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JOSÉ GONZÁLEZ DE LA CAMPA Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros. ICTP-CSIC 3. Polímeros avanzados Introducción Desde el principio de los tiempos, el hombre ha empleado polímeros naturales para satisfacer sus necesidades: madera, cuero, resinas y gomas naturales y fibras como el algodón, la lana y la seda. Sin embargo, contrariamente a otros materiales, como los metales o las cerámicas, que se han desarrollado a lo largo de miles de años, los polímeros sintéticos son un invento del siglo XX, pudiendo considerarse que su importancia empezó en la década de los treinta, en que comenzaron a desarrollarse los polímeros vinílicos, el neopreno, el estireno, el nylon y otros. El término polímeros se deriva de las palabras griegas poli (muchas) y meros (partes). Estas partes, que se llaman monómeros, se encuentran conectadas entre sí por enlaces covalentes, formando una sola molécula gigante, que tiene pesos moleculares que pueden llegar hasta 10 7 g/mol o mayores. El proceso de unión de los monómeros para dar lugar a la cadena de polímero se denomina polimerización. Puesto que las moléculas de polímero están hechas de muchas unidades repetitivas, el siguiente elemento en importancia en un polímero, después de la propia cadena, es la unidad monomérica, que condiciona todas las propiedades de los polímeros. Por ello, los polímeros se denominan como poli(unidad repetitiva). Así: poli(etileno), poli(estireno), poli(metacrilato de metilo). 31
Figura 3.1. Los copolímeros de bloque son generalmente incompatibles y se segregan en fases, dando lugar a nanoestructuración. La figura muestra la simulación a mesoescala de un copolímero segregado. 32 Independientemente de la estructura química de los monómeros, los polímeros presentan tres características comunes: una gran longitud, una gran anisotropía, consecuencia de la estructura lineal de la molécula, y una gran flexibilidad molecular, derivada de la posibilidad de que los segmentos moleculares puedan efectuar rotaciones alrededor de los enlaces covalentes. Estas tres características condicionan todo el comportamiento de los materiales poliméricos. El peso molecular (la longitud de cadena) es una variable extremadamente importante, porque se relaciona directamente con las propiedades físicas de un polímero y, de hecho, el elevado peso molecular es lo que hace que los polímeros tengan excelentes propiedades como materiales. Algunas consecuencias del alto peso molecular son: gran viscosidad en disolución o en fundido; capacidad para formar fibras y filmes; existencia de elasticidad tipo caucho; gran capacidad de alargamiento y alta resistencia a la rotura. Cuanto mayor sea el peso molecular de un polímero, mejores serán sus propiedades mecánicas, pero más difícil será procesarlo y más baja será su solubilidad. Como consecuencia de la naturaleza estadística del proceso de polimerización, en una muestra de polímero tendremos cadenas con diferentes pesos moleculares, que dependen de las condiciones en que ha transcurrido la polimerización. Por ello, el peso molecular de un polímero es una magnitud promedio. Síntesis de polímeros Como hemos comentado, los polímeros se obtienen por unión covalente de moléculas más pequeñas (monómeros) para dar lugar a largas cadenas de muy alto peso molecular. Existen dos grandes métodos para sintetizar polímeros: 1. Polimerización de adición, generalmente por apertura de dobles enlaces. Es normalmente una reacción en cadena, en la que sucesivas moléculas de monómero reaccionan con un centro activo que se introduce en el sistema y que va creciendo en peso molecular. 2. Polimerización de condensación o por pasos, mediante reacciones clásicas de la química orgánica. Los
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