1. Diferencia entre Monómero y Polímero

Un monómero es un compuesto químico estable que, en determinadas condiciones, se puede convertir (polimerizar) en un polímero. A las unidades individuales repetitivas que forman el polímero se les llama meros.

Es frecuente que la polimerización se produzca de forma secuencial. Es decir, dos monómeros reaccionan para formar un dímero. Este proceso puede continuar de forma indefinida, hasta que se detiene por reacción con otro tipo de monómero o un inhibidor.

2. Configuraciones Estructurales de la Cadena Polimérica

Los polímeros pueden adoptar diversas configuraciones en función de la estructura de su cadena:

• Polímeros Lineales

  Un polímero lineal es aquel que tiene una estructura en cadena donde las nuevas adiciones de meros solo pueden producirse al principio o al final de la cadena.

• Ramificaciones

  La ramificación se presenta cuando un átomo de la cadena principal es desplazado y sustituido por otra cadena lineal. La ramificación reduce la tendencia a la cristalización y evita el arreglo compacto de las cadenas.

  El polietileno de baja densidad (PEBD) tiene ramas largas y es más débil que el polietileno de alta densidad (PEAD), que carece de ramificaciones.

• Entrecruzamiento (Enlace Cruzado)

  Un polímero de enlace cruzado es aquel en el que existen enlaces químicos entre cadenas. Este eslabonamiento cruzado puede presentarse en tres dimensiones para formar un entramado. El incremento de este tipo de enlace aumenta la resistencia y tenacidad del sistema y reduce la capacidad de deslizamiento de las moléculas. Los esfuerzos, el calor y la presión facilitan la formación de enlaces cruzados en muchos polímeros, y el material se vuelve rígido de forma permanente o termoestable.

• Polímeros de Malla o Red

  La funcionalidad se define como el número de enlaces libres de un mero susceptibles de unirse a otros. Los meros trifuncionales dan lugar a polímeros más resistentes que los bifuncionales.

  Con polímeros polifuncionales, se forman en una primera etapa, por poliadición, macromoléculas de cadena sencilla y ramificada. En una segunda etapa, pueden ramificarse aún más y establecer uniones cruzadas que forman entramados reticulares complejos.

• Dimensiones Moleculares y Conformación

  La estructura de un carbono tetraédrico forma un ángulo de enlace de aproximadamente 109.5º, cuyo valor exacto depende del tipo de átomos que forman los enlaces con el carbono.

3. Clasificaciones Principales de la Estructura Polimérica (Orientación Espacial)

La orientación espacial de un polímero influye en el grado de empaquetamiento molecular, afectando de esta forma a la atracción intermolecular y a la capacidad de cristalización.

• Un alto grado de empaquetamiento implica una gran atracción molecular y, por lo tanto, facilidad para cristalizar.
• Un bajo grado de empaquetamiento tiene menor atracción molecular y menos tendencia a cristalizar.

La clasificación viene dada por:

• Polímeros Isotácticos

  Tienen grupos sustitutivos en el mismo lado de la cadena principal. Estos cristalizan con facilidad, ya que la estructura regular permite alcanzar una estructura helicoidal, facilitando la unión con cadenas contiguas.

• Polímeros Sindiotácticos

  Los grupos sustitutivos ocupan posiciones alternas en la cadena. Esto favorece el empaquetamiento cerrado y un alto grado de cristalización.

• Polímeros Atácticos

  Los grupos sustitutivos tienen una posición aleatoria. Debido a su configuración irregular, el empaquetamiento y la cristalización son menores, formando polímeros amorfos.

4. Definición y Distribución de Copolímeros

Los copolímeros son polímeros formados por meros distintos. La distribución de las unidades repetitivas dentro de la estructura puede variar mucho. En el caso de dos meros distintos (A y B), se pueden obtener las cuatro distribuciones siguientes:

• Alternada: Las unidades A y B están alternadas.
• Al Azar o Aleatoria: Las unidades están en posiciones aleatorias.
• De Injerto: La unidad A forma una cadena principal, mientras que la B forma cadenas laterales de longitud variable.
• De Bloque: Las unidades A y B aparecen en bloques alternados de longitud variable.

5. Reacciones de Polimerización

• Polimerización por Adición

  Las reacciones de adición se producen por alguno de estos métodos:

  • Unión de monómeros iguales o distintos con enlaces dobles o triples, por rotura de los mismos, sin que se elimine ningún producto.
  • Unión de monómeros iguales o distintos por rotura de un anillo, sin eliminación de parte alguna de la molécula.
  • Unión de moléculas de tipo distinto, por rotura de enlaces múltiples.

• Polimerización por Condensación

  Se realiza por la unión de moléculas polifuncionales, a menudo distintas, con separación de productos sencillos no polimerizables, según alguno de los métodos:

  • Reacción de ácidos con alcoholes.
  • Formación de polihidrocarburos por eliminación de halógenos de hidrógeno, utilizando metales como catalizador.
  • Formación de polisulfuros por reacción de derivados dihalogenados.

6. Fases o Periodos de la Polimerización

En el proceso de polimerización se distinguen tres fases principales:

• Iniciación: La reacción progresa lentamente.
• Propagación: La velocidad aumenta a un gran ritmo, alcanzando hasta el 90% de la transformación.
• Terminación: La velocidad disminuye hasta el 98% de conversión, cuando finalmente se anula.

El proceso se puede controlar mediante activadores, retardadores o inhibidores. En otros casos, se utilizan agentes transferidores de cadenas para modificar la longitud de las cadenas.

Si las reacciones no están bien controladas, puede producirse una despolimerización, causando moléculas de menor tamaño.

7. Mecanismos para Controlar el Proceso de Polimerización

Los mecanismos utilizados para controlar la velocidad y el resultado de la polimerización incluyen:

• Activadores
• Retardadores
• Inhibidores

Y en otros casos:

• Agentes transferidores de cadenas

8. Definición del Grado de Polimerización (GP)

El grado de polimerización describe la longitud promedio que alcanza una cadena. Si el polímero contiene un solo tipo de monómero, el grado de polimerización es el número medio de moléculas o meros que están presentes en la cadena. Se puede definir por medio de la siguiente fórmula:

GP = (Peso Molecular del Polímero) / (Peso Molecular del Mero)

9. Clasificación de los Polímeros Según su Estructura

• Termoplásticos o Plásticos

  Formados por polímeros de cadena lineal o ramificada. Estos son moldeables teóricamente un número ilimitado de veces, aunque en la práctica la cadena puede degradarse. El aumento de temperatura debilita las fuerzas intermoleculares, facilitando el deslizamiento de las cadenas. Tienen intervalos de fusión definidos y suelen ser duros y frágiles a temperatura ambiente.

• Termoestables o Resinas

  Formados por enlaces cruzados o redes tridimensionales. Para darles forma, se parte de polímeros lineales con múltiples grupos funcionales o enlaces dobles repartidos por las cadenas, facilitando reacciones de polimerización. Las uniones cruzadas son normalmente covalentes, por lo que estos materiales no se pueden moldear una vez curados.

• Elastómeros

  Incluyen el caucho. Tienen una estructura de cadena intermedia que permite una ligera formación de enlaces cruzados entre cadenas. Poseen la capacidad de deformarse elásticamente en grandes cantidades sin cambiar de forma permanente.

10. Clasificación de los Polímeros Según la Geometría de la Cadena y las Fuerzas Intermoleculares

• Polímeros Amorfos o Vítreos

  Presentan una distribución completamente irregular en las cadenas poliméricas; esta es una característica de configuraciones atácticas y de copolímeros. Sus características son similares a los vidrios inorgánicos: transparencia, dureza y fragilidad.

  Temperatura Vítrea (T_v)

  Al disminuir la temperatura desde el estado líquido, se produce una disminución del volumen al reducirse la agitación de las moléculas. A la temperatura donde ocurre esta transición se le llama punto vítreo (T_v).

• Polímeros Parcialmente Cristalinos (Semicristalinos)

  Cadenas de polímeros con un alto grado de simetría con libertad de movimientos y de rotación. Sin embargo, esas ordenaciones solo afectan a zonas muy pequeñas llamadas laminillas, unidas por otras zonas amorfas, consiguiendo así un estado semicristalino.

  Al solidificar, estos polímeros crecen formando esferulitas densamente empaquetadas. Las propiedades de estos polímeros dependen directamente del porcentaje de la fase cristalina.

11. Influencia de la Temperatura en el Comportamiento de los Polímeros

A temperaturas bajas, el movimiento de los termoplásticos está congelado y solo pueden vibrar las cadenas laterales. Al elevar la temperatura, aumenta la agitación térmica y, al llegar a la temperatura vítrea (T_v), comienzan a vibrar algunos segmentos de la cadena. Esto modifica el módulo de elasticidad, el coeficiente de dilatación y la capacidad de amortiguación.

A temperaturas más elevadas, los segmentos de la cadena, además de vibrar, pueden deslizarse. De esta manera, el polímero adquiere un comportamiento viscoelástico.

Si seguimos aumentando la temperatura, crece la movilidad de las partículas hasta que deslizan unas sobre otras. Este cambio se produce en la temperatura de fusión (T_f). Por encima de esta temperatura, el polímero se comporta como un líquido viscoso.

Cuando alcanza la temperatura de descomposición (T_d), se rompen las moléculas del polímero, dejando el material irreversiblemente dañado.

Los polímeros cristalinos, a temperaturas superiores a T_v, conservan su dureza y son menos deformables y elásticos que los amorfos. A la temperatura de fusión, desaparece la ordenación cristalina, comportándose como líquidos viscosos.

12. Aplicaciones Técnicas de los Polímeros en Función de la Temperatura

Las aplicaciones dependen de las siguientes temperaturas críticas:

• T_v: Temperatura vítrea.
• T_f: Temperatura de fluidificación (o fusión).
• T_d: Temperatura de descomposición.

Los polímeros se pueden clasificar según la temperatura ambiente (T_a) en relación con estas transiciones:

• Líquidos Elásticos y Pegajosos: T_a > T_f > T_v. Si T_a >>> T_f, el líquido es oleoso.
• Sólidos Viscoelásticos y Sólidos Elásticos: T_f > T_a > T_v.
• Sólidos Duros: T_v > T_a.

13. Clasificación Según su Aplicación como Material Polimérico

• Elastómeros

  (T_a ≥ T_v): Formados por cadenas enredadas en forma de ovillos que se pueden deformar al desenredarse por tensión. También se pueden formar introduciendo uniones cruzadas entre las cadenas para obtener rigidez.

• Plásticos

  (T_v >>> T_a): Pueden ser termoplásticos (si son de cadenas lineales) o termoestables (si las cadenas son de enlaces cruzados).

• Fibras

  (T_f > T_v >>> T_a): Formadas por grandes polímeros de cadena alargada, capaces de cristalizar al someterlos a una tensión externa.

14. Definición y Características de los Elastómeros

Los elastómeros son aquellos tipos de compuestos que incluyen no metales en su composición y que muestran una elasticidad mayor a la de otros sólidos.

• Están formados por cadenas largas y enrolladas, capaces de desenrollarse por acción de fuerzas externas y recuperarse cuando cesan. En la realidad, las cadenas, además de desenrollarse, deslizan unas sobre otras, originando una parte de deformación plástica que no se recupera al cesar la fuerza.
• Su temperatura de trabajo es la del ambiente, generalmente superior a T_v.
• Tienen la posibilidad de establecer enlaces cruzados para impedir el flujo plástico.

15. Tipos de Elastómeros

• Caucho Natural

  Se encuentra en el jugo lechoso de árboles y plantas. Este es elástico, pero se vuelve quebradizo por debajo de -10 ºC y pegajoso por encima de 25 ºC, limitando su uso industrial sin modificación.

  Su constitución química corresponde a un polímero de isopreno, aprovechándose para formar enlaces cruzados con azufre (vulcanización). De esta forma, se aumenta la dureza y la resistencia a la oxidación y corrosión. La vulcanización le aporta resistencia a la tracción, mayor duración y hace disminuir su endurecimiento permanente.

  • Gutapercha

    Es el isómero trans del poliisopreno (caucho natural). No es elástico, pero es extensible, además de aislante eléctrico con resistencia a la corrosión marina, siendo usado para recubrir cables submarinos.

  • Balata

    Presenta características intermedias entre los dos anteriores, usándose en correas de transmisión y recubrimiento de cables.

• Caucho Sintético

  Presenta características similares a las del natural.

  1. Primero se inventó el dimetil butadieno, que no era de buena calidad.
  2. Posteriormente, la Buna, usando el sodio como catalizador.
  3. Actualmente se obtienen otros como:
     • BUNA S (SBR)
     • BUNA N (NBR)

16. Definición de Plásticos

Conjunto de materiales sintéticos que son o han sido plásticos en alguna fase de su elaboración, adquiriendo después una consistencia más o menos rígida. Se iniciaron con el celuloide y su desarrollo industrial comenzó con la baquelita.

17. Clasificación de los Plásticos por su Constitución Química

• Productos Naturales Transformados

  • Derivados de la celulosa
  • Derivados de la caseína
  • Derivados del caucho

• Policondensados

  • Condensados en equilibrio reversible
  • Condensados en equilibrio irreversible
    • Fenoplastos
    • Aminoplásticos
    • Alquílicos

• Polimerizados

  • Polivinílicos
  • Polialdehídos
  • Poliamidas

18. Definición y Clasificación de Aditivos

Los aditivos son productos que se añaden a los plásticos para obtener propiedades específicas, como mayor dureza o mejor flexibilidad. Como es el caso del PVC, al cual se le añaden diferentes aditivos (rellenos, plastificantes, estabilizadores) en función de la utilidad que se le vaya a dar.

• Catalizadores: Modifican la velocidad de reacción.
• Rellenos: Mejoran la resistencia a la carga, al desgaste, las propiedades mecánicas y aumentan el volumen.
• Plastificantes: Mejoran las características de conformación del polímero; por ejemplo, pueden ser usados en el caso del PVC, que tiene una temperatura vítrea superior a la ambiente.
• Estabilizadores: Impiden el deterioro del polímero por el medioambiente, además de evitar el daño ultravioleta.
• Disolventes: Acción similar a los anteriores, pero de efecto pasajero.
• Refuerzos: Mejoran la resistencia y la rigidez.
• Retardadores de Combustión o Llama: Como la mayoría de los polímeros son inflamables, conviene reducir esta característica con elementos como sales metálicas.

19. Fases Utilizadas en la Conformación de Polímeros

El proceso de conformación de polímeros generalmente incluye las siguientes fases:

1. Obtención del Material

   Se realiza por un proceso de polimerización o policondensación.

2. Mezcla

   Se añade algún aditivo.

3. Elaboración

   Se realiza por alguno de estos procesos:

   • Moldeo por Extrusión: El material caliente sale por un orificio a presión.
   • Moldeo por Soplado: Se introduce en un molde un globo caliente de polímero, el cual es empujado a las paredes del molde.