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Capítulo 1
Materiales poliméricos y aditivos
1. Introducción

Este manual presenta las transformaciones de los materiales termoplásticos. En su contenido se estudian las características químicas de los materiales poliméricos, los métodos de transformación de los termoplásticos, y las normas y equipos utilizados para su control de calidad.

En este primer capítulo se indican los materiales poliméricos y sus aditivos, y se analizan todas las fases desde su composición química hasta los procesos de transformación que se llevan a cabo industrialmente durante su manipulado, lo que incluye el empleo de esos aditivos, pasando por la descripción de sus propiedades y su relación con la estructura del polímero, y en especial, cómo les afecta la temperatura.

Se hará especial hincapié en los polímeros artificiales, ya sean sintéticos o semisintéticos, es decir, aquellos que son desarrollados y manipulados por el hombre y que aparecieron a finales del siglo XIX. No obstante, existe un gran número de polímeros de origen natural, como pueden ser la seda o la lana, que se han empleado de forma extensa y que han tenido una gran importancia a lo largo de la historia gracias a sus numerosas aplicaciones.

Los polímeros semisintéticos se obtuvieron por transformación de los polímeros naturales. La primera vez fue en 1839 cuando Charles Goodyear llevó a cabo el vulcanizado del caucho.

En cuanto a los sintéticos, la primera experiencia se obtuvo en 1909 cuando el químico belga Leo Hendrik Baekeland preparó la baquelita. A partir de este momento aparecieron otros muchos de importancia, como el poliestireno (PS) en 1911 o el policloruro de vinilo (PVC) en 1912.

2. Materiales poliméricos como grandes cadenas moleculares

Los polímeros son moléculas que se forman por unión de otras más simples denominadas monómeros. Con el nombre de monómero se designan a las unidades que se enlazan repetidamente entre sí. La unión de muchos monómeros proporciona la gran cadena molecular que forma el polímero.

Cuando los monómeros son iguales el polímero se denomina homopolímero y si son diferentes copolímeros o heteropolímeros.

Definición

Molécula Es la parte más pequeña de un material y está formada por átomos.

Enlace Se llama así a la unión que hay entre átomos.

2.1. Nomenclatura

La nomenclatura de los materiales poliméricos se rige por las normas dadas por la asociación internacional IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) para cadenas moleculares. Para su nomenclatura se indica que los polímeros se deben nombrar con el prefijo poli- seguido de la unidad estructural repetitiva que define al polímero escrito entre paréntesis. Este paréntesis a veces se omite para facilitar la escritura o porque el nombre del material se trata como nombre propio al tener el producto un uso cotidiano y tradicional.

También es importante indicar que la nomenclatura del polímero puede llevar a confusión en cuanto a su composición química, ya que el nombre del polímero hace alusión al producto a partir del cual se prepara, teniendo una naturaleza química diferente a la del material polimérico sintetizado. Por ejemplo, el nombre polietileno indica que es un polímero que se sintetiza a partir del etileno, sin embargo, esta molécula ya no está presente como tal en la composición química del polímero: el monómero pierde su identidad al polimerizar.

Actividades

1. Identificar algunos nombres comunes de polímeros.

2. Señalar qué son los polímeros semisintéticos.

3. Buscar información sobre el primer polímero sintético preparado.

2.2. Cadenas moleculares

El concepto de polímero como cadena molecular grande fue introducido en 1926 por H. Staudinger cuando expuso la hipótesis de que se trataba de cadenas largas de unidades pequeñas unidas por enlaces químicos. Propuso las fórmulas del poliestireno (PS) y del polioximetileno (POM) tal como se conocen actualmente: cadenas moleculares gigantes formadas por la asociación mediante enlaces entre ciertos grupos atómicos llamados unidades estructurales.

Así, los polímeros están constituidos por miles y miles de moléculas iguales, repetidas y enlazadas (los monómeros) que en ocasiones dan lugar a una estructura entrecruzada o en tres dimensiones.

Las propiedades de los polímeros dependen de su estructura molecular y naturaleza química. Por ello es importante conocer la estructura de la cadena molecular que tiene el polímero. Se pueden encontrar distintas estructuras de esta cadena, la cual depende a su vez de la forma de unirse de los monómeros.

Actividades

4. Señalar a quién se debe el conocimiento de la estructura de la cadena molecular del polímero.

Cadenas con enlaces simples

En todos ellos la cadena molecular se mantiene unida por enlaces sencillos entre dos átomos de carbono. Entre estos se encuentran los más simples de todos los polímeros: el polietileno y el polipropileno, siendo los de mayor producción mundial.

A veces la cadena molecular también puede contener en su estructura uniones más complejas entre los átomos de carbono, aunque el enlace formado en la polimerización sea un enlace simple. Entre estos se encuentran los derivados naturales o sintéticos del caucho o los derivados del acetileno o del tiofeno.

Los polímeros que en su estructura presentan enlaces dobles pueden ser conductores de la electricidad, sobre todo si los dobles enlaces se encuentran alternados. A esta cualidad se le suman propiedades ópticas y de transmisión de la luz, como es el caso del poli(tiofeno).

Cadenas con enlaces éster

Los poliésteres presentan una cadena molecular en la que los monómeros se encuentran unidos por enlaces tipo éster. Como ejemplo se puede citar el dacrón o poli(etiléntereftalato) (PET).

Definición

Dacrón Polímero que forma fibras y tiene diversas aplicaciones textiles.

Otro poliéster de importancia es el ácido poli(láctico). En este caso la preparación se lleva a cabo por polimerización a partir de un derivado del ácido láctico que es ácido de la leche, la lactida.

Otros poliésteres de importancia aplicada son la poli(caprolactona) (PCL), el ácido poli(glicólico) (PGA) o el poli(tereftalato de butilo) (PBT).

Cadenas con enlaces éter

Los poliéteres se caracterizan por tener en su cadena estructural enlaces tipo éter.

Ejemplo

Un ejemplo de cadena con enlaces éter es el óxido de poli(etileno) (PEO) que es el derivado polimérico del poli(etilenglicol) (PEG). Se denomina así cuando la longitud de la cadena de poliéter es media o alta.

Las aplicaciones de los poli(etilénglicoles) son numerosas en medicina y en cosmética al ser materiales biocompatibles, es decir, que pueden ser empleados en los seres vivos.

Cadenas con enlaces amida

Las poliamidas constituyen un grupo de polímeros en los que los monómeros de la cadena molecular se encuentran unidos por enlaces tipo amida. En la formación de esta unión se pierde una molécula de agua. Al igual que los casos anteriores existe un gran número de poliamidas con aplicaciones industriales, como por ejemplo el Nylon-6,6.

Nota

El nylon es una poliamida utilizada en confección de prendas de vestir.

Cadenas con enlaces carbonato o uretano

Los policarbonatos y poliuretanos son un grupo de polímeros en los que los monómeros de la cadena molecular se mantienen unidos por enlaces tipo carbonato o tipo uretano.

Ejemplo

Dos materiales poliméricos típicos con cadenas de carbonato o uretano son el lexan y el poliuretano, respectivamente.

El poliuretano es el ejemplo que da nombre al grupo de polímeros con este tipo de cadena. Los poliuretanos son espumas plásticas que se utilizan como aislantes térmicos.

Actividades

5. Realizar una clasificación de polímeros según los enlaces.

6. Señalar cuál es el principal polímero tipo amida.

Otras cadenas moleculares

La cadena base de polímero también puede estar formada por otros átomos diferentes al carbono, como el silicio (siliconas), boro o aluminio. Estos son los polímeros con cadenas moleculares de naturaleza inorgánica.

Sabía que...

La cadena polimérica es una molécula muy grande formada principalmente por átomos de carbono, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno, y en casos determinados, azufre o selenio.

Aunque los polímeros de naturaleza orgánica son más numerosos, estos presentan ciertas limitaciones funcionales, como por ejemplo, el deterioro a la intemperie, la sensibilidad al calentamiento por encima de los 150-200 ºC, la solubilidad en disolventes orgánicos o la sensibilidad a la radiación. La mayoría de estas limitaciones no las tienen los polímeros cuyo esqueleto no está basado en el carbono.

Entre estos polímeros se encuentran:

1 Las siliconas son polímeros inorgánicos que se mantienen elásticas entre los -60 y 252 ºC.

2 El poli(diclorofosfágeno), a veces denominado caucho inorgánico, es similar al anterior en cuanto a sus propiedades físicas. Se trata de un material elástico que solo se endurece por debajo de los -63 ºC. Tiene el inconveniente de que se descompone por acción del agua. El principal problema de estos compuestos, igual que de las siliconas, es su tendencia a la descomposición por encima de 200 ºC, lo que limita sus aplicaciones.

3 Otro tipo de polímeros muy resistentes al calor son los poli(anhídridos). Su resistencia a la hidrólisis depende mucho de los elementos constituyentes. Aquellos que incorporan silicio, aluminio, titanio o estaño son útiles como resinas, con gran dureza superficial y estabilidad térmica.

4 El boro es otro elemento que aparece en una amplia gama de polímeros. Son estables térmicamente, cristalinos e insolubles en disolventes orgánicos, aunque sensibles al agua. Se usan como lubricantes y como combustibles.

5 Los carboranos son polímeros con aplicaciones en aeronáutica. Plastificados dan gomas y aceites.

2.3. Uniones entre cadenas moleculares

Hasta ahora se ha tratado de polímeros en los que la cadena molecular, ya sea de naturaleza orgánica o inorgánica, es lineal sin presentar ramificaciones (como el hilo de una bobina). Sin embargo, es frecuente que la cadena polimérica muestre ramificaciones y entrecruzamientos. Desde el punto de vista químico esto no representa un cambio necesariamente, pero sí lo es desde el punto de vista de las propiedades, que varían en gran medida, ya que la estructura química de la cadena pasa de estar extendida en una dimensión a estarlo en dos o tres. Se tiene por tanto polímeros lineales, ramificados, entrecruzados y reticulares.

En los polímeros ramificados las ramas forman parte de la cadena molecular principal (su aspecto se podría comparar a la rama de un árbol). La presencia de estas ramificaciones hace que el empaquetamiento de las cadenas moleculares disminuya, y por ello suelen ser polímeros de una menor densidad que los homólogos lineales. Un buen consejo para su estudio es relacionar la imagen con el nombre.

Definición

Densidad La densidad (d) es la relación que hay entre la masa (m) y el volumen (v) de un material: d=m/v.

En un polímero entrecruzado las cadenas lineales están conectadas entre sí por enlaces químicos. El entrecruzamiento se puede generar por calentamiento y/o adición de otros átomos o moléculas una vez preparado el polímero. El calentamiento debe llevarse a cabo a elevada temperatura, siendo el proceso irreversible, es decir, que no se puede deshacer. La distancia entre nodos (uniones entre cadenas) es determinante también de las propiedades del polímero. El aspecto que tendría un polímero como este es el de, por ejemplo, una red de pescar.

Definición

Nodo Punto de la cadena molecular donde se produce la unión química con otra cadena.

En el caso en el que el entrecruzamiento se produzca durante el proceso de preparación del polímero y con monómeros que puedan conectarse por diversos sitios, se obtendrá un polímero con estructura reticular, es decir, en las tres dimensiones del espacio (el aspecto sería el de una esponja). Estos materiales presentan propiedades térmicas y mecánicas muy características, y dentro de este grupo se encuentran los derivados de fenol y formaldehído (baquelitas) y las resinas epoxi.

Actividades

7. Identificar qué tipos de polímeros existen según su estructura.

8. Enumerar tres tipos de polímeros no orgánicos.

La baquelita constituye un ejemplo ilustrativo de un polímero en tres dimensiones, que además, como se ha mencionado, fue el primer polímero desarrollado de origen exclusivamente sintético. A veces se denomina fenoplasto. Sus propiedades dependen de la proporción añadida de formaldehido y fenol. Si abunda el fenol, el material obtenido es soluble en disolventes orgánicos (como el cloroformo o el tolueno) y se utiliza en la preparación de barnices y lacas. Si abunda el aldehído, se forman redes tridimensionales muy insolubles.

Otro ejemplo de polímero con estructura reticular se encuentra en las resinas epoxi. Este material es termoestable y endurece completamente con aditivos. Presenta aplicaciones numerosas como pegamento, en la manufactura de pinturas e incluso en la industria electrónica, en la que se emplean resinas epoxi en el recubrimiento aislante y protección de circuitos.

Cabe destacar que aunque la cadena molecular larga que forma el polímero puede tener distintas estructuras en el espacio, el plano o linealmente, en muchos casos el mismo material polimérico presenta, en distintos porcentajes, mezclas de estas estructuras.

Asimismo, es importante indicar que hay una relación directa entre las estructuras poliméricas y la principal clasificación de los polímeros en termoplásticos, termoestables y elastómeros. Los termoplásticos presentan una estructura lineal mayoritaria, los termoestables conforman la reticular y los elastómeros la entrecruzada.

Aplicación práctica

Antonio trabaja para una empresa química, pero cada vez que prepara el polímero lineal para el mango de las sartenes, este se descompone por los disolventes. ¿Por qué ocurre esto? ¿Qué tipo de polímero puede utilizar para evitar este incidente?

SOLUCIÓN

Ocurre porque el polímero lineal suele ser soluble en disolventes causando su descomposición.

Se solucionará preparando un polímero reticular como la baquelita.

2.4. Forma de la cadena molecular

Como se ha visto a lo largo de este apartado, los polímeros están constituidos por cadenas moleculares largas cuya estructura y características químicas determinan sus propiedades y aplicaciones. En estas cadenas es determinante el tipo de enlace que se forma, ya que condiciona los métodos de polimerización y preparación.

También es importante la forma que tiene la cadena y los aditivos que se añaden, porque ambos son determinantes de las propiedades del polímero.

La forma que tiene la cadena es fundamental, por ejemplo, en el caso del caucho natural o poli(isopreno) que está formado por una cadena rígida. Esta cadena presenta dos formas posibles, una de ellas en la que la cadena se pliega sobre sí misma (denominada Z) y otra en la que no ocurre esto (denominada E). Ambas formas tienen diferentes propiedades. (E)-Poliisopreno presenta una estructura cristalina en la que las diferentes cadenas encajan unas en otras manteniéndose unidas, mientras que (Z)-poliisopreno tiene una estructura amorfa, ya que el empaquetamiento de las cadenas es peor.

A veces la forma de la cadena se puede modificar sin romper y formar nuevos enlaces. En este caso la forma que adopta la cadena molecular puede alterarse por medios físicos como la temperatura o el esfuerzo mecánico. Esto es posible porque los enlace simples que unen a los átomos de carbono pueden girar, como el eje que permite el giro de las dos ruedas del coche, y la cadena no es rígida.

Sabía que...

La forma que adopta una molécula depende de su energía, adquiriendo aquella en la que la molécula presenta el menor nivel energético, siendo por tanto, más estable.

La forma de la cadena molecular se puede alterar aumentando la temperatura. Al aumentarla los átomos de carbono tienen más energía disponible para cambiar su posición relativa frente a otros, es decir, cambiar la forma de la cadena.

Al calentar, el polímero se funde o aumenta su plasticidad, sus moléculas se mueven cambiando su posición. Con la disminución de la temperatura, las cadenas moleculares vuelven a interaccionar adquiriendo de nuevo formas estables que pueden ser diferentes a las iniciales.

En el proceso de enfriamiento, el polímero puede adquirir de forma microscópica un empaquetamiento desordenado que se denomina matriz amorfa, o puede adoptar un empaquetamiento muy ordenado denominado matriz cristalina. En la mayoría de los casos el polímero presenta ambos tipos de matriz, de manera que dispersas en la matriz amorfa se observan nódulos de cristalinidad. Esta proporción indica el grado de cristalinidad.

Definición

Grado de cristalinidad Es la proporción que existe entre material amorfo (desordenado) y cristalino (ordenado).

La velocidad de enfriamiento es determinante en el grado de cristalinidad. Una velocidad lenta consigue elevado grado de cristalinidad, ya que da tiempo a que las moléculas se adapten entre sí y adquieran una posición ordenada. El efecto es el mismo cuando en las últimas etapas de preparación del polímero se lleva a cabo la evaporación lenta del disolvente de preparación.

La aplicación de esfuerzos o tensiones mecánicas también influyen en la orientación de las cadenas moleculares condicionando el grado de cristalinidad. Por ejemplo, si durante el proceso de enfriamiento que se lleva a cabo en la elaboración del plástico el polímero se somete a esfuerzos de cizalla (fuerzas laterales), aparecen microestructuras cristalinas que se orientan en el sentido del flujo, convirtiéndose después en polímeros de naturaleza fibrilar.

Definición

Fuerzas de cizalla Son aquellas que se aplican en dos sentidos opuestos, como al arrastrar un objeto sobre la mesa: la mesa “tira hacia un lado” y el esfuerzo realizado hacia otro.

En las cadenas poliméricas que pueden aparecer distintas formas, el proceso de polimerización conduce a cada una de estas diferentes ordenaciones espaciales. Cuando no hay ordenamiento en la cadena molecular los polímeros se denominan atácticos (con conformaciones absolutas de un modo aleatorio), y cuando hay un alto grado de orden existen dos posibilidades, el polímero isotáctico (con todas las conformaciones idénticas) y el sindiotáctico (con configuraciones alternantes). Los dos últimos polímeros presentan estructuras cristalinas, mientras que el polímero atáctico es un material amorfo, elástico y blando. Esto ocurre, por ejemplo, con el poliestireno.

Actividades

9. Señalar cuáles son los tipos de polímeros que existen según la posición relativa de los grupos sustituyentes laterales.

10. Indicar las características de cada uno de los tipos anteriores.

3. Tipos de materiales poliméricos. Termoplásticos, termoestables y elastómetros. Características principales

Los polímeros se clasifican de muy diversas formas: según su estructura, su origen, su mecanismo de polimerización, su composición química, sus aplicaciones, o sus propiedades mecánicas, químicas, ópticas o eléctricas. A continuación se describen sus características.

3.1. Tipos y clasificacicones

Según la estructura se clasifican en:

1 Polímeros filiformes (como hilo). Estos son polímeros lineales en los que las unidades monoméricas se unen de un modo regular estando la cadena en una única dimensión.

2 Polímeros ramificados (con ramas). Cuando los monómeros tienen más de dos puntos de enlace pueden producirse ramificaciones en la molécula, dando lugar a estructuras bidimensionales.

3 Polímeros entrecruzados (red). Los enlaces entre cadenas poliméricas se conocen como entrecruzamientos. Pueden formarse durante el proceso inicial de polimerización o mediante una reacción posterior de las cadenas poliméricas.

4 Polímeros reticulares. Hace referencia a polímeros que se extienden en redes tridimensionales.

Según el origen se clasifican en:

1 Polímeros naturales. Son los que se encuentran en la naturaleza, como las biomoléculas, el caucho natural, la lana, la seda, la celulosa o la lignina.

2 Polímeros semisintéticos. Se obtienen por transformación de polímeros naturales. Por ejemplo, nitrocelulosa y caucho vulcanizado.

3 Polímeros sintéticos. Los obtenidos industrialmente a partir de los monómeros, como son nylon, poliestireno, policloruro de vinilo o polietileno.

Según mecanismo de preparación se dividen en aquellos que se obtienen siguiendo métodos de crecimiento por etapas o en cadena:

1 Polímeros formados por etapas. En estos cada enlace del polímero se forma independientemente de los demás. Es por ejemplo el caso del Nylon-6,6.

2 Polímeros formados por crecimiento de cadena. En estos es añadido un iniciador que genera un producto reactivo. Este reacciona de nuevo con otro monómero y así sucesivamente. Es el caso, por ejemplo, del polietileno.

Una clasificación que cada día tiene más desarrollo es el agrupamiento en función de sus aplicaciones, que a su vez están relacionadas con su comportamiento mecánico. Cada vez está más extendida porque desde el punto de vista práctico es muy útil. Así se encuentran elastómeros, plásticos, fibras, recubrimientos y adhesivos. Esta clasificación desde el punto de vista químico está muy relacionada con la clasificación según la estructura:

1 Elastómeros. Estos son polímeros con elasticidad baja pero una alta extensibilidad. Son materiales que se deforman bajo fuerzas, pero recuperan su forma inicial cuando cesan. Una de sus propiedades importantes de estos es la resiliencia.Definición: resiliencia. Capacidad de absorber energía en los procesos de contracción y extensión por parte de un polímero.

2 Plásticos. Son materiales poliméricos que se deforman irreversiblemente por acción de una fuerza.

3 Fibras. Las fibras tienen como propiedad característica una alta elasticidad y una baja extensibilidad. Estas son cualidades que permiten tejer materiales con estabilidad bidimensional.

4 Recubrimientos. Son líquidos a temperatura ambiente que presentan una gran adherencia. El tratamiento de superficies con estos polímeros proporciona una gran resistencia a la abrasión.

5 Adhesivos. Presentan fuerzas de cohesión alta, lo que permite unir dos superficies.

Asimismo se clasifican según la naturaleza química de la cadena molecular. Entre ellos se encuentran los polímeros orgánicos vinílicos, como son los poliolefinas, estirénicos y vinílicos halogenados; los polímeros no vinílicos como poliéster, poliamidas, policarbonatos y poliuretanos; y los inorgánicos como polisulfuros, siliconas, etc.

La clasificación más habitual se realiza según su comportamiento térmico. Se agrupan en ella los polímeros termoplásticos y termoestables. Estos se describen a continuación:

1 Termoplásticos. Licúan con el aumento de temperatura y solidifican al bajarla. Suelen ser polímeros lineales. Por ejemplo, polietileno, polipropileno o policloruro de vinilo.

2 Termoestables. Al calentarlos se descomponen. Suelen ser polímeros reticulares.

Por último, los polímeros se pueden clasificar según las propiedades físicas generales en cuatro categorías: termoplásticos (duros a temperatura ambiente pero suaves y viscosos cuando se calientan), fibras (forman hilos como el nylon o dacrón), elastómeros (recuperan la forma original después de tensarlos) y resinas de termosellado (polímeros entrecruzados que al solidificar son duros en insolubles).

Ninguna de estas clasificaciones es definitiva, y por ello la forma más común de asociarlos es en función de sus propiedades físicas agrupadas referidas al comportamiento frente a la temperatura, a los disolventes y características mecánicas. Atendiendo a estas se clasifican en termoplásticos, termoestables y elastómeros.

Actividades

11. Exponer dos ejemplos de polímeros semisintéticos.

12. Señalar cuatro tipos de polímeros no vinílicos.

3.2. Polímeros termoplásticos

La característica que aúna a los polímeros termoplásticos es que cuando se les somete a calentamiento empiezan a reblandecerse y si el calentamiento continúa comienzan a fluir. Sin embargo, cuando la temperatura disminuye vuelven a su estado inicial, convirtiéndose en material viscoso, solidificando y endureciendo finalmente.

Esta característica permite el moldeo por calentamiento a temperaturas entre 80 y 100 ºC, ya que el reblandecimiento permite su introducción en los moldes, el moldeo por doblado o a vacío. Además el proceso puede ser repetido un número indefinido de veces.

El efecto de reblandecimiento también se observa en los polímeros termoplásticos por acción de la presión, ya que con presiones elevadas son susceptibles de fluir, pero por disminución de esa presión adoptan nuevamente su forma original.

Estructuralmente, son plásticos en los que sus moléculas son cadenas largas y lineales, con poco o ningún entrecruzamiento. Es decir, las macromoléculas se encuentran ordenadas o desordenadas, con distinto grado de enmarañamiento o plegamiento sobre sí, pero son independientes unas de las otras.

Al no estar unidas las moléculas entre sí pueden moverse con relativa facilidad, y esto explica la fluidez. Además de no estar unidas, la interacción entre las moléculas es débil y fácilmente desaparece al aumentar la temperatura. También influye en la fluidez los diferentes grados de polimerización de las cadenas que forman el polímero, es decir, su tamaño. En los polímeros con moléculas de masas moleculares elevadas (moléculas grandes) la fluidez alcanzada siempre es menor que con cadenas poliméricas de menor masa molecular.

Por esta razón los materiales termoplásticos no tienen un punto de fusión definido, sino que pasan por distintos grados de dureza y fluidez, desde duro y elástico hasta blando y plástico.

Los polímeros termoplásticos son polares y esto hace que sean solubles en disolventes orgánicos polares (por ejemplo, el alcohol etílico), pero insolubles en los apolares.

Nota

Los disolventes polares disuelven las sustancias polares, como el agua disuelve a la sal.

Los disolventes apolares disuelven los compuestos apolares, como el aceite a la grasa.

Por último, son compuestos amorfos con cristalinidad baja.

A este grupo pertenecen los plásticos comerciales más importantes en la actualidad, como son polietileno, polipropileno, nylon, poliestireno, poli(tetrafluoroetileno) o policloruro de vinilo.

Los polímeros vinílicos se incluyen entre los termoplásticos. Estos polímeros pueden presentar distintos tipos de sustituyentes en las cadenas moleculares, y así se indica en el nombre. El policloruro de vinilo presenta un átomo de cloro, el poli(acrilonitrilo) (PAN) un grupo funcional tipo acrilo, el poli(acetato de vinilo) un grupo acetato (COOCH₃), el alcohol polivinílico un grupo alcohol, o el poliestireno un grupo benceno. En el caso del poli(metacrilato de metilo) tiene grupos metilo y acrilo.

Actividades

13. Indicar cuáles son los plásticos más empleados en la actualidad.

14. Señalar qué característica agrupa y define a los polímeros termoplásticos.

PVC

En el policloruro de vinilo se distinguen dos tipos en función del proceso de preparación: el rígido y el plastificado.

El PVC rígido se produce por polimerización del monómero puro. Es un polímero frágil y con el tiempo pierde resistencia. Este aspecto negativo se soluciona en parte con aditivos durante el proceso de preparación. Las características positivas de este polímero son una elevada resistencia a los agentes químicos, la facilidad de soldadura entre piezas fabricadas con polímero en las que se consigue una resistencia tan elevada como la de la pieza original, y la gran facilidad con la que trabaja en procesos de conformación. El PVC rígido se utiliza en la fabricación de tuberías y envases alimenticios de plástico.

Tubería de PVC. Ejemplo típico de las aplicaciones de este polímero termoplástico.

El PVC plastificado se obtiene por la combinación con aditivos plastificantes durante el proceso de preparación. Los aditivos plastificantes reducen la resistencia mecánica y eléctrica.

Sabía que...

Una de las principales aplicaciones del PVC es para la fabricación de recubrimientos aislantes en electrónica.

Poliestireno

Este polímero es un material transparente, incoloro y frágil, pero resistente a esfuerzos mecánicos. Se reblandece a temperaturas entre 90 y 95 ºC, siendo un líquido viscoso a 140 ºC. Una de sus principales características es su fluidez a esta temperatura que lo hace moldeable por inyección. El polímero se presenta de diversas formas, entre las que destacan el poliestireno expandido y las espumas de poliestireno.

Como ejemplo de poliestirenos se pueden citar las resinas ABS, que son copolímeros de estireno con acrilonitrilo y butadieno (de ahí las siglas), y que tienen aplicaciones en la industria del automóvil, y las resinas ASA, que son también copoliméricas, en este caso derivadas de acrilonitrilo, estireno y acrilato.

Desde el punto de vista químico su resistencia es baja, ya que es atacado por numerosos reactivos y disolventes. Por ejemplo, el oxígeno atmosférico lo oxida, descomponiéndolo en un proceso que es conocido como envejecimiento del poliestireno. Pero por otra parte, absorben bien los colorantes, especialmente los derivados sintéticos, siendo por ello un polímero idóneo para ser impreso y coloreado.

El poliestireno es soluble en éter o benceno cuando la masa molecular de sus cadenas poliméricas es baja (<1.000 uma), mientras que cuando las masas moleculares son altas (del orden de 20.000 uma), aún manteniendo su solubilidad en el benceno, son prácticamente insolubles en éter.

Definición

Uma Abreviatura de Unidad de Masa Atómica. Se utiliza para indicar la masa de una molécula (lo que pesa).

El poliestireno tiene innumerables aplicaciones. Gracias a su facilidad de coloración se emplea en la fabricación de juguetes y envases. El poliestireno expandido se utiliza en la fabricación de embalajes y como aislante térmico y acústico. Las resinas ABS, al ser resistentes al impacto y a la percusión, se emplean en la fabricación de teléfonos, parachoques de coches, carcasas de ordenadores, etc. Las resinas ASA son incluso más resistentes y por ello se utilizan en la fabricación de piezas de automóviles y aviones.

Poli(acrilonitrilo) y derivados

El poli(acrilonitrilo) se emplea en la fabricación de fibras artificiales (fibras acrílicas) para uso textil. El poli(acrilato de metilo) es un material que presenta una alta viscosidad, y por ello su manipulación es difícil. Son resistentes químicamente, y en especial a los agentes atmosféricos, y por esto se utilizan también en la fabricación de elementos para uso a la intemperie (semáforos, ventanas, etc.).

El poli(metacrilato de metilo) tiene como principales características sus buenas propiedades ópticas, la resistencia química y al impacto. Las aplicaciones más importantes son aquellas en las que sustituye al vidrio.

El poli(metacrilato de metilo) es una resina termoplástica, sólida, transparente y de aspecto vítreo. Tiene claridad excepcional, con un 92 a 100% de transmisión de la luz y buenas características ópticas, excelentes propiedades mecánicas y dieléctricas y de resistencia al choque.

Se emplea para hacer planchas de diversos espesores, vidrio artificial de seguridad, cabinas de piloto, cápsulas y campanas protectoras, en medicina, en cirugía, en odontología, en óptica, para fabricar utensilios de laboratorio, etc.

El poli(cianoacrilato de metilo) se emplea en la fabricación de súper pegamentos.

Polietileno y derivados

El polietileno se prepara por polimerización de etileno por un mecanismo de adición. Según las condiciones de polimerización hay dos tipos importantes, el de baja densidad y el de alta densidad.

Sabía que...

Los mecanismos de preparación de polímeros se pueden clasificar en “condensación”, en los que se produce una molécula al enlazarse (suele ser agua) y en “adición”, en los que no se produce.

El polietileno es inerte y, entre todos los polímeros, el de menor coste de producción. Además, sus características varían según su masa molecular. Tiene gran inercia química y es resistente a la corrosión y a los hongos. Posee gran impermeabilidad a líquidos y vapores. Son combustibles, ardiendo con llama poco brillante.

El polímero de etileno es de gran utilidad industrial en la fabricación de envases, bolsas, juguetes o aislantes. Se utiliza en aislamiento de cables, tuberías, protecciones de plantaciones agrícolas, embalajes de productos diversos, piezas para la industria química, protección de superficies metálicas contra corrosión, films y cintas, material para medicina y farmacia y menaje del hogar.

Sabía que...

De entre todos los materiales poliméricos es el polietileno el que tiene una cadena molecular más simple, formada solo por átomos de hidrógeno y carbono.

Actividades

15. Poner un ejemplo de polímero utilizado en pegamentos instantáneos.

16. Explicar qué son y para qué se utilizan las resinas ASA.

Polipropileno y derivados

Es un material termoplástico de baja densidad, siendo además el plástico más ligero de peso. Presenta una elevada transparencia, rigidez y dureza. Es impermeable a los vapores y gases, y se trabaja fácilmente en operaciones mecánicas.

Este polímero es el resultado de la polimerización por adición a partir de propileno. Dependiendo del método utilizado se obtienen polímeros con propiedades diversas, pero es un material más rígido que el polietileno y con una resistencia térmica mayor, sin que se reblandezca con un calentamiento moderado. Por esta propiedad se utiliza en envases que pueden sufrir procesos de calentamiento o cambios de temperatura, por ejemplo, depósitos frigoríficos. Presenta, asimismo, la capacidad de doblarse sin agrietarse y por ello se emplea en la fabricación de embalajes, alfombras plásticas, etc.

Nota

Etileno, propileno y butadieno son materias primas muy frecuentes en la industria de los polímeros y se aíslan del petróleo.

Teflón

Es polímero de tetrafluoroetileno con nombre químico poli(tetrafluoro etileno). Se trata del material plástico más resistente al calor y a los agentes químicos que se conoce, por ello se utiliza en recubrimientos y como aislante. Es un material translúcido e inalterable a la luz solar y agentes atmosféricos, con alta resistencia a la temperatura y grandes propiedades como aislante eléctrico, incluso a altas frecuencias. Debido a que tiene un coeficiente de fricción muy bajo presenta unas propiedades mecánicas inigualables.

Se utiliza en la manufactura de cintas, diafragmas y juntas para válvulas, en estopas y en general para toda clase de juntas resistentes. También se emplea en engranajes y rodillos para la industria textil y en tuberías anticorrosivas para la industria química.

Aplicaciones del teflón: antiadherente y en cintas adhesivas con alta resistencia química.

Poli(etiléntereftalato) o PET

Es un polímero que sirve como fibra textil, en la fabricación de mangueras, lonas impermeables, redes de pesca, cuerdas, envases de bebidas, embalajes, bolsos, aislantes, etc.

Nylon y perlón

Presentan en su estructura átomos de nitrógeno y oxígeno. Estas fibras no se utilizan solo para fabricar tejidos, sino también en aparejos de pesca, correas de transmisión, mangueras, etc.

Microscopio electrónico de fibras poliméricas

Actividades

17. Señalar cuáles son las tres características principales que definen las aplicaciones del teflón.

18. Indicar qué monómeros intervienen en la síntesis del PET.

Acetato de celulosa

Es un material termoplástico que puede ser transparente, traslúcido u opaco. Absorbe humedad fácilmente y posee gran tenacidad y resistencia al choque. Deja pasar la luz ultravioleta, descomponiéndose a la luz solar por exposición prolongada. Tiene buenas cualidades de moldeo.

Se emplea en aislamientos de cables eléctricos y térmicos, en barnices especiales, cabinas de aeroplanos, cintas magnetofónicas, embalajes, gafas de sol y monturas, tuberías, papeles de envolver transparentes, películas fotográficas, vidrios de seguridad, etc.

Caseína

Es una resina termoplástica cuando está algo húmeda y se transforma en termoestable por reacción con un aldehído. Cuando no tiene agua su aspecto es el de polvo de color blanco-amarillento. Estos polvos pueden ser, además, traslúcidos u opacos. La caseína en polvo tiene la desventaja de absorber agua de la humedad del ambiente. Tiene malas cualidades de moldeo, pero posee buenas propiedades mecánicas y de aislante eléctrico para bajas tensiones. Los artículos de caseína son atacados por los alcalinos.

Se emplea en la fabricación de agujas de hacer punto, aislantes eléctricos para bajas tensiones, botones, estilográficas, etc.

Cumarona-indeno

Es una resina termoplástica cuyas características físicas dependen de las condiciones en que se ha efectuado la rectificación y de las condiciones de la reacción. Su estado puede variar de semifluido a sólido quebradizo.

Su coloración es de amarillo claro a marrón y negro.

Tiene gran resistencia a la tracción pero es frágil, lo que limita sus usos. Posee buenas propiedades eléctricas en virtud de su escasa absorción de agua. Se emplea en adhesivos y colas para metales, vidrio, madera, cuero, textiles, etc. También en baldosas para pavimentos, barnices, pinturas, chicle, etc.

Etilcelulosa

Es una resina termoplástica estable al calor y a la luz, puede hilarse y presenta extraordinarias propiedades eléctricas, superiores a las de otros derivados celulósicos.

Se utiliza como adhesivo en los componentes del charol, como endurecedor del papel, en preparados para pulimento de uñas, en tintas de imprenta, etc.

Nitrato de celulosa

Es un material termoplástico que absorbe agua fácilmente, se moldea bien bajo calor y presión y es tenaz y resistente al choque. Es un polímero muy inflamable, por ello tiene aplicaciones como propelente. Mediante la adición de plastificantes disminuye su inflamabilidad y aumenta su manejabilidad. El nitrato de celulosa es un mal conductor de la electricidad y presenta gran resistencia a la tracción y al desgaste.

Sabía que...

El nitrato de celulosa se emplea como explosivo.

Sus aplicaciones más importantes son en algodón, adhesivos, aparatos de precisión, plumas estilográficas, películas fotográficas y cinematográficas, pólvoras de proyección, etc.

Poli(acetato de vinilo)

Producto termoplástico duro y tenaz, cuyas propiedades varían con su masa molecular que oscila entre 5.000 y 100.000 uma. Aunque tiene unas malas cualidades de moldeo, presenta una excelente adhesividad y es estable.

Se emplea en adhesivos en general, embalaje y envolturas alimenticias y recubrimientos anticorrosivos de metales. Cuando se mezcla con cloruro de vinilo se usa para la fabricación de los antiguos discos microsurcos.

Poliamida

Resina de condensación termoplástica de estructura química cristalina, cuyo color es blanco lechoso traslúcido. Este polímero se altera muy poco con los rayos solares y no muestra tendencia al envejecimiento, poseyendo alta resistencia mecánica, térmica y química.

Se usa en la fabricación de textiles en general, pieles artificiales, tapicerías, correas, medias y calcetines, hilos de coser, recubrimientos de tejidos, cueros, etc. También en cojinetes mecánicos y otras piezas de máquina, cierre de botellas y sifones, paracaídas, etc.

Actividades

19. Identificar tres polímeros derivados de celulosa.

20. Señalar cuál de los polímeros estudiados tiene propiedades explosivas.

Policarbonatos

Estos polímeros son materiales termoplásticos transparentes de gran estabilidad, resistencia a las variaciones de temperatura y con excelentes propiedades mecánicas. Se pueden tornear, fresar, taladrar, embutir, pulir, etc.

Se emplean en accesorios de baterías eléctricas y aparatos, accesorios de automóvil, cajas de embalajes, instrumentos mecánicos de precisión, películas fotográficas, etc.

Cristales líquidos

Estos materiales presentan una estructura formada por cadenas largas de derivados aromáticos y elevado grado de cristalinidad, con la particularidad de que no desaparecen completamente ni por fusión ni por disolución.

Son rígidos y resistentes a la tracción, a los activos químicos y muestran una resistencia al desgaste extraordinaria, además de presentar un coeficiente de dilatación bajo. Por estas propiedades se utilizan principalmente en la industria aeronáutica, aeroespacial y electrónica.

Aplicación práctica

Jesús ha encontrado trabajo en una empresa de suministro de plásticos. Se dirige a Madrid para la instalación de diversas estructuras en varios campos de cultivo. Cuando su jefe le indica que recoja las bobinas de material para la instalación de los invernaderos, ¿a qué polímero se refiere su jefe? ¿Por qué? ¿Qué puede aparecer escrito en la etiqueta de la bobina?

SOLUCIÓN

Debe coger las bobinas de polietileno. Porque es un polímero que se puede suministrar en láminas, deja pasar la luz solar y aísla de la pérdida de calor. En la bobina puede aparecer la indicación PE, las siglas de polietileno.

3.3. Polímeros termoestables

Los polímeros termoestables se definen porque no fluyen por calentamiento o por acción de la presión, por el contrario, se descomponen por acción de la temperatura, perdiendo su estructura química de forma irreversible. Este comportamiento se debe a una estructura con muchos entrecruzamientos que impide los desplazamientos relativos de las moléculas. La estructura normalmente llegar a ser reticular.

Recuerde

Un polímero reticular es aquel cuya estructura se encuentra en tres dimensiones.

Esta inestabilidad química frente a la temperatura complica el proceso de manufactura de equipos y piezas con este tipo de polímero, ya que el moldeo con ayuda de la temperatura se puede llevar a cabo de manera efectiva una única vez. La rigidez de la estructura conlleva que el plástico sea resistente pero frágil.

Microscopio electrónico de la estructura tridimensional del polímero termoestable

Sinónimos de este tipo de polímeros incluye términos como duroplástico, plástico termorresistente o plástico termofraguante. Es importante resaltar que el término termoestable puede llevar a confusión, ya que parece aludir a la estabilidad del material al calentamiento, cuando es todo lo contrario.

Esta clase de polímeros es útil cuando se necesita un material rígido que no se deforme en un rango de temperaturas. Entre estos materiales se destaca el polímero epoxi, el de poliéster, el melamínico, el ureico, el poliuretano y el fenólico.

Actividades

21. Enumerar polímeros termoestables.

Epoxi

Son polímeros termoestables de elevada resistencia al agua, a los disolventes, a los ácidos y bases, y a la mayoría de los agentes químicos. Según el grado de entrecruzamiento pueden encontrarse también resinas epoxi que son termoplásticas.

Definición

Grado de entrecruzamiento Indica el número de las conexiones entre las cadenas moleculares poliméricas y el número total de cadenas.

Se puede presentar como un líquido viscoso o en forma sólida, según la masa molecular de sus cadenas, por lo que existen muchos tipos de resinas epoxi. Las sólidas tienen poca adhesividad al soporte, pero esta se puede aumentar con aditivos. Tienen condiciones excepcionales de dureza y flexibilidad, buenas propiedades mecánicas, resistencia química a la humedad y a los agentes atmosféricos.

Se utilizan en el campo de los adhesivos especiales que requieren alta resistencia y estabilidad. Las resinas epoxi se emplean en revestimientos superficiales y en el sellado de juntas de hormigón. Una de sus principales aplicaciones es su adhesividad al metal, madera, vidrio, cerámica, plásticos, etc. También se utiliza en el acabado de muebles, automóviles y aviación, impregnación de material eléctrico, revestimientos anticorrosivos, usos marinos, moldes, troqueles, etc.

Poliéster

Estos polímeros pueden ser materiales termoplásticos o termoestables según su grado de entrecruzamiento. Cuando se preparan con un grado de entrecruzamiento elevado se comportan como materiales infusibles (que no se funden) e insolubles.

Entre sus cualidades cabe indicar que presentan unas buenas características mecánicas e incluso se pueden moldear a baja presión. Tienen un gran poder de absorción y amortiguamiento de vibraciones sonoras y de otras frecuencias. Es buen aislante del calor. Son polímeros transparentes y de índice de refracción elevado. Presentan asimismo una buena resistencia a los agentes químicos.

Los poliésteres se usan en carrocerías de automóviles y motocicletas, accesorios de aviación y radares, en impermeabilización de sótanos y revestimientos en construcción, y en decoración de interiores y exteriores.

Aplicación práctica

Tres semanas más tarde a Jesús le encargan la instalación de varias tuberías del sistema de desagüe de una fábrica de pinturas en la que emplean ácidos y bases fuertes. ¿Qué tipo de tuberías debe elegir? ¿Por qué?

SOLUCIÓN

Debe coger las de teflón. Es el único polímero del que se puede estar seguro de que no se degradará con disolventes y ácido o bases fuertes.

Melaminas

Las melaminas se definen como polímeros termoestables que se obtienen a partir de la melamina. Resisten las altas temperaturas mejor que otros polímeros y también son estables a la luz. Por estas razones se utilizan para la manufactura de objetos que deban ser esterilizados o ser lavados frecuentemente con detergentes en caliente.

Los derivados melanina formaldehído son fáciles de colorear y son transparentes y difíciles de rayar, y por estas características se utilizan en el recubrimiento de superficies de muebles, y de forma muy extendida, de muebles de cocina.

Presentan asimismo excelentes propiedades eléctricas y aislantes. Por ello, su utilización más generalizada es como aislante de componentes eléctricos. Además, también se aplica a la fabricación de estratificados, laminados traslúcidos y opacos.

Ureas

Los polímeros de urea y formaldehído se preparan de forma similar a las melaminas. Son resinas termoestables, de dureza elevada, tenaces, y con gran facilidad de teñido o coloreado. Presentan excelentes cualidades para el moldeo, son infusibles y con buenas propiedades difusoras a la luz.

Se utilizan en aparatos telefónicos, cajas y aparatos de radio, conmutadores e interruptores, laminación, espumas, etc.

Poliuretanos

Son polímeros termoestables que tienen propiedades similares a las de las poliamidas. Pueden presentar distintos grados de flexibilidad o rigidez en función del grado de entrecruzamiento. Los rígidos se pueden aplicar a la fabricación de, por ejemplo, engranajes y cojinetes, mientras que los flexibles, que presentan una alta resistencia a la abrasión, al envejecimiento, al calor y a los disolventes orgánicos, se utilizan en la fabricación de neumáticos.

Los poliuretanos se aplican a la preparación de espumas flexibles y rígidas, en aislamientos eléctricos y aislamientos de sonido para submarinos y del calor para tanques, en adhesivos, barnices, caucho sintético, industrias de pieles y cuero artificial, materiales de construcción, telas de paracaídas, etc.

Fenólicos

Las resinas fenólicas se obtienen por reacción de formaldehído con fenol, y entre ellas se encuentra la baquelita. Se denominan también fenoplastos. Las resinas fenólicas son materiales termoestables y químicamente inertes. Sin embargo, amarillean con la luz del sol. Presentan asimismo gran resistencia mecánica, son muy duros, y gracias a esto, se pueden moldear con gran precisión.

Se emplean en laminados de gran resistencia, en engranajes y otras piezas mecánicas, aislantes eléctricos, tableros de decoración, impregnación de maderas, aparatos telefónicos, ventiladores, etc.

Actividades

22. Explicar qué es un fenoplasto.

23. Explicar qué es una melamina.

3.4. Polímeros elastómeros

Los elastómeros presentan como característica principal la capacidad de ser estirados a temperatura ambiente hasta, al menos, el doble de su longitud original, y recuperan su tamaño inicial una vez que cesa la fuerza de extensión. Son elásticos en un margen muy amplio de fuerzas, debiendo ser esta muy elevada para que pierdan esa propiedad.

Son polímeros entrecruzados, pero la distancia entre nodos es grande, lo que permite la elasticidad. Por ello, la elasticidad de estos polímeros está ligada no a la composición química, sino a la estructura que adopta el polímero.

Las cadenas del polímero se encuentran plegadas sobre sí (figura anterior, izquierda). Cuando actúa una fuerza se estiran las cadenas sin que se rompan las conexiones entre ellas (figura anterior, derecha). Y vuelven a la posición inicial cuando cesa la fuerza.

Los principales son los cauchos, ya sean naturales o artificiales.

Caucho

El caucho es un polímero natural formado por entre 100.000 a 1.000.000 monómeros de isopreno. El caucho natural mana de varias plantas como una emulsión lechosa (conocida como látex). También puede ser producido sintéticamente.

La principal fuente comercial del látex son las euforbiáceas, del género Hevea, como Hevea brasilensis, natural de Brasil.

Sabía que...

Hevea brasilensis es originaria de Brasil, pero se cultiva también en África e India.

La corteza de estos árboles se secciona para obtener su savia, el látex, compuesta en un 65% de agua y un 35% de caucho, aproximadamente. Otras plantas extendidas en Europa, y en España en particular, que contienen el látex son el ficus, Euphorkingdom heartsbias, y el diente de león común.

Se obtiene caucho de otras especies como Urceola elástica de Asia y la Funtamia elástica de África occidental.

Proceso de extracción del látex de la fuente natural

El látex aislado se coagula en medio ácido, se prensa para extraer el agua y el producto coagulado se lamina y se deseca. Durante la presión de laminado el caucho se hidroliza parcialmente, disminuyendo la masa molecular media de la fibra de poli(isopreno). En este momento se puede mezclar con determinados aditivos.

Actualmente se fabrican miles de artículos de caucho para usos muy diferentes. El caucho es muy utilizado en la fabricación de neumáticos, llantas, artículos impermeables y aislantes por sus excelentes propiedades de elasticidad y resistencia ante los ácidos y las sustancias alcalinas. Es repelente al agua, aislante de la temperatura y de la electricidad. Se disuelve con facilidad en derivados del petróleo, benceno e hidrocarburos.

El caucho natural suele vulcanizarse. En este proceso el caucho se calienta y se le añade azufre o selenio, logrando el enlazamiento de las cadenas elastómeras. Esto mejora su resistencia a las variaciones de temperatura y elasticidad.

Caucho artificial

En los años de la Segunda Guerra Mundial la incertidumbre en el suministro y la subida en los precios del caucho natural provocó el desarrollo de elastómeros artificiales que lo sustituyeron parcialmente en las aplicaciones industriales. El caucho artificial principal es el polímero de butadieno (compuesto químico similar al butano y que se saca del petróleo). Se obtiene utilizando catalizadores y puede vulcanizarse igual que el caucho natural. El proceso de vulcanización consiste en unir las cadenas de poli(isopreno) con átomos de azufre.

Recuerde

Charles Goodyear descubrió el vulcanizado de caucho en 1839.

El proceso se descubrió accidentalmente al mezclar caucho natural en una estufa caliente con azufre. El caucho natural se convirtió en un material resistente y elástico, que además soportaba temperaturas relativamente altas sin ablandarse.

No obstante, estas propiedades se pueden modular. El caucho bajo en azufre, preparado entre el 1 y 3% de azufre, es blando y elástico y es bueno para ligas, colchones y cámaras de aire. El caucho medio en azufre, entre el 3 y 10% de azufre, es más duro, pero aún sigue siendo flexible y está indicado para neumáticos. El caucho alto en azufre, con un contenido entre el 20 y el 30%, es un caucho duro.

Actividades

24. Indicar tres fuentes naturales del látex.

25. Explicar en qué consiste el proceso de vulcanizado.

Aplicación práctica

Imagínese que trabaja para una empresa de neumáticos española y le encargan preparar un caucho vulcanizado. ¿Qué pasos debe seguir para hacerlo?

SOLUCIÓN

En primer lugar se necesita extraer el látex del diente de león común. En segundo lugar se debe llevar a cabo el calentamiento de este polímero natural en un recipiente metálico al que se le ha añadido alrededor de un 10% de azufre en polvo. Una vez se ha formado la goma, se deja enfriar.

4. Efectos de la temperatura en el comportamiento de los materiales poliméricos

Como se ha indicado en el apartado anterior la temperatura tiene una influencia directa en las características y comportamientos de los materiales poliméricos. También se utiliza para clasificarlos en termoplásticos y termoestables. Esta categorización es muy útil desde el punto de vista de la tecnología.

4.1. Estado físico

El estado físico del polímero depende de la temperatura. A bajas temperaturas la movilidad es muy baja en las cadenas moleculares. A este estado físico de los polímeros se le denomina estado amorfo-vítreo (equivaldría en los líquidos a la congelación). La temperatura a la que se consigue se denomina temperatura de transición vítrea, la cual es muy característica de cada tipo de polímero. La determinación de la temperatura de transición vítrea por métodos simples es difícil debido a que muchos plásticos la tienen inferior a la temperatura ambiente.

En el estado amorfo-vítreo el polímero se vuelve frágil y al igual que el vidrio común, se puede romper. Además de esta, adquiere otras propiedades asociadas a los vidrios inorgánicos como son dureza y transparencia.

Al aumentar la temperatura aparece un estado de flexibilidad creciente, en el que el polímero se vuelve de textura plástica. A este estado se le denomina estado amorfo-plástico. El polímero vuelve a ser tan resistente como lo era antes de enfriar, desapareciendo la fragilidad.

El estado de alta elasticidad se consigue cuando el polímero alcanza una determinada temperatura al calentarlo. En este estado el polímero se puede comportar como un líquido. El estado de alta elasticidad solo se consigue con ciertas cadenas poliméricas, ya que lo normal es que los polímeros se descompongan a altas temperaturas.

4.2. Descomposición

Una característica común a los materiales plásticos es la pérdida de sus propiedades por calentamiento a temperaturas no muy altas, si se comparan las que esto ocurre en otros materiales. A veces, incluso por debajo de 200 ºC, el material polimérico pierde su naturaleza, descomponiéndose por pérdida de moléculas sencillas, por oxidación, o por rotura de sus cadenas. A temperaturas mayores de 400 ºC la descomposición es muy rápida, produciéndose la ignición y la carbonización.

Los polímeros más resistentes a las altas temperaturas son los derivados aromáticos, ya que tienen cadenas más rígidas, y los derivados inorgánicos, como los derivados de silicio o siliconas.

4.3. Punto de fusión y reblandecimiento

Los factores que determinan la temperatura de fusión de un polímero cristalino o parcialmente cristalino son las uniones entre las moléculas y la rigidez de la cadena molecular.

Desde el enfoque energético, tanto el punto de fusión como el reblandecimiento pueden expresarse como la energía necesaria para separar una molécula de otra. Cuanto más alta es esta energía (la energía se mide en calorías), más alto será el punto de fusión.

Nota

En el sistema CGS de unidades, la unidad de energía es la caloría (cal). La unidad de medida de la temperatura es el grado centígrado (ºC).

Con valores bajos de energía se encuentran el caucho y el polietileno. Otros polímeros vinílicos tienen energías cohesivas medias. Con valores altos se encuentran los polímeros muy cristalinos. En este grupo se hallan los polímeros de condensación, un mecanismo de polimerización en cadena. Este es el caso, por ejemplo, de la baquelita.

Definición

Fuerza cohesiva Es la fuerza que mantiene unida dos objetos.

El reblandecimiento y fundido tiene lugar solo en plásticos lineales, los termoplásticos. Sin embargo, en algunos casos, el intervalo de temperaturas de reblandecimiento y fundido está por encima del intervalo en el que los polímeros son térmicamente estables. En este caso la descomposición comienza antes de que pueda observarse la fusión de la muestra. En general, los compuestos de alta masa molecular no tienen un punto de fusión tan preciso como los compuestos orgánicos cristalinos.

En la siguiente tabla se muestran los intervalos de temperaturas de reblandecimiento/fusión de algunos termoplásticos:

4.4. Aparatos de medida

El intervalo de reblandecimiento de un plástico, así como su punto de fusión (si el polímero es cristalino), puede determinarse mediante los métodos habituales de la química orgánica, bien en un tubo Thiele, o con aparatos específicos para determinar puntos de fusión, como el bloque metálico.

Aparatos de medida de puntos de fusión: tubo Thiele (izquierda) y bloque metálico (derecha)

El tubo Thiele es un tubo acodado de vidrio en el que se coloca una silicona líquida y la muestra de polímero introducida en un capilar de vidrio. A continuación, y habiendo colocado un termómetro en el interior, el tubo se comienza a calentar con un hornillo o mechero. El reblandecimiento y fusión se observa visualmente, anotándose las temperaturas. El bloque metálico funciona de forma similar, si bien el tubo de vidrio está sustituido por un bloque macizo metálico, el calentamiento siempre es eléctrico y la medida de la temperatura es digital.

Con estas técnicas se pueden determinar puntos de fusión con una exactitud de 0,5 ºC. Sin embargo, muchas veces los valores resultantes dependen, en gran medida, de la velocidad de calentamiento y de la presencia de ciertos aditivos, especialmente los plastificantes. Los puntos de fusión más fiables son los de polímeros parcialmente cristalinos. Como consejo práctico se recomienda tomar un intervalo de temperaturas de fusión en lugar de un único valor numérico.

4.5. Ignición

En los materiales poliméricos, como en muchos otros materiales, el aumento de temperatura conlleva la ignición. En la mayoría de los casos, la temperatura de ignición de un material plástico es análoga al punto de inflamación de un aceite, es decir, la temperatura a la que se desprenden componentes volátiles y productos de descomposición inflamables a la velocidad suficiente para que pueda mantenerse la combustión.

Recuerde

La temperatura influye en la ignición de los polímeros.

Dado que esta propiedad es importante para conocer las posibles aplicaciones del polímero, hay diversos métodos propuestos para determinar el punto de ignición de un material polimérico. Uno de los métodos para la determinación de la temperatura de ignición emplea una base rectangular de 12,5 mm de lado, que se coloca en el interior de una hornilla. Se pasa una corriente fija a través de esta para calentar la muestra, al tiempo que se descarga una chispa abierta de forma continua. La temperatura de la muestra se mide por medio de un aparato digital en el momento en que aparece una llama que se mantiene (ensayo de fluencia).

La respuesta de los polímeros termoplásticos al fuego directo también es determinante en sus aplicaciones. Existen diversos ensayos legislados para determinar esta característica, por ejemplo, medir la velocidad de combustión en el material que arde, o determinar la pérdida de peso de la muestra al contacto con un material incandescente. Estas medidas indican el índice de combustión del polímero. Estos índices se mejoran por adición de productos que interfieren en la reacción en cadena de la combustión.

Actividades

26. Indicar tres efectos de la temperatura en los termoplásticos.

27. Explicar qué es la temperatura de transición vítrea.

5. Propiedades de las diversas familias de materiales termoplásticos: plásticos obtenidos por adición y condensación. Problemática

Aunque la naturaleza de la unión entre los monómeros es determinante en las principales propiedades del polímero, muchas de sus cualidades se deben a las fuerzas que mantienen unidas las cadenas poliméricas entre sí.

En este apartado se estudian las propiedades principales de los polímeros orgánicos, con especial atención de los termoplásticos.

5.1. Propiedades

Las propiedades se pueden agrupar en químicas, como son reactividad y estabilidad, solubilidad y diferentes estados químico-estructurales en los que se encuentra el polímero, y en físicas, como son las propiedades mecánicas, eléctricas y sensoriales.

Resistencia química

La resistencia química del polímero depende del tipo de cadena molecular de la que está compuesto y de su estructura.

Como regla general, a medida que aumenta el grado de cristalinidad y la masa molecular del polímero, mayor es también su resistencia química. Esto es debido a una mayor densidad molecular que dificulta la penetración de la sustancia agresiva. Este efecto es similar en el caso de que la sustancia agresiva sea un gas.

El ataque de productos químicos al polímero conlleva reblandecimiento y pérdida de resistencia del material. Entre estos se encuentran los disolventes, que son sustancias agresivas para los materiales poliméricos. Su acción produce, previamente a la disolución, agrietamiento e hinchazones.

Los principales agentes agresivos para los plásticos son los disolventes, los ácidos y bases y los oxidantes (como el ácido nítrico). El ataque de estos agentes al polímero produce la aparición de pequeñas grietas en el material, que es el efecto comparable a la corrosión en los metales.

Solubilidad

Las cadenas del polímero interaccionan con moléculas del disolvente en las disoluciones. Cuando esto ocurre, el polímero se disuelve. Esto es más fácil en el caso de polímeros filiformes y más difícil en los reticulares. Además, los polímeros de cadena larga, normalmente, presentan solubilidades bajas.

Definición

Filiforme Que tiene forma de hilo. Se aplica a polímeros lineales.

Como se ha mencionado, la solubilidad del polímero sigue la regla general de que disolventes apolares disuelven polímeros apolares y los polares a los polímeros con esta misma característica.

En función de la mayor o menor dilución o concentración se distinguen dos estados de disolución:

1 Las disoluciones sol, que son muy diluidas y en las que las moléculas del polímero están aisladas unas de otras.

2 Las disoluciones gel, que se presentan cuando las concentraciones son mayores y hay interacción entre las moléculas.

Las disoluciones gel (o concentradas) tienen una cierta elasticidad aún en fase líquida: bajo fuerzas se deforman, pero hay una fuerza elástica que trata de restablecer el equilibrio, es decir, se comportan en gran medida como el propio polímero.

Actividades

28. Indicar de qué factores depende la resistencia química de un polímero.

29. Señalar, de entre las diferentes estructuras de los polímeros, el orden de solubilidad.

Estados químico-estructurales

A continuación, se indican las propiedades de los polímeros que se deben a su estructura y composición química.

Estado cristalino

Algunos polímeros poseen muchas de las características físicas de los cristales, y se dice que son cristalinos.

Los polímeros que forman fibras cristalinas presentan una gran resistencia a la rotura en la dirección de la propia fibra, pero son fácilmente separables unas fibras de otras, al igual que ocurre por ejemplo en la fibra de la madera.

Los polímeros reticulares se presentan con frecuencia en forma cristalina. Esto es debido a que la estructura tridimensional que tienen estos polímeros es muy ordenada y se asemeja al cristal.

Estado amorfo

Cuando la estructura cristalina se pierde y las moléculas se encuentran desordenadas el polímero se encuentra en estado amorfo.

Este estado depende de la temperatura. A bajas temperaturas queda congelada por completo la movilidad de las moléculas, y se alcanza el estado amorfo-vítreo. Sin embargo, al aumentar la temperatura desaparece este estado y se alcanza uno de flexibilidad, el cual, a temperaturas más elevadas, llega a convertir al polímero en un material de textura plástica, es el estado amorfo-plástico. Todas las sustancias que presentan este efecto por debajo de la temperatura de descomposición se denominan termoplásticas.

Estado de alta elasticidad

Es un estado a medio camino entre el estado amorfo-vítreo y el estado amorfo-plástico. El estado de alta elasticidad solo es estable en un determinado rango de temperaturas.

Estado de imbibición

Imbibición es la propiedad de aceptar líquido por parte de un sólido con conservación de la homogeneidad de la fase, es decir, la formación de una verdadera disolución de líquido en la sustancia sólida. El aspecto del polímero no se altera a pesar de haber incorporado el líquido. Si la imbibición progresiva conduce a la formación de una fase líquida, se denomina ilimitada, y si no, limitada.

Conductividad

Es importante señalar que el comportamiento del polímero frente a la electricidad es el de los aislantes, y de hecho se utilizan industrialmente para ello.

Por ejemplo, la baquelita se emplea con este propósito en el aislamiento en aparatos de baja tensión. El PVC y el polietileno se utilizan en la fabricación de cables eléctricos en instalaciones de alto voltaje. La adición de compuestos antiestáticos mejoran estas aplicaciones.

En general, todos los materiales termoplásticos tienen esta aplicación, aunque con la limitación de la temperatura. En las instalaciones eléctricas en las que se pueden dar elevadas temperaturas no se pueden emplear debido a la posible degradación.

Las propiedades eléctricas de los polímeros están determinadas y fijadas por la naturaleza química del material. Sin embargo, la conductividad se puede ajustar añadiendo pequeñas cantidades de agentes dopantes. Un agente dopante es aquel que hace que la conductividad de un material aumente. Entre estos se encuentra el grafito pulverizado, yodo, o por ejemplo, sodio.

Definición

Conductividad Es la mayor o menor capacidad que tiene un material de conducir la electricidad.

El dopado, o lo que es lo mismo, la adición del compuesto dopante, puede hacerse de un modo simultáneo a la polimerización mediante métodos electroquímicos. También es posible efectuar la polimerización por métodos químicos comunes, y a continuación proceder al dopado mediante el método electroquímico.

Definición

Electroquímica Técnica que utiliza la electricidad para cambiar las características químicas de un material.

Actividades

30. Explicar qué es el estado de imbibición.

31. Definir qué es el estado de alta elasticidad.

Mecánicas

Las características mecánicas del polímero están determinadas por su composición química, pero se pueden modificar con aditivos.

La resistencia al impacto y a la tracción que presentan los polímeros termoplásticos puede ser dúctil o frágil, según sea el efecto que se produce bajo la acción de una carga (fuerza) sobre ellos. Tanto los polímeros amorfos como los cristalinos son frágiles a baja temperatura y presentan poca resistencia al impacto. Del mismo modo, las altas temperaturas convierten a los polímeros en poco resistentes al impacto, deformándose y transformándose en materiales dúctiles. Los polímeros de cadenas cortas, como polietileno, polipropileno o PVC, presentan una resistencia muy buena al choque, siendo la mejor la de los policarbonatos. En los polímeros rígidos la resistencia es más limitada.

La resistencia a la torsión es una propiedad muy importante en los polímeros, ya que suelen ser sometidos a estas fuerzas frecuentemente, por ejemplo, en embalajes. Los termoplásticos presentan un comportamiento muy bueno a este tipo de fuerzas.

La fatiga del material polimérico ocurre con esfuerzos pequeños y repetidos. Los metales presentan mejor comportamiento ya que aparece solo con esfuerzos elevados y muy repetitivos.

Finamente, la dureza, o resistencia al rayado, es una propiedad de difícil análisis en los materiales poliméricos, ya que depende en gran medida de otros factores como su elasticidad.

Definición

Dureza Es la resistencia que tienen los materiales a la abrasión, cortadura y rayado.

Ductilidad Propiedad de los materiales por la que permiten ser deformados fácilmente.

En general, la respuesta de los termoplásticos a los esfuerzos mecánicos es muy buena, comportándose en un rango de temperaturas amplio como materiales dúctiles y resistentes. Estas propiedades conllevan que uno de los procesos más utilizados para su manufactura sean los de conformación, ya que en una operación única se puede moldear la materia prima obteniéndose la forma final. A continuación, se enumeran algunos polímeros y sus propiedades mecánicas:

1 Las resinas epoxi son duras y flexibles.

2 Las poliamidas presentan alta resistencia mecánica y se pueden moldear con facilidad y precisión.

3 Los policarbonatos, como se sabe, presentan muy buenas propiedades mecánicas.

4 Los poliésteres también presentan buenas propiedades mecánicas y se pueden moldear a bajas presiones.

5 El poli(metacrilato de metilo) muestra una alta resistencia al choque.

Organolépticas

Las propiedades organolépticas son las que se perciben por los sentidos. Las propiedades sensoriales como color y acabado que se obtienen con los termoplásticos son buenas. Durante el proceso de fabricación se pueden colorear igualmente por adición de tintes. El proceso de coloración está favorecido por adición de cargas en la fabricación. La apariencia visual y estética que se alcanza es de alta calidad.

Sabía que...

Los polímeros se pueden colorear con facilidad en la superficie una vez preparado el polímero, admitiendo una amplia gama de colores transparentes y opacos.

El aspecto de los polímeros es el de un plástico, aunque en algunos casos es vítreo, como el poli(metacrilato de metilo).

Ópticas

Los materiales plásticos tienen buenas propiedades ópticas en relación con la transmisión, reflexión y absorción de la luz. Esto evidentemente afecta al color y brillo de los materiales poliméricos puros. La transmisión de la luz (transparencia) puede alcanzar el 99-100% en el poli(metacrilato de metilo) o el 94% en el poli(cloruro de vinilo), a ser 0% en materiales derivados de poliamidas. El poli(metacrilato de metilo), de hecho, se emplea en la fabricación de instrumentos ópticos.

Los plásticos puros suelen ser incoloros. En algunos casos, como las polianilinas o los polímeros cumarona-indeno, termoplásticos, su coloración oscila entre el amarillo y el negro (negro de anilina), pasando por el marrón. Las poliamidas son de color blanco. El aspecto puede ser lechoso o traslúcido.

Los polímeros que absorben la luz se fotodegradan, es decir, se descomponen con la luz, lo que conlleva un aumento de la fragilidad y decoloración superficial.

Permeabilidad

Esta propiedad indica la capacidad de actuar como barrera a líquidos, gases y vapores. Las permeabilidades de los plásticos suelen ser medias-altas, ya que los compuestos pasan a través de ellos, o los empapan con facilidad, y además son en muchos casos solubles en el líquido, vapor o gas en cuestión.

Los plásticos de estructura amorfa presentan una mayor permeabilidad, ya que es más fácil que el gas pase por la zona amorfa, y en los cristalinos es menor.

De forma similar, termoplásticos más densos tienen permeabilidades menores que los de baja densidad.

Como ejemplo, los polietilenos de alta densidad y poliésteres son poco permeables a gases y vapores, al igual que las siliconas con el agua.

Actividades

32. Señalar cuál es el color más generalizado en los polímeros.

33. Indicar cuál es el polímero más transparente.

5.2. Problemática

El uso de polímeros y de materiales plásticos ha aumentado de modo singular desde los años treinta. Actualmente se cifra la producción anual de plásticos en 300 millones de toneladas.

El problema es que una vez utilizados, la mayoría de estos materiales se abandonan en vertederos o se incineran, y solo una mínima parte ha comenzado recientemente a ser objeto de reciclado industrial. El reciclado es una posible solución a este problema.

Reciclado

Desde el punto de vista del reciclado, los plásticos se clasifican en termoestables (o termoendurecidos) y termoplásticos.

Los primeros constituyen redes tridimensionales, lo que hace que sean materiales muy resistentes que no se ablandan con el calor. Ello impide su reciclado aunque pueden trocearse y utilizarse como material de relleno en la construcción.

Los materiales termoplásticos poseen solo estructura bidimensional y son sensibles al calor, constituyendo el objetivo del reciclado industrial. Además son los materiales más comúnmente utilizados.

El reciclado de materiales plásticos depende mucho del grado de pureza de los mismos y este depende a su vez del origen de los residuos. Los de origen industrial son generados por el propio fabricante y se trata de plásticos puros y de composición química uniforme, siendo por ello los más sencillos de reciclar. Los de origen comercial, como es el caso de embalajes y material protector de mercancías, son, en general, fáciles de separar y reciclar. Los de origen doméstico son los polímeros presentes en la basura doméstica y tienen composiciones químicas muy variadas. A menudo están mezclados con vidrio, metales, papel o residuos orgánicos, siendo por ello los más difíciles de reciclar. Estos últimos representan una parte cuantitativamente importante de las basuras, lo que convierte su reciclado en una tarea necesaria para disminuir la contaminación medioambiental.

El reciclado de materiales poliméricos presentes en mezclas de residuos debe seguir las siguientes fases:

1 1. Limpieza, troceado de los materiales y separación de los polímeros termoendurecidos.

2 2. Separación de los distintos tipos de polímeros. Habitualmente se separan PVC, PET, polietileno, poliestireno y polipropileno. La separación más efectiva es la que se hace manualmente, aunque existen otros métodos. El PVC puede separarse creando cargas eléctricas estáticas sobre él, lo que permite retirarlo mediante aplicación de un campo eléctrico. Otro método de separación es el basado en las diferencias de densidades. En baños acuosos, aquellos cuya densidad sea inferior a la del agua (polietileno y polipropileno) flotarán, mientras que los demás se hunden. Los materiales flotantes se trasladan a otra piscina que contiene una mezcla de agua-etanol, cuya densidad es de 0,93 g/mL, en la que precipitará el polietileno de alta densidad, y finalmente a otra de densidad 0,91 g/mL en la que precipitará el polipropileno, quedando el polietileno de baja densidad como material flotante. Por su parte, los materiales más densos que el agua se introducen en un baño de agua salada de densidad 1,2 g/mL lo que permite separar el PVC del poliestireno.

3 3. Los materiales, una vez separados, se someten a granulación, extrusión y peletización (formación de pequeñas bolas).

El proceso de Kolbe es otra alternativa para el reciclado de plásticos, la cual consiste en fundirlos en moldes para producir piezas rígidas. Este procedimiento es válido para residuos que contengan al menos un 65% de polietileno y polipropileno con pequeñas proporciones de PVC y PET.