Principales polímeros industriales , compuestos químicos utilizados en la fabricación de materiales industriales sintéticos.
En la producción comercial de plásticos, elastómeros, fibras sintéticas, adhesivos y revestimientos superficiales, se utiliza una enorme variedad de polímeros. Hay muchas formas de clasificar estos compuestos. En el artículo, los polímeros industriales, la química de los polímeros, se clasifican según se formen mediante reacciones de crecimiento de cadena o de crecimiento por etapas. En los plásticos (resinas termoplásticas y termoendurecibles), los polímeros se dividen entre los que son solubles en disolventes selectivos y pueden ablandarse reversiblemente por calor (termoplásticos) y los que forman redes tridimensionales que no son solubles y no pueden ablandarse por calor sin descomponerse. (termoendurecibles). En el artículo de fibra sintética, las fibras se clasifican como fabricadas a partir de polímeros naturales modificados o fabricadas a partir de polímeros totalmente sintéticos.
En este artículo, los principales polímeros empleados comercialmente se dividen por la composición de sus "cadenas principales", las cadenas de unidades repetidas enlazadas que forman las macromoléculas. Clasificados de acuerdo con su composición, los polímeros industriales son polímeros de cadena de carbono (también llamados vinilos) o polímeros de heterocadena (también llamados sin cadena de carbono o no vinilos). En los polímeros de cadena de carbono, como su nombre lo indica, las cadenas principales están compuestas por enlaces entre átomos de carbono; en los polímeros de heterocadena, una serie de otros elementos están unidos en las cadenas principales, incluidos el oxígeno, el nitrógeno, el azufre y el silicio.
Polímeros de cadena de carbono
Poliolefinas y polímeros relacionados
Con mucho, los polímeros industriales más importantes (por ejemplo, prácticamente todos los plásticos básicos) son olefinas polimerizadas. Las olefinas son hidrocarburos (compuestos que contienen hidrógeno [H] y carbono [C]) cuyas moléculas contienen un par de átomos de carbono unidos por un doble enlace. Con mayor frecuencia derivados del gas natural o de constituyentes de petróleo de bajo peso molecular, incluyen etileno, propileno y buteno (butileno).
Las moléculas de olefina se representan comúnmente por la fórmula química CH 2 = CHR, donde R representa un átomo o grupo molecular pendiente de composición variable. Como unidad repetitiva de una molécula polimérica, su estructura química se puede representar como:
La composición y estructura de R determina cuál de la enorme variedad de posibles propiedades demostrará el polímero.
Polietileno (PE)
El etileno, comúnmente producido por el craqueo del gas etano, forma la base de la clase más grande de plásticos, los polietilenos. El monómero de etileno tiene la composición química CH 2 = CH 2 ; como unidad repetitiva del polietileno tiene la siguiente estructura química:
Esta estructura simple se puede producir en formas lineales o ramificadas como las ilustradas en las Figuras 1 y 2. Las versiones ramificadas se conocen como polietileno de baja densidad (LDPE) o polietileno lineal de baja densidad (LLDPE); las versiones lineales se conocen como polietileno de alta densidad (HDPE) y polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE).
En 1899, un químico alemán, Hans von Pechmann, observó la formación de un precipitado blanco durante la autodescomposición del diazometano en éter. En 1900, este compuesto fue identificado por los químicos alemanes Eugen Bamberger y Friedrich Tschirner como polimetileno ([CH 2 ] n ), un polímero que es virtualmente idéntico al polietileno. En 1935, los químicos británicos Eric Fawcett y Reginald Gibson obtuvieron PE sólido ceroso mientras intentaban hacer reaccionar etileno con benzaldehído a alta presión. Debido a que el producto tenía poco uso potencial, el desarrollo fue lento. Como resultado, el primer PE industrial, en realidad un LDPE ramificado irregularmente, no fue producido hasta 1939 por Imperial Chemical Industries (ICI). Se utilizó por primera vez durante la Segunda Guerra Mundial como aislante para cables de radar.
En 1930, Carl Shipp Marvel, un químico estadounidense que trabajaba como consultor en EI du Pont de Nemours & Company, Inc., descubrió un producto de alta densidad, pero DuPont no reconoció el potencial del material. Karl Ziegler, del Instituto Kaiser Wilhelm (ahora Max Planck) para la Investigación del Carbón en Mülheim an der Ruhr, Alemania, ganó el Premio Nobel de Química en 1963 por inventar HDPE lineal, que Ziegler en realidad produjo con Erhard Holzkamp en 1953, catalizando la reacción a baja presión con un compuesto organometálico conocido en adelante como catalizador de Ziegler. Mediante el uso de diferentes catalizadores y métodos de polimerización, los científicos posteriormente produjeron PE con diversas propiedades y estructuras. LLDPE, por ejemplo, fue introducido por Phillips Petroleum Company en 1968.
El LDPE se prepara a partir de etileno gaseoso a presiones muy altas (hasta 350 megapascales o 50.000 libras por pulgada cuadrada) y altas temperaturas (hasta 350 ° C o 660 ° F) en presencia de iniciadores de peróxido. Estos procesos producen una estructura de polímero con ramas largas y cortas. Como resultado, el LDPE es solo parcialmente cristalino, lo que produce un material de alta flexibilidad. Sus principales usos son en películas de embalaje, bolsas de basura y comestibles, mantillo agrícola, aislamiento de alambres y cables, botellas exprimibles, juguetes y artículos para el hogar.
Parte del LDPE se hace reaccionar con cloro (Cl) o con cloro y dióxido de azufre (SO 2 ) para introducir cloro o grupos clorosulfonilo a lo largo de las cadenas del polímero. Tales modificaciones dan como resultado polietileno clorado (CM) o polietileno clorosulfonado (CSM), un material virtualmente no cristalino y elástico. En un proceso similar a la vulcanización, la reticulación de las moléculas se puede efectuar a través de los grupos cloro o clorosulfonilo, convirtiendo el material en un sólido gomoso. Debido a que sus principales cadenas poliméricas están saturadas, los elastómeros CM y CSM son altamente resistentes a la oxidación y al ataque del ozono, y su contenido de cloro les confiere cierta resistencia a las llamas y al hinchamiento por los aceites de hidrocarburos. Se utilizan principalmente para mangueras, correas, sellos resistentes al calor y tejidos revestidos.
El LLDPE es estructuralmente similar al LDPE. Se fabrica copolimerizando etileno con 1-buteno y cantidades más pequeñas de 1-hexeno y 1-octeno, utilizando catalizadores de Ziegler-Natta o metaloceno. La estructura resultante tiene una columna vertebral lineal, pero tiene ramas cortas y uniformes que, al igual que las ramas más largas de LDPE, evitan que las cadenas de polímero se compacten juntas. Las principales ventajas del LLDPE son que las condiciones de polimerización requieren menos energía y que las propiedades del polímero pueden alterarse variando el tipo y la cantidad de comonómero (monómero copolimerizado con etileno). En general, LLDPE tiene propiedades similares a LDPE y compite por los mismos mercados.
El HDPE se fabrica a bajas temperaturas y presiones utilizando catalizadores de Ziegler-Natta y metaloceno u óxido de cromo activado (conocido como catalizador Phillips). La falta de ramificaciones permite que las cadenas de polímero se empaqueten muy juntas, lo que da como resultado un material denso y altamente cristalino de alta resistencia y rigidez moderada. Los usos incluyen botellas moldeadas por soplado para leche y limpiadores domésticos y cubos moldeados por inyección, tapas de botellas, carcasas de electrodomésticos y juguetes.
El UHMWPE se fabrica con pesos moleculares de 3 millones a 6 millones de unidades atómicas, a diferencia de las 500.000 unidades atómicas del HDPE. Estos polímeros se pueden hilar en fibras y estirar, o estirar, a un estado altamente cristalino, dando como resultado una alta rigidez y una resistencia a la tracción muchas veces mayor que la del acero. Los hilos hechos de estas fibras se tejen en chalecos antibalas.
