Introducción a los Polímeros y Plásticos

Los polímeros o plásticos se producen mediante un proceso denominado polimerización, que consiste en enlazar, a través de enlaces covalentes, miles de pequeñas moléculas orgánicas llamadas monómeros o meros.

Monómeros: La Base de los Polímeros

Los monómeros son moléculas orgánicas formadas fundamentalmente por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno, entre los cuales se establecen uniones o enlaces covalentes. Metano (CH₄), propano (C₂H₂) y etileno (C₂H₄) son algunos ejemplos de moléculas monoméricas. Es importante destacar que no todos los monómeros son aptos para el proceso de polimerización que permite enlazar en cadena diversos monómeros idénticos.

Clasificación de Polímeros por Comportamiento Térmico

Termoplásticos: Flexibilidad y Reciclabilidad

Los termoplásticos, para ser conformados, precisan de la aplicación de calor previa al enfriamiento que les confiere la forma definitiva. Estos materiales pueden ser recalentados y reformados varias veces sin cambios significativos en sus propiedades. Deben su nombre a que se ablandan y plastifican con el calor. Su estructura molecular es mayoritariamente lineal, con o sin ramificaciones. Las moléculas están enlazadas unas con otras, pero sin reticulaciones.

Termoestables: Rigidez y Estabilidad Permanente

Los termoestables se fabrican de manera permanente mediante reacciones químicas; no se pueden refundir ni almacenar, y se degradan por calentamiento a elevadas temperaturas. En general, son duros y rígidos, incluso a temperaturas elevadas. Presentan numerosas reticulaciones entre cadenas. Estos polímeros exhiben una estructura de tipo reticular basada en uniones covalentes, con un entrelazamiento transversal de cadenas producido por el calor o por una combinación de calor y presión durante la reacción de polimerización.

A menudo, los polímeros termoestables se obtienen en forma de dos resinas líquidas. Una contiene los agentes de curado, endurecedores y plastificantes; la otra, materiales de relleno y/o reforzantes que pueden ser orgánicos o inorgánicos. Sus ventajas en ingeniería incluyen:

  • Alta estabilidad térmica
  • Alta rigidez
  • Alta estabilidad dimensional
  • Resistencia a la termofluencia y deformación bajo carga
  • Peso ligero
  • Altas propiedades de aislamiento eléctrico y térmico

Elastómeros o Gomas: Deformación Elástica Excepcional

Los elastómeros o gomas reciben una mención especial dentro de los materiales conformados de forma permanente debido a las extraordinarias deformaciones elásticas que experimentan al aplicar una fuerza sobre ellos, pudiendo recuperar su forma original total o casi totalmente cuando cesa la fuerza. Su estructura es reticulada, pero en menor extensión que en los materiales termoestables.

Mecanismos de Polimerización

Polimerización por Mecanismo de Adición

Las moléculas de monómero se activan por efecto de la temperatura, presión o un catalizador, produciendo la rotura de los dobles enlaces y permitiendo las uniones entre los meros. Esto completa las cadenas siempre que existan electrones libres en el terminal de la cadena polimérica en formación.

Polimerización por Mecanismo de Condensación

Este mecanismo permite conseguir cadenas a partir de monómeros que no precisan de la presencia de un doble enlace y liberan una molécula pequeña durante la reacción. En este proceso también se produce la activación por efecto de la temperatura, presión o un catalizador, lo que genera la reacción de dos grupos activos que dan lugar a un tercero que se repite en la cadena polimérica.

Polimerización Reticular

En este tipo de polimerización, la reacción tiene lugar cuando intervienen monómeros con más de dos lugares activos o sitios donde pueden unirse más moléculas al monómero. Se forman redes tridimensionales debido a la presencia de más de dos lugares activos, lo que permite el crecimiento de las cadenas en las tres direcciones.

Estereoisómeros de Polímeros

La disposición espacial de los grupos sustituyentes en la cadena polimérica da lugar a diferentes estereoisómeros, que afectan significativamente las propiedades del material:

  • Estereoisómero Atáctico

    Los grupos metilo del polipropileno están dispuestos de forma aleatoria a un lado y otro de la cadena principal.

  • Estereoisómero Isotáctico

    Los grupos metilo se encuentran siempre en el mismo lado de la cadena principal.

  • Estereoisómero Sindiotáctico

    Los grupos metilo sustituyentes están distribuidos alternativamente en uno y otro lado de la cadena principal.

De los tres, el isotáctico es el que se produce mayoritariamente a escala industrial, puesto que su alta cristalinidad le confiere mejores resistencias en general y, en particular, al calor, en comparación con los otros estereoisómeros.

Tipos Específicos de Termoplásticos

Polietileno (PE)

Existen dos tipos: el de baja densidad (PEBD) y el de alta densidad (PEAD). El de baja densidad se caracteriza por tener una estructura de cadena ramificada, menor grado de cristalinidad y densidad, mientras que el de alta densidad presenta generalmente una estructura de cadena lineal, con mayor cristalinidad y más alta resistencia.

Propiedades más sobresalientes:

  • Gran tenacidad a temperatura ambiente y bajas temperaturas
  • Resistencia mecánica suficiente para las aplicaciones de producción
  • Buena flexibilidad en un amplio rango de temperaturas
  • Excelente resistencia a la corrosión

Cloruro de Vinilo (PVC)

Es el segundo en importancia debido a su alta resistencia química y su facilidad para mezclarse con numerosos aditivos, lo que da lugar a un elevado número de compuestos con una gran variedad de propiedades físicas y químicas.

Polipropileno (PP)

Este plástico resulta interesante por su bajo precio, al obtenerse de derivados petroquímicos.

Propiedades:

  • Buena resistencia química a la humedad y calor
  • Baja densidad
  • Buena dureza superficial

Poliestireno (PS)

Este material incorpora la presencia de un anillo de fenilo que proporciona una configuración con un fuerte impedimento estérico de gran rigidez. Es fácilmente procesable, pero relativamente frágil y quebradizo.

Acrílicos (PMMA)

El polímero más extendido de este grupo es el polimetacrilato de metilo (PMMA), que es un termoplástico duro, rígido, transparente y de buena resistencia atmosférica.

Fluoroplásticos

Presentan uno o más átomos de flúor (F) en el monómero, lo que les confiere propiedades muy especiales. Destaca su uso como aislante y sus excelentes propiedades autolubricantes debido a su bajo coeficiente de fricción.

Tipos Específicos de Elastómeros

Caucho Natural

Se extrae del látex, un líquido lechoso que es una suspensión que contiene pequeñas partículas de caucho. Este se diluye y coagula formando ácido fórmico, el cual luego se deshidrata y lamina.

Caucho Sintético

Estos proporcionan el 70% de todo el caucho existente en el mundo. Los más extendidos son el estireno-butadieno (SBR), los cauchos de nitrilo (NBR) y los policloroprenos (Neopreno).

Caucho de Silicona

El átomo de silicio es capaz de formar moléculas de polímeros mediante enlaces covalentes. Los polímeros de silicona se basan en el silicio (Si) y el oxígeno (O) en la cadena principal.

Tipos Específicos de Termofijos

Resinas Fenólicas

Los plásticos fenólicos fueron los primeros desarrollados mediante la reacción del fenol con formaldehído para fabricar la baquelita. Son de bajo coste y tienen excelentes propiedades aislantes eléctricas y térmicas, aunque su uso está limitado por el color (negro y marrón). Este tipo de resinas se produce por reacciones de condensación.

Resinas Epoxi

Este tipo de polímeros generalmente no da lugar a productos de reacción cuando se produce el curado, además de presentar poca contracción. Exhiben buena adherencia a otros materiales, junto con buena resistencia química, propiedades mecánicas y un excelente comportamiento como aislante eléctrico.

Poliésteres Insaturados

Estos termoestables tienen un doble enlace de carbono muy reactivo. El enlace éster se produce por la reacción de un alcohol con un ácido orgánico. La resina poliéster se forma por la reacción de un diol (alcohol con dos grupos -OH) con un diácido, que tiene un doble enlace muy reactivo.

Ureas y Melaminas

Se producen por reacción controlada de formaldehído con compuestos que tienen el grupo amino (-NH₂). Los dos tipos de resinas más importantes son la urea-formaldehído y la melamina-formaldehído, que se producen por mecanismo de condensación, proporcionando un grupo amino en el extremo de la cadena que da lugar a una estructura reticular muy rígida con un elevado grado de entrecruzamiento. Se emplean para placas de pared y receptáculos eléctricos, adhesivos para madera, etc.