Guia de estudio Polímeros

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                                       MATERIALES PLÁSTICOS

1) Moléculas orgánicas. Tipos de enlace.

De la misma manera en que la metalurgia del hierro se basa en dos celdas unitarias del hierro, la BCC y la FCC, el campo de los plásticos se fundamenta en dos tipos de moléculas. Debemos recalcar que hay una gran diferencia en la visualización al pasar del concepto de una celda unitaria que nos ha ayudado mucho en los metales y en los cerámicos, al concepto de molécula.

La molécula orgánica que es la base de todos los plásticos, esta constituida generalmente de una estructura de soporte o esqueleto de átomos de carbono únicamente, al cual se unen elementos tales como H, O, Cl, F, S o N. Los dos grupos principales de plásticos, los materiales termoplásticos (TP) y los termoestables (TS), deben las diferencias en sus propiedades, a la diferencia en su estructura de soporte.

En los termoplásticos los átomos de carbono se organizan en una cadena simple, frecuentemente ramificada. El átomo de carbono tiene una valencia de cuatro; por lo tanto, un átomo de carbono en la cadena tiene por lo menos dos enlaces de valencia unidos a átomos de carbono adyacentes. Los enlaces no están a 180º sino que están en un arreglo tetraédrico con ángulos de 109º entre los átomos de carbono.

Utilizamos la notación abreviada para el enlace de carbono como se muestra en la figura.[pic 2]

Al considerar el esqueleto del carbono en los materiales termoestables, el carbono en lugar de formar una cadena sencilla o una ramificación, los átomos de carbono se interconectan con otros átomos de carbono, para formar una red espacial tridimensional. Los enlaces que no se unen o otros átomos de carbono son utilizados por otros elementos (H, O, N, etc.), en la misma forma que con los materiales termoplásticos.

Cuando un material termoplástico, como el polietileno, por ejemplo, se calienta, las moléculas individuales se deslizan y se separan entre sí y el plástico se ablanda y funde. Las dos ventajas que presenta este tipo de plásticos, son que el líquido puede inyectarse en un molde para obtener la forma deseada y que el retal puede volverse a fundir reutilizarse.

Un material termoestable, como la úrea-melámina, esta constituida de una molécula gigante que forma una red tridimensional. Este material se procesa bajo presión y calor y no se puede volver a fundir.

Por lo dicho, existe una profunda diferencia en la estructura entre los dos grupos de plásticos, un grupo, el TP se fabrica más fácilmente y es más dúctil, el otro, el TS es más rígido y generalmente tiene mayor resistencia, particularmente a temperaturas elevadas. También se desarrollan estructuras intermedias, como las modificaciones TP con pocas uniones cruzadas.

2) Grupos orgánicos, que son principales generadores de polímeros.

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3) Tipos de reacciones de polimerización.

Puesto que el tipo de estructura que formamos está íntimamente relacionado con el mecanismo involucrado, ahora analizaremos los dos tipos fundamentales.

Polimerizaciones por adición.

En el etileno, por ejemplo, rompemos el enlace C = C para formar el polímero. Se necesita explicar como se efectúa y también como se detiene el crecimiento de una molécula de polímero. La secuencia es la siguiente:

Se añade un iniciador al monómero. El iniciador, por ejemplo, un radical R con un electrón libre o con un grupo ionizado, atraerá a uno de los electrones del doble enlace de carbono. El otro electrón del enlace roto está incompleto y a su vez atrae un electrón del otro monómero, y en esta en forma crece la molécula. Finalmente, la cadena se detiene cuando dos segmentos en crecimiento se encuentran o cuando un segmento en crecimiento encuentra otro R, el terminador. La rata de polimerización por adición puede ser muy rápida, por esta razón el proceso, se llama polimerización en cadena. Hay varias sustancias químicas, incluyendo sustancias orgánicas, que pueden utilizarse como iniciadores y retardadores para modificar la rata de reacción. La polimerización por adición también puede tener lugar entre dos monómeros diferentes, denominándose este proceso como copolimerización.

Polimerización por condensación.

Este proceso también se denomina reacción de polimerización por etapas debido a que dos o más moléculas diferentes tienen que unirse en cada etapa para permitir el crecimiento de la molécula. Por esta razón, y por la diferencia en cinética, es mucho más lenta que la polimerización por adición, la cual se asemeja a una cremallera. Además hay un subproducto que se debe considerar; de ahí su nombre. Esta reacción, puede producir, ya sea, una molécula del tipo cadena o una estructura en forma de red. En general, los polímeros lineales formados por condensación tienen un menor grado de polimerización que las estructuras de red o retícula. Esto se debe a que una estructura de red corresponde a una molécula gigantesca y el “grado de polimerización” no tiene ningún significado.

Generalmente las cadenas son más rígidas debido a los elementos de la estructura reticular unidos entre los átomos de carbono y las atracciones entre las cadenas son más grandes debido al enlace de hidrógeno.

Una de las unidades de repetición, debe ser trifuncional o mayor para que se forme la estructura en red.

4) Concepto de meros, monómeros y peso molecular.

Para producir las largas cadenas de carbono o las redes, que pueden contener hasta 10.000 átomos de carbono, necesitamos comenzar con grupos pequeños de átomos llamados monómeros, los cuales tienen por lo menos un enlace doble que se puede abrir bajo la influencia de un catalizador o a una temperatura específica. Por lo tanto, en el más sencillo de los polímeros, el polietileno, comenzaremos con el gas de etileno que contiene únicamente dos átomos de carbono y continuamos enlazando monómeros adicionales:

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