Polímeru

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El poliestireno ye un polímeru formáu a partir de la unidá repetitiva conocida como estireno.

Los polímeros (del griegu: πολυς [polys] "enforma" y μερος [pixinos] "parte" o "segmentu") son macromoléculas (xeneralmente orgániques) formaes pola unión por aciu enllaces covalentes d'una o más unidaes simples llamaes monómeros. Estos formen llargues cadenes que se xunen ente sigo por fuerces de Van der Waals, pontes d'hidróxenu o interacciones hidrofóbiques. Los polímeros tienen elevaes mases moleculares, que pueden algamar inclusive millones d'UMAs.

El almidón, la celulosa, la seda y el ADN son exemplos de polímeros naturales y el nailon, el polietileno y la baquelita de polímeros sintéticos.

Historia[editar | editar la fonte]

Los polímeros naturales son la base de dalgunos de los primeros materiales utilizaos pol home: la madera y les fibres vexetales, el cueru, los tendones animales, la llana, la seda y la celulosa, etc. Emplegar profusamente y tuvieron muncha importancia a lo llargo de la hestoria, anque se tardó enforma en saber la so composición y la forma de sintetizalos artificialmente. La noción de macromolécula presentóse tardíamente na hestoria de la química. Anque abarruntada por Wilhelm Eduard Weber, ya inclusive por Henri Braconnot a principios del sieglu XIX, munchu investigadores ver como amestaos o micelas. El términu «polímeru» utilizar por primer vegada en 1866 por Marcellin Berthelot.[1]

Antes de saber gran cosa sobre ellos, empezaron a apaecer a mediaos del sieglu XIX los primeros polímeros sintéticos llograos a partir del cambéu de los polímeros naturales col fin d'ameyorar les sos propiedaes físiques pa poder usalos. En 1839, Charles Goodyear modificó l'hule calecer con azufre, yá que yera fráxil a temperatures baxes y pegañosu a altes temperatures. L'hule convertir en cauchu vulcanizado, una sustanza resistente a un ampliu marxe de temperatures. El nitratu de celulosa sintetizóse por fuerza nel añu 1846 pol químicu Christian Friedrich Schönbein y en 1868, John W. Hyatt sintetizó'l celuloide a partir de nitratu de celulosa. Otru acontecimientu que contribuyó al desenvolvimientu continuu de los polímeros foi'l cambéu de la celulosa que dexó'l surdimientu de les fibres sintétiques llamaes rayones.

Darréu'l químicu belga Lleo Hendrik Baekeland desenvolvió en 1907[2] el primer polímeru totalmente sintéticu, la baquelita, un material bien duradero que por provenir de materiales de baxu costo, como'l fenol y el formaldehído, llegó a tener gran ésitu mientres ciertu tiempu. Otros polímeros importantes sintetizar nos años siguientes, por casu el poliestireno (PS) en 1911 o'l policloruro de vinilu (PVC) en 1912.

Sicasí, con independencia de les meyores na aplicación industrial de los polímeros, nun se tenía muncha información tocantes a la so estructura. En 1922, el químicu alemán Hermann Staudinger empezó a estudiar los polímeros y en 1926 espunxo la so hipótesis de que se trataba de llargues cadenes d'unidaes pequenes xuníes por enllaces covalentes. Propunxo les fórmules estructurales del poliestireno y del polioximetileno, tal como se conocen anguaño, como cadenes moleculares xigantes formaes pola asociación por aciu enllaz covalente de ciertos grupos atómicos llamaos "unidaes estructurales". Esti conceutu convertir en "fundamentu" de la química macromolecular solo a partir de 1930, cuando foi aceptáu llargamente y contribuyó al desenvolvimientu de la química de los polímeros, tanto sintéticos como naturales. En 1953 recibió'l Premiu Nobel de Química pol so trabayu.

La idea de les macromoléculas foi sofitada y desenvuelta años más tarde por Wallace Carothers, que trabayaba na empresa DuPont dende 1928 y qu'estableció un gran númberu de nuevos polímeros: poliésteres, poliamides, neoprenu, etc.

El desenvolvimientu industrial posterior de la ciencia macromolecular viose aceleráu pola Segunda Guerra Mundial. Los Estaos Xuníos viéronse privaos, cuando entraron en guerra, del so suministru de cauchu natural dende'l sureste d'Asia. Por ello punxeron en marcha un vastu programa d'investigación p'atopar cauchu sintéticu.

Nos años 1950 l'alemán Karl Ziegler y l'italianu Giulio Natta desenvolvieron los catalizadores de Ziegler-Natta y llograron el Premiu Nobel de Química en 1963. Otru Premiu Nobel de Química foi concedíu polos sos estudios de polímeros a Paul J. Flory en 1974.

Na segunda metá del sieglu XX desenvolviéronse nuevos métodos de llogru, polímeros y aplicaciones. Por casu, catalizadores metalocénicos, fibres d'alta resistencia, polímeros conductores (en 2000 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa recibieron el Premiu Nobel de Química pol desenvolvimientu d'estos polímeros), estructures complexes de polímeros, polímeros cristales líquidos, etc.

Polimerización[editar | editar la fonte]

En química orgánica, la reacción pola cual sintetízase un polímeru a partir de los sos monómeros denominar polimerización. Según el mecanismu pol cual produzse la reacción de polimerización pa dar llugar al polímeru, ésta clasifícase como "polimerización por pasos" o como "polimerización en cadena". Sía que non, el tamañu de la cadena va depender de parámetros como la temperatura o'l tiempu de reacción, teniendo cada cadena un tamañu distintu y, por tanto, una masa molecular distinta, d'ende que se fale de masa promedio del polímeru.

Tipos de polimerización[editar | editar la fonte]

Esisten dos tipos fundamentales de polimerización:

En cada unión de dos monómeros piérdese una molécula pequena, por casu enagua. Por cuenta de esto, la masa molecular del polímeru nun ye necesariamente un múltiplu esactu de la masa molecular del monómero. Los polímeros de condensación estremar en dos grupos:

baquelites
poliamides
poliésteres :*

Los homopolímeros

polietilenglicol
silicones

La polimerización n'etapes (condensación) precisa siquier monómeros bifuncionales. Deben de saber que los polímeros pueden ser maquinables.

Exemplu: HOOC--R1--NH2

Si reacciona consigo mesmu, entós:

2 HOOC--R1--NH2 <----> HOOC--R1--NH· + ·OC--R1--NH2 + H2O <----> HOOC--R1-NH--CO--R1--NH2 + H2O * Polimerización por adición. Nesti tipu de polimerización la masa molecular del polímeru ye un múltiplu esactu de la masa molecular del monómero.

Suelen siguir un mecanismu en tres fases, con rotura homolítica:

Iniciación: CH2=CHCl + catalizador ⇒ •CH2–CHCl•
Espardimientu o crecedera: 2 •CH2–CHCl• ⇒ •CH2–CHCl–CH2–CHCl•
Terminación: Los radicales llibres de los estremos xunir a impureces o bien se xunen dos cadenes con un terminal neutralizáu.
Tacticidad de poliestireno, atáctico, sindiotáctico, isotáctico.
La estructura puede ser llineal o tamién ramificada (amás de poder presentar entrecruzamientos). Tamién pueden adoptar otres estructures, por casu radiales.
Polimerización1.png

Polimerización del estireno pa dar poliestireno
n indica'l grau de polimerización

Per otra parte, los polímeros pueden ser llineales, formaos por una única cadena de monómeros, o bien esta cadena puede presentar ramificaciones de mayor o menor tamañu. Tamién pueden formase entrecruzamientos provocaos pol enllaz ente átomos de distintes cadenes.

La naturaleza química de los monómeros, la so masa molecular y otres propiedaes físiques, según la estructura que presenten, determinen distintes característiques pa cada polímeru. Por casu, si un polímeru presenta entrecruzamiento, el material va ser más malo de fundir que si nun presentara nengunu.

Los enllaces de carbonu nos polímeros nun son equivalentes ente sigo, por eso dependiendo del orde estereoquímico de los enllaces, un polímeru puede ser: atáctico (ensin orde), isotáctico (mesmu orde), o sindiotáctico (orde alternante) a esta conformanza se la llapada tacticidad. Les propiedaes d'un polímeru pueden trate modificaes severamente dependiendo del so estereoquímica.

Nel casu de que'l polímeru provenga d'un únicu tipu de monómero denominar homopolímero y si provien de dellos monómeros llámase copolímero o heteropolímero. Por casu, el poliestireno ye un homopolímero, pos provien d'un únicu tipu de monómero, el estireno, ente que si partir de estireno y acrilonitrilo puede llograse un copolímero d'estos dos monómeros.

Nos heteropolímeros los monómeros pueden distribuyise de distintes maneres, particularmente pa polímeros naturales, los monómeros pueden repitise de forma aleatoria, informativa (como nos polipéptidos de les proteínes o nos polinucleótidos de los acedos nucleicos) o periódica, como nel peptidoglucano o en dellos polisacáridos.

Los monómeros que conformen la cadena d'un copolímero pueden allugase na cadena principal alternándose según diversos patrones, denominándose copolímero alternante, copolímero en bloque, copolímero aleatoriu, copolímero d'inxertu. Pa llograr esti diseñu, la reacción de polimerización y los catalizadores tienen de ser los fayadizos.

Polímeros2.png
a) Homopolímero b) Copolímero alternante
c) Copolímero en bloque d) Copolímero aleatoriu
y) Copolímero d'inxertu

.


Finalmente, los estremos de los polímeros pueden ser distintos que'l restu de la cadena polimérica, sicasí ye muncho más importante'l restu de la cadena qu'estos estremos por cuenta de que la cadena ye d'una gran estensión comparada colos estremos.

Propiedaes[editar | editar la fonte]

Propiedaes eléctriques[editar | editar la fonte]

Los polímeros industriales polo xeneral suelen ser malos conductores eléctricos, polo que s'empleguen masivamente na industria eléctrico y electrónica como materiales aislantes. Les baquelites (resines fenólicas) sustituyeron con ventaya a les porzolanes y el vidriu nel aparellaje de baxa tensión fai yá munchos años; termoplásticos como'l PVC y les PE, ente otros, utilizar na fabricación de cables eléctricos, llegando na actualidá a tensiones d'aplicación cimeres a los 20 KV, y casi toles carcases de los equipos electrónicos construyir en termoplásticos de magnífiques propiedaes mecániques, amás d'eléctriques y de gran duración y resistencia al mediu ambiente, como son, por casu, les resines ABS.

Pa evitar cargues estátiques n'aplicaciones que la rican, xeneralizóse l'usu de antiestáticos que dexa na superficie del polímeru una conducción parcial de cargues eléctriques.

Evidentemente la principal desventaxa de los materiales plásticos nestes aplicaciones ta en relación a la perda de característiques mecániques y xeométriques cola temperatura. Sicasí, yá se dispon de materiales qu'aguanten ensin problemes temperatures relativamente elevaes (cimeres a los 200 °C).

Les propiedaes eléctriques de los polímeros industriales tán determinaes principalmente, pola naturaleza química del material (enllaces covalentes de mayor o menor polaridá) y son pocu sensibles a la microestructura cristalina o amorfa del material, qu'afecta muncho más a les propiedaes mecániques. El so estudiu acometer por aciu ensayos de comportamientu en campos eléctricos de distinta intensidá y frecuencia. Darréu analícense les característiques eléctriques d'estos materiales.

Los polímeros conductores fueron desenvueltos en 1974 y les sos aplicaciones entá tán siendo estudiaes.

Propiedaes físiques de los polímeros[editar | editar la fonte]

Estudios de difracción de rayos X sobre amueses de polietileno comercial, amuesen qu'esti material, constituyíu por molécules que pueden contener dende 1000 hasta 150 000 grupos CH2 – CH2 presenten rexones con un ciertu ordenamientu cristalín, y otres onde s'evidencia un calter amorfu: a éstes últimes considérase-yos defectos del cristal. Nesti casu les fuerces responsables del ordenamientu cuasicristalino, son les llamaes fuerces de van der Waals. N'otros casos (nylon 66) la responsabilidá del ordenamientu recai nos enllaces de H.

La temperatura tien muncha importancia en relación al comportamientu de los polímeros. A temperatures más baxes los polímeros vuélvense más duros y con ciertes característiques vítrees, por cuenta de la perda de movimientu relativu ente les cadenes que formen el material. La temperatura a la que funden les zones cristalines llámase temperatura de fusión (Tf). Otra temperatura importante ye la de descomposición y ye conveniente que sía bastante superior a Tf.

Propiedaes mecániques[editar | editar la fonte]

Son una consecuencia directa de la so composición, lo mesmo que de la estructura molecular, tantu a nivel molecular como supermolecular. Anguaño les propiedaes mecániques d'interés son les de los materiales polímeros y éstes han de ser ameyoraes por aciu el cambéu de la composición o morfoloxía: por casu, camudar la temperatura a la que los polímeros allandiar y recuperen l'estáu de sólidu elásticu o tamién el grau global del orde tridimensional. De normal l'incentivu d'estudios sobre les propiedaes mecániques ye xeneralmente por cuenta de la necesidá de correlacionar la respuesta de distintos materiales so un rangu de condiciones con oxetu de predicir el comportamientu d'estos polímeros n'aplicaciones práutiques.

Mientres enforma tiempu los ensayos fueron realizaos pa entender el comportamientu mecánicu de los materiales plásticos al traviés de la deformación de la rede de polímeros reticulaos y cadenes moleculares enredaes, pero los esfuerzos pa describir la deformación d'otros polímeros sólidos en términos de procesos operando a escala molecular son más recién. Poro, van considerase los distintos tipos de respuesta amosaos polos polímeros sólidos a distintos niveles de tensión aplicáu; elasticidá, viscoelasticidad, fluxu plástico y quebra.

Clasificación[editar | editar la fonte]

Esisten delles formes posibles de clasificar los polímeros, ensin que sían escluyentes ente sigo.

Según el so orixe[editar | editar la fonte]

Según el so mecanismu de polimerización[editar | editar la fonte]

En 1929 Carothers propunxo la siguiente clasificación:

  • Polímeros de adición. La polimerización nun implica la lliberación de nengún compuestu de baxa masa molecular. Esta polimerización xenérase cuando un "catalizador", empecipia la reacción. Esti catalizador dixebra la unión doble carbonu nos monómeros, depués aquellos monómeros xunir con otros por cuenta de los electrones llibres, y asina se van xuniendo unu tres unu hasta que la reacción termina.
  • Polímeros de condensación. La reacción de polimerización implica a cada pasu la formación d'una molécula de baxa masa molecular, por casu enagua.

Clasificación de Flory (cambéu a la de Carothers pa considerar la cinética de la reacción):

  • Polímeros formaos por reacción en cadena. Ríquese un iniciador pa empezar la polimerización; un exemplu ye la polimerización de alquenos (de tipu radicalario). Nesti casu'l iniciador reacciona con una molécula de monómero, dando llugar a un radical llibre, que reacciona con otru monómero y asina socesivamente. La concentración de monómero mengua amodo. Amás de la polimerización de alquenos, inclúi tamién polimerización onde les cadenes reactives son iones (polimerización catiónica y aniónica).
  • Polímeros formaos por reacción por etapes. El pesu molecular del polímeru crez a lo llargo del tiempu de manera lenta, por etapes. Ello ye por cuenta que'l monómero sume rápido, pero nun da darréu un polímeru de pesu molecular eleváu, sinón una distribución ente dímeros, trímeros, y polo xeneral, oligómeros; trescurríu un ciertu tiempu, estos oligómeros empiecen a reaccionar ente sigo, dando llugar a especies de tipu poliméricu. Esta categoría inclúi tolos polímeros de condensación de Carothers y amás dalgunos otros que nun lliberar molécules pequenes pero sí se formen gradualmente, como por casu los poliuretanos.

Según la so composición química[editar | editar la fonte]

  • Polímeros orgánicos. Tien na cadena principal átomos de carbonu.
  • Polímeros orgánicos vinílicos. La cadena principal de les sos molécules ta formada puramente por átomos de carbonu.
Dientro d'ellos puédense estremar:
Exemplos: polietileno y polipropileno.
  • Polímeros estirénicos, qu'inclúin al estireno ente los sos monómeros.
Exemplos: poliestireno y cauchu estireno-butadieno.
  • Polímeros vinílicos haloxenaos, qu'inclúin átomos d'halóxenos (cloru, flúor...) na so composición.
Exemplos: PVC y PTFE.
  • Polímeros acrílicos. Exemplos: PMMA.
  • Polímeros orgánicos non vinílicos. Amás de carbonu, tienen átomos de osíxenu o nitróxenu na so cadena principal.
Delles sub-categoríes d'importancia:
Polímeros inorgánicos. Ente otros:

Según les sos aplicaciones[editar | editar la fonte]

Atendiendo a les sos propiedaes y usos finales, los polímeros pueden clasificase en:

  • Elastómeros. Son materiales con bien baxu módulu d'elasticidá y alta extensibilidad; esto ye, se deforman enforma al sometelos a un esfuerzu pero recuperen la so forma inicial al esaniciar l'esfuerzu. En cada ciclu d'estensión y contraición los elastómeros absuerben enerxía, una propiedá denomada resiliencia.
  • Adesivos. Son sustances que combinen una alta adhesión y una alta cohesión, lo que-yos dexa xunir dos o más cuerpos per contactu superficial.
  • Fibras. Presenten altu módulu d'elasticidá y baxa. extensibilidad, lo que dexa iguar texíos que les sos dimensiones permanecen estables
  • Plásticos. Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzu abondo intensu, se deforman irreversiblemente, nun pudiendo volver a la so forma orixinal. Hai que resaltar que'l términu plásticu aplícase dacuando incorrectamente pa referise a la totalidá de los polímeros.
  • Recubrimientos. Son sustances, de normal líquides, que se xunten a la superficie d'otros materiales pa otorga-yos dalguna propiedá, por casu resistencia a la abrasión.

Según el so comportamientu al alzar la so temperatura[editar | editar la fonte]

Pa clasificar polímeros, una de les formes empíriques más sencielles consiste en calecer percima de cierta temperatura. Según si'l material funde y flúi o pela cueta nun lo fai estrémense tres tipos de polímeros:

  • Elastómero, plásticos con un comportamientu elásticu que pueden ser deformados fácilmente ensin que se ruempan los sos enllaces o modifique la so estructura *

Termoestables, que nun flúin, y lo único que consiguimos al calecer ye que se descompongan químicamente, en cuenta de fluyir. Esti comportamientu deber a una estructura con munchos entrecruzamientos, que torguen los desplazamientos relativos de les molécules.

  • Termoplásticos, que flúin (pasen al estáu líquidu) al calecer y vuélvense a endurecer (vuelven al estáu sólidu) al esfrecelos. La so estructura molecular presenta pocos (o nengún) entrecruzamientos. Exemplos: polietileno (PE), polipropileno (PP), cloruru de polivinilo PVC..

La clasificación termoplásticos / termoestables ye independiente de la clasificación elastómeros / plásticos / fibres. Esisten plásticos que presenten un comportamientu termoplástico y otros que se porten como termoestables. Esto constitúi de fechu la principal subdivisión del grupu de los plásticos y fai que de cutiu cuando se fala de "los termoestables" en realidá faiga referencia solo a "los plásticos termoestables". Pero ello nun tien de faer escaecer que los elastómeros tamién s'estremen en termoestables (la gran mayoría) y termoplásticos (una minoría pero con aplicaciones bien interesantes).

Nomenclatura[editar | editar la fonte]

A parte de les riegles de nomenclatura establecíes pola IUPAC, esiste otru mecanismu alternativu col que tamién se pueden nomar los polímeros y ye tomando como base'l monómero del cual son provenientes. Esti sistema ye'l más común. Ente los compuestos nomaos d'esta manera atópense: el polietileno y el poliestireno. Tiense que cuando'l nome del monómero ye d'una sola palabra, el polímeru constituyíu a partir d'esti cenciellamente nómase amestando'l prefixu poli.

Les normes internacionales publicaes pola IUPAC indiquen que'l principiu xeneral pa nomar polímeros básicos ye utilizar el prefixu poli- siguíu de la unidá estructural repetitiva (UER) que define al polímeru, escrita ente paréntesis. La UER tien de ser nomada siguiendo les normes convencionales de la IUPAC pa molécules sencielles.[3]

Exemplu:
Poli (tio-1,4-fenileno)

Les normes IUPAC utilícense davezu pa nomar los polímeros d'estructura complicada, yá que dexen identificalos ensin ambigüedá nes bases de datos d'artículos científicos.[4] Otra manera, nun suelen ser utilizaes pa los polímeros d'estructura más senciella y d'usu común principalmente porque estos polímeros fueron inventaos primero que se publicar les primeres normes IUPAC, en 1952, y por tantu los sos nomes "comunes" o "tradicionales" yá se popularizaren.

Na práutica, los polímeros d'usu común suélense nomar según dalguna de les siguientes opciones:

  • Prefixu poli- siguíu del monómero del que se llogra'l polímeru. Esta convención ye distinta de la IUPAC porque'l monómero non siempres coincide cola UER y amás nómase ensin paréntesis y en munchos casos según una nomenclatura "tradicional", non la IUPAC. Exemplos: polietileno frente a poli (metileno); poliestireno frente a poli(1-feniletileno)
Monómero UER ----- Ethene-2D-flat.png Polyethylene-repeat-2D-flat.png
Sistema tradicional polietileno
Sistema IUPAC eteno metileno poli (metileno)
Monómero UER ----- Styren.svg Polystyrene.svg
Sistema tradicional estireno poliestireno
Sistema IUPAC fenileteno 1-feniletileno poli(1-feniletileno)

La IUPAC reconoz que los nomes tradicionales tán firmemente asitiaos pol so usu y nun pretende abolilos sinón solo dir amenorgando pasu ente pasu el so usu nes publicaciones científiques.[3]

Exemplos de polímeros de gran importancia[editar | editar la fonte]

Polímeros comunes[editar | editar la fonte]


Polímeros d'inxeniería[editar | editar la fonte]

Polímeros funcionales[editar | editar la fonte]

Ver tamién[editar | editar la fonte]

Referencies[editar | editar la fonte]

Bibliografía[editar | editar la fonte]

Enllaces esternos[editar | editar la fonte]


Polímero