
dispongamos de un número enorme de polímeros con una gran versatilidad para
múltiples aplicaciones, que se indican en imagen siguiente.
Desventajas de los
polímeros
Hay que tomar en
cuenta, que los polímeros tienen tres principales divisiones: naturales como el
almidón y caucho; los sintéticos que parten de los monómeros tales como el
nylon y polietileno; y los semi-sinteticos que se obtienen por la
transformación de los polímeros naturales por ejemplo la nitrocelulosa.
Las principales
desventajas de los polímeros son:
Baja conductividad
eléctrica
Baja resistencia a
altas temperaturas
Su fabricación e
utilización produce muchos residuos
Por su alta
resistencia a la corrosión y gran durabilidad son difíciles de degradar para
naturaleza por lo que son grandes contaminantes.
Son inflamables, y
pueden producir gases tóxicos.
Algunas de las
desventajas de los polímeros pueden eliminarse, ya que se pueden modificar en
laboratorios e industrias, y obtener nuevos polímeros con nuevas propiedades a
partir de la unión de los monómeros.
Por lo tanto las
desventajas que se pueden cambiar o mejorar son:
baja resistencia a
temperaturas: Esta característica "deficiente" también se puede
aprovechar para su moldeo y así obtener botellas, envases y otros productos.
Baja conductividad
eléctrica: Se han descubierto en la Industria a traves de varias
investigaciones polímeros conductores.
Contaminantes del
ambiente: En la actualidad se han desarrollado polímeros
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