Introducción.

A lo largo de cientos de años se han utilizado polímeros naturales procedentes de plantas y animales. Estos materiales incluyen madera, caucho, lana, cuero y seda. Otros polímeros naturales tales como las proteínas, los enzimas, los almidones y la celulosa tienen importancia en los procesos bioquímicos y fisiológicos de plantas y animales. Desde principios del siglo XX, la moderna investigación científica ha determinado la estructura molecular de este grupo de materiales y ha desarrollado numerosos polímeros, sintetizados a partir de pequeñas moléculas orgánicas. Muchos plásticos, cauchos y materiales fibrosos son polímeros sintéticos. Desde el fin de la Segunda Guerra Mundial, el campo de los materiales se ha visto revolucionado por la llegada de polímeros sintéticos.

Las síntesis suelen ser baratas y las propiedades conseguidas comparables, y a veces superiores, a las de los análogos naturales. En algunas aplicaciones, los metales y la madera se sustituyen por polímeros, que tienen propiedades idóneas y se pueden fabricar a bajo coste.

Los materiales plásticos actualmente en nuestra sociedad son, sin lugar a dudas, uno de los materiales más utilizados en casi todos los sectores industriales como consecuencia de las buenas propiedades que poseen. Si se comparan polímeros como el polietileno y el nylon con materiales que son utilizados más comúnmente por los ingenieros, de inmediato se encontrarán algunas diferencias importantes. Unas pruebas simples muestran que los polímeros:

- Tienen resistencia mecánica y rigidez (Módulo elástico) bajas. Sin embargo, tienen una buena relación resistencia peso.

- Su uso, frecuentemente, está limitado por condiciones de temperatura (< 150 °C).- Los ensayos mecánicos, por ejemplo, los de tracción, muestran que se deforman

cuando se someten por un tiempo a una carga, o sea, sus propiedades dependen del tiempo, y esta es su característica mecánica más significativa. Las propiedades mecánicas también dependen marcadamente de la temperatura.

- Expansión térmica elevada.- Problemas de disposición y reciclado.

CaracterísticasLas características anteriores representan desventajas en comparación con los metales, la madera, los materiales cerámicos, etc. Obviamente, los polímeros también deben de poseer ventajas, ya que son muy utilizados e, incluso, sustituyen a los materiales comunes en muchas áreas importantes. ¿Cuáles son las ventajas que tienen estos materiales que provocaron una expansión tan rápida en su uso?. La mayoría de éstas son:

1. Versatilidad.2. Los materiales poliméricos, tanto los plásticos como los cauchos, son fácilmente

conformados a bajas temperaturas y bajas presiones, lo que hace que los procesos industriales de fabricación de objetos por moldeo con plásticos se abaraten sensiblemente respecto a aquéllos en los que se emplean otros materiales. Permite la

obtención de formas complejas (Posibilidad de diseño de geometrías intrincadas) con un mínimo de operaciones de fabricación y acabado (facilidad de fabricación, baja energía para moldearlos y conformarlos, es decir menor energía de procesamiento).

3. Fácil maquinabilidad, es decir, se trabaja fácilmente con herramientas que produzcan arranque de material como fresadoras, tornos y limas.

4. Su baja densidad da como resultado productos ligeros (800 – 1500 kg/m3 ), lo que los hace idóneos para piezas y componentes para la industria del transporte como en aviones, barcos, automóviles o trenes.

5. Alto grado de inalterabilidad ante agentes químicos y elevado grado de resistencia a la corrosión, lo que los hace muy adecuados para revestimientos en industrias químicas, conducciones de fluidos, objetos a la intemperie o en ambientes corrosivos.

6. Su conductividad térmica y eléctrica es muy baja por lo que se emplean como aislantes en la mayoría de los componentes o materiales eléctricos y como aislantes térmicos en cámaras frigoríficas o termostáticas, en los muros de las casas, etc. En algunos casos, pueden ser conductores eléctricos 3

7. Durables y tenaces.8. La flexibilidad natural de los polímeros los hace útiles. Esto es especialmente cierto para

los cauchos.9. Aunque los valores de la resistencia mecánica absoluta y del módulo de elasticidad de

los polímeros son bajos, los valores específicos por unidad de peso o volumen, son con frecuencia favorables. De aquí el uso de materiales poliméricos que se utilizan especialmente en proyectos aeroespaciales.

10. Los cauchos, los cuales se usan en resortes y montajes absorbentes de impacto por sus cualidades de elasticidad y amortiguamiento.

11. Posibilidad de transparencia u opacidad. Acabado superficial óptimo y buena posibilidad de coloración (metalizado), lo que origina, para cualquier aplicación, un acabado muy estético.

12. Bajo coste y bajo precio.

Los polímeros conductores eléctricos surgieron a raíz de una afortunada equivocación en el año 1977 de un estudiante dirigido por el doctor Hideki Shirakawa (Instituto Tecnológico de Tokio). Debido a tal error, se obtuvo por primera vez un polímero, el poliacetileno, con una conductividad eléctrica mil millones de veces mayor que la esperada. El motivo para tan extraordinario resultado fue que dicho estudiante agregó mil veces más catalizador (yodo) que el requerido en las instrucciones, lo cual generó cambios sorprendentes en la estructura del polímero. Por este descubrimiento, Shirakawa, MacDiarmid y Heeger ganaron el Premio Nobel de química en el año 2000.

Ventajas- Resistencia a la corrosión- Aislamiento eléctrico (revestimiento de hilos conductores)- Baja conductividad térmica- Durables y tenaces- Baja densidad

- Baja energía para su conformado- Facilidad para darles colocación- Fácil procesamiento

Definición

La palabra polímero se deriva del griego Polys (muchos) y meros (partes). Es un compuesto orgánico, natural o sintético, de elevado peso molecular constituido por un tipo particular de macromolécula, que se caracteriza por tener una unidad que se repite a lo largo de la molécula. Las pequeñas moléculas que se combinan entre sí mediante un proceso químico, llamado reacción de polimerización, para formar el polímero se denominan monómeros. La unión de todas estas pequeñas moléculas dan lugar a una estructura de constitución repetitiva en el polímero y la unidad que se repite regularmente a lo largo de toda la molécula, se conoce con el nombre de unidad constitucional repetitiva (ucr)o unidad monomérica. La longitud de la cadena del polímero viene determinada por el número de ucr que se repiten en la cadena. Esto se llama grado de polimerización (X), y su peso molecular viene dado por el peso de la unidad constitucional repetitiva multiplicado por el grado de polimerización. En un determinado polímero, si todas las unidades estructurales son idénticas este se llama homopolímero, pero si este procede de dos o más monómeros recibe el nombre de copolímero.

Algunos científicos prefieren usar el término macromolécula, o molécula grande, en lugar de polímero. Otros sostienen que los polímeros naturales, o biopolímeros, y los polímeros sintéticos deberían estudiarse en cursos distintos. Sin embargo, los mismos principios son de aplicación a todos los polímeros. Si se descartan los usos finales, las diferencias entre los polímeros, incluyendo los plásticos, las fibras, y los elastómeros o cauchos, vienen determinadas principalmente por las fuerzas intermoleculares (entre moléculas) e intramoleculares (dentro de cada molécula individual) y por los grupos funcionales presentes.

Clasificación

Según su estructura:

● Lineales: Los monómeros se unen por dos sitios, cabeza y cola (Polietileno)● Ramificados: Si algún monómero se puede unir por tres o más sitios (Poliestireno)● Entrecruzados: Cadenas lineales adyacentes unidas linealmente con enlaces

covalentes. Ejemplo: Caucho.

Por su comportamiento ante el calor:

● Termoplásticos: Después de ablandarse o fundirse por calentamiento, recuperan sus propiedades originales al enfriarse. Se moldean en caliente de forma repetida. En general son polímeros lineales, con baja temperatura de fusión y solubles en disolventes orgánicos. Ejemplos: derivados polietilénicos, poliamidas (o nailon), sedas artificiales, celofán, etc.

● Termoestables: Después del calentamiento se convierten en sólidos más rígidos que los polímeros originales. Este comportamiento se debe a que con el calor se forman nuevos enlaces que provocan una mayor resistencia a la fusión, es decir, no pueden volver a ser moldeados. Suelen ser insolubles en disolventes orgánicos y se descomponen a altas temperaturas. Ejemplos: baquelita, ebonita, etc.

Según su origen:

● Naturales: Caucho, polisacáridos (celulosa, almidón), proteínas, ácidos nucleicos.● Semisintéticos: Se obtienen por transformación de los polímeros naturales.● Sintéticos: Se obtienen industrialmente. Plásticos, fibras textiles sintéticas, poliuretano,

baquelita.Los polímeros sintéticos se pueden clasificar en tres diferentes tipos de materiales:

- Los Elastómeros: Sustancias que poseen la elasticidad que caracteriza al caucho y al igual que este se emplean para fabricar gomas, mangueras o neumáticos.

- Las Fibras: Materiales capaces de orientarse para formar filamentos largos y delgados como el hilo. Poseen una gran resistencia a lo largo del eje de orientación, tal como ocurre con el algodón, la lana y la seda. Tienen su principal aplicación en la industria textil.

- Los Plásticos: Son polímeros que pueden ser moldeados a presión y transformados en diversos objetos con formas diferentes, o bien, usados como pinturas o recubrimientos de superficies.

Reacciones de Polimerización

POLIMERIZACIÓN POR ADICIÓN

Al formarse la cadena los monómeros se unen sin perder ningún átomo, por lo que la masa molecular del polímero es un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero. Los monómeros tienen insaturaciones (dobles o triples enlaces) que pasan a sencillos en el polímero. Suelen seguir un mecanismo en tres fases, con ruptura homolítica del enlace:

- Iniciación: CH2 = CH2 + catalizador · CH2–CH2 ·- Propagación o crecimiento:

2 · CH2–CH2 · · CH2–CH2–CH2–CH2 ·

n – CH2–CH2 – – (CH2–CH2)n –

- Terminación: Los radicales libres de los extremos se unen a impurezas o bien se unen dos cadenas con un terminal neutralizado.

Veamos algunos de los polímeros de adición más importantes, sus principales aplicaciones, así como los monómeros de los que proceden. Nótese que los polímeros de adición son homopolímeros y basan su nomenclatura en el nombre comercial de los monómeros.

CAUCHO NATURAL El caucho natural es un polímero cuyo monómero es el isopreno (metil-1,3-butadieno). Es un polímero elástico y semisólido, que surge como una emulsión lechosa (conocida como látex) en la savia de varias plantas tropicales (Hevea brasiliensis ....), aunque también puede ser producido sintéticamente, que posee la siguiente estructura:

Usos principales: El caucho es ampliamente utilizado en la fabricación de neumáticos, chupetes, preservativos, guantes, pelotas, artículos impermeables y aislantes, por sus excelentes propiedades de elasticidad y resistencia ante los ácidos y las sustancias alcalinas. Es repelente al agua, aislante de la temperatura y de la electricidad. El caucho natural suele vulcanizarse, proceso por el cual se calienta y se le añade azufre o selenio, con lo que se logra el enlazamiento de las cadenas elastómeros, para mejorar su resistencia a las variaciones de temperatura y condiciones atmosféricas.

POLIMERIZACIÓN POR CONDENSACIÓN

Se produce por la unión de monómeros con pérdida de una molécula pequeña, por ejemplo agua. Por tanto, la masa molecular del polímero no es un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero. Los polímeros son mucho más pequeños que los de adición y son heteropolímeros ( copolímeros), ya que los monómeros de partida tienen que ser distintos. Los principales polímeros de condensación son:

POLIÉSTERESLos poliésteres son unos polímeros que contiene el grupo funcional éster en su cadena principal que se repite n veces.

Se producen por sucesivas reacciones de esterificación (alcohol y ácido). Para formar la función éster a los dos lados de la cadena se requiere que uno de los monómeros sea un diácido y el otro un diol terminal:

El poliéster más conocido es el formado por ácido tereftálico (ácido p-bencenodicarboxilico) y el etilenglicol (etanodiol) que se puede obtener como fibra textil llamada tergal (dacrón) o como plástico que se conoce como PET:

Aplicaciones: fibra textil , envases de licores, de medicamentos y de alimentos, reparación de vasos sanguíneos…

POLIAMIDAS Son unos polímeros que contienen el grupo funcional amida en su cadena principal que se repite n veces.

Se producen por sucesivas reacciones entre el grupo ácido y el amino. Para formar la función amida a los dos lados de la cadena se requiere que uno de los monómeros sea un diácido y el otro una diamina:

La poliamida más conocida es el nailon 6,6 (conocido como seda artificial) formado por la copolimerización del ácido adípico (ácido hexanodioico) y la 1,6-hexanodiamina:

El número 6,6 indica los átomos de C del diácido y de la diamina de los monómeros.

Aplicaciones: Forma fibras muy resistentes por lo que se pueden utilizar para telas de paracaídas, sedales, medias, cepillos, peines…

USOS

Kévlar (una poliamida): Más fuerte que el acero, flexible y ligero, no biodegradable, gran resistencia química, resistente al fuego. Industria textil, paracaídas, blindajes aviones, raquetas tenis, trajes espaciales, etc. Polietilentereftalato (PET, nombre comercial: dracón; un poliéster): No se arruga, termoplástico. Envasado alimentos, medicamentos, etc. Poliuretanos: Fibras elásticas tipo Lycra, colchones, etc.Baquelita: Insoluble en agua, resistente a los ácidos y al calor, termoestable. Enchufes, mangos utensilios cocina, teléfonos color negro, etc. Policarbonatos: Cristales de seguridad. Resinas epoxi: Pavimentos, pinturas, etc.Siliconas: Naturaleza inorgánica (Si) y orgánica (radicales alquilos) a la vez. Inodoras, incoloras, inertes, inmiscibles con el agua. Lubricantes, adhesivos, aplicaciones médicas.Polipropileno: Cumple una doble tarea, como plástico y como fibra. Como plástico se utiliza para hacer envases para alimentos capaces de ser lavados en un lavaplatos. Esto es factible porque no funde por debajo de 160 oC. (el polietileno, se recalienta a aproximadamente 100oC), lo que significa que los platos de polietileno se deformarían en el lavaplatos. Como fibra, el polipropileno se utiliza para hacer alfombras de interior y exterior, la clase que usted encuentra siempre alrededor de las piscinas y las canchas de mini-golf. El polipropileno, a diferencia del nylon, no absorbe el agua. Estructuralmente es un polímero vinílico, similar al polietileno, sólo que uno de los carbonos de la unidad monomérica tie ne unido un grupo metilo. El polipropileno que utilizamos, es en su mayor parte isotáctico. Esto significa que todos los grupos metilos de la cadena están del mismo lado. Pero a veces utilizamos el polipropileno atáctico. Atáctico significa que los grupos metilos están distribuidos al azar a ambos lados de la cadena.PVC: (Poli cloruro de vinilo) es el plástico que en la ferretería se conoce como PVC. Éste es el PVC con el cual se hacen los caños y los caños de PVC están por todas partes. Los revestimientos "vinílicos" en las casas se hacen de poli cloruro de vinilo. En los años 70, el PVC fue utilizado a menudo en los automotores, para hacer techos vinílicos. El PVC es útil porque

resiste dos cosas que se odian mutuamente: fuego y agua. Debido a su resistencia al agua, se lo utiliza para hacer impermeables y cortinas para baño, y por supuesto, caños para agua. También tiene resistencia a la llama, porque contiene cloro. Cuando usted intenta quemar el PVC, los átomos de cloro son liberados, inhibiendo la combustión. • Estructuralmente, el PVC es un polímero vinílico. Es similar al polietileno, con la diferencia que cada dos átomos de carbono, uno de los átomos de hidrógeno está sustituido por un átomo de cloro. Es producido por medio de una polimerización por radicales libres del cloruro de vinilo.Poliestireno: es un plástico económico y resistente y probablemente sólo el polietileno sea más común en su vida diaria. Puede presentarse en forma de espuma para envoltorio y como aislante. (StyrofoamTM es una marca de espuma de poliestireno). Las tazas rígidas transparentes están hechas de poliestireno. También una gran cantidad de partes moldeadas en el interior de su auto, como los botones de la radio. El poliestireno también es usado en juguetes y para las partes exteriores de secadores de cabello, computadoras y accesorios de cocina. El poliestireno es un polímero vinílico. Estructuralmente, es una larga cadena hidrocarbonada, con un grupo fenilo unido cada dos átomos de carbono. Es producido por una polimerización vinílica por radicales libres a partir del monómero estireno. El poliestireno es también un componente de un tipo de caucho duro llamado poli(estireno-butadieno-estireno), o caucho SBS. El caucho SBS es un elastómero termoplástico.Politetrafluoroetileno: Se utiliza para fabricar sartenes donde no se pegue la comida. El politetrafluoroetileno es mejor conocido por el nombre comercial Teflon. El PTFE también se utiliza para tratar alfombras y telas para hacerlas resistentes a las manchas. Y lo que es más, es también muy útil en aplicaciones médicas. Dado que el cuerpo humano raramente lo rechaza, puede ser utilizado para hacer piezas artificiales del cuerpo. El PTFE, está compuesto por una cadena carbonada, donde cada carbono está unido a dos átomos de flúor.

ALGUNAS FIBRASAcetato: El acetato se prepara a partir de celulosa extraída de pulpa de madera por una esterificación con ácido acético y anhídrido acético en presencia de ácido sulfúrico. Luego se hidroliza parcialmente para acortar las cadenas y eliminar el sulfato, y una cantidad de grupos acetato suficiente como para obtener un producto a partir del cual se puedan formar fibras o películas delgadas. La resistencia de las fibras está dada por la linealidad de las moléculas (poca ramificación), lo cual hace que puedan encajarse bien una al lado de la otra y las fuerzas intermoleculares las mantengan unidas. Se puede obtener con un amplio rango de colores y lustres, es suave, seca rápidamente, es resistente a la humedad y polillas, no encoge. Usos: ropa, telas, películas fotográficas, filtros de cigarrillo, almohadas.Acrílico: está compuesto por unidades repetitivas (–CH2-CH(CN)- )n. Las moléculas se encuentran unidas entre sí principalmente gracias a las interacciones dipolo-dipolo de los grupos –CN. Es suave, de aspecto similar a la lana, retiene su forma, es resistente a polilla, luz solar, aceite y agentes químicos. Usos: frazadas, alfombras, buzos, medias. Aramida: contiene anillos aromáticos en su cadena. Debido a la estabilidad de la estructura aromática y la conjugación de los grupos amida, posee gran estabilidad química y térmica, incluyendo resistencia al fuego, por lo cual se utiliza en ropa de protección para los bomberos y policías. Sus usos industriales están limitados por su alto punto de fusión e insolubilidad en solventes comunes. Es más liviano y más duro que el acero, por lo cual un chaleco antibalas de

poco más de un kilogramo de peso puede detener una bala calibre 38 disparada desde 3 metros de distancia

Impactos

EconomíaLa economía es un tema global importante y en constante cambio. Con esto en mente, los polímeros han revolucionado la industria de todo el mundo. La industria petrolera tiene ganancias de manera significativa, ya que el petróleo crudo es necesario para la producción de polímeros. Después de la recolección y el procesamiento de petróleo, una planta de producción lo convierte en los muchos polímeros comunes que se encuentran en la actualidad. Los polímeros también han proporcionado productos totalmente nuevos, creando industrias que no habrían sido posibles sin estos materiales. Además, los polímeros también han reducido el costo de muchos productos, haciendo que los costos de producción disminuyan y aumenten la rentabilidad en el proceso.

Impacto del aire

El medio ambiente es un tema de creciente importancia, a medida que el impacto humano continúa dañando el planeta. La industria de los polímeros no es una excepción. El mayor daño proviene de la producción de polímeros. La perforación de petróleo y las fábricas siguen afectando el medio ambiente. Para contrarrestar los efectos de estas instalaciones, las empresas han hecho esfuerzos para reducir los residuos y usan menos recursos, como el agua y la energía. Sin embargo, los polímeros pueden ayudar al medio ambiente también. Por una parte, son reciclables, ahorrando espacio en los vertederos. En segundo lugar, su bajo peso ahorra energía durante el transporte, mediante la reducción del uso de combustible. Por último, hacen que los vehículos sean más ligeros, lo que reduciría las emisiones de carbono procedentes de la quema de gas y diésel.

BiopolímerosAunque los seres humanos han tomado medidas para reducir el impacto medioambiental de los polímeros sintéticos, los avances recientes han ido un paso más allá. La producción de polímeros ahora puede tener lugar con materiales totalmente biológicos, haciendo que los productos finales sean biodegradables y renovables, lo que elimina la necesidad del petróleo por parte de la industria. El Almidón, un ingrediente común que se encuentra en el maíz, lapapa y el trigo, se puede utilizar para crear papel, cartón, textiles y adhesivos. El colágeno es una proteína que se encuentra en los mamíferos que también puede convertirse en gelatina para tripas de píldoras, cápsulas e incluso fotografía. La caseína, que se encuentra en la grasa de la leche desnatada, se puede utilizar como adhesivos, revestimientos protectores y aglutinantes. Los poliésteres producidos por ciertas bacterias han demostrado ser útiles para los productos biomédicos.