Polímeros sintéticos
¿Qué es un polímero sintético?
Existen varios tipos de polímeros con propiedades y estructuras químicas diferentes. Los polímeros sintéticos son aquellos que son obtenidos en laboratorio o en la industria. Algunos ejemplos de polímeros sintéticos son el nylon, el poliestireno, el policloruro de vinilo (PVC), el polietileno, etc.
Los Polímeros sintéticos son creados por el hombre a partir de elementos propios de la naturaleza. Estos polímeros sintéticos son creados para funciones especificas y poseen características para cumplir estas mismas.
Un ejemplo típico de polímero sintético es el formado a partir del monómero etileno que por reacción con moléculas del mismo tipo forman el polietileno. La reacción química para la síntesis del polímero se llama polimerización. La molécula del etileno es CH2=CH2 se une con otras n moléculas para formar el polímero.
La característica principal de los polímeros es su peso molecular elevado, que determina las propiedades químicas y físicas de éstas moléculas. A medida que la polimerización avanza crece el grado de polimerización y con el peso molecular del polímero. También, existen polímeros de origen natural producidos por organismos: los polisacáridos (celulosa y almidón), proteínas (colágeno, hemoglobina, hormonas, albúmina, etc.) y los ácidos nucleicos (DNA y RNA). Tanto los polímeros como estas moléculas son clasificados como macromoléculas
Importancia de los polímeros sintéticos
Los objetos que más empleamos cotidianamente y con más frecuencia se cuentan los polímeros sintéticos y los cauchos.
Los polímeros sintéticos son usados en forma masiva en la manufactura de: embalajes para productos alimenticios, fármacos y químicos, electrodomésticos, herramientas, utensilios domésticos, juguetes, componentes automotrices; lo forman parte de una lista muy larga de aplicaciones. También, los polímeros tienen aplicación en diversas áreas de la ciencia y tecnología.
Ese uso tan extendido se debe al bajo costo de producción, baja densidad, tenacidad adecuada, buen acabado superficial, durabilidad, versatilidad del sistema de producción, entre otras ventajas respecto a los materiales metálicos o cerámicos. También, es necesario notar que muchos productos hechos originalmente con otros materiales fueron suplantados por objetos diseñados en materiales plásticos. Así, por ejemplo, componentes automotrices tales como los paragolpes metálicos cromados han sido reemplazados por otros de plástico reforzado debido al menor costo de producción y mayor resistencia a la corrosión luego de sufrir impactos. Otras piezas sustituto han sido el panel, el volante, el forro del techo interno, el tapizado y el relleno de los asientos, componentes de los cinturones de seguridad, revestimiento de cables de eléctricos, las mangueras, los recipiente para líquidos y las juntas, etc. Además, este uso intensivo del plástico y del caucho permite la reducción de peso del automóvil, menor consumo de combustible, mayor comodidad y seguridad para el pasajero.
Las ventajas mencionas se contraponen con la lenta degradación de estos materiales, que puede extenderse por varios años, generando importantes problemas ambientales. Todavía más costoso el reciclado de estos materiales que su producción a partir de materiales vírgenes.
Los polímeros sintéticos provienen mayoritariamente del petróleo (mezcla de hidrocarburos). El 4 % de la producción mundial de petróleo se convierte en polímeros. Después de un proceso de cracking y reforming, se tienen moléculas simples, como etileno, benceno, etc., a partir de las que comenzará la síntesis del polímero.
La síntesis de cualquier polímero, con una calidad controlada, es un proceso muy complejo, y encontraremos normalmente a la gran industria petroquímica asociada a la producción de los diversos materiales plásticos. Esta industria suministrará material acabado susceptible de posterior moldeo, en el caso de termoplásticos, o líquidos y polvos reactivos, en el caso de los termoestables, a falta de la reacción final de entrecruzamiento.
Se clasifican en: homopolímeros y copolimeros
Los homopolímeros son macromoléculas que están formadas por monómeros idénticos, la celulosa y el caucho son homopolímeros naturales, mientras que el PVC y el polietileno son sintéticos.
Los copolimeros están constituidos por 2 o mas monómeros diferentes, como por ejemplo, la seda como copolimero natural, y la baquelita como sintético.
Lineales o Ramificados
Los monómeros al unirse pueden dar diferentes formas de polímeros, lo que influye en sus propiedades, por ejemplo, el material blando y moldeable tiene una forma lineal con cadenas unidas por interacciones (fuerzas) débiles, mientras que un polímero rígido y frágil tiene una estructura ramificada, y así vemos muchas otras características.
Los lineales se forman cuando el monómero que lo origina tiene 2 puntos de “ataque” (de unión), de modo que la polimerización ocurre en una sola dirección, pero en ambos sentidos.
Los polímeros ramificados, se forman debido a que, a diferencia del lineal, estos tiene 3 o más puntos de “ataque”, de tal forma que la polimerización ocurre en forma tridimensional, en las 3 direcciones del espacio. Dentro de los polímeros ramificados encontramos 3: los con forma de estrella, de red y de dendritas.
Un polímero puede ser resistente a la compresión o al estiramiento, es decir, puede soportar golpes sin perder su forma o no estirarse con facilidad, respectivamente. También hay ciertos polímeros que son resistente al impacto, y por tanto no se destruyen al golpearlos; a su vez hay otros que presentan resistencia a la flexión: los doblamos con facilidad; y finalmente podemos encontrar resistencia a la torsión, que son los que recuperan su forma luego de haberlos torcido.
Un ejemplo de resistencia al estiramiento son las cuerdas (específicamente sus fibras), ya que por lo general están sujetadas a tensión y es necesario que no se extiendan al aplicarles esta fuerza. En sí, la resistencia es la medida de la cantidad de tensión necesaria para romper el polímero.
En cuanto a dureza, un polímero puede ser rígido o flexible. El primer tipo suelen ser resistentes y casi no sufren deformaciones, pero al no ser duros, se quiebran con facilidad; el segundo tipo, por el contrario, aguantan bastante bien la deformación y no se rompe tan fácilmente como los rígidos.
En lo que a elongación respecta, los polímeros llamados elastómeros pueden ser estirados entre un 500% y un 1.000% y aun así volver a su longitud original sin haber sufrido rotura alguna. Al fin y al cabo, la elongación es el cambio de forma que sufre un polímero cuando es sometido a tensión; es la capacidad de estiramiento sin que se rompa.
Polímeros de adición: el caucho natural y el caucho sintético
Hoy en día, infinidad de objetos de uso cotidiano se fabrican utilizando polímeros como materias primas: teléfonos, ordenadores, piezas de automóvil, utensilios desechables… Esencialmente, hallamos dos tipos de polímeros: los polímeros de adición y los polímeros de condensación, los cuales, a su vez, incluyen diversos polímeros en función de variables como el tipo de monómero o las condiciones utilizadas en la polimerización.
Un polímero de adición es un material que se forman por la unión continua de monómeros con dobles enlaces entre dos átomos de carbono; la unión de unos monómeros a otros es debida a la ruptura de estos dobles enlaces y la posterior unión de los átomos de carbono a distintas moléculas con enlaces simples. Este proceso de ruptura de dobles enlaces requerirá superar una barrera de energía; por este motivo, es habitual que una polimerización requiera luz, calor o el uso de catalizadores, o una combinación de diversos de estos factores.
Caucho natural
El caucho natural se obtiene a partir del látex que mana de las incisiones practicadas en los troncos del árbol Hevea brasiliensis. El látex contiene entre un 25 y un 40% de caucho. Fue Michael Faraday (el cual hubiese cumplido precisamente hoy 221 años) quien determinó la fórmula empírica de este caucho natural, C5H8. En concreto, se trata de un polímero del 2-metil-1,3-butadieno, el isopreno (quizá recordéis que hablamos del isopreno o terpeno también en una entrada reciente, la de los Isomeros R y S del terpenoide lineloos. El caucho es prácticamente el único polímero constituido por un hidrocarburo que se encuentra en la naturaleza.
Las uniones de los monómeros del polímero pueden ser cis o trans. El natural, en concreto, presenta la conformación cis en todos sus enlaces, es decir, se trata de la adición 1,4 de varios miles de unidades de isopreno
Puesto que está formado por largas cadenas lineales que se deslizan con facilidad unas sobre otras, el caucho natural es viscoso y pegajoso, y cuando se enfría se vuelve quebradizo. Las fuerzas de atracción entre las cadenas vecinas del polímero son relativamente débiles (fuerzas de van der Waals), y existe un orden estructural global pequeño.
Es elástico porque las cadenas se deslizan fácilmente unas sobre otras cuando se estira, y cuando se elimina la fuerza de deformación, vuelven otra vez a su estado desordenado. La capacidad de una sustancia para recuperar su forma original después de la deformación se define como su elasticidad. Sin embargo, la elasticidad del caucho natural es satisfactoria solamente dentro de un rango de temperatura limitado; es demasiado rígido y frágil cuando se enfría y demasiado viscoso cuando se caliente para ser útil.
Es por este motivo que, en realidad, el que tiene más aplicación práctica es el caucho sintético, el cual ha sido sometido a un tratamiento que recibe el nombre de vulcanización.
Caucho sintético
En 1839, Charles Goodyear descubrió que las propiedades del caucho natural mejoraban notablemente si se mezclaba con azufre y se calentaba. El azufre reacciona con las moléculas del polímero y forma un polímero reticular. Este proceso se denomina vulcanización. El caucho vulcanizado con una proporción del 3 al 8% de azufre sigue siendo elástico y no se vuelve quebradizo en frío ni pegajoso en caliente.
Cuando el caucho natural se calienta con azufre se da una reacción química en donde las cadenas de poliisopreno vecinas se conectan o entrecruzan a través de enlaces covalentes con el azufre. Aunque estos puentes de azufre permiten solamente movimientos limitados de una cadena con respeto a otra (al menos no tan libres como en el caucho natural sin ningún tipo de entrecruzamiento) su presencia asegura que el caucho recuperará su forma original una vez que la fuerza de deformación sea eliminada y a su vez es mucho más resistente, motivo por el cual el caucho vulcanizado se vuelve menos quebradizo que el caucho natural.
Ya que la propiedad más significativa es su buena elasticidad combinada con su resistencia, los cauchos sintéticos reciben también el nombre de elastómeros, y pueden alcanzar hasta alcanzar varias veces su longitud inicial y volver luego a su tamaño original.
Así, con la vulcanización se abrió la posibilidad de utilización en múltiples artículos, ya que el caucho vulcanizado no sólo sigue recuperando rápidamente su forma primitiva, sino que además se convierte en resistente a la abrasión, no se ablanda con el calor y es insoluble en solventes orgánicos.
Si la proporción de azufre se aumenta (entre un 30-50%) se obtiene un polímero rígido, duro y frágil llamado ebonita, que se usa para, por ejemplo, la construcción de instrumentos musicales. Con el caucho vulcanizado en menor proporción se fabrican ruedas de coche, gomas, tapones, suelas de zapatos, colas y adhesivos