La química de los polímeros 

Hoy vamos a hablar de polímeros en general, más allá de los estrictamente biológicos que se comentaron en “La química de las células” que publiqué anteriormente. Vamos a entender a estas moléculas desde un enfoque más químico que biológico. 

Como para ir entendiendo a que me refiero, te propongo que pienses un rato en lo siguiente: vivimos rodeados de polímeros, ejemplos de ellos son todos los plásticos duros y blandos que conocemos, las banditas elásticas, las gomas de los autos…esos baldes que tenemos en casa y que luego de un invierno a la intemperie se quiebran ¿por qué?, el teflón que usamos para infinidad de cosas y está en casi todas las ollas y sartenes; todo está hecho de polímeros.

 Así que hoy trataré de explicar de forma sencilla pero académica de qué están hechos los polímeros y sus características principales. ¡Espero que te guste y te sirva para estudiar!

¿Qué es un polímero?

Para responder esta pregunta, es útil pensar en la siguiente analogía: un polímero podría asemejarse a un collar de perlas, eslabones o cuentas de cualquier material. Un collar puede ser de cuentas de plástico, madera, coral, perlas auténticas o imitaciones de perlas…lo que se te ocurra. Estos collares, por lo tanto, están formados por perlas unidas entre sí mediante un hilo, tanza, elástico o soga, por ejemplo. Podemos tener diferentes tipos de collares, y esos tipos de collares se van a definir en base al tipo o tipos de perlas, dijes y/o eslabones que los compongan.  

Además, también podemos caracterizarlos mediante el material que mantiene unidas las perlas, por ejemplo, mediante un hilo elástico que permitirá que éste se estire y se deforme o mediante una tanza que lo hará más rígido y uno unido mediante un hilo que quizás lo haga más más frágil. Por lo tanto, las perlas serían las unidades básicas/estructurales del collar.  A estas unidades básicas las podemos denominar monómeros. 

El material que une las cuentas, representaría el tipo y fuerza de unión que forma el polímero. Con esto en la cabeza podemos abordar el siguiente artículo con una imagen mental que nos ayude a comprender como se forman y clasifican los polímeros.

Polímeros definición y clasificación:

Los polímeros son macromoléculas orgánicas extremadamente largas que se pueden describir a través de sus monómeros. Estas macromoléculas, como se mencionó antes, son ampliamente utilizadas en los materiales que conocemos como gomas, plásticos y adhesivos entre otros.

La longitud de una macromolécula en general ronda entre los 10 nm y los 1000 nm con una masa molecular promedio de 10000 g/mol. Los polímeros siempre consisten en una mezcla de macromoléculas de diferente tamaño y se caracterizan por su peso molecular promedio.

A bajas temperaturas, los polímeros son sólidos vítreos. Por encima de la temperatura de transición vítrea se vuelven más suaves y elásticos. Es por esta razón que un plástico olvidado a la intemperie, cambiará su estado vítreo y se volverá más frágil y quebradizo y a altas temperatura, será más elástico y puede fundirse. A esta propiedad dependiente de la temperatura se la denomina temperatura de transición vítrea (glass transition). 

La temperatura específica en la que cambian las propiedades de los polímeros es denominada temperatura de transición vítrea (Tg, del inglés glass transition).

Existen muchas formas de clasificación de los polímeros, por ejemplo, basadas en el proceso de polimerización utilizado para producirlos, sobre la base de su estructura (lineal, ramificado o reticular) o por sus propiedades (termoplásticos, elastómeros o termoestables).

Veamos una clasificación basada en sus propiedades físicas:

Polímeros Termoplásticos:

Son los polímeros lineales o ramificados sin interconexión (unscrosslinked en inglés) entre las macromoléculas que lo definen. La interacción entre las moléculas son del tipo ovillo (entanglement en inglés) e intermoleculares (fuerzas de Van der Waals). Los termoplásticos se ablandan o funden con calor y pueden ser moldeados y/o reciclados. Al enfriarse pueden tomar una forma vítrea al encontrase por debajo de su temperatura de transición vítrea (Tg). 

Si las cadenas de polímeros están construidas uniformemente y en su mayoría libres de cadenas laterales (ramificaciones), pueden cristalizar parcialmente dando lugar a regiones amorfas (no cristalinas) y cristalinas (con un orden determinado en el espacio). Por encima de la temperatura de cristalización, se produce la fusión, pasando al estado líquido. Muchos polímeros lineales son solubles en ciertos solventes y pueden obtenerse en forma de películas delgadas a partir de una solución (Figura 1).

Figura 1: A. Polímero termoplástico amorfo. Las cadenas están desordenadas y solo interactúan mediante fuerzas intermoleculares. B. Polímero termoplástico semicristalino. En celeste claro se esquematiza el núcleo ordenado. C. Ejemplo de productos cotidianos hechos de polímeros termoplásticos.

Polímeros Termoestables: 

Estas macromoléculas se caracterizan por formar redes de polímeros estrechamente entrelazadas para dar lugar a una densa malla interconectada (estructura reticulada). Estos polímeros termoestables no pueden fundirse por calentamiento y se descomponen a altas temperaturas.  Es por esto que se caracterizan por ser más bien rígidos y no pueden ser moldeados o disueltos. Sus materias primas son más o menos líquidas y la estructura del polímero terminado se logra durante el proceso de moldeo especial. Por encima de la temperatura de Tg se vuelven gomosos y blandos. El teflón, por ejemplo, funde a los 327 °C  y su Tg está a los 27°C (Figura 2).

Figura 2: A. Las macromoléculas poliméricas están fuertemente entrelazadas entre sí mediante enlaces covalentes formando una red tridimensional. B. Ejemplo de productos cotidianos elaborados a partir de polímeros termoestables.

Elastómeros: 

Estás macromoléculas son redes o mallas de polímeros que están débilmente entrelazados. Cuando se enfrían, los elastómeros se vuelven vítreos. Cuando se calientan no pueden fundirse ni fluir debido a su entrelazamiento. 

Si su Tg  se encuentra por debajo de la temperatura ambiente (25°C, 1 atm), son de consistencia blanda y gomosa. Bajo estrés mecánico, sufren una marcada deformación y recuperan su forma original casi por completo cuando el estrés ejercido es retirado. 

Dado que las cadenas están químicamente unidas entre sí (crosslinking, vulcanization), los elastómeros no pueden ser moldeados o disueltos. El moldeo es realizado previo a la vulcanización de las materias primas termoplásticas (Figura 3).

Figura 3: A. Malla/retículo de polímeros unidos entre sí en puntos específicos de las macromoléculas poliméricas. B. Ejemplo de un elastómero de uso común: una bandita elástica.

 

¿Como se generan estas macromoléculas extensas?

Las macromoléculas se forman mediante reacciones químicas en un proceso denominado: Polimerización.

Los polímeros se forman cuando muchas (por encima de miles) unidades monoméricas se unen mediante enlaces covalentes. Los monómeros son moléculas reactivas que poseen al menos una unión que puede ser fácilmente cortada (clived). Esto permite a los monómeros interactuar químicamente entre los extremos de uno y otro mediante reacciones químicas.

Homopolímeros y Copolímeros

Si los polímeros se producen por sucesivas uniones de monómeros iguales, diferentes o similares de forma tal que se produce una cadena. Si las cadenas están formadas por un único tipo de monómero el polímero es un homopolímero. 

Si más de un tipo de monómero está involucrado, se trata de un copolímero. Un ejemplo básico es la formación del polietileno (de este polímero podemos encontrar las bolsas del súper, de la basura, las botellas de gaseosas y agua, entre otros ejemplos). El monómero de este polímero es el etileno  (C₂H₄) cuyos átomos de carbono están unidos covalentemente mediante un doble enlace. 

¿Cómo son las reacciones químicas que forman un polímero?

Bajo condiciones favorables de presión y temperatura más la presencia de radicales libres que actúan como iniciadores, tal como el benzoyl peroxide, la doble unión es transformada en unión simple, dejando a cada átomo de carbono con un electrón desapareado. Ahora es un radical libre que puede unirse a otra molécula de etileno (Figura 4).

Figura 5: Los monómeros pueden estar distribuidos aleatoriamente en un copolímero o presentarse en bloques o injertos.