Polimeros

Los polímeros, ya sean artificiales (como el plástico) o naturales, están hechos de cadenas repetitivas de unidades químicas más pequeñas, llamadas Monomeros. Los polímeros se encuentran en la naturaleza y se pueden fabricar para satisfacer necesidades específicas.

¿Qué son los Polimeros?

Los polímeros están en todas partes sólo mira a tu alrededor, tu botella de agua de plástico. Las almohadillas de goma de silicona de los auriculares del teléfono. El nylon y el poliéster en tu chaqueta o zapatillas.

Usos de los polimeros

Muchas proteínas en su cuerpo también son polímeros. Considere la queratina, el material del que está hecho su cabello y sus uñas. Incluso el ADN de sus células es un polímero.

Por definición, los polímeros son moléculas grandes que se forman uniendo (uniendo químicamente) una serie de bloques de construcción. La palabra polímero viene de las palabras griegas para “muchas partes”.

Cada una de esas partes es llamada monomero (que en griego significa “una parte”). Piense en un polímero como una cadena, con cada uno de sus eslabones como un monómero.

Esos monómeros pueden ser simples -sólo un átomo o dos o tres- o pueden ser estructuras complicadas en forma de anillo que contienen una docena o más de átomos.

ADN y polimeros

El ADN, el almacén de información genética de la vida, es una larga molécula hecha de una serie de unidades químicas más pequeñas y repetitivas. Como tal, es un polímero natural.

En algunos casos, los polímeros forman redes de ramificación en lugar de cadenas individuales. Independientemente de su forma, las moléculas son muy grandes. Son tan grandes, de hecho, que los científicos las clasifican como macromoléculas.

Las cadenas de polímeros pueden incluir cientos de miles de átomos, incluso millones. Cuanto más larga sea una cadena de polímeros, más pesada será. Y, en general, los polímeros más largos darán a los materiales fabricados a partir de ellos una mayor temperatura de fusión y de ebullición.

Ejemplos de Polimeros

La lana, el algodón y la seda son materiales naturales a base de polímeros que se han utilizado desde la antigüedad. La celulosa, el principal componente de la madera y el papel, también es un polímero natural.

Otras incluyen las moléculas de almidón producidas por las plantas. He aquí un hecho interesante: Tanto la celulosa como el almidón están hechos del mismo monómero, la glucosa del azúcar. Sin embargo, tienen propiedades muy diferentes.

Los seres vivos construyen proteínas -un tipo particular de polímero- a partir de monómeros llamados aminoácidos. Aunque los científicos han descubierto unos 500 aminoácidos diferentes, los animales y las plantas utilizan sólo 20 de ellos para construir sus proteínas.

En el laboratorio, los químicos tienen muchas opciones a la hora de diseñar y construir polímeros. Los químicos pueden construir polímeros artificiales a partir de ingredientes naturales. O pueden usar aminoácidos para construir proteínas artificiales como ninguna otra hecha por la madre naturaleza.

Con mayor frecuencia, los químicos crean polímeros a partir de compuestos fabricados en el laboratorio.

Propiedades de los Polimeros

La definición más simple de un polímero es un producto químico útil hecho de muchas unidades que se repiten. Un polímero puede ser una red tridimensional (piense en las unidades repetidoras unidas entre sí a la izquierda y a la derecha, al frente y atrás, arriba y abajo) o una red bidimensional o unidimensional.

Cada unidad de repetición es la “-mer” o unidad básica con “poly-mer” que significa muchas unidades de repetición. Las unidades de repetición a menudo están hechas de carbono e hidrógeno y a veces de oxígeno, nitrógeno, azufre, cloro, flúor, fósforo y silicio.

Para hacer la cadena, muchos eslabones o “-mers” son químicamente enganchados o polimerizados juntos. Enlazar incontables tiras de papel de construcción para hacer guirnaldas de papel o enganchar cientos de clips para formar cadenas, o encadenar cuentas ayuda a visualizar los polímeros.

Fabricación de Polímeros

Los polímeros fabricados también pueden ser cadenas unidimensionales que pueden fundirse.Estas cadenas son polímeros termoplásticos y también se denominan polímeros lineales. Las botellas, películas, vasos y fibras de plástico son plásticos termoplásticos.

Los polímeros abundan en la naturaleza. Los últimos polímeros naturales son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN) que definen la vida. La seda de araña, el pelo y el cuerno son polímeros de proteínas.

El almidón puede ser un polímero como la celulosa en la madera. El látex del árbol de caucho y la celulosa se han utilizado como materia prima para fabricar caucho polimérico y plásticos. El primer plástico sintético fabricado fue la baquelita, creada en 1909 para la carcasa del teléfono y los componentes eléctricos.

La primera fibra polimérica fabricada fue el Rayón, de celulosa, en 1910. El nylon fue inventado en 1935 mientras perseguía una seda de araña sintética.

La anatomía de un polímero

Las estructuras de polímeros pueden tener dos componentes diferentes. Todo comienza con una cadena básica de eslabones unidos químicamente. Esto a veces se llama su columna vertebral. Algunos también pueden tener partes secundarias que cuelgan de algunos (o todos) los eslabones de la cadena.

Uno de estos puede ser tan simple como un solo átomo. Otros pueden ser más complejos y se denominan grupos colgantes. Esto se debe a que estos grupos cuelgan de la cadena principal del polímero de la misma manera que los amuletos individuales cuelgan de la cadena de un brazalete.

A veces los grupos de colgantes, en lugar de colgar flojos de una cadena de polímeros, en realidad conectan dos cadenas juntas. (Piense en esto como un peldaño que se extiende entre las piernas de una escalera.)

Los químicos se refieren a estos lazos como enlaces cruzados. Tienden a fortalecer un material (como un plástico) hecho de este polímero. También hacen que el polímero sea más duro y más difícil de fundir. Sin embargo, cuanto más largos sean los enlaces cruzados, más flexible será el material.

Enlaces a Polímeros

Un enlace químico es lo que mantiene los átomos juntos en una molécula y algunos cristales. En teoría, cualquier átomo que pueda formar dos enlaces químicos puede formar una cadena; es como necesitar dos manos para enlazar con otras personas y formar un círculo. (El hidrógeno no funcionaría porque sólo puede formar un enlace.)

Pero los átomos que típicamente forman sólo dos enlaces químicos, como el oxígeno, no suelen formar cadenas largas similares a polímeros. Por qué? Una vez que el oxígeno forma dos enlaces, se vuelve estable.

Esto significa que sus dos “manos extendidas” ya están tomadas. No queda ninguno para sostener un grupo colgante.

Dado que muchos átomos que forman parte de la columna vertebral de un polímero generalmente tienen al menos un grupo pendiente, los elementos que típicamente aparecen en la cadena del polímero son los que se estabilizan con cuatro enlaces, como el carbono y el silicio.

La estructura de los polímeros

Muchas clases comunes de polímeros están compuestas de hidrocarburos, compuestos de carbono e hidrógeno. Estos polímeros están hechos específicamente de átomos de carbono unidos entre sí, de uno a otro, en largas cadenas que se denominan la columna vertebral del polímero.

Debido a la naturaleza del carbono, uno o más átomos pueden estar unidos a cada átomo de carbono en la columna vertebral. Hay polímeros que sólo contienen átomos de carbono e hidrógeno. El polietileno, el polipropileno, el polibutileno, el poliestireno y el polimetilpenteno son ejemplos de ello.

El cloruro de polivinilo (PVC) tiene cloro adherido a la columna vertebral de carbono. El teflón tiene flúor adherido a la columna vertebral de carbono.

Otros polímeros manufacturados comunes tienen espinas dorsales que incluyen elementos que no son carbono. Los nilones contienen átomos de nitrógeno en la columna vertebral de la unidad de repetición. Los poliésteres y policarbonatos contienen oxígeno en la columna vertebral.

Disposición molecular de los polímeros

Piensa en cómo se ven los fideos con espagueti en un plato. Estos son similares a cómo se pueden organizar los polímeros lineales si carecen de un orden específico, o si son amorfos.

El control del proceso de polimerización y el enfriamiento de polímeros fundidos puede resultar en una organización amorfa. Un arreglo amorfo de moléculas no tiene un orden o forma de largo alcance en el que las cadenas de polímeros se ordenen a sí mismas. Los polímeros amorfos son generalmente transparentes.

Esta es una característica importante para muchas aplicaciones como envoltorios de alimentos, ventanas de plástico, lentes para faros y lentes de contacto.

Obviamente no todos los polímeros son transparentes. Las cadenas de polímeros en los objetos que son translúcidos y opacos pueden estar en una disposición cristalina. Por definición, un arreglo cristalino tiene átomos, iones o, en este caso, moléculas dispuestas en distintos patrones.

Otras consideraciones de los Polímeros

Algunos polímeros están diseñados para que nunca puedan cristalizar. Otros están diseñados para poder cristalizarse. Cuanto mayor sea el grado de cristalinidad, en general, menos luz puede pasar a través del polímero.

Por lo tanto, el grado de translucidez u opacidad del polímero puede verse directamente afectado por su cristalinidad. La cristalinidad crea beneficios en fuerza, rigidez, resistencia química y estabilidad.

Los científicos e ingenieros siempre están produciendo materiales más útiles mediante la manipulación de la estructura molecular que afecta al polímero final producido. Los fabricantes y procesadores introducen varios rellenos, refuerzos y aditivos en los polímeros base, ampliando las posibilidades del producto.

Fabricación de los Polimeros

Los polímeros se fabrican uniendo químicamente muchas copias de grupos más simples llamados monómeros. Por ejemplo, el cloruro de polivinilo (PVC) se fabrica uniendo cadenas largas de monómeros. Está hecho de dos átomos de carbono, tres hidrógenos y un átomo de cloro.

Algunos polímeros son flexibles. Otros son muy rígidos. Sólo piense en los muchos tipos de plásticos: El material de una botella de soda flexible es muy diferente al de un tubo rígido hecho de cloruro de polivinilo (PVC).

A medida que muchos polímeros envejecen, pueden perder plastificantes en el medio ambiente. O bien, los polímeros envejecidos pueden reaccionar con otras sustancias químicas en el medio ambiente.

Estos cambios ayudan a explicar por qué algunos plásticos empiezan siendo flexibles pero luego se vuelven rígidos o quebradizos. Los polímeros no tienen una longitud definida. Por lo general, tampoco forman cristales.

Características de los polímeros

La mayoría de los polímeros fabricados son termoplásticos, lo que significa que una vez que el polímero está formado, puede ser calentado y reformado una y otra vez. Esta propiedad permite un fácil procesamiento y facilita el reciclaje.

El otro grupo, los termoestables, no pueden ser refundidos. Una vez que estos polímeros se forman, el recalentamiento hará que el material finalmente se degrade, pero no se derrita.

Cada polímero tiene características muy distintas, pero la mayoría de los polímeros tienen los siguientes atributos generales. Los polímeros pueden ser muy resistentes a los productos químicos. Considere todos los líquidos de limpieza en su casa que están empacados en plástico.

Aplicaciones de los Polimeros

La resistencia térmica es evidente en la cocina con mangos para ollas y sartenes hechos de polímeros, los mangos para cafeteras, el núcleo de espuma de refrigeradores y congeladores, tazas aisladas, refrigeradores y utensilios de cocina para microondas.

La ropa interior térmica que muchos esquiadores usan está hecha de polipropileno y la fibra de relleno en las chaquetas de invierno es de acrílico y poliéster.

Generalmente, los polímeros son muy ligeros en peso con grados significativos de resistencia. Considere la gama de aplicaciones, desde los juguetes hasta la estructura del armazón de las estaciones espaciales, o desde la delicada fibra de nylon en pantimedias hasta el Kevlar, que se utiliza en chalecos antibalas.

Algunos polímeros flotan en el agua mientras que otros se hunden. Pero, en comparación con la densidad de la piedra, el hormigón, el acero, el cobre o el aluminio, todos los plásticos son materiales ligeros.

Procesamiento de Polímeros

Los polímeros pueden ser procesados de varias maneras. La extrusión produce fibras finas o tubos pesados o películas o botellas de comida. El moldeo por inyección puede producir piezas muy complejas o grandes paneles de carrocería.

Los plásticos pueden ser moldeados en tambores o mezclados con solventes para convertirse en adhesivos o pinturas. Los elastómeros y algunos plásticos se estiran y son muy flexibles. Algunos plásticos se estiran en el proceso para mantener su forma, como las botellas de refrescos. Otros polímeros pueden ser espumados como el poliuretano o el polietileno.

La mayoría de polímeros son materiales con una gama aparentemente ilimitada de características y colores. Los polímeros tienen muchas propiedades inherentes que pueden mejorarse aún más con una amplia gama de aditivos para ampliar sus usos y aplicaciones.

Los polímeros se pueden fabricar para imitar las fibras de algodón, seda y lana; porcelana y mármol; y aluminio y zinc. Los polímeros también pueden hacer posibles productos que no proceden fácilmente del mundo natural, como láminas transparentes y películas flexibles.

Residuos producidos por los Polimeros

Al tratar todos los atributos superiores de los polímeros, es igualmente importante discutir algunos de los desafíos asociados con los materiales. La mayoría de los plásticos se deterioran a plena luz del sol, pero nunca se descomponen completamente cuando se entierran en vertederos.

Sin embargo, otros materiales como el vidrio, el papel o el aluminio tampoco se descomponen fácilmente en los vertederos. Sin embargo, algunos bioplásticos se descomponen en dióxido de carbono y agua, solamente en instalaciones comerciales de compostaje de residuos de alimentos especialmente diseñadas. No se biodegradan en otras circunstancias.

Cuando se pueden reunir suficientes artículos de plástico usados, las empresas desarrollan tecnología para reciclar esos plásticos usados. La tasa de reciclado de todos los plásticos no es tan alta como cabría esperar.

Pero, la tasa de reciclaje de las 1.170.000.000 libras de botellas de poliéster, el 23,1%, recicladas en 2005 y las 953.000.000 libras de botellas de polietileno de alta densidad, el 28,8%, recicladas en 2005, muestran que cuando la masa crítica de material definido está disponible, el reciclaje puede ser un éxito comercial2.

Aplicaciones de Polimeros reciclados

Las aplicaciones de los plásticos reciclados crecen día a día. Los plásticos reciclados pueden mezclarse con plásticos vírgenes (plásticos que no han sido procesados anteriormente) sin sacrificar sus propiedades en muchas aplicaciones.

Los plásticos reciclados se utilizan para fabricar maderas poliméricas para su uso en mesas de picnic, vallas y patios de recreo al aire libre, proporcionando así un bajo mantenimiento, productos sin astillas y ahorrando madera natural.

El plástico de las botellas de agua y de refrescos puede hilarse en fibra para la producción de alfombras o convertirse en nuevas botellas de alimentos. El reciclaje en circuito cerrado ocurre, pero a veces el uso más valioso para un plástico reciclado es en una aplicación diferente al uso original.

Combustión de Polimeros

La combustión controlada de polímeros produce energía térmica. La energía calorífica producida por la quema de residuos plásticos municipales no sólo se puede convertir en energía eléctrica, sino que también ayuda a quemar la basura húmeda que está presente.

El papel también produce calor cuando se quema, pero no tanto como los plásticos. Por otro lado, el vidrio, el aluminio y otros metales no liberan energía cuando se queman.

Para entender mejor el proceso de incineración, considere el humo que sale de un objeto en llamas. Si se encendiera el humo con una antorcha de propano encendida, se observaría que el humo desaparece.

Los polímeros afectan todos los días de nuestra vida. Estos materiales tienen características y aplicaciones tan variadas que su utilidad sólo puede ser medida por nuestra imaginación. Los polímeros son los materiales de las generaciones pasadas, presentes y futuras.

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