Polmeros y Cermicos

Autor: Manuel Aaron Lopez Perez2015

La palabra polmero significa literalmente muchas unidades. Por material slido polimrico se considera aquel que contiene muchas partes o unidades enlazadas entre s qumicamente hasta formar un slido. La polimerizacin es el proceso mediante el cual pequeas molculas de una sola unidad (monmeros) o de unas cuantas unidades (oligmeros) se unen qumicamente para crear molculas gigantes; esto por lo comn, comienza con la produccin de largas cadenas en las cuales los tomos estn fuertemente vinculados mediante un enlace covalente.Los plsticos son un grupo amplio y variado de materiales sintticos, compuestos principalmente de polmeros de origen natural y modificado o de polmeros hechos artificialmente que a veces contienen aditivos como fibras, pigmentos y otros similares que mejoran sus propiedades. Los materiales cermicos son materiales inorgnicos no metlicos, constituidos por elementos metlicos y no metlicos enlazados principalmente mediante enlaces ionicos y/o covalentes. Las propiedades de los materiales cermicos tambin varan mucho debido a diferencias en los enlaces. Estos materiales son tpicamente duros y frgiles, con baja tenacidad y ductilidad. Los materiales cermicos se comportan usualmente como buenos aislantes elctricos y trmicos debido a la ausencia de electrones conductores.

Termoplsticos, termofijos y elastmeros.

Termoplsticos:Estn formados de largas cadenas producidas al unir los monmeros; comnmente se comportan de una manera plstica y dctil. Las cadenas pueden o no estar ramificadas. Las cadenas individuales estn entrelazadas. Entre los tomos de cadenas diferentes existen enlaces de Van der Waals relativamente dbiles. Muchos termoplsticos poseen una larga cadena principal de tomos de carbono unidos covalentemente. A veces existen tomos de nitrgeno, oxigeno o azufre; unidos por enlace covalente en la cadena molecular principal, a esta cadena tambin se le pueden unir tomos o grupo de tomos covalentemente. En los termoplsticos las cadenas se pueden desenlazar mediante la aplicacin de un esfuerzo a la tensin. Los termoplsticos pueden ser amorfos o cristalinos. Al calentarse se ablandan y se funden. Para ser conformados requieren la aplicacin de calor previo al enfriamiento que les confiere de forma definitiva. Estos materiales pueden ser recalentados y reformados en nuevas formas varias veces, sin sufrir cambios significativos en sus propiedades.

[Imagen]

Reacciones de polimerizacinLa mayor parte de los termoplsticos se sintetizan por el proceso de polimerizacin por crecimiento de cadena. En este proceso muchas pequeas molculas se enlazan covalentemente para construir cadenas moleculares muy largas. Esas molculas simples ligadas covalentemente en largas cadenas se llaman monmeros. La molcula de cadena larga formada por las unidades de monmeros se llama polmero.Las cadenas polimricas tambin pueden formarse mediante reacciones de condensacin, o polimerizacin de crecimiento por pasos, produciendo estructuras y propiedades parecidas a las de los polmeros por crecimiento de cadena.

Polimerizacin por adicin o crecimiento de cadenas:La formacin del polmero ms comn, el polietileno, a partir de molculas de etileno, es un ejemplo de polimerizacin por adicin. El etileno (Gas), es el monmero y tiene cmo formula C2H4. Los dos tomos de carbono estn unidos por un enlace covalente doble. Cada tomo de carbono comparte dos de sus electrones con el otro tomo de carbono, y dos tomos de hidrogeno estn unidos o enlazados con cada uno de los tomos de carbono.

En presencia de una combinacin apropiada de calor, presin y catalizadores, se rompe el enlace doble entre los tomos de carbono, y es reemplazado por un enlace covalente simple. Los extremos del monmero son ahora radicales libres; cada tomo de carbono tiene un electrn sin aparear que puede compartir con otros radicales libres.

Etapas en una polimerizacin en cadenaLas reacciones para una polimerizacin en cadena de monmeros como el etileno para la formacin de polmeros lineales como el polietileno pueden dividirse en las siguientes etapas: 1.- Iniciacin: Para empezar la adicin, se aade un iniciador al monmero (catalizador). Este forma radicales libres con un sitio reactivo, que atrae a uno de los tomos de carbono de un monmero de etileno. Cuando ocurre esta reaccin, el sitio reactivo se transfiere al otro tomo de carbono del monmero y se empieza a formar una cadena. Una segunda unidad de repeticin de etileno se puede fijar en este nuevo sitio, alargndose la cadena.

2.- Propagacin: Una vez iniciada la cadena se unen a gran velocidad unidades de repeticin a cada cadena, quizs a varios miles de adiciones por segundo. Cuando la polimerizacin est casi terminada, los pocos monmeros restantes deben recorrer grandes distancias antes de alanzar a un sitio activo en el extremo de alguna cadena y, en consecuencia, la velocidad de crecimiento disminuye.

3.- Terminacin: En la etapa de terminacin puede concluir el crecimiento de la cadena por la adicin de un radical libre de acabado o cuando dos cadenas en crecimiento se combinan. En el primer caso, el extremo activo de una cadena puede quitar un tomo de hidrgeno de otra mediante un proceso conocido como desproporcionalizacin; esta reaccin formar dos cadenas. En el segundo caso, los extremos de las dos cadenas en crecimiento pueden unirse. Este proceso, conocido como combinacin genera una sola cadena larga a partir de dos ms cortas.

Formacin de cadenas por el mecanismo de condensacinEl mecanismo de la polimerizacin por pasos requiere que por lo menos dos monmeros distintos participen en la reaccin. La polimerizacin del dimetiltereftalato y del etilenglicol para la produccin del polister es un ejemplo importante. Durante la polimerizacin, un tomo de hidrgeno en el extremo de un monmero de etilenglicol se combina con un grupo de OCH3 del dimetiltereftalato. Se genera un subproducto: el alcohol metlico, y los dos monmeros se combinan para producir una molcula ms grande. Cada uno de los monmeros es bifuncional, y puede continuar la polimerizacin por pasos mediante la misma reaccin. Finalmente se produce una cadena larga de polmero (polister). La longitud de la cadena del polmero depende de la facilidad con la cual se pueden difundir los monmeros hacia los extremos e invertir en la reaccin de condensacin. El crecimiento de la cadena termina cuando ya no llegan ms monmeros al extremo de las cadenas para continuar a reaccin.

Deformacin y falla de los polmeros termoplsticos

Cuando a un polmero termoplstico se le aplica una fuerza externa, ocurren a la vez deformaciones elsticas y plsticas. El comportamiento mecnico est ntimamente ligado a la manera en que las cadenas del polmero se mueven entre s bajo carga. La deformacin es ms complicada en los polmeros termoplsticos que en la mayora de los metales y de los materiales cermicos, ya que el proceso de deformacin depende del tiempo y de la rapidez de aplicacin de la carga. Comportamiento elstico: En estos polmeros, la deformacin elstica es resultado de dos mecanismos. Un esfuerzo aplicado hace que se estiren y distorsionen en los enlaces covalentes de las cadenas, permitiendo que stas se alarguen elsticamente.

Viscoelasticidad: La capacidad de un esfuerzo para provocar el deslizamiento de cadenas y la deformacin plstica est relacionada con el tiempo y la rapidez de deformacin. Si el esfuerzo se aplica lentamente, las cadenas se deslizan fcilmente una al lado de otra; si se aplica con rapidez, no ocurre deslizamiento y el polmero se comporta de manera frgil.

Termofijos: Estn constituidos por largas cadenas (lineales o ramificadas) de molculas que estn fuertemente unidas por enlaces cruzados (entrelazados) para formar estructuras de redes tridimensionales.Los termoestables por lo general son ms resistentes, aunque ms frgiles que los termoplsticos. Los termoestables no se funden al calentarse, si no que empiezan a desintegrarse. No son fciles de reprocesar despus de que las reacciones de enlaces cruzados han tenido lugar y, por tanto, su reciclaje es difcil. Los plsticos termoestables poseen una estructura molecular en red de enlaces covalente primarios. Algunos plsticos termoestables generan entrecruzamiento por el calor o mediante una combinacin entre calor y presin. Otros pueden entrecruzarse por una reaccin qumica a temperatura ambiente. Aunque las piezas curadas hechas de plsticos termoestables pueden ablandase por el calor, el entrecruzamiento de sus enlaces covalentes evita que vuelvan al estado fluido que exista antes de que la resina plstica se curase. Los plsticos termoestables no pueden recalentarse y refundirse como podan hacerlo los termoplsticos. Esta es una desventaja para los plsticos termoestables puesto que las piezas procesadas no pueden reciclarse y reutilizarse. En general, las ventajas de los plsticos termoestables para las aplicaciones en ingeniera son: 1. Alta estabilidad trmica2. Alta rigidez 3. Alta estabilidad dimensional 4. Resistencia a la fluencia y a la deformacin bajo carga5. Bajo peso6. Buenas propiedades como aislante elctrico y trmico Fenlicos: Los fenlicos, que son los termoestables de uso ms comn, se utilizan frecuentemente como adhesivos, recubrimientos, laminados y componentes moldeados para aplicaciones elctricas o de motores. Una reaccin de condensacin que une las molculas de fenol y de formaldehdo producen la resina inicial fenlica lineal. El tomo de oxgeno en la molcula de formaldehdo reacciona con un tomo de hidrgeno en cada una de dos molculas de fenol, liberndose agua como subproducto. Acto seguido, las molculas de fenol se unen mediante el tomo de carbono restante en el formaldehdo. Este proceso contina, hasta que se forma una cadena lineal de fenol formaldehido. Sin embargo, el fenol es trifuncional; una vez formada la cadena, en cada anillo de fenol existe un tercer sitio para el enlace cruzado con cadenas adyacentes. Aminas:

Las aminorresinas, producidas por combinacin de urea o monmeros de melamina con formaldehido son similares a las fenlicas. Los monmeros se unen mediante un enlace de formaldehido para producir cadenas lineales. El formaldehido excedente proporciona los enlaces cruzados necesarios para generar polmeros fuertes y rgidos, adecuados para usos como adhesivos, laminados y material de moldeo para utensilios de cocina, y equipo elctrico como cortacircuitos, interruptores, contactos o placas de pared.

Uretanos:

Dependiendo del grado de enlaces cruzados, los uretanos se comportan como polmeros termoestables, como polmeros termoplsticos o como elastmeros. Estos polmeros encuentran aplicaciones como fibras, recubrimientos y espumas para muebles, colchones y aislamientos.

Polisteres:

Los polisteres forman cadenas de molculas de cido y alcohol mediante una reaccin de condensacin, dando como subproducto agua. Cuando estas cadenas contienen enlaces no saturados, una molcula de estireno puede proporcionar el enlace cruzado. Los polisteres se utilizan como material para moldes o para vaciado en una diversidad de aplicaciones elctricas, laminados decorativos, lanchas y equipo marino, y como matriz de materiales compuestos, como la fibra de vidrio.

Epxicos:

Los epxicos son polmeros termoestables, formados por molculas que contiene un anillo cerrado CO---C. Durante la polimerizacin, los anillos C---O---C se abren y los enlaces se reacomodan para unir las molculas. El ms comn de los epxicos comerciales se basa en bisfenol A, al cual se le han agregado dos unidades de epxico. Estas cadenas se polimerizan para producir cadenas y a continuacin se les hace reaccionar con agentes que aceleran el curado, que proporcionan los enlaces cruzados.

Poliimidas:

Las poliimidas presentan una estructura en anillo que contiene un tomo de nitrgeno. Un grupo especial, las bismaleimidas (BMI) son importantes en las industrias de aeronaves y aeroespacial. Pueden operar de manera continua a temperaturas de 175C y no se descomponen hasta llegar a los 460C.

Elastmeros: Los elastmeros o cauchos son materiales polmeros cuyas dimensiones pueden cambiar grandemente cuando se les aplica una tensin y que vuelven a sus dimensiones originales (o casi) cuando se elimina la tensin. Hay muchos tipos de materiales elastomricos. Cauchos naturales:Algunos monmeros, con estructuras diferentes aunque tengas una misma composicin, se conocen como ismeros geomtricos. El isopreno o caucho natural es un ejemplo importante. El monmero incluye dos enlaces dobles entre tomos de carbono; este tipo de monmero se conoce como un dieno. La polimerizacin ocurre al romper los dos enlaces dobles, creando en el centro de la molcula un enlace doble nuevo y sitios activos en ambos extremos. En la forma trans del isopreno, el tomo de hidrgeno y el grupo metilo en el centro de la unidad de repeticin se localizan en lados opuestos del enlace doble recin formado. Este arreglo forma cadenas relativamente rectas; el polmero cristalino forma un polmero rgido duro, que se llama gutapercha.

En esta estructura el grupo metilo y el tomo de hidrgeno enlazados a la estructura doble no interfieren entre s y por ello la molcula de trans es ms simtrica y puede cristalizar en un material rgido.

Sin embargo, en la forma cis, el tomo de hidrgeno y el grupo metilo se localizan en el mismo lado del enlace doble. Esta geometra diferente hace que las cadenas polimricas se desarrollen con una estructura altamente enroscada, evitando una gran compactacin y generando un polmero cauchtico amorfo. Si al cis isopreno se le aplica un esfuerzo, el polmero se comporta de manera visco elstica. Las cadenas se desenroscan y los enlaces se estiran produciendo una deformacin elstica, pero las cadenas tambin se deslizan entre s, produciendo una deformacin plstica no recuperable. El polmero se comporta como un termoplstico en vez de elastmero.

Cauchos Sintticos:

Caucho de estireno-butadieno:

El caucho sinttico ms importante y el ms ampliamente utilizado es el caucho de estireno-butadieno, un copolmero de estireno y butadieno. Puesto que los meros de butadieno contienen dobles enlaces, el copolmero puede vulcanizarse con azufre por ligamento entrecruzado.