Fundamentos de los Polímeros: Estructura, Clasificación y Propiedades Clave

Definición de Polímeros y Monómeros

Los polímeros son macromoléculas formadas por unidades más pequeñas llamadas monómeros (iguales o distintos). Estas unidades se unen entre sí por enlaces covalentes para formar un polímero, proceso conocido como polimerización.

Las propiedades clave asociadas a los polímeros incluyen: elasticidad, dureza, flexibilidad y resistencia.

Clasificación de los Polímeros

Según su Origen

Naturales: Forman parte de los seres vivos (ejemplos: seda, ADN).
Semisintéticos: Formados a partir de polímeros naturales mediante modificaciones químicas (ejemplo: caucho vulcanizado).
Sintéticos: Se obtienen de manera industrial o son sintetizados en laboratorio mediante polimerización (ejemplo: polietileno).

Composición Química y Estructura

Composición Química

Inorgánicos: Formados por elementos como P, Si, C, H (ejemplo: silicona).
Orgánicos: Formados principalmente por C y H (ejemplos: plásticos, PVC, polietileno).

Estructura de la Cadena

Lineales: Los monómeros poseen dos centros de propagación (unidireccional o bidireccional).
Ramificados: Poseen más de dos centros de propagación, formando estructuras tridimensionales.
Entrecruzados: Formados por dos o más cadenas lineales unidas entre sí.

Composición de la Cadena (Homopolímeros y Copolímeros)

Homopolímero: Proviene de un solo tipo de monómero (ejemplo: M-M-M-M-M-M)n.
Copolímero: Constituido por dos o más tipos de monómeros distintos (ejemplo: -M-C-C-M-C-C-M)n.

Tipos de Copolímeros según el Ordenamiento de Monómeros

Alternado: Las unidades de ambos monómeros están alternadas (A-B-A-B-A-B).
En Bloques: Bloques alternados de ambos tipos de monómeros (A-A-B-B-A-A-B-B).
Injertados: Formados por una cadena vertebral de un tipo de monómero, a la cual se injertan ramificaciones construidas por otra clase de monómero.
Aleatorio: No existe un orden establecido en la secuencia de monómeros.

Propiedades de los Polímeros Sintéticos

Propiedades Generales

Bajo costo de producción.
Alta relación resistencia mecánica/densidad: Permite reemplazar algunos metales en diversas aplicaciones, como en mecanismos y piezas de automóviles.
Alta resistencia al ataque químico y a la corrosión: Permite su uso en el almacenaje de ácidos y bases, reemplazando envases de vidrio.
Constante dieléctrica elevada: Posibilita su uso como elementos aislantes térmicos y eléctricos, reemplazando materiales cerámicos y compitiendo con ellos a bajas temperaturas (menos de 200 ºC) debido a su bajo precio.

Propiedades Mecánicas

Resistencia: Son resistentes a la compresión y al estiramiento (ejemplo: policarbonatos usados en techos de terrazas e invernaderos).
Dureza: Capacidad de oposición que presentan los polímeros a romperse (ejemplo: polietileno).
Elongación: Cambio de forma que experimenta un polímero al someterse a tensión externa (capacidad de estirarse sin romperse). Los elastómeros, como el polibutadieno, pueden estirarse hasta 1.000 veces su tamaño original y recuperar su longitud base.

Propiedades Físicas

Fibras: Hebras ordenadas en una dirección determinada, formadas por hilos muy resistentes debido a las intensas fuerzas intermoleculares entre las cadenas poliméricas. Se caracterizan por un alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad.
Elastómeros: Polímeros con cadenas de orientación irregular. Al estirarse, se extienden en el sentido de la fuerza aplicada. Poseen fuerzas intermoleculares débiles, lo que les permite recuperar su forma original.
Plásticos: Polímeros con propiedades intermedias entre las fibras y los elastómeros. No presentan un punto de fusión fijo, lo que les permite ser moldeados y adaptados a diferentes formas, ya que a ciertas temperaturas poseen elasticidad y flexibilidad.

Propiedades Térmicas

Termoplásticos: Sus cadenas (lineales o ramificadas) no están unidas. A temperatura ambiente son rígidos, pero al aumentar la temperatura, las fuerzas intermoleculares se debilitan, reblandeciéndose. Pueden ser reprocesados.
Termoestables: Sus cadenas están interconectadas por entrecruzamientos permanentes, generalmente inducidos por calor. Estos entrecruzamientos impiden el desplazamiento relativo de las moléculas, dándoles una forma permanente. Son materiales rígidos, frágiles y con resistencia térmica. No pueden volver a procesarse ni a su forma original.

Mecanismos de Polimerización

Polimerización por Adición

Consiste en la producción del polímero por la repetición exacta (adición) del monómero original, sin que se origine ningún subproducto.

Etapas de la Polimerización por Adición

Iniciación: Proceso en el que participa como reactivo la molécula denominada “iniciador”.
Propagación: La cadena comienza a alargarse por la repetición del monómero.
Terminación: Se interrumpe la propagación, extinguiendo el proceso de crecimiento de la cadena y obteniendo el polímero final.

La polimerización comienza cuando el iniciador se adiciona a un doble enlace carbono-carbono de un sustrato insaturado, formando un intermediario reactivo. Este intermediario reacciona con una segunda molécula del monómero, y así sucesivamente, hasta que la cadena polimérica deja de crecer.

Este proceso se logra por distintos mecanismos: Catiónica, Aniónica o por Radicales Libres.

Polimerización por Condensación

Se forman por un mecanismo de reacción en etapas. El polímero se genera a partir de unidades monoméricas que intervienen, principalmente diácidos carboxílicos, diaminas y dialcoholes. En este proceso, se libera una molécula de bajo peso molecular (generalmente agua).

Polímeros Naturales (Biopolímeros)

La mayor parte de las moléculas orgánicas están formadas principalmente por carbono. Las macromoléculas de la materia viva se estructuran a partir de precursores que generan monómeros, los cuales se unen entre sí formando largas cadenas conocidas como polímeros naturales o biopolímeros.

De acuerdo al tipo de monómero que los origina, las macromoléculas que constituyen la materia viva se agrupan en tres grandes categorías, cada una con un rol biológico específico:

Proteínas: Presentes, por ejemplo, en carnes o huevos.
Ácidos Nucleicos: Se encuentran al interior de cada célula (ADN, ARN).
Carbohidratos o Glúcidos: Presentes, por ejemplo, en productos elaborados con harina y cereales.

Ejemplos y Aplicaciones de Polímeros Específicos

SILICONA: Compuesto inorgánico, polímero de origen sintético. Se forma por polimerización por adición y condensación.
POLICARBONATO: Polímero sintético de origen orgánico. Se forma por polimerización por condensación. Es reciclable. (Aplicaciones: cascos de construcción, CD, bidones de agua).
POLIPROPILENO: Polímero de origen orgánico (sintético). Su monómero es el propileno. Se forma por polimerización por adición. Es reciclable. (Aplicaciones: bolsas, sacos, utensilios domésticos).
NAILON (NYLON): Polímero sintético orgánico. Se forma por polimerización por condensación. No es reciclable. (Aplicaciones: cierres, hilo de pesca, cuerdas de guitarra).
POLIETILENO TEREFTALATO (PET): Polímero de origen orgánico. Se forma por polimerización por adición. Es reciclable. (Aplicaciones: envases, CD).
CAUCHO: Existe en forma natural y sintética. Su monómero es el isopreno. (Aplicaciones: neumáticos, impermeables).
PROTEÍNAS: Polímero natural. Su monómero son los aminoácidos. Se forma por polimerización por condensación. Es biodegradable/reciclable biológicamente. (Fuentes: huevos, carne).