Los polímeros son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros.

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1 Unidad 14: Polímeros 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Definición Los polímeros son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros Propiedades Las propiedades de los polímeros está íntimamente relacionada con su estructura: Si la longitud de la cadena es pequeña, el polímero es más fluido; si es grande aumenta la viscosidad y la fortaleza. A mayor masa molecular, mayores viscosidad y resistencia al esfuerzo, al calor y a la corrosión, elasticidad, dureza, etc Clasificaciones En función de sus monómeros: Homopolímeros: Formados a partir de un único tipo de monómero. Copolímeros: Formados a partir de dos o más monómeros que copolimerizan. En función de su composición: Orgánicos: Poseen en la cadena principal átomos de C. Inorgánicos: No contienen átomos de C en su composición. En función de su origen; Naturales: Polímeros orgánicos generados por la actividad de los seres vivos, que los utilizan con fines estructurales, funcionales y de reserva energética. Semisintéticos: Se obtienen por transformación industrial de polímeros naturales. Sintéticos: Obtenidos industrialmente. En función de la estructura de las cadenas: Lineales: Se disponen en forma de hilos unidos entre sí por enlaces débiles. Ramificados: Algunos monómeros se unen con otras cadenas de distinta dirección. Entrecruzados o reticulados: Las cadenas se unen formando una red tridimensional. En función de la ordenación de las cadenas: Cristalinos: No forman un cristal en sentido estricto, las cadenas de polímero se ordenan paralelamente unas a otras y se unen químicamente. Amorfos: Las cadenas de polímero no se alinean ni se producen uniones transversales entre ellas. En función de su plasticidad: Elastómeros: Se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminarlo. Plásticos: Se deforman irreversiblemente al someterlos a un esfuerzo suficientemente grande, no pudiendo volver a su forma original al eliminarlo. Fibras: Son poco deformables. En función de su respuesta al calor: Termoplásticos: Fluyen al calentarlos y se vuelven a endurecer al enfriarlos. Su estructura presenta pocos o ningún entrecruzamiento. Termoestables: No fluyen al calentarlos, se descomponen químicamente en lugar de fluir. Su estructura presenta muchos entrecruzamientos, que impiden los deslizamientos relativos de las moléculas. Raúl Corraliza 151

2 En función de su tacticidad (cuando el polímero presenta estereoisomería): Atácticos: Los carbonos asimétricos presentan configuraciones distribuidas al azar. Isotácticos: Todos los carbonos asimétricos presentan la misma configuración. Sindiotácticos: Los carbonos asimétricos alternan sucesivamente una y otra configuración. 2. REACCIONES DE POLIMERIZACIÓN 2.1. Polimerización por condensación La reacción de polimerización implica a cada paso la eliminación de una molécula de baja masa molecular, por ejemplo agua. Debido a la pérdida de moléculas, la fórmula empírica del polímero no coincide con la del monómero, y la masa molecular del polímero no es múltiplo de la de sus monómeros. Este tipo de polimerización es característica de los polímeros naturales. Solo un pequeño porcentaje de polímeros artificiales se obtienen de esta forma. Los reactivos que se utilizan en las polimerizaciones por condensación son bifuncionales: diácidos o diaminas. n COOH R COOH +n NH 2 R ' NH 2 [ CO R CO NH R' NH CO R CO NH R ' NH ] n +n H 2 O 2.2. Polimerización por adición La reacción de polimerización consiste en una adición sobre el doble enlace de un monómero, que se propaga hasta su terminación, sin la liberación de ningún compuesto de baja masa molecular. La fórmula empírica del polímero coincide con la del monómero, y la masa molecular del polímero es un múltiplo de la de sus monómeros. La mayoría de polímeros sintéticos se obtienen a través de una polimerización radicálica, utilizando como catalizador un radical A : Iniciación: A +CH 2 =CHR A CH 2 C HR Propagación: A CH 2 C H R+CH 2 =CHR A CH 2 CHR CH 2 C HR A CH 2 [CHR CH 2 ] n C HR Terminación: A CH 2 [CHR CH 2 ] n C HR+ A CH 2 [CHR CH 2 ] m C HR A CH 2 [CHR CH 2 ] n CHR CHR [CH 2 CHR] m CH 2 A 3. POLÍMEROS DE INTERÉS INDUSTRIAL 3.1. Polímeros orgánicos vinílicos La cadena principal de sus moléculas está formada exclusivamente por átomos de C. Entre ellos cabe destacar: Polietileno (PE): [ CH 2 CH 2 ] n Nomenclatura IUPAC: poli(metileno) Se obtiene mediante adición del eteno CH 2 =CH 2. Es uno de los plásticos más comunes debido a su bajo precio y simplicidad de fabricación. Polipropileno (PP): [ CH 2 CH (CH 3 ) ] n Nomenclatura IUPAC: poli(1-metiletileno). Se obtiene mediante adición del propeno CH 2 =CH CH 3. Es utilizado en una amplia variedad de aplicaciones que incluyen envases para alimentos, tejidos, equipo de laboratorio, componentes automotrices y películas transparentes. 152 Raúl Corraliza

3 Poliestireno (PS): [ CH ( fenil) CH 2 ] n Nomenclatura IUPAC: poli(1-feniletileno). Se obtiene mediante adición del fenileteno CH ( fenil)=ch 2. Es utilizado para la fabricación de envases y de objetos diversos mediante moldeo por inyección. También como aislante térmico en construcción y para formar coquillas de protección en los embalajes de objetos frágiles para protegerlos. Así mismo, también es utilizado para la producción de cajas de pescado o neveras para el transporte de vacunas, por su capacidad aislante. Caucho estireno-butadieno (SBR): [( CH 2 CH=CH ) m ( CH ( fenil) CH 2 ) n ] p Nomenclatura IUPAC: poli(estireno-co-butadieno). Se obtiene mediante coadición de fenileteno CH 2 =CHCl y buta-1,3-dieno CH 2 =CH CH=CH 2. Es el caucho sintético con mayor volumen de producción mundial. Su principal aplicación es en la fabricación de neumáticos. Entre otros usos se encuentran la fabricación de cinturones, mangueras para maquinarias y motores, juntas, y pedales de freno y embrague. En el hogar se encuentra en juguetes, masillas, esponjas, y baldosas. Entre los usos menos esperados se encuentra la producción de productos sanitarios, guantes quirúrgicos e incluso goma de mascar. Neopreno: [ CH 2 CCl=CH 2 ] n Nomenclatura IUPAC: poli(cloropreno). Se obtiene mediante adición de 2-clorobuta-1,3-dieno CH 2 =CCl CH =CH 2. Se usa en gran cantidad de entornos, como trajes para submarinismo, aislamiento eléctrico y correas para ventiladores de automóviles. Su inercia química le hace útil en aplicaciones como sellador de juntas, fabricación de mangueras, así como en recubrimientos resistentes a la corrosión. También puede usarse como base para adhesivos. Sus propiedades también lo hacen útil como aislante acústico en transformadores. Su flexibilidad lo hace apto para diseñar fundas que se ajusten perfectamente al objeto que se desea proteger. Policloruro de vinilo (PVC): [ CH 2 CHCl ] n Nomenclatura IUPAC: poli(1-cloroetileno). Se obtiene mediante adición de cloroeteno CH 2 =CHCl. Es el derivado plástico más versátil. En su forma rígida se utiliza en construcción para puertas, ventanas y tuberías; en botellas y otros envases no alimentarios; así como tarjetas (bancarias o ID). En su forma flexible se utliza para la fabricación de tuberías, recubrimiento aislante de cableado, calzados, pavimentos, productos inflables y, en general, como sustituto del caucho. Politetrafluoroetileno (PTFE) o teflón: [ CF 2 CF 2 ] n Nomenclatura IUPAC: poli(1,1,2,2-tetrafluoretileno). Se obtiene mediante adición de tetrafluoroeteno CF 2 =CF 2. Se utiliza en revestimiento de aviones, cohetes y naves espaciales; en elementos articulados, ya que su capacidad de fricción permite eliminar el uso de lubricantes; para la elaboración de prótesis y tejidos artificiales; como revestimiento de cables o dieléctrico de condensadores; en utensilios de cocina; en pinturas y barnices; en estructuras y elementos sometidos a ambientes corrosivos; etc. Polimetilmetacrilato (PMMA): [ CH 2 C (CH 3 )(COO CH 3 ) ] n Nomenclatura IUPAC: poli(metil 2-metilpropenoato). Se obtiene mediante adición de metacrilato de metilo CH 2 =C (CH 3 ) COO CH 3. Las aplicaciones del PMMA son múltiples, entre otras señalización, expositores, protecciones en maquinaria, mamparas separadoras decorativas y de protección, acuarios y piscinas, obras de arte, fibra óptica, arquitectura y decoración. Raúl Corraliza 153

4 3.2. Polímeros orgánicos no vinílicos La cadena principal de sus moléculas está formada, además de por átomos de C, átomos de O o N. Entre ellos cabe destacar: Poliésteres (PE): Contienen el grupo funcional éster en su cadena principal. Tereftalato de polietileno (PET): [ CO benceno COO CH 2 CH 2 O ] n Nomenclatura IUPAC: poli(tereftalato de polietileno). Pertenece al grupo de materiales sintéticos denominados poliésteres, que contienen el grupo funcional éster en su cadena principal Se obtiene mediante policondensación entre el ácido benceno-1,4-dicarboxílico benceno(cooh ) 2 y el etano-1,2-diol CH 2 OH CH 2 OH. Se utiliza en la elaboración de fibras para tejidos sintéticos (poliéster), envases de líquidos y productos alimentarios, resinas de fibra de vidrio. Poliamidas (PA): Contienen el grupo funcional amida en su cadena principal. Nailon 66 (PA 66): [ CO (CH 2 ) 4 CO NH (CH 2 ) 6 NH ] n Nomenclatura IUPAC: poli(tereftalato de polietileno). Se forma mediante policondensación entre el ácido hexanodióico COOH (CH 2 ) 4 COOH y la hexano-1,6-diamina NH 2 (CH 2 ) 6 NH 2. Nailon 6 (PA 6): [ CO (CH 2 ) 5 NH ] n Nomenclatura IUPAC: poli(hexano-6-lactama). Se forma por polimerización por ruptura de ciclo de la lactama: El nailon es una fibra textil elástica y resistente, se utiliza en la elaboración de tejidos sintéticos, cerdas y sedales. El nailon moldeado se utiliza como material duro en la fabricación de piezas de automóvil, engranes y cojinetes, cuerdas de guitarra, cremalleras, palas de ventiladores industriales, tornillos. Poliuretanos (PU): Contienen el grupo uretano NH COO como eslabón en las cadenas poliméricas. Se forman por policondensación de diisocianatos (compuestos con dos grupos isocianato N =C=O ) y polialcoholes. Los poliuretanos termoestables más habituales son espumas, muy utilizadas como aislantes térmicos y como espumas resilientes. Entre los poliuretanos termoplásticos más habituales destacan los empleados en elastómeros, adhesivos selladores de alto rendimiento, suelas de calzado, pinturas, fibras textiles, sellantes, embalajes, juntas, preservativos, componentes de automóvil, en la industria de la construcción, del mueble. 154 Raúl Corraliza

5 3.3. Polímeros inorgánicos La cadena principal de sus moléculas no contiene átomos de C. Entre ellos cabe destacar: Siliconas: Compuestos mixtos orgánico-inorgánico con la fórmula [ SiR 2 O ] n. La cadena principal es una sucesión de grupos siloxano Si O. Los radicales R son grupos orgánicos metil, etil, etc. Las siliconas son inertes y estables a altas temperaturas, lo que las hace útiles en gran variedad de aplicaciones industriales, como lubricantes, adhesivos, moldes, y en aplicaciones médicas y quirúrgicas, como prótesis valvulares, cardíacas e implantes de mamas. Fibra de carbono (FC): Compuestos formados por cadenas de átomos de C. Su estructura es similar a la del grafito, consistente en láminas de átomos de carbono ordenados en un patrón regular hexagonal. Mientras que en el grafito las hojas se sitúan paralelamente unas a otras de manera regular, la fibra de carbono es un material amorfo en el que las láminas se colocan al azar. Tiene muchas aplicaciones en la industria aeronáutica y automovilística, al igual que en barcos y en bicicletas, donde sus propiedades mecánicas y ligereza son muy importantes. También se está haciendo cada vez más común en otros artículos de consumo como patines en línea, raquetas de tenis, edificios, ordenadores portátiles, trípodes y cañas de pesca e incluso en joyería. Polisulfuros: Compuestos formados por cadenas de átomos de S. Fosfacenos: Compuestos formados por cadenas de átomos de P y N. 1. Indica razonadamente, escribiendo de forma esquemática las reacciones correspondientes, a qué tipo de reacciones orgánicas corresponden los siguientes procesos: a) La síntesis del nailon a partir del ácido 6-aminohexanóico. b) La síntesis del teflón a partir del tetrafluoroetileno. 2. Dadas las siguientes estructuras poliméricas: Policloruro de vinilo; Teflón (tetrafluoretileno); Cloropreno (Neopreno); Silicona y Poliéster. a) Asocia a cada una de ellas con su nombre y escriba cuáles son polímeros elastómeros y cuáles termoplásticos. b) Enumera al menos un uso doméstico o industrial de cada una de ellas. c) Señala al menos dos polímeros cuyo mecanismo de polimerización sea por adición. 3. La reacción de obtención de polietileno a partir de eteno, nch 2 =CH 2 (g) [ CH 2 CH 2 ] n (s), es exotérmica: a) Escribe la expresión de la constante de equilibrio K P. b) Justifica qué tipo de reacción de polimerización se produce. c) Justifica cómo afecta un aumento de temperatura a la obtención de polietileno. d) Justifica cómo afecta un aumento de la presión total del sistema a la obtención de polietileno. Raúl Corraliza 155

6 4. Las siguientes reacciones son las de obtención de los polímeros: Nailon (poliéster), Neopreno y polietileno. a) Identifica cada uno de ellos. b) Justifica si son polímeros de adición o de condensación. c) Nombra cada uno de los grupos funcionales que aparecen en sus moléculas. 156 Raúl Corraliza