Los Polímeros (página 2)

El celuloide se fabricaba disolviendo celulosa, un
hidrato de carbono obtenido de las plantas, en una
solución de alcanfor y etanol. Con él se empezaron
a fabricar distintos objetos como mangos de cuchillo, armazones
de lentes y película cinematográfica. Sin
éste, no hubiera podido iniciarse la industria
cinematográfica a fines del siglo XIX. Puede ser ablandado
repetidamente y moldeado de nuevo mediante calor, por lo que
recibe el calificativo de termoplástico.

En 1909 el químico norteamericano de origen belga
Leo Hendrik Baekeland (1863-1944) sintetizó un
polímero de interés comercial, a partir de
moléculas de fenol y formaldehído. Este producto
podía moldearse a medida que se formaba y resultaba duro
al solidificar. No conducía la electricidad, era
resistente al agua y los disolventes, pero fácilmente
mecanizable. Se lo bautizó con el nombre de baquelita (o
bakelita), el primer plástico totalmente sintético
de la historia.

Baekeland nunca supo que, en realidad, lo que
había sintetizado era lo que hoy conocemos con el nombre
de copolímero. A diferencia de los homopolímeros,
que están formados por unidades monoméricas
idénticas (por ejemplo, el polietileno), los
copolímeros están constituidos, al menos, por dos
monómeros diferentes.

Otra cosa que Baekeland desconocía es que el alto
grado de entrecruzamiento de la estructura molecular de la
baquelita le confiere la propiedad de ser un plástico
termoestable, es decir que puede moldearse apenas concluida su
preparación. En otras palabras, una vez que se
enfría la baquelita no puede volver a ablandarse. Esto la
diferencia de los polímeros termoplásticos, que
pueden fundirse y moldearse varias veces, debido a que las
cadenas pueden ser lineales o ramificadas pero no presentan
entrecruzamiento.

Entre los productos desarrollados durante este periodo
están los polímeros naturales alterados, como el
rayón, fabricado a partir de productos de
celulosa.

EVOLUCIÓN

Los resultados alcanzados por los primeros
plásticos incentivaron a los químicos y a la
industria a buscar otras moléculas sencillas que pudieran
enlazarse para crear polímeros. En la década del
30, químicos ingleses descubrieron que el gas etileno
polimerizaba bajo la acción del calor y la presión,
formando un termoplástico al que llamaron polietileno
(PE). Hacia los años 50 aparece el polipropileno
(PP).

Al reemplazar en el etileno un átomo de
hidrógeno por uno de cloruro se produjo el cloruro de
polivinilo (PVC), un plástico duro y resistente al fuego,
especialmente adecuado para cañerías de todo tipo.
Al agregarles diversos aditivos se logra un material más
blando, sustitutivo del caucho, comúnmente usado para ropa
impermeable, manteles, cortinas y juguetes. Un plástico
parecido al PVC es el politetrafluoretileno (PTFE), conocido
popularmente como teflón y usado para rodillos y sartenes
antiadherentes.

Otro de los plásticos desarrollados en los
años 30 en Alemania fue el poliestireno (PS), un material
muy transparente comúnmente utilizado para vasos, potes y
hueveras. El poliestireno expandido (EPS), una espuma blanca y
rígida, es usado básicamente para embalaje y
aislante térmico.

También en los años 30 se crea la primera
fibra artificial, el nylon. Su descubridor fue el químico
Walace Carothers, que trabajaba para la empresa Dupont.
Descubrió que dos sustancias químicas como el
hexametilendiamina y ácido adípico, formaban
polímeros que bombeados a través de agujeros y
estirados formaban hilos que podían tejerse. Su primer uso
fue la fabricación de paracaídas para las fuerzas
armadas estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial,
extendiéndose rápidamente a la industria textil en
la fabricación de medias y otros tejidos combinados con
algodón o lana. Al nylon le siguieron otras fibras
sintéticas como por ejemplo el orlón y el
acrilán.

En la presente década, principalmente en lo que
tiene que ver con el envasado en botellas y frascos, se ha
desarrollado vertiginosamente el uso del tereftalato de
polietileno (PET), material que viene desplazando al vidrio y al
PVC en el mercado de envases.

La Segunda Guerra Mundial. Durante la Segunda
Guerra Mundial, tanto los aliados como las fuerzas del Eje
sufrieron reducciones en sus suministros de materias primas. La
industria de los plásticos demostró ser una fuente
inagotable de sustitutos aceptables. Alemania, por ejemplo, que
perdió sus fuentes naturales de látex,
inició un gran programa que llevó al desarrollo de
un caucho sintético utilizable. La entrada de Japón
en el conflicto mundial cortó los suministros de caucho
natural, seda y muchos metales asiáticos a Estados Unidos.
La respuesta estadounidense fue la intensificación del
desarrollo y la producción de plásticos. El nylon
se convirtió en una de las fuentes principales de fibras
textiles, los poliésteres se utilizaron en la
fabricación de blindajes y otros materiales
bélicos, y se produjeron en grandes cantidades varios
tipos de caucho sintético.

El Auge De La Posguerra. Durante los
años de la posguerra se mantuvo el elevado ritmo de los
descubrimientos y desarrollos de la industria de los
plásticos. Tuvieron especial interés los avances en
plásticos técnicos, como los policarbonatos, los
acetatos y las poliamidas. Se utilizaron otros materiales
sintéticos en lugar de los metales en componentes para
maquinaria, cascos de seguridad, aparatos sometidos a altas
temperaturas y muchos otros productos empleados en lugares con
condiciones ambientales extremas. En 1953, el químico
alemán Karl Ziegler desarrolló el polietileno, y en
1954 el italiano Giulio Natta desarrolló el polipropileno,
que son los dos plásticos más utilizados en la
actualidad. En 1963, estos dos científicos compartieron el
Premio Nobel de Química por sus estudios acerca de los
polímeros.

Características generales de los
plásticos

Los plásticos se caracterizan por una
relación resistencia/densidad alta, unas propiedades
excelentes para el aislamiento térmico y eléctrico
y una buena resistencia a los ácidos, álcalis y
disolventes. Las enormes moléculas de las que están
compuestos pueden ser lineales, ramificadas o entrecruzadas,
dependiendo del tipo de plástico. Las moléculas
lineales y ramificadas son termoplásticas (se ablandan con
el calor), mientras que las entrecruzadas son termoendurecibles
(se endurecen con el calor).

CONCEPTOS

¿Qué Son Los Polímeros? La
materia esta formada por moléculas que pueden ser de
tamaño normal o moléculas gigantes llamadas
polímeros.

Los polímeros se producen por la unión de
cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas
monómeros que forman enormes cadenas de las formas
más diferentes. Algunas parecen fideos, otras tienen
ramificaciones, otras, globos, etc. Algunas se asemejan a las
escaleras de mano y otras son como redes
tridimensionales.

La mayor parte de los polímeros que usamos en
nuestra vida diaria son materiales sintéticos con
propiedades y aplicaciones variadas.

Lo que distingue a los polímeros de los
materiales constituidos por moléculas de tamaño
normal son sus propiedades mecánicas. En general, los
polímeros tienen una muy buena resistencia mecánica
debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen.
Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la
composición química del polímero y pueden
ser de varias clases. Las más comunes, denominadas Fuerzas
de Van der Waals, se detallan a continuación:

Tipos de
polímeros

CONCEPTO Y CLASIFICACIÓN

Un polímero (del griego poly, muchos; meros,
parte, segmento) es una sustancia cuyas moléculas son, por
lo menos aproximadamente, múltiplos de unidades de peso
molecular bajo. La unidad de bajo peso molecular es el
monómero. Si el polímero es rigurosamente uniforme
en peso molecular y estructura molecular, su grado de
polimerización es indicado por un numeral griego,
según el número de unidades de monómero que
contiene; así, hablamos de dímeros,
trímeros, tetrámero, pentámero y sucesivos.
El término polímero designa una combinación
de un número no especificado de unidades. De este modo, el
trióximetileno, es el trímero del
formaldehído, por ejemplo.

Si el número de unidades es muy grande, se usa
también la expresión gran polímero. Un
polímero no tiene la necesidad de constar de
moléculas individuales todas del mismo peso molecular, y
no es necesario que tengan todas la misma composición
química y la misma estructura molecular. Hay
polímeros naturales como ciertas proteínas
globulares y policarbohidratos, cuyas moléculas
individuales tienen todas el mismo peso molecular y la misma
estructura molecular; pero la gran mayoría de los
polímeros sintéticos y naturales importantes son
mezclas de componentes poliméricos homólogos. La
pequeña variabilidad en la composición
química y en la estructura molecular es el resultado de la
presencia de grupos finales, ramas ocasionales, variaciones en la
orientación de unidades monómeras y la
irregularidad en el orden en el que se suceden los diferentes
tipos de esas unidades en los copolímeros. Estas
variedades en general no suelen afectar a las propiedades del
producto final, sin embargo, se ha descubierto que en ciertos
casos hubo variaciones en copolímeros y ciertos
polímeros cristalinos.

Polímeros Isómeros. Los
polímeros isómeros son polímeros que tienen
esencialmente la misma composición de porcentaje, pero
difieren en la colocación de los átomos o grupos de
átomos en las moléculas. Los polímeros
isómeros del tipo vinilo pueden diferenciarse en las
orientaciones relativas (cabeza a cola, cabeza a cabeza, cola a
cola, o mezclas al azar de las dos) de los segmentos consecutivos
(unidades monómeras):

Cabeza a cola

? CH2?? CHX? CH2? CHX? CH2? CHX? CH2? CHX?

Cabeza a cabeza

? CH2? CH2? CHX? CHX? CH2? CH2? CHX? CHX?
CH2?

Y cola a cola o en la orientación de
sustituyentes o cadenas laterales con respecto al plano de la
cadena axial hipotéticamente extendida.

La isomería cis-trans puede ocurrir, y
probablemente ocurre, para cualquier polímero que tenga
ligaduras dobles distintas a las que existen en los grupos vinilo
pendientes (los unidos a la cadena principal).

Homopolímeros y
Copolímeros

Los materiales como el polietileno, el PVC, el
polipropileno, y otros que contienen una sola unidad estructural,
se llaman homopolímeros. Los homopolímeros,
además, contienen cantidades menores de irregularidades en
los extremos de la cadena o en ramificaciones.

Por otro lado los copolímeros contienen varias
unidades estructurales, como es el caso de algunos muy
importantes en los que participa el estireno.

Estas combinaciones de monómeros se realizan para
modificar las propiedades de los polímeros y lograr nuevas
aplicaciones. Lo que se busca es que cada monómero imparta
una de sus propiedades al material final; así, por
ejemplo, en el ABS, el acrilonitrilo aporta su resistencia
química, el butadieno su flexibilidad y el estireno
imparte al material la rigidez que requiera la aplicación
particular.

Evidentemente al variar las proporciones de los
monómeros, las propiedades de los copolímeros van
variando también, de manera que el proceso de
copolimerización permite hasta cierto punto fabricar
polímeros a la medida.

No solo cambian las propiedades al variar las
proporciones de los monómeros, sino también al
variar su posición dentro de las cadenas.

Las mezclas físicas de polímeros, que no
llevan uniones permanentes entre ellos, también
constituyen a la enorme versatilidad de los materiales
poliméricos. Son el equivalente a las aleaciones
metálicas.

En ocasiones se mezclan para mejorar alguna propiedad,
aunque generalmente a expensas de otra. Por ejemplo, el
óxido de polifenilo tiene excelente resistencia
térmica pero es muy difícil procesarlo. El
poliestireno tiene justamente las propiedades contrarias, de
manera que al mezclarlos se gana en facilidad de procedimiento,
aunque resulte un material que no resistirá temperaturas
muy altas. Sin embargo en este caso hay un efecto
sinergístico, en el sentido en que la resistencia
mecánica es mejor en algunos aspectos que a la de
cualquiera de los dos polímeros. Esto no es frecuente,
porque puede ocurrir únicamente cuando existe perfecta
compatibilidad ente los dos polímeros y por regla general
no la hay, así que en la mayoría de los casos debe
agregarse un tercer ingrediente para compatibilizar la mezcla. Lo
que se emplea casi siempre es un copolímero injertado, o
uno de bloque que contenga unidades estructurales de los dos
polímeros. Otras veces, se mezcla simplemente para reducir
el costo de material.

En otros casos, pequeñas cantidades de un
polímero de alta calidad puede mejorar la del otro, al
grado de permitir una nueva aplicación.

Copolímeros y
Terpolímeros

A continuación se citarán los
copolímeros y terpolímeros de mayor
aplicación en la industria:

SAN

Copolímero de estireno-acrilonitrilo en los que
el contenido de estireno varía entre un 65 y 80%. Estos
materiales tienen buena resistencia a los aceites lubricantes, a
las grasas y a las gasolinas.

Asimismo, tiene mejores propiedades de impacto,
tensión y flexión, que los homopolímeros del
estireno. Los copolímeros son transparentes, pero con un
ligero color amarillo que se vuelve más oscuro a medida
que aumenta el contenido en acrilonitrilo. Al mismo tiempo mejora
la resistencia química, la resistencia al agrietamiento
ambiental y la resistencia térmica al aumentar el
porcentaje en acrilonitrilo.

El SAN se usa cuando se requieren partes rígidas,
con buena estabilidad dimensional y buena resistencia
térmica, por ejemplo, en partes de las máquinas
lavaplatos y en piezas para radios o televisores.

Se lo emplea en grandes cantidades en la industria
alimenticia. Los copolímeros con 30% estireno y 70%
acrilonitrilo, son excelentes barreras contra el oxígeno,
el CO2 y la humedad.

ABS

Terpolímero acrilonitrilo-butadieno-estireno. Son
materiales heterogéneos formados por una fase
homogénea rígida y una
elastomérica.

Originalmente se mezclaban emulsiones de los dos
polímeros de SAN y polibutadieno. La mezcla era coagulada
para obtener ABS.

Hoy en día se prefiere polimerizar estireno y
acrilonitrilo en presencia de polibutadieno. De esa manera, una
parte del estireno y del acrilonitrilo se copolimerizan formando
SAN y otra porción se injerta sobre las moléculas
de polibutadieno.

El ABS se originó por la necesidad de mejorar
algunas propiedades del poliestireno de alto impacto. Este
material tiene tres desventajas importantes:

Baja temperatura de ablandamiento.

Baja resistencia ambiental.

Baja resistencia a los agentes
químicos.

La incorporación del acrilonitrilo en la fase
continua, imparte mayor temperatura de ablandamiento y mejora
considerablemente la resistencia química. Sin embargo, la
resistencia ambiental se vuelve todavía menor, pero este
problema se resuelve empleando aditivos. Las propiedades del ABS
son suficientemente buenas para varias aplicaciones:

Artículos moldeados

Artículos extruidos, etc.

Copolímeros
Estireno-Butadieno

Éstos son los hules sintéticos que han
sustituido prácticamente en su totalidad al natural, en
algunas aplicaciones como las llantas para
automóviles.

Los hules sintéticos contienen un 25% de estireno
y un 75% de butadieno; sus aplicaciones incluyen en orden de
importancia:

Llantas

Espumas

Empaques

Suelas para zapatos

Aislamiento de alambres y cables
eléctricos

Mangueras

Los copolímeros de estireno-butadieno con mayor
contenido de butadieno, hasta de 60%, se usan para hacer pinturas
y recubrimientos ahulados. Para mejorar la adhesividad, en
ocasiones se incorpora el ácido acrílico o los
ésteres acrílicos, que elevan la polaridad de los
copolímeros.

OTROS COPOLÍMEROS DEL ESTIRENO.

MBS: Se obtienen injertando metacrilato de metilo
o mezclas de metacrilato y estireno, en las cadenas de un hule de
estireno-butadieno.

Acrílicos: Copolímeros de
metacrilato-butilacrilato-estireno o de
metacrilato-hexilacrilato-estireno.

Otros copolímeros importantes del estireno, se
realizan polimerizando en suspensión, estireno en
presencia de divinil-benceno, para obtener materiales
entrecruzados, que por sulfonación y otras reacciones
químicas se convierten en las conocidas resinas de
intercambio iónico.

Poliestireno de Alto Impacto

Para hacer este material, se dispersa un
elastómero en una matriz que puede ser de poliestireno o
de algunos de sus copolímeros.

Las variables importantes de la fase continua
son:

Distribución de pesos moleculares.

Composición, cuando se trata de un
copolímero.

Las variables importantes de la fase elastomérica
son:

Número, tamaño, distribución de
tamaños y formas de las partículas
dispersadas.

Composición, si es un
copolímero.

Grado de entrecruzamiento en el
elastómero.

Existen dos procedimientos para obtener poliestireno de
alto impacto:

Mezclar poliestireno directamente con el
elastómero.

Mezclar estireno, el elastómero, el catalizante y
el acelerante y se produce la polimerización.

CPE

Los polietilenos clorados se obtienen clorando
polietileno de alta densidad con 30% a 40% de cloro. Tienen baja
cristalinidad y baja temperatura de transición
vítrea. Un nivel de cloro del 36% resultó
experimentalmente para un buen balance al
impacto-dispersabilidad-procesabilidad.

EVA

Copolímero del etileno y acetato de vinilo con
30% a 50% del acetato, posee propiedades
elastoméricas.

CLORURO DE POLIVINILO (PVC)

Este polímero se obtiene polimerizando el cloruro
de vinilo. Existen dos tipos de cloruro de polivinilo, el
flexible y el rígido. Ambos tienen alta resistencia a la
abrasión y a los productos químicos. Pueden
estirarse hasta 4 veces y se suele copolimerizar con otros
monómeros para modificar y mejorar la calidad de la
resina. Las resinas de PVC casi nunca se usan solas, sino que se
mezclan con diferentes aditivos.

El PVC flexible se destina para hacer manteles, cortinas
para baño, muebles, alambres y cables eléctricos;
El PVC rígido se usa en la fabricación de
tuberías para riego, juntas, techado y
botellas.

POLIESTIRENO (PS)

El poliestireno (ps) es el tercer termoplástico
de mayor uso debido a sus propiedades y a la facilidad de su
fabricación. Posee baja densidad, estabilidad
térmica y bajo costo. El hecho de ser rígido y
quebradizo lo desfavorecen. Estas desventajas pueden remediarse
copolimerizándolo con el acrilonitrilo (más
resistencia a la tensión).

Es una resina clara y transparente con un amplio rango
de puntos de fusión. Fluye fácilmente, lo que
favorece su uso en el moldeo por inyección; Posee buenas
propiedades eléctricas, absorbe poco agua (buen aislante
eléctrico), resiste moderadamente a los químicos,
pero es atacado por los hidrocarburos aromáticos y los
clorados. Se comercializa en tres diferentes formas y
calidades:

De uso común, encuentra sus principales
aplicaciones en los mercados de inyección y
moldeo.

ESTIRENO-ACRILONITRILO (SAN)

Este copolímero tiene mejor resistencia
química y térmica, así como mayor rigidez
que el poliestireno. Sin embargo no es transparente por lo que se
usa en artículos que no requieren claridad óptica.
Algunas de sus aplicaciones son la fabricación de
artículos para el hogar.

Resinas Termofijas

Estos materiales se caracterizan por tener cadenas
poliméricas entrecruzadas, formando una resina con una
estructura tridimensional que no se funde. Polimerizan
irreversiblemente bajo calor o presión formando una masa
rígida y dura. Las uniones cruzadas se pueden obtener
mediante agentes que las provoquen, como en el caso de la
producción de las resinas epóxicas.

Los polímeros termofijos pueden reforzarse para
aumentar su calidad, dureza y resistencia a la corrosión.
El material de refuerzo más usado es la fibra de vidrio
(la proporción varían entre 20-30%) El 90% de las
resinas reforzadas son de poliéster.

Cuando se hace reaccionar un glicol y un isocianato con
más de dos grupos funcionales, se forma un polímero
termofijo

Poliuretanos

Los poliuretanos pueden ser de dos tipos, flexibles o
rígidos, dependiendo del poliol usado. Los flexibles se
obtienen cuando el di-isocianato se hace reaccionar con diglicol,
triglicol, poliglicol, o una mezcla de éstos; Los
poliuretanos rígidos se consiguen utilizando trioles
obtenidos a partir del glicerol y el óxido de propileno.
El uso más importante del poliuretano flexible es el
relleno de colchones.

En el pasado, las defensas de los autos se hacían
de metal; actualmente se sustituyeron por uretano
elastomérico moldeado, el mismo material usado para los
volantes, defensas y tableros de instrumentos, puesto que resiste
la oxidación, los aceites y la abrasión. Otros
usos: bajo alfombras, recubrimientos, calzado, juguetes y
fibras.

Por su resistencia al fuego se usa como aislante de
tanques, recipientes, tuberías y aparatos
domésticos como refrigeradores y congeladores.

Urea, Resinas y Melamina

La urea se produce con amoníaco y bióxido
de carbono; La melamina está constituida por tres
moléculas de urea. Tanto la urea como la melamina tienen
propiedades generales muy similares, aunque existe mucha
diferencia en sus aplicaciones. A ambas resinas se les conoce
como aminorresinas. Estos artículos son claros como el
agua, fuertes y duros, pero se pueden romper. Tienen buenas
propiedades eléctricas.

Se usan principalmente como adhesivos para hacer madera
aglomerada, gabinetes para radio y botones. Las resinas
melamina-formaldehído se emplean en la fabricación
de vajillas y productos laminados que sirven para cubrir muebles
de cocina, mesas y escritorios.

Resinas Fenólicas

La reacción entre el fenol y el
formaldehído tiene como resultado las resinas
fenólicas o fenoplast. Existen dos tipos de resinas
fenólicas, los resols y el novolac.

Los resols se obtienen cuando se usa un catalizador
básico en la polimerización. El producto tiene
uniones cruzadas entre las cadenas que permiten redes
tridimensionales Termofijas. El novolac se hace usando
catalizadores ácidos. Aquí las cadenas no tienen
uniones cruzadas por lo que el producto es permanentemente
soluble y fundible.

Las propiedades más importantes de los termofijos
fenólicos son su dureza, su rigidez y su resistencia a los
ácidos. Tienen excelentes propiedades aislantes y se
pueden usar continuamente hasta temperaturas de 150'C. Se usan
para producir controles, manijas, aparatos, pegamentos,
adhesivos, material aislante., laminados para edificios, muebles,
tableros y partes de automóviles. Estas resinas son las
más baratas y las más fáciles de moldear.
Pueden reforzarse con aserrín de madera, aceites y fibra
de vidrio. Las tuberías de fibra de vidrio con resinas
fenólicas pueden operar a 150'C y presiones de 10
kg/cm².

Resinas Epóxicas

Casi todas las resinas epóxicas comerciales se
hacen a partir del bisfenol A (obtenido a partir del fenol y la
acetona), y la epiclorhidrina (producida a partir del alcohol
alílico). Sus propiedades más importantes son: alta
resistencia a temperaturas hasta de 500°C, elevada adherencia
a superficies metálicas y excelente resistencia a los
productos químicos. Se usan principalmente en
recubrimientos de latas, tambores, superficies de acabado de
aparatos y como adhesivo.

Resinas Poliéster

Estas resinas se hacen principalmente a partir de los
anhídridos maleico y ftálico con propilenglicol y
uniones cruzadas con estireno. E uso de estas resinas con
refuerzo de fibra de vidrio ha reemplazado a materiales como los
termoplásticos de alta resistencia, madera, acero al
carbón, vidrio y acrílico, lámina, cemento,
yeso, etc.

Las industrias que más la utilizan son la
automotriz, marina y la construcción. Las resinas de
poliéster saturado se usan en las lacas para barcos, en
pinturas para aviones y en las suelas de zapatos.

Procesos de
polimerización

Existen diversos procesos para unir moléculas
pequeñas con otras para formar moléculas grandes.
Su clasificación se basa en el mecanismo por el cual se
unen estructuras monómeras o en las condiciones
experimentales de reacción.

La mayor parte de los polímeros orgánicos
se obtiene por reacciones de condensación o de
adición. En la reacción de condensación, los
monómeros se combinan con la formación y
pérdida de moléculas pequeñas, como agua,
alcohol, etc. Por ejemplo, en la formación de una
poliamida.

En las reacciones de adición, varias unidades
monoméricas se unen, en presencia de un catalizador, como
resultado de la reorganización de los enlaces C=C de cada
una de ellas. Por ejemplo, en la formación del
polietileno.

El caucho natural, constituido por cadenas de
poli-cis-isopreno, es un ejemplo de polímero de
adición formado por unidades de cis-isopreno o metil-1,3
butadieno. Otro polímero natural del isopreno es el
poli-trans-isopreno o gutapercha, el cual se utiliza para
recubrir cables submarinos, pelotas de golf,
etcétera.

La polimerización puede efectuarse por distintos
métodos o Mecanismos:

Polimerización por
adición

Adición de moléculas pequeñas de un
mismo tipo unas a otras por apertura del doble enlace sin
eliminación de ninguna parte de la molécula
(polimerización de tipo vinilo).

Adición de pequeñas moléculas de un
mismo tipo unas a otras por apertura de un anillo sin
eliminación de ninguna parte de la molécula
(polimerización tipo epóxido).

Adición de pequeñas moléculas de un
mismo tipo unas a otras por apertura de un doble enlace con
eliminación de una parte de la molécula
(polimerización alifática del tipo
diazo).

Adición de pequeñas moléculas unas
a otras por ruptura del anillo con eliminación de una
parte de la molécula (polimerización del tipo ?
-aminocarboxianhidro).

Adición de birradicales formados por
deshidrogenación (polimerización tipo
p-xileno).

Polimerización por
Condensación

Formación de poliésteres, poliamidas,
poliéteres, polianhidros, etc., por eliminación de
agua o alcoholes, con moléculas bifuncionales, como
ácidos o glicoles, diaminas, diésteres entre otros
(polimerización del tipo poliésteres y
poliamidas).

Formación de polihidrocarburos, por
eliminación de halógenos o haluros de
hidrógeno, con ayuda de catalizadores metálicos o
de haluros metálicos (poli tópico del tipo de
Friedel-Craffts y Ullmann).

Formación de polisulfuros o poli-polisulfuros,
por eliminación de cloruro de sodio, con haluros
bifuncionales de alquilo o arilo y sulfuros alcalinos o
polisulfuros alcalinos o por oxidación de dimercaptanos
(policondensación del tipo Thiokol).

Propiedades
mecánicas

Hablamos mucho de polímeros "resistentes" (o
"fuertes"), "duros", y hasta "dúctiles". La resistencia,
la dureza y la ductilidad son propiedades mecánicas.
¿Pero qué significan en realidad estas palabras?
¿Cómo podemos determinar lo "resistente" que es un
polímero? ¿Qué diferencia existe entre un
polímero "resistente" y un polímero
"duro"?

Resistencia

La resistencia es una propiedad mecánica que
usted podría relacionar acertadamente, pero no
sabría con exactitud qué es lo que queremos
significar con la palabra "resistencia" cuando hablamos de
polímeros. En primer lugar, existen varios tipos de
resistencia. Está la resistencia ténsil. La
resistencia ténsil es importante para un material que va a
ser extendido o va a estar bajo tensión. Las fibras
necesitan tener buena resistencia ténsil.

Luego está la resistencia a la compresión.
El concreto es un ejemplo de material con buena resistencia a la
compresión. Cualquier cosa que deba soportar un peso
encima, debe poseer buena resistencia a la
compresión.

También está la resistencia a la
flexión. Existen otras clases de resistencia de las que
podríamos hablar. Un polímero tiene resistencia a
la torsión si es resistente cuando es puesto bajo
torsión. También está la resistencia al
impacto. Una muestra tiene resistencia al impacto si es fuerte
cuando se la golpea agudamente de repente, como con un
martillo.

¿Pero qué significa ser resistente?
Tenemos una definición bien precisa. Emplearemos la
resistencia ténsil para ilustrarlo. Para medir la
resistencia ténsil de una muestra polimérica,
tomamos la muestra y tratamos de estirarla Generalmente la
estiramos con una máquina llamada Instron. Esta
máquina simplemente sujeta cada extremo de la muestra y
luego procede a estirarla. Mientras dura el estiramiento de la
muestra, va midiendo la fuerza (F) que está ejerciendo.
Cuando conocemos la fuerza que se está ejerciendo sobre la
muestra, dividimos ese número por el área (A) de la
muestra. El resultado es la tensión que está
experimentando la muestra.

Luego, usando nuestra máquina, seguimos
incrementando la fuerza, y obviamente la tensión, sobre la
muestra hasta que ésta se rompe. La tensión
requerida para romper la muestra representa la resistencia
ténsil del material.

Asimismo, podemos imaginar ensayos similares para medir
la resistencia a la compresión o a la flexión. En
todos los casos, la resistencia es la tensión necesaria
para romper la muestra.

Puesto que la resistencia ténsil es la fuerza
aplicada sobre la muestra dividida por el área de la
misma, tanto la tensión como la resistencia ténsil
se miden en unidades de fuerza por unidad de área,
generalmente N/cm2. La tensión y la resistencia
también pueden ser medidas en megapascales (MPa) o
gigapascales (GPa). Resulta sencilla la conversión entre
diferentes unidades, ya que 1 MPa = 100 N/cm2, 1 GPa = 100.000
N/cm2, y obviamente, 1 GPa = 1.000 MPa. Otras veces, la
tensión y la resistencia se miden en las viejas unidades
del sistema inglés, libras por pulgada cuadrada, o psi.
Para convertir psi a N/cm2, el factor de conversión es 1
N/cm2 = 1.45 psi.

Elongación

Pero las propiedades mecánicas de un
polímero no se remiten exclusivamente a conocer
cuán resistente es. La resistencia nos indica
cuánta tensión se necesita para romper algo. Pero
no nos dice nada de lo que ocurre con la muestra mientras estamos
tratando de romperla. Ahí es donde corresponde estudiar el
comportamiento de elongación de la muestra
polimérica. La elongación es un tipo de
deformación. La deformación es simplemente el
cambio en la forma que experimenta cualquier cosa bajo
tensión. Cuando hablamos de tensión, la muestra se
deforma por estiramiento, volviéndose más larga.
Obviamente llamamos a ésto elongación.

Por lo general, hablamos de porcentaje de
elongación, que es el largo de la muestra después
del estiramiento (L), dividido por el largo original (L0), y
multiplicado por 100.

Existen muchas cosas relacionadas con la
elongación, que dependen del tipo de material que se
está estudiando. Dos mediciones importantes son la
elongación final y la elongación
elástica.

La elongación final es crucial para todo tipo de
material. Representa cuánto puede ser estirada una muestra
antes de que se rompa. La elongación elástica es el
porcentaje de elongación al que se puede llegar, sin una
deformación permanente de la muestra. Es decir,
cuánto puede estirársela, logrando que ésta
vuelva a su longitud original luego de suspender la
tensión. Esto es importante si el material es un
elastómero. Los elastómeros tienen que ser capaces
de estirarse bastante y luego recuperar su longitud original. La
mayoría de ellos pueden estirarse entre el 500% y el 1000%
y volver a su longitud original son inconvenientes.

Módulo

Los elastómeros deben exhibir una alta
elongación elástica. Pero para algunos otros tipos
de materiales, como los plásticos, por lo general es mejor
que no se estiren o deformen tan fácilmente. Si queremos
conocer cuánto un material resiste la deformación,
medimos algo llamado módulo. Para medir el módulo
ténsil, hacemos lo mismo que para medir la resistencia y
la elongación final. Esta vez medimos la resistencia que
estamos ejerciendo sobre el material, tal como procedimos con la
resistencia ténsil. Incrementamos lentamente la
tensión y medimos la elongación que experimenta la
muestra en cada nivel de tensión, hasta que finalmente se
rompe. Luego graficamos la tensión versus
elongación, de este modo:

Este gráfico se denomina curva de
tensión-estiramiento. (Estiramiento es todo tipo de
deformación, incluyendo la elongación.
Elongación es el término que usamos cuando hablamos
específicamente de estiramiento ténsil). La altura
de la curva cuando la muestra se rompe, representa obviamente la
resistencia ténsil, y la pendiente representa el
módulo ténsil. Si la pendiente es pronunciada, la
muestra tiene un alto módulo ténsil, lo cual
significa que es resistente a la deformación. Si es suave,
la muestra posee bajo módulo ténsil y por lo tanto
puede ser deformada con facilidad.

En general, las fibras poseen los módulos
ténsiles más altos, y los elastómeros los
más bajos, mientras que los plásticos exhiben
módulos ténsiles intermedios.

El módulo se mide calculando la tensión y
dividiéndola por la elongación. Pero dado que la
elongación es adimensional, no tiene unidades por cual
dividirlas. Por lo tanto el módulo es expresado en las
mismas unidades que la resistencia, es decir, en
N/cm2.

Dureza

El gráfico de tensión versus estiramiento
puede darnos otra valiosa información. Si se mide el
área bajo la curva tensión-estiramiento, el
número que se obtiene es algo llamado dureza.

La dureza es en realidad, una medida de la
energía que una muestra puede absorber antes de que se
rompa. Dado que la resistencia es proporcional a la fuerza
necesaria para romper la muestra y el estiramiento es medido en
unidades de distancia (la distancia que la muestra es estirada),
entonces resistencia por estiramiento es proporcional a fuerza
por distancia, y según recordamos de la física,
fuerza por distancia es energía.

¿En qué se diferencia la dureza de la
resistencia? Desde el punto de vista físico, la
respuesta es que la resistencia nos dice cuánta fuerza es
necesaria para romper una muestra, y la dureza nos dice
cuánta energía hace falta para romper una muestra.
Pero en realidad no nos dice cuáles son las diferencias
desde el punto de vista práctico.

Lo importante es saber que justamente, dado que un
material es resistente, no necesariamente debe ser
duro.

De modo que cuando diseñamos nuevos
polímeros o nuevos compósitos, a menudo
sacrificamos un poco de resistencia con el objeto de conferirle
al material mayor dureza.

Propiedades
mecánicas de los polímeros reales

Hemos estados hablando en forma abstracta durante
bastante tiempo, de modo que ahora sería una buena idea
hablar sobre los polímeros que exhiben ese tipo de
comportamiento mecánico, es decir, qué
polímeros son resistentes, cuáles son duros,
etc.

De modo que resulta sencillo comprobar que los
plásticos rígidos tienen módulos elevados.
Resumiendo, los plásticos rígidos tienden a ser
resistentes, soportan la deformación, pero no suelen ser
duros, es decir, son quebradizos.

Los plásticos flexibles como el polietileno y el
polipropileno difieren de los plásticos rígidos en
el sentido que no soportan tan bien la deformación, pero
tampoco tienden a la ruptura. El módulo inicial es
elevado, o sea que resisten por un tiempo la deformación,
pero si se ejerce demasiada tensión sobre un
plástico flexible, finalmente se deformará. Usted
puede comprobar esto en su casa con una bolsa plástica. Si
la estira, será difícil al comienzo, pero una vez
que la ha estirado lo suficiente, lo hará cada vez con
mayor facilidad. Como conclusión, podemos decir que los
plásticos flexibles pueden no ser tan resistentes como los
rígidos, pero son mucho más duros.

Es posible alterar el comportamiento
tensión-estiramiento de un plástico con aditivos
denominados plastificantes. Un plastificante es una
molécula pequeña que hace más flexible al
plástico. Por ejemplo, sin plastificantes, el poli(cloruro
de vinilo), o PVC, es un plástico rígido, que se
usa tal cual para cañerías de agua. Pero con
plastificantes, el PVC puede ser lo suficientemente flexible como
para fabricar juguetes inflables para piletas de
natación.

Las fibras como el KevlarTM, la fibra de carbono y el
nylon tienden a exhibir curvas tensión estiramiento como
la de color celeste que se ve en el gráfico de arriba. Al
igual que los plásticos rígidos, son más
resistentes que duras, y no se deforman demasiado bajo
tensión. Pero cuando es resistencia lo que se requiere,
las fibras tienen mucho que ofrecer. Son mucho más
resistentes que los plásticos, aún los
rígidos, y algunas fibras poliméricas como el
KevlarTM, la fibra de carbono y el polietileno de peso molecular
ultra-alto poseen mejor resistencia ténsil que el
acero.

Los elastómeros como el poliisopreno, el
polibutadieno y el poliisobutileno muestran un comportamiento
mecánico completamente diferente al de los otros tipos de
materiales. Si los elastómeros no tuvieran módulos
bajos, no serían buenos elastómeros. Para que un
polímero sea un elastómero, le hace falta algo
más que tener módulo bajo. El hecho de ser
fácilmente estirado no le da demasiada utilidad, a menos
que el material pueda volver a su tamaño y forma original
una vez que el estiramiento ha terminado. Las banditas de goma no
servirían de nada si sólo se estiraran y no
recobraran su forma original. Obviamente, los elastómeros
recobran su forma y eso los hace tan sorprendentes. No poseen
sólo una elevada elongación, sino una alta
elongación reversible.

Más Allá de las Propiedades
ténsiles. Cuando tratamos con otras propiedades, como
las de compresión o flexión, las cosas pueden ser
totalmente distintas. Por ejemplo, las fibras poseen alta
resistencia ténsil y también buena resistencia a la
flexión, pero por lo general exhiben una desastrosa
resistencia a la compresión. Además tienen buena
resistencia ténsil sólo en la dirección de
las fibras.

Combinando Cualidades.

Uno puede sacrificar la resistencia en favor de la
dureza, por ejemplo. Pero a veces podemos combinar dos
polímeros con diferentes propiedades para obtener un nuevo
material con las propiedades de ambos por separado. Existen tres
formas de hacer esto, que son la copolimerización, el
mezclado, y la obtención de compósitos.

El Spandex es un ejemplo de un copolímero que
combina las propiedades de dos materiales. Es un
copolímero que contiene bloques de polioxietileno
elastómero y bloques de un poliuretano, precursor de
fibras rígidas. El resultado es una fibra que se estira.
El Spandex es empleado para la confección de ropa de
gimnasia, como los pantalones para ciclismo.

El polietileno de alto-impacto, es una mezcla que
combina las propiedades de dos polímeros, el etileno y el
polibutadieno. El polietileno es un plástico
rígido. Cuando se lo agrega a un elastómero, como
el polibutadieno, forma una mezcla de fases separadas, que tiene
la resistencia del polietileno y la dureza aportada por el
polibutadieno. Por esta razón es mucho menos quebradizo
que el polietileno puro.

En el caso de un material compuesto, generalmente
empleamos una fibra para reforzar un termorrígido. Los
termorrígidos son materiales entrecruzados cuyo
comportamiento tensión-estiramiento es a menudo similar al
de los plásticos. La fibra incrementa la resistencia
ténsil del compuesto, en tanto que el termorrígido
le confiere dureza y resistencia a la
compresión.

Conclusiones

Gracias al anterior trabajo hemos conocido un poco
más a fondo un mundo desconocido y muy interesante para
nosotros… el de los polímeros.

También aprendimos el significado de la palabra
"polímero", la importancia de estos en la vida real (para
nosotros) y como se clasifican.

Como pudimos observar los polímeros constituyen
la mayor parte de las cosas que nos rodean, estamos en contacto
con ellos todos los días e incluso nosotros mismos estamos
compuestos casi en nuestra totalidad de estas, tan variadas
macromoléculas, como por ejemplo: las proteínas,
ácidos nucleicos, carbohidratos, etc.

Estos tienen 2 clasificaciones importantes: según
su estructura molecular (homopolimeros y copolimeros), y el
elemento base en su cadena principal (orgánicos e
inorgánicos). Transmitimos también unos esquemas
muy interesantes respecto a los lugares donde se encuentran los
polímeros mas usuales (como plásticos
principalmente), como se dividen los "polímeros
plásticos, fibras, y derivados", y cuales son sus formas
de polimerizacion y sintetización, pero realmente no
quisimos ahondar mas en este tema, debido a la complejidad del
mismo, pues preferimos hacer una carpeta entendible y bien
estructurada para no complicarnos con cosas mas elaboradas y que
ni siquiera entendemos bien.

También apreciamos las diversas manifestaciones
de los polímeros y que constituyen además unos
compuestos muy importantes en algunas áreas, a parte de
nuestros cuerpos como lo son las poliamidas, las cuales se
utilizan como aislante de calor o fuego, la silicona que es un
adhesivo de gran ayuda en la vida cotidiana, el polietileno que
es el plástico más común y más usado
en la actualidad, etc.

Es aquí donde debemos tomar conciencia de que
este material tan práctico, útil y barato puede, y
de hecho lo esta haciendo, causar estragos a nuestro planeta. Al
ser la mayoría materiales derivados del petróleo,
su biodegradabilidad esta bastante comprometida y al arrojarlo
junto con los residuos domiciliarios de todos los días,
contribuimos en mayor o menor grado a la contaminación del
planeta.

Afortunadamente algunas personas del mundo,
principalmente los habitantes de países desarrollados, han
comenzado a tomar conciencia de los riesgos que puede acarrear el
uso descontrolado de este tipo de materiales; concientizados han
comenzado a reemplazar las bolsas plásticas por unas
prácticas bolsas de papel madera, prefieren comprar
envases de vidrio reciclables en vez de los molestos envases
plásticos que, una vez consumido el contenido, resultan
inútiles.

Con esta conclusión damos por terminado nuestro
trabajo, el cual nos ha sido de gran ayuda para conocer
más sobre las macromoléculas llamadas
"POLIMEROS".

Bibliografía

SEARS Fernand.Química
contemporánea

Buena vista.

1996.

MICROSOFT.Enciclopedia "Encarta '98"

Polímeros, macromoléculas,
clasificación.

1998.

B.Z.Jang. Composición Avanzada de
Polímeros

1º Edición: 1992

1994

ODIAN;George .Principios de
Polimerización

1º Edición: 1989

1991

Cuadros y Estadísticas de la Universidad de
México, Año 1983

Información extraída de
http://members.tripod.com/~vecom

Información extraída de
http://www.ubbi.com, empleando como "motor de búsqueda"
polímeros+propiedades+mecánicas

Autor:

Edwin A. Piedrahita M.

José D. Gómez
E.

Ing. David Pérez

INSTITUNO NACIONAL UNIVERSITARIO DE LA
PAZ

BARRANCABERMEJA

2005