Los polímeros son
macromoléculas (generalmente
orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas
monómeros.
Polimerización y estructura
La reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización. Según el mecanismo por el cual se produce la reacción de polimerización para dar lugar al polímero, ésta se clasifica como polimerización por pasos o como polimerización en cadena. En cualquier caso, el tamaño de la cadena dependerá de parámetros como la temperatura o el tiempo de reacción, teniendo cada cadena un tamaño distinto y, por tanto, una
masa molecular distinta, por lo que se habla de masa promedio para el polímero.
La polimerización en etapas (condensación) necesita monómeros bifuncionales.
Ejemplo: HOOC--R1--NH2
Si reacciona con sí mismo, entonces:
2 HOOC--R1--NH2 <----> HOOC--R1--NH· + ·OC--R1--NH2 + H2O <----> HOOC--R1-NH--CO--R1--NH2 + H2O
Tacticidad de poliestireno, atáctico, sindiotáctico, isotáctico
La estructura puede ser lineal o también ramificada (aparte de poder presentar entrecruzamientos). También pueden adoptar otras estructuras, por ejemplo radiales.
Polimerización del
estireno para dar
poliestirenon indica el
grado de polimerizaciónPor 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 estereoquímico 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.
a) Homopolímero b) Copolímero alternantec) Copolímero en bloque d) Copolímero aleatorioe) Copolímero de injerto
Finalmente, los extremos de los polímeros pueden ser distintos que el resto de la cadena polimérica, sin embargo es mucho más importante el resto de la cadena que estos extremos debido a que la cadena es de una gran extensión comparada con los extremos.
Polímero
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búsquedaLos polímeros son
macromoléculas (generalmente
orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas
monómeros.
El poliestireno es un polímero formado a partir de la unidad repetitiva conocida como estireno
Contenido[
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1 Polimerización y estructura2 Propiedades2.1 Propiedades eléctricas2.2 Propiedades Físicas de los Polímeros.2.3 Las propiedades mecánicas3 Clasificación3.1 Según su origen3.2 Según su mecanismo de polimerización3.3 Según su composición química3.4 Según sus aplicaciones3.5 Según su comportamiento al elevar su temperatura4 Nomenclatura5 Historia6 Ejemplos de polímeros de gran importancia6.1 Polímeros comunes6.2 Polímeros de ingeniería6.3 Polímeros funcionales7 Véase también8 Referencias9 Enlaces externos//
Polimerización y estructura
La reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización. Según el mecanismo por el cual se produce la reacción de polimerización para dar lugar al polímero, ésta se clasifica como polimerización por pasos o como polimerización en cadena. En cualquier caso, el tamaño de la cadena dependerá de parámetros como la temperatura o el tiempo de reacción, teniendo cada cadena un tamaño distinto y, por tanto, una
masa molecular distinta, por lo que se habla de masa promedio para el polímero.
La polimerización en etapas (condensación) necesita monómeros bifuncionales.
Ejemplo: HOOC--R1--NH2
Si reacciona con sí mismo, entonces:
2 HOOC--R1--NH2 <----> HOOC--R1--NH· + ·OC--R1--NH2 + H2O <----> HOOC--R1-NH--CO--R1--NH2 + H2O
Tacticidad de poliestireno, atáctico, sindiotáctico, isotáctico
La estructura puede ser lineal o también ramificada (aparte de poder presentar entrecruzamientos). También pueden adoptar otras estructuras, por ejemplo radiales.
Polimerización del
estireno para dar
poliestirenon indica el
grado de polimerizaciónPor 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 estereoquímico 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.
a) Homopolímero b) Copolímero alternantec) Copolímero en bloque d) Copolímero aleatorioe) Copolímero de injerto
Finalmente, los extremos de los polímeros pueden ser distintos que el resto de la cadena polimérica, sin embargo es mucho más importante el resto de la cadena que estos extremos debido a que la cadena es de una gran extensión comparada con los extremos.
PropiedadesFotoconductividad
Electrocromismo
Fotoluminiscencia (fluorescencia y fosforescencia)
Propiedades eléctricasLos polímeros industriales en general son 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 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 han sido recientemente (
1974) desarrollados y sus aplicaciones están siendo estudiadas.
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 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 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 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.
Las propiedades mecánicas 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 estas 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 desempeño 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 mas 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.
ClasificaciónExisten varias formas posibles de clasificar los polímeros, sin que sean excluyentes entre sí.
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
nylon, el
poliestireno, el
cloruro de polivinilo (
PVC), el
polietileno, etc.
Según su mecanismo de polimerización En 1929
Carothers propuso la reacción:
Polímeros de condensación. La reacción de polimerización implica a cada paso la formación de una molécula de baja masa molecular, por ejemplo agua.
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 monomeros, luego aquellos monomeros se unen con otros debido a los electrones libres, y así se van uniendo uno tras uno hasta que la raccion termina.
Polímeros formados por etapas. La cadena de polímero va creciendo gradualmente mientras haya monómeros disponibles, añadiendo un monómero cada vez. 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.
Polímeros formados por reacción en cadena. Cada cadena individual de polímero se forma a gran velocidad y luego queda inactiva, a pesar de estar rodeada de monómero.
Según su composición química Atendiendo a sus propiedades y usos finales, los polímeros pueden clasificarse en:
Elastómeros. Son materiales con muy bajo
módulo de elasticidad y alta extensibilidad; es decir, se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensión y contracción los elastómeros absorben energía, una propiedad denominada
resiliencia.
Plásticos. Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente intenso, se deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma original. Hay que resaltar que el término plástico se aplica a veces incorrectamente para referirse a la totalidad de los polímeros.
Fibras. Presentan alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad, lo que permite confeccionar tejidos cuyas dimensiones permanecen estables.
Recubrimientos. Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren a la superficie de otros materiales para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo resistencia a la abrasión.
Adhesivos. Son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta cohesión, lo que les permite unir dos o más cuerpos por contacto superficial.
Según su comportamiento al elevar su temperatura Para clasificar polímeros, una de las formas empíricas más sencillas consiste en calentarlos por encima de cierta temperatura. Según si el material funde y fluye o por el contrario no lo hace se diferencian dos tipos de polímeros:
Termoplásticos, que fluyen (pasan al estado líquido) al calentarlos y se vuelven a endurecer (vuelven al estado solido) al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ningún) entrecruzamientos. Ejemplos:
polietileno (PE),
polipropileno (PP), cloruro de polivinilo
PVC.
Termoestables, que no fluyen, y lo único que conseguimos al calentarlos es que se descompongan químicamente, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura con muchos entrecruzamientos, que impiden los desplazamientos relativos de las moléculas.
La clasificación termoplásticos / termoestables es independiente de la clasificación elastómeros / plásticos / fibras. Existen plásticos que presentan un comportamiento termoplástico y otros que se comportan como termoestables. Esto constituye de hecho la principal subdivisión del grupo de los plásticos y hace que a menudo cuando se habla de "los termoestables" en realidad se haga referencia sólo a "los plásticos termoestables". Pero ello no debe hacer olvidar que los elastómeros también se dividen en termoestables (la gran mayoría) y termoplásticos (una minoría pero con aplicaciones muy interesantes).
Nomenclatura Las normas internacionales publicadas por la
IUPAC indican que el principio general para nombrar polímeros es utilizar el prefijo poli- seguido de la unidad estructural repetitiva (UER) que define al polímero, escrita entre paréntesis. La UER debe ser nombrada siguiendo las normas convencionales de la IUPAC para moléculas sencillas.
[1]Ejemplo:
Poli(tio-1,4-fenileno)
Las normas IUPAC se utilizan habitualmente para nombrar los polímeros de estructura complicada, ya que permiten identificarlos sin ambigüedad en las bases de datos de artículos científicos.
[2] Por el contrario, no suelen ser utilizadas para los polímeros de estructura más sencilla y de uso común principalmente porque estos polímeros fueron inventados antes de que se publicasen las primeras normas IUPAC, en
1952, y por tanto sus nombres "comunes" o "tradicionales" ya se habían popularizado.
En la práctica, los polímeros de uso común se suelen nombrar según alguna de las siguientes opciones:
Sufijo poli- seguido del
monómero del que se obtiene el polímero. Esta convención es diferente de la IUPAC porque el monómero no siempre coincide con la UER y además se nombra sin paréntesis y en muchos casos según una nomenclatura "tradicional", no la IUPAC. Ejemplos:
polietileno frente a poli(metileno);
poliestireno frente a poli(1-feniletileno)
Monómero
UER
Polímero
Sistema tradicional
etileno
polietileno
Sistema IUPAC
eteno
metileno
poli(metileno)
Monómero
UER
Polímero
Sistema tradicional
estireno
poliestireno
Sistema IUPAC
fenileteno
1-feniletileno
poli(1-feniletileno)
Para
copolímeros se suelen listar simplemente los monómeros que los forman, a veces precedidos de las palabras caucho o goma si se trata de un
elastómero o bien resina si es un
plástico. Ejemplos:
acrilonitrilo butadieno estireno;
caucho estireno-butadieno;
resina fenol-formaldehído.
Es frecuente también el uso indebido de marcas comerciales como sinónimos del polímero, independientemente de la empresa que lo fabrique. Ejemplos: Nylon para
poliamida; Teflon para
politetrafluoretileno; Neopreno para
policloropreno.
La IUPAC reconoce que los nombres tradicionales están firmemente asentados por su uso y no pretende abolirlos sino solo ir reduciendo paulatinamente su utilización en las publicaciones científicas.
[1]Historia Los polímeros naturales, por ejemplo la
lana, la
seda, la
celulosa, etc., se han empleado profusamente y han tenido mucha importancia a lo largo de la historia. Sin embargo, hasta finales del
siglo XIX no aparecieron los primeros polímeros sintéticos, como por ejemplo el celuloide.
Los primeros polímeros que se sintetizaron se obtenían a través de transformaciones de polímeros naturales. En
1839 Charles Goodyear realiza el
vulcanizado del
caucho. El
nitrato de celulosa se sintetizó accidentalmente en el año
1846 por el químico
Christian Friedrich Schönbein y en
1868,
John W. Hyatt sintetizó el
celuloide a partir de nitrato de celulosa.
El primer polímero totalmente sintético se obtuvo en
1909, cuando el químico belga
Leo Hendrik Baekeland fabrica la
baquelita a partir de
formaldehído y
fenol. Otros polímeros importantes se sinterizaron en años siguientes, por ejemplo el poliestireno (PS) en
1911 o el poli(cloruro de vinilo) (PVC) en
1912.
En
1922, el químico alemán
Hermann Staudinger comienza a estudiar los polímeros y en
1926 expone su hipótesis de que se trata de largas cadenas de unidades pequeñas unidas por enlaces covalentes. Propuso las fórmulas estructurales del poliestireno y del polioximetileno, tal como las conocemos actualmente, como cadenas moleculares gigantes, formadas por la asociación mediante enlace covalente de ciertos grupos atómicos llamados "unidades estructurales". Este concepto se convirtió en "fundamento" de la química macromolecular sólo a partir de 1930, cuando fue aceptado ampliamente. En
1953 recibió el
Premio Nobel de Química por su trabajo.
Wallace Carothers, trabajando en la empresa
DuPont desde
1928, desarrolló un gran número de nuevos polímeros:
poliésteres,
poliamidas,
neopreno, etc.
La
Segunda Guerra Mundial contribuyó al avance en la investigación de polímeros. Por ejemplo, fue muy importante la sustitución del
caucho natural por
caucho sintético.
En los
años 1950 el alemán
Karl Ziegler y el italiano
Giulio Natta desarrollaron los
catalizadores de Ziegler-Natta y obtuvieron el Premio Nobel de Química en
1963.
Otro Premio Nobel de Química fue concedido por sus estudios de polímeros a
Paul J. Flory en
1974.
En la segunda mitad del
siglo XX se desarrollaron nuevos métodos de obtención, polímeros y aplicaciones. Por ejemplo,
catalizadores metalocénicos,
fibras de alta resistencia,
polímeros conductores (en 2000
Alan J. Heeger,
Alan G. MacDiarmid y
Hideki Shirakawa recibieron el Premio Nobel de Química por el desarrollo de estos polímeros), estructuras complejas de polímeros,
polímeros cristales líquidos, etc.
Ejemplos de polímeros de gran importancia
Polímeros comunes
