Algunas aplicaciones de los polímeros

Mira a tu alrededor ¿qué ves? Yo estoy viendo un ordenador, cuya carcasa está fabricada con está fabricada con una poliofefina o un policarbonato y que contiene poliuretanos modificados como retardadores de llama, que evitan posibles incendios provocado por el calor generado por los componentes electrónicos. También tengo cerca de mi, la funda del ordenador, quee está fabricada de neopreno, que es el mismo material con el que se hacen los trajes para deportes extremos, como el submarinismo.

La figura siguiente muestra algunas de los artilugios que usamos cotidianamente.

Todos ellos están hechos de polímeros. ¿Y qué es un polímero? Es un término químico que se refiere a sustancias de muy alta masa molecular, formada por la repetición de numerosos fragmentos denominados polímeros. Aunque este no es el lugar para dar un curso sobre polímeros, en las siguientes imágenes se indican algunas definiciones y se aclaran algunos conceptos.

Sin duda, aunque el siglo XX se puede definir de muchas maneras, una de ellas es como la época de los plásticos. Este término es de uso popular y se refiere a los polímeros que hemos mencionado anteriormente. Macromolécula y polímero son dos conceptos relacionados. La macromolécula se refiere a una única entidad de alta masa molcular. Normalmente, en los procesos sintéticos no se obtieene una molécula de tamaño definido, sino que se obtiene un conjunto de macromoléculas que, con la misma estructura básica, difieren en la masa molecular. El polímero es un conjunto de macromoléculas que se obtienen en un proceso de polimerización (el ensamblaje de los numerosos monómeros).

Las propiedades de loa polímeros (y de los materiales que de ellos se obtienen) depende de varios factores: su estructura química (quñe tipo de monómeros lo integran y cómo están enlazados), su tamaño (determinado por su masa molecular), la dispersión de masas moleculares de las macromoléculas que forman el polímero (puede haber un alto o un bajo rango de masas moleculares de las macromoléculas obtenidas) y el grado de entrecruzamiento de las cadenas (éstas pueden ser lineales, como una hilera de fragmentos; ramificada, donde hay residuos que cuelgan de algunos fragmentos; o entrecruzados, en los que algunos fragmentos unen dos o más cadenas lineales distintas). En la imagen siguiente, se ilustran algunos de estos conceptos (en la segunda imagen, con derivados de poliuretanos).

 Todos los factores mencionados anteriormente son susceptibles de mucha variabilidad, lo que hace que dispongamos de un número enorme de polímeros con una gran verstailidad para múltiples aplicaciones, que se indican en imagen siguiente.

 

El desarrollo en la ciencia y tecnología de polímeros ha facilitado nuestras vidas y ha sido uno de los motores del desarrollo de la ciencia de los materiales. A continuación, repasaremos algunas aplicaciones de algunos polímeros.

El poliuretano es el tipo de polímeros de los mil usos, desde la humilde esponja para limpiar hasta material para construir grandes estructuras de ingeniería, pasando por material deportivo o aislantes térmicos para viviendas. La alta versatididad del poliuretano se debe a la diferente estructura química (representadas por los círculos amarillo y negro) y a su capacidad de entrecruzamiento).

La ropa que llevas, posiblemente está fabricada de una mezcla de poliésteres y poliamidas. Este último material supuso una revolución cuando comenzó su comercialización en 1940, especialmente por el primer uso popular: las medias de nylon. Pero también hay que recordar que fue un material fundamental que ayudó a que los aliados ganasen la II Guerra Mundial. Con este material se fabricaron los paracaidas usados en el desembarco de Normandía, y otros equipamientos. Estas son sólo algunas de las muchas aplicaciones de este polímero (otras pocas se indican en la imagen siguiente).

La familia de polímeros de nylon fue desarrollada en la empresa DuPont con la dirección de Wallace Carothers (1896-1937), un genio de la química, al que dedicaremos algún artículo próximamente y del que esta semana se ha conmemorado su nacimiento (el 27 de abril de 1896) y su fallecimiento (el 29 de abril de 1937, por suicidio, como consecuencia de la depresión que le atormentó toda su vida; antes de que viese el éxito de su producto estrella, el nylon, e incluso el nacimiento de su única hija). Antes de producir nylon, DuPont, con la dirección de Carothers, ya había desarrollado métodos para la síntesis de poliésteres y de neopreno, un análogo al caucho natural (ver más abajo).

La motivación para investigar la síntesis de poliamidas fue la necesidad de tener un sustituto de la seda natural. Las imágenes siguientes muestran las similitudes estructurales de las poliamidas y de la proteína de la seda natural, que explican sus propiedades análogas.

También son poliésteres los materiales con los que se fabrican las botellas de plástico, que son poli(tereftalatos); cuyos derivados se están usando para fabricar ropas “inteligentes”. Por otro lado, un tipo especial de poliamidas, las derivadas de ácidos y aminas aromáticas, se usan para preparar materiales resitentes con los que se hacen los chalecos antibalas o para protección en deportes de riesgos y de contacto. Materiales relacionados son los policarbonatos, que se usan para aplicaciones tan diversas como revestimientos en latas de conserva o cubiertas para estadios deportivos.

Por supuesto, en nuestra vida cotidiana usamos desde modestos artílugios como las bolsas, vasos o platos de plástico hasta el equipamiento de altas prestaciones (como los trajes de astronautas), pasando por revistimientos para los cables eléctricos, materiales para envasado de alimentos, recubrimientos de sartenes, mobiliario etc. Todos estos materiales están construidos con poliolefinas, como el polietileno, el polipropileno, el poliestireno, el poli(cloruro de vinilo), o el tefflón, entre otros.

Otro tipo de polímero relacionado con las poliofefinas son el caucho y la gutapercha. Estas sustancias son productos naturales formadas (formalmente) por polimerización de 2-metilbutadieno (isopreno).

Estos polímeros se han usado desde la antigüedad. Sin embargo, los polímeros naturales tienen algunas propiedades no deseable, como que son demasiado fácilemente deformables y quebradizos. Estas propiedades derivan de sus características estructurales, pues son cadenas demasiado flexibles aon alta movilidad conformacional.

Estos inconvenientes se solventaron por métodos químicos, realizando un entrecruzamiento de las cadenas de poliisopreno. Este proceso, denominado vulcanización o recauchutado, fue realizado por primera vez por Charles Goodyear (¿nos suena el nombre?) en 1839. La reacción de vulcanizatión original supuso el tratamiento del caucho con azufre, en los que fragmentos de polisulfuro se entrecruzaban entre las cadenas de poliisopreno.

A partir de ese momento, se pudo pensar en numerosas aplicaciones de este polímero; el más importante, sin duda, es en la fabricación de neumáticos, que ha facilitado de manera increible el transporte.

Otras aplicaciones de los polímeros son tan cotidianas como absorber agua o pegar materiales. Si por la casa hay niños pequeños que usan pañales, éstamos usando polímeros con capacidad de super-absorción de líqudos. Antiguamente se fabricaban de celulosa (con el consiguiente impacto ambiental) y actualmente de materiales sintéticos como el poli(alcoholvinílico). Incluso, cuando hacemos una operación tan cotidiana como pegar con una cola como Super-Glue, estamos haciendo química, pues el proceso de pegado se debe a una reacción química in situ, la polimerización de cianoacrilato de metilo (o etilo) (ver tercera imagen).

En definitiva, ¿podemos imaginarnos nuestro mundo sin polímeros? ¡No! Este desarrollo científico y tecnológico ha sido debido a algunos grandes científicos; entre los que podemos mencionar a Staudinger, Baekeland, Carothers, Marks, Flory, Ziegler, Natta, entre otros. En las próximas semanas dedicaremos algunos posts a sus vidas y obras.

Nota-1: Este post participa en la XXXIV Edición del Carnaval de Química (la del selenio), que organiza Jesús Garoz (@JesusGarozRuiz) en su jóven e interesante blog Moles de Química.

Nota-2: Las imágenes de este post se han extraido de la conferencia impartida en el V Curso de Divulgación “Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad“.

Bernardo Herradón (@QuimicaSociedad)

Director del Curso de Divulgación

“Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad“.