EL MUNDO DE LOS POLIMEROS

1. POLIMEROS

Polímeros: del griego polys (muchos) + meros(parte).

Molécula muy grande (macromolécula) constituida por la unión repetida de muchas unidades moleculares pequeñas (monómeros), generalmente orgánicas, unidas entre si por enlaces covalentes y que se formó por reacciones de polimerización.

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.

Por ejemplo:

Polietileno = etileno-etileno-etileno-etileno-etileno-……

1.1 IMPORTANCIA DE LOS POLIMEROS POR SUS APLICACIONES Y USOS

Los polímeros son de gran importancia y se les dan los más diversos usos. Su importancia ha estado presente desde las épocas más primitivas, donde el hombre encontraba la forma de tratamiento de polímeros a fin de curtir las pieles de animales y poder convertirlas en cuero, teñir lanas y tejer todo tipo de fibras naturales, etc.

Desde la única tecnología de punta que ha existido (el condón) hasta la industria ciberespacial y aeroespacial, pasando por los biopolímeros, estos materiales se han posicionado plausiblemente en el desarrollo tecnológico de la humanidad.

El desarrollo de las tecnologías a favor de la producción de polímeros sintéticos comenzó en 1828 con Friedrich Wöhler, un químico y médico alemán que logró sintetizar urea a partir de compuestos inorgánicos. A partir de ahí se realizaron grandes avances como la fabricación del caucho vulcanizado y la combinación de celulosa con ácido nítrico. Sin embargo, en 1850, otro alemán, llamado August Kekulé Von Stradonitzlogró concretar las fórmulas estructurales utilizadas hasta nuestros días.

La industria de los polímeros sintéticos, en la actualidad crece con mucha fuerza, ya que sin ellos, nuestra calidad de vida se vería francamente disminuida. Lo anterior, debido a que existen polímeros sintéticos de uso tan importante y cotidiano como el PVC, que en su producción requiere de bajos montos de materia prima y recursos materiales.

1.2 CLASIFICACION DE LOS POLIMEROS

Los polímeros pueden clasificarse de diferentes maneras, y a su vez, esas clasificaciones, pueden subdividirse en otras.

De acuerdo a su origen: Naturales y sintéticos.

POLIMEROS NATURALES

Los polímeros naturales son todos aquellos que provienen de los seres vivos, y por lo tanto, dentro de la naturaleza podemos encontrar una gran diversidad de ellos. Las proteínas, los polisacáridos, los ácidos nucleicos son todos polímeros naturales que cumplen funciones vitales en los organismos y por tanto se les llama biopolímeros.Otros ejemplos son la seda, el caucho, el algodón, la madera (celulosa), la quitina, etc.…

POLIMEROS SINTETICOS

Los polímeros sintéticos son los que se obtienen por síntesis ya sea en una industria o en un laboratorio, y están conformados a base de monómeros naturales, mientras que los polímeros semi-sintéticos son resultado de la modificación de un monómero natural. El vidrio, la porcelana, el nailon, el rayón, los adhesivos son ejemplos de polímeros sintéticos, mientras que la nitrocelulosa o el caucho vulcanizado, lo son de polímeros semi-sintéticos.

2. ESTRUCTURA QUIMICA DE LOS POLIMEROS

La estructura química hace referencia a la construcción de la molécula original, en el cual se estudia el efecto de la naturaleza de los átomos que constituyen en la cadena principal y los sustituyentes de la mismas, las uniones entre los monómeros, el peso molecular y su distribución; así como, el efecto de las ramificaciones o entrecruzamientos en la cadena principal. De igual manera las diferentes configuraciones que pueden adoptar los sustituyentes de la cadena principal condicionan las propiedades de los polímeros y son parte de su estructura química.

MONOMERO

Un monómero (del griego mono, ‘uno’, y meros, ‘parte’) es una molécula de pequeña masa molecular que unida a otros monómeros, a veces cientos o miles, por medio de enlaces químicos, generalmente covalentes, forman macromoléculas llamadas polímeros.

POLIMERO

Polímeros: del griego polys (muchos) + meros (parte).

Molécula muy grande (macromolécula) constituida por la unión repetida de muchas unidades moleculares pequeñas (monómeros), generalmente orgánicas, unidas entre si por enlaces covalentes y que se formó por reacciones de polimerización.

2.1 GRUPOS FUNCIONALES PRESENTES EN LA ESTRUCUTRA DE LOS MONOMEROS Y SU

REACTIVIDAD

Los grupos funcionales que pueden estar involucrados en este tipo de monómeros son:

1. Grupos carboxilos (Ej.: Ácidos acrílico y metacrílico). Comentados más abajo

2. Grupos epoxi (Ej. De monómeros tales como glicidil metacrilato). Usualmente son utilizados para mejorar la resistencia química, la dureza del film, la resistencia química y la resistencia a l calor y a la abrasión.

3. Derivados de acrilamida (Ej.: N-Metilolacrilamida). Este tipo de monómeros es usualmente utilizados en proporciones de 1 a 7% y generan la incorporación de sitios de reticulación dentro de las partículas del látex. Puede sufrir reticulación vía puente hidrógeno a temperatura ambiente, como así también, pueden ser reticulados a temperatura más elevada (120 –150°C) con formación de enlaces covalentes entre distintos grupos N-Metilol presentes en la cadena.

4. Cloruros (Ej: Cloruro de vinilbencilo). Son monómeros con sitios electrofílicos que pueden ser reaccionados post-polimerización con nucleófilostales como aminas, mercaptanos, etc.

5. Grupos isocianato (Ej: TMI). Estos grupos pueden ser reticulados postpolimerización , mediante grupos amino o hidroxilo , o bien reticular durante el proceso de formación del film.

6. Grupos amino (Ej: de monómeros funcionales como dietilaminoetilmetacrilato)

7. Grupos sulfonato (Ej:estireno sulfonato de sodio)

8. Grupos hidroxilo (Ej: 2-hidroxietilmetacrilato)

Los monómeros que contienen carboxilos se introducen a menudo para actuar como sitio para las reacciones de reticulación de la post-polimerización, modificación reológica del polímero en dispersión o para realizar la estabilidad coloidal de las partículas de látex.

Estos grupos tienden a mejorar la estabilidad mecánica, de cizallamiento y congelamiento -descongelamiento del látex, para mejorar la tolerancia para con los electrolitos, para mejorar la dureza de la película y la adherencia de una película de látex a un substrato.

Los grupos carboxilos son capaces de formar enlaces hidrógeno y enlaces covalentes y pueden ser reticulados iónicamente.

Los ácidos acrílico y metacrílico son los más usualmente utilizados, ambos son muy solubles en agua y presentan una gran tendencia a la autoreticulación.

3. ¿CÓMO SE OBTIENEN LOS POLÍMEROS SINTÉTICOS?

Sintéticos: elaborados por el hombre.

Los polímeros sintéticos surgen al obtener el plástico llamado bakelita. La mayor parte de los polímeros se obtienen a partir del petróleo. Algunos polímeros que se obtienen son:

Estos polímeros sintéticos son creados para funciones especificas y poseen características para cumplir estas mismas.

3.1 REACCIONES DE ADICIÓN Y CONDENSACIÓN

POLÍMEROS SINTÉTICOS

REACCIÓN DE ADICIÓN

Resultan de la adición consecutiva de monómeros a una cadena sin pérdida de átomos o grupos en el proceso. De hecho, el compuesto que experimenta la polimerización es un compuesto orgánico que presenta enlaces múltiples (dobles o triples). El mecanismo de la polimerización por adición puede iniciarse por la acción de un anión, de un catión o de radicales libres.

REACCIÓN DE CONDENSACIÓN

Los polímeros formados por una típica reacción de condensación orgánica en donde se libera una pequeña molécula, son conocidos como polímeros de condensación o por etapas. En cada paso de la síntesis de un polímero de condensación una pequeña molécula, usualmente el agua, se separa.

3.2 CLASIFICACIÓN DE POLÍMEROS EN COPOLÍMEROS Y

HOMOPOLÍMEROS

Los materiales como el polietileno, el PVC, el polipropileno, y otros que contienen una sola unidad estructural, se llaman homopolímeros. Los homopolímeros, a demás, 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

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. Así, existen los siguientes tipos de copolímeros.

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.

4. PROPIEDADES DE LOS POLÍMEROS

Propiedades Reológicas.

1. Distribución de Pesos Moleculares (DPM)

La distribución de pesos moleculares (DPM), es una medida de la proporción en número (o en peso) de moléculas de diferentes pesos moleculares que componen una muestra de resina polimérica. En otras palabras, la DPM indica la variación en el tamaño de las cadenas moleculares. Si las moléculas presentan longitudes de cadena diferentes, la distribución es amplia. En el caso de longitudes de cadena similares, la distribución es estrecha. Este último caso es típico del polipropileno obtenido vía reología controlada

Indice de Fluidez (IF)

El índice de fluidez (IF) es una medida de la capacidad de flujo de la resina bajo condiciones controladas y se puede medir fácilmente con un equipo denominado plastómetro, utilizando velocidades de deformación muy bajas, una temperatura de 230 °C y un peso de 2.16 Kg, de acuerdo a la Norma ASTM D 1238. Esta variable se relaciona inversamente con la viscosidad y el peso molecular (PM), es decir, a medida que aumenta el índice de fluidez de la resina, se obtiene una disminución en la viscosidad y el peso molecular.

Propiedades Físicas

1. Densidad (ρ)

La densidad es la medida de peso por unidad de

volumen de un material a 23 °C.

Propiedades Mecánicas

Por otro lado están las propiedades mecánicas, dentro de las cuales se tienen: la tensión que indica la resistencia del material y al realizar dicho ensayo se obtienen los siguientes parámetros: módulo elástico, elongación, resistencia a la fluencia y la resistencia a la ruptura; la flexión que también involucra la resistencia del material para determinar el módulo de flexión y la resistencia a la flexión; la dureza que es la resistencia que opone un material a ser penetrado o rayado.Los materiales poliméricos presentan 3 tipos distintos de comportamiento esfuerzo-deformación: frágil, dúctil y totalmente elástico. En los polímeros, el módulo de elásticidad, resistencia a la tracción y ductilidad se determina de la misma forma que en las aleaciones metálicas.

Propiedades Térmicas

En el área de las propiedades térmicas se pueden mencionar: la cristanilidad que se refiere al ordenamiento de las cadenas del polímero que contrario a lo que se piensa le imparte a la resina opacidad debido a que las moléculas presentan mayor empaquetamiento y por lo tanto impiden el paso de la luz por medio de ellas, es decir, que entre más cristalino sea un polímero menos transparencia. La cristanilidad le imparte al material alta rigidez y temperaturas de fusión elevadas, entre otras propiedades.

Propiedades QuímicasFinalmente se encuentran las propiedades químicas, dentro de las cuales cabe destacar la resistencia química de los polímeros, ya que la misma determina si es compatible o no con otros elementos.

Cristalinidad polimérica:Ordenamiento (empaquetamiento) de cadenas moleculares para producir una disposición atómica ordenada.Substancia moleculares constituidas por pequeñas moléculas son cristalinas al estado sólido y amorfas al estado líquido (agua, metano, etc.)Moléculas poliméricas, por su tamaño y complejidad, son generalmente semicristalinas con regiones cristalinas dispersas dentro de un material amorfo.

4.1 CLASIFICACIÓN DE POLÍMEROS DE ACUERDO A SUS

PROPIEDADES RETICULARES Y LINEALES, ALTA Y BAJA

DENSIDAD, TERMOPLÁSTICAS Y TERMOESTABLES

Polímeros reticulares y lineales.

Como resultado del mecanismo y proceso de polimerización como también de la naturaleza de los monómeros que generan el polímero, las cadenas polímero pueden ser lineales, ramificadas e incluso entre cruzadas.

Un polímero lineal es una molécula polimérica en la cual los átomos se arreglan mas o menos en una cadena larga. esta cadena se denomina cadena principal. por lo general algunos de estos átomos de la cadena están enlazados a su vez, a pequeñas cadenas de átomos. estas pequeñas cadenas se denomina grupos pendientes. las cadenas de grupos pendientes son mucho mas pequeñas que la cadena principal. normalmente tienen unos pocos átomos de longitud, pero la cadena principal posee generalmente cientos de miles de átomos

5. DIFERENCIAS ENTRE POLÍMEROS NATURALES Y

SINTÉTICOS

Polímeros naturales

Los polímeros naturales reúnen, entre otros, al almidón cuyo monómero es la glucosa y al algodón, hecho de celulosa, cuyo monómero también es la glucosa. La diferencia entre ambos es la forma en que los monómeros se encuentran dispuestos dentro del polímero.

Otros polímeros naturales de destacada importancia son las proteínas, cuyo monómero son los aminoácidos.

Por otro lado, la lana y la seda son dos de las miles de proteínas que existen en la naturaleza, éstas utilizadas comosfibras y telas.

Todo lo que nos rodea son polímeros. Los tejidos de nuestro cuerpo, la información genética se transmite mediante un polímero llamado ADN, cuyas unidades estructurales son los ácidos nucleicos.

Polímeros sintéticos

Durante la Segunda Guerra Mundial, Japón cortó el suministro de caucho natural proveniente de Malasia e Indonesia a los aliados. La búsqueda de un sustituto dio como origen el caucho sintético, y con ello surgió la industria de los polímeros sintéticos y plásticos.

El polibutadieno, un elastómero sintético, se fabrica a partir del monómero butadieno, que no posee un metil en el carbono número dos, siendo esta la diferencia con el isopreno.CH2 = CH – CH = CH21,3 -butadienoEl polibutadieno tiene regular resistencia a la tensión y muy poca frente a la gasolina y a los aceites. Estas propiedades limitan las posibilidades de fabricar con ellos los neumáticos.

6. EFECTOS SOCIO- ECONÓMICOS Y AMBIENTALES DE LA

PRODUCCIÓN Y USO DE POLÍMEROS EN MÉXICO

Los plásticos son materiales formados por moléculas muy grandes de cadenas de átomos de carbono e hidrógeno (polímeros). El 99% de la totalidad de plásticos se produce a partir de combustibles fósiles, lo que provoca una excesiva presión sobre las limitadas fuentes de energía no renovables.

En la actualidad es difícil prescindir de los plásticos, no solo por su utilidad sino también por la importancia económica que tienen. Esto se refleja en los índices de crecimiento de esta industria que, desde principios del siglo pasado, supera a casi todas las actividades industriales. Los plásticos se utilizan para embalajes, para envasar, conservar y distribuir alimentos, medicamentos, bebidas, agua, artículos de limpieza, de tocador, cosmetología y un gran número de otros productos, que pueden llegar a la población en forma segura, higiénica y práctica.

Su uso cada vez más creciente se debe a las características de los plásticos, debido a que son livianos, lo que implica facilidad en la manipulación y optimización de costos.

En función de las propiedades de los plásticos, la estructura del mercado ha crecido considerablemente. Para el año 2000, la producción mundial alcanzó los 160 millones de toneladas y en México para el año 2006, fue por arriba de los 4 millones de toneladas. Se calcula que anualmente cada persona en México consume 49 kg. de plásticos.De acuerdo a su importancia comercial y por sus aplicaciones en el mercado, el siguiente cuadro presenta el nombre de los diferentes plásticos que se utilizan cotidianamente, el número de identificación que debe estar impreso en el producto plástico y los ejemplos de algunas aplicaciones.