Polímeros y Macromoléculas: Propiedades, Síntesis y Aplicación en la Ingeniería de Materiales

Aplicaciones y Justificación de los Materiales Poliméricos

La selección de polímeros se justifica considerando las solicitaciones mecánicas a las que el material estará sometido, la facilidad de elaboración y la optimización de costes. Las principales razones para su uso generalizado incluyen:

• Reducción de peso: Lo que aumenta las prestaciones finales del producto.
• Mayor resistencia a la fricción.
• Absorción de impactos sin deformación permanente.
• Resistencia a productos químicos.
• Posibilidad de ser pintados.
• Combinación con otros materiales para mejorar la estética.
• Alta moldeabilidad.

Estructura Química Fundamental

Los polímeros son compuestos por macromoléculas de peso molecular elevado. Las partículas que se combinan para formarlos se denominan monómeros.

Procesos de Síntesis de Polímeros

La clasificación de los polímeros se basa en el proceso químico mediante el cual se forman:

1. Polimerización por Adición (o Crecimiento en Cadena)

Es el proceso mediante el cual, y a través de un catalizador, se unen varias moléculas individuales y homogéneas de un compuesto (monómero) para formar una cadena de múltiples eslabones y obtener macromoléculas. Este proceso se inicia con un catalizador y generalmente se lleva a cabo a bajas temperaturas.

Consta de tres fases:

1. Reacción de Iniciación: Se generan moléculas activadas en proporción suficiente para que se inicie la reacción.
2. Crecimiento de la Cadena: Los macrorradicales no son estables. A medida que la cadena crece, se hace más difícil que reaccione con otros monómeros y más fácil que lo haga con impurezas.
3. Reacciones de Cierre (Terminación).

2. Policondensación (o Crecimiento por Etapas)

Por este método se obtienen poliésteres y resinas fenólicas. En este proceso, dos moléculas diferentes reaccionan entre sí, dando lugar a uniones entre ellas en las que se forman macromoléculas y unos subproductos no polimerizables, como el agua.

3. Poliadicción

A través de este método se pueden obtener productos con mejores propiedades físicas y mecánicas cuando se polimerizan simultáneamente dos o más polímeros.

Clasificación y Tipos de Polímeros

La estructura molecular final determina las propiedades y la clasificación térmica del polímero:

• Lineales (Termoplásticos): Solo pueden formarse colocando un monómero detrás de otro en línea, generalmente sin ningún enlace doble significativo en la cadena principal (ejemplo: polietileno).
• Lineales con Dobles Enlaces (Elastómeros): Similares a los anteriores, pero con algún doble enlace que permite mayor flexibilidad y resistencia elástica (ejemplo: butadieno).
• Estructuras Ramificadas o Reticuladas (Termoestables): Los nuevos enlaces covalentes que se forman dan lugar a una estructura estéreo o tridimensional, formando un armazón rígido.

Termoplásticos

Están formados por macromoléculas lineales no entrelazadas. En general, son duros en frío y, al calentarlos, se reblandecen y fluyen. Sus propiedades dependen en gran medida del grado de polimerización y del proceso mecánico de su preparación.

Clasificación y Propiedades de los Termoplásticos

• Celulósicos (derivados de ácidos y sosa).
• Polietilenos y derivados (a partir del etileno y acetileno).
• Obtenidos a partir de la acetona.

Los termoplásticos más utilizados en la industria automotriz son:

• ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno)
• Poliamida (Nylon)
• Policarbonato
• Polietileno
• Polipropileno
• Cloruro de Polivinilo (PVC)
• Xenoy

Termoestables

Se denominan así porque no sufren ninguna variación en su estructura al ser calentados; ni se reblandecen ni fluyen al ser sometidos al calor, siempre que no se llegue a la temperatura de descomposición.

Clasificación y Propiedades de los Termoestables

• Derivados del fenol.
• Urea y derivados.
• Poliésteres.
• Termoestables reforzados.

Los más utilizados en la automoción son:

• GRP (Poliester Reforzado con Fibra de Vidrio)
• GFK (Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio)
• EP (Epoxi)

Elastómeros

Se caracterizan por ser blandos, elásticos y presentar cierta adherencia. Están formados por materiales macromoleculares.

Clasificación de Elastómeros

• Caucho natural y sintético.

Los más utilizados son el poliuretano y el poliuretano rígido.

Aditivos Comunes

Para modificar o mejorar las propiedades de los polímeros, se emplean diversos aditivos:

• Lubricantes
• Estabilizadores
• Absorbentes de rayos UVA
• Plastificantes
• Cargas
• Colorantes y pigmentos
• Refuerzos

Proceso de Conformado en Termoplásticos

El proceso de conformado aplica tanto a termoplásticos como a termoestables. Normalmente, la materia prima se suministra en forma de gránulos, polvos, fluidos o productos semielaborados, a los que se aplica calor externamente para darles una consistencia pastosa o para fundirlos. Una vez conformada la masa, se aplica un molde para darle la forma deseada.