Polimeros

INTRODUCCION.

¿Qué son los polímeros?

Los polímeros son muy grandes sumas de moléculas, con masas moleculares que puede alcanzar incluso los millones de UMAs que se obtienen por la repeticiones de una o más unidades simples llamadas “monómeros” unidas entre sí mediante enlaces covalentes. Estos forman largas cadenas que se unen entre sí por fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno o interacciones hidrofóbicas.

El desarrollo de los polímeros fue inducido a través de las modificaciones de estos con el fin de mejorar sus propiedades físicas en pro del auge de las aplicaciones de los mismos. En 1839, Charles Goodyear modifico el hule a través del calentamiento con azufre (vulcanización), ya que este por lo general era frágil en temperaturas bajas y pegajoso a altas temperaturas.

Mediante la vulcanización el hule se convirtió en una sustancia resistente a un amplio margen de temperaturas. Otro acontecimiento que contribuyo al desarrollo continuo de los polímeros fue la modificación de la celulosa que permitió el surgimiento de las fibras sintéticas llamadas rayones. Posteriormente Leo Baekeland instauro el primer polímero totalmente sintético al que llamo baquelita; este se caracterizó por ser un material muy duradero y por provenir de otros materiales de bajo costo como el fenol y el formaldehido. Este compuesto llegó a tener gran éxito durante cierto tiempo. Sin embargo independientemente de los avances aplicativos de los polímeros, no se tenía mucha información en cuanto a la estructura de estos.

En el transcurso de la década de 1920, Herman Staudinger fue el primero en instituir que los polímeros eran compuestos de gran peso molecular que se encontraban unidos mediante la formación de enlaces covalentes. Tal idea fue apoyada años más tarde por Wallace Carothers, de DuPont, los cuales llegaron a establecer concepciones similares. Estos conceptos dieron paso al desarrollo de la química de los polímeros tanto sintéticos como naturales.

Los polímeros naturales, por ejemplo la lana, la seda, la celulosa, etc., se han empleado profusamente y han tenido mucha importancia a lo largo de la historia. Sin embargo, hasta finales del siglo XIX no aparecieron los primeros polímeros sintéticos, como por ejemplo el celuloide.

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 el año 1846 por el químico Christian Friedrich Schönbein y en 1868, John W. Hyatt sintetizó el celuloide a partir de nitrato de celulosa.

El primer polímero totalmente sintético se obtuvo en 1907,3 cuando el químico belga Leo Hendrik Baekeland fabrica la baquelita a partir de formaldehído y fenol. Otros polímeros importantes se sinterizaron en años siguientes, por ejemplo el poliestireno (PS) en 1911 o el poli (cloruro de vinilo) (PVC) en 1912.

En 1922, el químico alemán Hermann Staudinger comienza a estudiar los polímeros y en 1926 expone su hipótesis de que se trata de largas cadenas de unidades pequeñas unidas por enlaces covalentes. Propuso las fórmulas estructurales del poliestireno y del polioximetileno, tal como las conocemos actualmente, como cadenas moleculares gigantes, formadas por la asociación mediante enlace covalente de ciertos grupos atómicos llamados "unidades estructurales". Este concepto se convirtió en "fundamento" de la química macromolecular sólo a partir de 1930, cuando fue aceptado ampliamente. En 1953 recibió el Premio Nobel de Química por su trabajo.

Wallace Carothers, trabajando en la empresa DuPont desde 1928, desarrolló un gran número de nuevos polímeros: poliésteres, poliamidas, neopreno, etc.

La Segunda Guerra Mundial contribuyó al avance en la investigación de polímeros. Por ejemplo, fue muy importante la sustitución del caucho natural por caucho sintético.

En los años 1950 el alemán Karl Ziegler y el italiano Giulio Natta desarrollaron los catalizadores de Ziegler-Natta y obtuvieron el Premio Nobel de Química en 1963.

Otro Premio Nobel de Química fue concedido por sus estudios de polímeros a Paul J. Flory en 1974.

En la segunda mitad del siglo XX se desarrollaron nuevos métodos de obtención, polímeros y aplicaciones. Por ejemplo, catalizadores metalocénicos, fibras de alta resistencia, polímeros conductores (en 2000 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa recibieron el Premio Nobel de Química por el desarrollo de estos polímeros), estructuras complejas de polímeros, polímeros cristales líquidos, etc.

Polimerización.

La reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización. Según el mecanismo por el cual se produce la reacción de polimerización para dar lugar al polímero, ésta se clasifica como "polimerización por pasos" o como "polimerización en cadena". En cualquier caso, el tamaño de la cadena dependerá de parámetros como la temperatura o el tiempo de reacción, teniendo cada cadena un tamaño distinto y, por tanto, una masa molecular distinta, de ahí que se hable de masa promedio del polímero.

Tipos de polimerización:

Existen dos tipos fundamentales de polimerización:

Polimerización por condensación.

La policondensación o polimerización por condensación, es un proceso de polimerización donde distintas sustancias reaccionan para crear uno o más monómeros, los cuales se unirán entre sí para formar un dímero, que por reacción con otros monómeros o dímeros (o trímeros, o tetrámeros...) dará a lugar el correspondiente polímero. El proceso inicial es muy distinto a la polimerización, donde las sustancias iniciales sirven a su vez como monómeros.1 Para que una policondensación se lleve a cabo satisfactoriamente, los monómeros formados han de tener un nivel de funcionalidad mínimo de 2, de lo contrario la cadena de monómeros en formación dejaría de crecer y no se formaría el polímero. En cada unión de dos monómeros se pierde una molécula pequeña, por ejemplo agua. Debido a esto, la masa molecular del polímero no es necesariamente un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero.

El término policondensación hace referencia al subproducto obtenido al realizar una polimerización por este método, el subproducto obtenido puede ser agua o un alcohol de bajo peso molecular, es decir, una "condensación".

FUNCIONALIDAD.

La funcionalidad hace referencia a los grupos funcionales que se forman en los monómeros, estos grupos funcionales determinarán la capacidad del monómero para reaccionar con otros monómeros.

El nivel de funcionalidad de un monómero es igual al número de grupos funcionales que posea este en su molécula. Es por ello que la elección de las sustancias que darán origen a los monómeros utilizados en la polimerización es de vital importancias para lograr el nivel de funcionalidad mínimo requerido.

Para realizar una policondensación exitosa, se considera que el nivel de funcionalidad mínimo debe de ser 2, es decir, dos grupos funcionales que hagan parte de la molécula del monómero.

Ejemplo: HOOC--R1--NH2 (fórmula general de un aminoácido, de funcionalidad 2)

Si reacciona consigo mismo, entonces:

2 HOOC--R1--NH2 <----> HOOC--R1--NH• + •OC--R1--NH2 + H2O <----> HOOC--R1-NH--CO--R1--NH2 + H2O

Funcionalidad

0 Si la funcionalidad de los monómeros es cero (Ningún grupo funcional hace parte de las moléculas de los monómeros), estos no tendrán la capacidad o será demasiado difícil que reaccionen entre sí.

1 Los monómeros de funcionalidad 1 reaccionarán con otros monómeros, pero inmediatamente después pierden su funcionalidad, debido a que los monómeros interactúan y se unen por medio de sus grupos funcionales, por lo que una vez el grupo haya reaccionado pierde la capacidad de volverlo a hacer, y por lo que solo hay un solo grupo funcional en la molécula del monómero, este ya no puede volver a reaccionar con otro monómero o dímero.

2 Los monómeros con funcionalidad 2 son capaces de reaccionar dos veces con otros monómeros, los cual los hace grandes candidatos para la polimerización, debido a que cuando reaccionan por primera vez aún mantienen un segundo grupo funcional capaz de reaccionar de nuevo. Esto permite que la cadena pueda seguir aumentando su masa molecular indefinidamente.

≥3 Una funcionalidad de 3 o mayor permite a los monómeros crecer en distintas direcciones, por lo que pueden crear polímeros muy ramificados, incluso pudiéndose lograr redes macro moleculares tridimensionales.

CARACTERISTICAS.

Industrialmente se tiende a usar sustancias que creen monómeros de funcionalidad 2, cuyos grupos funcionales se encuentran en los extremos opuestos de la molécula o cadena de carbonos, de esta manera se obtienen polímeros muy lineales. Además de la linealidad de los polímeros obtenidos se pueden destacar otras características que diferencian a los polímeros obtenidos por poli condensación de los que se obtienen por adición:1

- El crecimiento molecular es lento, llegándose a necesitar una gran conversión de monómero para obtener grandes pesos moleculares.

- Siempre hay formación de subproductos de bajo peso molecular.

- Es un proceso endotérmico.

CLASIFICACION

Los polímeros de condensación se dividen en dos grupos:

• Homopolímeros.

Polietilenglicol

Siliconas

• Copolímeros.

Baquelitas.

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