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).
Los polímeros son macromoléculas (generalmente orgánicas)
formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeras.
La reacción por la cual se
sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización
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.
Bibliografía
https://www.importancia.org/polimeros.php
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