Los polímeros son tan antiguos como la
vida misma ya que toda la vida en la tierra se basa en tres tipos de polímeros:
DNA, RNA y proteínas. Las macromoléculas o polímeros son moléculas con una
estructura básicamente covalente entre sus átomos pero que poseen un elevado
peso molecular. Se consideran polímeros moléculas con masa moleculares
superiores a 103 -104 , pudiendo llegar a valores del orden de 1010 como el
ácido desoxirribonucleico. Este elevado peso molecular, y consecuentemente
tamaño, es lo que les confiere unas propiedades peculiares.
Historia
La ciencia macromolecular es muy
reciente. A pesar de ello, el hombre ha utilizado las macromoléculas naturales
desde muy antiguo, como el asfalto, la goma arábiga, la lana, el algodón, el látex,
la celulosa (papel). Mucho más tarde vino la utilización del caucho natural.
Una segunda etapa la constituye el descubrimiento de los procesos de
polimerización industrializados sobre todo a partir de los años cuarenta, y que
ha permitido la fabricación de plásticos, resinas, fibras sintéticas, cauchos
artificiales etc. Que constituyen hoy en día una fracción muy importante de la
industria química. Este extraordinario desarrollo ha impulsado grandemente la
investigación en este campo, uno de los más activos en la actualidad. Por
último, y más recientemente, se ha reconocido la naturaleza macromolecular de
gran número de materiales biológicos y se ha empezado a saber su constitución
física y química y su funcionalidad. Entre estos materiales se incluyen las
proteínas, los ácidos nucleicos que constituyen el meollo mismo de los procesos
vitales, y cuya función biológica viene determinada por sus propiedades
macromoleculares.
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 1846 por el químico Christian
Schönbein. El celuloide se inventó como resultado de un concurso realizado en
1860 en los Estados Unidos, cuando se ofrecieron 10.000 dólares a quien produjera
un sustituto del marfil (cuyas reservas se agotaban) para la fabricación de
bolas de billar. Una de las personas que optaron al premio fue Wesley Hyatt
quien invento el celuloide que se fabricaba disolviendo celulosa, un hidrato de
carbono obtenido de las plantas, en una solución de alcanfor y etanol. Con él
se empezaron a fabricar distintos objetos como mangos de cuchillo, armazones de
lentes y película fotográfica. Sin el celuloide no hubiera podido iniciarse la
industria cinematográfica a fines del siglo XIX. Durante las décadas siguientes
aparecieron de forma gradual más tipos de polímeros totalmente sintéticos. En
1907 Leo Baekeland invento la baquelita, el primer plástico calificado como
termofijo o termoestable. La baquelita es aislante y resistente al agua, a los
ácidos y al calor moderado por lo que se utilizó rápidamente en numerosos
objetos de uso doméstico y componentes eléctricos de uso general. Entre los
productos desarrollados durante este periodo están los polímeros naturales
alterados, como el rayón, fabricado a partir de productos de celulosa. En 1920
se produjo un acontecimiento que marcaría la pauta en el desarrollo de
materiales polímeros. El químico alemán HermannStaudinger (Premio Nobel en
1953) introdujo por primera vez la idea de que los polímeros son largas cadenas
de unidades pequeñas unidas por enlaces covalentes. Esta idea fue confirmada
por los trabajos de síntesis de Carothers en la preparación del nailon y del
caucho artificial, y sobre todo, por la extraordinaria aportación de Paul Flory
(desde 1937, premio nobel en 1974) quien puso los cimientos científicos y
desarrollo extensamente las bases teóricas de esta rama de la ciencia. En la
década del 30, químicos ingleses descubrieron que el gas etileno polimerizaba
bajo la acción del calor y la presión formando un termoplástico al que llamaron
polietileno (PE). Hacia los años 50 aparece el polipropileno (PP).
Al reemplazar en el etileno un átomo de
hidrógeno por uno de cloruro se produjo el cloruro de polivinilo (PVC), un plástico
duro y resistente al fuego, especialmente adecuado para cañerías de todo tipo.
Al agregarles diversos aditivos se logra un material más blando, sustitutivo
del caucho, comúnmente usado para ropa impermeable, manteles, cortinas,
juguetes. Un plástico parecido al PVC es el politetrafluoretileno (PTFE),
conocido popularmente como teflón y usado para rodillos y sartenes
antiadherentes.
El poliestireno (PS) se desarrolló
también en los años 30 en Alemania y es un material muy transparente comúnmente
utilizado para vasos, manteles, potes y hueveras por sus características que
son alta resistencia a la alteración química y mecánica a bajas temperaturas y
muy baja absorción de agua. El poliestireno expandido (EPS), una espuma blanca
y rígida, se utiliza básicamente para embalaje y aislante térmico. También en
este periodo se obtuvo el polimetacrilato de que se comercializó en Gran
Bretaña como Perspex, como Lucite en USA y en España como Plexiglás. Este
material tiene unas propiedades ópticas excelentes, puede utilizarse para gafas
y lentes, o en el alumbrado público o publicitario. Asimismo se crea la primera
fibra artificial, el nailon. Su descubridor fue el químico Wallace Carothers,
que trabajaba para la empresa Du Pont. Descubrió que dos sustancias químicas
como el hexametildiamina y ácido adípico podían formar un polímero que bombeado
a través de agujeros y estirados podían formar hilos que podían tejerse. Su
primer uso fue la fabricación de paracaídas para las fuerzas armadas
estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial, extendiéndose rápidamente a
la industria textil en la fabricación de medias y otros tejidos combinados con
algodón o lana. Al nailon le siguieron otras fibras sintéticas como por ejemplo
el orlón y el acrilán. Durante los años de la posguerra se mantuvo elevado
ritmo de los descubrimientos y desarrollos de la industria de los plásticos. En
los últimos años, tienen especial interés los avances en los plásticos
técnicos, como los policarbonatos, los acetatos y las poliamidas. Se utilizan
otros materiales sintéticos en lugar de los metales en componentes para
maquinaria, cascos de seguridad, aparatos sometidos a altas temperaturas y
muchos otros productos empleados en lugares con condiciones ambientales
extremas. En el envasado en botellas y frascos se ha desarrollado
vertiginosamente el uso del tereftalato de polietileno (PET), material que
viene desplazando al vidrio y al PVC en el mercado de envases.
Definiciones y características
A pesar de su enorme tamaño, las
estructuras químicas de las macromoléculas no son muy complicadas. Su relativa
simplicidad se debe a que están formadas por una estructura química sencilla
que se repite muchas veces. Las macromoléculas son pues poli-meros (muchas
partes iguales). El elevado tamaño molecular se alcanza por unión repetida de
moléculas pequeñas (mono-meros). La unión de las moléculas de monómero para dar
el polímero se realiza en secuencia, una molécula detrás de otra, y la
estructura molecular que resulta es una cadena de eslabones consecutivos, unidos
entre sí mediante enlaces covalentes. Cada unidad repetida, o unidad
monomérica, es un eslabón de dicha cadena macromolecular. Por debajo de 104 de
peso molecular, los polímeros están formados por sólo unas pocas unidades
repetitivas de monómero y se llaman oligómeros. El número de eslabones
que componen esta cadena o número de moléculas de monómero que se han unido en
secuencia, es su grado de polimerización, x.
Por ejemplo x monómeros vinílicos se
unen para dar polímeros lineales:
x(CH2=CH2) →
____( __CH2-CH2 __)x ___
Etilenopolietileno
La cualidad requerida por una pequeña
molécula para ser clasificada como monómero es que posea dos o más sitios de
enlace a través de los cuales se puede unir a otros monómeros para formar la
cadena polimérica. El número de sitios de enlace se denomina funcionalidad.
Monómeros bifuncionales dan lugar a polímeros lineales, pero si los monómeros
son polifuncionales (tres o más sitios de enlace) por ejemplo el glicerol,
CH2OHCHOHCH2OH, dan lugar a polímeros ramificados. Estos pueden incluso dar
lugar a grandes redes tridimensionales que tienen ramificaciones y
entrecruzamientos.
Cuando sólo una especie de monómero se
utiliza para construir la macromolécula el producto se denomina homopolímero o polímero. Si las cadenas
están formadas por dos tipos de unidades monoméricas, el material se denomina copolímeroy si son tres terpolímero. Una característica
fundamental de los polímeros es que son polidispersos.
Frecuentemente tras el proceso de polimerización se obtiene una mezcla de
cadenas moleculares que, teniendo todas las mismas estructuras químicas,
difieren en su tamaño o grado de polimerización, se obtiene un peso molecular
promedio. Sin embargo, cuando el polímero tiene un tamaño molecular bien
definido y único para todas sus cadenas, se dice que es monodisperso. Polímerosmonodispersos se obtienen solamente en
condiciones especiales (polímeros biológicos). Los polímeros sintéticos son
polidispersos en su mayoría.
Otra característica de las
macromoléculas es que son estructuras flexibles debido a que poseen un elevado
número de grados de libertad de rotación interna. La mayoría de los enlaces que
unen los eslabones de las cadenas macromoleculares tienen rotación interna y
pueden adoptar diversos estados rotacionales. Como el número de enlaces entre
eslabones que compone una cadena es muy elevado, y cada uno de ellos puede
adoptar distintos estados rotacionales, resulta que el número de conformaciones
posibles para el conjunto de la macromolécula es enorme. La posibilidad de pasar
de una conformación a otra, por rotación interna de cualquiera de sus enlaces,
es lo que confiere flexibilidad a las cadenas macromoleculares.
Clasificación y tipos de polímeros
Se pueden hacer diferentes
clasificaciones según qué criterio se tome debido a la gran variedad de
polímeros.
Atendiendo a la composición de sus monómeros:
i) Homopolímeros
ii) Copolímeros. Los copolímeros se
pueden dividir en:
a) copolímeros estadísticos, ideales o
al azar: la distribución de dos monómeros en la cadena es al azar, pero
influenciada por las reactividades individuales de los monómeros
~AAABABBABABBBBABAAB~
b) copolímeros alternados: con un
ordenamiento regular ~ABABABABA~
c) copolímeros de bloque:
~AAABBBBBAAABBBB~
d) copolímeros de injerto donde sobre
los puntos específicos de una cadena de polímero ya formada se hace crecer una
ramificación de otro monómero.
e) copolímeros entrecruzados en los que
uno de los comonómeros tiene una funcionalidad mayor que dos y da lugar a
estructuras ramificadas tridimensionales. iii) Terpolímeros
Atendiendo al origen se dividen en:
i) naturales: existen en la naturaleza
muchos polímeros como la celulosa, caucho natural y además los seres vivos
están constituidos por macromoléculas biológicas o biopolímeros (proteínas,
polisacáridos, ácidos nucleicos...) que son estructuras monodispersas muy
complejas y no los estudiaremos en el presente curso.
ii) polímeros sintéticos orgánicos: es
el grupo más importante de polímeros y comprenden todos aquellos que se pueden sintetizar
a partir monómeros orgánicos. Por ejemplo poliestireno, polimetacrilato de
metilo, PVC… Son polidispersos.
iii) Polímeros semi-sintéticos: se
obtienen a partir de reacciones químicas aplicadas a polímeros naturales como
por ejemplo la nitrocelulosa, los esteres o eteres de celulosa o amilosa y el
caucho natural vulcanizado.
iv) Polímeros inorgánicos: esta
definición es un poco vaga. En principio se consideran inorgánicos todos los
que presentan en su cadena átomos distintos de C, O y N. Pero en el sentido más
estricto son los silicatos naturales y los polisiloxanos sintéticos.
2.3. Clasificación atendiendo a la
estructura de la cadena
i) cadena lineal: formados por una única
cadena de monómeros ~AAAAAAAAAAAA~
ii) cadena ramificada: la cadena lineal
de monómeros presenta ramificaciones ~AAAAA~ ~AAAAAAAAAAA~ AAAA~
iii) redes poliméricas en dos o tres
dimensiones al formarse entrecruzamientos provocados por el enlace entre átomos
de distintas cadenas
iv) polímeros en escalera cuando se
enlazan dos cadenas mediante diversos enlaces
Usos
en la industria
Las técnicas para conformar polímeros en
formas útiles dependen en gran medida de la naturaleza del polímero, en
particular, si es termoplástico o termoestable. Se emplea una gran diversidad
de técnicas para conformar polímeros termoplásticos. El polímero se calienta a
una temperatura cercana o superior a la de fusión, de modo que adquiera una
baja viscosidad. Entonces el polímero se funde o inyecta dentro de un molde, o
se lo fuerza a pasar a través de una boquilla para producir la forma requerida.
Se emplean pocas técnicas de conformado para los polímeros termoestables debido
a que una vez producida la polimerización ya se ha establecido una estructura
reticular que no se puede conformar más. Después de la vulcanización los
elastómeros tampoco pueden ser conformados adicionalmente.
Extrusión
Un mecanismo de tornillo fuerza el
termoplástico caliente a través de un da-do abierto (o boquilla) para producir
formas sólidas, películas, laminas, tubos y aún bolsas plásticas. La extrusión
puede ser empleada también para recubrir alambres y cables.
• Moldeo por soplado
Un globo caliente de polímero, llamado
preforma, se introduce en un molde y es expandido contra las paredes del molde
mediante un gas a presión. Este proceso se utiliza para producir botellas
plásticas, recipientes y otras formas huecas.
• Moldeo
por inyección
Los termoplásticos se calientan por
encima de la temperatura de fusión y entonces mediante un émbolo o tornillo
sinfín se los fuerza a llenar un molde cerrado. Este proceso es similar al
moldeo en coquilla para los metales.
•
Conformado al vacío
Las láminas termoplásticas calentadas a
temperaturas mayores que la Tg se colocan sobre un molde o patrón conectado a
un sistema de vacío. Las pequeñas rendijas en el molde o patrón, permiten que
el vacío tire de la lámina caliente de plástico sobre el patrón. Este proceso
se emplea para la fabricación de recipientes delgados y poco profundos como los
envases para yogurt y otros productos lácteos, las hueveras, las piezas de
plástico para embalar y exponer frutas, etc. Los materiales empleados son el
poliestireno, el PVC y los plásticos acrílicos.
•
Calandrado
En una calandra se vierte el plástico
fundido entre un grupo de rodillos con una pequeña abertura; al girar los
rodillos generan una delgada película de polímero. Se aplica por ejemplo a las
películas de PVC que se utilizan para envolver alimentos.
• Hilado
Los filamentos y fibras se pueden
producir a través de este proceso de extrusión. El polímero termoplástico es
forzado a pasar a través de una boquilla o dado que contiene muchos agujeritos
pequeños. El dado, llamado hilador, puede girar y producir una fibra o cordón.
• Moldeo por compresión
El moldeo por compresión es un sistema
de fabricación parecido a la forja pero con plástico. Consiste en introducir
entre dos moldes complementarios y calientes una pieza de polvo comprimido, que
tomará la forma del molde al presionar las dos partes del mismo. El calor del
molde iniciará la reacción química llamada degradación. El moldeo por
compresión se emplea con plásticos termoestables. Mediante esta técnica se
fabrica material eléctrico, tapas de inodoros, mangos de cepillos, tapones de
botellas, etc.
• Moldeo por transferencia
Se emplea un doble intercambiador para
lospolímeros termo rígidos. Elpolímero se calienta bajo presión en un
intercambiador; despuésde fundido, elpolímero se inyecta en elmolde adyacente.
Este proceso combina elementos del modelo por compresión y del moldeo por
inyección.
• Colado
Muchos polímeros pueden ser colados en
moldes donde solidifican. Los moldes pueden ser placas de vidrio cuando se
desea producir láminas gruesas de termoplástico o bandas móviles de acero
inoxidable para la colada continua de láminas más delgadas.
Discusión
¿Por qué utilizamos plásticos?
Entre las bondades de los plásticos
destacamos que se trata de materiales livianos, con variadas propiedades
mecánicas, no son frágiles, pueden obtenerse con muy buena calidad óptica
(transparentes) y se los puede moldear en piezas complejas con buena
terminación
Mediante procesos industriales que no
requieren temperaturas muy altas (en general del orden de 200 °C). Como
contrapartida estos materiales son derivados de los hidrocarburos, que son
recursos naturales no renovables, y además no son biodegradables, esto es, los
productos no son asimilados por la naturaleza sino que permanecen en el agua o
los suelos generando la denominada contaminación blanca.
Los polímeros son de gran ayuda para el
ser humano en diferentes aspectos de la vidalos podemos encontrar desde un vaso
hasta en un dispositivo electromecánico. Por poner un ejemplo el teflón se utiliza como en aislante
térmico y eléctrico en la diferente industria, también podía mencionar un vaso
plástico, utensilios de cocina ycarcasa de dispositivos electrónicos entro
otros usos que se le podrían dar a los polímeros, hoy en día existe maquinas
que su estructura está compuesta de un 90%
de polímeros. Pero así como existen aspectos positivos también tenemos
aspectos negativos. La botella plástica. Fundas y otros objetos que están
compuestos de polímeros que no son degradable son potencialmente nocivos para
el medio ambiente, y Lamentablemente la falta de cultura y el poco control de
las respectivas autoridades han
permitido que en el pasado se genere la
contaminación del medio ambiente debido a los desechos de diferentes plásticos.
Aunque hoy en día sabemos que ya en
nuestro país y en todo el mundo existen campañas de reciclaje y se está ejerciendo
con más de rigor las leyes que protegen al medio ambiente
Conclusiones
y recomendaciones
Debido a los diferentes puntos negativos
de los derivados de los polímeros existe una acertada política: las 5 R:
Reemplazar, Reducir, Reutilizar, Reciclar y Recuperar los materiales de los
residuos que se generan.
Reemplazarproductos descartables por
aquellos que admiten múltiples usos, priorizar los productos que tengan menor volumen
de empaque o se expendan en envases retornables, reutilizaro reasignar nuevas
aplicaciones a productos en desuso son tareas que deberían convertirse en una
sana costumbre.
Reducir la producción de residuos
requiere la aplicación de políticas educativas y medidas socio-económicas que
ayuden a la concientización de cuánto podemos hacer cada uno de nosotros para
reducir el volumen de los residuos que producimos.
El reciclado, por su parte, no es sólo
un medio para reducir el volumen de los residuos que se disponen en los
rellenos sanitarios sino que debe verse fundamentalmente como una forma de
ahorrar recursos naturales y energía. En efecto, al reciclar vidrio se ahorra
al más de 25% de la energía necesaria para producirlo, al utilizar aluminio
reciclado se ahorran 5 t de bauxita (mineral del cual se extrae el aluminio
metálico) y un 95% de la energía empleada a partir de la producción del mineral
primario
Bibliografía
http://www.tierra.org/spip/IMG/pdf/AdT_reciclaje-Aluminio-2.pdf
http://www.taller.org.ar/Eco_educacion/CartillaResiduosEscuelas.pdf
