POLÍMEROS: GENERALIDADES
POLIMEROS
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE
PAULA SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
QUIMICA GENERAL - PRIMER
SEMESTRE
CUCUTA, COLOMBIA
2014
INTRODUCCIÓN
Los polímeros que abarcan
materiales tan diversos como los plásticos, el caucho y los adhesivos, son
moléculas orgánicas gigantes en cadena con pesos moleculares desde 10000 hasta
1000000 g/mol. En el ámbito de la ciencia, los polímeros son sustancias muy
importantes debido a que pueden tener varios y muy diversos usos en la vida
cotidiana.
Los polímeros pueden ser descriptos
como sustancias compuestas en las cuales se entremezclan varias moléculas de
monómeros formando moléculas más pesadas y que pueden ser encontradas en
diversos objetos y elementos naturales.
Los polímeros pueden ser también
artificiales o creados por el hombre cuando los polímeros naturales son
transformados, ejemplos de esto son los textiles sintéticos como el nylon usado
como una fibra.
1.
OBJETIVOS
·
Conocer las principales propiedades físicas y químicas
de los polímeros más comunes, su clasificación, importancia y usos actuales
tanto en la vida cotidiana como en la industria.
·
Diferenciar los procesos de polimerización, las
condiciones y sus características.
·
Aprender a nombrar a un polímero, de acuerdo a las
reglas (nomenclatura de polímeros) establecidas por la IUPAC.
2.
MARCO
REFERENCIAL
2.1 HISTORIA
Los polímeros naturales, por
ejemplo la lana, la seda, la celulosa, etc., se han empleado profusamente y han
tenido mucha importancia a lo largo de la historia. Sin embargo, hasta finales
del siglo XIXV no aparecieron los primeros polímeros sintéticos, como por
ejemplo el celuloide. Los primeros polímeros que se sintetizaron se obtenían a
través de transformaciones de polímeros naturales. En 1839 Charles Goodyear
realiza el vulcanizado del caucho. El nitrato de celulosa se sintetizó
accidentalmente en el año 1846 por el químico Christian Friedrich Schönbein y
en 1868, John W.Hyatt sintetizó el celuloide a partir de nitrato de celulosa .El
primer polímero totalmente sintético se obtuvo en 1909, cuando el químico belga
Leo Hendrik Baekeland fabrica la baquelita a partir de formaldehido y fenol. Otros
polímeros importantes se sinterizaron en años siguientes, por ejemplo el poliestireno
(PS) en 1911 o el poli (cloruro de vinilo) (PVC) en 1912.En 1922, el químico
alemán Hermann Staudinger comienza a estudiar los polímeros y en 1926 expone su
hipótesis de que se trata de largas cadenas de unidades pequeñas unidas por
enlaces covalentes. Propuso las fórmulas estructurales del poliestireno y del
polioximetileno, tal como las conocemos actualmente, como cadenas moleculares
gigantes, formadas por la asociación mediante enlace covalente de ciertos
grupos atómicos llamados "unidades estructurales". Este concepto se
convirtió en "fundamento" de la química macromolecular sólo a partir
de 1930, cuando fue aceptado ampliamente. En 1953 recibió el Premio Nobel de
Química por su trabajo. Wallace Carothers, trabajando en la empresa DuPont
desde 1928, desarrolló un gran número de nuevos polímeros: poliésteres,
poliamidas, neopreno, etc.
La Segunda Guerra Mundial
contribuyó al avance en la investigación de polímeros. Por ejemplo, fue muy
importante la sustitución del caucho natural por caucho sintético. En los años
1950 el alemán Karl Ziegler y el italiano Giulio Natta desarrollaron los
catalizadores de Ziegler-Natta y obtuvieron el Premio Nobel de Química en
1963.Otro Premio Nobel de Química fue concedido por sus estudios de polímeros a
Paul J. Flory en 1974.En la segunda mitad del siglo XX se desarrollaron nuevos
métodos de obtención, polímeros y aplicaciones. Por ejemplo, catalizadores
metalocénicos, fibras de alta resistencia, polímeros conductores (en 2000 Alan
J. Heeger, Alan G.Mac Diarmid y Hideki Shirakawa recibieron el Premio Nobel de
Química por el desarrollo de estos polímeros), estructuras complejas de
polímeros, polímeros cristales líquidos, etc.
3.
DEFINICION
3.1 ¿QUE ES UN
POLIMERO?
Los polímeros son macromoléculas
(generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas
llamadas monómeras.
Los compuestos orgánicos que se han
estudiado son, en general, cuerpos de constitución sencilla, pues están
formados por moléculas conteniendo un número relativamente pequeño de átomos y
solamente en el caso de ciertos productos naturales como las proteínas,
polisacáridos, resinas naturales, gomas, etc., las substancias caso por la
polimerización o de adición, de moléculas más sencillas.
Los polímeros, que en muchos casos
se parecen a las resinas naturales al no tener punto de fusión determinado y en
irse reblandeciendo cuando se las calienta dentro de un cierto intervalo de
temperatura.
El almidón, la celulosa, la seda y
el ADN son ejemplos de polímeros naturales, entre los más comunes de estos y
entre los polímeros sintéticos encontramos el nailon, el polietileno y la
baquelita.
4.
PROPIEDADES FÍSICAS Y MECANICAS DE LOS POLÍMEROS
4.1 PROPIEDADES
FISICAS DE LOS POLIMEROS
Estudios de difracción de rayos X
sobre muestras de polietileno comercial, muestran que este material,
constituido por moléculas que pueden contener desde1.000 hasta 150.000 grupos
CH2 – CH2 presentan regiones con un cierto ordenamiento cristalino, y otras
donde se evidencia un carácter amorfo: a éstas últimas se les considera
defectos del cristal. En este caso las fuerzas responsables del ordenamiento
cuasi cristalino, son las llamadas fuerzas de van de Waals. En otros casos
(nylon 66) la responsabilidad del ordenamiento recae en los enlaces de H. La
temperatura tiene mucha importancia en relación al comportamiento de los
polímeros. A temperaturas más bajas los polímeros se vuelven más duros y con
ciertas características vítreas debido a la pérdida de movimiento relativo
entre las cadenas que forman el material. La temperatura en la cual funden las
zonas cristalinas se llama temperatura de fusión (Tf) Otra temperatura
importante es la de descomposición y es conveniente que la misma sea bastante
superior a Tf.
4.2 PROPIEDADES
MECANICAS DE LOS POLIMEROS
Son una consecuencia directa de su
composición, así como de la estructura molecular, tanto a nivel molecular como
supermolecular. Actualmente las propiedades mecánicas de interés son las de los
materiales polímeros y éstas han de ser mejoradas mediante la modificación de
la composición o morfología: por ejemplo, cambiar la temperatura a la que los
polímeros se ablandan y recuperan el estado de sólido elástico o también el
grado global del orden tridimensional. Normalmente el incentivo de estudios
sobre las propiedades mecánicas es generalmente debido a la necesidad de
correlacionar la respuesta de diferentes materiales bajo un rango de
condiciones con objeto de predecir el comportamiento de estos polímeros en
aplicaciones prácticas.
Durante mucho tiempo los ensayos
han sido realizados para comprender el comportamiento mecánico de los
materiales plásticos a través de la deformación de la red de polímeros
reticulados y cadenas moleculares enredadas, pero los esfuerzos para describir
la deformación de otros polímeros sólidos en términos de procesos operando a
escala molecular son más recientes. Por lo tanto, se considerarán los
diferentes tipos de respuesta mostrados por los polímeros sólidos a diferentes
niveles de tensión aplicados; elasticidad, viscoelasticidad, flujo plástico y
fractura.
5. POLIMERIZACION
La polimerización es una reacción
química realizada mayormente en presencia de un catalizador que se combina para
formar moléculas gigantes.
En química orgánica, la reacción
por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina
polimerización. Según el mecanismo por el cual se produce la reacción de
polimerización para dar lugar al polímero, esta se clasifica como
"polimerización por pasos" o como "polimerización en
cadena". En cualquier caso, el tamaño de la cadena dependerá de parámetros
como la temperatura o el tiempo de reacción, teniendo cada cadena un tamaño
distinto y, por tanto, una masa molecular distinta, de ahí que se hable de masa
promedio del polímero.
6. TIPOS DE
POLIMERIZACION
Existen dos tipos fundamentales de polimerización:
- Polimerización
por condensación.
En cada unión de dos monómeros se
pierde una molécula pequeña, por ejemplo agua. Debido a esto, la masa molecular
del polímero no es necesariamente un múltiplo exacto de la masa molecular del
monómero. Los polímeros de condensación se dividen en dos grupos:
Los Homopolímeros.
Los materiales como el polietileno,
el PVC, el polipropileno, y otros que contienen una sola unidad estructural, se
llaman homopolímeros. Los homopolímeros, además, contienen cantidades menores
de irregularidades en los extremos de la cadena o en ramificaciones.
Los Copolímeros.
Es una macromolécula compuesta por
dos o más unidades repetitivas distintas, que se pueden unir de diferentes
formas por medio de enlaces químicos. Los monómeros pueden distribuirse de
forma aleatoria o periódica.
La polimerización en etapas
(condensación) necesita al menos monómeros bifuncionales. Deben de saber que
los polímeros pueden ser maquinables.
- Polimerización
por adición.
En este tipo de polimerización la
masa molecular del polímero es un múltiplo exacto de la masa molecular del
monómero.
Suelen seguir un mecanismo en tres
fases, con ruptura homolítica:
Iniciación:
CH2=CHCl + catalizador ⇒ •CH2–CHCl•
Propagación
o crecimiento: 2 •CH2–CHCl• ⇒ •CH2–CHCl–CH2–CHCl•
Terminación:
Los radicales libres de los extremos se unen a impurezas o bien se unen dos
cadenas con un terminal neutralizado.
7. CLASIFICACION
DE LOS POLIMEROS
La investigación y el desarrollo de
nuevos tipos de polímeros imponen la necesidad de contar con un sistema que
permita clasificarlos de sus características, y estudiar sus propiedades. Este
sistema se sustenta en las estructuras químicas, el comportamiento frente el
calor, las propiedades mecánicas, tipos de aplicaciones, escala de producción,
o aún otras características.
A seguir se presentan estas
clasificaciones y los conceptos pertinentes
- Basada en
el origen
Polímeros Naturales: Son los que se
pueden presentar en la naturaleza (reino vegetal y animal), por ejemplo: la
celulosa, el caucho natural, las resinas, etc.
Polímeros semisintéticos: Son los
obtenidos por la transformación química de los polímeros naturales, sin que se
destruya de modo apreciable su naturaleza macromolecular. Ej : la seda
artificial obtenida a partir de la celulosa.
Polímeros Sintéticos: Son los que
se obtienen por vía puramente sintética a partir de sustancias de bajo peso
molecular. Ej: el Nylon.
- Basada en
la composición química de la cadena principal
De acuerdo al tipo de monómeros que
forman la cadena, los polímeros se clasifican en: homopolímeros y copolímeros.
- Basada
según su uso.
Plásticos “commodities”: Son
plásticos de uso cotidiano, que se caracterizan por ser económicos y de consumo
masivo.
Plásticos “specialities”: Son
plásticos destinados a aplicaciones más específicas y con un valor añadido
considerable.
- Según la
relación a la estructura química de los monómeros constituyentes del polímero
Esta clasificación toma en cuenta
el grupo funcional de los monómeros. Los ejemplos más conocidos son:
Poliolefinas – polipropileno,
polibutadieno, poliestireno.
Poliésteres – poli(tereftalato de
etileno), policarbonato.
Poliéteres – poli(óxido de
etileno), poli(óxido de fenileno).
Poliamidas – Nylon, poliimida.
Polímeros celulosos – nitrato de
celulosa, acetato de celulosa.
Polímeros acrílicos –
poli(metacrilato de metilo), poliacrilonitrilo.
Polímeros vinílicos – poli(acetato
de vinilo), poli(alcohol vinílico).
Poliuretanos – denominación
genérica de los derivados de isocianatos
Resinas formaldehido – resina
fenol-formol, resina urea-formol.
- Según la
forma de la cadena polimérica
De acuerdo a la forma de las
cadenas macromoleculares los polímeros pueden ser:
Lineales: no tienen ramificaciones.
Ramificados: todas las moléculas
tienen ramificaciones (pequeñas cadenas laterales).
Entrecruzados: los polímeros poseen
estructura tridimensional, donde las cadenas están unidas unas a otras por
enlaces laterales.
- Resinas
La designación resina aparece con
frecuencia en la industria de los polímeros en forma adicional a las
clasificaciones anteriores.
Las resinas naturales son
compuestos orgánicos amorfos producidos y secretados por algunas plantas u
insectos, y son generalmente insolubles en agua, pero solubles en diversos
disolventes orgánicos.
Las resinas sintéticas son un grupo
de sustancias sintéticas cuyas propiedades se asemejan a las de las resinas
naturales. Las resinas tienen generalmente una consistencia y aspecto de un
líquido viscoso o pastoso a temperatura ambiente y se reblandecen por efecto
del calentamiento.
El término también puede referirse
a los polímeros termorígidos.
8.
NOMENCLATURA
A parte de las reglas de nomenclatura establecidas por la
IUPAC, existe otro mecanismo alternativo con el que también se pueden nombrar
los polímeros y es tomando como base el monómero del cual son provenientes.
Las normas internacionales publicadas por la IUPAC indican
que el principio general para nombrar polímeros básicos es utilizar el prefijo
poli- seguido de la unidad estructural repetitiva (UER) que define al polímero,
escrita entre paréntesis. La UER debe ser nombrada siguiendo las normas convencionales
de la IUPAC para moléculas sencillas.
Ejemplo:
Poli (tio-1,4-fenileno)
Las normas IUPAC se utilizan habitualmente para nombrar los
polímeros de estructura complicada, ya que permiten identificarlos sin
ambigüedad en las bases de datos de artículos científicos.
En la práctica, los polímeros de uso común se suelen nombrar
según alguna de las siguientes opciones:
-
Prefijo poli- seguido del monómero del que se obtiene
el polímero. Esta convención es diferente de la IUPAC porque el monómero no
siempre coincide con la UER y además se nombra sin paréntesis y en muchos casos
según una nomenclatura "tradicional", no la IUPAC. Ejemplos:
polietileno frente a poli (metileno); poliestireno frente a
poli(1-feniletileno)
-
Para copolímeros se suelen listar simplemente los
monómeros que los forman, a veces precedidos de las palabras caucho o goma si
se trata de un elastómero o bien resina si es un plástico. Ejemplos:
acrilonitrilo butadieno estireno; caucho estireno-butadieno; resina fenol-formaldehído.
La IUPAC reconoce que los nombres tradicionales están
firmemente asentados por su uso y no pretende abolirlos sino solo ir reduciendo
paulatinamente su utilización en las publicaciones científicas.
9. PROCESOS DE
PRODUCCION
La primera parte de la producción de plásticos consiste en la
elaboración de polímeros en la industria química. Hoy en día la recuperación de
plásticos post-consumidor es esencial también. Parte de los plásticos
terminados por la industriase usan directamente en forma de grano o resina. Más
frecuentemente, se utilizan varias formas de moldeo (por inyección, compresión,
rotación, inflación, etc.) o la extrusión de perfiles o hilos. Parte del mayor
proceso de plásticos se realiza en una máquina horneadora.
9.1 PROCESOS INDUSTRIALES
Productos Industriales
Piezas > Extrusión, Moldeo por compresión, Moldeo por
inyección, Termoformado, Caldrado, Hilado, Colado, Moldeo por transferencia,
Espumas, Mecanizado.
Extrusión:
El material caliente y fluido se hace pasar a través de
orificios (troquel extruidor) que le dan la forma deseada.
Moldeo por compresión:
La materia prima plástica, en forma de polvo seco, se
introduce en el molde, se la somete a presión y temperatura elevada, hasta que
el material plástico que rellena el molde se solidifica.
Moldeo por inyección:
La materia prima se calienta en un cilindro de presión que
inyecta la resina fundida, a través de una boquilla, en la cavidad de un molde
provisto de un sistema de refrigeración que solidifica rápidamente en plástico
inyectado; un sistema automático expulsa la pieza fuera del molde.
Termoformado:
Las hojas de polímero termoplástico que son calentadas hasta
llegar a la región plástica se pueden conformar sobre un dado para producir
diversos productos,. El conformado se puede efectuar utilizando dados, vacío y
aire a presión.
Calandrado:
Consiste en verter plástico fundido en un juego de rodillos
con una pequeña separación.
Hilado:
Se pueden producir filamentos, fibras e hilos mediante el
hilado. El polímero termoplástico fundido se empuja a través de un dado, que
contiene muchas perforaciones pequeñas.
Colado:
La mayoría de los polímeros se pueden colar en moldes,
dejando que se solidifiquen. Los moldes pueden ser placas de vidrio, para
producir hojas de plástico gruesas, o bandas de acero inoxidables para colado
continuo de hojas más delgadas.
Moldeo por transferencia:
Requiere de una cámara doble. El polímero en una de las cámaras
es calentado a presión. Una vez fundido se inyecta en la cavidad el dado
adyacente.
Espumas:
Para lograr un polímero que contiene espacios huecos el
polímero se produce en pequeñas bolitas que contienen un agente espumante, que
al ser calentado se descompondrá, generando algún gas, las bolitas aumentan de
tamaño 50 veces y se hacen huecas, se inyectan dentro de un dado, para
fundirlas y unirlas a fin de formar productos excepcionalmente ligeros.
Mecanizado:
Muchos plásticos son de fácil mecanización una vez
transformados en productos industriales, de ahí que se pueda tornear, limar,
taladrar, etc., pudiendo obtener la pieza totalmente mecanizada.
10. EJEMPLOS Y
USOS DE POLIMEROS
- Polímeros
comunes
Polietileno (PE) (HDPE o LDPE, alta
y baja densidad)
Polipropileno (PP)
Poliestireno (PS)
Poliuretano (PU)
Policloruro de vinilo (PVC)
Politereftalato de etileno (PET)
Polimetilmetacrilato (PMMA)
- Polímeros
de ingeniería
Nailon (poliamida 6, PA 6)
Polietilenimina
Polilactona
Policaprolactona
Poliéster
Polisiloxanos
Polianhidrido
Poliurea
Policarbonato
Polisulfonas
Poliacrilonitrilo
Acrilonitrilo Butadieno Estireno
(ABS)
Polióxido de etileno
Policicloctano
Poli (n-butil acrilato)
Tereftalato de Polibutileno (PBT)
Estireno Acrilonitrilo (SAN)
Poliuretano Termoplástico (TPU)
- Polímeros
funcionales
Copolímeros
11. CONCLUSIONES
Los polímeros son un material imprescindible en nuestra vida,
el cual se encuentra presente en una gran mayoría de objetos de uso cotidiano,
también podríamos decir que es un material prácticamente irremplazable y que ha
originado un impacto negativo muy grande en cuanto lo ambiental debido a que la
eliminación de polímeros es de las mayores consecuencias a la acumulación de
basuras., como ciertos plásticos, pero ya países más desarrollados han tomado
la iniciativa para manejar este impacto ambiental y que no se produzca una
mayor consecuencia. Sin embargo también tiene aspectos positivasen cuanto a lo
social debido a que ha facilitado muchas cosa de la vida cotidiana
12. BIBLIOGRAFÍA
¿Qué es un polímero? – Monografía
Polímero – Wikipedia
Polímeros – Scribd
Importancia de los polímeros –
importancia
Clasificación de los polímeros –
Tecnopolimeros
Clasificación de los polímeros –
Textos Científicos
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