Polímeros

La palabra plásticos se utilizó por primera vez como sinónimo de la palabra polímero en 1909, los polímeros son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. Debido a sus múltiples propiedades, los polímeros han reemplazado a muchos componentes metálicos en aplicaciones como automóviles, aeronaves, artículos deportivos, juguetes, entre otros.

Historia

Los polímeros naturales, por ejemplo, la lana, la seda, la celulosa, etc., se han empleado ampliamente y han tenido mucha importancia a lo largo de la historia. Sin embargo, hasta finales del siglo XIX no aparecieron los primeros polímeros sintéticos, como por ejemplo el celuloide.

Los primeros polímeros que se sintetizaron se obtenían a través de transformaciones de polímeros naturales. En 1839 Charles Goodyear realiza el vulcanizado del caucho. El nitrato de celulosa se sintetizó accidentalmente en el año 1846 por el químico Christian Friedrich Schönbein y en 1868, John W. Hyatt sintetizó el celuloide a partir de nitrato de celulosa.

El primer polímero totalmente sintético se obtuvo en 1909, cuando el químico belga Leo Hendrik Baekeland fabrica la baquelita a partir de formaldehído y fenol. Otros polímeros importantes se sinterizaron en años siguientes, por ejemplo, el poliestireno (PS) en 1911 o el poli (cloruro de vinilo) (PVC) en 1912.

En 1922, el químico alemán Hermann Staudinger comienza a estudiar los polímeros y en 1926 expone su hipótesis de que se trata de largas cadenas de unidades pequeñas unidas por enlaces covalentes. Propuso las fórmulas estructurales del poliestireno y del polioximetileno, tal como las conocemos actualmente, como cadenas moleculares gigantes, formadas por la asociación mediante enlace covalente de ciertos grupos atómicos llamados "unidades estructurales". Wallace Carothers, trabajando en la empresa DuPont desde 1928, desarrolló un gran número de nuevos polímeros: poliésteres, poliamidas, neopreno, etc.

La Segunda Guerra Mundial contribuyó al avance en la investigación de polímeros. Por ejemplo, fue muy importante la sustitución del caucho natural por caucho sintético. En los años 1950 el alemán Karl Ziegler y el italiano Giulio Natta desarrollaron los catalizadores de Ziegler-Natta (permiten conseguir un excelente control de las estructuras y la longitud de la cadena de los polímeros de propileno resultantes y, en consecuencia, de sus propiedades. Entre otros logros notorios relacionados con este tipo de catalizadores se incluyen la síntesis de un polímero idéntico al caucho natural). En la segunda mitad del siglo XX se desarrollaron nuevos métodos de obtención, polímeros y aplicaciones. Por ejemplo, catalizadores, fibras de alta resistencia, polímeros, estructuras complejas de polímeros, polímeros cristales líquidos, etc.

Clasificación: Existen varias formas posibles de clasificar los polímeros, sin que sean excluyentes entre sí.

• Según su origen: Polímeros naturales, son los que existen en la naturaleza y las biomoléculas que forman los seres vivos son llamadas macromoléculas poliméricas. Por ejemplo, las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos (como la celulosa y la quitina), el hule o caucho natural, la lignina, etc. Por otro lado, los polímeros semisintéticos, los cuales se obtienen por transformación de polímeros naturales. Por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc. Y los polímeros sintéticos, que se obtienen industrialmente a partir de los monómeros. Por ejemplo, el nylon, el poliestireno, el cloruro de polivinilo (PVC), el polietileno, etc.
• Según su composición química: orgánicos, que poseen en la cadena principal átomos de carbono y vinílicos cuando la cadena principal de sus moléculas está formada exclusivamente por átomos de carbono. Dentro de ellos se pueden distinguir: Poliolefinas, formados mediante la polimerización de olefinas, como el polietileno y polipropileno, polímeros estirénicos, que incluyen al estireno entre sus monómeros, entre ellos el poliestireno y caucho estireno-butadieno, los polímeros vinílicos halogenados, que incluyen átomos de halógenos (cloro, flúor...) en su composición, como el PVC y PTFE, los polímeros acrílicos. Ejemplos: PMMA y los polímeros orgánicos no vinílicos. Además de carbono, tienen átomos de oxígeno o nitrógeno en su cadena principal. Algunas sub-categorías de importancia: Poliésteres ,Poliamidas y Poliuretanos y polímeros inorgánicos basados en azufre. Ejemplo: polisulfuros y basados en silicio, como la silicona.
• Según sus aplicaciones: Atendiendo a sus propiedades y usos finales, los polímeros pueden clasificarse en:
• Plásticos. Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente intenso, se deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma original. Hay que resaltar que el término plástico se aplica a veces incorrectamente para referirse a la totalidad de los polímeros.
• Elastómeros. Son materiales con muy bajo módulo de elasticidad y alta extensibilidad; es decir, se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensión y contracción los elastómeros absorben energía, una propiedad denominada resiliencia.
• Fibras. Presentan alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad, lo que permite confeccionar tejidos cuyas dimensiones permanecen estables. Recubrimientos. Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren a la superficie de otros materiales para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo resistencia a la abrasión. Adhesivos. Son sustancias que combinan una alta adhesión y cohesión, lo que les permite unir dos o más cuerpos por contacto superficial.
• Según su comportamiento al elevar su temperatura: Para clasificar polímeros, una de las formas empíricas más sencillas consiste en calentarlos por encima de cierta temperatura. Según si el material funde y fluye o por el contrario no lo hace se diferencian dos tipos de polímeros:
• Termoplásticos, que fluyen (pasan al estado líquido) al calentarlos y se vuelven a endurecer (vuelven al estado sólido) al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ningún) entrecruzamientos. Ejemplos: polietileno (PE), polipropileno (PP), PVC, poliamida.
• Termoestables, que no fluyen, y lo único que conseguimos al calentarlos es que se descompongan químicamente, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura con muchos entrecruzamientos, que impiden los desplazamientos relativos de las moléculas.

La clasificación termoplásticos / termoestables es independiente de la clasificación elastómeros / plásticos / fibras. Existen plásticos que presentan un comportamiento termoplástico y otros que se comportan como termoestables. Esto constituye de hecho la principal subdivisión del grupo de los plásticos y hace que a menudo cuando se habla de "los termoestables" en realidad se haga referencia sólo a "los plásticos termoestables". Pero ello no debe hacer olvidar que los elastómeros también se dividen en termoestables (la gran mayoría) y termoplásticos (una minoría, pero con aplicaciones muy interesantes).

Polímeros en la fabricación aditiva: Los polímeros en la fabricación aditiva se utilizan en forma de resinas, filamentos y polvo en diferentes tecnologías.

Material Polimérico	Resina liquida	Polímero en polvo	Filamento de polímero	Lámina de polímero
Tecnología de fabricación 3D	Fotopolimerización en cuba	Fabricación en lecho de polvo	Extrusión de material	Laminado de hojas

Polímero en forma de resina, son polímeros termoestables con adición de un fotoactivador utilizado en las tecnologías de Proyección de material_ Material jetting_MJT, entre ellas la Polyjet y también en fotopolimerización en tanque o cuba_ Vat Photopolymerization _VPP, entre las cuales se encuentran:

• La tecnología con curado por exposición a rayos láser de luz ultravioleta VPP-UVL/P anteriormente conocida como SLA (Stereolithography).
• La tecnología con curado por exposición a luz ultravioleta que brilla de forma selectiva través de una máscara: VPP-UVM/P anteriormente conocida como DLP(Digital light Processing)
• La tecnología con curado por exposición a luces de diodos emisores de luz: VPP-LED/P anteriormente conocida como LCD( Liquid cristal display)

La principal limitación de la polimerización en cuba es el uso de una sola formulación de resina, que debe ser fotocurable. Estas resinas a menudo consisten en un monómero con un grupo terminal funcional como un acrilato, que se polimerizará en combinación con un fotoiniciador que crea radicales al exponerse a la radiación UV. La eficiencia del fotocurado depende del fotoiniciador, la concentración, la potencia de los rayos UV láser y peso molecular. Cabe señalar que cuando los materiales de relleno se dispersan dentro de la resina, los consiguientes efectos de dispersión conducirán a bajo curado. Este fenómeno se puede adaptar ajustando el fotoiniciador, concentración, haciendo coincidir el índice de refracción del relleno con el polímero, y controlar el tamaño y la forma del relleno.

Polímero en forma filamentos, son polímeros termoplásticos, utilizados en la extrusión de material- Material Extrusion_MEX, con material unido mediante una reacción térmica MEX-TRB/P, anteriormente conocida como FDM, el cual puede ser FFF (Fused filament fabrication) o CFF(Continuos fiber fabrication).

Polímero en forma de polvo, son polímeros termoplásticos, utilizados en fusión de lecho de polvo PBF: Con fuente de energía haz de láser: PBF-LB/P anteriormente conocida como SLS ( Sintered laser selective) o con fuente de energía térmica con luz infraroja: PBF-IrL/P, conocida como MJF(Multi Jet fusión).

Polímero en forma de lámina, utilizado en laminado de hojas-Sheet lamination_SHL, por unión adhesiva por consolidación de ultrasonidos UC.

Referencias:

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• https://tecnologiadelospolimeros.wordpress.com/2018/01/25/catalizadores-ziegler-natta/