Polímeros: innovación, versatilidad y desafío del reciclaje | Blog del curso de Química 2 Prof. P. Morales B.

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Autores:

Alina Fernanda Castañeda Ramos

Angie Belen Huatuco Flores

Saúl Melgarejo Urquia

José Sebastian Valenzuela Loo

Figura 1. Recuperado de: Aceromafe https://www.aceromafe.com/caracteristicas-de-los-polimeros/

Introducción

Los polímeros son compuestos químicos fundamentales en nuestra vida cotidiana y en diversas industrias. Se encuentran en una variedad de productos, desde plásticos hasta caucho, tuberías y ropa, gracias a sus propiedades versátiles que incluyen alta resistencia, poco peso, flexibilidad y rigidez. Sin embargo, a pesar de su utilidad, enfrentamos un desafío significativo en su eliminación, ya que carecemos de un método de degradación que coincida con la rapidez de su consumo.

En 2016, un equipo científico japonés hizo un descubrimiento esperanzador al encontrar una bacteria capaz de descomponer el tereftalato de polietileno (PET), un polímero común en plásticos. Este hallazgo estimuló la investigación en el Reino Unido y los Estados Unidos, donde científicos de la Universidad de Portsmouth y el Departamento de Energía trabajaron en la modificación de la enzima de la bacteria, logrando crear una nueva molécula altamente eficiente en la descomposición del plástico.

Los investigadores afirman que esta enzima podría descomponer el plástico en cuestión de días, lo que podría mejorar significativamente su eficacia si se produce a gran escala. Además, planean trasplantar la enzima a una bacteria extremófila capaz de sobrevivir a temperaturas de hasta 70 grados Celsius, lo que permitiría descomponer el PET en estado viscoso a esta temperatura.

En última instancia, este emocionante descubrimiento nos acerca a una posible solución definitiva para eliminar el plástico sobrante en el medio ambiente, abordando así uno de los desafíos más apremiantes de nuestra época.

Definición de los polímeros

Etimológicamente el término polímero proviene de las palabras griegas Poly y Mers que quiere decir “muchas partes”.

Desde el punto de vista químico, son macromoléculas mayormente de carácter orgánico que se obtienen mediante reacciones de polimerización y que pueden ser, dependiendo de su origen, naturales o sintéticos; Están formadas por grandes cantidades de monómeros, los cuales son cadenas de moléculas de bajo peso molecular, que además, poseen altas fuerzas intermoleculares, como las fuerzas de Van Der Waals, y puentes de hidrógeno.

2. Estructura

2.1 Estructura química

Los polímeros tienen una cadena principal, cuyos átomos influyen en el grado de las fuerzas de cohesión entre el resto de las cadenas.

La unión entre monómeros varía según el proceso de polimerización, el cual puede ser por adición o condensación, asimismo, al darse un proceso de polimerización, pueden haber reacciones secundarias que generen irregularidades en el polímero, dando pie a la existencia de polímeros lineales, en caso no haya reacciones secundarias, y los polímeros ramificados, que se dan en caso se presenten reacciones secundarias; también se puede dar el caso de el polímero entrecruzado, el cual sucede cuando las cadenas se unen a través de otras cadenas, como consecuencia, el polímero resulta insoluble e infundible.

La masa molecular que presente el polímero influirá en las propiedades de este mismo.

Por otro lado, la configuración que presente el polímero, la cual puede ser sindiotáctica, que significa la alternancia de los monómeros en el plano, y por otro lado la configuración puede ser atáctica, que representa una separación al azar de los monómeros en el plano.

La configuración también afectará a las propiedades del polímero.

2.2 Estructura física

Los polímeros pueden ser amorfos, semi cristalinos y cristalinos. Si son amorfos presentarán más irregularidades, las cuales son ramificaciones o copolimerización, está última hace referencia a qué presenta distintos tipos de monómeros en su estructura.

Habrá una relación entre la temperatura y el volumen específico de los polímeros, de las cuales se puede conocer la temperatura de fusión en caso sea un polímero con capacidad de cristalización o temperatura de transición vítrea, en caso sea un polímero amorfo, ambas propiedades serán clave para llevar los polímeros a diferentes fases.

3. Clasificación

3.1 Clasificación según el origen

3.1.1 Polímeros naturales

Estos polímeros provienen de la propia naturaleza sin intervención alguna del ser humano, poseen poca toxicidad y son altamente compatibles con otros agentes biológicos.

Además, están divididos en polisacáridos, polipéptidos y polinucleótidos; los dos primeros se usan para la producción de fármacos.

Figura 2. Collage realizado por el grupo. Imágenes recuperadas de https://www.chilebio.cl/el-adn-los-genes-y-el-codigo-genetico/ https://ciencia.unam.mx/leer/1262/el-don-del-almidon-la-particula-espesante https://es.wikipedia.org/wiki/Celulosa

3.1.2 Polímeros sintéticos o artificiales

Son polímeros producidos en industrias, tales como el teflón, el nylon, etc. Son compuestos apolares por lo que son insolubles en agua, no reaccionan con ácidos, agentes oxidantes o bases fuertes, la mayoría de ellos son combustibles siendo dañinos para la salud y el cuidado del medio ambiente.

Figura 3. Polímeros sintéticos
Recuperado de: https://educacionquimica.wordpress.com/2014/04/30/algunas-aplicaciones-de-los-polimeros/

3.1.3 Polímeros semisintéticos

Estos polímeros se obtienen mediante procesos químicos, el primer semisintético producido fue el cuero hecho de monómeros naturales. Algunas de las características de estos son la rigidez que cambia según la temperatura, es decir, a temperaturas altas se suelta y a temperaturas bajas, se contrae.

Figura 4. Polímeros semisintéticos
Recuperado de: https://es.wikipedia.org/wiki/Cuero

3.2 Clasificación según su estructura

3.2.1 Polímeros lineales: Son polímeros que no poseen ramificaciones en su estructura, la mayor parte de su estructura es una línea recta

Figura 5. Polímeros lineales
Recuperado de: https://www.textoscientificos.com/polimeros/clasificacion

3.2.2 Polímeros ramificados: Son polímeros cuya estructura se basa en cadenas laterales

Figura 6. Polímeros ramificados
Recuperado de: https://www.textoscientificos.com/polimeros/clasificacion

3.2.2 Polímeros entrecruzados: Poseen estructura tridimensional y se generan a través de reacciones químicas

Figura 7. Polímeros entrecruzados
Recuperado de: https://www.textoscientificos.com/polimeros/clasificacion

3.3 Clasificación según su comportamiento térmico

3.3.1 Termoplásticos: Son un tipo de polímero que se caracteriza por su capacidad de ablandarse y fundirse cuando se calientan a temperaturas adecuadas y, luego, solidificarse nuevamente cuando se enfrían, todo sin sufrir cambios químicos significativos. Estos polímeros son reversibles en su proceso de moldeo, lo que significa que pueden ser fundidos y moldeados repetidamente sin experimentar una degradación química irreversible.

Figura 8. Collage realizado por el grupo. Imágenes recuperadas de: https://concepto.de/polietileno/ https://www.xometry.com/resources/materials/nylon/

3.3.2 Termoestables: Son un tipo de polímero que se caracteriza por su capacidad de soportar irreversiblemente cuando se someten a altas temperaturas. Este endurecimiento se produce debido a una reacción química llamada curado, que forma enlaces cruzados (enlaces químicos adicionales) entre las cadenas de polímero. Una vez que se han formado estos enlaces cruzados, el polímero no puede volver a su estado original.

Figura 9. Baquelita
Recuperado de: https://www.bbvaopenmind.com/tecnologia/innovacion/la-baquelita-el-primer-plastico-sintetico-que-transformo-el-mundo/

3.4 Clasificación según la unión de sus monómeros

3.4.1 Homopolímero: Polímero constituido por un único tipo de monómero. La estructura de un homopolímero se compone de una cadena lineal de monómeros idénticos.

3.4.2 Copolímero: Polímero compuesto por dos o más tipos diferentes de monómeros.

Los copolímeros pueden tener diferentes estructuras según cómo estén dispuestos los monómeros en la cadena. Los principales son:

– Copolímeros al azar

– Copolimeros alternados

– Copolímeros en bloques

4. Tipos de Polimerización

4.1 Polimerización por adición

Los polímeros resultantes de este tipo de polimerización se forman mediante la repetida adición de monómeros. Una de las características distintivas de la polimerización por adición es que en este proceso no se eliminan moléculas simples o de bajo peso molecular, como el agua; en cambio, se produce únicamente una reorganización de átomos.

Figura 10. Collage realizado por el grupo. Imágenes recuperadas de http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/82-polimeros.html https://cursoparalaunam.com/reacciones-de-polimerizacion-por-adicion-y-condensacion

4.2 Polimerización por condensación

Los polímeros resultantes de la polimerización por condensación, también conocida como policondensación, tienen una amplia variedad de aplicaciones en la vida cotidiana. La policondensación es una reacción química de crecimiento en la que dos o más monómeros se combinan. Una de las características más destacadas de los polímeros de condensación es que durante el proceso se libera una molécula de agua. En ocasiones, la molécula liberada en la policondensación puede ser un hidrógeno, amoníaco o cianuro de hidrógeno.

Figura 11. Collage realizado por el grupo. Imágenes recuperadas de http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/82-polimeros.html https://cursoparalaunam.com/reacciones-de-polimerizacion-por-adicion-y-condensacion

5. Los usos y aplicaciones de los diferentes tipos de polímeros

Las aplicaciones de polímeros varían debido a su versatilidad, ya que se emplean en actividades cotidianas hasta procesos que requieren mayor complejidad. También es importante recalcar que el desarrollo de la ciencia y tecnología ha contribuido a la ciencia de materiales, la cual se encarga de investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales, y por tanto también de los polímeros.

Algunos ejemplos de sus aplicaciones son:

Polietileno (PE): Su empleo va desde los domésticos hasta los juguetes, revestimientos de cables, botellas, etc.

Polimetilmetacrilato (PMMA): Se emplea en el ámbito de la construcción civil, mobiliario, señalización, industria automovilística, náutica y aparatos de laboratorio.

Policarbonato (PC): Utilizado por los astronautas en la misión a la Luna, cascos, escudos policiales, arbotantes, puertas de seguridad y vidrios para ventanas.

Poliéster: Muy utilizado en la industria automovilística en la fabricación de autopartes, furgones, vagones de ferrocarril, etc.

Polipropileno (PP): Su empleo va desde los artículos sanitarios a los electrodomésticos, componentes de la industria química, muebles, artículos deportivos, etc.

Poliestireno (PS): Su uso principal radica en los embalajes y la creación de envases, vasos y platos

Poliuretanos (PU): Se utilizan para fabricar cojines, colchones, revestimientos de tejidos y puede sustituir el cuero.

Policloruro de vinilo (PVC): Utilizado en tuberías de agua potable, persianas, suelos, puertas, ventanas, láminas impermeables, entre otros.

6. Reciclaje

Los polímeros son muy importantes en la vida cotidiana, sin embargo, las propiedades que presentan, la alta resistencia al calor y su desgaste, dificultan su eliminación. A principios de la década de los 90, el 90% de los polímeros eran enterrados y el 10% se incineraba, la dificultad más frecuente del reciclaje de los polímeros se encuentra en la selección para recuperar los materiales dentro de la resina plástica. Actualmente, existe una clasificación realizada por la Society of Plastic Industry. La clasificación de los 7 tipos de plásticos es la siguiente:

Figura 12. Códigos de identificación de plásticos. Imagen recuperada de: https://www.virtualpro.co/noticias/reciclaje-de-polimeros-y-plasticos

PET (Polietileno Terefetalato): Material altamente reciclable que luego de ser recuperado se pueden elaborar una gran variedad de productos

HDPE (Polietileno de alta densidad): Resistente a los productos químicos, baja flexibilidad, pero fácil de manejar y fabricar.

PVC (Cloruro de polivinilo): Poseen una facilidad para desprender diversas toxinas y posee una fuerte resistencia a los ácidos.

LDPE (Polietileno de baja densidad): Posee alta flexibilidad y transparencia, después de su reciclaje puede ser transformado en tuberías y cañerías, entre otros.

PP (Polipropileno): Es duro y resistente al calor, es común verlo transformado en cepillos, bandejas, señales luminosas o cables de batería.

PS (Poliestireno): Es propenso a emitir toxinas, es rígido y de bajo costo. Sin embargo, su reciclaje no es óptimo dado su composición química.

Otros (Mezcla de otros plásticos): Articula una gran cantidad de plásticos no reciclables. Los vemos usualmente en DVDs, gafas de sol, botellas de plástico, etc.

7. Postura

En la actualidad, los polímeros son útiles en nuestra vida cotidiana debido a su practicidad y facilidad de aplicación en diversos ámbitos. Sin embargo, a lo largo de los años, su uso se ha vuelto tan generalizado que ha llegado al punto de alterar el medio ambiente, afectando negativamente el ecosistema y a los animales. Ante esta problemática, el avance de la ciencia y la tecnología nos brinda la oportunidad de desarrollar soluciones a través del estudio de los polímeros.

En este contexto, el artículo propone la modificación de una enzima que tiene la capacidad de descomponer el plástico en un tiempo considerablemente menor en comparación con la duración promedio de los plásticos, que pueden tardar hasta 450 años en degradarse. A pesar de que esta iniciativa de aplicar la enzima a los plásticos es beneficiosa, es de suma importancia llevar a cabo un estudio más detenido para evaluar los posibles efectos secundarios que podría tener en el entorno, y, en consecuencia, en la biosfera.