Polímeros: Definición, Tipos, Propiedades y Aplicaciones Esenciales

Los polímeros son comunes a nuestro alrededor hoy, aunque existen amplias variedades de tipos y clasificaciones diferentes. En una publicación anterior, explicamos estos diversos tipos de plásticos como plásticos de commodity y especializados. También vimos aplicaciones y algunos beneficios de los plásticos. Te recomiendo consultarlo.

Lee todo lo que necesitas saber sobre plásticos.

Hoy examinaremos de cerca la definición, estado físico, propiedades y aditivos de los polímeros. También distinguiremos entre termoplásticos y termoestables.

¿Qué son los polímeros?

Los polímeros son compuestos químicos cuyas moléculas son extremadamente grandes, pareciendo una larga cadena compuesta por una serie aparentemente infinita de eslabones interconectados. El tamaño de estas moléculas es extraordinario, oscilando en miles e incluso millones de unidades de masa atómica. El tamaño molecular, estado físico y estructura son las propiedades únicas por las que se conoce un plástico, dándole la capacidad de ser moldeado y conformado.

Termoplásticos y Termoestables

Como se mencionó, los polímeros clasificados como plásticos se dividen en dos categorías principales: termoplásticos y termoestables.

Los termoplásticos como polietileno y poliestireno son plásticos capaces de moldearse y remoldearse repetidamente. Esto significa que un vaso de poliestireno expandido puede calentarse y remodelarse en una nueva forma —quizás un plato o bandeja.

La estructura de un polímero termoplástico es la de moléculas individuales separadas entre sí y que fluyen unas junto a otras. Estas moléculas pueden tener peso molecular extremadamente alto o bajo. Pueden ser ramificadas o lineales en estructura, pero mantienen la característica de separabilidad y movilidad consecuente. Los polímeros de estos tipos se conocen como plásticos de commodity.

Por otro lado, los termoestables son polímeros que no pueden reprocesarse mediante recalentamiento. Esto es porque, durante el procesamiento inicial, las resinas termoestables sufren una reacción química que las hace infusibles e insolubles. Cuando un polímero se produce así, el reprocesamiento o calentamiento puede causar la degradación de la aplicación.

Estado físico y morfologías moleculares de los polímeros

El comportamiento plástico de los polímeros también puede verse influenciado por su morfología, o disposición de moléculas a gran escala. Las morfologías de polímeros pueden ser amorfas o cristalinas. Las moléculas amorfas están dispuestas aleatoriamente y entrelazadas. Mientras que las cristalinas están dispuestas compactamente y en orden indiscernible.

Los termoestables se conocen por ser amorfos, mientras que los termoplásticos son amorfos o semicristalinos. Los materiales semicristalinos muestran regiones cristalinas conocidas como cristalitos, dentro de una matriz amorfa.

Los materiales termoplásticos retienen sus formas moldeadas hasta cierta temperatura. Esta está determinada por la temperatura de transición vítrea o la temperatura de fusión del polímero particular. Por debajo de la temperatura de transición vítrea (T_g), las moléculas de un material polimérico están congeladas, llamado estado vítreo; hay poco o ningún movimiento de moléculas pasándose unas a otras. Esto hace el material más rígido e incluso frágil.

Por encima de T_g, las partes amorfas del polímero entran en estado gomoso. Es decir, las moléculas muestran mayor movilidad y el material se vuelve plástico e incluso elástico, es decir, capaz de estirarse.

En el caso de polímeros no cristalinos como el poliestireno, elevar la temperatura lleva directamente al estado líquido. Por otro lado, para polímeros parcialmente cristalinos como polietileno de baja densidad o tereftalato de polietileno, el estado líquido no se alcanza hasta superar la temperatura de fusión (T_m).

Más allá de ese punto, las regiones cristalinas ya no son estables, y los polímeros gomosos o líquidos pueden moldearse o extruirse. Como los termoestables no se funden al precalentar, pueden ser dimensionalmente estables hasta una temperatura donde comienza la degradación química.

Propiedades de los polímeros

El estado físico y morfología de un polímero juegan un papel perfecto en sus propiedades mecánicas. Las diferencias en su comportamiento mecánico son la elongación que ocurre cuando el plástico se carga (estresa) en tensión.

Por ejemplo, un polímero vítreo como el poliestireno es bastante rígido, mostrando una alta relación de tensión inicial a elongación inicial. Mientras que el polietileno y polipropileno, dos plásticos altamente cristalinos, pueden usarse como películas y objetos moldeados. Esto es porque sus regiones amorfas están bien por encima de sus temperaturas de transición vítrea a temperatura ambiente.

La tenacidad coriácea de estos polímeros por encima de T_g resulta de las regiones cristalinas que existen en una matriz amorfa y gomosa. Estos plásticos tienen posibilidad de elongación del 100 al 1000 por ciento.

Como la T_g del PET (otro plástico semicristalino) está por encima de temperatura ambiente, las porciones cristalinas existen en una matriz vítrea. Por esto, el material recibe rigidez y alta estabilidad dimensional bajo tensión, gran beneficio en botellas de bebidas y cintas de grabación.

Casi todos los plásticos exhiben cierta elongación al ser tensionados que no se recupera al eliminar la tensión. Esta condición se conoce como "fluencia" (creep), que puede ser muy pequeña para plástico bien por debajo de su T_g, pero significativa para plástico parcialmente cristalino por encima de T_g.

Mira el video sobre las propiedades de los polímeros:

Las propiedades mecánicas más comúnmente especificadas de los polímeros incluyen tensión de rotura, rigidez, resistencia a la tracción, cuantificadas en la tabla de propiedades y aplicaciones como módulo de flexión. La tenacidad es otra propiedad importante, que es la energía que el polímero absorbe antes de fallar. A menudo resulta de impacto repentino. Aplicar tensión repetidamente por debajo de la resistencia a la tracción del plástico puede resultar en falla por fatiga.

Casi todos los plásticos son malos conductores de calor; la conductividad puede reducirse más al inducir un gas (generalmente aire) en el material. Por ejemplo, el poliestireno expandido usado en vasos para bebidas calientes tiene conductividad térmica de aproximadamente un cuarto del polímero no expandido. Los plásticos también son aislantes eléctricos salvo que se diseñen para conductividad; además, la conductividad es importante en plásticos como resistencia dieléctrica (resistencia a la ruptura a altos voltajes). También es importante como pérdida dieléctrica (medida de la energía disipada como calor cuando se inserta corriente alterna).

Aditivos para Polímeros

Un aditivo también puede conocerse como ingrediente combinado con un polímero para alcanzar un conjunto de propiedades apropiadas al producto. Sin embargo, en muchos productos plásticos, el polímero es solo un constituyente. La combinación de otros aditivos se mezcla durante el procesamiento y fabricación.

Los siguientes son los aditivos usados en polímeros para obtener un producto apropiado:

Plastificantes:

El plastificante se usa para cambiar la temperatura de transición vítrea T_g de un polímero. Por ejemplo, el cloruro de polivinilo (PVC) a menudo se mezcla con líquidos no volátiles para cambiar la transición vítrea. El revestimiento de vinilo usado en hogares requiere PVC sin plastificar, rígido, con T_g de 85 a 90 °C (185 a 195 °F). Sin embargo, una manguera de jardín de PVC debe permanecer flexible incluso a 0 °C (32 °F).

Hay muchos más polímeros que pueden plastificarse, pero el PVC es único en aceptar y retener plastificantes de tamaño molecular y composición química ampliamente variables. El plastificante también puede afectar la inflamabilidad, olor, biodegradabilidad e incluso el costo del producto final.

Colorantes:

Dado que la apariencia final de los productos plásticos debe ser atractiva, la inclusión de colorante durante el procesamiento y fabricación es necesaria. Los pigmentos populares para colorear plásticos son dióxido de titanio y óxido de zinc (blanco), carbono (negro), y varios óxidos inorgánicos como hierro y cromo. Otros compuestos orgánicos pueden usarse para añadir color ya sea como pigmentos (insolubles) o colorantes (solubles).

Refuerzos:

Como su nombre indica, los refuerzos mejoran las propiedades mecánicas de los plásticos. Una variedad de materiales como sílice, negro de carbón, talco, mica y carbonato de calcio, así como fibras cortas, pueden incorporarse como cargas particuladas. El uso de fibras largas o incluso continuas como refuerzo, especialmente con termoestables, se describe en refuerzo con fibra.

Introducir grandes cantidades de carga particulada durante la fabricación de plásticos como polipropileno y polietileno puede aumentar su rigidez. El efecto puede ser menos dramático cuando la temperatura está por debajo de la T_g del polímero.

Estabilizadores:

Los estabilizadores ayudan a mejorar la longevidad y vida útil en cualquier aplicación. Mantienen las propiedades del plástico lo más inalteradas posible con el tiempo. Se añaden, usualmente en pequeñas cantidades, para contrarrestar los efectos del envejecimiento. Como todos los polímeros basados en carbono están sujetos a oxidación, los estabilizadores comunes son antioxidantes. Fenoles impedidos y aminas terciarias se usan en plásticos en concentraciones tan bajas como unas pocas partes por millón.

Conclusión

Los polímeros son la forma común de describir plásticos, están disponibles en diversas formas y pueden procesarse para obtener diferentes propiedades. En este artículo, vimos la definición, morfologías físicas y moleculares, y aditivos de los polímeros. También vimos la diferencia entre termoplásticos y termoestables.

Espero que hayas disfrutado la lectura; si es así, comenta tu sección favorita y no olvides compartir con otros estudiantes técnicos. ¡Gracias!