Seguimiento de la historia de los materiales poliméricos, parte 13

En ambos casos, uno o ambos reactivos tienen un grupo reactivo en un solo extremo de la molécula, por lo que una vez que tiene lugar la reacción, el proceso termina. Sin embargo, Carothers y su equipo descubrieron que si usaban reactivos con grupos funcionales en ambos extremos de la molécula, la reacción podría extenderse para crear una macromolécula de cadena larga, un polímero. La Figura 3 muestra este principio aplicado al nailon 66. El poliéster, que en realidad se había sintetizado anteriormente utilizando el mismo tipo de reacción, se dejó en el estante mientras todo el enfoque se centró en el nailon.

Si se usan reactivos con grupos funcionales en ambos extremos de la molécula, la reacción podría extenderse para crear una macromolécula de cadena larga:un polímero. Este principio se aplica aquí al nailon 66.

Para comprender la razón de esto, debemos apreciar la química del éster y los grupos amida. El grupo amida consiste en un enlace nitrógeno-carbono dentro de la cadena principal del polímero. Unido al carbono por un doble enlace hay un átomo de oxígeno, mientras que un átomo de hidrógeno está unido al nitrógeno. Esto crea una situación muy fortuita. Ambos segmentos del grupo amida se comportan como pequeños imanes con un polo positivo y negativo bien definidos. En el caso del enlace C =O, el oxígeno está cargado negativamente, mientras que en el enlace N-H el hidrógeno está cargado positivamente. Cuando los segmentos vecinos de las cadenas de polímeros se alinean, las fuerzas de atracción entre el oxígeno cargado negativamente y el hidrógeno cargado positivamente son muy fuertes y dan como resultado propiedades mecánicas superiores y un punto de fusión muy alto.

Fue el punto de fusión de 260 C (500 F), así como la resistencia y el módulo muy altos del material, lo que llamó la atención de los investigadores de DuPont. La presencia del hidrógeno unido al nitrógeno es clave aquí. El hidrógeno es el elemento más simple de nuestro universo, que consiste en un núcleo que contiene un solo protón cargado positivamente alrededor del cual orbita un solo electrón cargado negativamente. Cuando cualquier átomo entra en una reacción química, lo hace compartiendo al menos un electrón con un compañero.

En el caso del hidrógeno, compartir este electrón deja al núcleo positivo sin blindaje. Si el átomo asociado es capaz de eliminar el electrón de hidrógeno lo suficientemente lejos de su núcleo, el núcleo positivo se vuelve capaz de participar en una fuerza de atracción muy fuerte conocida como enlace de hidrógeno. Solo tres elementos son capaces de alejar el electrón de hidrógeno de su núcleo lo suficiente como para crear tal enlace de hidrógeno y el nitrógeno es uno de ellos. Cuando estas fuertes cargas positivas se alinean con los átomos de oxígeno cargados negativamente, como se muestra en la Fig. 4, las fuerzas que unen estos segmentos se vuelven muy fuertes y el resultado son las excelentes propiedades del nailon.

Es importante señalar que la estructura del polímero de nailon entre los grupos amida consiste únicamente en una cadena de carbono con átomos de hidrógeno unidos al lado de la cadena. Esto se asemeja a la estructura química del polietileno, una geometría molecular simple que se conoce en química como estructura alifática. Las estructuras alifáticas no suelen tener propiedades térmicas y mecánicas muy impresionantes. Pero funciona en poliamidas porque la combinación de las fuertes atracciones proporcionadas por los enlaces de hidrógeno, junto con la simetría del espaciado del grupo amida, proporciona propiedades que están mucho más allá de lo que normalmente se esperaría.

Entonces, ¿por qué se dejaron los poliésteres en un segundo plano a favor de la química del nailon? Si volvemos a la estructura de la Fig. 1, podemos ver que el grupo éster, aunque es similar al del grupo amida, pierde la oportunidad de formar enlaces de hidrógeno. En lugar del grupo N-H, solo tenemos un átomo de oxígeno. La ausencia del enlace de hidrógeno dio como resultado poliésteres alifáticos con puntos de fusión mucho más bajos y una resistencia mucho más baja. Un poliéster alifático con un peso molecular promedio comparable al del nailon 66 tendría un punto de fusión de sólo 80 C (176 F) y también exhibiría una tendencia significativa a sufrir hidrólisis. Estas propiedades no cumplieron con las expectativas de los investigadores de DuPont, que se centraron principalmente en las fibras para telas y prendas de vestir.

Por lo tanto, mientras que la creación de poliéster y su formación en fibras en el laboratorio precedió al nailon en aproximadamente tres años, el nailon recibió todo el énfasis en el desarrollo y el poliéster se colocó en el estante. A finales de la década de 1930, dos investigadores británicos, John Rex Whinfield y James Tennant Dickson, comenzaron a revisar el trabajo que el equipo de Carothers en DuPont había realizado sobre poliésteres. Descubrieron que el equipo de DuPont no había seguido la vía de mejorar el perfil de propiedades del poliéster mediante el uso de una química que reemplazó las estructuras alifáticas originales con un tipo de química conocida como aromática. En química, el término aromático tiene un significado muy particular:se refiere a una estructura química similar a un anillo que generalmente involucra seis carbonos y está ejemplificada por sustancias como benceno y xileno.

Los anillos aromáticos son una parte indispensable de la química moderna de polímeros, pero en la década de 1930 su uso todavía se limitaba a polímeros termoendurecibles como el fenólico. Estos anillos son planos y muy rígidos y, por lo tanto, imparten mejoras significativas en el rendimiento térmico y mecánico cuando se incorporan a compuestos orgánicos y polímeros. En 1939, Whinfield y Dickson utilizaron un ácido carboxílico aromático, el ácido tereftálico, en combinación con etilenglicol, para producir el primer poliéster comercialmente viable, el tereftalato de polietileno (PET). Trabajando con dos inventores británicos, W.K. Birtwhistle y C.G. Ritchie, patentaron el poliéster PET y comercializaron una fibra basada en el material que fue introducido por Imperial Chemical Industries (ICI) en 1941 como Terileno.

Este desarrollo inició la larga historia de los poliésteres que narraremos en nuestra próxima entrega.

SOBRE EL AUTOR:Michael Sepe es un consultor independiente de procesamiento y materiales con sede en Sedona, Arizona, con clientes en América del Norte, Europa y Asia. Tiene más de 45 años de experiencia en la industria del plástico y ayuda a los clientes con la selección de materiales, el diseño para la fabricación, la optimización de procesos, la resolución de problemas y el análisis de fallas. Contacto:(928) 203-0408 • [email protected]