POLIMEROS ¡!
VÁZQUEZ SANTOS KARLA MARIANA.
La materia
esta formada por moléculas que pueden ser de tamaño normal o moléculas gigantes
llamadas polímeros.
Los
polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas
denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas.
Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones. algunas más se asemejan a
las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales.
Existen
polímeros naturales de gran significación comercial como el algodón, formado
por fibras de celulosas. La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos
de muchas plantas, y se emplean para hacer telas y papel. La seda es otro
polímero natural muy apreciado y es una poliamida semejante al nylon. La lana,
proteína del pelo de las ovejas, es otro ejemplo. El hule de los árboles de
hevea y de los arbustos de Guayule, son también polímeros naturales importantes.
Sin embargo,
la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son
materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas.
Lo que
distingue a los polímeros de los materiales constituídos por moléculas de
tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen
una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas
se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición
química del polímero y pueden ser de varias clases.
Fuerzas de Van der Waals.
También
llamadas fuerzas de dispersión, presentes en las moléculas de muy baja
polaridad, generalmente hidrocarburos. Estas fuerzas provienen de dipolos
transitorios: como resultado de los movimientos de electrones, en cierto
instante una porción de la molécula se vuelve ligeramente negativa, mientras
que en otra región aparece una carga positiva equivalente. Así se forman
dipolos no-permanentes. Estos dipolos producen atracciones electroestáticas muy
débiles en las moléculas de tamaño normal, pero en los polímeros, formados por
miles de estas pequeñas moléculas, las fuerzas de atracción se multiplican y
llegan a ser enormes, como en el caso del polietileno.
En la tabla
1.1 se observa como cambian la densidad y la temperatura de fusión, al aumentar
el número de átomos de carbono en la serie de los hidrocarburos. Los compuestos
más pequeños son gases a la temperatura ambiente. al aumentar progresivamente
el número de carbonos, los compuestos se vuelven líquidos y luego sólidos, cada
vez con mayor densidad y mayor temperatura de fusión, hasta llegar a los
polietilenos con densidades que van de 0,92 a 0, 96 g / cm3 y
temperaturas de fusión entre 105 y 135° C.
|
Hidrocarburo
|
Fórmula
|
Peso molecular
|
Densidad
|
T. de fusión
|
|
Metano
|
CH4
|
16
|
gas
|
-182 °C
|
|
Etano
|
C2H6
|
30
|
gas
|
-183 °C
|
|
Propano
|
C3H8
|
44
|
gas
|
-190 °C
|
|
butano
|
C4H10
|
58
|
gas
|
-138 °C
|
|
Pentano
|
C5H12
|
72
|
0,63
|
-130 °C
|
|
Hexano
|
C6H14
|
86
|
0,66
|
-95 °C
|
|
Heptano
|
C7H16
|
100
|
0,68
|
-91 °C
|
|
Octano
|
C8H18
|
114
|
0,70
|
-57 °C
|
|
Nonano
|
C9H20
|
128
|
0,72
|
-52 °C
|
|
Decano
|
C10H22
|
142
|
0,73
|
-30 °C
|
|
Undecano
|
C11H24
|
156
|
0,74
|
-25 °C
|
|
Dodecano
|
C12H26
|
170
|
0,75
|
-10 °C
|
|
Pentadecano
|
C15H32
|
212
|
0,77
|
10 °C
|
|
Eicosano
|
C20H42
|
283
|
0,79
|
37 °C
|
|
Triacontano
|
C30H62
|
423
|
0,78
|
66 °C
|
|
Polietileno
|
C2000H4002
|
28000
|
0,93
|
100 °C
|
Densidad y
temperatura de fusión de hidrocarburos.
Fuerzas de atracción.
Debidas a
dipolos permanentes, como en el caso de los poliésteres. Estas atracciones son
mucho más potentes y a ellas se debe la gran resistencia tensil de las fibras
de los poliésteres.
Enlaces de hidrógeno.
Como en las
poliamidas (nylon).
Estas
interacciones son tan fuertes, que una fibra obtenida con estas poliamidas
tiene resistencia tensil mayor que la de una fibra de acero de igual masa.
Otros polímeros.
Hay
atracciones de tipo iónico que son las más intensas:
Un ejemplo
sería el copolímero etileno-ácido acrílico, que al ser neutralizado con la base
M(OH)2, producirá la estructura indicada. Estos materiales se llaman
ionómeros y se usan, por ejemplo, para hacer películas transparentes de alta
resistencia.
|
Tipo de enlace
|
Kcal / mol
|
|
Van der Waals en CH4
|
2,4
|
|
Dipolos permanentes
|
3 a 5
|
|
Enlaces hidrógeno
|
5 a 12
|
|
Iónicos
|
mayores a 100
|
Energía
requerida para romper cada enlace.
La fuerza
total de atracción entre las moléculas del polímero, dependería del número de
las interacciones. Como máximo, sería igual a la energía de enlace según la
tabla, multiplicada por el número de átomos de carbono en el caso del
polietileno o por el número de carbonílicos C = O en los poliésteres, etc. rara
vez se alcanza este valor máximo, porque las cadenas de los polímeros no
pueden, por lo general, acomodarse con la perfección que sería requerida.
Concepto y clasificación.
Un polímero
(del griego poly, muchos; meros, parte, segmento) es una
sustancia cuyas moléculas son, por lo menos aproximadamente, múltiplos de
unidades de peso molecular bajo. La unidad de bajo peso molecular es el
monómero. Si el polímero es rigurosamente uniforme en peso molecular y
estructura molecular, su grado de polimerización es indicado por un numeral
griego, según el número de unidades de monómero que contiene; así, hablamos de
dímeros, trímeros, tetrámero, pentámero y sucesivos. El término polímero
designa una combinación de un número no especificado de unidades. De este modo,
el trióximetileno, es el trímero del formaldehído, por ejemplo.
Si el número
de unidades es muy grande, se usa también la expresión gran polímero. Un
polímero no tiene la necesidad de constar de moléculas individuales todas del
mismo peso molecular, y no es necesario que tengan todas las mismas
composiciones químicas y la misma estructura molecular. Hay polímeros naturales
como ciertas proteínas globulares y poli carbohidratos, cuyas moléculas individuales
tienen todos los mismos pesos moleculares y la misma estructura molecular; pero
la gran mayoría de los polímeros sintéticos y naturales importantes son mezclas
de componentes poliméricos homólogos. La pequeña variabilidad en la composición
química y en la estructura molecular es el resultado de la presencia de grupos
finales, ramas ocasionales, variaciones en la orientación de unidades monómeras
y la irregularidad en el orden en el que se suceden los diferentes tipos de
esas unidades en los copolímeros. Estas variedades en general no suelen afectar
a las propiedades del producto final, sin embargo, se ha descubierto que en
ciertos casos hubo variaciones en copolímeros y ciertos polímeros cristalinos.
Polímeros isómeros.
Los
polímeros isómeros son polímeros que tienen escencialmente la misma composición
de porcentaje, pero difieren en la colocación de los átomos o grupos de átomos
en las moléculas. Los polímeros isómeros del tipo vinilo pueden diferenciarse
en las orientaciones relativas (cabeza a cola, cabeza a cabeza, cola a cola, o
mezclas al azar de las dos.) de los segmentos consecutivos (unidades
monómeras.).:
Cabeza a
cola
—CH2—CHX—CH2—CHX—CH2—CHX—CH2—CHX—
Cabeza a
cabeza y cola a cola
— CH2—CH2—CHX—CHX—CH2—CH2—CHX—CHX—CH2—
o en la
orientación de sustituyentes o cadenas laterales con respecto al plano de la
cadena axial hipotéticamente extendida.
La isomería cis-trans
puede ocurrir, y probablemente ocurre, para cualquier polímero que tenga
ligaduras dobles distintas a las que existen en los grupos vinilo pendientes
(los unidos a la cadena principal).
Concepto de tacticidad.
El termino
tacticidad se refiere al ordenamiento espacial de las unidades estructurales.
El mejor
ejemplo es el polipropileno, que antes de 1.955 no tenía ninguna utilidad. En
ese año, Giulio Natta en Milán, utilizó para hacer polipropileno, los
catalizadores que Karl Ziegler había desarrollado para el polietileno. Esos
catalizadores, hechos a base de cloruro de titanio y tri-alquil-aluminio, acomodan
a los monómeros de tal manera que todos los grupos metilos quedan colocados del
mismo lado en la cadena.
En esta
forma, Natta creó el polipropileno isotáctico, que tiene excelentes
propiedades mecánicas. Hasta ese momento, con los procedimientos convencionales,
sólo se había podido hacer polímeros atácticos, sin regularidad
estructural.
El
polipropileno atáctico es un material ceroso, con pésimas propiedades
mecánicas.
Otros
catalizadores permiten colocar los grupos alternadamente, formando polímeros
que se llaman sindiotácticos, los cuales, como los isotácticos, tienen muy
buenas propiedades.
Homopolímeros y copolímeros.
Los
materiales como el polietileno, el PVC, el polipropileno, y otros que contienen
una sola unidad estructural, se llaman homopolímeros. Los homopolímeros, a
demás, contienen cantidades menores de irregularidades en los extremos de la
cadena o en ramificaciones.
Por otro
lado los copolímeros contienen varias unidades estructurales, como es el caso
de algunos muy importantes en los que participa el estireno.
Estas
combinaciones de monómeros se realizan para modificar las propiedades de los
polímeros y lograr nuevas aplicaciones. Lo que se busca es que cada monómero
imparta una de sus propiedades al material final; así, por ejemplo, en el ABS,
el acrilonitrilo aporta su resistencia química, el butadieno su flexibilidad y
el estireno imparte al material la rigidez que requiera la aplicación
particular.
Evidentemente
al variar las proporciones de los monómeros, las propiedades de los copolímeros
van variando también, de manera que el proceso de copolimerización permite
hasta cierto punto fabricar polímeros a la medida.
No solo
cambian las propiedades al variar las proporciones de los monómeros, sino
también al variar su posición dentro de las cadenas. Así, existen los
siguientes tipos de copolímeros.
Las mezclas
físicas de polímeros, que no llevan uniones permanentes entre ellos, también
constituyen a la enorme versatilidad de los materiales poliméricos. Son el
equivalente a las aleaciones metálicas.
En ocasiones
se mezclan para mejorar alguna propiedad, aunque generalmente a expensas de
otra. Por ejemplo, el óxido de polifenilo tiene excelente resistencia térmica
pero es muy difícil procesarlo. El poliestireno tiene justamente las
propiedades contrarias, de manera que al mezclarlos se gana en facilidad de
procedimiento, aunque resulte un material que no resistirá temperaturas muy
altas.. Sin embargo en este caso hay un efecto sinergístico, en el sentido en
que la resistencia mecánica es mejor en algunos aspectos que a la de cualquiera
de los dos polímeros. Esto no es frecuente, porque puede ocurrir únicamente
cuando existe perfecta compatibilidad ente los dos polímeros y por regla
general no la hay, así que en la mayoría de los casos debe agregarse un tercer
ingrediente para compatibilizar la mezcla. Lo que se emplea casi siempre es un
copolímero injertado, o uno de bloque que contenga unidades estructurales de los
dos polímeros.
Otras veces
se mezcla simplemente para reducir el costo de material.
En otros
casos, pequeñas cantidades de un polímero de alta calidad puede mejorar la del
otro, al grado de permitir una nueva aplicación.
