Estructura y Transición Vítrea en Polímeros: Propiedades y Comportamiento Térmico

Configuración Estructural en Polímeros

La configuración es la ordenación en el espacio de los sustituyentes en torno a un átomo en particular. Un ejemplo representativo es el polipropileno.

Tipos de Configuración: Isotáctica, Sindiotáctica y Atáctica

En las moléculas del ejemplo (polipropileno), la ordenación se clasifica de la siguiente manera:

• Isotáctica: Los grupos sustituyentes (-CH₃) quedan todos por encima o por debajo del plano.
• Sindiotáctica: Los grupos sustituyentes quedan alternativamente por encima y por debajo del plano.
• Atáctica: Los grupos se encuentran distribuidos al azar.

Clasificación de los Polímeros según su Ordenación

Los polímeros pueden presentar las siguientes estructuras:

• a) Sin patrón de ordenación: Polímeros que presentan ramificaciones, copolímeros con cantidades significativas de dos o más monómeros y los atácticos.
• b) Semicristalinos: Presentan regiones en las que hay moléculas ordenadas y otras en las que no existe ningún tipo de ordenación.
• c) Ordenados: (Nunca al 100%). Son aquellos formados por moléculas que son química y geométricamente regulares.

Transición Vítrea (T_g) y Cristalinidad

Las propiedades de los polímeros dependen de su cristalinidad. Los sólidos de compuestos de bajo peso molecular suelen ser cristalinos, donde las moléculas están ordenadas. Sin embargo, en los polímeros el orden nunca es total, coexistiendo partes cristalinas y amorfas. El porcentaje de cada una define el grado de cristalinidad, que va de 0 (amorfa) al 95% (cristalina).

Ejemplos de Comportamiento según la T_g

• Si un polímero tiene una T_g de -30ºC (caso del polidimetilsiloxano, PDMS), a temperatura ambiente es un líquido que fluye con mayor o menor velocidad.
• Si la T_g es de 100ºC (como en el polimetacrilato de metilo, PMMA), a temperatura ambiente será un sólido rígido.

Transiciones Térmicas en Materiales Poliméricos

En estado líquido o fundido, las moléculas de los polímeros se encuentran como ovillos. Las transiciones térmicas están ligadas a la estructura interna y sus valores son característicos para cada material.

Clasificación de las Transiciones Térmicas

• Transición vítrea (T_g)
• Fusión (T_m)
• Cristalización (T_c)
• Degradación (T_d)

La Transición Vítrea: Impacto en las Propiedades Físicas

¿Por qué cuando dejamos un objeto de plástico expuesto al frío en invierno se quiebra o se rompe más fácilmente que en verano? La razón es que ha tenido lugar la transición vítrea sólido-sólido. Este fenómeno es característico de cada polímero y provoca un cambio importante en sus propiedades:

• A temperaturas < T_g: Se vuelven duros, rígidos y quebradizos (sus propiedades se asemejan a los vidrios).
• A temperaturas > T_g: Son blandos, gomosos y se comportan como un líquido viscoso con propiedades semejantes a los cauchos.

Esquema: Sólido duro resistente quebradizo ← T_g → Sólido blando plástico

Aplicaciones según la T_g

• Plásticos utilizados por debajo de su T_g: Poliestireno y Metacrilato (ambos con T_g sobre los 100ºC).
• Elastómeros (usados a T > T_g): Poliisopreno y Poliisobutilenos. Se utilizan en su estado gomoso, donde son blandos y flexibles.