Tema 5. Estructura y aplicaciones de los polímeros.

1 Ciencia de Materiales, 4 curso, 2004/2005 1 tema 5 . Estructura y aplicaciones de los pol meros. Introducci n y conceptos b sicos sobre pol meros. Tipos de pol meros y copol meros. Procesos de obtenci n de pol meros. Propiedades f sicas de los pol meros. Papel de los aditivos. Usos generales de pl sticos, elast meros, fibras y adhesivos. Introducci n y conceptos b sicos sobre pol meros. Los Materiales polim ricos est n basados en grandes mol culas con enlaces covalentes y formados por la uni n de muchas unidades simples (mon mero). Sus antecesores se puede considerar que son las macromol culas presentes en organismos, y se pueden enumerar ejemplos como el caucho, lana, algod n, etc. Los cuatro tipo de biomol culas/biopol meros (naturales) son los cidos nucleicos, prote nas, l pidos y polisac ridos. Las unidades de construcci n de esos pol meros naturales son los nucle tidos, amino cidos, cidos grasos y los az cares.

2 En este tema nos vamos a referir principalmente a los pol meros artificiales aunque se har referencia a pol meros naturales. Los mon meros son las unidades b sicas para la formaci n de materiales pl sticos, y seg n la forma en que se unan pueden dar estructuras lineales o nolineales. El proceso de polimerizaci n es una condensaci n de mon meros. Por ejemplo, el eteno polimeriza para dar el polieteno (o polietileno) y el proceso se denomina polimerizaci n por adici n. Inicialmente, los pol meros eran muy sencillos como el derivado del aldeh do fen lico para dar la bakelita. Cuando en la polimerizaci n solo interviene un nico mon mero se denomina homopol mero y cuando polimeriza una mezcla de dos o m s mon meros se denomina copolimerizaci n. La gran utilidad de los pol meros actuales se debe a que se puede sintetizar el pol mero que cumpla una serie de propiedades que se necesiten (dureza, plasticidad, densidad, etc.)

3 Esto se consigue mediante la elecci n del mon mero pero principalmente controlando: a) Grado de polimerizaci n, seg n las condiciones de s ntesis se pueden obtener longitudes de las cadenas moleculares de diferente tama o y por tanto con propiedades ligeramente diferentes. b) Entramado "branching", consiste en crear uniones entre diferentes cadenas del mismo pol mero para aumentar su dureza y punto de fusi n. Por ejemplo, en el polietileno. c) Uniones puente "cross-linking". Un ejemplo cl sico el la vulcanizaci n del caucho usando azufre. El caucho natural es el cis-poliisopreno (que es un pol mero insaturado) y cuando se a ade azufre entre 1-5 % se producen puentes de azufre entre diferentes cadenas polim ricas lo que se conoce como vulcanizado y aumenta mucho la dureza y resistencia al desgaste. El producto de vulcanizaci n completa (40 %) es la ebonita y es un s lido duro y r gido. Tipos de pol meros y copol meros.

4 Los pol meros se clasifican en funci n de sus propiedades f sicas en varios tipos. Termopl sticos cuyo nombre procede de dos palabras griegas termos que significa <caliente> y plastikos que significa <moldeable>. Estos pol meros Ciencia de Materiales, 4 curso, 2004/2005 2requieren calor para ser conformados y tras el enfriamiento mantienen la forma (p. ej. PE, PVC, Nylon, etc.). Se ablandan al calentarse hasta que funden y al solidificar se endurecen, siendo procesos reversibles que por tanto se pueden repetir. Pl sticos termoestables son materiales que no pueden ser refundidos o re-procesados ya que al ser calentados se endurecen y degradan o descomponen (p. ej. resinas epoxi, fen licos, poli steres insaturados, etc.). Al iniciar el calentamiento se dan entrecruzamientos covalentes entre las cadenas, y estos enlaces dificultan los movimientos de vibraci n y rotaci n.

5 Estos pol meros son generalmente m s duros, m s resistentes, pero tambi n m s fr giles que los termopl sticos pero tienen mayor resistencia dimensional. Elast meros (o gomas) son materiales polim ricos que a temperatura ambiente se alargan mucho el sticamente bajo una peque a tensi n (o esfuerzo) y por tanto recuperan r pidamente la forma original cuando cesa el esfuerzo (p. ej., algunos cauchos, siliconas, etc.). Tambi n hay un grupo importante de pol meros que son los adhesivos por su capacidad de unir de forma temporal o permanente todo tipo de materiales (p. ej. cianocrilato, poliuretano, etc.) En una primera clasificaci n se pueden distinguir los pol meros puramente org nicos de aquellos organo-inorg nicos (como las siliconas) o simplemente inorg nico. En la Tabla se dan algunos pol meros org nicos de gran inter s industrial/tecnol gico. Un ejemplo de copol mero de gran inter s industrial (adem s de los poli steres, poliamidas y poliuretanos) es el ABS (acrilo-butadieno-estireno).

6 En la figura se muestran los copol meros binarios, y el ternario derivados de los homopol meros: PS, PAN y PB. Dos copol meros usados como elast meros son el SBR y NBR. El SBR es un copol mero binario del PS y PB normalmente empleado en neum ticos (tambi n conocidos como caucho estireno-butadieno). El NBR (tambi n conocido como caucho de nitrilo) es un copol mero de butadieno y acrilonitrilo (PB y PAN) cuando adem s de grandes alargamientos se necesita resistencia qu mica. Las aplicaciones m s importantes de estos copol meros se estudiaran en el apartado Figura Copol meros binarios y ternarios basados en el PAN, PB y PS A diferencia de los homopol meros o de los co-pol meros tambi n hay una gran cantidad de mezclas de pol meros. Estos son pol meros terminados que se mezclan en estado l quido. As se pueden obtener un mayor abanico de propiedades. Por ejemplo, el pol mero mezcla PC (policarbonato) y ABS (acrilo-butadieno-estireno) conjuga la alta tenacidad del PC con las mejores caracter sticas de procesabilidad del ABS.

7 Tambi n merecen ser destacados los pol meros organo-inorg nicos y los puramente inorg nicos (que son menos comunes). Ciencia de Materiales, 4 curso, 2004/2005 3 Siliconas. Las siliconas, tambi n conocidas como polisilanoles, son los pol meros organo-inorg nicos m s utilizados actualmente debido a las magnificas propiedades que presentan. Buenas propiedades de estabilidad t rmica y a la oxidaci n (gran resistencia qu mica, muy baja degradaci n), buena resistencia a temperaturas altas y bajas, excelente repelencia al agua (hidrof bico), buenas propiedades diel ctricas, resiste la radiaci n UV y son inertes fisiol gicamente. Se pueden vender como fluidos (aceites de silicona), grasas, emulsiones, elast meros (gomas) y como resinas. Tabla M nomeros y pol meros (org nicos) a que dan lugar. Pol mero nombre Unidad Repetitiva Mon mero PE HD,LD Polietileno [-CH2-CH2-] CH2=CH2 GP 1200 PP Polipropileno [-CH2-CH(CH3)-] CH2=CH-CH3 PS Poliestireno [-CH2-CH -] CH2=CH- GP 600-6000 PVC Cloruro de polivinilo [-CH2-CHCl-] CH2=CH-Cl GP 1100 PAN Poliacrilonitrilo [-CH2-CHCN-] CH2=CH-C N PMMA Polimetil metacrilato [-CH2-C(CH3)]

8 -] COOCH3 CH2=C-CH3 COOCH3 PTFE Politetrafluoro etileno [-CF2-CF2-] TEFLON CF2=CF2 tambi n CF2=CFCl da PCTFEPOM Polioximetileno [-CH2-O-] CHOH, formaldeh do PB Polibutadieno [-CH2-CH=CH-CH2-] CH2=CH-CH=CH2 CAUCHO Cis-poliisopreno [-CH2-C(CH3)=CH-CH2-] CH2=C(CH3)-CH=CH2 NEOPRENO Policloropreno [-CH2-CCl=CH-CH2-] CH2=CCl-CH=CH2 POLIESTERES [-R-CH2-COO-R -] di cido + diol HOH2C-R-CH2OH HOOC-R -COOH POLIURETANOS [-R-CH2-NHCO-R -] diisocianato + diol HOH2C-R-CH2OH OCN-R -NCO POLIAMIDAS [-R-NHCO-R -] di cido + diamina H2N-R-NH2 HOOC-R -COOH PA6 Poliamida: Nailon 6 caprolactama [-NH(CH2)5CO-] NH2-(CH2)5-COOH Poliamida: Nailon reemplazar seda nat.

9 [-NH(CH2)6NH-CO- (CH2)4-CO-] di cido + diamina NH2(CH2)6NH2 GP 150-300 COOH-(CH2)4-COOH ad pico+hexametilendia PET Polietilen tereftalato [-CH2-CH2-OOC- -COO-] OH-CH2-CH2-OH COOH- -COOH PC Policarbonato [- -C(CH3)2- -OCOO-] Kevlar49 Poliaramida Poliamida arom tica Ciencia de Materiales, 4 curso, 2004/2005 4 Estos pol meros est n basados en el enlace Si-O, y se pueden representar esquem ticamente como [-SiR2-O]n donde el grado de polimerizaci n y los radicales org nicos R son muy variados, originando toda la gama de propiedades f sicas y estados en los que se pueden encontrar las siliconas. P. ej., si contienen la unidad repetitiva [-Si(CH3)2-O] se llama polidimetil-siloxano y el [-Si(CH3)(C6H5)-O] polimetilfenil-siloxano. Hay una gran variedad de radicales (varios en la misma cadena polim rica) y tambi n pueden ser lineales o c clicos.

10 Se utilizan principalmente como elast meros o materiales de sellado pero tienen muchos otros usos. En principio se pueden destacar dos grandes grupos: aplicaciones m dicas y no m dicas. As , diferentes siliconas se usan como pr tesis, rganos artificiales, reconstrucci n facial, tubos y cat teres, piel artificial y lentes de contacto. Por supuesto, las aplicaciones no-m dicas son mayoritarias. Estas aplicaciones se basan en las propiedades mencionadas anteriormente y depende de la forma en que se encuentre el pol mero. En estado casi l quido se emplea como fluidos diel ctricos, hidr ulicos y fluidos para transferencia de calor. En forma de elast meros se utilizan como gomas de altas prestaciones o membranas flexibles (p. ej. de separaci n). En forma de grasas o emulsiones semis lidas para sellado por curaci n o como aislantes el ctricos (recubrimientos en placas base de ordenadores).