Polímeros y su uso en la Industria Mecánica

Los polímeros

Los polímeros naturales son la base de algunos de los primeros materiales utilizados por el hombre: la madera y las fibras vegetales, el cuero, los tendones animales, la lana, la seda y la celulosa. Se han empleado profusamente y han tenido mucha importancia a lo largo de la historia, aunque se tardó mucho en saber su composición y la forma de sintetizarlos artificialmente. La noción de macromolécula se presentó tardíamente en la historia de la química. Aunque presagiada por Wilhelm Eduard Weber, e incluso por Henri Braconnot a principios del siglo XIX, muchos investigadores las veían como agregados o micelas. El término «polímero» se utilizó por primera vez en 1866 por Marcellin Berthelot.

Antes de saber gran cosa sobre ellos, comenzaron a aparecer a mediados del siglo XIX los primeros polímeros sintéticos obtenidos a partir de la modificación de los polímeros naturales con el fin de mejorar sus propiedades físicas para poder usarlos. En 1839, Charles Goodyear modificó el hule calentándolo con azufre, ya que era frágil a temperaturas bajas y pegajoso a altas temperaturas. El hule se convirtió en cauchovulcanizado, una sustancia resistente a un amplio margen de temperaturas. El nitrato de celulosa se sintetizó accidentalmente en el año 1846 por el químico Christian Friedrich Schönbein y en 1868, John W. Hyattsintetizó el celuloide a partir de nitrato de celulosa. Otro acontecimiento que contribuyó al desarrollo continuo de los polímeros fue la modificación de la celulosa que permitió el surgimiento de las fibras sintéticasllamadas rayones.

Posteriormente el químico belga Leo Hendrik Baekeland desarrolló en 1907​ el primer polímero totalmente sintético, la baquelita, un material muy duradero que por provenir de materiales de bajo costo, como el fenol y el formaldehído, llegó a tener gran éxito durante cierto tiempo. Otros polímeros importantes se sintetizaron en los años siguientes, por ejemplo el poliestireno (PS) en 1911 o el policloruro de vinilo (PVC) en 1912.

Sin embargo, con independencia de los avances en la aplicación industrial de los polímeros, no se tenía mucha información en cuanto a su estructura. En 1922, el químico alemán Hermann Staudinger comenzó a estudiar los polímeros y en 1926 expuso su hipótesis de que se trataba de largas cadenas de unidades pequeñas unidas por enlaces covalentes. Propuso las fórmulas estructurales del poliestireno y del polioximetileno, tal como se conocen actualmente, como cadenas moleculares gigantes formadas por la asociación mediante enlace covalente de ciertos grupos atómicos llamados "unidades estructurales". Este concepto se convirtió en "fundamento" de la química macromolecular solo a partir de 1930, cuando fue aceptado ampliamente y contribuyó al desarrollo de la química de los polímeros, tanto sintéticos como naturales. En 1953 recibió el Premio Nobel de Química por su trabajo.

La idea de las macromoléculas fue apoyada y desarrollada años más tarde por Wallace Carothers, que trabajaba en la empresa DuPont desde 1928 y que estableció un gran número de nuevos polímeros: poliésteres, poliamidas, neopreno.

El desarrollo industrial posterior de la ciencia macromolecular se vio acelerado por la Segunda Guerra Mundial. Los Estados Unidos se vieron privados, cuando entraron en guerra, de su suministro de caucho naturaldesde el sureste de Asia. Por ello pusieron en marcha un vasto programa de investigación para encontrar caucho sintético.

En los años 1950 el alemán Karl Ziegler y el italiano Giulio Natta desarrollaron los catalizadores de Ziegler-Natta y obtuvieron el Premio Nobel de Química en 1963. Otro Premio Nobel de Química fue concedido por sus estudios de polímeros a Paul J. Flory en 1974.

En la segunda mitad del siglo XX se desarrollaron nuevos métodos de obtención, polímeros y aplicaciones. Por ejemplo, catalizadores metalocénicos, fibras de alta resistencia, polímeros conductores (en 2000 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa recibieron el Premio Nobel de Química por el desarrollo de estos polímeros), estructuras complejas de polímeros, polímeros cristales líquidos.

Por otra parte, los polímeros pueden ser lineales, formados por una única cadena de monómeros, o bien esta cadena puede presentar ramificaciones de mayor o menor tamaño. También se pueden formar entrecruzamientos provocados por el enlace entre átomos de distintas cadenas.

La naturaleza química de los monómeros, su masa molecular y otras propiedades físicas, así como la estructura que presentan, determinan diferentes características para cada polímero. Por ejemplo, si un polímero presenta entrecruzamiento, el material será más difícil de fundir que si no presentara ninguno.

Los enlaces de carbono en los polímeros no son equivalentes entre sí, por eso dependiendo del orden estereoquímico de los enlaces, un polímero puede ser: atáctico (sin orden), isotáctico (mismo orden), o sindiotáctico (orden alternante) a esta conformación se la llama tacticidad. Las propiedades de un polímero pueden verse modificadas severamente dependiendo de su estereoquímica.

En el caso de que el polímero provenga de un único tipo de monómero se denomina homopolímero y si proviene de varios monómeros se llama copolímero o heteropolímero. Por ejemplo, el poliestireno es un homopolímero, pues proviene de un único tipo de monómero, el estireno, mientras que si se parte de estireno y acrilonitrilo se puede obtener un copolímero de estos dos monómeros.

En los heteropolímeros los monómeros pueden distribuirse de diferentes maneras, particularmente para polímeros naturales, los monómeros pueden repetirse de forma aleatoria, informativa (como en los polipéptidos de las proteínas o en los polinucleótidos de los ácidos nucleicos) o periódica, como en el peptidoglucano o en algunos polisacáridos.

Los monómeros que conforman la cadena de un copolímero se pueden ubicar en la cadena principal alternándose según diversos patrones, denominándose copolímero alternante, copolímero en bloque, copolímero aleatorio, copolímero de injerto. Para lograr este diseño, la reacción de polimerización y los catalizadores deben ser los adecuados.

Tipos de polimerización

Existen dos tipos fundamentales de polimerización:

• Polimerización por condensación.

En cada unión de dos monómeros se pierde una molécula pequeña, por ejemplo agua. Debido a esto, la masa molecular del polímero no es necesariamente un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero. Los polímeros de condensación se dividen en dos grupos:

• Los copolímeros

baquelitas

poliamidas

poliésteres

• Los homopolímeros

polietilenglicol

siliconas

La polimerización en etapas (condensación) necesita al menos monómeros bifuncionales. Deben de saber que los polímeros pueden ser maquinables.

Ejemplo: HOOC--R1--NH2

Si reacciona consigo mismo, entonces:

2 HOOC--R1--NH2 <----> HOOC--R1--NH· + ·OC--R1--NH2 + H2O <----> HOOC--R1-NH--CO--R1--NH2 + H2O

• Polimerización por adición.

En este tipo de polimerización la masa molecular del polímero es un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero.

Suelen seguir un mecanismo en tres fases, con ruptura homolítica:

Iniciación: CH2=CHCl + catalizador ⇒ •CH2–CHCl•

Propagación o crecimiento: 2 •CH2–CHCl• ⇒ •CH2–CHCl–CH2–CHCl•

Terminación: Los radicales libres de los extremos se unen a impurezas o bien se unen dos cadenas con un terminal neutralizado.

Estructura de los polímeros

Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión repetida de una o varias moléculas unidas por enlaces covalentes. El término macromolécula significa molécula muy grande.

Polímeros: estructura, propiedades generales y aplicaciones
Los polímeros son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros.
Las ventajas de los polímeros en función de las siguientes características: 
• Resistencia a la corrosión y resistencia a los productos químicos. 
• Baja conductividad eléctrica y térmica.
• Baja densidad.
• Alta relación resistencia a peso (particularmente cuando son reforzados).
• Reducción del ruido.
• Amplias opciones de colores y transparencias.
• Facilidad de manufactura y posibilidades de diseño complejo.
• Costo relativamente bajo . 
• Otras características que pueden ser deseables o no (lo que depende de la aplicación), como baja resistencia y rigidez , alto coeficiente de expansión térmica, gama de temperatura útil baja: hasta 350 °C (660 °F), y menor estabilidad dimensional en servicio por cierto periodo. 
Los plásticos se pueden formar, maquinar, fundir y unir en diversas formas con relativa facilidad. Se requieren operaciones mínimas adicionales de acabado superficial. Todos los polímeros comerciales, como polipropileno, cloruro de polivinilo, polimetilmetacrilato, policarbonato y otros, se fabrican de manera similar; a estos materiales se les conoce como 
polímeros orgánicos sintéticos.
Se describe el proceso básico para fabricar diversos polímeros sintéticos.
Las propiedades de los polímeros dependen en gran medida de las estructuras de sus mo-léculas individuales, la forma y el tamaño de la molécula, y cómo se arreglan para for-mar la estructura de un polímero. 

Polímeros y su uso en la Industria Mecánica

Los polimeros son moleculas mas grandes de lo norma que forman materia, se entrelazan cientos de y cientos moléculas pequenas para formar cadenas de pollimeros.

Existen polímeros naturales como el algodón, la ceda, la lana o bien la celulosa de las plantas incuso el hule es un polímero natural.

También están los polímeros creados en laboratorios los cuales se denominan sinteticos. En esta rama entran todos los plásticos, nylon, polietileno, PVC, entre otros.

Las propiedades mecanicas de los polímeros son la causa de que este material sea muy empreado en la industria y la vida cotidiana, ya que por tener mas grandes sus cadenas moleculares, estas se atraen con mayor fuerza y los hace mas resistentes. Esto depende directamente de la composición química que se realice en el laboratorio.

EN LA INDUSTRIA MECÁNICA

En la industria mecánica los polímeros son utilizados en gran cantidad que sus propiedades, permitiendo fabricar partes para maquinas y herramientas según las características que se necesiten. Los plásticos según sea su composición, pueden ser rígidos para transmitir fuerzas o resistir cargas, aun así tienden a ser quebradizos , o bien polímeros elásticos para adaptarse a espacios, ante una carga aceptable se desforma, pero vuelven a su forma original al retirar la carga.

Ejemplos de partes plásticas rígidas

• envases
• cobertores
• estructuras
• transmisiones

Ejemplos de partes plásticas elásticas

• bandas de goma
• empaques o aislantes
• bandas de transmisión
• llantas

Los polímeros en general son muy utilizados gracias a su gran cantidad de ventajas, son livianos , maleables, resistentes a la compresión y tensión, torsión e impacto, elásticos, etc. Son referentes importantes a tomar en cuenta al diseñar algún elemento tanto para una maquina como para un articulo de uso cotidiano.

Propiedades y problemática ambiental

Es indudable el aporte de los polímeros y los plásticos al desarrollo en diferentes ámbitos de la vida. Su versatilidad ha permitido usos que van desde lo más simple, como las bolsas de plástico, pasando de manera transversal casi por todas las industrias a usos más sofisticados como, por ejemplo, los implementos médicos. Sin embargo, es una realidad que los mayores problemas ambientales que existen en el mundo se relacionan con la contaminación por plásticos.

Por cierto, resultaría difícil prescindir de ellos, no solo por su utilidad sino también por su importancia económica, ya que es una de las industrias con más altos índices de crecimiento desde el principio del siglo pasado. Y cómo no, si estos polímeros llamados plástico son durables, de baja densidad, aislantes eléctricos y baratos.

Los polímeros han estado presentes en la vida y la naturaleza desde sus comienzos y un ejemplo de ello son las proteínas. No obstante, los polímeros artificiales surgieron a mediados del siglo XIX y su desarrollo continúa hasta nuestros días. Se cree que el primer polímero con características artificiales fue elaborado por Charles Goodyear en 1839, con el vulcanizado del caucho, aunque el primer polímero totalmente sintético fue la baquelita, desarrollada por el químico estadounidense Leo Hendrik Baekeland. Este producto tuvo un gran éxito debido a sus particulares propiedades: se le podía dar la forma deseada, no conducía la electricidad y era resistente al agua y a los disolventes.

Pronto surgieron otros polímeros que revolucionarían la industria: el poliestireno (PS) y el policloruro de vinilo (PVC), que fueron sustitutos del caucho y se usaron para la creación de objetos y utensilios de uso cotidiano. Otros polímeros importantes son el polimetracrilato de metilo, conocido como plexiglás, usado como sustituto del cristal; el teflón, utilizado en utensilios de cocina, por sus propiedades antiadherentes; y el popular nylon, el primer plástico de alto rendimiento.

El avance de la industria de los polímeros se intensificó a partir de 1926, cuando el químico alemán Hermann Staudinger expuso su teoría de los polímeros: largas cadenas de pequeñas unidades unidas por enlaces covalentes. Esta industria dio otro gran salto en la Segunda Guerra Mundial cuando la mayoría de los países, debido a los embates de la época, no recibían materias primas y se vieron obligados a desarrollar nuevos polímeros para sustituir lo que utilizaban normalmente para producir distintos productos o, incluso, para desarrollar armas de combate.

Un ejemplo de ello fue el caucho sintético en Alemania, usado en las ruedas de los tanques, y el nyon, desarrollado por EEUU, que combinado con otros elementos fue la base para fabricar los textiles de elementos como paracaídas y prendas de vestir.
Durante la posguerra y hasta nuestros días la industria de los polímeros ha seguido avanzando a pasos agigantados, desarrollándose nuevos eleméntos como el polietileno o el polipropileno, dos de los polímeros más usados en la actualidad. Podemos decir que su desarrollo ha sido uno de los mayores avances tecnológicos llevados a cabo por el hombre en el último siglo, convirtiéndose en el material base sin el cual no seríamos capaces de fabricar un gran número de objetos.

Con todo este avance, la ciencia también se encuentra en busca de una solución a los problemas ambientales originados por esta industria. Dentro de estas iniciativas está el desarrollo de plásticos biodegradables a partir de materias primas renovables, derivadas de plantas y bacterias. Estos productos además son compostables; es decir, se descomponen biológicamente por la acción de microorganismos y acaban volviendo a la tierra en forma de productos simples que pueden ser reutilizados por los seres vivos.

Sin embargo, lo que muchas veces es desconocido, es que este tipo de plásticos requieren condiciones muy especiales para biodegradarse correctamente. Si no se hace de la forma apropiada, pueden ser aún más nocivos para el medioambiente que los plásticos convencionales, sobre todo porque cuando los plásticos biodegradables se entierran producen -durante su descomposición- peligrosos gases de efecto invernadero.

Por cierto, los científicos en distintas universidades y centros avanzados en el mundo investigamos para poder dar una solución mediante estos polímeros o plásticos para contribuir a mejorar la calidad del medio ambiente, sin alterar o disminuir drásticamente los beneficios que estos indispensables materiales nos otorgan hoy en día.

Desde ese punto de vista, el gran desafío para la ciencia y la tecnología es generar materiales que cumplan la función para lo cual están siendo diseñados, sin generar deterioro en el medio ambiente.