Grupo 19

Macromoléculas. Polímeros de interés para la sociedad.



PEIRATS REBOLLO, MARINA
SERRANO GARCÍA, ALICIA
SERROUKH AGUADO, SOFÍA
SIMONNET CONDE, ADA INÉS
TABARÉS SIBILLE, PABLO
TARANCO GARCÍA, SERGIO




MACROMOLÉCULAS. POLÍMEROS DE INTERÉS PARA LA SOCIEDAD



1. ¿ Qué es una macromolécula ? ¿ Qué es un polímero ? Diferencia entre ambos.

Macromolécula: (Del griego "Macro": grande y del latín: "molecula", diminutivo de moles, masa.) Molécula de gran tamaño, formada por múltiples átomos, generalmente de peso molecular superior a varios millares.

Polímero: moléculas grandes (la mayoría de las veces muy grandes) que se forman por la unión sucesiva de moléculas pequeñas. Estas moléculas pequeñas, que constituyen posteriormente la molécula mayor, se llaman monómeros (literalmente: mono = una, mero = parte). De esta manera, es razonable que la molécula formada por la unión de muchos monómeros se llame polímero (literalmente poli = muchas, mero partes).

Muchas veces se utiliza la palabra macromolécula como sinónimo de polímero, y viceversa, pero es conveniente aclarar la diferencia que puede haber entre ellas: Mientras un polímero puede considerarse como una macromolécula, debido a que normalmente es una molécula muy grande, una macromolécula no necesariamente es un polímero, debido a que hay muchas macromoléculas que no están constituidas únicamente por monómeros.
Muchas veces estas macromoléculas son una mezcla compleja de especies pequeñas que se han unido sin algún orden aparente, pero que por lo general ejercen funciones muy específicas, como por ejemplo las proteínas. En estos casos, no debe hablarse estrictamente de polímero, sino de macromolécula, porque una proteína puede llegar a tener hasta 20 unidades de aminoácidos distintas, unidas de diversas maneras, sin lograr adquirir lo que pudiera considerarse una unidad repetitiva estructural.
Es decir, el término macromolécula debe considerarse más amplio que el término polímero, ya que cualquier polímero es necesariamente una macromolécula, pero no necesariamente cualquier macromolécula pueda ser considerada como un polímero.
Por ejemplo, el polietileno es un polímero y una macromolécula, pero la insulina es una macromolécula y no un polímero, pues no consiste en la repetición del mismo aminoácido.

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Las macromoléculas están constituidas por la repetición de algún tipo de subunidad estructural. La estructura de las macromoléculas determina su función,
tradicionalmente se habla de cuatro niveles de estructura en una macromolécula:


  • La estructura primaria: es la secuencia de subunidades ( ó monómeros ) que la forman.

  • La estructura secundaria: hace referencia a la configuración que adquiere la cadena principal de la macromolécula. Los ejemplos más característicos se encuentran en proteínas y ácidos nucleicos, por ejemplo,la estructura de a-hélice que adoptan muchas cadenas polipeptídicas, las láminas beta, o el plegamiento practicamente aleatorio al que se hace referencia con el término ovillo al azar, “random-coil”, o polímero flexible.


  • La estructura terciaria: es el plegamiento general que adquiere la macromolécula en el espacio.

  • La estructura cuaternaria: hace referencia a la posible asociación de más de una molécula del polímero para formar agregados oligoméricos (dímeros, octámeros, etc.).



2. Fuerzas intermoleculares: causantes de las increíbles propiedades mecánicas de los polímeros.



Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros, que forman enormes cadenas de las formas más diversas. Algunas son lineales, otras tienen ramificaciones, otras se asemejan a las escaleras de mano, y otras son como redes tridimensionales.

Existen polímeros naturales de gran interés comercial, como el algodón, formado por fibras de celulosa; la seda, que es una poliamida semejante al nylon; la lana, proteína del pelo de las ovejas; el hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, etc. Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones muy variadas.

Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica, debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero, y pueden ser de varias clases:

  • Fuerzas de Van der Valls. También llamadas fuerzas de dispersión, están presentes en las moléculas de muy baja polaridad, generalmente hidrocarburos. Estas fuerzas provienen de dipolos transitorios: como resultado de los movimientos de electrones, en cierto instante una porción de la molécula se vuelve ligeramente negativa, mientras que en otra región aparece una carga positiva equivalente. Así se forman dipolos no-permanentes. Estos dipolos producen atracciones electroestáticas muy débiles en las moléculas de tamaño normal, pero en los polímeros, formados por miles de estas pequeñas moléculas, las fuerzas de atracción se multiplican y llegan a ser enormes, como en el caso del polietileno.

En la siguiente tabla se observa como, al aumentar el número de átomos de carbono en la serie de los hidrocarburos, aumentan su densidad y su temperatura de fusión.



Hidrocarburo
Fórmula
Peso molecular
Densidad
T. de fusión
Metano
CH4
16
gas
-182 °C
Etano
C2H6
30
gas
-183 °C
Propano
C3H8
44
gas
-190 °C
butano
C4H10
58
gas
-138 °C
Pentano
C5H12
72
0,63
-130 °C
Hexano
C6H14
86
0,66
-95 °C
Heptano
C7H16
100
0,68
-91 °C
Octano
C8H18
114
0,70
-57 °C
Nonano
C9H20
128
0,72
-52 °C
Decano
C10H22
142
0,73
-30 °C
Undecano
C11H24
156
0,74
-25 °C
Dodecano
C12H26
170
0,75
-10 °C
Pentadecano
C15H32
212
0,77
10 °C
Eicosano
C20H42
283
0,79
37 °C
Triacontano
C30H62
423
0,78
66 °C
Polietileno
C2000H4002
28000
0,93
100 °C

  • Fuerzas de atracción. Debidas a dipolos permanentes, como en el caso de los poliésteres. Estas atracciones son mucho más potentes, y a ellas se debe la gran resistencia tensil de las fibras de los poliésteres.


  • Enlaces de hidrógeno, como, por ejemplo, ocurre en las poliamidas (nylon). Estas interacciones son tan fuertes, que una fibra obtenida con estas poliamidas tiene resistencia tensil mayor que la de una fibra de acero de igual masa.

  • Atracciones de tipo iónico, que son las más intensas. Un ejemplo sería el copolímero etileno-ácido acrílico, que al ser neutralizado con la base M(OH)2, producirá la estructura indicada. Estos materiales se llaman ionómeros y se usan, por ejemplo, para hacer películas transparentes de alta resistencia.


La siguiente tabla recoge la energía requerida para romper cada enlace.
Tipo de enlace
Kcal / mol
Van der Waals en CH4
2,4
Dipolos permanentes
3 a 5
Enlaces hidrógeno
5 a 12
Iónicos
mayores a 100
La fuerza total de atracción entre las moléculas del polímero dependerá del número de las interacciones.


3. Clasificación de los polímeros

Los polímeros se pueden clasificar atendiendo a distintos criterios. Los vamos a clasificar por su origen, por su composición química, por el mecanismo de polimerización, por su tamaño y por la naturaleza de los monómeros.

Por su origen.
  • Polímeros naturales: son aquellos sintetizados por los seres vivos, como los polisacáridos ( el almidón o la celulosa ), las proteínas o el caucho.

  • Polímeros sintéticos: son aquellos que se sintetizan de forma artificial. Los monómeros que los constituyen suelen ser derivados del petróleo o del gas natural. Pertenecen a este grupo la mayoría de los plásticos y fibras artificiales, como el polietileno, el poliéster, el nailon, el kevlar, etc.


Por su composición química.

Polímeros orgánicos. Posee en la cadena principal átomos de carbono.

Polímeros orgánicos vinílicos. La cadena principal de sus moléculas está formada exclusivamente por átomos de carbono. Dentro de ellos se pueden distinguir:
  • Poliolefinas, formados mediante la polimerización de olefinas. Ejemplos: polietileno y polipropileno.
  • Polímeros estirénicos, que incluyen al estireno entre sus monómeros. Ejemplos: poliestireno y caucho estireno-butadieno.
  • Polímeros vinílicos halogenados, que incluyen átomos de halógenos (cloro, flúor...) en su composición. Ejemplos: PVC y PTEF.
  • Polímeros acrílicos. Ejemplos: PMMA

Polímeros orgánicos no vinílicos. Además de carbono, tienen átomos de oxígeno o nitrógeno en su cadena principal. Algunas sub-categorías de importancia:
  • Poliéster.
  • Poliamidas.
  • Poliuretanos.

Polímeros inorgánicos. Entre otros:
  • Basados en azufre. Ejemplo: polisulfuros.
  • Basados en silicio. Ejemplo: siliconas.



Por su mecanismo de polimerización



Hay dos tipos de reacciones que dan lugar a la formación de polímeros: adición y condensación.

Polímeros por adición

Los monómeros se unen y reorganizan sus enlaces sin que se produzca la pérdida de ninguno de sus átomos. Normalmente son monómeros con dobles enlaces que, en el proceso de polimerización, rompen sus enlaces pi y utilizan esos electrones para formar enlaces con otros monómeros. La polimerización es un proceso en cadena. El polímero de adición más simple es el polietileno, que se obtiene a partir del etileno.





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Cuando el monómero tiene dos dobles enlaces alternados ( también denominados conjugados ), en el proceso de polimerización se puede formar un doble enlace entre átomos del mismo monómero.

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Si la cadena del polímero presenta dobles enlaces, las condiciones en las que se lleva a cabo la reacción de fabricación pueden hacer que se forme el polímero cis o su isómero trans. En estos casos pueden resultar polímeros de propiedades diferentes, debido a las interacciones que se pueden establecer entre las cadenas que resultan. Podemos ver un ejemplo de esto en los polímeros que se obtienen a partir del isopreno ( 2-metil-1,3-butadieno ) conocidos como caucho sintético ( cis-poliisopreno )o gutapercha ( trans-poliisopreno ).


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Cucho sintético o hule ( cis-poliisopreno )


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Gutapercha ( trans-poliisopreno )


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Polímeros por condensación

Los monómeros se unen mediante una reacción de condensación en la que se libera una molécula de pequeña masa molecular, como puede ser el H2O, El NH3 o el HCl.
Para formar una cadena, cada monómero debe tener dos grupos funcionales. Un ejemplo representativo de esto son los polímeros naturales: los polisacáridos ( almidón, celulosa o glucógeno ) y las proteínas.
También existen polímeros sintéticos por condensación, como la baquelita, que es un polímero de fenol y formaldehido; las poliamidas, grupo al que pertenece el nailon, un polímero de 1,6-diaminohexano ( o hexametilendiamina ) y ácido hexanodioico; y los poliésteres, como el que resulta de la polimerización del etilenglicol y el ácido tereftálico. Todos ellos pueden sufrir la correspondiente reacción de hidrólisis, que romperá la cadena e incluso podrá separar los monómeros.
  • La baquelita es un material duro, resistente al calor, a la electricidad, a los ácidos y a las bases. Es el primer plástico que se produjo de forma industrial, y se utiliza para fabricar enchufes, asas para utensilios de cocina, material de telefonía y , en general, objetos de plástico rígido.

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  • El nailon es un polímero lineal que forma moléculas muy largas, idóneo para ser tratado como una fibra textil elástica. Su textura permite utilizarlo como sustituto de la seda, ya que es mucho más barato y resistente. Esta propiedad también lo hace adecuado para fabricar cuerdas. Se puede teñir. El nailon más común es el 6,6, que se fabrica con una diamina de 6 C y un diácido también de 6 C. Otros tipos de nailon, como el 6,4 o el 6,8, usan una molécula de ácido de distinto tamaño.

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  • El poliéster es un polímero que se puede usar como plástico o como fibra; al principio se utilizaba como fibra textil. Las prendas fabricadas total o parcialmente con esta fibra son muy ligeras y se arrugan poco. Las fibras de poliéster se pueden teñir.

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Por su tamaño.

  • Hemicoloídes: 1500-5000g/mol. Longitud de cadena 50-500Å.
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  • Mesocoloídes: Tienen pesos moleculares entre 5.000 y 10.000 y longitudes de cadena de 500 Å a 2500 Å.
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  • Eucoloídes: Tienen pesos moleculares mayores de 10.000 y longitudes de cadena mayores de 2500 Å.
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Por la naturaleza de los monómeros:

Homopolímeros: Son aquellos que están formados por un único tipo de monómero, como, por ejemplo, el polietileno o la celulosa.



De manera artificial se fabrican homopolímeros formados por un único aminoácido con finalidad terapéutica, como la poliglicina o la poliprolina. A continuación encontramos el proceso de formación de la poliglicina. Se trata de una reacción de condenación en la que se libera agua.


NH2-CH2-COOH + NH2-CH2-COOH --> NH2-CH2-COONH-CH2-COOH + H2O

Glicina + Glicina --> Diglicina + H2O


La diglicina mantiene un grupo amino (NH2-) en un extremo y un grupo ácido (-COOH) en el otro, lo que permite adicionar nuevas moléculas de glicina a cada lado, obteniéndose un homopolímero tan grande como deseemos.


Imagen simplificada de un homopolímero. Todos los monómeros que los constituyen son iguales.
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Copolímeros: Son polímeros formados por dos o más monómeros diferentes. En nailon, por ejemplo, es un copolímero formado por la combinación de una diamina y un diácido. Otro ejemplo de gran aplicación es un tipo de caucho muy resistente a la abrasión, que se utiliza para fabricar ruedas de camiones, pavimentos y suelas de zapatos. Resulta de la combinación del estireno y el butadieno.

Según las condiciones en que se lleve a cabo la reacción, los monómeros que forman un copolímero se pueden combinar de diversas formas. De ello dependerán las propiedades de la sustancia resultante.
Tipos de copolímeros.
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  • Copolímero aleatorio: Está formado por una disposición aleatoria de dos ó más monómeros.
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  • Copolímero en bloques: Tiene bloques de monómeros del mismo tipo.
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  • Copolímeros de injerto: Poseen una cadena principal de un solo tipo de monómero con ramas de otros monómeros.
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4. Polímeros de interés para la sociedad.

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El estudio de las estructuras de los polímeros naturales ha permitido el desarrollo de polímeros sintéticos que dan origen a materiales de alta tecnología, por ejemplo, los utilizados en la fabricación de computadores y en la confección de prendas e implementos deportivos.

  • POLÍMEROS NATURALES DE INTERÉS

De acuerdo al tipo de monómero que origina el polímero, las macromoléculas que constituyen la materia viva forman, básicamente, tres grandes grupos:

  1. 1. CARBOHIDRATOS
  2. 2. PROTEINAS
  3. 3. ÁCIDOS NUCLEICOS


1.CARBOHIDRATOS (PRINCIPAL FUENTE DE ENERGÍA)

Los carbohidratos o hidratos de carbono están formados por carbono,hidrógeno y oxígeno. Según el número de monómeros, se clasifican en: monosacáridos, con una sola unidad monomérica, como la glucosa y fructosa ; disacáridos con dos unidades, como la sacarosa, lactosa y polisacáridos con cientos y miles de unidades, como el almidón, glucógeno y celulosa.

Los monosacáridos presentan en su estructura el grupo hidroxilo (–OH) y el grupo carbonilo ( >C=O), que puede estar en forma de aldehído (–CHO) o de cetona (–CO–). La estructura de los monosacáridos pueden ser cadenas abiertas o cerradas.

Las cadenas cerradas se forman por la reacción entre el grupo carbonilo y uno de los grupos hidroxilo. Así, la glucosa posee una estructura abierta que puede ciclarse, originando un anillo heterociclo hexagonal.



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Los monosacáridos se unen a través del llamado enlace O- glucosídico, en el que un átomo de oxígeno sirve de puente entre dos unidades. Cuando se unen por sobre 10 monosacáridos hablamos de polisacáridos, que pueden llegar a contener entre 100 y 90.000 unidades de monosacáridos.

Los polisacáridos cumplen dos funciones básicas en los seres vivos: son acumuladores de energía como combustibles biológicos, y además, sirven de soporte de estructuras en organismos superiores. Así, el almidón es la reserva alimenticia de la mayor parte de las plantas, mientras que el glucógeno cumple el mismo papel en los animales; por su parte, la celulosa constituye el esqueleto de las paredes celulares de las plantas.

2 .PROTEINAS (COMPONENTES ESTRUCTURALES).

Las proteínas son las macromoléculas más abundantes en la célula, ya que intervienen tanto en aspectos estructurales como en los procesos metabólicos de todos los seres vivos. Las proteínas están constituidas por aminoácidos (monómeros).Todos los aminoácidos contienen carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno; algunos contienen azufre; presentan en su estructura el grupo amino (–NH2) y el grupo carboxilo (–COOH), representados por la siguiente estructura molecular:



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Cuando dos aminoácidos se unen, se forman dipéptidos ; si son tres, tripépti-dos, y así sucesivamente. Cuando la masa molecular del polímero es inferior a 10.000 unidades, se llaman polipéptidos ; si es superior a 10.000 unidades,hablamos de proteínas, que tienen masas moleculares altas, entre los 5.000 y 1 x 107

gramos. Las proteínas cumplen innumerables funciones en nuestro organismo, por ejemplo:

  • Función Estructural; forman parte de los músculos, pelos, uñas y sustancias intercelulares.
  • Función Catalizadora; debido a las enzimas las que son proteínas.
  • Función Inmunológica; los anticuerpos de nuestro sistema inmune son proteínas.
  • Función Mediadora; función de transmitir impulsos nerviosos, fabricando hormonas como insulina, transportando oxígeno y otras sustancias.

Algunas proteínas son importantísimas, como la queratina, que es el principal constituyente de la piel, pelo y uñas; y el colágeno de los tendones y huesos en desarrollo. La hemoglobina es un componente de la sangre y la albúmina del huevo, etc. Las proteínas son polímeros de elevado peso molecular, formados por la unión de unidades básicas llamadas aminoácidos.

3.ÁCIDOS NUCLEICOS

Los ácidos nucleicos son biopolímeros que se encuentran en el núcleo y en el citoplasma de la célula. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: ácido desoxirribonucleico (ADN) yácido ribonucleico (ARN). El ADN es el encargado de mantener la información genética que es transmitida de generación en generación, sin alterar mayormente su aspecto global. El ARN transporta la información genética que proviene de los progenitores en su ADN al citoplasma celular, donde es traducida y leída. Los ácidos nucleicos están constitutidos por monómeros llamados nucléotidos, que constan de tres componentes:una base nitrogenada, una pentosa y una molécula de ácido fosfórico.


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  • POLÍMEROS SINTÉTICOS

Las propiedades físicas de los polímeros están determinadas por el tipo de enlace establecido entre sus partículas. Las largas moléculas de los polímeros pueden ser ramificadas o no; así, podrán formar largas cadenas lineales, donde solo son posibles enlaces de Van der Walls entre una cadena y la de al lado, o podrán establecer enlaces de hidrógeno entre distintos puntos de una misma molécula, lo que le propiciará la formación de enrollamientos. Basándonos en estas características, se clasifican en fibras, plásticos y elastómeros.

Fibras

Son estructuras poliméricas unidimensionales que se obtienen al someter el polímero a extrusión, es decir, al hacerlo pasar a presión a través de unos agujeros muy pequeños. Se establecen fuerzas de Van der Walls entre moléculas de polímero vecinas, lo que permite la formación de los hilos. Son flexibles, resistentes, y se funden por encima de los 200ºC, lo que permite utilizarlos en la industria textil ( se pueden cortar, coser y planchar ).
Las fibras naturales son proteínas ( como la lana o la seda ) o polisacáridos, como el algodón ( que es celulosa ). El ser humano ha modificado algunas de estas células para hacerlas más resistentes o más fáciles de trabajar y ha creado el rayón o el acetato de celulosa. Son fibras sintéticas las poliamidas y el poliéster.


Plásticos


Son los polímeros más importantes. Se pueden modelar con calor. Dependiendo de su comportamiento con respecto a la temperatura, se denominan termoplásticos o termoestables.
  • Termoplásticos: constituyen lo que habitualmente se denomina plástico. Son polímeros formados por moléculas lineales o muy poco ramificadas, cuyas cadenas se pliegan de forma aleatoria debido a los enlaces débiles que se establecen entre distintos puntos de las mismas. Estos enlaces se rompen cuando el plástico se calienta; por eso, las moléculas se pueden reordenar y permitir, así, que la materia adopte una forma distinta. Son ejemplos el polietileno, el polipropileno y el cloruro de polivinilo.


  • Los plásticos termoestables reciben también el nombre de resinas. Son polímeros cuyas moléculas tienen ramificaciones y uniones estables entre ellas. Una vez que se solidifican, forman un material resistente y de estructura rígida. Son ejemplos la baquelita, así como las resinas que se utilizan como adhesivos en la industria de la madera o como sustancias cementantes en la construcción.

Elastómeros

Son polímeros con una gran elasticidad. Sus moléculas están muy enrolladas, de manera que, cuando se estiran, su longitud aumenta de forma considerable. Al dejar en libertad un elastómero, sus moléculas tienden a enrollarse y recuperar su forma original. En esto se distinguen de los plásticos, los cuales, al ser estirados, se deforman de manera permanente.
El elastómero natural por excelencia es el caucho, que es un polímero de isopreno. Para mejorar sus características elásticas, se le hace reaccionar con azufre; de esta manera, se establecen enlaces o puentes disulfuro entre cadenas vecinas que facilitan que el material recupere su forma original después de haber sido estirado. Este proceso se llama vulcanización.

Se han obtenido elastómeros sintéticos, como el copolímero de estireno o el butadieno, un tipo de caucho más resistente que el natural.




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Las aplicaciones de los polímeros son muy amplias. A continuación se resumen algunas comunes, y que se dividen en termoplásticos, plásticos termoestables y elastómeros.

POLIMEROS TERMOPLASTICOS.



POLIETENO (PE): Químicamente resistentes y eléctricamente aislantes, blandos, baja resistencia mecánica y poca resistencia a la degradación medioambiental. Contenedores, aislante eléctrico, tubos, artículos para el hogar, botellas, juguetes, cubiteras y en láminas para recubrimientos.

EL POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD (HDPE): es más fuerte, más rígido, más resistente al calor, más flexible a temperatura baja y resistente a la luz ultravioleta que el polietileno de baja densidad (LDPE). El polietileno de alta densidad tiene un punto de fusión a 130 ºC y se utiliza para la fabricación de kayaks, juguetes, tanques de gasolina, cajas de equipos electrónicos y recipientes de alimentos. El punto de fusión más alto permite que los artículos fabricados con polietileno de alta densidad puedan lavarse en el lavavajillas. Una fibra procedente del polietileno de alta densidad se llama Spectra. Se utiliza para hacer guantes quirúrgicos, ya que es muy resistente al corte.





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CLORURO DE POLIVINILO (PVC): Son baratos y de uso muy general, existen la variedad de rígido (sin aditivos) y plastificado (con aditivos); el primero es utilizado para tuberías y canalones, estructura de ventanas y decoración. Ha sido muy popular su usos en los antiguos discos fonográficos “vinilos”. El plastificado tiene más usos, tapizados de muebles y coches, revestimientos de paredes, revestimiento de capotas de coches, revestimientos de cables eléctricos y suelos. Mangas de riego, relleno de refrigeradores, componentes de electrodomésticos en general y en la industria de la ropa se utiliza como cuero artificial y tejidos para algunos tipos de gabardinas.

POLIPROPILENO (PP): Resistencia a la distorsión térmica, buena resistencia a la fatiga, químicamente inerte y relativamente barato. Productos para el hogar, partes de coches, embalajes, maletas, electrodomésticos y botellas.

POLIESTIRENO ( PS ): Se descubrió a principios del año 1800, tenía un uso limitado debido a su fragilidad. Más tarde, se descubrió que si el peso de la fórmula se mantenía en 106 uma, el poliestireno era más flexible. Tiene dureza, brillo y resistencia contra el agua y los ácidos y bases débiles.
Excelente propiedades eléctricas y claridad óptica, buena estabilidad térmica y relativamente económico. Recubrimiento de interior de automóviles, tejados, juguetes, aislantes térmicos, electrodomésticos, manillares y utensilios de cocina en general. El poliestireno se obtiene de la reacción de polimerización de adición de el estireno.


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POLIACRILONITRILO (PAN): Extraordinaria transmisión de la luz y gran resistencia a la degradación ambiental, pero con propiedades mecánicas mediocres. En forma de fibra como lana en jerseys y mantas. Lentes, ventanas de avión. Se utiliza mucho como co-monómero para producir los polímeros de gran utilidad como resinas SAN y ABS.

ESTIRENO-ACRILONITRILO (SAN):Termoplásticos estireno-acrilonitrilo se utilizan en la fabricación de espejos, componentes de automóviles, manillares, jeringuillas, cristales de seguridad y menaje de cocina (tazas y vasos).

ACRILONITRILO-BUTADIENO-ESTIRENO (ABS): Gran resistencia y tenacidad, buenas propiedades eléctricas pero es soluble en algunos disolventes orgánicos. Se usa en tubería (drenaje, desagüe, ventilación), herramientas, recubrimientos de puertas e interiores de frigoríficos, carcasas de ordenadores, teléfonos, equipos de jardinería, y como escudo frente a interferencias electromagnéticas de radio frecuencia.

METACRILATO DE POLIMETILO (PMMA): Acristalado de aviones y embarcaciones, iluminación exterior y señales publicitarias, lunas traseras de automóviles, pantallas de seguridad, gafas protectoras, picaportes, asas y muebles domésticos.

POLITETRAFLUORETILENO (PTFE): Sobresaliente inercia química, excelente propiedades Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/200511eléctricas y bajo coeficiente de fricción. Se usa para tuberías resistentes a reactivos químicos, aislamiento de cables a alta temperatura, recubrimientos anti-adherentes a temperaturas moderadas (hasta 200 oC). También como manguitos, juntas, válvulas químicamente resistentes, anillos de estancamiento y cojinetes. La famosa fibra GoreTex® de uso extendido en calzado de montaña por ser transpirable pero impermeable esta basado en el PTFE “basado en la propiedad hidrófoba del teflón).

POLICLOROTRIFLUORETILENO (PCTFE): Propiedades parecidas al anterior. Se usa en equipos de procesado químico, juntas elásticas, anillos de estancamientos, componentes eléctricos.

POLIAMIDAS ( O NAYLONS ). El nylon es otro polímero sintético que se obtiene uniendo los monómeros de dos moléculas distintas: hexametilendiamina y cloruro de adipoilo:






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La aplicación más importante del nylon es la producción de fibras para ropa, cuerda, y alfombras. El nylon se comporta como un termoplástico y puede ser fundido y moldeado para adaptarse a cualquier forma deseada. También se utiliza para fabricar tubos, cremalleras, y aislamiento para cables.



EL KEVLAR: Es un polímero de condensación similar al nailon, se diferencia en que sus monómeros tienen un anillo bencénico, por lo que se llama aramidas. El hecho de que los monómeros tengan los sustituyentes en posición para permite la formación de fibras muy largas y resistentes con las que se pueden fabricar ligeros chalecos antibalas, neumáticos de bicicleta antipinchazo, cables submarinos, etc


EL NOMEX: Es un polímero similar al kevlar. Resulta de la condensación del ácido metadibenzoico con el metadiaminobenceno. Las fibras de nomex resultan más fáciles de tejer que las de kevlar. Se utilizan para fabricar prendas resistentes al fuego para los bomberos, soldados, fuerzas de cuerpos especiales, aislamientos eléctricos …
POLICARBONATOS (PC): Son dimensionalmente estables, extraordinaria resistencia química, gran resistencia al impacto y alta ductilidad y buena transparencia. Por todo ello son muy utilizados, p. ej. en pantallas de seguridad, cascos, engranajes y levas, componentes de vuelo y propulsores de barcos, equipamiento luminoso para tráfico, lentes (cristales irrompibles), ventanas de plástico, terminales y carcasas de ordenador, CD, y base para películas fotográficas.

POLIOXOMETILENO (POM): también conocidos como acetales, están reemplazando a muchas piezas metálicas de Zn, Al y latón debido a su bajo coste y gran resistencia que permite construir piezas de alta precisión. Usos como cinturones de seguridad, manivelas de ventanas, sedales de pesca, bolígrafos, levas, e incluso en cremalleras de polímero.

POLÍMEROS TERMOESTABLES.

POLIESTERES: tienen excelente propiedades eléctricas y son muy baratos. Sirven como matriz para ser reforzados con fibras. Los dos más comunes son el PBT (tereftalato de polibutadieno) y el PET (tereftalato de polietileno). PET se utiliza como alfombras, encordelado de neumáticos, y resinas de envase. PBT tiene un bajo coste; se usa mucho en la actualidad: conectores, enchufes, relés, componentes de alto voltaje, consolas terminales, timbres. Se utiliza mucho en electrodomésticos, también como sillas, ventiladores o incluso como componente del casco de barcos pequeños. En forma de cintas delgadas se usan como soporte del material magnético en cintas magnetofónicas y de vídeo.

POLIESTERES INSATURADOS: reforzados con vidrio se utiliza para paneles de automóviles y para prótesis. Para fabricar botes pequeños y componentes de baño. Para tubería, tanques y conductos si se requiere una gran resistencia a la corrosión.

FENÓLICOS: p. ej. la baquelita, fueron de los primeros plásticos descubiertos en la primera década del siglo XX por Baekeland. Todavía se utilizan por su bajo coste y sus excelentes propiedades como aislantes (térmico y eléctrico). Se pueden utilizar como material de relleno para otros polímeros y en materiales compuestos. Además del uso en todo tipo de interruptores eléctricos, en piezas “ligeras” en la industria del automóvil como piezas del sistema de transmisión, carcasa de motores, teléfonos, distribuidores de automóvil (DELCO). Se utilizan como botones, tiradores y debido a las buenas propiedades adhesivas como laminados de maderas (y otros materiales) contrachapados.

RESINAS EPOXI: Tienen excelentes propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión. Buena adherencia y relativamente baratos. Como recubrimientos protectores y decorativos por su buena adherencia y gran resistencia mecánica y química. Forros para latas, baterías y recubrimientos de neumáticos. Por sus buenas propiedades aislantes como encapsulamiento de materiales semiconductores (p.ej. transistores). Matrices para materiales compuestos (p. ej. fibra de carbono).

POLIURETANO: Buena estabilidad térmica y propiedades elásticas: suelas de zapatos, partes de coches, fibras, espumas.

ELASTOMEROS.

Son conocidos como gomas por su capacidad de sufrir un gran alargamiento elástico que se puede recuperar si cesa el esfuerzo.

CAUCHO NATURAL: cispoliisopreno es el natural (caucho) que vulcanizado se utiliza como neumáticos para coches, tacones y suelas de zapato, juntas en general. Sin embargo, en 1980 el 70 % del mercado del caucho mundial son cauchos sintéticos.

CAUCHO ESTIRENO-BUTADIENO (SBR): es el caucho sintético más importante. Un co-polímero que contiene entre un 20 y 23 % de PS. Es más barato que el caucho natural, p. ej. ahora se utilizan en llantas de neumáticos. Son más resistentes al desgaste pero tienen el inconveniente de que pueden absorber disolventes orgánicos como aceite y gasolina. Usos similares a los del caucho natural.
Este polímero sintético es más resistente a la oxidación y a la abrasión que el caucho natural, pero sus propiedades mecánicas no son tan óptimas. Al igual que el caucho natural, el caucho estireno-butadieno contiene dobles enlaces capaces de formar enlaces cruzados.

Un segmento de este copolímero es el siguiente:




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CAUCHO DE NITRILO (NBR): copolímero de butadieno (PB) y acrilonitrilo (PAN) con una proporción del 55 al 82 % de PB. Los grupos nitrilo proporcionan una mayor resistencia a los aceites minerales y animales así como al calor y a la abrasión, sin embargo, estos cauchos son más caros que los anteriores. Las aplicaciones son especiales donde se requieran estas propiedades, p. ej., manguitos de alta resistencia para el flujo de aceites y disolventes en los componentes de los coches, mangueras para distribución de gasolina y aceite, tacones y suelas de calzado.

CAUCHO DE POLICLOROPRENO (NEOPRENO): son cauchos similares a los de isopreno donde se sustituye el grupo metilo por un átomo de cloro. Esto aumenta la resistencia del doble enlace (resisten el ozono y la degradación medio ambiental) y buena resistencia a la llama, además son de mayor fortaleza que los ordinarios aunque son también más caros. Los usos más comunes son recubrimientos de cables, recubrimientos internos de tanques para productos químicos, mangueras y abrazaderas industriales, precintos y diafragmas de automóviles, correas y en forma de trajes para inmersión sub-acuática.

CAUCHO DE SILICONA: Un ejemplo es el polidimetil siloxano, aunque hay otros cauchos de silicona con radicales diferentes como fenilos. La ventaja principal de estos cauchos residen en su amplio rango de temperatura de trabajo, poca resistencia mecánica y excelente propiedades eléctricas (aislantes). Como usos principales se puede destacar el sellado, junta de materiales, aislantes eléctricos, tubos de uso alimentario y médicos, y cebadores de bujías. Aleaciones de polímeros. Son mezcla de varios polímeros para mejorar las propiedades p. ej. ABS/PC, ABS/PVC, PC/PE, PC/PBT o PBT/PET. Se combinan las propiedades y se rebajan los costes. Un uso importante de los polímeros es como adhesivos o pegamentos. Hay varios tipos de adhesivos que se pueden elegir en función de la temperatura de trabajo, tiempo de curado, resistencia que se requiere, etc. La temperatura es uno de los parámetros primordiales ya que el polímero adhesivo nunca debe usarse a T > Tg. Uno de los pegamentos más comunes son los cianocrilatos, que tienen un tiempo de curado relativamente muy rápido (del orden de varios minutos) para alcanzar su resistencia definitiva. En cambio los poliuretanos y los epoxy, requieren tiempos de curado superiores a la hora. El endurecimiento del polímero puede ser causado por diferentes factores como 1) por reacción química (p. ej. adhesivos base epoxy, y los tipo elastoméricos como poliuretanos y derivados del caucho); 2) por enfriamiento (como laspoliamidas) que se aplican a alta temperatura y estos polímeros termoestables (en estado fundido al ser aplicados) cuando baja la temperatura, solidifican, y unen los materiales o piezas que se desean; 3) por evaporación en la que se aplica la mezcla disolvente volátil y polímero (encolado) y al quedar el residuo polimérico sin disolvente hace de unión.

EL POLIBUTADIENO, un elastómero sintético, se fabrica a partir del monómero butadieno, queno posee un metil en el carbono número dos, siendo esta la diferencia con el isopreno. El polibutadieno es resistente a la tensión, pero apenas frente a la gasolina y a los aceites. Estas propiedades limitan las posibilidades de fabricar con ellos los neumáticos.


CH2 =CH–CH=CH2

1,3 -butadieno
Se ha logrado sintetizar EL POLIISOPRENO, un compuesto idéntico en todos los sentidos al caucho natural, solo que no se extrae del árbol del caucho.


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5. Polímeros en el futuro.

"Toda nueva tecnología, desde el avión supersónico y el tren de alta velocidad a las pequeñas baterías para teléfonos móviles, pasando por la optoelectrónica, los nuevos implantes quirúrgicos y nuevos tejidos sintéticos, necesita del desarrollo de un conjunto amplio de materiales con propiedades muy específicas. Sin la investigación y el conocimiento de nuevos polímeros (plásticos en su acepción más popular) estas tecnologías no podrían desarrollarse en el futuro y, ni tan siquiera, imaginarse. El previsible desarrollo que los polímeros pueden conseguir en el año 2020 está motivado por dos hechos fundamentales. El primero, se deriva del amplio conocimiento que tenemos de ellos. Aunque el descubrimiento y la investigación en polímeros es reciente, en comparación con otros materiales, la ciencia de polímeros ha conseguido importantes logros en la síntesis de nuevos monómeros y polímeros, en la descripción de la cinética y termodinámica de la polimerización, en la determinación de la microestructura y cristalinidad, en la predicción de la composición química de polímeros y copolímeros, en el estudio de la relajación molecular y las transiciones térmicas, propiedades mecánicas, conducción eléctrica, interacciones polímero-polímero y polímero-carga y en el conocimiento de la viscoelasticidad y procesos de transformación de polímeros. Este conocimiento adquirido en el campo de los polímeros ha sido reconocido con la concesión de 5 Premios Nobel. El segundo, es debido a las propiedades intrínsecas de los polímeros: amplia disponibilidad e infinidad de estructuras poliméricas posibles; baja densidad, lo que les hace ser mucho más ligeros que otros materiales, de fácil procesabilidad y bajo consumo energético; económicos; y, lo más importante, amplio espectro de propiedades especificas: conductores y aislantes, transparentes y opacos, flexibles y rígidos, impermeables y permeables, y pueden llegar a tener una resistencia comparable a la de los metales."



La ciencia de polímeros en el año 2020 tiene que resolver importantes retos, entre otros, el fenómeno de adhesión y el control de la química de superficies e interfases; la obtención de polímeros con arquitectura “ordenada” a escala nanométrica y determinar el efecto del confinamiento en las propiedades finales del polímero; el origen de la dinámica molecular y su posible generalización, programas de simulación que faciliten la predicción de la estructura de cualquier polímero y de sus propiedades. Lo que se pretende es obtener un polímero “a medida”, para cada necesidad. Además, los polímeros tiene “un compromiso de sostenibilidad” con el medio ambiente y para ello tienen que resolver un reto muy importante, encontrar nuevas fuentes de obtención de los polímeros, aparte del petróleo.
En el año 2020 los materiales polímeros tendrán grandes oportunidades tecnológicas en áreas como la Energía, Salud, Transporte, Medio Ambiente. Como ejemplos podemos citar: Polímeros naturales biodegradables como almidón, celulosa, ácido poliláctico etc. para el envase. Ello esta motivado porque en el año 2030 el compromiso es generar “cero residuos”.
Biomateriales para la regeneración de tejidos del cuerpo humano a partir de cultivos celulares específicos “in vitro”, utilizando un soporte (normalmente un sistema polimérico poroso y biodegradable) y su posterior implantación en el organismo y biomateriales para todo tipo de implantes en el cuerpo humano.
Polímeros para la fabricación de pantallas enrollables (electrónica flexible). Polímeros nanoestructurados que en combinación con otros materiales se emplearán como nanosensores y materiales con respuesta a estímulos. Materiales compuestos en base polímero verán aumentar su demanda para su empleo masivo en el transporte (aeronáutica, trenes, automoción...) y en sistemas para la producción de energía (aerogeneradores).
Afortunadamente, para lograr todos estos retos, la sociedad cuenta con grandes investigadores especializados en polímeros, un importante sector industrial dedicado a estos materiales y programas de investigación específicos a este campo de la ciencia y tecnología.




  • El grafeno


El grafeno es transparente, flexible, extraordinariamente resistente, impermeable, abundante, económico y conduce la electricidad mejor que ningún otro metal conocido.


En fase de desarrollo

El grafeno es una lámina extremadamente delgada compuesta de carbono (sólo tiene un átomo de grosor). El grafito del que se obtiene es el mismo que se extrae de las minas de carbón y se usa para fabricar lápices, frenos de coches o aceros, por lo que se trata de una materia prima muy abundante en la naturaleza. Para conseguir grafeno se puede partir del grafito natural o del grafito sintético.
El principal obstáculo en la actualidad es que aún no es posible fabricar grafeno a gran escala.
Existen varias formas de producir grafeno. La cinta adhesiva (exfoliación mecánica) fue el método que se utilizó para aislarlo por primera vez y puede servir para algunos experimentos, pero no es válido para la industria. Básicamente se comercializa de dos maneras: en formato lámina y en polvo.

Grafeno en lámina


Graphenea, con base en San Sebastián, es una de las tres principales productoras de grafeno en lámina a nivel mundial (sus dos principales competidores son estadounidenses): se emplea para fabricar electrodos de baterías, pantallas táctiles, células solares, electrónica digital y analógica de alta frecuencia o composites avanzados para aeronáutica.
Para producirlo no se utiliza grafito, sino gas metano, que se transforma mediante una tecnología denominada deposición química en fase vapor (Chemical Vapor Deposition, CVD).

Muestra de grafeno sobre lámina de silicio. | Graphenea
Muestra de grafeno sobre lámina de silicio. | Graphenea


El precio varía según los tamaños y las propiedades. En los últimos años ha caído ya a la mitad. Una lámina de grafeno cuesta entre 300 y 1.000 euros, una cifra muy asequible para el consumo de investigación pero elevada para otros usos.


Baterías mucho más duraderas


Este material podría solucionar uno de las grandes desventajas de los teléfonos inteligentes, cuyas baterías apenas duran un día. Los prototipos de baterías fabricadas con electrodos de grafeno son diez veces más duraderas que las que llevan los teléfonos que se venden en el mercado y se cargan en mucho menos tiempo (aproximadamente media hora).
El grafeno también podrá usarse en televisores OLED (Organic LED), que estarán fabricados con materiales orgánicos, más respetuosos con el medio ambiente.

Grafeno en polvo

El grafeno en polvo se utiliza en aplicaciones que requieren un material más barato, como composite para construcción. El proceso de producción de grafeno en formato polvo parte del grafito como materia prima y básicamente consiste en realizar una oxidación violenta y un proceso de ultrasonificación para separar las pequeñas láminas de grafeno que componen el grafito.
Sus propiedades no son tan buenas como el grafeno en lámina y conduce peor la electricidad. La demanda de este producto, cuyo precio depende de su pureza, sigue siendo pequeña. El de baja calidad cuesta menos de 10 euros el gramo mientras que el de alta calidad ronda los 100 euros.

Óxido de grafeno y grafeno en polvo. | Graphenea.
Óxido de grafeno y grafeno en polvo. | Graphenea.


Los científicos estudian también las posibles aplicaciones en medicina. Por ejemplo, para fabricar biosensores y detectar ADN...

Grafeno artificial


Se ha conseguido fabricar un material que permite manipular las propiedades más exóticas del grafeno con gran precisión. El denominado grafeno artificial es un primer paso para sintetizar a gran escala materiales con propiedades cualitativamente similares al que encontramos en la naturaleza. Este nuevo material ha sido fabricado colocando y moviendo moléculas de óxido de carbono sobre una superficie de cobre.

Inspirador de otros materiales

Entre los otros materiales bidimensionales que ha inspirado el grafeno, destaca el fluorografeno (análogo bidimensional del teflón, con propiedades lubricantes y aislantes extraordinarias), el nitruro de boro, hexagonal (aislante cristalino y transparente, de gran dureza, que combinado con el grafeno mejora sus propiedades electromecánicas), el disulfuro de molibdeno (otro cristal bidimensional con prometedoras propiedades para la construcción de una nueva clase de transistores) o elsiliceno (versión del grafeno hecho de silicio. Tiene algunas propiedades en común con el grafeno, y como ventaja se podría integrar fácilmente con la electrónica actual basada en el silicio).




6. Biblografía

Química 2 Bachillerato Oxford Educación. Jaime Peña Tresancos, Mª Carmen Vidal Fernández.Tipos de polímerosPolymer Synthesis Lab1Synthetic Polymers

www.euskonews.com
Youtube.
Google images.

http://polymersandmacromol.wikispaces.com/Pol%C3%ADmeros+y+Macromol%C3%A9culas
http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/juansqui/macromoleculas.htmL
http://www.textoscientificos.com/polimeros/introduccion
http://www.uned.es/quim-5-macromoleculas/conceptos/definiciones.htm
http://www.ehu.es/reviberpol/pdf/publicados/cristobal1.pdf
Artículo sobre el grafeno