Polimerización por crecimiento de la cadena
Cuando muchas moléculas de un compuesto simple se unen, el producto se denomina polímero y el proceso polimerización. Los compuestos simples cuyas moléculas se unen para formar los polímeros se llaman monómeros. El polímero es una cadena de átomos, que constituye una columna vertebral, a la que se unen átomos o grupos de átomos.
En esta unidad se ofrece una visión general de los principales tipos de polímeros, caracterizados por su modo de fabricación, por el modo en que sus estructuras rigen sus propiedades generales y por el modo en que estas propiedades pueden refinarse mediante su formulación utilizando una serie de aditivos. Por último, la unidad resume la gama de técnicas de procesamiento que pueden utilizarse para convertir los polímeros en una amplia gama de productos diferentes.
Los polímeros son moléculas grandes, un tipo de macromolécula. Sus propiedades químicas son similares a las de las moléculas simples. Por ejemplo, si el polímero contiene un doble enlace carbono-carbono, como en el poli(but-1,3-dieno), sufrirá reacciones de adición con, por ejemplo, hidrógeno o bromo.
Las principales diferencias entre las moléculas más pequeñas y los polímeros no radican en sus propiedades químicas, sino en las físicas. Su mayor tamaño hace que las fuerzas intermoleculares sean mucho más fuertes, lo que a su vez da lugar a puntos de fusión mucho más altos y a las propiedades características de dureza y flexibilidad. Estas fuerzas intermoleculares son aún más fuertes cuando las cadenas del polímero se empaquetan de forma regular como en el HPDE (poli(etileno) de alta densidad) y tienen regiones de cristalinidad.
Polimerización por adición
Los polímeros sintéticos se producen mediante reacciones químicas, denominadas “polimerizaciones”. Las polimerizaciones se producen de diversas formas -demasiadas para examinarlas aquí-, pero estas reacciones consisten en la unión química repetitiva de moléculas individuales, o monómeros. Diversas combinaciones de calor, presión y catálisis alteran los enlaces químicos que mantienen unidos a los monómeros, haciendo que se unan entre sí. La mayoría de las veces lo hacen de forma lineal, creando cadenas de monómeros llamadas polímeros.
Algunas polimerizaciones unen monómeros enteros, mientras que otras sólo unen porciones de monómeros y crean materiales “sobrantes”, o subproductos. Se pueden formar copolímeros utilizando dos o más monómeros diferentes. Y dos o más polímeros pueden combinarse para producir una aleación, o mezcla, que muestre las características de cada componente.
Por ejemplo, consideremos el plástico común polietileno, que se encuentra en artículos como bolsas de supermercado, juguetes y botellas. El monómero etileno está compuesto por dos átomos de carbono, cada uno de ellos unido a dos átomos de hidrógeno y que comparten un doble enlace entre sí. El polietileno está formado por una cadena de átomos de carbono con un solo enlace, cada uno de los cuales sigue llevando sus dos átomos de hidrógeno.
Producción de polímeros
PolimerizaciónLa polimerización es el proceso en el que las pequeñas unidades de monómero se unen para formar una gran molécula de polímero.Polimerización por adiciónLa polimerización por adición es un proceso en el que muchos pequeños monómeros insaturados se combinan para formar una gran molécula de polímero.Los alquenos eteno y propeno son dos importantes materias primas en la industria petroquímica que también pueden utilizarse para hacer polímeros por adición.
Cómo dibujar las fórmulas estructurales de los polímerosLa formación de poli(eteno) a partir del eteno es un ejemplo de polimerización por adición. Los pequeños monómeros insaturados de eteno se unen mediante la apertura del doble enlace, lo que les permite unirse para formar una larga cadena de carbono. Los polímeros fabricados de este modo se denominan polímeros de adición.
Los monómeros utilizados para fabricar otros polímeros de adición se dibujan con una forma similar a la del eteno, por ejemplo, el propeno. Aunque ésta es la forma habitual de dibujar la fórmula estructural del propeno, para mostrar cómo la molécula actúa como monómero y puede formar un polímero debe dibujarse de otra manera.
Polímeros sintéticos
Antes de los primeros años de la década de 1920, los químicos dudaban de la existencia de moléculas con pesos moleculares superiores a unos pocos miles. Este punto de vista limitado fue cuestionado por Hermann Staudinger, un químico alemán con experiencia en el estudio de compuestos naturales como el caucho y la celulosa. En contraste con la racionalización predominante de estas sustancias como agregados de pequeñas moléculas, Staudinger propuso que estaban formadas por macromoléculas compuestas por 10.000 o más átomos. Formuló una estructura polimérica para el caucho, basada en una unidad repetitiva de isopreno (denominada monómero). Por sus aportaciones a la química, Staudinger recibió el Premio Nobel en 1953. Los términos polímero y monómero derivan de las raíces griegas poly (muchos), mono (uno) y meros (parte).
El reconocimiento de que las macromoléculas poliméricas constituyen muchos materiales naturales importantes fue seguido por la creación de análogos sintéticos con diversas propiedades. De hecho, las aplicaciones de estos materiales como fibras, películas flexibles, adhesivos, pinturas resistentes y sólidos resistentes pero ligeros han transformado la sociedad moderna. En los siguientes apartados se analizan algunos ejemplos importantes de estas sustancias.