Polimeros

Polímeros

1. Introducción, generalidades.

A lo largo de cientos de años se han utilizado polímeros naturales procedentes de plantas y animales. Estos materiales incluyen madera, caucho, lana, cuero y seda. Otros polímeros naturales tales como las proteínas, los enzimas, los almidones y la celulosa tienen importancia en los procesos bioquímicos y fisiológicos de plantas y animales. Desde principios del siglo XX, la moderna investigación científica ha determinado la estructura molecular de este grupo de materiales y ha desarrollado numerosos polímeros, sintetizados a partir de pequeñas moléculas orgánicas. Muchos plásticos, cauchos y materiales fibrosos son polímeros sintéticos.

Desde el fin de la Segunda Guerra Mundial, el campo de los materiales se ha visto revolucionado por la llegada de polímeros sintéticos. Las síntesis suelen ser baratas y las propiedades conseguidas comparables, y a veces superiores, a las de los análogos naturales. En algunas aplicaciones, los metales y la madera se sustituyen por polímeros, que tienen propiedades idóneas y se pueden fabricar a bajo coste.

Los materiales plásticos actualmente en nuestra sociedad son, sin lugar a dudas, uno de los materiales más utilizados en casi todos los sectores industriales como consecuencia de las buenas propiedades que poseen.

Si se comparan polímeros como el polietileno y el nylon con materiales que son utilizados mas comúnmente por los ingenieros, de inmediato se encontraran algunas diferencias importantes. Unas pruebas simples muestran que los polímeros:

1.- Tienen resistencia mecánica y rigidez (Modulo elástico) bajas, 7-100 MPa y 1-4 GPa respectivamente. Sin embargo, tienen una buena relación resistencia peso.

2.- Su uso, frecuentemente, esta limitado por condiciones de temperatura (< 150 °C).

3.- Los ensayos mecánicos, por ejemplo, los de tracción, muestran que se deforman cuando se someten por un tiempo a una carga, o sea, sus propiedades dependen del tiempo, y esta es su característica mecánica más significativa. Las propiedades mecánicas también dependen marcadamente de la temperatura.

4.- Expansión térmica elevada (30 - 200xl0-6 K-1)

5.- Problemas de disposición y reciclado.

Las características anteriores representan desventajas en comparación con los metales, la madera, los materiales cerámicos, etc. Obviamente, los polímeros también deben de poseer ventajas, ya que son muy utilizados e, incluso, substituyen a los materiales comunes en muchas áreas importantes. ¿Cuales son las ventajas que tienen estos materiales que provocaron una expansión tan rápida en su uso? La mayoría de estas es:

1.- Versatilidad.

2.- Los materiales poliméricos, tanto los plásticos como los cauchos, son fácilmente conformados a bajas temperaturas y bajas presiones, lo que hace que los procesos industriales de fabricación de objetos por moldeo con plásticos se abaraten sensiblemente respecto a aquellos en los que se emplean otros materiales. Permite la obtención de formas complejas (Posibilidad de diseño de geometrías intrincadas) con un mínimo de operaciones de fabricación y acabado (facilidad de fabricación, baja energía para moldearlos y conformarlos, es decir menor energía de procesamiento).

3.- Fácil maquinabilidad, es decir, se trabaja fácilmente con herramientas que produzcan arranque de material como fresadoras, tornos y limas.

4.- Su baja densidad da como resultado productos ligeros (800 – 1500 kg/m3), lo que los hace idóneos para piezas y componentes para la industria del transporte como en aviones, barcos, automóviles o trenes.

5.- Alto grado de inalterabilidad ante agentes químicos y elevado grado de resistencia a la corrosión, lo que los hace muy adecuados para revestimientos en industrias químicas, conducciones de fluidos, objetos a la intemperie o en ambientes corrosivos.

6.- Su conductividad térmica y eléctrica es muy baja por lo que se emplean como aislantes en la mayoría de los componentes o materiales eléctricos y como aislantes térmicos en cámaras frigoríficas o termostáticas, en los muros de las casas, etc. En algunos casos, pueden ser conductores eléctricos.

7.- Durables y tenaces.

8.- La flexibilidad natural de los polímeros los hace útiles. Esto es especialmente cierto para los cauchos.

9.- Aunque los valores de la resistencia mecánica absoluta y del modulo de elasticidad de los polímeros son bajos, los valores específicos por unidad de peso o volumen, son con frecuencia favorables. De aquí el uso de materiales poliméricos que se utilizan especialmente en proyectos aeroespaciales.

10.- Los cauchos, los cuales se usan en resortes y montajes absorbentes de impacto por sus cualidades de elasticidad y amortiguamiento.

11.- Posibilidad de transparencia u opacidad. Acabado superficial óptimo y buena posibilidad de coloración (metalizado), lo que origina, para cualquier aplicación, un acabado muy estético.

12.- Bajo coste y bajo precio.

Los polímeros conductores eléctricos surgieron a raíz de una afortunada equivocación en el ano 1977 de un estudiante dirigido por el doctor Hideki Shirakawa (Instituto Tecnológico de Tokio). Debido a tal error, se obtuvo por primera vez un polímero, el poli acetileno, con una conductividad eléctrica mil millones de veces mayor que la esperada. El motivo para tan extraordinario resultado fue que dicho estudiante agrego mil veces más catalizador (yodo) que el requerido en las instrucciones, lo cual genero cambios sorprendentes en la estructura del polímero. Por este descubrimiento, Shirakawa, MacDiarmid y Heeger ganaron el Premio Nobel de química en el ano 2000.

Desde entonces se ha podido emplear el dopaje en diversos polímeros, como las poli anilinas, poli pirroles y poli tiofenos, logrando nuevamente un aumento considerable de la conductividad eléctrica.

Una de las aplicaciones más prometedoras de los polímeros conductores son las baterías recargables totalmente poliméricas. En ellas los electrodos serán de PC, siendo más ligeras, flexibles y con una gran capacidad de aceptar y donar carga eléctrica reversiblemente. Además, tendrán una larga vida, utilizaran potenciales de alrededor de los 3V y producirán una densidad de energía varias veces mayor que las baterías actualmente disponibles, de níquel/cadmio y plomo/acido.

Al principio las propiedades especiales de los plásticos y los cauchos eran mal interpretadas y muchos de los fallos existentes eran porque los ingenieros de diseño no conocían la importancia (y muchas veces, ni siquiera sabían de la existencia) de la variación de estas propiedades con el tiempo.

En la actualidad, dichas propiedades están bien determinadas y se aplican en el diseño de

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