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Instituto de Formación docente N° 117, San Fernando

POLIMEROS

Materia: Química Industrial

Alumnos:

  • Cittadini, Natalia

  • Perez, Verónica

  • Bevilacqua, Anabela

  • Pereyra, Emanuel

Docente:

  • Quiroga, Pedro

Fecha de entrega y exposición: Lunes, 6 de octubre de 2014

INDICE

Introducción pág. 2

Historia pág. 2

Propiedades y clasificación de los polímeros pág. 3

Polímeros sintéticos pág. 3

Reacciones de producción de polímeros pág. 3

  • reacciones de adición

  • reacciones de condensación

Polímeros termoplásticos y termoestables pág.8

Densidad de los polímeros pág.8

Procesamiento industrial pág.9

    • extrusión

    • moldeo por soplado

    • moldeo por inyección

    • conformado al vacío

    • calandrado

    • hilado

    • moldeo por compresión

    • moldeo por transferencia

    • colado

Reconocimiento de plásticos por sus símbolos pág.10

Identificación de polímeros a partir de su combustión pág.11

Los plásticos y el ambiente pág.11

Nuevos plásticos biodegradables pág.12

  • ácido poliláctico (pla)

  • polihidroxialcanoatos (phas)

Experiencias de laboratorio a realizar pág.13

goma re-fácil

ruidos divertidos

pelotas saltarinas

POLÍMEROS

INTRODUCCIÓN

En esta oportunidad se describirá una inmensa familia de materiales: los polímeros. El nombre polímero (“poli”: muchas, “mero”: partes) remite al común denominador de estas estructuras a nivel molecular: están formadas por la unión covalente de gran cantidad de moléculas pequeñas que se denominan monómeros. En síntesis, los polímeros son macromoléculas integradas por la unión de entidades repetitivas (monómeros). 

La diversidad de integrantes de la familia de los polímeros es muy grande, y se pueden clasificar según algunos criterios.

Muchos de los objetos que comúnmente utilizamos, están fabricados con polímeros. Si se los ejemplifica según áreas de aplicación en los que habitualmente se encuentran presentes, o bien sus usos, se pueden clasificar de la siguiente manera:
- Plásticos: están presentes, por ejemplo, en envases para alimentos.

- Gomas y elastómeros: juguetes, suelas de calzado.

- Fibras: ropa.

- Recubrimientos superficiales: por ejemplo, barnices y pinturas.

- Adhesivos instantáneos: por ejemplo, cola vinílica.
Además los polímeros pueden clasificarse según su origen o sus estructuras. Estas serán detalladas a lo largo de este trabajo, pero antes, se explicarán hechos históricos relacionados con la síntesis de polímeros.
HISTORIA
La química orgánica estudia los compuestos del carbono. Los químicos del siglo XVIII utilizaban la palabra orgánico para describir las sustancias que se obtenían de fuentes vivas, como plantas y animales. Estos químicos creían que la naturaleza poseía cierta fuerza vital y que solo las "cosas" vivas podían producir compuestos orgánicos. Esta concepción romántica se desechó en 1828, cuando el químico alemán Friedrich Wohler preparó urea, un compuesto orgánica, a partir de la reacción de dos compuestos inorgánicos, cianato de plomo y amoníaco acuoso:
Pb(OCN)2 + 2NH3 + 2H2O 2(NH2)2CO + Pb(OH)2
En 1839, Charles Goodyear descubrió que el hule o caucho podía entrelazarse con azufre, para evitar el deslazamiento de las cadenas de polímeros. Dicho descubrimiento será detallado más adelante en el apartado de formación de polímeros por reacciones de adición.
Los inicios de la química de los polímeros sintéticos se sitúan a fines del siglo XIX. Se detallan a continuación algunos hechos históricos relevantes en la producción de polímeros sintéticos:
1844. Louis M. Chardonnet obtiene la primera fibra artificial a partir de la celulosa

parcialmente nitrada, de tacto similar a la seda y que se denominó rayón debido a su aspecto brillante.

1869. John Hyatt obtiene el celuloide, tomando como base la celulosa nitrada.

1914. Durante la Primera Guerra Mundial se empieza a producir caucho sintético debido a las dificultades que tenían los ejércitos para el suministro del caucho natural.

1926. El químico alemán Hermann Staudinger demuestra la existencia real de las

macromoléculas frente a la hipótesis anterior que postulaba la formación de agregados de moléculas pequeñas a través de uniones intermoleculares (Premio Nobel en 1953).

1939-1945. En EEUU, dentro del Rubber Research Program, se desarrolla un sustituto sintético del caucho natural, así como las facilidades para producirlo en grandes cantidades.

1950-1960. Karl Ziegler y Giulio Natta desarrollan catalizadores heterogéneos para producir polímeros estereoespecíficos (Premio Nobel en 1963).

Desde la Segunda Guerra Mundial en adelante la industria de los polímeros ha crecido enormemente y si bien en sus comienzos buscó sustituir o imitar polímeros naturales de importancia comercial (el nylon en lugar de la seda; caucho sintético en lugar del natural), posteriormente se abocó al diseño de polímeros con características diferentes y más ventajosas que las de los polímeros naturales.

PROPIEDADES Y CLASIFICACIÓN DE LOS POLÍMEROS
Un polímero es un compuesto molecular que se distingue por tener una masa molar grande, que comprende desde miles a millones de gramos, y por estar formado por muchas unidades que se repiten.

Entre los polímeros naturales (producidos por la naturaleza) figuran las proteínas como por Ej. la hemoglobina, insulina y enzimas; los ácidos nucleicos, ADN y ARN; polisacáridos como la celulosa, el glucógeno y el almidón, y el hule o caucho (poliisopreno). Son biopolímeros presente en los seres vivos y cumplen importantes funciones en los mismos. Sus complejas estructuras están perfectamente definidas y les confiere determinada actividad biológica. Estas sustancias, producidas por organismos vivos, se emplean sin modificación.

La mayor parte de los polímeros sintéticos (producidos industrialmente) son compuestos orgánicos, como el polietileno, poliestireno o el nylon. La estructura de estas macromoléculas abrió el camino para la fabricación de polímeros, que se manifiestan en casi todos los aspectos de nuestra vida diaria. existe otro grupo de polímeros denominados semisinteticos , polímeros modificados industrialmente como por EJ el caucho.

Son macromoléculas creadas por el hombre y se dividen en dos categorías según su comportamiento al ser calentados: termoplásticos y termorrígidos. Los primeros, al calentarse, se ablandan o funden, y son solubles en disolventes adecuados. Están formados por moléculas de cadenas largas a menudo sin ramificaciones. Los termorrígidos, en cambio, se descomponen al ser calentados y no pueden fundirse ni solubilizarse. Tienen estructuras tridimensionales muy complejas.

A lo largo de este trabajo, desarrollaremos cuestiones asociadas a los polímeros sintéticos y semisinteticos.

POLÍMEROS SINTÉTICOS

Estas moléculas están formadas por monómeros o unidades simples que se repiten. Los polímeros sintéticos se obtienen al unir monómeros, uno cada vez, mediante reacciones químicas. El proceso por el cual se forman los polímeros se llama polimerización. En este proceso se produce la reacción de cientos y miles de monómeros que pasan a formar parte de una larga cadena macromolecular.

El grado de polimerización de una cadena es equivalente al número de subunidades o monómeros empleados para producir dicha cadena. Por Ej. en el caso del polietileno el grado de polimerización puede variar entre 3500 y 25000.

REACCIONES DE PRODUCCIÓN DE POLÍMEROS

La síntesis de polímeros sintéticos puede ocurrir por reacciones de adición de unidades de monómeros, y en otros casos, por reacciones de condensación. Más abajo detallamos como se producen cada una de estas reacciones:

Reacciones de adición

En las reacciones de adición participan compuestos insaturados que contienen dobles o triples enlaces, principalmente entre carbonos.

El polietileno es un polímero muy estable que se emplea en las envolturas para empaque. Se obtiene por la unión de monómeros de etileno mediante un mecanismo de reacción de adición. Primero se calienta una molécula iniciadora para producir dos radicales. El radical reactivo ataca una molécula de etileno y genera un nuevo radical, el cual más tarde, reacciona con otra molécula de etileno, y así sucesivamente. Se forma una cadena larga de grupos CH2. Después de cierto tiempo, este proceso finaliza al combinarse dos radicales de cadena larga para producir el polímero conocido como polietileno. La fórmula molecular convencional y abreviada para representar la unidad repetida en el polímero está dada por: R-(CH2-CH2)n-R. El valor "n" es muy grande, en el orden de varios cientos.

Se detalla la polimerización del polietileno:

El polietileno se utiliza sobretodo en los empaques y envolturas, por Ej. de comidas congeladas. El polietileno consta de un polímero compuesto de un solo tipo de monómeros, por lo que se encuentra dentro del grupo de homopolímeros. El teflón o politetrafluoroetileno y el policloruro de vinilo o PVC, también son homopolímeros que se sintetizan vía mecanismo de adición radicalario. Sus fórmulas moleculares son -(CF2-CF2)n- y -(CH2-CH)nCl-, respectivamente.

Otro homopolímero de importancia industrial es el Polipropileno (PP). Estructuralmente es un polímero vinílico, similar al polietileno, solo que en uno de los carbonos de la unidad monomérica tiene un grupo metilo. Se lo puede obtener a partir del monómero propileno.

El polipropileno fabricado de manera industrial es un polímero lineal, cuya espina dorsal es una cadena de hidrocarburos saturados. Cada dos átomos de carbono de esta cadena principal, se encuentra ramificado un grupo metilo (CH3).

Es el más nuevo de los plásticos que se fabrican en gran volumen, también es el más ligero y el más cristalino. Su fuerza tensil, dureza y rigidez son mayores que las de los polietilenos.

El propileno es el polímero comercial de más baja densidad y facilidad de moldeo. Se utiliza en una gran cantidad de láminas, fibras y filamentos. Entre sus propiedades cabe destacar su alto punto de fusión (no funde por debajo de los 160º C), una gran rigidez, alta resistencia a la rotura y a la abrasión, superficie brillante y flotación en agua. Es resistente a los ácidos, a los álcalis y a muchos disolventes orgánicos.
El polipropileno se comercializa con distintos pesos moleculares según su finalidad. Además del polipropileno existen en el mercado una gran cantidad de copolímeros del propileno.

El monómero del polipropileno se obtiene mediante la polimerización del propileno en presencia de catalizadores:

El polipropileno es uno de esos polímeros versátiles que andan a nuestro alrededor. Cumple una doble tarea, como plástico y como fibra. Como plástico se utiliza para hacer por Ej. envases para alimentos. El polipropileno no funde por debajo de 160°C. El polietileno, en cambio, un plástico más común, se recalienta a aproximadamente 100°C. Como fibra, el polipropileno se utiliza para hacer alfombras de interior y exterior, por Ej. las de piscinas. Funciona bien para alfombras al aire libre porque es sencillo hacer polipropileno de colores y porque el polipropileno, a diferencia del nylon, no absorbe el agua. El polipropileno se puede hacer a partir del monómero propileno, por polimerización:

El polipropileno es un termoplástico que reúne una serie de propiedades que es difícil encontrar en otro material. Su alta estabilidad térmica le permite trabajar durante mucho tiempo a una temperatura de 100°C en el aire. También es resistente al agua hirviente pudiendo esterilizarse a temperaturas de hasta 140°C sin temor a la deformación. Tiene alta resistencia a la tensión y a la compresión, a la mayoría de los ácidos y álcalis, y posee bajo coeficiente de absorción de humedad.

Se utiliza para tanque y depósitos para químicos, mobiliario de laboratorio, placas de presión para filtros, como componente para bombas, para prótesis ya que no es tóxico y no mancha, hilos y cuerdas, entre otros.

Los copolímeros de polipropileno pueden ser utilizados para fabricar juguetes, empaques de alimentos, muebles y artículos domésticos.

Los polímeros compuestos por más de un tipo de monómeros se denominan copolímeros. Son los más importantes, comunes y de mayor aplicación industrial. El hule o caucho es el polímero orgánico más conocido que se encuentra en la naturaleza. Se forma a partir de la adición al radical del isopreno (2-metilbutadieno). En su isomería, el hule natural corresponde al poli-cis-isopreno, que se extrae de los árboles. Una propiedad poco común del hule, y muy útil, es su elasticidad. El mismo se puede estirar más de 10 veces su longitud y regresar al tamaño original. Su propiedad elástica se debe a la flexibilidad de sus moléculas de cadena larga. En su estado natural el hule es una "maraña" de cadenas poliméricas y la elasticidad puede perderse si se le aplica una fuerza externa excesiva, porque las cadenas individuales se deslizan entre ellas y se pierde su elasticidad. El caucho o hule natural puede entrelazarse con azufre, utilizando óxido de zinc como catalizador, para evitar el deslizamiento de las cadenas. El proceso se denomina vulcanización, y fue descubierto por Charles Goodyear, en 1839. A partir de ese entonces se abrió el camino para varios usos prácticos y comerciales del caucho, como la producción de neumáticos de automóviles y dentaduras postizas.



El hule se puede producir sintéticamente. Estos, son conocidos como elastómeros y se elaboran a partir de productos derivados del petróleo, como el etileno, propileno y butadieno. Por Ej. las moléculas de cloropropeno se polimerizan rápidamente y forman policloropreno, que se conoce comúnmente como neopreno.

Los elastómeros son materiales poliméricos que tienen la capacidad de deformarse mucho más que el 300% en forma elástica, esto es, cuando se remueve la fuerza aplicada para estirarlos, recuperan su dimensiones originales. Las largas cadenas poliméricas que lo componen se encuentran enrolladas, cuando aplicamos una fuerza para estirar la muestra las cadenas se desenredan. Cuando se libera el esfuerzo, las cadenas vuelven a enrollarse y el polímero regresa a su forma y tamaño original. Como se ha explicado más arriba, este es una idealización de su comportamiento pues puede quedar una deformación remante (formación plástica, debido al deslizamiento entre cadenas).

El entrecruzamiento corresponde a una reacción de adición que puede impedir la deformación plástica de los elastómeros y a la vez mantener una gran deformación elástica si se introducen enlaces químicos en las cadenas. Estos polímeros están formados por cadenas con enlaces altamente cruzados, que forman una cadena en forma de "red" que no pueden girar ni deslizarse. Es por ello, que poseen buena rigidez, resistencia y dureza. Los materiales con entrecruzamiento ligero son los denominados elastómeros. Los materiales con gran cantidad de entrecruzamientos, se denominan termoendurecibles o termoestables, cuyas características serán detalladas más adelante.

La vulcanización es un tipo de entrecruzamiento que se realiza con azufre, de acuerdo a las propiedades singulares de este elemento. Se suelen usar combinadamente con agentes aceleradores y retardadores. En la reacción, se producen puentes de azufre que son usualmente de dos a diez átomos de largo. A continuación se representa la reacción de adición del poliisopreno con azufre:





El entrecruzamiento incrementa diferentes propiedades de los elástomeros, como la temperatura de transición vítrea, la resistencia a la atracción, y la tenacidad. Esto último corresponde al claro de ejemplo de las características de los neumáticos de automóviles que de acuerdo al alto grado de vulcanización presente en su producción, reduce la pérdida de aire, aumenta su tenacidad y duración. Contrariamente, y a modo de establecer una comparación, no ocurre lo mismo con la goma de borrar, en la cual al no presentarse entrecruzamientos, permite que se desprendan pedacitos con la fricción sin romper el papel cuando se realiza el borrado.

Utilizaremos un modelo basado en la unión de clips de colores para visualizar la formación de las distintas cadenas, los copolimeros, los homopolimeros y los polímeros entrecruzados. los modelos de clips van a ser similares a la siguiente imagen:


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