Nuevos materiales: polímeros avanzados

Frente a los polímeros convencionales, los polímeros avanzados o polímeros técnicos se caracterizan por ser productos de novedosos procesos o combinaciones de materiales que les confieren ciertas propiedades, prestaciones o aplicaciones de gran interés industrial. Todo ello está íntimamente ligado a las características estructurales del polímero que, como veremos a continuación, vienen determinadas por la naturaleza química de las moléculas que lo componen.

¿Qué son los polímeros?

Los polímeros son macromoléculas de gran tamaño, con masas moleculares de hasta 107 g/mol o superiores, formadas por la unión de un elevado número de moléculas más pequeñas denominadas monómeros. Los monómeros se unen entre sí mediante enlaces covalentes en un proceso denominado polimerización. Éstas reacciones pueden ser de dos tipos:

  • Polimerización en cadena: consiste en la adición de un monómero a la cadena de polímero sin pérdida de átomos. En la adición se rompe un doble o un triple enlace del monómero, lo que posibilita la unión covalente del mismo a la cadena. Por ejemplo:
polimerizacion-adicion-poliestireno

Polimerización del estireno en poliestireno (Fuente: Wikipedia)

  • Polimerización escalonada: se produce por condensación del monómero con el polímero con eliminación de átomos (en muchas ocasiones se produce con pérdida de agua). Por ejemplo:
Condensation_polymerization_diacid_diamine.svg

Reacción de policondensación entre un ácido dicarboxílico y una diamina en la síntesis de Nylon 6,6 (Fuente: Wikipedia)

La polimerización es una reacción azarosa, por lo que el número de monómeros que forman un determinado polímero no es constante y oscila en un determinado intervalo. Se denomina dispersidad a la homogeneidad de una muestra de polímero: si el grado de polimerización oscila en un intervalo grande se dice que la muestra posee una distribución muy heterogénea y es polidispersa, mientras que si el intervalo es pequeño se dirá que la muestra es homogénea y monodispersa. Por ello, los grados de polimerización y los pesos moleculares son valores promedio.

Clasificación de los polímeros

Los polímeros se pueden clasificar de muy diversas formas: según su origen, su estructura, su composición, sus aplicaciones, sus propiedades…

Según su origen:

  • Polímeros naturales: son los que encontramos de forma natural, como las biomoléculas, el caucho natural, la lignina de la madera, la seda, el algodón, la lana o la celulosa. Son conocidos y empleados desde la Antigüedad.
  • Polímeros semisintéticos: se obtienen por transformación de los naturales, como el caucho vulcanizado (el proceso de vulcanización del caucho fue descubierto por Charles Goodyear en 1839) o el celuloide (obtenido por primera vez a partir de la celulosa vegetal en 1869, gracias a John Wesley Hyatt).
  • Polímeros sintéticos: son los que se obtienen industrialmente a partir de sus monómeros, como el nylon, el poliestireno, el polietileno o el cloruro de polivinilo (PVC). Como los anteriores, su uso es relativamente moderno (la baquelita fue el primer polímero completamente sintético, producido por primera vez por Léo Baekeland en 1909).

Según su estructura:

  • Polímeros lineales: formados por la unión regular de monómeros en una única cadena.
  • Polímeros ramificados: formados por monómeros con varios sitios de enlace que pueden dar lugar a ramificaciones en la molécula.
  • Polímeros entrecruzados: formados por cadenas que establecen enlaces entre sí en una estructura bidimensional.
  • Polímeros reticulares: formados por redes tridimensionales de cadenas poliméricas conectadas entre sí.

Según el tipo de unidades monoméricas que se repiten, se pueden clasificar en:

  • Homopolímeros: cadenas de polímero formadas por monómeros idénticos.
  • Copolímeros: cadenas de polímero formadas por dos o más unidades químicamente diferentes que se repiten y que pueden estar en distintas secuencias (aleatoria, alterna, en bloque, injertadas…).
copolimeros

Diferentes copolímeros (fuente: Wikipedia)

Según sean sus propiedades:

  • Termoplásticos: polímeros que al calentarlos se funden y al enfriarse adoptan su forma y recuperan sus propiedades iniciales (proceso que puede repetirse un cierto número de veces). Suelen estar formados por polímeros lineales: polietileno, polipropileno, poliamida, PVC o ABS.
  • Termoestables: polímeros que una vez que han adoptado su forma, no pueden ser moldeados de nuevo por calentamiento. Esto se debe a que en el proceso de formación se forman estructuras reticulares que restringen su fluidez e impiden su fundido, por lo que la aplicación de calor sólo provocaría su descomposición. Es el caso de los poliésteres o las resinas epoxídicas.
  • Elastómeros: polímeros que recuperan la forma original después de estar sometidos a una tensión o estiramiento, como el caucho el poliuretano.
  • Fibras: polímeros capaces de formar estructuras filiformes (con forma de hilos) de gran resistencia, como el nylon o el dacrón.

Las propiedades de los polímeros dependen de la naturaleza del monómero y del tamaño, la longitud, la estructura o la conformación del polímero.

Cristalinidad de los polímeros

Los polímeros, a excepción de los naturales, no suelen ser estructuras perfectamente ordenadas que puedan considerarse cristales, ya que están formados por moléculas muy grandes y alargadas. Suelen ser materiales amorfos que presentan cierto grado de cristalinidad, que es muy importante para entender ciertas propiedades físicas del polímero, como la transparencia, la fragilidad y otras propiedades mecánicas.

Al calentar un polímero, antes de alcanzar el punto de fusión, se produce una transición entre el estado totalmente rígido y otro en el que los fragmentos de cadena han adquirido cierta movilidad. La temperatura a la que ocurre se denomina temperatura de transición vítrea (Tg(glass transition temperature):

Por encima de Tg los polímeros se comportan como cauchos o elastómeros mientras que por debajo de Tg los polímeros presentan muchas de las propiedades asociadas con los vidrios inorgánicos ordinarios, incluida la rigidez, fragilidad y transparencia.

Ejemplos de polímeros avanzados

Todas las características que hemos definido hasta ahora repercuten en las propiedades y aplicaciones de los polímeros. La sofisticación tecnológica permite llevar a cabo procesos de síntesis con nuevas combinaciones, en los que se realiza un mayor control sobre la estructura del polímero, de manera que se consiguen materiales mejorados o novedosos, con altas prestaciones y aplicaciones.

polimeros-avanzados

ABS

Son las siglas (en inglés) de acrilonitrilo, butadieno y estireno, los tres monómeros que constituyen este polímero termoplástico:

Acrilonitrilo-butadieno-estireno-ABS.PNG

Es, por tanto, un copolímero, en el que cada molécula ofrece una serie de cualidades o propiedades al material:

  • El acrilonitrilo proporciona dureza, estabilidad térmica y resistencia química.
  • El butadieno es un elastómero y aporta resistencia frente a la deformación en un amplio rango de temperaturas (evitando que se vuelva quebradizo).
  • El estireno aporta rigidez y resistencia mecánica.

En suma, el ABS es un polímero de gran resistencia y versatilidad en sus aplicaciones, que van desde la automoción al ámbito doméstico:

aplicaciones-ABS

Aplicaciones del ABS: componentes del automóvil, línea blanca de electrodomésticos, todo tipo de cromados, flautas…

Kevlar® y Nomex®

Cuando las cadenas poliméricas forman una estructura cristalina ordenada en una determinada dirección se forman fibras de gran resistencia mecánica. Es el caso de las fibras de «poliamidas aromáticas» conocidas comercialmente como Kevlar®, cuya estructura química es:

1280px-Kevlar_chemical_structure_H-bonds

Debido a las interacciones moleculares y la aromaticidad de la estructura bencénica, estas fibras destacan por su gran resistencia mecánica y su baja densidad, por lo que son especialmente útiles en automoción y aeronáutica, donde se necesitan materiales resistentes a la vez que ligeros.

El Nomex® también es una fibra de poliamidas aromáticas que se caracteriza por su resistencia al fuego, por lo que es especialmente útil en la protección de bomberos o pilotos.

Membranas poliméricas

Algunos polímeros tienen una naturaleza química que les impide cristalizar de manera organizada, y forman estructuras desordenadas y amorfas. Entre ellos encontramos las membranas poliméricas, que aun siendo muy resistentes, presentan poros de pequeño tamaño en su estructura que pueden actuar como filtros de determinadas moléculas. Estas membranas se emplean en las desaladoras, para purificar el agua en aquellos lugares donde es un bien escaso, o para separar gases de interés industrial.

membrana-polimerica

Estructura microscópica de la superficie de una membrana polimérica. Fuente: CSIC

En esta presentación encontrarás un breve resumen de lo anterior:

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