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explica polimeros...

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FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICA ORIZABA, VERACRUZ

CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES

POLÍMEROS

INGENIERÍA QUÍMICA

403

MIRIAM CANDIA FLORES

S18004388

17 DE ABRIL DEL 2020

ÍNDICE ÍNDICE....................................................................................................................... 2 INTRODUCCIÓN.......................................................................................................... 3 POLÍMEROS................................................................................................................ 3 FUERZAS DE VAN DER WAALS................................................................................4 FUERZAS DE ATRACCIÓN........................................................................................5 ENLACES DE HIDRÓGENO.......................................................................................5 OTROS POLÍMEROS................................................................................................. 5 CONCEPTO Y CLASIFICACIÓN.....................................................................................6 POLÍMEROS AMORFOS Y CRISTALINOS...................................................................7 POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS Y TERMOFIJOS........................................................8 POLÍMEROS LINEALES, RAMIFICADOS Y RETICULADOS...........................................9 POLÍMEROS COMUNES, FUNCIONALES, DE INGENIERÍA Y ESPECIALIDADES...........9 HOMOPOLÍMEROS, COPOLÍMEROS, TERPOLÍMEROS.............................................10 BIO-POLÍMEROS.................................................................................................... 10 DEGRADABILIDAD, BIODEGRADABILIDAD Y DEGRADABILIDAD EN COMPOSTA.....10 BIODEGRADABILIDAD........................................................................................... 11 COMPOSTABILIDAD............................................................................................... 11 POLÍMEROS BIO-BASADOS NATURALES................................................................12 POLÍMEROS BIO-BASADOS SINTÉTICOS................................................................12 POLÍMEROS ISÓMEROS......................................................................................... 13 CONCEPTO DE TACTICIDAD..................................................................................13 EJEMPLOS................................................................................................................. 14 EJEMPLOS DE POLÍMEROS NATURALES.................................................................14 EJEMPLOS DE POLÍMEROS SEMISINTÉTICOS.........................................................14 EJEMPLOS DE POLÍMEROS ARTIFICIALES...............................................................14 USOS DE LOS POLÍMEROS........................................................................................ 14 CONCLUSIÓN............................................................................................................ 15 BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................... 16

INTRODUCCIÓN Los polímeros, sintéticos o naturales están presentes en cada aspecto de nuestras vidas, en muchos materiales modernos, equipos farmacéuticos, en dispositivos electrónicos, partes automovilísticas, equipos médicos, etc. De un tiempo a la fecha, los polímeros han venido reemplazando materiales tradicionales, principalmente, a su bajo costo y a la posibilidad de ser adaptados en un sinfín de aplicaciones especiales. La versatilidad de las propiedades de los plásticos ha permitido su aplicación en campos tan distintos como la medicina, la ingeniería, las comunicaciones, la industria textil, la industria automotriz y, desde luego, en la vida cotidiana. Nuestra vida ha sufrido un cambio importante con el uso, por ejemplo, de teléfonos celulares, computadoras, aparatos domésticos, televisores, etc., los cuales son aparatos fabricados con piezas hechas de diversos materiales poliméricos. Los polímeros, están presentes en cualquier lugar, incluso en nuestros hogares, por lo que el desarrollo de nuevos polímeros o la modificación o mejora de aquellos tradicionalmente empleados, es uno de los objetivos meta de muchos científicos orientado su investigación en estos importantes tópicos.

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. Existen polímeros naturales de gran significación comercial como el algodón, formado por fibras de celulosas. La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hacer telas y papel. La seda es otro polímero natural muy apreciado y es una poliamida semejante al nylon. La lana, proteína del pelo de las ovejas, es otro ejemplo. El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, son también polímeros naturales importantes. Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas. Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases.

FUERZAS DE VAN DER WAALS. 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 cómo 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 / cm 3 y temperaturas de fusión entre 105 y 135° C.

Hidrocarbur o

Fórmula

Peso molecular

Densidad

T. de fusión

Metano

CH4

16

gas

-182 °C

Etano

C 2 H6

30

gas

-183 °C

Propano

C 3 H8

44

gas

-190 °C

butano

C4H10

58

gas

-138 °C

Pentano

C5H12

72

0,63

-130 °C

Hexano

C6H14

86

0,66

-95 °C

Heptano

C7H16

100

0,68

-91 °C

Octano

C8H18

114

0,70

-57 °C

Nonano

C9H20

128

0,72

-52 °C

Decano

C10H22

142

0,73

-30 °C

Undecano

C11H24

156

0,74

-25 °C

Dodecano

C12H26

170

0,75

-10 °C

Pentadecano

C15H32

212

0,77

10 °C

Eicosano

C20H42

283

0,79

37 °C

Triacontano

C30H62

423

0,78

66 °C

Polietileno

C2000H4002

28000

0,93

100 °C

Densidad y temperatura de fusión de hidrocarburos.

FUERZAS DE ATRACCIÓN. Debidas a dipolos permanentes, como en el caso de los poliésteres. Estas atracciones son mucho más potentes y a ellas se debe la gran resistencia tensil de las fibras de los poliésteres.

ENLACES DE HIDRÓGENO. Como en las poliamidas (nylon). Estas interacciones son tan fuertes, que una fibra obtenida con estas poliamidas tiene resistencia tensil mayor que la de una fibra de acero de igual masa.

OTROS POLÍMEROS. Hay atracciones de tipo iónico que son las más intensas: Un ejemplo sería el copolímero etileno-ácido acrílico, que al ser neutralizado con la base M(OH)2, producirá la estructura indicada. Estos materiales se llaman ionómeros y se usan, por ejemplo, para hacer películas transparentes de alta resistencia.

Tipo de enlace

Kcal / mol

Van der Waals en CH4

2,4

Dipolos permanentes

3a5

Enlaces hidrógeno

5 a 12

Iónicos

mayores a 100

Energía requerida para romper cada enlace.

La fuerza total de atracción entre las moléculas del polímero, dependería del número de las interacciones. Como máximo, sería igual a la energía de enlace según la tabla, multiplicada por el número de átomos de carbono en el caso del polietileno o por el número de carbonílicos C = O en los poliésteres, etc. rara vez se alcanza este valor máximo, porque las cadenas de los polímeros no pueden, por lo general, acomodarse con la perfección que sería requerida.

CONCEPTO Y CLASIFICACIÓN. Un polímero (del griego poly, muchos; meros, parte, segmento) es una sustancia cuyas moléculas son, por lo menos aproximadamente, múltiplos de unidades de peso molecular bajo. La unidad de bajo peso molecular es el monómero. Si el polímero es rigurosamente uniforme en peso molecular y estructura molecular, su grado de polimerización es indicado por un numeral griego, según el número de unidades de monómero que contiene; así, hablamos de dímeros, trímeros, tetrámero, pentámero y sucesivos. El término polímero designa una combinación de un número no especificado de unidades. De este modo, el trióximetileno, es el trímero del formaldehído, por ejemplo. Si el número de unidades es muy grande, se usa también la expresión gran polímero. Un polímero no tiene la necesidad de constar de moléculas individuales todas del mismo peso molecular, y no es necesario que tengan todas la misma composición química y la misma estructura molecular. Hay polímeros naturales como ciertas proteínas globulares y poli carbohidratos, cuyas moléculas individuales tienen todas el mismo peso molecular y la misma estructura molecular; pero la gran mayoría de los polímeros sintéticos y naturales importantes son mezclas de componentes poliméricos homólogos. La pequeña variabilidad en la composición química y en la estructura molecular es el resultado de la presencia de grupos finales, ramas ocasionales, variaciones en la orientación de unidades monómeros y la irregularidad en el orden en el que se suceden los diferentes tipos de esas unidades en los copolímeros. Estas variedades en general no suelen afectar a las propiedades del producto final, sin embargo, se ha descubierto que en ciertos casos hubo variaciones en copolímeros y ciertos polímeros cristalinos. Existen muchas formas de diferenciar a los Polímeros: 

Por su modo de obtención: Naturales y Sintéticos



Por su elasticidad: Elastómeros y Plásticos



Por el acomodamiento de las cadenas moleculares: Amorfos y Cristalinos



Por su comportamiento térmico: Termoplásticos y Termofijos



Por sus propiedades físicas: Comunes, Funcionales, de Ingeniería y Especialidades



Por tener diferentes Terpolímeros



Por la forma de sus cadenas moleculares: Lineales, Ramificados, Reticulados



Bio-Polímeros



Elastómeros y Plásticos

unidades:

Homopolímeros,

Copolímeros,

Un elastómero es un polímero con viscoelasticidad (tiene viscosidad y elasticidad) y fuerzas intermoleculares muy débiles, generalmente dando un bajo módulo de Young (módulo de tensión o módulo elástico) y una alta falla a la tensión por deformación comparado con los plásticos. A los elastómeros también se les asocia con el término de hules, aunque estos últimos requieren ser vulcanizados. Los elastómeros son polímeros amorfos que existen arriba de su punto de transición vítrea lo que lo hace relativamente suaves y deformables a temperatura ambiente.

POLÍMEROS AMORFOS Y CRISTALINOS Si pudiéramos ver las cadenas moleculares de un polímero en estado líquido veríamos que están completamente alargadas y relajadas y es cuando se enfrían y solidifican que estas cadenas pueden o no buscar acomodarse. Las resinas que al solidificar no buscan un acomodo o en otras palabras, solidifican sin un orden son las que se les conoce como amorfas (del griego “a” sin y “morfos” forma). Es este desorden el que le define sus propiedades físicas. Las resinas amorfas son en su mayoría transparentes debido a que entre los huecos que dejan las cadenas en su desorden pasan los haces de luz. Las resinas amorfas tienen muy buena estabilidad dimensional ya que al no acomodarse las cadenas no hay mucho ajuste o contracción de las piezas moldeadas. No tienen un punto de fusión definido sino más bien un rango de reblandecimiento y a excepción del policarbonato en general no tienen muy buenas propiedades mecánicas. Ejemplos de resinas amorfas están el policarbonato, el estireno acrilo nitrilo (SAN), el poli-metil metacrilato (PMMA) mejor conocido como acrílico, etc.

Una resina cristalina al solidificar sus cadenas busca formar estructuras llamadas cristalitos y si las viéramos en un microscopio podríamos ver su acomodo molecular. Las resinas cristalinas son opacas ya que no hay espacio para que pase la luz entre las moléculas. Al contrario de las resinas amorfas, las cristalinas tienen un buen porcentaje de contracción lo que representa ciertas consideraciones en su procesamiento para lograr una buena estabilidad dimensional y evitar problemas como rechupes y deformaciones por contracción. Las resinas cristalinas por lo general tienen buenas propiedades mecánicas y térmicas y tiene un punto de fusión definido. Ejemplos de resinas cristalinas son el polietileno (PE), el acetal opolioximetileno (POM), las poliamidas (PA) mejor conocidas como nylon, etc.

POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS Y TERMOFIJOS Un termoplástico es un plástico que, a temperaturas relativamente altas, se vuelve deformable o flexible, se funde cuando se calienta y se endurece en un estado de transición vítrea cuando se enfría lo suficiente. La mayor parte de los termoplásticos son polímeros de alto peso molecular. Los polímeros termoplásticos difieren de los polímeros termoestables o termofijos en que después de calentarse y moldearse pueden volverse a fundir para formar otra pieza. Sus propiedades físicas cambian gradualmente si se funden y se moldean varias veces (historial térmico), generalmente disminuyendo estas propiedades al debilitar o romper los enlaces. Los polímeros termo-estables o termo-fijos no se funden y son insolubles. Las cadenas de estos materiales forman una red tridimensional espacial, entrelazándose con fuertes enlaces covalentes, este proceso es conocido como reticulación (cross-linking en inglés). La estructura así formada es un conglomerado de cadenas entrelazadas dando la apariencia y funcionando como una macromolécula,

que, al elevarse la temperatura de ésta, simplemente las cadenas se compactan más, haciendo al polímero más resistente hasta el punto en que se degrada o quema. Un polímero termofijo también puede ser el resultado de la reacción química de dos componentes o un componente y un catalizador que al reaccionar forman un producto diferente que al querer volver a calentar simplemente se quema. Ejemplos de polímeros termofijos son la baquelita (fenol formaldehído), epóxidos, silicones, etc. El pre-polímero, llamado así antes de la reticulación, tiene una estructura muy similar a la de un polímero termoplástico.

POLÍMEROS LINEALES, RAMIFICADOS Y RETICULADOS Los polímeros que contienen un solo tipo de unidad repetida se les denomina homopolímeros mientras que los polímeros que tienen una mezcla de 2 unidades repetidas se les conoce como copolímeros. El polietileno, por ejemplo, está compuesto únicamente de monómeros de etileno y por tal es un homopolímero y por otro lado un polímero como el etilen vinil acetato (EVA) que está compuesto de monómeros de etileno y vinil acetato se le conoce como copolímero.

POLÍMEROS COMUNES, FUNCIONALES, DE INGENIERÍA Y ESPECIALIDADES Este tipo se deriva de las propiedades físicas que ofrecen los diferentes polímeros, por lo general los polímeros de alta especialidad son los de mayor resistencia mecánica, térmica, química o combinación de propiedades y son sintetizados o formulados de manera muy única como polímeros de cristal líquido. Los polímeros de ingeniería también tienen excelentes propiedades físicas, pero son un poco más comunes, ejemplos de estas resinas son las poliamidas (PA), acetal o polioximetileno (POM), algunos poliésteres del polietilen tereftalato (PET) cristalinos grado ingeniería, etc. Los polímeros funcionales son aquellos que, aunque no tienen altas propiedades físicas ofrecen algún beneficio sobre los polímeros comunes,

por ejemplo, un policarbonato ofrece una muy buena resistencia al impacto o un etilen vinil acetato (EVA) ofrece un mejor sello a los empaques que un polietileno. Finalmente, los polímeros comunes o “commodity” son los más sencillos y con propiedades físicas simples como el polietileno (PE) o el polipropileno (PP). A la izquierda, la pirámide con diferentes ejemplos sobre este tipo de clasificación.

HOMOPOLÍMEROS, COPOLÍMEROS, TERPOLÍMEROS Los polímeros que contienen un solo tipo de unidad repetida se les denomina homopolímeros mientras que los polímeros que tienen una mezcla de 2 unidades repetidas se les conoce como copolímeros. El polietileno, por ejemplo, está compuesto únicamente de monómeros de etileno y por tal es un homopolímero y por otro lado un polímero como el etilen vinil acetato (EVA) que está compuesto de monómeros de etileno y vinil acetato se le conoce como copolímero.

BIO-POLÍMEROS En los últimos 50 años, la producción de polímeros ha aumentado más de 20 veces, superando ya los 300 millones de toneladas anuales (1). Los plásticos son materiales importantes que contribuyen significativamente a la protección del medio ambiente. Cuando se comparan con alternativas en aplicaciones típicas, pueden: 

reducir los costos energéticos hasta en un 40%



reducir los residuos en un 75 – 80%



reducir las emisiones en un 70%



reducir la contaminación del agua hasta en un 90% (2)

Sin embargo, debido a las preocupaciones recientes sobre el agotamiento de los recursos fósiles y la contaminación ambiental, se han realizado esfuerzos para reemplazar los plásticos convencionales a base de petróleo y gas con otros basados en hidrocarburos derivados de recursos renovables como la biomasa.

DEGRADABILIDAD, BIODEGRADABILIDAD Y DEGRADABILIDAD EN COMPOSTA Un plástico se puede describir como degradable cuando experimenta un cambio significativo en las propie...