Materiales sintéticos (polímeros)

En la búsqueda de nuevos materiales, el ser humano ha logrado la producción de materiales sintéticos a partir de materiales orgánicos (principalmente hidrocarburos) presentes en la naturaleza. Estos materiales contienen principalmente carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre, y se conocen como materiales poliméricos. Los polímeros o materiales sintéticos tienen una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la fabricación de electrodomésticos, juguetes, embalajes, bolsos y maletas, calzado, mesas y sillas, mangueras y tuberías de agua, materiales de recubrimiento como pinturas para protección contra la corrosión y decoración, neumáticos para automóviles y, finalmente, como polímeros de ingeniería con alta resistencia incluso a temperaturas relativamente altas en la fabricación de componentes de maquinaria.

Ventajas de los polímeros

Los polímeros poseen propiedades físicas y mecánicas relativamente buenas y útiles. Tienen una baja densidad y buena estabilidad química. Algunos son transparentes y pueden sustituir al vidrio. La mayoría de los polímeros son aislantes eléctricos. Sin embargo, también existen algunos polímeros que son conductores eléctricos en cierta medida. El aislamiento de los polímeros está relacionado con los enlaces covalentes entre los átomos de las cadenas moleculares. Sin embargo, investigaciones recientes han demostrado que es posible crear conductividad eléctrica a lo largo del eje de las moléculas. Este tipo de polímeros se componen básicamente de poliestireno.

Dopaje de polímeros

Mediante la infiltración de elementos como metales alcalinos o halógenos (proceso de dopaje) en las cadenas moleculares del poliestireno, se obtienen semiconductores poliméricos de tipo N y P, respectivamente. La adición de elementos o dopaje permite que los electrones se muevan a lo largo de los átomos de carbono en la cadena. El teflón es un material polimérico que se utiliza como recubrimiento para evitar que los alimentos se peguen a los utensilios de cocina debido a su bajo coeficiente de fricción.

Estructura de los polímeros

La mayoría de los polímeros comunes se obtienen mediante la polimerización de moléculas orgánicas simples llamadas monómeros. Por ejemplo, el polietileno (PE) es un polímero que se obtiene por polimerización mediante la adición (combinación) de varias moléculas de etileno. Cada molécula de etileno se denomina monómero. Con la combinación adecuada de calor, presión y catalizador, el doble enlace entre los átomos de carbono se rompe y se reemplaza por un enlace covalente simple. Los dos extremos libres de este monómero se convierten en radicales libres, de modo que cada átomo de carbono posee un electrón que puede unirse a otros radicales libres. Por lo tanto, existen dos sitios (relacionados con el átomo de carbono) en el etileno donde se pueden unir otras moléculas.

Esta molécula reactiva es el componente básico de los polímeros y se denomina unidad repetitiva (o monómero). La unidad repetitiva se repite muchas veces a lo largo de la cadena de la molécula polimérica. La longitud promedio del polímero depende del grado de polimerización, es decir, del número de unidades repetitivas en la cadena molecular del polímero.

Por consiguiente, la relación entre la masa molecular del polímero y la masa molecular de la unidad repetitiva se define como grado de polimerización. A medida que la cadena molecular se alarga (siempre que las moléculas se unan únicamente mediante fuerzas intermoleculares), aumentan tanto la resistencia térmica como la resistencia a la tracción de los materiales poliméricos.

Proceso de polimerización

En general, el proceso de polimerización puede llevarse a cabo de diferentes maneras, como por adición, por etapas, etc. En la polimerización aditiva, se añaden varias unidades repetitivas entre sí para producir una molécula más grande llamada polímero. En este tipo de polimerización, en la primera etapa, se crean radicales libres al aplicar energía (térmica o lumínica) a moléculas de etileno con un doble enlace, rompiéndolo.

Luego, los radicales libres se añaden a las unidades repetitivas para formar centros activos llamados iniciadores, y cada uno de estos centros se une a otras unidades repetitivas, continuando así el crecimiento del polímero. Teóricamente, el grado de polimerización por adición puede ser ilimitado, en cuyo caso se forma una molécula de cadena muy larga al unir un gran número de unidades repetitivas entre sí.

Sin embargo, en la práctica, el crecimiento de la cadena no ocurre indefinidamente. Cuanto mayor sea el número de centros activos o iniciadores formados, mayor será el número de cadenas y, por consiguiente, menor será su longitud, lo que explica por qué cambian las propiedades de los polímeros. Por supuesto, la velocidad de crecimiento también afecta la longitud de las cadenas. Cuando todas las unidades y cadenas repetitivas se conectan entre sí, el crecimiento finaliza.

Otro método de polimerización es la polimerización por etapas, en la que los monómeros reaccionan químicamente entre sí para formar polímeros lineales. En muchas reacciones de polimerización por etapas, se forma una molécula pequeña como subproducto. Este tipo de reacción a veces se denomina polimerización por condensación.