Autores: Stefano Burlando, Antonio Loayza, Alexander Aponte, Ever Calizaya, Ray Quispe.
OBJETIVOS
–Comprender los principios fundamentales de la ciencia de los polímeros.
-Definir de manera clara la composición y creación de los polímeros.
-Analizar y clasificar los polímeros de acuerdo a su estructura química y física.
- INTRODUCCIÓN
La ciencia de los materiales estudia la relación entre la estructura de un material con sus distintas propiedades (mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas, etc). Este tipo de ciencia nace a partir del nuevo objetivo de una mejor calidad de vida, es decir, se examinan los diferentes materiales para poder compararlos y así elegir el más apto de acuerdo a mis objetivos y diferentes procedimientos. Es así que durante los últimos 100 años se ha introducido una nueva clase de materiales, los denominados plásticos. La rápida expansión y crecimiento de estos materiales ha ocurrido a expensas de los materiales tradicionales en aplicaciones ya establecidas, así como en el desarrollo de nuevas aplicaciones y mercados.
Sin los materiales plásticos es difícil concebir cómo se podrían haber desarrollado y extendido algunos objetos característicos de la vida moderna (tales como el teléfono, la televisión o las computadoras) que en las sociedades desarrolladas tanto han ayudado a mejorar el confort y la calidad de vida.
Por ello, esta investigación estará enfocada en términos relacionados con los polímeros, los cuales se desarrollaran cada uno de estos puntos de manera clara y concisa.
2. DEFINICIÓN
Un polímero es una gran molécula formada por la unión de un gran número de pequeñas unidades químicas simples. La palabra polímero deriva del griego ‘poli’, que significa muchos, y ‘mero’, que significa partes. En ciertos casos la unión que conforma a la molécula es lineal, de igual manera que un tren transporta vagones. En otros casos la unión es ramificada formando retículas tridimensionales, de manera análoga a la red neuronal. Entonces, el polímero es un compuesto orgánico, ya sea de origen natural o sintético, y está conformado por miles de unidades repetitivas equivalentes o casi equivalentes al monómero o material de partida del polímero.
3. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS POLÍMEROS
- Los polímeros no son estructuras moleculares homogéneas. Estas contiene la mezcla de moléculas de varios pesos, que representa lo que se llama polimolecularidad.
- No son atacados por ácidos, bases o agentes atmosféricos.
- Soportan la ruptura y el desgaste.
- Poseen alta resistencia eléctrica. Usualmente son usados como aislantes.
- Poseen baja densidad, en general 0,9 g/cm³ y 1,5 g/cm³. Estos son muy útiles en las industrias automotrices por ser productos ligeros.
- Bajos puntos de fusión, lo cual permite procesarlo fácilmente para darle forma.
- Al tener poca reactividad química, permite tenerlos en contactos con alimentos sin peligro.
- Cuando se encuentra en estado sólido, forman puentes de hidrógeno e interacciones dipolo-dipolo, junto con las fuerzas de Van der Walls, crean mucho mayor resistencia que en el caso de las moléculas de cadena más corta.
- Conlleva un aumento de viscosidad, cuando hay una interacción con moléculas de alto peso.
4. ESTRUCTURAS DE LOS POLÍMEROS
Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión de muchas unidades pequeñas, las cuales se llaman unidades repetitivas. Para abordar el estudio de la estructura de los polímeros se suelen considerar dos niveles, estructura química y estructura física.
A) ESTRUCTURA QUÍMICA
La estructura química se refiere a la construcción de la molécula individual por tanto, estudiaremos el efecto de la naturaleza de los átomos que constituyen la cadena principal y los sustituyentes de la misma, las uniones entre monómeros, el peso molecular y su distribución y el efecto de las ramificaciones o entrecruzamientos en la cadena principal. Igualmente las diferentes configuraciones que pueden adoptar los sustituyentes de la cadena principal condicionan notablemente las propiedades de los polímeros y son parte de su estructura química.
- Tipo de átomos en la cadena principal y sustituyentes
En los polímeros la unión entre monómeros se realiza siempre mediante enlaces covalentes.
Sin embargo, las fuerzas responsables de la cohesión entre cadenas diferentes pueden ser de naturaleza muy diversa, y están fuertemente condicionadas por las características de los átomos y de los sustituyentes de la cadena principal. La polaridad y el volumen de estos átomos afectarán especialmente a las fuerzas de cohesión entre cadenas, que a su vez determinarán la temperatura , la flexibilidad y la capacidad de cristalización.En cuanto mayor sean las fuerzas de cohesión entre las cadenas más rígido resultara el polímero , como también mayor será la temperatura de reblandecimiento en el caso de polímeros no cristalinos.
- Uniones entre monómeros
En los procesos de polimerización por condensación los monómeros se unen unos con otros siempre de la misma forma. No ocurre siempre así en la polimerización por adición. Por ejemplo, en la polimerización del metacrilonitrilo para dar poliacrilonitrilo (PAN) la mayoría de los monómeros polimerizan vía el doble enlace:
También pueden formarse enlaces lábiles como consecuencia de uniones cabeza-cabeza o cola-cola en lugar de las uniones normales cabeza- cola. Este tipo de uniones, como la mostrada para el PVC, son responsables de la baja estabilidad térmica de este polímero.
- Copolímeros
Cuando en un proceso de polimerización se utilizan dos o más monómeros químicamente diferentes, el polímero resultante se denomina copolímero. Comúnmente se emplean tan sólo dos, o como máximo tres monómeros diferentes. Los copolímeros se clasifican según la secuencia de los monómeros como copolímeros de bloque, de injerto y al azar, como se muestra en la figura:
La estructura química de los copolímeros es mucho más compleja que la de los polímeros, porque están formados por más de un monómero, pueden variar además en su composición y en la longitud de secuencia, lo que condiciona las propiedades finales.
- Ramificaciones y entrecruzamiento
Cuando durante las reacciones de polimerización no existen reacciones secundarias se obtienen polímeros lineales, no ramificados como el que se muestra en la figura a. Bajo ciertas condiciones de polimerización se pueden obtener ramificaciones que pueden ser cortas o largas (figura b y c). Las propiedades de los polímeros pueden variar considerablemente dependiendo de si existen o no ramificaciones y de la longitud de las mismas.
Polímero lineal sin ramificaciones (a), con ramificaciones cortas (b), con ramificaciones largas (c) y polímero entrecruzado (d).
Los materiales termoplásticos son básicamente polímeros lineales no entrecruzados, pudiendo hacerse fluidos por calentamiento y tomar una forma determinada, forma que mantienen una vez fríos. Por otro lado, los materiales termoestables, debido a su estructura entrecruzada, no funden y son insolubles. Entre los polímeros de condensación, algunos son termoplásticos (poliamidas, policarbonatos, poliésteres lineales, poliuretanos lineales, etc.) y otros típicamente termoestables (poliésteres insaturados, resinas epoxi, resinas fenólicas, resinas de urea, etc.).
B) ESTRUCTURA FÍSICA
La estructura física se relaciona al ordenamiento de unas moléculas respecto a otras.
Estado amorfo y estado cristalino
Los términos cristalino y amorfo se utilizan normalmente para indicar las regiones ordenadas y desordenadas de los polímeros, respectivamente. La figura muestra un esquema de un sistema amorfo, uno semicristalino y otro cristalino. En estado sólido algunos polímeros son completamente amorfos, otros son semicristalinos y, dependiendo de las condiciones de cristalización, un polímero con capacidad de cristalizar puede ser amorfo o semicristalino. Con frecuencia se utiliza el término cristalino en lugar de semicristalino, aunque ningún polímero es completamente cristalino.
Sistemas amorfo (a), semicristalino (b) y cristalino (c).
Los polímeros con capacidad de cristalizar son aquellos cuyas moléculas son química y geométricamente regulares en su estructura. Las irregularidades ocasionales, tales como las ramificaciones de la cadena, o la copolimerización de una pequeña cantidad de otro monómero limitan el alcance de la cristalización, pero no evitan que ocurra. Por el contrario, los polímeros no cristalinos típicos son aquellos en los que existe una clara irregularidad en la estructura: polímeros ramificados, polímeros atácticos y copolímeros con cantidades significativas de dos o más constituyentes monoméricos bastante diferentes.
- Elastómeros:
Los materiales elastómeros son aquellos materiales que están formados por polímeros que se encuentran unidos mediante enlaces químicos, adquiriendo una estructura final ligeramente reticulada. Estos pertenecen a la familia de los polímeros amorfos con una temperatura vítrea baja y tienen la capacidad característica de sufrir grandes deformaciones elásticas sin ruptura.
Propiedades:
- Realiza una pérdida por histéresis al estirarse o comprimirse (amortiguamiento)
- Poseen una gran dureza
Aplicación:
- Los elastómeros tienen una amplia gama de aplicaciones, por ejemplo, superficies antifricción y antiderrapantes, protección contra la corrosión y la abrasión, el aislamiento eléctrico y el aislamiento contra choque y vibración. Los ejemplos incluyen las llantas, mangueras, burletes de interpie, calzado con suela de hule e industrial, recubrimientos, juntas, sellos, rodillos de imprenta y recubrimiento para pisos.
5. CLASIFICACIÓN
Según su origen:
Se dividen en 3 tipos: naturales, semi-sintéticos y sintéticos.
Polimeros Naturales: Los que existen en la naturaleza como tales. Por ejemplo el caucho.
Polímeros Semi-sintéticos: Obtenidos a través de la transformación de los polímeros naturales. Los podemos encontrar en el caucho vulcanizado.
Polímeros Sintéticos: Realizados industrialmente, se hacen reaccionar con los monómeros que le corresponde a cada uno.
Según su estructura:
Las clasificaciones pueden ir desde lineal hasta ramificado.
Lineal: Donde los monómeros se enlazan para obtener una cadena carbonada continua para así obtener lo lineal. A continuación se mostrará una imagen del componente del polietileno que es un polímero lineal.
Ramificado: Se le llama así por tener grupos voluminosos fuera de la cadena principal. Lo podremos observar en el policloruro de vinilo o el polipropileno.
Según su comportamiento térmico
Existen dos tipos en los cuales clasificar termoplásticos y termoestables.
Termoplásticos: Los que fácilmente pueden moldearse al ser calentados. Ejemplos son el polietileno y polipropileno, que pueden ser fácilmente reciclados.
polímeros termoestables: son aquellos que al estar expuestos a altas temperaturas, se descomponen químicamente. Un ejemplo es la baquelita, polímero usado en la fabricación de asas para ollas.
Según la unión de sus monómeros
Homopolímero: Formado por la unión de varios monómeros de varios tipos.
Copolímero: Formado por dos monómeros diferentes.
Dependiendo del orden en que se distribuyan los dos monómeros en la estructura, podemos tener un copolímero alternado, en bloque o al azar. En un copolímero alternado, los monómeros se repiten uno a continuación del otro. En un copolímero en bloque, los monómeros de un mismo tipo están agrupados en una zona de la molécula, al igual que el otro tipo de monómeros. Por último, en un copolímero al azar, no existe ningún orden en la repetición de monómeros.
6. PREPARACIÓN DE UN POLÍMERO
La preparación de un polímero se da a través de la polimerización, este es un proceso químico en el que muchas moléculas se unen con la finalidad de crear una serie de múltiples eslabones de ellas y se consigue macromoléculas a través del calor, la luz o un catalizador.
TIPOS DE POLIMERIZACIÓN:
- Polimerización por adición
Se da por medio de la adición de monómeros activados para formar polímeros lineales. Se produce la activación de un monómero puesto que esto permite la apertura de la estructura en dos puntos activos en los extremos del monómero.
- Polimerización por condensación
Formación de cadenas por condensación mediante reacciones de grupos funcionales. Dos compuestos orgánicos reaccionan químicamente para formar uno de mayor peso molecular.
Se parte de dos monómeros A y B, que al reaccionar químicamente se ensamblan debido a la presencia de dos puntos activos en su estructura y desprenden una molécula que hay que eliminar para que la reacción se desarrolle adecuadamente.
7. RECICLAJE
Los polímeros pueden ser reutilizados ya que sus propiedades lo permiten, es por eso que existe una clasificación del reciclaje de los polímeros.
Son los siguientes:
Polietilentereftalato (PET): Este polímero es muy utilizado en botellas (para agua, jugos, aceites, gaseosas), debido a que no es un material costoso, es ligero y reciclable.
(PEAD) Polietileno de alta densidad: Gracias a la resistencia química de este polímero, se utiliza principalmente para contener productos de limpieza e incluso químicos industriales (champú, detergente, cloro, etc.). De igual forma se utiliza para contener leche, jugos y agua, bolsas de basura y de supermercados.
Policloruro de vinilo (PVC): Estos polímeros también tienen una gran resistencia química y se reconocen principalmente porque al ser aplastadas las botellas los dobleces adquieren un color blanquecino.
Polietileno de baja densidad (LDPE): Es un polímero fuerte, flexible y transparente, usado principalmente para bolsas (de pan, de comidas congeladas, para envolver algunos muebles, etc.).
Polipropileno (PP): Al ser un polímero con un alto punto de fusión, se utiliza para contener líquidos y alimentos calientes (botellas de salsa de tomate, tapas, botellas médicas, contenedores de cocina, etc.).
Poliestireno (PS): Al ser un polímero de bajo punto de fusión se utiliza para platos, tazas, estuches de CD, recipientes para comidas, etc.
Otros polímeros domésticos:
Estos polímeros no suelen ser reciclados ya que son la combinación de diferentes plásticos, se utiliza para botellas de galones de agua, anteojos, etc.
8. APLICACIONES Y USOS
BIBLIOGRAFÍA
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Fuentes de las imágenes
Aykut Erdogdu. Polímeros plásticos reciclados fuera de las botellas del ANIMAL DOMÉSTICO en colores rojos, azules, verdes y negros. Consulta: 12 de abril de 2018.
| Ana Karen Garcia, Wendy Arredondo. Consulta: 12 de abril de 2018. https://es.slideshare.net/211292/usos-de-los-polimeros-sinteticos
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