Los polímeros son materiales formados por cadenas de monómeros. Pueden clasificarse como lineales o ramificados y también como termoplásticos o termofijos (o termoestables). Los polímeros lineales poseen cadenas de monómeros sin ramificaciones, mientras que los polimeros ramificados poseen también cadenas de monómeros, pero estas poseen, adicionalmente, otras ramas de cadenas más pequeñas.

Termoplásticos

Poseen cadenas largas de monómeros y son dúctiles. Pueden ser ramificados o no. Las cadenas individuales están entrelazadas y pueden desenredarse sometiendo el material a esfuerzos de tracción. Pueden ser cristalinos o amorfos, se ablandan con el calor, derritiéndose, lo que permite su reciclaje, siempre que su temperatura no supere la temperatura de degradación del material. En materiales termoplásticos los enlaces son covalentes entre monómeros y de van Der Vaals entre cadenas. En la siguiente tabla se listan algunos polímeros termoplásticos de uso común. La columna Reciclaje indica el número que aparece en los productos que llevan este tipo de polímero rodeados de flechas que indican un ciclo:

*El número 7 indica que el empaque está hecho de una resina diferente a los que corresponden a los primeros seis números o a una combinación de ellos.

• Prueba de Beilstein

Para la identificación cualitativa de polímeros termoplásticos, en particular para detectar la presencia de un halógeno (cloro, flúor, bromo o yodo), se calienta un alambra de cobre limpio en una llama. Se adhieren luego pellets del material y se llevan a la llama. Si la llama se torna de color verde se demuestra la presencia del halógeno. Plásticos que contiene cloro son el policlorotetrafluoretileno PTFE, PVC, policloruro de vinilideno, entre otros. Si la prueba resulta negativa el polímero puede estar compuesto sólo de carbono, hidrógeno, oxígeno o silicio (Escuela Colombiana de Ingeniería, 2008).

Termofijos

Poseen cadenas largas de monómeros y pueden ser lineales o ramificados, de moléculas fuertemente entrecruzadas, formando una red 3D. Este entrecruzamiento es similar a cuerdas anudadas entre sí en diferentes puntos (como una red). Son materiales más fuertes y frágiles que no se derriten o funden, y se descomponen cuando están en estado sólido al quemarse. Son difíciles de reprocesar y reciclar.

La estructura más simple de un polímero es la del Polietileno (sólo enlaces covalentes carbono - hidrógeno).

Polimerización

La polimerización es la manera en que se crea un polímero, la cual se puede producir por adición o por condensación.

Polimerización por adición: el crecimiento de cadenas se produce por adición de monómeros sin producir subproductos.

Polimerización por condensación: el crecimiento de las cadenas se produce por pasos. La reacción forma subproductos.

Peso molecular: mientras mayor peso molecular posee un polímero mayores son sus temperaturas de fusión y módulo elástico.

Grado de polimerización: es el número de unidades de repetición presentes en una cadena. Ej: el Nylon 6,6 podría tener un grado de polimerización GP=531.

Algunos termoplásticos comunes son: Polietileno (PE), Cloruro de Polivinilo (PVC), Polipropileno (PP), Poliestireno (PS), Polimetilmetacrilato (PMMA), Politetrafluoroetileno (PTFE) o teflón.

Relaciones estructura-propiedades

Grado de polimerización: si aumenta también aumentan las resistencia a la tensión, la resistencia a termofluencia, la tenacidad al impacto, la resistencia al desgaste y la temperatura de fusión.

Efecto de los grupos: las cadenas giran y deslizan ante aplicación de esfuerzos. Agregar átomos a la espina dorsal de carbono en sustitución de átomos de hidrógeno cambia las propiedades. Agregar átomos grandes como el cloro, o moléculas como CH3 o benceno, aumentan la temperatura de fusión y dificultan la rotación y deslizamiento de las cadenas cuando se aplican esfuerzos. El PVC por ejemplo, es muy rígido (Cloruro de Polivinilo -> átomos de cloro).

Ramificación: impide el empaquetamiento de cadenas, lo que reduce la densidad, la rigidez y la resistencia.

Cristalización y deformación: los cristales aumentan la densidad, la resistencia química y las propiedades mecánicas por la fuerte unión entre cadenas. La cristalización se puede producir por el estiramiento del polímero (el nylon se fabrica de este modo). Las botellas transparentes de PET se fabrican produciendo estiramiento del material al inyectar aire y ser expandido hacia las paredes de un molde con la forma de la botella (soplado y estirado).

Tacticidad: condición en que unidades de repetición no son simétricas. Configuración isotáctica (todos los átomos o grupos del mismo lado de la cadena), configuración sindiotáctica (se alternan a un lado y al otro) y configuración atáctica (las posiciones son aleatorias).

Copolímeros: son polímeros cuyas cadenas se formaron por adición de varios monómeros diferentes, como el acrilonitrilo-butadieno-estireno o ABS, el cual es un termoplástico amorfo muy tenaz con el cual se fabrican las piezas de Lego.

Efecto de la temperatura en termoplásticos

Al enfriar lentamente se pueden producir cristales.

Temperatura de transición vítrea: por debajo de ella el polímero amorfo lineal se hace duro y frágil. Está aproximadamente entre 0.5 y 0.75 veces la temperatura de fusión. La tragedia del transbordador Challenger en 1986 se debió a este fenómeno, cuando los O-rings (sellos en forma de O) se fracturaron al estar por debajo de esta temperatura.

Temperatura de degradación: por encima de ella pueden quemarse o carbonizarse por destrucción de enlaces covalentes. En termoplásticos la descomposición se da en estado líquido, mientras que en termofijos se da en estado sólido. La alúmina hidratada se usa como aditivo para retardar el fuego.

Degradación

El oxígeno, la radiación ultravioleta (UV) y las bacterias pueden degradar los polímeros.

Propiedades mecánicas

Los polímeros termoplásticos presentan comportamiento viscoelástico no newtoniano. Los enlaces covalentes se estiran ante la aplicación de esfuerzos. Al deformar un polímero termoplástico éste gana resistencia.

Fluencia lenta y relajación de esfuerzos: la fluencia lenta o termofluencia es el estiramiento gradual (muy lento) producido al sostener una carga aplicada sobre el polímero por un tiempo prolongado. La relajación de esfuerzos se produce cuando el material polimérico pierde su fuerza con el tiempo, más no sus dimensiones. Es decir, si dejáramos una banda de caucho sosteniendo las luces en el marco de una bicicleta ésta podría relajarse. No cambiaría sus dimensiones, pero no sostendría la luz con la misma fuerza si la dejamos allí por un periodo largo de tiempo (digamos un año).

Elastómeros

Son el grupo de los cauchos y las gomas. El texto de Askeland (6a ed.) menciona que son los materiales cuya deformación elástica es superior al 200%. Pueden ser termoplásticos o termofijos ligeramente entrecruzados. Sus cadenas son moléculas "resortadas". La vulcanización del caucho es una reacción química en donde se adiciona azufre (S) al caucho para producir cadenas de este elemento que unen las cadenas de monómeros del polímero. Mientras más azufre se utiliza mayor es la dureza del compuesto que se obtiene.

Polímeros termofijos o termoestables

Formados por cadenas con gran cantidad de enlaces cruzados entre cadenas de monómeros, los cuales forman una red 3D. Las cadenas no pueden girar ni deslizarse, como en el caso de los termoplásticos, por ello tienen buena resistencia, buena rigidez y dureza, al igual que una temperatura de transición vítrea elevada. Algunos grupos funcionales de termoplásticos son los poliésteres, los epóxicos y los uretanos.

Procesos en termoplásticos

Extrusión, soplado, inyección, termoformado, calandrado, hilado y colado.

Procesos en termofijos

Estos procesos se usan para conformar materiales compuestos que usan a los polímeros termofijos como matriz. Algunos son: moldeo manual, moldeo por infusión de resina al vacío (RTM, RTM light, VARTM), moldeo por hidroformado y curado en horno, devanado de fibras (filament winding), moldeo por aspersión, formado con prensa hidráulica.

Referencias

(Escuela Colombiana de Ingeniería, 2008): Identificación de plásticos. Protocolo. Curso de Materiales. Edición 2008-I. Facultad de Ingeniería Industrial. Laboratorio de producción. Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito.