10.6: Propiedades de los Polímeros
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- Conocer las propiedades de los polímeros basados en sus estructuras moleculares e intermoleculares.
- Conocer la relación entre el grado de cristalinidad y las propiedades físicas de los polímeros.
Las propiedades físicas de un polímero como su resistencia y flexibilidad dependen de:
- longitud de la cadena: en general, cuanto más largas sean las cadenas, más fuerte es el polímero;
- grupos laterales: los grupos laterales polares (incluidos los que conducen a enlaces de hidrógeno) dan una atracción más fuerte entre las cadenas de polímero, haciendo que el polímero sea más fuerte;
- ramificación: las cadenas rectas y no ramificadas pueden empaquetarse más estrechamente que las cadenas altamente ramificadas, dando polímeros que tienen mayor densidad, son más cristalinos y, por lo tanto, más fuertes;
- reticulación - si las cadenas de polímero están unidas entre sí extensamente por enlaces covalentes, el polímero es más duro y más difícil de fundir.
Polímeros cristalinos y amorfos
Cuando se aplica a polímeros, el término cristalino tiene un uso algo ambiguo. Un polímero sintético puede describirse vagamente como cristalino si contiene regiones de ordenamiento tridimensional en escalas de longitud atómica (en lugar de macromolecular), que generalmente surgen del plegamiento intramolecular y/o apilamiento de cadenas adyacentes. Los polímeros sintéticos pueden consistir tanto en regiones cristalinas como amorfas; el grado de cristalinidad puede expresarse en términos de una fracción en peso o fracción de volumen de material cristalino. Pocos polímeros sintéticos son completamente cristalinos. La cristalinidad de los polímeros se caracteriza por su grado de cristalinidad, que va desde cero para un polímero completamente no cristalino hasta uno para un polímero teórico completamente cristalino. Los polímeros con regiones microcristalinas son generalmente más duros (se pueden doblar más sin romperse) y más resistentes a los impactos que los polímeros totalmente amorfos.Los polímeros con un grado de cristalinidad que se aproxima a cero o uno tenderán a ser transparentes, mientras que los polímeros con grados intermedios de cristalinidad serán tienden a ser opacos debido a la dispersión de la luz por regiones cristalinas o vítreas. Para muchos polímeros, la cristalinidad reducida también puede estar asociada con una mayor transparencia.
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Figura \(\PageIndex{1}\)Las partes cristalinas de este polímero se muestran en azul.
Dependiendo del grado de cristalinidad, habrá una temperatura más alta, el punto de fusión t m, en el que las regiones cristalinas se separan y el material se convierte en un líquido viscoso. Dichos líquidos pueden inyectarse fácilmente en moldes para fabricar objetos de diversas formas, o extruirse en láminas o fibras. Otros polímeros (generalmente aquellos que están altamente reticulados) no se funden en absoluto; estos se conocen como termoestables. Si se van a convertir en objetos moldeados, la reacción de polimerización debe tener lugar dentro de los moldes, un proceso mucho más complicado. Alrededor del 20% de los polímeros producidos comercialmente son termoestables; el resto son termoplásticos.
La temperatura de transición vítrea
En algunos polímeros (conocidos como termoplásticos) existe un punto de reblandecimiento bastante definido que se observa cuando la energía cinética térmica llega a ser lo suficientemente alta como para permitir que se produzca una rotación interna dentro de los enlaces y permitir que las moléculas individuales se deslicen independientemente de sus vecinas, así haciéndolos más flexibles y deformables. Esto define la temperatura de transición vítrea t g. Los plásticos duros como el poliestireno y el poli (metacrilato de metilo) se utilizan muy por debajo de sus temperaturas de transición vítrea, es decir, cuando están en su estado vítreo. Sus valores de T g están muy por encima de la temperatura ambiente, ambos a alrededor de 100 °C (212 °F). Los elastómeros de caucho como el poliisopreno y el poliisobutileno se utilizan por encima de su T g, es decir, en estado gomoso, donde son blandos y flexibles.
Formación de fibra
Bill Pittendreigh, DuPont y otros individuos y corporaciones trabajaron diligentemente durante los primeros meses de la Segunda Guerra Mundial para encontrar una manera de reemplazar la seda y el cáñamo asiáticos por nylon en paracaídas. También se utilizó para fabricar llantas, carpas, cuerdas, ponchos y otros suministros militares. Incluso se utilizó en la producción de un papel de alta calidad para moneda estadounidense. Al inicio de la guerra, el algodón representaba más del 80% de todas las fibras utilizadas y fabricadas, y las fibras de lana representaban casi la totalidad del resto. Para agosto de 1945, las fibras manufacturadas habían tomado una cuota de mercado del 25%, a expensas de n. Después de la guerra, e de escasez tanto de seda como de nylon, el material de paracaídas de nylon a veces se reutilizó para confeccionar vestidos.Las fibras de nylon 6 y 66 se utilizan en la fabricación de alfombras. El nylon es un tipo de fibras utilizadas en el cordón de neumáticos. Herman E. Schroeder fue pionero en la aplicación de nylon en llantas.
Las telas tejidas o tejidas a partir de hilo o hilo de poliéster se utilizan ampliamente en prendas de vestir y muebles para el hogar, desde camisas y pantalones hasta chaquetas y sombreros, sábanas, mantas, tapizados y alfombrillas para mouse de computadora. Las fibras, hilos y cuerdas de poliéster industrial se utilizan en refuerzos de neumáticos de automóviles, telas para cintas transportadoras, cinturones de seguridad, telas recubiertas y refuerzos de plástico con alta absorción de energía. La fibra de poliéster se utiliza como material de amortiguación y aislamiento en almohadas, edredones y acolchado de tapicería. Las telas de poliéster son altamente resistentes a las manchas, de hecho, la única clase de tintes que se pueden usar para alterar el color de la tela de poliéster son lo que se conoce como tintes dispersos.
Las fibras acrílicas son fibras sintéticas hechas de un polímero (poliacrilonitrilo) con un peso molecular promedio de -100,000, aproximadamente 1900 unidades monoméricas. Para que una fibra se llame “acrílica” en Estados Unidos, el polímero debe contener al menos 85% de monómero de acrilonitrilo. Los comonómeros típicos son acetato de vinilo o acrilato de metilo. DuPont creó las primeras fibras acrílicas en 1941 y las registró bajo el nombre de Orlon. Se desarrolló por primera vez a mediados de la década de 1940 pero no se produjo en grandes cantidades hasta la década de 1950. Fuerte y cálida, la fibra acrílica se utiliza a menudo para suéteres y chándales y como forros para botas y guantes, así como en el mobiliario de telas y alfombras. Se fabrica como filamento, luego se corta en longitudes cortas de grapa similares a los pelos de lana, y se hilan en hilo.
Modacrylic es una fibra acrílica modificada que contiene al menos 35% y como máximo 85% de monómero de acrilonitrilo. Los comonómeros cloruro de vinilo, cloruro de vinilideno o bromuro de vinilo utilizados en modacrílico dan a la fibra propiedades retardantes de llama. Los usos finales del modacrylic incluyen piel sintética, pelucas, extensiones de cabello y ropa protectora.
La microfibra (o microfibra) es fibra sintética más fina que un denier o decitex/hilo, que tiene un diámetro inferior a diez micrómetros. Esto es más pequeño que el diámetro de un mechón de seda (que es aproximadamente un denier), que es en sí mismo aproximadamente 1/5 del diámetro de un cabello humano.
Los tipos más comunes de microfibras están hechos de poliésteres, poliamidas (por ejemplo, nylon, Kevlar, Nomex, trogamida), o una conjugación de poliéster, poliamida y polipropileno. La microfibra se utiliza para hacer tapetes, tejidos y tejidos para prendas de vestir, tapicería, filtros industriales y productos de limpieza. La forma, el tamaño y las combinaciones de fibras sintéticas se seleccionan por características específicas, incluyendo suavidad, tenacidad, absorción, repelencia al agua, electrostática y capacidades de filtrado.
Los textiles de microfibra tienden a ser inflamables si se fabrican a partir de hidrocarburos (poliéster) o carbohidratos (celulosa) y emiten gases tóxicos al quemar, más aún si son aromáticos (PET, PS, ABS) o tratados con retardantes de llama halogenados y colorantes azoicos. Su stock de poliéster y nylon está hecho de petroquímicos, que no son un recurso renovable y no son biodegradables. Sin embargo, si están hechos de polipropileno, son reciclables (Prolen).
Para la mayoría de las aplicaciones de limpieza están diseñadas para un uso repetido en lugar de desecharse después de su uso Una excepción a esto es la limpieza precisa de los componentes ópticos donde un paño húmedo se dibuja una vez a través del objeto y no debe volver a usarse ya que los desechos recolectados ahora están incrustados en la tela y pueden rayar la superficie óptica.
La microfibra que está hecha de petroquímicos incluye poliéster y nylon que no son biodegradables. Sin embargo, la microfibra hecha de polipropileno puede ser reciclable. Los productos de microfibra también pueden tener el potencial de ingresar al suministro de agua oceánica y cadena alimentaria similar a otros microplásticos. La ropa sintética hecha de microfibras que se lavan puede liberar materiales y viajar a plantas de tratamiento de aguas residuales locales, contribuyendo a la contaminación plástica en el agua. Las fibras retenidas en los lodos de tratamiento de aguas residuales (biosólidos) que se aplican al suelo pueden persistir en
Existen preocupaciones ambientales acerca de que este producto ingrese a la cadena alimentaria oceánica similar a otros microplásticos. Un estudio de la marca de ropa Patagonia y la Universidad de California, Santa Bárbara, encontró que cuando se lavan chaquetas sintéticas hechas de microfibras, en promedio se liberan 1.7 gramos (0.060 oz) de microfibras de la lavadora. Estas microfibras luego viajan a plantas locales de tratamiento de aguas residuales, donde hasta el 40% de ellas ingresan a ríos, lagos y océanos donde contribuyen a la contaminación plástica general. Las microfibras representan el 85% de los desechos artificiales que se encuentran en las orillas en todo el mundo.
Sin embargo, no se utilizan pesticidas para producir fibras sintéticas (en comparación con el algodón). Si estos productos están hechos de hilo de polipropileno, el hilo se tiñe con dopaje; es decir, no se usa agua para teñir (como ocurre con el algodón, donde miles de litros de agua se contaminan).
Resumen
- Las propiedades físicas de un polímero como su resistencia y flexibilidad dependen de la longitud de la cadena, los grupos laterales presentes, la ramificación y la reticulación.
- Los polímeros sintéticos pueden consistir tanto en regiones cristalinas (más ordenadas, similares a cristales) como amorfas (menos ordenadas); el grado de cristalinidad puede expresarse en términos de una fracción en peso o fracción de volumen del material cristalino.
- La cristalinidad de los polímeros se caracteriza por su grado de cristalinidad, que va desde cero para un polímero completamente no cristalino hasta uno para un polímero teórico completamente cristalino. Los polímeros con regiones microcristalinas son generalmente más duros (se pueden doblar más sin romperse) y más resistentes a los impactos que los polímeros totalmente amorfos.
- Debido a su estructura química, las fibras de nylon, poliéster y acrílicas tienen propiedades físicas que son comparables o incluso superiores a las fibras naturales. Por lo tanto, muchas de estas fibras tienen una variedad de usos y han reemplazado a las fibras naturales en diversos productos.
Colaboradores y Atribuciones
- Stephen Lower, Professor Emeritus (Simon Fraser U.) Chem1 Virtual Textbook IF Figureis used
- Wikipedia