Tipos de Polímeros

Muchas propiedades de los polímeros tales como su capacidad disolvente, propiedades químicas, resistencia, permeabilidad a gases, y propiedades eléctricas son importantes en la determinación del uso de un polímero específico en una aplicación específica. Sin embargo, la principal consideración en la determinación de la utilidad general de un polímero es su comportamiento mecánico, es decir, su deformación y características de flujo bajo estrés. El comportamiento mecánico de un polímero se puede caracterizar por sus propiedades de tensión-deformación.

Esto a menudo implica la observación del comportamiento de un polímero a medida que se aplica una tensión de tracción al mismo con el fin de alargar (deformar) hasta el punto donde se rompe (se separa). Los resultados por lo general se muestran como un gráfico de la tensión frente a la elongación (deformación). El estrés suele expresarse en newtons por centímetro cuadrado (N cm^-2) o megapascales (MPa) donde 1 MPa = 100 N cm^-2. La deformación es el incremento fraccional en la longitud de la muestra de polímero (es decir, ΔL / L, donde L es la, longitud de la muestra original sin estirar). La deformación también se puede expresar como el porcentaje de alargamiento, ΔL / L 100%. Aunque N cm^-2 es la unidad SI para la tensión, psi (libras por pulgada cuadrada) se encuentra ampliamente en la literatura. El factor de conversión es 1 N cm^-2 = 1.450 psi. Las unidades SI se utilizan en todo el texto y también se indican otras unidades de uso común.

La ciencia de los polímeros es un campo muy amplio que incluye muchos tipos de materiales que incorporan estructuras de cadena larga con muchas unidades repetidas. Una forma útil de clasificar los polímeros es por el comportamiento funcional. Estas categorías no son fijas en el sentido más estricto, o incluso particularmente precisas, y usted debe ser consciente de que algunos materiales pueden encajar en más de una categoría:

• Elastómeros son materiales flexibles o "gomosos" que se pueden deformar fácilmente y vuelven rápidamente a casi su forma y tamaño original una vez liberados de la tensión, lo que los hace capaces de formar sellos confiables. Cauchos naturales y sintéticos son ejemplos comunes de elastómeros.
• Los plásticos son materiales a los que se puede dar forma o moldear en condiciones adecuadas de temperatura y presión, y luego mantener su forma. En contraste con los elastómeros, los plásticos tienen una mayor rigidez y carecen de elasticidad reversible.
• Algunos plásticos, tales como el nailon y acetato de celulosa, se pueden formar en fibras. Estos tienen diferentes características mecánicas y son a menudo considerados como una clase separada de polímero.

Las relaciones de tensión-deformación para estos grupos son sustancialmente diferentes, como puede verse en la Figura 1. Cuatro cantidades importantes caracterizan el comportamiento tensión-deformación de un polímero:

1. Módulo. La resistencia a la deformación, medida por la tensión inicial dividido por ΔL / L.
2. Resistencia límite o Resistencia a la tracción. La tensión requerida para romper la muestra.
3. Elongación final. El grado de alargamientoen el punto donde se rompe la muestra.
4. Elongación Elástica. La elasticidad medida por el grado de elongación reversible.

Los polímeros varían ampliamente en su comportamiento mecánico en función del grado de cristalinidad, grado de reticulación, y los valores de T_g (temperatura de transición vítrea) y T_m (temperatura de fusión cristalina). Una alta resistencia y baja extensibilidad se obtienen en polímeros por tener varias combinaciones de altos grados de cristalinidad o reticulación o cadenas rígidas (caracterizados por una alta T_g). Alta extensibilidad y baja resistencia en los polímeros son sinónimo de bajo grado de cristalinidad y de reticulación y bajos valores de T_g. Los límites de temperatura de la utilidad de un polímero se rigen por su T_g y/o T_m. La resistencia se pierde en o cerca de T_g para un polímero amorfo y en o cerca de T_m para un polímero cristalino.

Se puede producir una variedad casi infinita de materiales poliméricos. El científico de polímeros debe tener un conocimiento de las propiedades deseadas en el polímero final con el fin de tomar una decisión sobre el polímero a ser sintetizado. Diferentes polímeros se sintetizan para producir diversos comportamientos mecánicos por las combinaciones apropiadas de cristalinidad , reticulación , T_g y T_m. Dependiendo de la combinación particular, un polímero específico se utilizará como una fibra, un plástico flexible, un plástico rígido, o un elastómero (caucho).

Algunos artículos comúnmente encontrados que tipifican estos usos de los polímeros son la ropa y las cuerdas (fibra), películas de embalaje y tapizado de asientos (plástico flexible), lentes y carcasas para aparatos (plástico rígido ), y bandas de goma y neumáticos (elastómero). La siguiente tabla muestra los usos de muchos de los polímeros comunes. Algunos polímeros se utilizan en más de una categoría debido a que ciertas propiedades mecánicas pueden ser manipuladas por medios químicos o físicos apropiados, tales como mediante la alteración de la cristalinidad o la adición de plastificantes o de copolimerización . Algunos polímeros se utilizan tanto como plásticos y como como fibras, y otros se utilizan como elastómeros y plásticos.

Usos de Polímeros

Elastómeros, fibras y plásticos

Las diferencias entre las fibras, plásticos y elastómeros se pueden ver en el gráfico de tensión-deformación. El módulo de un polímero es la pendiente inicial de dicho gráfico; la resistencia a la tracción y la elongación final son los valores más altos de estrés y elongación respectivamente.

Elastómeros

Los elastómeros son el grupo de polímeros que pueden someterse fácilmente a elongaciones reversibles muy grandes (≥ 500 - 1000%) a tensiones relativamente bajas. Esto requiere que el polímero sea completamente (o casi completamente) amorfo, con una baja temperatura de transición vítrea y fuerzas secundarias bajas a fin de obtener una alta movilidad de la cadena de polímero. Es necesario algún grado de reticulación de manera que la deformación sea rápida y completamente reversible (elástico). El módulo inicial de un elastómero debe ser muy baja (<100 N cm^-2), Pero esto debe aumentar con bastante rapidez con el aumento de la elongación; de lo contrario, no tendría la fuerza general y la resistencia a la rotura a tensiones bajas. La mayoría de los elastómeros obtienen la fuerza necesaria a través de la reticulación y la incorporación de rellenos inorgánicos de refuerzo (por ejemplo negro de carbón o sílice). Algunos elastómeros experimentan una pequeña cantidad de cristalización durante la elongación, especialmente a elongaciones muy altas, y esto actúa como un mecanismo de refuerzo adicional. La T_m de las regiones cristalinas debe ser inferior o no significativamente por encima de la temperatura de uso del elastómero con el fin de que los cristales fundan y la deformación sea reversible cuando se elimina la tensión. El poliisopreno (caucho natural) es un elastómero típico -que es amorfo, es fácilmente reticulado, tiene una T_g baja ( -73ºC), y tiene una T_m baja (28 °C).

El poliisopreno reticulado (moderadamente) tiene un módulo que es inicialmente menos de 70 N cm^-2; sin embargo, su fuerza aumenta a aproximadamente 1,500 N cm^-2 a 400% de alargamiento y aproximadamente 2,000 N cm^-2 a 500% de alargamiento. Su alargamiento es reversible en todo el rango de elongación, es decir, hasta justo antes del punto de ruptura.

El grado de reticulación y las características resultantes de resistencia y elongación de un elastómero cubren un rango considerable dependiendo del uso final específico. El uso de un elastómero para producir un neumático de automóvil requiere mucha más reticulación y cargas de refuerzo que lo que requiere un elastómero utilizado para la producción de bandas de goma. La primera aplicación requiere un caucho más fuerte con menos tendencia a alargarse que la última aplicación. Una extensa reticulación de un caucho convierte al polímero en un plástico rígido.

Fibras

Las fibras son polímeros que tienen una muy alta resistencia a la deformación, sólo sufren alargamientos bajos (<10-50%), y tienen muy altos módulos (> 35.000 N cm^-2) ya resistencias a la tracción (> 35.000 N cm^-2). Un polímero debe ser altamente cristalino y contener cadenas polares con fuerzas secundarias fuertes con el fin de ser útil como una fibra. El estiramiento mecánico se utiliza para impartir muy alta cristalinidad a una fibra. La temperatura de fusión cristalina de una fibra debe ser superior a 200ºC, de manera que mantenga su integridad física durante el uso a las temperaturas encontradas en los procesos de limpieza y planchado. Sin embargo, la T_m no debe ser excesivamente alta -no superior a 300ºC- de lo contrario no es posible la fabricación de la fibra de hilatura por fusión. El polímero debe ser soluble en los solventes utilizados para la solución del hilado de la fibra, pero no en disolventes de tintorería.

La temperatura de transición vítrea debe tener un valor intermedio; una T_g demasiado alta interfiere con la operación de estirado, así como con el planchado, mientras que una T_g demasiado baja no permitiría la retención de las arrugas de prendas. La polihexametilen adipamida es un es una fibra típica. Es estirada para alta cristalinidad, y sus grupos amida dan fuerzas secundarias muy fuertes debido al enlace de hidrógeno; el resultado es una muy alta resistencia a la tracción (70.000 N cm^-2), un módulo muy elevado (500.000 cm N-2), y bajo alargamiento (<20%). La T_m y T_g tienen valores óptimos de 265ºC y 50ºC, respectivamente.

El uso de polipropileno como una fibra es una excepción a la generalización de que se requieran polímeros polares para aplicaciones de fibras. El polipropileno utilizado como una fibra tiene una estructura altamente estereorregular y puede ser estirado mecánicamente para producir un polímero altamente orientado con las características de resistencia requeridas de una fibra.

Plásticos

Los plásticos representan un gran grupo de polímeros que tienen una amplia gama de comportamientos mecánicos en entre los de los elastómeros y las fibras. Hay dos tipos de plásticos: plásticos flexibles y plásticos rígidos.

Los plásticos flexibles poseen grados de cristalinidad de moderados a altos y una amplia gama de valores de T_m y T_g. También tienen moderados a altos módulos (15000 - 350000 N cm^-2), resistencia a la tracción (1500-7000 N cm^-2), y alargamientos finales (20-800%).

Los miembros más típicos de este subgrupo tienen módulos y resistencias a la tracción en los extremos inferiores de los rangos indicados y elongaciones en el extremo superior. Por lo tanto el polietileno es un típico plástico flexible con una resistencia a la tracción de 2500 N cm^-2, un módulo de 20.000 N cm^-2, y un alargamiento de rotura de 500%. Otros plásticos flexibles incluyen al polipropileno y la polihexametilen adipamida. La polihexametilen adipamida es utilizada como una fibra y como un plástico flexible. Es un plástico cuando tiene cristalinidad moderada, mientras que el estiramiento la convierte en una fibra. Muchos plásticos flexibles se someten a grandes alargamientos finales, tan grandes como los de los elastómeros. Sin embargo, se diferencian de los elastómeros en que sólo una pequeña porción (aproximadamente <20%) del alargamiento a la rotura es reversible. El alargamiento de un plástico más allá de la región reversible resulta en su deformación permanente, es decir, el plástico conservará su forma alargada cuando se elimina la tensión.

Los plásticos rígidos son muy diferentes de los plásticos flexibles. Los plásticos rígidos se caracterizan por una alta rigidez y alta resistencia a la deformación. Ellos tienen altos módulos (70.000-350.000 N cm^-2) y resistencias a la tracción de moderadas a elevadas (3000 a 8500 N cm^-2), pero más significativamente, se someten a muy pequeñas elongaciones (<0,5-3%) antes de romperse. Los polímeros de esta categoría son polímeros amorfos con cadenas muy rígidas. La alta rigidez de la cadena se consigue en algunos casos por una extensa reticulación, por ejemplo, fenol-formaldehído, urea-formaldehído, y polímeros de melamina-formaldehído. En otros polímeros la alta rigidez es debida a grupos laterales voluminosos en las cadenas de polímero dando como resultado altos valores de T_g. Por ejemplo, el poliestireno (T_g = 100 ºC) y polimetacrilato de metilo (T_g = 105 ºC).