Propiedades de los polímeros

¿Qué es el HDPE?

El primer polímero que estudiaremos es el HDPE. El HDPE, propiamente conocido como polietileno de alta densidad, es un plástico formado por muchos cientos de monómeros de eteno.

Fig. 1 - Un monómero de eteno

El polietileno de alta densidad es fuerte y denso, y se utiliza para productos como lavavajillas, tuberías de plástico y botellas de leche. Para comprender sus propiedades, primero debemos ver cómo se forma.

¿Cómo se fabrica el HDPE?

El HDPE se forma en una reacción de polimerización por adición a bajas temperaturas y presiones de unos 60℃ y 2-3 atm respectivamente. Se utiliza un catalizador Ziegler-Natta. Consiste en una mezcla de compuestos de titanio y aluminio. Estas condiciones dan lugar a cadenas de hidrocarburos largas y rectas con muy pocas ramificaciones aleatorias.

Fig. 2 - La unidad de repetición del HDPE

Fig. 3 - Cadenas de HDPE. Observa cómo son predominantemente rectas con pocas ramificaciones

¿Cuáles son las propiedades del HDPE?

Como las cadenas de polímeros de hidrocarburos del plástico HDPE son predominantemente rectas y hay muy pocas ramificaciones, las moléculas pueden empaquetarse estrechamente. Esto hace que el HDPE sea muy denso. También da lugar a mayores fuerzas intermoleculares, concretamente la atracción de van der Waals, entre las moléculas. (Refresca tu memoria sobre esta atracción echando un vistazo a Fuerzas intermoleculares). Estas fuerzas de van der Waals hacen que el HDPE tenga un punto de fusión alto y sea muy resistente.

¿Qué es el polietileno de baja densidad?

Echemos ahora un vistazo al LDPE, primo cercano del HDPE. El LDPE, propiamente conocido como polietileno de baja densidad, también es un polímero plástico fabricado a partir de monómeros de etileno. Sin embargo, tiene propiedades bastante diferentes a las del HDPE. Es relativamente débil y flexible, por lo que se utiliza para bolsas de basura y envases alimentarios.

¿Cómo se fabrica el LDPE?

El PEBD se forma en una reacción de adición a temperaturas de unos 200℃ y una presión de 2000 atm. El mecanismo de reacción utiliza radicales libres y da lugar a una elevada proporción de ramificaciones aleatorias a lo largo de sus cadenas de hidrocarburos.

Fig. 4 - Cadenas de LDPE. Observa la elevada proporción de ramificaciones aleatorias

¿Cuáles son las propiedades del PEBD?

Como las cadenas del LDPE están ramificadas aleatoriamente, no pueden empaquetarse entre sí con tanta fuerza como las cadenas del HDPE. Esto hace que el PEBD sea menos denso y significativamente menos resistente que el PEAD, ya que las fuerzas de van der Waals entre las cadenas son más débiles.

¿Qué es el PVC?

Centrémonos en otro polímero de adición. El cloruro de polivinilo, o PVC, se conoce propiamente como poli(cloroeteno) y es un polímero fabricado a partir de monómeros de cloroeteno. El PVC suele ser duro y rígido, y se utiliza para tuberías de desagüe, aislamiento de cables y calzado. De hecho, es el tercer plástico más producido del mundo.

¿Cómo se fabrica el PVC?

El PVC se forma en una reacción de polimerización por adición. Forma largas cadenas de hidrocarburos con los átomos de cloro dispuestos con orientaciones aleatorias.

Fig. 5 - El polímero del PVC

¿Cuáles son las propiedades del PVC?

Debido al gran tamaño de sus átomos de cloro y a la aleatoriedad de su orientación, las cadenas de polímero de hidrocarburo del PVC no pueden empaquetarse estrechamente. Cabría esperar que esto hiciera que el plástico fuera débil y endeble, como el LDPE, pero en cambio el PVC es duro y fuerte. Esto se debe a que el enlace C-Cl es polar y existen fuerzas dipolo-dipolo permanentes entre las moléculas, que mantienen las cadenas fuertemente unidas.

Para que el plástico sea más flexible, se le pueden añadir plastificantes. Se trata de pequeñas moléculas que encajan entre las cadenas poliméricas, separándolas y permitiendo que se deslicen unas sobre otras. Esto reduce las fuerzas intermoleculares entre las cadenas y disminuye la resistencia del plástico. El PVC fabricado de este modo puede utilizarse para fabricar productos más blandos, como imitaciones de cuero.

¿Qué es el terileno?

El primer polímero de condensación que veremos es el terileno. El terileno, también conocido como PET, tiene el nombre propio de poli(tereftalato de etileno) y es un polímero de poliéster. Se utiliza para diversos fines, como ropa y botellas de bebidas, y representa el 18% de la producción mundial de polímeros.

¿Cómo se fabrica el terileno?

El terileno se forma en una reacción de polimerización por condensación entre el ácido benceno-1,4-dicarboxílico y el etano-1,2-diol. Está formado por cadenas de hidrocarburos basadas en el grupo funcional éster, -COO-. En el proceso se libera una pequeña molécula. En este caso, esa pequeña molécula es agua. Su estructura se muestra a continuación.

Fig. 6 - Estructura del terileno

¿Cuáles son las propiedades del terileno?

El terileno tiene enlaces polares, por lo que experimenta fuerzas dipolo-dipolo permanentes entre las cadenas. Sus propiedades pueden variar, de flexibles a rígidas, lo que se refleja en su variedad de usos. Por ejemplo, lo encontrarás en prendas de vestir bajo el término genérico poliéster, en toallas de microfibra y paños de limpieza, y en botellas de plástico para bebidas.

¿Qué es el nailon?

Elnailon es un polímero de poliamidaque se sintetizó por primera vez en 1935. Se utiliza en productos como ropa, cepillos de dientes, envases alimentarios y equipos eléctricos, y fue el primer ejemplo de polímero termoplástico. Se trata de polímeros que se funden a altas temperaturas y se resolidifican una vez enfriados, en lugar de volverse quebradizos y romperse.

¿Cómo se fabrica el nailon?

El nailon suele formarse en una reacción de polimerización por condensación entre una amina y un ácido carboxílico. En la reacción se libera agua. Por ejemplo, el Nilón-6,6 se fabrica industrialmente mediante la reacción entre el 1,6-diaminohexano y el ácido hexano-1,6-dicarboxílico, como se muestra a continuación.

Fig. 7 - Estructura del nailon

Los dos reactivos forman primero una sal, que se calienta a 350℃ bajo una presión adecuada.

También se puede formar nailon en la reacción entre una amina y un cloruro de acilo. Para ello se utiliza dicloruro de hexanodiol, tiene lugar a temperatura ambiente y es una reacción mucho más rápida. En este caso, la pequeña molécula liberada es .

¿Cuáles son las propiedades del nailon?

Como el Nylon contiene el grupo de enlace amida, -CONH-, experimenta enlaces de hidrógeno entre las cadenas poliméricas. Esto ocurre entre los átomos de hidrógeno unidos al nitrógeno y el nitrógeno de una cadena adyacente. Esto aumenta drásticamente la resistencia del nylon.

Fig. 8 - El grupo funcional amida

Fig. 9 - Enlace de hidrógeno entre dos grupos amida

¿Qué es el Kevlar?

El último polímero que investigaremos es el Kevlar . El kevlar también es una poliamida. Es extremadamente fuerte y ligero y puede soportar altas temperaturas, lo que lo hace adecuado para su uso en chalecos antibalas, cuerdas ligeras de alpinismo y guantes de horno.

¿Cómo se fabrica el kevlar?

El kevlar se fabrica a partir de la reacción de polimerización por condensación entre la benceno-1,4-diamina y el ácido benceno-1,4-dicarboxílico. Debido a sus anillos bencénicos, forma largas cadenas predominantemente planas.

Fig. 10 - La estructura del Kevlar

¿Cuáles son las propiedades del Kevlar?

Al igual que el nailon, el kevlar contiene el grupo de enlace amida, por lo que experimenta enlaces de hidrógeno entre las cadenas. Como sus cadenas son rígidas y mayoritariamente planas, pueden empaquetarse estrechamente, aumentando la fuerza de las fuerzas intermoleculares.

Comparación de polímeros

Sí, lo sabemos, ¡hay mucha información! Para ayudarte a consolidar tus conocimientos, aquí tienes una tabla que compara todos los polímeros de los que hemos hablado y su formación, estructura y propiedades.

Fig. 11 - Tabla comparativa de los distintos polímeros tratados en este artículo

¿Cómo se eliminan los polímeros?

Como ya hemos explicado, los polímeros desempeñan muchas funciones en la vida moderna y forman parte de muchos de los productos que utilizamos a diario. A medida que producimos más y más plásticos y polímeros, éstos se acumulan en el medio ambiente, y su eliminación se convierte en un problema cada vez mayor.

Eliminación de los plásticos fabricados a partir de alquenos

Los polímeros como el polietileno son hidrocarburos de cadena larga, que sólo contienen enlaces no polares. Esto los hace poco reactivos y resistentes a los ataques. Sus enlaces C-H y C-C son muy fuertes y no pueden romperse por hidrólisis u otras reacciones comunes. Aunque pueden quemarse, esto libera dióxido de carbono y otros contaminantes nocivos como partículas de carbono, monóxido de carbono y vapores de estireno. Por tanto, no hay una forma sencilla de eliminar estos plásticos.

Eliminación de poliésteres y poliamidas

A diferencia de plásticos como el polietileno, los poliésteres y las poliamidas pueden descomponerse por hidrólisis en ácidos carboxílicos y alcoholes o aminas, respectivamente. Aunque se trata de un proceso lento, puede acelerarse añadiendo un catalizador ácido o básico. A continuación se muestra una ecuación general para la hidrólisis de las poliamidas.

Fig. 12 - Hidrólisis de las poliamidas

¿Cuáles son las alternativas a la eliminación de polímeros?

Dado que muchos tipos de plásticos, como el PVC y el polietileno, no pueden hidrolizarse ni eliminarse fácilmente, sus niveles en el medio ambiente han ido aumentando desde su introducción. Pueden contaminar los ecosistemas e incluso acabar en la cadena alimentaria, en forma de microplásticos que son ingeridos por pequeños animales o peces. Una solución al problema es el reciclaje.

• En el reciclado mecánico, los plásticos se clasifican, se trituran en pequeños gránulos, luego se funden y se vuelven a moldear.
• En el reciclado de materias primas, los plásticos se calientan a altas temperaturas para descomponerlos en sus monómeros. Éstos pueden reformarse en nuevos polímeros.

Sin embargo, el reciclaje de plásticos tiene sus limitaciones. Por ejemplo, las cadenas poliméricas pueden dañarse con cada calentamiento posterior, por lo que se hacen cada vez más cortas. Esto significa que el plástico sólo puede reciclarse un número finito de veces antes de quedar inutilizable. La solución más sostenible es alejarse de los plásticos derivados del petróleo crudo y, en su lugar, desarrollar alternativas a partir de recursos renovables que puedan descomponerse fácilmente, una vez que hayas acabado con ellos. Una de estas alternativas son los envases hechos de celulosa. La celulosa es un componente principal de las paredes celulares de las plantas y puede descomponerse en compost cuando se desecha.