Polímeros: Fundamentos, Propiedades y Procesado Industrial de Materiales Plásticos

Química Orgánica: Conceptos Fundamentales

Introducción a la Química Orgánica

• Carbono e Hidrógeno: Elementos clave en la composición de compuestos orgánicos.
• Clasificación de Compuestos Orgánicos: Diversidad y estructura.

Grupos Funcionales Esenciales

Los grupos funcionales son átomos o conjuntos de átomos unidos a una cadena de carbono que confieren propiedades químicas específicas a las moléculas orgánicas.

• Alcoholes: Contienen el grupo hidroxilo (-OH).
• Cetonas: Poseen un grupo carbonilo (C=O) dentro de la cadena de carbono.
• Aldehídos: Contienen un grupo carbonilo (C=O) en el extremo de la cadena.
• Éteres: Caracterizados por un átomo de oxígeno unido a dos grupos alquilo o arilo.
• Ácidos Carboxílicos: Contienen el grupo carboxilo (-COOH).
• Aminas: Derivados del amoníaco, con nitrógeno unido a grupos orgánicos.
• Amidas: Contienen un grupo carbonilo unido a un nitrógeno.
• Ésteres: Derivados de ácidos carboxílicos, donde el hidrógeno del grupo -OH es reemplazado por un grupo alquilo o arilo.

Polímeros: Definición, Clasificación y Propiedades

Conceptos Fundamentales de Polímeros

• Ejemplos de Polímeros: Materiales omnipresentes en la vida cotidiana.
• Definición de Polímeros y Polimerización: Proceso de formación de macromoléculas.

Clasificación de Polímeros

Los polímeros pueden clasificarse según diversos criterios:

• Según su Origen: Naturales, sintéticos o semisintéticos.
• Según la Temperatura: Termoplásticos, termoestables o elastómeros.
• Según los Monómeros: Homopolímeros o copolímeros.
• Según la Química de Polimerización: Adición, condensación, apertura de anillo, etc.
• Según la Estructura: Lineales, ramificados, entrecruzados, etc.
• Según la Funcionalidad: Adhesivos, recubrimientos, fibras, plásticos, etc.
• Según el Crecimiento Molecular: Polimerización por etapas o por cadenas.

Grado de Polimerización y Peso Molecular

• Crecimiento en Etapas y Cadenas: Mecanismos de formación de polímeros.
• Grado de Polimerización: Número promedio de unidades monoméricas en una cadena polimérica.
• Peso Molecular: Medida de la masa de una molécula de polímero.
• Peso Molecular (II): Consideraciones adicionales sobre la distribución del peso molecular.

Propiedades Térmicas de los Polímeros

Las propiedades térmicas son cruciales para el procesamiento y la aplicación de los polímeros.

• Temperatura de Transición Vítrea (Tg): Temperatura a la cual un polímero amorfo pasa de un estado vítreo (rígido y frágil) a un estado gomoso (flexible).
• Temperatura de Fusión (Tm): Temperatura a la cual un polímero cristalino pasa de un estado sólido a un estado líquido.
• Temperatura de Descomposición: Temperatura a la cual el polímero comienza a degradarse químicamente.
• Temperatura de Fluidez: Temperatura a la cual el polímero comienza a fluir bajo una carga.
• Temperatura de Fluidez (II): Aspectos adicionales de la fluidez en polímeros.

Propiedades Mecánicas y Reológicas de los Plásticos

Comportamiento Mecánico y de Flujo

• Procesado por Inyección: Un método común que depende de las propiedades reológicas.
• Deformación Elástica: Capacidad de un material para recuperar su forma original después de ser deformado.
• Pérdida de Viscosidad: Reducción de la resistencia al flujo de un material.
• Fluidos Tixotrópicos y Pseudoplásticos: Tipos de fluidos no newtonianos con viscosidad dependiente del esfuerzo cortante.
• Propiedades Mecánicas de los Plásticos: Resistencia a la tracción, impacto, dureza, etc.

Métodos de Procesado de Polímeros

Diversas técnicas permiten transformar los polímeros en productos finales.

Técnicas de Procesado Comunes

• Extrusión: Proceso continuo para producir perfiles, láminas o tubos.
• Extrusión (II): Variaciones y aplicaciones del proceso de extrusión.
• Gráfico de Extrusión: Representación visual de las etapas del proceso.
• Sección del Tornillo de Extrusión: Componente clave que transporta, funde y mezcla el polímero.
• Soplado: Proceso para fabricar objetos huecos como botellas.
• Soplado (II): Tipos y consideraciones del moldeo por soplado.
• Rotomoldeo: Proceso para fabricar objetos huecos grandes y complejos.
• Rotomoldeo (II): Ventajas y limitaciones del rotomoldeo.
• Rotomoldeo (III): Aplicaciones específicas del rotomoldeo.
• Termoformado: Proceso para dar forma a láminas de plástico calentadas.
• Termoformado (II): Variantes y usos del termoformado.
• Inyección: Proceso para fabricar piezas complejas con alta precisión.

Definiciones Clave en la Ciencia de Polímeros

¿Qué son los Polímeros?

79 Polímeros: Del griego poli (muchos) y meros (partes), son macromoléculas (de alto peso molecular) que forman cadenas de diversas formas. Están compuestas por una unidad estructural repetitiva, llamada monómero. Los monómeros que forman las cadenas pueden ser miles o millones.

Crecimiento en Cadena y Radicales Libres

80 Crecimiento en Cadena Radical o Radical Libre: Es una especie química (orgánica o inorgánica) caracterizada por poseer uno o más electrones desapareados. Se forma en reacciones químicas a partir de la ruptura homolítica de una molécula y, en general, es extremadamente inestable y, por tanto, con gran poder reactivo y vida media muy corta (milisegundos).

Ruptura Homolítica

81 Ruptura Homolítica: Es la ruptura de un enlace covalente en la que cada átomo participante del enlace retiene un electrón del par enlazante.

Polímeros Estereorregulares y Copolimerización

Polímeros Estereorregulares

La estereorregularidad le confiere al polímero propiedades favorables, como la cristalinidad. Se clasifican en:

• Atácticos: Sin orden estereoquímico regular.
• Isotácticos: Todos los grupos laterales están en el mismo lado de la cadena principal.
• Sindiotácticos: Los grupos laterales alternan regularmente de lado en la cadena principal.

Para producirlos se utilizan catalizadores organometálicos (reacción de Ziegler-Natta). Los catalizadores se unen a los dobles enlaces formando intermediarios y acomodando los monómeros que se agregan a la cadena.

El Polipropileno: Un Caso de Estudio

El polipropileno solo se fabrica con los catalizadores de Ziegler-Natta. El isotáctico es altamente cristalino y se usa para decoración de interiores, cajas de baterías, sillas de plástico, etc. Es lineal, no ramificado, muy cristalino, de mayor densidad y muy duro. Se usa para recipientes de paredes delgadas (blanqueadores, detergentes), utensilios de hogar, juguetes, etc.

Copolimerización: Diversidad en Polímeros

En la copolimerización se utilizan monómeros diferentes con el objeto de favorecer la variedad y utilidad del polímero formado. Tipos de copolímeros (considerando solo dos monómeros):

• Aleatorio: A y B tienen igual reactividad hacia los radicales.
• Alternado: A reacciona con B más rápido que con A, o B reacciona con A más rápido que con B.
• En Bloque: Se inicia la polimerización de A, luego se agrega B, luego A y así sucesivamente.
• Ramificado: Se usa un grupo funcional que forme un homopolímero.