Quimica

Los polímeros, estructura, clasificación, usos en la industria, propiedades y problemática ambiental

 Introducción.

En este informe nos abocaremos específicamente a un concepto químico denominado "polímero", pero primero es necesario saber: ¿Qué son los polímeros? La materia esta formada por moléculas que pueden ser de tamaño normal o moléculas gigantes llamadas polímeros.

Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas. Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones. Algunas más se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales.

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.

Estructura

1. Un polímero es una macromolécula formada por la unión de moléculas demenor tamaño que se conocen como monómeros.Los homopolímeros son aquellos polímeros en los que todos losmonómeros que los constituyen son iguales. Los copolímeros están formadospor dos o más monómeros diferentes. Homopolímero Copolímero

2. Tipos de polímeros según la estructura de la cadena ♦ lineales: formados por monómeros disfuncionales. Ej.: polietileno, poliestireno.♦ ramificados: se requiere el agregado de monómeros trifuncionales, por ejemplo,glicerol.♦ Entrecruzados: Se forma un material compuesto por una molécula tridimensionalcontínua, toda ella unida por enlaces covalentes (resinas ureaformaldehídoy fenol-formaldehído).

3. Existen tres ordenamientos posibles del grupo R con respecto al plano del esqueletocarbonadodel polímero:a) ISOTACTICO: con todos los grupos R hacia el mismo lado de una cadenaextendida.

4. SINDIOTACTICO: con los grupos R alternando de uno a otro lado. ATACTICO: con los grupos R distribuídos al azar

Clasificacion

Existen varias formas posibles de clasificar los polímeros, sin que sean excluyentes entre sí.

Según su origen[editar]

·         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[editar]

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 (modificación a la de Carothers para considerar la cinética de la reacción):

·         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.

Según su composición química[editar]

·         Polímeros orgánicos. Posee en la cadena principal átomos de carbono.

·         Polímeros orgánicos vinílicos. La cadena principal de sus moléculas está formada exclusivamente por átomos de carbono.

Dentro de ellos se pueden distinguir:

·         Poliolefinas, formados mediante la polimerización de olefinas.

Ejemplos: polietileno y polipropileno.

·         Polímeros estirénicos, que incluyen al estireno entre sus monómeros.

Ejemplos: poliestireno y caucho estireno-butadieno.

·         Polímeros vinílicos halogenados, que incluyen átomos de halógenos (cloro, flúor...) en su composición.

Ejemplos: PVC y PTFE.

·         Polímeros acrílicos. Ejemplos: PMMA.

·        Polímeros orgánicos no vinílicos. Además de carbono, tienen átomos de oxígeno o nitrógeno en su cadena principal.

Algunas sub-categorías de importancia:

·         Poliésteres

·         Poliamidas

·         Poliuretanos

Polímeros inorgánicos. Entre otros:

·         Basados en azufre. Ejemplo: polisulfuros.

·         Basados en silicio. Ejemplo: silicona.

Usos en la industria

Los polimeros son moleculas mas grandes de lo norma que forman materia, se entrelazan cientos de y cientos moléculas pequenas para formar cadenas de pollimeros.

Existen polímeros naturales como el algodón, la ceda, la lana o bien la celulosa de las plantas incuso el hule es un polímero natural.

También están los polímeros creados en laboratorios los cuales se denominan sinteticos. En esta rama entran todos los plásticos, nylon, polietileno, PVC, entre otros.

Las propiedades mecanicas de los polímeros son la causa de que este material sea muy empreado en la industria y la vida cotidiana, ya que por tener mas grandes sus cadenas moleculares, estas se atraen con mayor fuerza y los hace mas resistentes. Esto depende directamente de la composición química que se realice en el laboratorio.

Propiedades

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).

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.

Propiedades físicas de los polímeros[editar]

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 cuasicristalino, 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[editar]

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.

Problematica Ambiental

La eliminación de los plásticos supone un problema ambiental. A pesar de que el reciclaje se considera una buena opción, siempre supone un gasto energético que se puede minimizar si el residuo no ha sido generado, lo que se puede conseguir adquiriendo productos con el mínimo embalaje.

"El método más eficiente para solucionar el problema ambiental al que nos enfrentamos es el reciclaje y la no generación de residuos."
Reciclaje
Polímeros
Del griego: poly (muchos) y mer (parte).
El término es mucho más amplio y útil que el de "plásticos".
Fue utilizado por el químico sueco Jöns Jacob Berzelius desde 1883.
Provienen mayoritariamente del petróleo (mezcla de hidrocarburos).
Un 4% de la producción anual de petróleo se convierte en plásticos, después de un proceso de cracking y reforming se tienen moléculas simples o monómeros como etileno, benceno, etc.

El polímero se degrada en compuestos químicos básicos y combustible. Se diferencia de los anteriores en que además de un cambio físico presentan un cambio químico. Los métodos más usados son:
Pirólisis: se recuperan las materias primas de los plásticos, de manera que se pueden rehacer polímeros puros con otras propiedades y menos contaminación.
Gasificación: se obtiene gas que puede ser usado para producir electricidad, metanol o amoniaco.
Cuaternario
Calentamiento del plástico para usar la energía térmica liberada de este proceso para llevar a cabo otros procesos, es decir, se usa como combustible para obtener energía.