La materia está 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.
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 constituídos 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 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.
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 policarbohidratos,
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 monómeras 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.
Polímeros
isómeros.
Los polímeros isómeros son polímeros que tienen escencialmente
la misma composición de porcentaje, pero difieren en la colocación de los
átomos o grupos de átomos en las moléculas. Los polímeros isómeros del tipo
vinilo pueden diferenciarse en las orientaciones relativas (cabeza a cola,
cabeza a cabeza, cola a cola, o mezclas al azar de las dos.) de los segmentos
consecutivos (unidades monómeras.).:
Cabeza a cola
—CH2—CHX—CH2—CHX—CH2—CHX—CH2—CHX—
Cabeza a cabeza y cola a cola
—
CH2—CH2—CHX—CHX—CH2—CH2—CHX—CHX—CH2—
o en la orientación de sustituyentes o cadenas laterales con
respecto al plano de la cadena axial hipotéticamente extendida.
La isomería cis-trans puede ocurrir, y probablemente ocurre,
para cualquier polímero que tenga ligaduras dobles distintas a las que existen
en los grupos vinilo pendientes (los unidos a la cadena principal).
Concepto
de tacticidad.
El termino tacticidad se refiere al ordenamiento espacial de las
unidades estructurales.
El mejor ejemplo es el polipropileno, que antes de 1.955 no
tenía ninguna utilidad. En ese año, Giulio Natta en Milán, utilizó para hacer
polipropileno, los catalizadores que Karl Ziegler había desarrollado para el
polietileno. Esos catalizadores, hechos a base de cloruro de titanio y
tri-alquil-aluminio, acomodan a los monómeros de tal manera que
todos los grupos metilos quedan colocados del mismo lado en la cadena.
En esta forma, Natta creó el polipropileno isotáctico, que tiene
excelentes propiedades mecánicas. Hasta ese momento, con los procedimientos
convencionales, sólo se había podido hacer polímeros atácticos, sin
regularidad estructural.
El polipropileno atáctico es un material ceroso, con pésimas
propiedades mecánicas.
Otros catalizadores permiten colocar los grupos alternadamente,
formando polímeros que se llaman sindiotácticos, los cuales, como los
isotácticos, tienen muy buenas propiedades.
Homopolímeros
y copolímeros.
Los materiales como el polietileno, el PVC, el polipropileno, y
otros que contienen una sola unidad estructural, se llaman homopolímeros. Los
homopolímeros, a demás, contienen cantidades menores de irregularidades en los
extremos de la cadena o en ramificaciones.
Por otro lado los copolímeros contienen varias unidades
estructurales, como es el caso de algunos muy importantes en los que participa
el estireno.
Estas combinaciones de monómeros se realizan para modificar las
propiedades de los polímeros y lograr nuevas aplicaciones. Lo que se busca es
que cada monómero imparta una de sus propiedades al material final; así, por
ejemplo, en el ABS, el acrilonitrilo aporta su resistencia química, el
butadieno su flexibilidad y el estireno imparte al material la rigidez que
requiera la aplicación particular.
Evidentemente al variar las proporciones de los monómeros, las
propiedades de los copolímeros van variando también, de manera que el proceso
de copolimerización permite hasta cierto punto fabricar polímeros a la medida.
No solo cambian las propiedades al variar las proporciones de
los monómeros, sino también al variar su posición dentro de las cadenas. Así,
existen los siguientes tipos de copolímeros.
Las mezclas físicas de polímeros, que no llevan uniones
permanentes entre ellos, también constituyen a la enorme versatilidad de los
materiales poliméricos. Son el equivalente a las aleaciones metálicas.
En ocasiones se mezclan para mejorar alguna propiedad, aunque
generalmente a expensas de otra. Por ejemplo, el óxido de polifenilo tiene
excelente resistencia térmica pero es muy difícil procesarlo. El poliestireno
tiene justamente las propiedades contrarias, de manera que al mezclarlos se
gana en facilidad de procedimiento, aunque resulte un material que no resistirá
temperaturas muy altas.. Sin embargo en este caso hay un efecto sinergístico,
en el sentido en que la resistencia mecánica es mejor en algunos aspectos que a
la de cualquiera de los dos polímeros. Esto no es frecuente, porque puede
ocurrir únicamente cuando existe perfecta compatibilidad ente los dos polímeros
y por regla general no la hay, así que en la mayoría de los casos debe
agregarse un tercer ingrediente para compatibilizar la mezcla. Lo que se emplea
casi siempre es un copolímero injertado, o uno de bloque que contenga unidades
estructurales de los dos polímeros.
Otras veces se mezcla simplemente para reducir el costo de
material.
En otros casos, pequeñas cantidades de un polímero de alta
calidad puede mejorar la del otro, al grado de permitir una nueva aplicación.
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