2.3 Polímeros - Unidad resumida sobre las propiedades, proceso de obtención y nomenclatura PDF

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Unidad resumida sobre las propiedades, proceso de obtención y nomenclatura de los polímeros....

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CONCEPTOS Monómero: Es la unidad de la cual se construye un polímero, por ejemplo, un polímero con la forma (CH2)n da a entender que el monómero CH2 se repite n veces. Oligómero: Son moléculas de bajo peso molecular. Estos pueden contener dos o tres unidades (dímeros o trímeros, respectivamente) Polímero: Son materiales hechos por moléculas (gigantes), parecidas a cadenas las cuales tienen un peso molecular promedio de 10,000 a 1,000,000 g/mol, construidas por la unión de muchas unidades por medio de enlaces químicos. El sufijo “mer” significa “unidad”, por lo que el término polímero significa “muchas unidades” y en este contexto ser refiere a un grupo de átomos o moléculas. Macromolécula: Moléculas de gran peso molecular relativo, cuya estructura esencialmente comprende la repetición múltiple de unidades derivadas, real o conceptualmente, de moléculas de baja masa molecular relativa. Masa molecular: Para el caso de los polímeros, se define como la suma atómica de las de cada una de las moléculas que componen el polímero. NOMENCLATURA DE LOS POLÍMEROS Un tipo de nomenclatura que se puede utilizar con los polímeros, es la basada en su origen Este sistema es el más simple, pues se basa en el origen del polímero, o sea, deriva del nombre de su monómero antecedido de la palabra “poli”. Por ejemplo, los polímeros del acetaldehído o el etileno se llaman poliacetaldehído y polietilieno, respectivamente. Cuando el monómero tiene un nombre de varias palabras o un anormal nombre largo, se colocan paréntesis alrededor de su nombre siguiente al prefijo “poli”. Así, los polímeros del 3-metil-1-penteno, cloruro de vinilo, óxido de propileno, clorotrifluoroetileno y c-caprolactama son llamados poli(3-metil-penteno), poli(cloruro de vinilo), poli(óxido de propileno), poli(clorotrifluoroetileno) y poli(c-caprolactama), respectivamente. Algunos polímeros son nombrados como derivados del monómero hipotético. Así, el poli(vinil alcohol) es de hecho producido por la hidrólisis del poli(vinil acetato). Sin embargo, es nombraod como producto del monómero hipotético vinil alcohol. Los polímeros de condensación sintetizados de simples reactivos son nombrados de manera similar. Como ejemplos están las polamidas y los poliésteres producidos de los aminoácidos e hidroxiácidos, respectivamente. Los polímeros hechos de un solo tipo de monómero, como el polietileno, se denominan homopolímeros. El teflón o politetrafluoroetileno y el poli(cloruro de vinilo) (PVC) también son homopolímeros que se sintetizan vía un mecanismo radicalario:

Los copolímeros, por el contrario de los homopolímeros, con aquellos que contienen dos o más monómeros distintos como el estireno-butadieno (SBR). La polimerización puede llevar a formar poli-cis-monómeros o poli-trans-monómeros, por ejemplo:

Observe que en el isómero cis los dos grupos CH2 están del mismo lado del enlace C=C, en tanto que en el isómero trans los dos grupos están en lados opuestos.

PROCESOS DE OBTENCIÓN DE POLÍMEROS Los polímeros pueden obtenerse principalmente por dos métodos de polimerización: la adición y la condensación. Los polímeros obtenidos por estos procesos son conocidos como polímeros de adición o de condensación, respectivamente. La formación de polímero más común, polietileno, a partir de moléculas de etileno, es un ejemplo de adición o polimerización por crecimiento de cadenas.

En presencia de una combinación apropiada de calor, presión y catalizador, se rompen los dobles enlaces entre los átomos de carbono y son reemplazados por enlaces covalente sencillos. A partir de ahí, el final del monómero es ahora un radical libre; cada átomo de carbono tiene un electrón desapareado que puede compartir con otros radicales libres. Es necesario que los polímeros tengan un peso molecular promedio y una distribución de peso molecular controlada. Por lo tanto, las reacciones de polimerización deben tener un componente terminador. Las cadenas pueden ser terminadas por dos mecanismos. En el primer mecanismo, los finales de dos cadenas crecientes pueden ser conectados; a este proceso se le llama “combinación” y crea una cadena a partir de dos cadenas más pequeñas. En el segundo mecanismo, el lado activo de una de las cadenas puede remover un hidrógeno de una segunda cadena por medio de un proceso llamado desprotonación; esta reacción termina dos cadenas en lugar de combinarlas en un más grande. En ocasiones, compuestos conocidos como “terminadores” son agregados al final de la reacción. En general, para los termoplásticos, un peso molecular promedio más alto produce temperaturas de fusión más altas y valores del módulo de Young más altos.

Las cadenas poliméricas pueden ser formadas por reacciones de condensación, o polimerización por crecimiento a pasos, produciendo estructuras y propiedades que se asemejan a las de los polímeros de adición. En la polimerización por condensación, una molécula relativamente pequeña (como agua, etano, metano, etc.) se forma como resultado de una reacción de polimerización. Este mecanismo a menudo involucra diferentes monómeros como moléculas de inicio o precursoras. La polimerización del dimetil-tereftalato y etilenglicol para producir poliéster es un ejemplo importante. Durante la polimerización, un átomo de hidrógeno al final de al final del monómero de etilenglicol se combina con un grupo OCH3 (metóxi) del dimetíl-tereftalato. Un subproducto, alcohol metílico (CH3OH), se “condensa”, y los dos monómeros se combinan produciendo una molécula más grande. Cada uno de los polímeros en este ejemplo es bifuncional, dando a entender que los finales de ambos lados pueden reaccionar, y la polimerización por condensación puede continuar con la misma reacción. La longitud de la cadena polimérica depende de la facilidad con la que cada monómero puede difundir hacia los extremos y someterse a la reacción de condensación.

PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LOS POLÍMEROS Y SUS APLICACIONES Los polímeros pueden clasificarse en distintas maneras: por cómo sus moléculas son sintetizadas, por su estructura molecular, o por su familia química. Otra manera de clasificarlos es establecer si un polímero es linear o ramificado. Un mejor método para describir a los polímeros es en términos de su comportamiento mecánico y térmico. Basándose en estos comportamientos, los plásticos pueden clasificarse como termoplásticos, termofijos y elastómeros (naturales o sintéticos. Termoplástico De manera general, para un tipo dado de termoplástico, la resistencia tensil, fuerza de arrastre, resistencia al impacto, resistencia al desgaste, y la temperatura de fusión, aumentan con el incremento del peso molecular promedio o grado de polimerización. El incremento de las propiedades no es linear. Cuando el peso molecular promedio aumenta, la temperatura de fusión también lo hace, y esto hace el procesamiento más difícil. En un polímero, la cristalinidad evoluciona en el procesamiento de los polímeros como resultado de los cambios en la temperatura y los esfuerzos aplicados. Si las regiones cristalinas se vuelven muy grandes, estas comienzan a difractar la luz, haciendo translucido al polímero. En algunos polímeros, regiones localizadas cristalizan en respuesta a un campo eléctrico aplicado, siendo este el principio

de funcionamiento de las pantallas LCD. La cristalización de un polímero también a incrementar su densidad, resistencia al ataque químico, y sus propiedades mecánicas (inclusive en altas temperaturas) pues es más fuerte el enlace entre las cadenas. Cuando un polímero es formado por unidades repetitivas no simétricas, su estructura y propiedades son determinadas por la locación de los átomos no simétricos o grupos atómicos. A esta condición se le conoce como tacticidad, o estereosimerismo. En un arreglo sindiotáctico, los átomos o grupos de átomos ocupan posiciones alternadamente en lados opuestos de la cadena linear. En una cadena isotáctica, los átomos que están acomodados en el mismo lado de la cadena, mientras que un arreglo aleatorio es conocido como polímero atáctico. La estructura atáctica, la cual es la menos regular y la menos predecible, tiende a poseer un empaquetamiento pobre, poco denso, poca resistencia y rigidez, y una resistencia a calor o al ataque químico pobre. Los polímeros atácticos son más proclives a formar estructuras amorfas. Un ejemplo de la importancia de la tacticidad ocurre con el polipropileno. El polipropileno atáctico es un polímero amorfo parecido a la cera con propiedades mecánicas pobres, mientras que el polipropileno isotáctico puede cristalizar.

Los termoplásticos presentan arrastre, una deformación permanente dependiente del tiempo al estar bajo un estrés constante o carga. También muestran relajación al estrés. Esta, como el arrastre, es una consecuencia del comportamiento viscoelástico de los polímeros. El comportamiento viscoelástico también ayuda a entender las propiedades de un polímero frente al impacto. A valores muy altos de tensión, como en una prueba de impacto, no hay suficiente tiempo para que las cadenas en el polímero se deslicen y provoquen deformación en este. Por estas condiciones, los termoplásticos se comportan de manera quebradiza y tienen valores de impacto bajos. Los polímeros pueden presentar temperatura de transición. A bajas temperaturas, se observa un comportamiento quebradizo en una prueba de impacto, mientras que es posible observar un comportamiento más dúctil a altas temperaturas, en donde las cadenas pueden moverse más fácilmente. Elastómeros Este tipo de polímeros naturales o sintéticos presentan una gran cantidad de deformación cuando una fuerza les es aplicada. Las bandas de hule, llantas de carro, empaques u o-rings, mangueras, y

los aislantes eléctricos para cables eléctricos son usos comunes para este tipo de materiales. El hule natural crudo, el cual es un elastómero, se comenzó a usar como borrador; por ende, los elastómeros obtuvieron el nombre de “hules”. Algunos monómeros tienen diferentes estructuras, incluso cuando tienen la misma composición, son llamados isómeros geométricos. El isopropeno, o hule natural, incluye dos dobles enlaces entre átomos de carbono; este tipo de monómero es llamado un dieno. En la forma trans del isoproneno, los átomos de hidrógeno y el grupo metíl al centro de la unidad repetitiva están localizados en lados opuestos del nuevo doble enlace formado. En la forma cis, estas entidades se encuentran en el mismo lado del doble enlace. Estas diferencias geométricas causan que las cadenas del polímero desarrollen una estructura altamente enroscada, previniendo un empaquetamiento compacto, resultando en un polímero amorfo gomoso. Por medio del entrecruzamiento, las deformaciones plásticas viscosas pueden prevenirse mientras se retiene una deformación elástica grande. Este proceso puede incluir un reacomodo de los átomos de hidrógeno y reemplazar uno o más de los dobles enlaces con enlaces simples. Este proceso no es reversible; consecuentemente, los elastómeros no pueden ser reciclados fácilmente.

En las curvas de esfuerzo-deformación para los elastómeros, es posible observar un comportamiento no linear. El número de entrelazamientos determina la elasticidad del hule.

Termofijos Son polímeros son cadenas altamente entrelazadas que forman una red tridimensional. Debido a que las cadenas no pueden rotar o deslizarse, estos polímeros poseen buena resistencia, rigidez y dureza. Los termofijos también presentan una ductibilidad y propiedades al impacto pobres, mientras que presentan una alta temperatura vítrea. En una prueba tensil, un polímero termofijo presenta el mismo comportamiento que un metal quebradizo o un cerámico.

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