Los polímeros, estructura, clasificación, usos en la industria, propiedades y problemática ambiental
Introducción
La palabra plástico se usó originalmente como adjetivo para denotar un cierto grado de movilidad y facilidad para adquirir cierta forma, sentido que se conserva en el término plasticidad. Actualmente los plásticos (generalmente es un término referido a termoplásticos) se conocen formalmente como polímeros (término más genérico).
La inmensa mayoría de los plásticos se sintetizan con moléculas provenientes del petróleo.
La reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización
El poliestireno es un polímero formado a partir de la unidad repetitiva conocida como estireno.
Los polímeros en sus diferentes variedades, a saber, plásticos, gomas y fibras, han jugado papeles esenciales y variados en la vida diaria: aislantes eléctricos, en neumáticos y como envoltura para alimentos, por mencionar sólo tres aplicaciones. Hasta la fecha, no hay otra clase de material que sea capaz de sustituirlos.
Son conocidas las ventajas del empleo de los envases plásticos, por lo que supone de higiene y mayor duración de los alimentos. Sin embargo, aún es pobre esta visión comparada con la de otros materiales empleados en alimentación, tales como vidrio, papel u hojalata.
Resulta bastante difícil imaginar una vida sin plásticos. Las actividades cotidianas giran alrededor a artículos de plásticos como jarras, gafas, teléfonos, etc. Sin embargo, hace algo más de 100 años, el plástico que hoy en día nos parece algo tan normal no existía. Mucho antes del desarrollo de los plásticos comerciales, algunos materiales existentes presentaban características parecidas a los plásticos actuales. En la actualidad estos materiales se denominan plásticos naturales y constituyen el punto de partida de la historia de los materiales plásticos.
Contenido
Los polímeros se definen como macromoléculas compuestas por una o varias unidades químicas (monómeros) que se repiten a lo largo de toda una cadena.
Un polímero es como si uniésemos con un hilo muchas monedas perforadas por el centro, al final obtenemos una cadena de monedas, en donde las monedas serían los monómeros y la cadena con las monedas sería el polímero.
La parte básica de un polímero son los monómeros, los monómeros son las unidades químicas que se repiten a lo largo de toda la cadena de un polímero, por ejemplo el monómero del polietileno es el etileno, el cual se repite x veces a lo largo de toda la cadena.
En función de la repetición o variedad de los monómeros, los polímeros se clasifican en:
Homopolímero - Se le denomina así al polímero que está formado por el mismo monómero a lo largo de toda su cadena, el polietileno, poliestireno o polipropileno son ejemplos de polímeros pertenecientes a esta familia.
Copolímero - Se le denomina así al polímero que está formado por al menos 2 monómeros diferentes a lo largo de toda su cadena, el ABS o el SBR son ejemplos pertenecientes a esta familia.
La formación de las cadenas poliméricas se producen mediante las diferentes polireacciones que pueden ocurrir entre los monóneros, estas polireacciones se clasifican en:
En función de cómo se encuentren enlazadas o unidas (enlaces químicos o fuerzas intermoleculares) y la disposición de las diferentes cadenas que conforma el polímero, los materiales poliméricos resultantes se clasifican en:
En función de la composición química, los polímeros pueden ser inorgánicos como por ejemplo el vidrio, o pueden ser orgánicos como por ejemplo los adhesivos de resina epoxi, los polímeros orgánicos se pueden clasificar a su vez en polímeros naturales como las proteínas y en polímeros sintéticos como los materiales termoestables.
Existen diferentes parámetros que miden las propiedades de los polímeros como el radio de giro, la densidad del polímero, la distancia media entre las cadenas poliméricas, la longitud del segmento cuasi-estático dentro de las cadenas poliméricas, etc...
Entre las propiedades que definen las propiedades de los polímeros, las más importantes son:
La temperatura de transición vítrea del polímero
El peso medio molecular del polímero
La temperatura de transición vítrea determina la temperatura en la cual el polímero cambia radicalmente sus propiedades mecánicas, cuando la temperatura de transición vítrea es ligeramente inferior a la temperatura ambiente el polímero se comporta como un material elástico (elastómero), cuando la temperatura de transición vitrea es superior a la temperatura ambiente el polímero se comporta como un material rígido (termoestable).
El peso molecular medio determina de manera directa tanto el tamaño del polímero así como sus propiedades tanto químicas como mecánicas (viscosidad, mojado, resistencia a la fluencia, resistencia a la abrasión …), polímeros con alto peso molecular medio corresponden a materiales muy viscosos.
Existen un gran abanico de materiales cuya composición se basan en polímeros, todos los plásticos, los recubrimientos de pintura, los adhesivos, los materiales compuestos, etc... Son ejemplos de materiales basados en polímeros que utilizamos en nuestro dia a día.
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.
Por otra parte, los polímeros pueden ser lineales, formados por una única cadena de monómeros, o bien esta cadena puede presentar ramificaciones de mayor o menor tamaño. También se pueden formar entrecruzamientos provocados por el enlace entre átomos de distintas cadenas.
La naturaleza química de los monómeros, su masa molecular y otras propiedades físicas, así como la estructura que presentan, determinan diferentes características para cada polímero. Por ejemplo, si un polímero presenta entrecruzamiento, el material será más difícil de fundir que si no presentara ninguno.
Los enlaces de carbono en los polímeros no son equivalentes entre sí, por eso dependiendo del orden estereoquímica de los enlaces, un polímero puede ser: atáctico (sin orden), isotáctico (mismo orden), o sindiotáctico (orden alternante) a esta conformación se la llama tacticidad. Las propiedades de un polímero pueden verse modificadas severamente dependiendo de su estereoquímica.
En el caso de que el polímero provenga de un único tipo de monómero se denomina homopolímero y si proviene de varios monómeros se llama copolímero o heteropolímero. Por ejemplo, el poliestireno es un homopolímero, pues proviene de un único tipo de monómero, el estireno, mientras que si se parte de estireno y acrilonitrilo se puede obtener un copolímero de estos dos monómeros.
En los heteropolímeros los monómeros pueden distribuirse de diferentes maneras, particularmente para polímeros naturales, los monómeros pueden repetirse de forma aleatoria, informativa (como en los polipéptidos de las proteínas o en los polinucleótidos de los ácidos nucleicos) o periódica, como en el peptidoglucano o en algunos polisacáridos.
Los monómeros que conforman la cadena de un copolímero se pueden ubicar en la cadena principal alternándose según diversos patrones, denominándose copolímero alternante, copolímero en bloque, copolímero aleatorio, copolímero de injerto. Para lograr este diseño, la reacción de polimerización y los catalizadores deben ser los adecuados.
Propiedades eléctricas
Los polímeros industriales en general suelen ser malos conductores eléctricos, por lo que se emplean masivamente en la industria eléctrica y electrónica como 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 generalizado 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).
Propiedades físicas de los polímeros
Estudios de difracción de rayos X sobre muestras de polietileno comercial, muestran que este material, constituido por moléculas que pueden contener desde 1000 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 der 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 a la que funden las zonas cristalinas se llama temperatura de fusión (Tf). Otra temperatura importante es la de descomposición y es conveniente que sea bastante superior a Tf.
Propiedades mecánicas
Son una consecuencia directa de su composición, así como de la estructura molecular, tanto a nivel molecular como supramolecular. 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, visco elasticidad, flujo plástico y fractura.
Clasificación
Según su origen
Polímeros naturales. Existen en la naturaleza muchos polímeros y las biomoléculas que forman los seres vivos son macromoléculas poliméricas. Por ejemplo, las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos (como la celulosa y la quitina), el hule o caucho natural, la lignina, etc.
Polímeros semisintéticos. Se obtienen por transformación de polímeros naturales. Por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc.
Polímeros sintéticos. Muchos polímeros se obtienen industrialmente a partir de los monómeros. Por ejemplo, el nailon, el poliestireno, el policloruro de vinilo (PVC), el polietileno, etc.
Según su mecanismo de polimerización
En 1929 Carothers propuso la siguiente clasificación:
Polímeros de adición. La polimerización no implica la liberación de ningún compuesto de baja masa molecular. Esta polimerización se genera cuando un "catalizador", inicia la reacción. Este catalizador separa la unión doble carbono en los monómeros, luego aquellos monómeros se unen con otros debido a los electrones libres, y así se van uniendo uno tras uno hasta que la reacción termina.
Polímeros de condensación. La reacción de polimerización implica a cada paso la formación de una molécula de baja masa molecular, por ejemplo agua.
Clasificación de Flory
Polímeros formados por reacción en cadena. Se requiere un iniciador para comenzar la polimerización; un ejemplo es la polimerización de alquenos (de tipo radicalario). En este caso el iniciador reacciona con una molécula de monómero, dando lugar a un radical libre, que reacciona con otro monómero y así sucesivamente. La concentración de monómero disminuye lentamente. Además de la polimerización de alquenos, incluye también polimerización donde las cadenas reactivas son iones (polimerización catiónica y aniónica).
Polímeros formados por reacción por etapas. El peso molecular del polímero crece a lo largo del tiempo de manera lenta, por etapas. Ello es debido a que el monómero desaparece rápidamente, pero no da inmediatamente un polímero de peso molecular elevado, sino una distribución entre dímeros, trímeros, y en general, oligómeros; transcurrido un cierto tiempo, estos oligómeros empiezan a reaccionar entre sí, dando lugar a especies de tipo polimérico. Esta categoría incluye todos los polímeros de condensación de Carothers y además algunos otros que no liberan moléculas pequeñas pero sí se forman gradualmente, como por ejemplo los poliuretanos.
Discusión
Importancia de los polímeros
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).
Podríamos simplificar la composición de un polímero diciendo que el mismo es una unión de miles de moléculas conocidas como monómeros (moléculas más pequeñas y menos pesadas). Estos monómeros se unen a través de enlaces químicos que les confiere estabilidad y que hace que permanezcan en su calidad de moléculas más complejas o polímeros. La palabra polímeros proviene del griego, idioma en el cual el prefijo poli significa muchos y el sufijo mero significa parte.
En la naturaleza encontramos muchos elementos que pueden ser considerados polímeros y que van desde elementos presentes en la alimentación (como el almidón, la celulosa) hasta elementos textiles (el nylon, aunque el mismo es un polímero resultante de la alteración de polímeros naturales, o la seda) e incluso el ADN que cada ser vivo posee. Los polímeros se pueden formar básicamente por dos procesos: por condensación de varias moléculas de monómeros o por la adición que supone una suma de todas las moléculas de monómeros que se multiplican.
La importancia de los polímeros reside especialmente en la variedad de utilidades que el ser humano le puede dar a estos compuestos. Así, los polímeros están presentes en muchos de los alimentos o materias primas que consumimos, pero también en los textiles (incluso pudiéndose convertir en polímeros sintéticos a partir de la transformación de otros), en la electricidad, en materiales utilizados para la construcción como el caucho, en el plástico y otros materiales cotidianos como el poli estireno, el polietileno, en productos químicos como el cloro, en la silicona, etc. Todos estos materiales son utilizados por diferentes razones ya que brindan propiedades distintas a cada uso: elasticidad, plasticidad, pueden ser adhesivos, resistencia al daño, etc.
Todos los factores mencionados anteriormente son susceptibles de mucha variabilidad, lo que hace que dispongamos de un número enorme de polímeros con una gran versatilidad para múltiples aplicaciones, que se indican en imagen siguiente.
Desventajas de los polímeros
Hay que tomar en cuenta, que los polímeros tienen tres principales divisiones: naturales como el almidón y caucho; los sintéticos que parten de los monómeros tales como el nylon y polietileno; y los semi-sinteticos que se obtienen por la transformación de los polímeros naturales por ejemplo la nitrocelulosa.
Las principales desventajas de los polímeros son:
Baja conductividad eléctrica
Baja resistencia a altas temperaturas
Su fabricación e utilización produce muchos residuos
Por su alta resistencia a la corrosión y gran durabilidad son difíciles de degradar para naturaleza por lo que son grandes contaminantes.
Son inflamables, y pueden producir gases tóxicos.
Algunas de las desventajas de los polímeros pueden eliminarse, ya que se pueden modificar en laboratorios e industrias, y obtener nuevos polímeros con nuevas propiedades a partir de la unión de los monómeros.
Por lo tanto las desventajas que se pueden cambiar o mejorar son:
baja resistencia a temperaturas: Esta característica "deficiente" también se puede aprovechar para su moldeo y así obtener botellas, envases y otros productos.
Baja conductividad eléctrica: Se han descubierto en la Industria a traves de varias investigaciones polímeros conductores.
Contaminantes del ambiente: En la actualidad se han desarrollado polímeros biodegradables.
Conclusiones y recomendaciones
La industria de los polímeros se distingue de las demás porque consume productos químicos orgánicos pesados y los convierte en productos llamados plásticos, fibras, elastómeros, adhesivos, y recubrimientos de superficies. los términos polímero y resina se emplean como sinónimos en la industria química, pero los términos plástico, elastómero y fibra tienen significado específico. Un plástico es el material que se fabrica a partir de un polímero, por lo general haciéndolo fluir bajo presión. Así, cuando se moldea, extruye, se le da forma por medio de máquinas o se espuma para obtener determinada forma. En general los plásticos contienen pigmentos y aditivos como antioxidantes, plastificantes y estabilizadores.
Este trabajo puede considerarse como un primer paso que sirva de orientación a estudios posteriores que profundicen en la optimización de las escorias como árido para mortero. Las recomendaciones que se describirán en este apartado hacen hincapié en la importancia de la reutilización de las escorias dado su problemática ambiental. Basándonos en esa necesidad y en la voluntad de que el desarrollo sostenible llegue también a la nuestra área, llegamos a las recomendaciones que se exponen a continuación. Lejos de descartar las escorias de incineradora como elemento sustitutivo de árido en los morteros y posteriormente en los hormigones, se ha visto que es factible esa sustitución. Las escorias tendrán una utilización idónea en aplicaciones que no necesiten de una elevada resistencia y en lugares donde no exista una humedad elevada o estén en contacto directo con el agua. Esta última recomendación hace referencia a los problemas de lixiviación que se han hecho patentes según resultados de otros estudios. Si priorizamos la reutilización de escorias y, esto implica, intentar maximizar el contenido de ellas en los morteros, adoptaremos unas escorias con características parecidas a las de Mataró. Esto es justificable por la poca desviación entre los resultados en función del contenido de escorias. En caso de necesitar un mínimo de resistencia es aconsejable escoger unas escorias como las de Tarragona, puesto que son las que dan mejores resultados según el estudio realizado. En cualquier caso, la recomendación más importante del estudio radica en demostrar que no hemos de descartar este material como sustituto de árido para mortero y reivindicar la necesidad de continuar con esta línea de investigación.
