Procesos de Polimeraciòn

RESUMEN.

El presente trabajo reporta los procesos para la fabricación de los Polímeros Urea-Formaldehído y Anilina-Formaldehído, ambos polímeros se prepararon bajo el mecanismo de polimerización por condensación, donde la molécula de baja masa molecular condensada es en este caso es el agua. Se evidenció de que ambas reacciones son exotérmicas, por lo cual la reacción tuvo que ser controlada para evitar que alcanzase altas temperaturas. El Polímero Urea-Formaldehído presento un rendimiento en base seca del 144.40% y una Humedad del 8.83%, mientras que el polímero Anilina Formaldehído reporto un rendimiento en base seca del 288.89% y una humedad del 5.99%. Esta humedad es el agua producida de la reacción que quedó atrapada en las redes del polímero. El alto rendimiento de ambas reacciones evidencia que el polímero contiene impurezas.

Palabras Claves: Polímero, Polimerización por Condensación.

INTRODUCCIÓN.

Los Polímeros son moléculas de cadena larga, compuestos por sub-unidades repetidas llamados monómeros, a los polímetros también se les denomina macromoléculas ya que estos tienen pesos moleculares muy grandes, como por ejemplo el Polietileno de Alta Densidad cuyo peso molecular es 3 millones de gramos por mol.

Los Polímeros se pueden obtener por dos métodos los cuales son:

1. Polimerización por Adición: es el tipo de polimerización que involucra alquenos como monómeros los cuales reaccionan por mecanismos de Adición. Este tipo de polimerización puede ser logrado de dos formas diferentes los cuales son:

ü Polimerización Usando un Iniciador: Aquí los monómeros no comienzan a formar polímetros a menos de que se le adicione una molécula llamada iniciador. Esta molécula es decompuesta ya sea por la luz de un láser o por calor para que forme radicales libres reactivos, los cuales cumplen el papel de combinarse y romper los dobles enlaces carbono- carbono para forma un radical libre monómero. Este se combina con los monómeros del alqueno por una reacción de adición, formando un radical dímero, prosiguiendo así este proceso hasta que la cadena crece. Esta reacción se para al agregar otra molécula llamada inhibidor el cual cumple la función de detener la formación de radicales.

Este tipo de Mecanismo crea Polímeros de Baja Densidad o LDPE (siglas en ingles) los cuales son un tipo de polímeros los cuales la cadena principal presenta ramificaciones, las cuales pueden ser cortas o largas y causan una disrupción en la compactación del polímero, esto trae como consecuencias que tenga muy pocas regiones cristalinas entre un 40-55% haciendo el polímero mas suave y flexible. Este tipo de polímeros son también mas transparentes y los puntos de ebullición están alrededor de los 80ºC. Los LDPE son utilizados para fabricar bolsas de plástico, botellas exprimibles, aislantes eléctricos, entre otros.

ü Polimerización Utilizando una Superficie Catalítica: Varios componentes pueden actuar como superficies catalíticas en la producción de polímeros, como por ejemplo el Oxido de Cromo. Un Proceso Industrial es el Desarrollado por Kart Ziegler en Alemania, el cual es un proceso a bajas presiones y que consiste en Hacer pasar el gas etileno a través de una solución de alcano líquido que contiene pequeñas cantidades de Cloruro de Titanio y Cloruro de Trietil Aluminio, los cuales actúan como agentes catalíticos.

Otro proceso Industrial es el “Metallocene Catalysts” el cual consiste en Átomos de Zirconio o Titanio enlazados al cloro y dos anillos ciclopentadienil. Esta Catálisis tiene un solo sitio activo en la superficie catalítica. Los monómeros se enlazan a la cadena creciente en este sitio, es por esta razón que se forman polímeros lineales de largo similar.

Estos tipos de Procesos producen los Polímeros de Alta Densidad o HDPE, estos tienen la característica de que tienen cadenas lineales, las cuales se pueden compactar muy juntas y las fuerzas de dispersión mantiene las cadenas fuertemente. Esto trate como consecuencia de que el polímero sea muy rígido, examinando microscópicamente a estos polímeros se puede notar que presenta zonas cristalinas donde las moléculas están arregladas uniformemente. Estos tipos de polímeros tienen alrededor de 80-85% de zonas cristalinas, las cuales refractan la luz por lo que el polímero es traslucido o blanco. El punto de ebullición de los HDPE esta por los 135ºC y son utilizados en la fabricación de tazones, cubetas, tuberías agrícolas, entre otros.

Usos Industriales. Muchos de los polímeros comerciales son preparados por polimerizaciones de Adición. Muchos de estos son termoplásticos, es decir estos pueden ser remoldeados y preparados muchas veces, ya que no tienen enlaces entre sus cadenas. Este tipo de polímeros pueden ser moldeados cuando son calentados, ya que el calor hace que las fuerzas de dispersión entre las cadenas empiezan a romperse y el polímero se ablanda y forma un material viscoso que puede ser remoldeado.

MONÓMERO POLÍMERO USOS Cloroeteno o Cloroetileno. Policroruro de Vinilo. (PVC) Muebles Suaves, Tarjetas de Crédito, Tuberías, Lozas del Piso, entubamiento flexible. Vinil Benceno. (Estireno) Poliestireno. Contenedores de CD y Cassette, envases plásticos de refrescos, contenedores de comida rápida. Material de embalaje.

2. Polimerización por Condensación. A este tipo de Polimerización algunas veces se le llama “Step-Growth Polymerisation”. Los aspectos importantes de este tipo de polimerización son los siguientes: (a) Los Monómeros se combinan por un proceso químico llamado Condensación. (b) Una molécula de pequeño peso molecular es eliminada en cada paso de condensación.

Los dos Mecanismos de Formación de Polímeros por Condensación son los siguientes:

ü Formación de un Poliéster: Para Producir un poliéster un monómero debe ser in ácido dicarboxílico y el otro monómero debe ser un diol. Los Dimeros son formados en el primer paso y estos continúan agregando mas monómeros así que la cadena crece paso a paso.

Acido Dicarboxílico + Diol à Dímero Ester + Agua.

ü Formación de una Poliamida: Para producir una poliamida, un monómero debe ser un acido dicarborxílico y el otro debe ser una diamida. La cadena crece por condensación con mas monómeros hasta que el polímero es formado.

Acido Dicarboxilico+DiamidaàDímero Amida+Agua.

Usos de los Polímeros por condensación:

ü Nylon 6,6: El Nylon es una fibra fuerte que no absorbe el agua muy bien, esta naturaleza hidrofóbica permite que este sea utilizado como ropa para la lluvia. El Nylon es una poliamida. Hay muchas formas diferentes de Nylon. El Nylon 6,6 se forma cuando el Acido Hexanodioco se combina con el 1,6 Diaminohexano.

Proceso Industrial . (1)

El Nylon 66 es manufacturado por la policondensación de la hexametilendiamina y ácido atípico usualmente en un proceso multi-etapas. Primeramente la sal de nylon es preparada de cantidades estequiométricas de hexametilendiamina y ácido adípico en agua. La sal puede ser separada por la precipitación con metanol. [Image]

El uso de la sal de nylon garantiza la presencia de cantidades equimolares de los grupos –NH2 y –COOH. Un justo control del balance de diamina-diacido es importante para controlar la masa molecular final del polímero y los grupos reactivos finales. EL Nylon 66 es muy inestable a altas temperaturas en la presencia de oxígeno ya que se puede lograr degradación. Es por esto que el proceso se lleva en un proceso batch. Sin embargo si se llega a eliminar completamente el oxigeno se puede llevar a cabo bajo un proceso continuo. Un ejemplo de la polimerización continua es mostrada en la figura Nº 1. La solución acuosa de la sal de nylon es calentada sobre los 200ºC a una presión mayor de 17bar en una atmósfera libre de oxígeno. Después la presión es reducida a la atmosférica y el vapor es separado del polímero para promover la polimerización hasta la masa molecular deseada.

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a b C Tiempo de Retención (min) 15-30 15-30 60 Temperatura ºC 200-235 270-290 270-290 Presión (105Pa) 17-24 17-24 Atmosférica.

Producción de Nylon 66.

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL.

Materiales. Para la preparación de los polímeros se necesitaron los reactivos mostrados en la tabla Nº 1.

Propiedad-Nombre Formalina Urea Ac. Sulfúrico. Anilina Ac. Clorhídrico. Formula MolecularPeso Molecular(g/mol)Densidad(g/cm3)Punto de Ebullición (ºC)Punto de Fusión (ºC)Presión de Vapor (kPa)Temperatura de Inflamación (ºC)Cantidad UtilizadaConcentración/Pureza. Lab. Fabricación. CH2O291.09-19.5-92----60mlPuroAllied Chemicals CON2H460.070.18--132.8----25g. PuroJT Baker Chemicals H2SO498.81.8340100,13 a 146--Cant. Suficiente0.5NAllied Chemicals C6H7N93.131.0217184.28-6.55----15mlPuroEka Chemicals HCl36.450.835---112ºC----20ml6MRiedel de Haen.

Tabla Nº 1 . Propiedades de los Reactivos.

Preparación de los Polímeros.

El primer polímero preparado en el laboratorio fue el Urea-Formaldehído, para esto se necesitaron 25g de Urea, la cual se disolvió en 30ml de formalina agitándose vigorosamente hasta que la misma se disolviese completamente. Una vez disuelta se procedió a acidificar la solución, utilizándose para esto la cantidad necesaria Ácido Clorhídrico al 0,5N hasta que se observó la formación de un sólido blanco.

El otro polímero preparado fue el Anilina-Formaldehído, para la fabricación este se mezclaron 15ml de anilina con 20ml de una solución de Ácido Clorhídrico 6M, dejando enfriar la mezcla ya que esta libera calor por lo cual aumenta su temperatura. Por otro lado en un vaso de precipitado de 250ml se agregaron 30 de la solución de formaldehído junto con la solución acidificada de anilina preparada anteriormente, formándose un sólido rojo y elevando su temperatura hasta aproximadamente 50ºC ya que esta reacción de polimerización es exotérmica.

Polímero Masa Polímero Húmedo Masa Polímero Seco % Humedad Urea Formaldehido 2.15g 1.96g 8.83 Anilina Formaldehído 3.17g 2.98g 5.99 Tabla Nº3. Humedad del Polímero Preparado en el Laboratorio.

Con la humedad de cada polímero fabricado se pudo conocer la masa del polímero seco por la ecuación (4), pudiéndose reportar el rendimiento en base seca. Este todavía es mas alto del cien por ciento, esto es debido a los altos pesos moleculares de los polímeros. La consistencia de estos polímeros era extremadamente dura y el Polímero Urea Formaldehído era de color blanco, mientras que el polímero Anilina Formaldehído era de consistencia roja.

Polímero Masa Polímero(Seco) Masa de Agua % Rendimiento en Base Seca. Úrea Formaldehído 27.07g 2.62g 144.40 Anilina Formaldehído. 31.20g 1.96g 288.89 Tabla Nº 4. Rendimiento en Base Seca de los Polímeros Preparados.

En la preparación de ambos polímeros se evidenció el aumento brusco de la temperatura durante la reacción debido a que ambas reacciones son extremadamente exotérmicas, es por esto que al momento de acidificar la Mezcla Formalina-Urea el acido se agregó lentamente para poder así controlar la reacción y evitar que se alcanzaran temperaturas extremadamente altas que pueden descomponer los reactivos y los productos. Para la reacción Anilina Formaldehído ocurrió los mismo ya que esta reacción alcanza aproximadamente los 50ºC

CONCLUSIONES.

La producción de polímeros es un proceso el cual tiene rendimientos muy altos debido al alto peso molecular de los mismos. Los rendimientos obtenidos mayores al cien por ciento fueron causados por impurezas en el polímero no fueron producidos por humedad debido a que se calculó los rendimientos en base seca.

Las reacciones de polimerización trabajadas son reacciones muy exotérmicas, por lo cual se debe controlar el avance de la reacción para que no se alcancen temperaturas altas que puedan descomponer a los reactivos o productos.

Los polímeros preparados fueron por polimerización por condensación, donde la molécula condensada fue agua.