QUÍMICA

Tema: los polímeros, estructura, clasificación, usos en la industria, propiedades y problemática ambiental.

Estructura.

Para abordar el estudio de la estructura de los polímeros se suelen considerar dos niveles, estructura química y estructura física. La estructura física. La estructura química se refiere a la construcción de la molécula individual y la estructura física al ordenamiento de unas moléculas respecto  a otras. Comenzaremos abordando la estructura química de los polímeros, y por tanto, estudiaremos el efecto de la naturaleza de los átomos que constituyen la cadena principal y los sustituyentes de la misma, las uniones entre monómeros, el peso molecular y su distribución y el efecto de las ramificaciones o entrecruzamientos en la cadena principal. Igualmente las diferentes configuraciones que pueden adoptar los sustituyentes de la cadena principal condicionan notablemente las propiedades de los polímeros y son parte de su estructura química.

Cuando se hace referencia a su estructura física de los polímeros se trata básicamente de la orientación y cristalinidad que, como veremos, dependen en gran medida de la estructura química y a su vez condicionan el comportamiento del material durante el procesado y durante su vida de servicio.

Clasificación.

Según su forma:

Si tomamos en cuenta la forma del polímero, estos se pueden clasificar en polímeros lineales y polímeros ramificados.

a) Los polímeros lineales se origina cuando el monómero que lo forma tiene dos puntos de ataque, de modo que el polímero se forma unidireccionalmente, formando cadenas lineales

b) Los polímeros ramificados se forman porque el monómero posee tres o más puntos de ataque, de modo que la polimerización ocurre tridimensionalmente, es decir, en las tres direcciones del espacio. En base a esto es que podemos encontrar variadas formas:

La variedad de disposiciones estructurales en los polímeros permiten que estos cuenten con características diversas; de esta manera podemos encontrar que los polímeros lineales son materiales blandos y moldeables, mientras que los polímeros ramificados serán frágiles y rígidos.

Según el tipo de sus monómeros

Por otro lado, si tomamos en consideración, los tipos de monómeros que constituyen la cadena; tenemos los homopolímeros y los copolímeros.

Los homopolímeros son aquellos donde hay presente una sola clase de monómeros Por ejemplo: el polipropileno., mientras que los copolímeros son aquellos en donde hay presente dos o más clases de monómeros, dispuestos al azar, alternadamente, en bloques o siendo injertados en una cadena principal Ej el poliuretano.

Según su origen:

Finalmente,  si tomamos en consideración el origen de los polímeros, encontramos los naturales o biopolímeros, que son aquellos que se encuentran en la naturaleza, formando parte de los seres vivos como la celulosa, el almidón, el caucho, el colágeno, la seda, etc.; y los sintéticos que son aquellos fabricados en laboratorios o en procesos de producción en industrias  como el nylon, la baquelita, el PVC y el teflón.

Es importante señalar, que tanto polímeros naturales como sintéticos están formados por los mismos componentes, sin embargo, lo que cambia en ellos es el método de obtención.

Según sus propiedades físicas:

Por sus propiedades físicas, pueden ser fibras, elastómeros y plásticos.

- Fibras Son polímeros naturales y sintéticos compuestos por moléculas alargadas y estiradas, que forman hilos largos, delgados y muy resistentes. Por ejemplo: el algodón, la lana, la seda, el nailon, el poliéster y el dacrón.

- Elastómeros: Son polímeros naturales y sintéticos con una gran elasticidad. Por ejemplo: el caucho y el neopreno.

- Plásticos: Son polímeros sintéticos que se pueden moldear con ayuda del calor o la presión. Por ejemplo: el poliestireno, el PVC y el plexiglás o acrílico. Los plásticos, a su vez, se clasifican en función de sus propiedades térmica en termoplásticos y termoestables

Termoplásticos: Son plásticos que se reblandecen a altas temperaturas y se vuelven rígidos por enfriamiento. Pueden fundirse fácilmente una vez formados, y pueden ser remoldeados varias veces, debido a que las fuerzas de cohesión entre las cadenas moleculares son débiles. Por eso, se pueden separar con mucha facilidad por acción del calor. Son solubles en solventes orgánicos. Por ejemplo: el polietileno, el poliestireno, policloruro de vinilo o PVC, el polimetacrilato de metilo o plexiglás, etc. 

Generalmente, estos polímeros son aquellos que se pueden reciclar, dado que sometido a altas temperaturas se funden, pudiendo cambiar su forma sin modificar su estructura. 

Termoestables: Son aquellos plásticos que se moldean solo durante su formación. Al  enfriarse, se entrelazan sus cadenas. Esta disposición no permite nuevos cambios de forma mediante calor o presión. Son materiales insolubles, rígidos y duros. Los más importantes son la baquelita y el poliuretano.

Por lo general, este tipo de plástico no puede ser reciclado, dado que al someterlos a altas temperaturas la estructura del polímero se modifica totalmente.

Usos en la industria.

En la industria los polímeros son utilizados en gran cantidad que sus propiedades, permitiendo fabricar partes para máquinas y herramientas según las características que se necesiten. Los plásticos según sea su composición, pueden ser rígidos para transmitir fuerzas o resistir cargas, aun así tienden a ser quebradizos, o bien polímeros elásticos para adaptarse a espacios, ante una carga aceptable se deforma, pero vuelven a su forma original al retirar la carga.

Ejemplos de Partes plásticas rígidas

Envases

Cobertores

Estructuras

Transmisiones

Ejemplos de Partes plásticas elásticas

Bandas de goma

Empaques o aislantes

Bandas de transmisión

Llantas

Los polímeros en general son muy utilizados gracias a su gran cantidad de ventajas, son livianos, maleables, resistentes a la compresión y tensión, torsión e impacto, elásticos, etc. Son referentes importantes a tomar en cuenta al diseñar algún elemento tanto para una maquina como para un artículo de uso cotidiano.

Propiedades.

Propiedades eléctricas.

Los polímeros industriales en general suelen ser malos conductores eléctricos, por lo que se emplean masivamente en la industria eléctrica y electrónica como materiales aislantes. Las baquelitas (resinas fenólicas) sustituyeron con ventaja a las porcelanas y el vidrio en el aparellaje de baja tensión hace ya muchos años; termoplásticos como el PVC y los PE, entre otros, se utilizan en la fabricación de cableseléctricos, llegando en la actualidad a tensiones de aplicación superiores a los 20 KV, y casi todas las carcasas de los equipos electrónicos se construyen en termoplásticos de magníficas propiedades mecánicas, además de eléctricas y de gran duración y resistencia al medio ambiente, como son, por ejemplo, las resinas ABS.

Para evitar cargas estáticas en aplicaciones que lo requieran, se ha generalizado el uso de antiestáticos que permite en la superficie del polímero una conducción parcial de cargas eléctricas.

Evidentemente la principal desventaja de los materiales plásticos en estas aplicaciones está en relación a la pérdida de características mecánicas y geométricas con la temperatura. Sin embargo, ya se dispone de materiales que resisten sin problemas temperaturas relativamente elevadas (superiores a los 200 °C).

Las propiedades eléctricas de los polímeros industriales están determinadas principalmente, por la naturaleza química del material (enlaces covalentes de mayor o menor polaridad) y son poco sensibles a la microestructura cristalina o amorfa del material, que afecta mucho más a las propiedades mecánicas. Su estudio se acomete mediante ensayos de comportamiento en campos eléctricos de distinta intensidad y frecuencia. Seguidamente se analizan las características eléctricas de estos materiales.

Los polímeros conductores fueron desarrollados en 1974 y sus aplicaciones aún están siendo estudiadas.

Propiedades físicas de los polímeros.

Estudios de difracción de rayos X sobre muestras de polietileno comercial, muestran que este material, constituido por moléculas que pueden contener desde 1000 hasta 150 000 grupos CH2 – CH2 presentan regiones con un cierto ordenamiento cristalino, y otras donde se evidencia un carácter amorfo: a éstas últimas se les considera defectos del cristal. En este caso las fuerzas responsables del ordenamiento cuasicristalino, son las llamadas fuerzas de van der Waals. En otros casos (nylon 66) la responsabilidad del ordenamiento recae en los enlaces de H.

La temperatura tiene mucha importancia en relación al comportamiento de los polímeros. A temperaturas más bajas los polímeros se vuelven más duros y con ciertas características vítreas, debido a la pérdida de movimiento relativo entre las cadenas que forman el material. La temperatura a la que funden las zonas cristalinas se llama temperatura de fusión (Tf). Otra temperatura importante es la de descomposición y es conveniente que sea bastante superior a Tf.

Propiedades mecánicas.

Son una consecuencia directa de su composición, así como de la estructura molecular, tanto a nivel molecular como supermolecular. Actualmente las propiedades mecánicas de interés son las de los materiales polímeros y éstas han de ser mejoradas mediante la modificación de la composición o morfología: por ejemplo, cambiar la temperatura a la que los polímeros se ablandan y recuperan el estado de sólido elástico o también el grado global del orden tridimensional. Durante mucho tiempo los ensayos han sido realizados para comprender el comportamiento mecánico de los materiales plásticos a través de la deformación de la red de polímeros reticulados y cadenas moleculares enredadas, pero los esfuerzos para describir la deformación de otros polímeros sólidos en términos de procesos operando a escala molecular son más recientes. Por lo tanto, se considerarán los diferentes tipos de respuesta mostrados por los polímeros sólidos a diferentes niveles de tensión aplicados; elasticidad, viscoelasticidad, flujo plástico y fractura.

Problemática ambiental.

Los residuos constituyen uno de los grandes problemas ambientales con diferentes impactos a nivel global y local. La gestión de los residuos, va más allá de su disposición; por tanto es necesario analizar las diferentes variables de manera que se pueda comprender la complejidad que implican los nuevos retos ambientales. Mientras las concentraciones humanas eran reducidas y los residuos eran en su gran mayoría de origen orgánico, los residuos no constituían un problema relevante (Melosi, 2005). Con el aumento de las concentraciones humanas, se fueron acumulando grandes volúmenes, tanto de residuos orgánicos, como de inorgánicos, cuya difícil descomposición dificulta su reintroducción en los ciclos naturales lo que resulta en una fuerte incidencia en la estabilidad de los ecosistemas. La sociedad contemporánea genera una variedad de residuos que son clasificados en diferentes grupos: los residuos ordinarios orgánicos e inorgánicos (plástico, vidrio, metal, entre otros), hospitalarios, peligrosos (Respel), de aparatos electrónicos y eléctricos (RAEE) y escombros. La presente investigación hace énfasis en el manejo de los residuos plásticos (RP) en la ciudad de Bogotá. Pese a no ser considerados residuos peligrosos, los RP tienen implicaciones ambientales significativas que suelen pasar desapercibidas, y hacen parte de una problemática de gran impacto y escala. El plástico es un material de innegable utilidad presente en infinidad de productos de uso cotidiano, pero sumado al consumismo y la cultura del uso y desecho, hacen que la generación de residuos ocurra de manera masiva y continua. Además, los plásticos tienen un extenso tiempo de degradación (entre 100 y 1000 años), lo que genera que no se reincorporen fácilmente a los ciclos naturales, permaneciendo por largos periodos y afectando de diferentes maneras los lugares donde quedan dispuestos.