Polímeros
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Los Polímeros, provienen de las palabras griegas "Poly" y "Mers", que significa muchas partes, son grandes moléculas o macromoléculas formadas por la unión de muchas pequeñas moléculas (monómeros) unidas entre si a través de enlaces covalentes.
Como los polímeros se forman usualmente por la unión de un gran número de moléculas menores, tienen altos pesos moleculares. No es infrecuente que los polímeros tengan pesos moleculares de 100.000 moles o mayores.
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.
La unidad estructural que se repite a lo largo de la cadena polimérica se denomina unidad repetitiva y la reacción en la cual los monómeros se unen entre sí para formar el polímero se denomina reacción de polimerización.
Los polímeros consisten en mezclas de moléculas de distintas longitudes de cadena y por ello se habla del peso molecular promedio (PM) de un polímero.
Tipos de polímeros
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Los polímeros pueden ser de tres tipos:
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LAS PROTEÍNAS:
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El nombre proteína proviene de la palabra griega proteios, que significa lo primero. Entre todos los compuestos químicos, las proteínas deben considerarse ciertamente como las más importantes, puesto que son las sustancias de la vida.
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Desde un punto de vista químico son polímeros grandes o son poliamidas y los monómeros de los cuales derivan son los ácidos a - aminocarboxílicos (aminoácidos). Una sola molécula de proteína contiene cientos e incluso miles de unidades de aminoácidos, las que pueden ser de unos veinte tipos diferentes. El número de moléculas proteínicas distintas que pueden existir, es casi infinito. Es probable que se necesiten decenas de miles de proteínas diferentes para formar y hacer funcionar un organismo animal; este conjunto de proteínas no es idéntico al que constituye un animal de tipo distinto.
Propiedades de los Aminoácidos._
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Los aminoácidos son sólidos cristalinos no volátiles, que funden con descomposición a temperaturas relativamente altas.
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Son insolubles en solventes no polares, mientras que son apreciablemente solubles en agua.
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Sus soluciones acuosas se comportan como soluciones de sustancias de elevado momento dipolar.
Importancia Biológica de las proteínas:
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Su importancia biológica la podemos resumir así:
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Son las sustancias de la vida, pues constituyen gran parte del cuerpo animal.
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Se les encuentra en la célula viva.
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b) POLÍMEROS ARTIFICIALES: Son el resultado de modificaciones mediante procesos químicos, de ciertos polímeros naturales. Ejemplo: nitrocelulosa, etonita, etc.
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NITRATO DE CELULOSA._
El nitrato de celulosa, nitrocelulosa, fulmicotón o algodón pólvora fue sintetizado por primera vez en el año 1845 por Christian Schönbein. Es un sólido parecido al algodón, o un líquido gelatinoso ligeramente amarillo o incoloro con olor a éter.
Propiedades:
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Es uno de los explosivos plásticos más baratos. Es rígido y resistente al impacto. Admite técnicas finales de corte y mecanizado (evitando sobrecalentamiento). No es un buen aislante eléctrico. El celuloide se disuelve en acetona y acetato de amilo. Es atacado por los ácidos y bases (poca resistencia química). Se endurece al envejecer y es atacado por la radiación solar. Es inflamable, con deflagración. Los productos emitidos en la degradación térmica son tóxicos.
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Es muy estable en comparación de la nitroglicerina, incluso es más estable que la pólvora. Los magos e ilusionistas lo utilizan para crear ilusiones con fuego
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c) POLÍMEROS SINTÉTICOS: Son los que se obtienen por procesos de polimerización controlados por el hombre a partir de materias primas de bajo peso molecular. Ejemplo: nylon, polietileno, cloruro de polivinilo, polimetano, etc.
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CLORURO DE POLIVINILO (PVC)._
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Propiedades: Polvo blanco que comienza a reblandecer cerca de los 80ºC y se descompone sobre los 140ºC. Es muy resistente a los agentes mecánicos y químicos y es de fácil pigmentación.
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Usos: Materiales aislantes para la industrias química, eléctrica.
Muchos elementos (el silicio, entre otros), forman también polímeros, llamados polímeros inorgánicos.
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SILICONA:
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La silicona, es un polímero inodoro e incoloro hecho principalmente de silicio. La silicona es inerte y estable a altas temperaturas, lo que la hace útil en gran variedad de aplicaciones industriales, como lubricantes, adhesivos, moldes, impermeabilizantes, y en aplicaciones médicas y quirúrgicas, como prótesis valvulares cardíacas e implantes de mamas.
Usos:
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Dada su baja reactividad ha sido ampliamente usada en la industria farmacéutica en confección de cápsulas para facilitar la ingestión de algunos medicamentos, en antiácidos bajo la designación de meticona. Hay más de 1000 productos médicos en los cuales la silicona es un componente.
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También es una sustancia comúnmente usada como lubricante en la superficie interna de las jeringas y botellas para la conservación de derivados de la sangre y medicamentos intravenosos. Los marcapasos, las válvulas cardíacas y el Norplant usan recubrimientos de silicona. Son también fabricados con silicona artefactos implantables como las articulaciones artificiales (rodillas, caderas), catéteres para quimioterapia o para la hidrocefalia, sistemas de drenaje, implantes.
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Otra aplicación es la silicona para moldes como alternativa al látex en la fabricación de moldes por sus propiedades flexibles y antiadherentes. Ficha de seguridad MSDS Silicona para moldes Ficha técnica TDS Silicona para moldes
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Uno de los derivados de la silicona es la silicona platino. Un material común para uso médico (tetinas de los biberones) y que en los últimos años se ha aplicado en productos para la cocina (vaporeras y estuche de vapor.
Los polímeros pueden ser de tres tipos:
LAS PROTEÍNAS:
El nombre proteína proviene de la palabra griega proteios, que significa lo primero. Entre todos los compuestos químicos, las proteínas deben considerarse ciertamente como las más importantes, puesto que son las sustancias de la vida.
Desde un punto de vista químico son polímeros grandes o son poliamidas y los monómeros de los cuales derivan son los ácidos a - aminocarboxílicos (aminoácidos). Una sola molécula de proteína contiene cientos e incluso miles de unidades de aminoácidos, las que pueden ser de unos veinte tipos diferentes. El número de moléculas proteínicas distintas que pueden existir, es casi infinito. Es probable que se necesiten decenas de miles de proteínas diferentes para formar y hacer funcionar un organismo animal; este conjunto de proteínas no es idéntico al que constituye un animal de tipo distinto.
Los aminoácidos son sólidos cristalinos no volátiles, que funden con descomposición a temperaturas relativamente altas.
Son insolubles en solventes no polares, mientras que son apreciablemente solubles en agua.
Sus soluciones acuosas se comportan como soluciones de sustancias de elevado momento dipolar.
Su importancia biológica la podemos resumir así:
Son las sustancias de la vida, pues constituyen gran parte del cuerpo animal.
Se les encuentra en la célula viva.
b) POLÍMEROS ARTIFICIALES: Son el resultado de modificaciones mediante procesos químicos, de ciertos polímeros naturales. Ejemplo: nitrocelulosa, etonita, etc.
NITRATO DE CELULOSA._
El nitrato de celulosa, nitrocelulosa, fulmicotón o algodón pólvora fue sintetizado por primera vez en el año 1845 por Christian Schönbein. Es un sólido parecido al algodón, o un líquido gelatinoso ligeramente amarillo o incoloro con olor a éter.
Es uno de los explosivos plásticos más baratos. Es rígido y resistente al impacto. Admite técnicas finales de corte y mecanizado (evitando sobrecalentamiento). No es un buen aislante eléctrico. El celuloide se disuelve en acetona y acetato de amilo. Es atacado por los ácidos y bases (poca resistencia química). Se endurece al envejecer y es atacado por la radiación solar. Es inflamable, con deflagración. Los productos emitidos en la degradación térmica son tóxicos.
Es muy estable en comparación de la nitroglicerina, incluso es más estable que la pólvora. Los magos e ilusionistas lo utilizan para crear ilusiones con fuego
c) POLÍMEROS SINTÉTICOS: Son los que se obtienen por procesos de polimerización controlados por el hombre a partir de materias primas de bajo peso molecular. Ejemplo: nylon, polietileno, cloruro de polivinilo, polimetano, etc.
CLORURO DE POLIVINILO (PVC)._
Propiedades: Polvo blanco que comienza a reblandecer cerca de los 80ºC y se descompone sobre los 140ºC. Es muy resistente a los agentes mecánicos y químicos y es de fácil pigmentación.
Usos: Materiales aislantes para la industrias química, eléctrica.
SILICONA:
La silicona, es un polímero inodoro e incoloro hecho principalmente de silicio. La silicona es inerte y estable a altas temperaturas, lo que la hace útil en gran variedad de aplicaciones industriales, como lubricantes, adhesivos, moldes, impermeabilizantes, y en aplicaciones médicas y quirúrgicas, como prótesis valvulares cardíacas e implantes de mamas.
Dada su baja reactividad ha sido ampliamente usada en la industria farmacéutica en confección de cápsulas para facilitar la ingestión de algunos medicamentos, en antiácidos bajo la designación de meticona. Hay más de 1000 productos médicos en los cuales la silicona es un componente.
También es una sustancia comúnmente usada como lubricante en la superficie interna de las jeringas y botellas para la conservación de derivados de la sangre y medicamentos intravenosos. Los marcapasos, las válvulas cardíacas y el Norplant usan recubrimientos de silicona. Son también fabricados con silicona artefactos implantables como las articulaciones artificiales (rodillas, caderas), catéteres para quimioterapia o para la hidrocefalia, sistemas de drenaje, implantes.
Otra aplicación es la silicona para moldes como alternativa al látex en la fabricación de moldes por sus propiedades flexibles y antiadherentes. Ficha de seguridad MSDS Silicona para moldes Ficha técnica TDS Silicona para moldes
Uno de los derivados de la silicona es la silicona platino. Un material común para uso médico (tetinas de los biberones) y que en los últimos años se ha aplicado en productos para la cocina (vaporeras y estuche de vapor.
Propiedades físicas de los polímeros
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Estudios de difracción de rayos X sobre muestras de polietileno comercial, muestran que este material, constituido por moléculas que pueden contener desde 1.000 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 cuasicristalino, son las llamadas fuerzas de van de Waals. En otros casos (nylon 66) la responsabilidad del ordenamiento recae en los enlaces de H.
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La temperatura tiene mucha importancia en relación al comportamiento de los polímeros.
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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.
Estudios de difracción de rayos X sobre muestras de polietileno comercial, muestran que este material, constituido por moléculas que pueden contener desde 1.000 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 cuasicristalino, 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.
Clasificación de los polímeros según sus propiedades físicas
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Desde un punto de vista general se puede hablar de tres tipos de polímeros:
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a) ELASTÓMEROS:
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Los elastómeros son aquellos polímeros que muestran un comportamiento elástico. El término, que proviene de polímero elástico, es a veces intercambiable con el término goma, que es más adecuado para referirse a vulcanizados. Cada uno de los monómeros que se unen entre sí para formar el polímero está normalmente compuesto de carbono, hidrógeno, oxígeno y/o silicio. Los elastómeros son polímeros amorfos que se encuentran sobre su temperatura de transición vítrea, de ahí esa considerable capacidad de deformación. A temperatura ambiente las gomas son relativamente blandas y deformables.
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Se usan principalmente para cierres herméticos, adhesivos y partes flexibles. Comenzaron a utilizarse a finales del siglo XIX, dando lugar a aplicaciones hasta entonces imposibles (como los neumáticos de automóvil).
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b) TERMOPLÁSTICOS:
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Un termoplástico es un plástico que, a temperatura ambiente, es plástico o deformable, se derrite cuando se calienta y se endurece en un estadovítreo cuando se enfría lo suficiente. La mayor parte de los termoplásticos son polímeros de alto peso molecular, los cuales poseen cadenas asociadas por medio de débiles fuerzas Van der Waals (polietileno); fuertes interacciones dipolo-dipolo y enlace de hidrógeno, o incluso anillos aromáticos apilados (poliestireno). Los polímeros termoplásticos difieren de los polímeros termoestables en que después de calentarse y moldearse pueden recalentarse y formar otros objetos, mientras que en el caso de los termoestables o termoduros, después de enfriarse la forma no cambia y arden.
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Sus propiedades físicas cambian gradualmente si se funden y se moldean varias veces (historial térmico), generalmente disminuyen estas propiedades.
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Los más usados son: el polietileno (PE), el polipropileno (PP), el poliestireno (PS), el polimetilmetacrilato (PMMA), el policloruro de vinilo (PVC), el politereftalato de etileno (PET), el teflón (o politetrafluoretileno, PTFE) y el nylon (un tipo de poliamida).
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Se diferencian de los termoestables (baquelita, goma vulcanizada) en que éstos últimos no funden al elevarlos a altas temperaturas, sino que se queman, siendo imposible volver a moldearlos.
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Muchos de los termoplásticos conocidos pueden ser resultado de la suma de varios polímeros, como es el caso del vinilo, que es una mezcla de polietileno y polipropileno.
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c) TERMOESTABLES:
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Los plásticos termoestables son polímeros infusibles e insolubles. La razón de tal comportamiento estriba en que las cadenas de estos materiales forman una red tridimensional espacial, entrelazándose con fuertes enlaces covalentes. La estructura así formada toma el aspecto macroscópico de una única molécula gigantesca, cuya forma se fija permanentemente, debido a que la movilidad de las cadenas y los grados de libertad para rotación en los enlaces es prácticamente cero.
Características:
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Los plásticos termoestables poseen algunas propiedades ventajosas respecto a los termoplásticos. Por ejemplo, mejor resistencia al impacto, a los solventes, a la permeación de gases y a las temperaturas extremas. Entre las desventajas se encuentran, generalmente, la dificultad de procesamiento, la necesidad del curado, el carácter quebradizo del material (frágil) y el no presentar reforzamiento al someterlo a tensión.
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Los termoestables que se presentan en resina, se puede reforzar en forma relativamente fácil con fibras, como las de fibras de vidrio, por ejemplo, formando así, los plásticos reforzados. Los termoplásticos también se pueden ocupar con esta técnica.
Los elastómeros y termoplásticos están constituidos por moléculas que forman largas cadenas con poco entrecruzamiento entre sí. Cuando se calientan, se ablandan sin descomposición y pueden ser moldeados.
Los termoestables se preparan generalmente a partir de sustancias semifluidas de peso molecular relativamente bajo, las cuales alcanzan, cuando se someten a procesos adecuados, un alto grado de entrecruzamiento molecular formando materiales duros, que funden con descomposición o no funden y son generalmente insolubles en los solventes más usuales.
Desde un punto de vista general se puede hablar de tres tipos de polímeros:
a) ELASTÓMEROS:
Los elastómeros son aquellos polímeros que muestran un comportamiento elástico. El término, que proviene de polímero elástico, es a veces intercambiable con el término goma, que es más adecuado para referirse a vulcanizados. Cada uno de los monómeros que se unen entre sí para formar el polímero está normalmente compuesto de carbono, hidrógeno, oxígeno y/o silicio. Los elastómeros son polímeros amorfos que se encuentran sobre su temperatura de transición vítrea, de ahí esa considerable capacidad de deformación. A temperatura ambiente las gomas son relativamente blandas y deformables.
Se usan principalmente para cierres herméticos, adhesivos y partes flexibles. Comenzaron a utilizarse a finales del siglo XIX, dando lugar a aplicaciones hasta entonces imposibles (como los neumáticos de automóvil).
b) TERMOPLÁSTICOS:
Un termoplástico es un plástico que, a temperatura ambiente, es plástico o deformable, se derrite cuando se calienta y se endurece en un estadovítreo cuando se enfría lo suficiente. La mayor parte de los termoplásticos son polímeros de alto peso molecular, los cuales poseen cadenas asociadas por medio de débiles fuerzas Van der Waals (polietileno); fuertes interacciones dipolo-dipolo y enlace de hidrógeno, o incluso anillos aromáticos apilados (poliestireno). Los polímeros termoplásticos difieren de los polímeros termoestables en que después de calentarse y moldearse pueden recalentarse y formar otros objetos, mientras que en el caso de los termoestables o termoduros, después de enfriarse la forma no cambia y arden.
Sus propiedades físicas cambian gradualmente si se funden y se moldean varias veces (historial térmico), generalmente disminuyen estas propiedades.
Los más usados son: el polietileno (PE), el polipropileno (PP), el poliestireno (PS), el polimetilmetacrilato (PMMA), el policloruro de vinilo (PVC), el politereftalato de etileno (PET), el teflón (o politetrafluoretileno, PTFE) y el nylon (un tipo de poliamida).
Se diferencian de los termoestables (baquelita, goma vulcanizada) en que éstos últimos no funden al elevarlos a altas temperaturas, sino que se queman, siendo imposible volver a moldearlos.
Muchos de los termoplásticos conocidos pueden ser resultado de la suma de varios polímeros, como es el caso del vinilo, que es una mezcla de polietileno y polipropileno.
c) TERMOESTABLES:
Los plásticos termoestables son polímeros infusibles e insolubles. La razón de tal comportamiento estriba en que las cadenas de estos materiales forman una red tridimensional espacial, entrelazándose con fuertes enlaces covalentes. La estructura así formada toma el aspecto macroscópico de una única molécula gigantesca, cuya forma se fija permanentemente, debido a que la movilidad de las cadenas y los grados de libertad para rotación en los enlaces es prácticamente cero.
Los plásticos termoestables poseen algunas propiedades ventajosas respecto a los termoplásticos. Por ejemplo, mejor resistencia al impacto, a los solventes, a la permeación de gases y a las temperaturas extremas. Entre las desventajas se encuentran, generalmente, la dificultad de procesamiento, la necesidad del curado, el carácter quebradizo del material (frágil) y el no presentar reforzamiento al someterlo a tensión.
Los termoestables que se presentan en resina, se puede reforzar en forma relativamente fácil con fibras, como las de fibras de vidrio, por ejemplo, formando así, los plásticos reforzados. Los termoplásticos también se pueden ocupar con esta técnica.
Propiedades eléctricas de los polímeros
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Los polímeros industriales en general son malos conductores eléctricos, por lo que se emplean masivamente en la industria eléctrica y electrónicacomo materiales aislantes. Las baquelitas (resinas fenólicas) sustituyeron con ventaja a las porcelanas y el vidrio en el aparellaje de baja tensión hace ya muchos años; termoplásticos como el PVC y los PE, entre otros, se utilizan en la fabricación de cables eléctricos, llegando en la actualidad a tensiones de aplicación superiores a los 20 KV, y casi todas las carcasas de los equipos electrónicos se construyen en termoplásticos de magníficas propiedades mecánicas, además de eléctricas y de gran duración y resistencia al medio ambiente, como son, por ejemplo, las resinas ABS.
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Para evitar cargas estáticas en aplicaciones que lo requieran, se ha utilizado el uso de antiestáticos que permite en la superficie del polímero una conducción parcial de cargas eléctricas.
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Evidentemente la principal desventaja de los materiales plásticos en estas aplicaciones está en relación a la pérdida de características mecánicas y geométricas con la temperatura. Sin embargo, ya se dispone de materiales que resisten sin problemas temperaturas relativamente elevadas (superiores a los 200 °C).
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Las propiedades eléctricas de los polímeros industriales están determinadas principalmente, por la naturaleza química del material (enlaces covalentes de mayor o menor polaridad) y son poco sensibles a la microestructura cristalina o amorfa del material, que afecta mucho más a las propiedades mecánicas. Su estudio se acomete mediante ensayos de comportamiento en campos eléctricos de distinta intensidad y frecuencia. Seguidamente se analizan las características eléctricas de estos materiales.
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Los polímeros conductores fueron desarrollados en 1974 y sus aplicaciones aún están siendo estudiadas.
Los polímeros industriales en general son malos conductores eléctricos, por lo que se emplean masivamente en la industria eléctrica y electrónicacomo materiales aislantes. Las baquelitas (resinas fenólicas) sustituyeron con ventaja a las porcelanas y el vidrio en el aparellaje de baja tensión hace ya muchos años; termoplásticos como el PVC y los PE, entre otros, se utilizan en la fabricación de cables eléctricos, llegando en la actualidad a tensiones de aplicación superiores a los 20 KV, y casi todas las carcasas de los equipos electrónicos se construyen en termoplásticos de magníficas propiedades mecánicas, además de eléctricas y de gran duración y resistencia al medio ambiente, como son, por ejemplo, las resinas ABS.
Para evitar cargas estáticas en aplicaciones que lo requieran, se ha utilizado el uso de antiestáticos que permite en la superficie del polímero una conducción parcial de cargas eléctricas.
Evidentemente la principal desventaja de los materiales plásticos en estas aplicaciones está en relación a la pérdida de características mecánicas y geométricas con la temperatura. Sin embargo, ya se dispone de materiales que resisten sin problemas temperaturas relativamente elevadas (superiores a los 200 °C).
Las propiedades eléctricas de los polímeros industriales están determinadas principalmente, por la naturaleza química del material (enlaces covalentes de mayor o menor polaridad) y son poco sensibles a la microestructura cristalina o amorfa del material, que afecta mucho más a las propiedades mecánicas. Su estudio se acomete mediante ensayos de comportamiento en campos eléctricos de distinta intensidad y frecuencia. Seguidamente se analizan las características eléctricas de estos materiales.
Los polímeros conductores fueron desarrollados en 1974 y sus aplicaciones aún están siendo estudiadas.
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