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Un polímero es una macromolécula, es decir, una molécula formada por centenares o miles de átomos, que se forma a partir de la unión sucesiva de una misma molécula pequeña. El término «polímero» procede de la conjunción del prefijo griego poli que significa «mucho», con el sufijo mer, que significa «parte». La palabra fue acuñada por el químico sueco Jons Jacob Berzelius en 1833.
El desarrollo de los polímeros
Los polímeros naturales se han utilizado desde tiempos inmemoriales, pero la capacidad de sintetizar polímeros es un desarrollo reciente. El primer material desarrollado a partir de un polímero fue la nitrocelulosa. El proceso fue desarrollado en 1862 por el químico británico Alexander Parkes: combinó la celulosa natural con ácido nítrico y un disolvente, y con un tratamiento posterior con alcanfor produjo celuloide, un polímero ampliamente utilizado en la industria cinematográfica. La disolución de la nitrocelulosa en éter y alcohol produce colodión; éste polímero fue utilizado como apósito quirúrgico.
La vulcanización del caucho fue otro hito en el desarrollo de los polímeros. El químico alemán Friedrich Ludersdorf y el inventor estadounidense Nathaniel Hayward encontraron que la adición de azufre al caucho natural mejoraba sustancialmente sus propiedades. El proceso de vulcanización del caucho mediante la adición de azufre y la aplicación de calor fue descrito por el ingeniero británico Thomas Hancock en 1843 y el químico estadounidense Charles Goodyear en 1844.
En 1926 Hermann Staudinger explicó la estructura química de estos materiales y propuso la estructura del poliestireno y del polioximetileno, vigentes aún hoy. Su modelo establecía que se generaban largas cadenas de átomos formadas por la unión repetitiva a través de enlaces covalentes de una molécula pequeña. Hermann Staudinger obtuvo el Premio Nobel de química en 1953 por sus trabajos.
Cómo se forman los polímeros
La formación de un polímero, es decir, la polimerización, es una reacción química en la que en una molécula pequeña se generan dos enlaces, en general enlaces covalentes, en los que se unen otras unidades de la misma molécula. Este proceso se repite una gran cantidad de veces formando una larga cadena de átomos. La molécula que origina el polímero se llama monómero.
Veamos un ejemplo: el polietileno, un plástico ampliamente difundido y que es el polímero más sencillo.
El monómero del polietileno es el etileno, una molécula orgánica sencilla que tiene dos átomos de carbono unidos por un doble enlace junto a dos átomos de hidrógeno unidos a cada átomo de carbono, como se muestra en la figura anterior. Los enlaces del carbono son covalentes. Si se rompe el enlace doble, cada uno de los átomos de carbono tiene un enlace covalente disponible para unirse a otros átomos constituyendo la unidad estructural, como muestra la figura siguiente.
La unión repetida de ésta unidad estructural genera una larga molécula lineal, sin ramificaciones: el polietileno (ver figura siguiente).
Otro ejemplo es la obtención del poliestireno, un polímero con múltiples aplicaciones. El monómero del poliestireno es el estireno, una molécula que tiene un anillo bencénico unido a dos átomos de carbono con un enlace doble. Al igual que en caso del polietileno, la ruptura del enlace doble genera la unidad estructural que al unirse repetidamente constituyen una larga cadena que forma el poliestireno (ver figura siguiente).
Los polímeros
En la naturaleza hay muchos materiales y moléculas generadas por los seres vivos que son polímeros. Proteínas, ácidos nucleicos, el ADN, polisacáridos como la celulosa, son ejemplos de polímeros naturales. Como ya vimos, otros polímeros como la nitrocelulosa y el caucho vulcanizado, son polímeros artificiales obtenidos a partir de polímeros naturales. Y los polímeros artificiales se obtienen en laboratorios e industrialmente mediante reacciones químicas; el policloruro de vinilo (PVC, por su sigla en inglés), el polietileno, el poliestireno, el neopreno y el nailon son algunos ejemplos del vasto espectro de polímeros artificiales usados en muy diversas aplicaciones.
Los polímeros artificiales se agrupan en dos categorías: los polímeros termoplásticos y polímeros termoestables. Los polímeros se pueden obtener a través de una reacción química o a partir de una mezcla de sustancias sólida o de una solución en las que se induce la polimerización con calor o aplicando radiación gamma, en una reacción que es irreversible.
- Una vez que se completa la reacción, los polímeros termoestables tienden a ser rígidos y se degradan o descomponen sin ablandarse cuando se los calienta por encima de cierta temperatura. Las resinas epoxi, el poliéster, las resinas acrílicas y el poliuretano son polímeros termoestables, al igual que la baquelita, el kevlar y el caucho vulcanizado.
- Los polímeros termoplásticos a diferencia de los termoestables, son flexibles y se ablandan y funden por encima de una cierta temperatura, lo que permite moldearlos. Algunos ejemplos de polímeros termoplásticos son el nailon, el teflón, el polietileno y el polipropileno.
Una de las aplicaciones de los polímeros artificiales es la fabricación de fibras con las que se confeccionan tejidos. Estos polímeros deben tener una alta elasticidad para permitir su manipulación en los procesos de confección y en su uso final, y baja extensibilidad para mantener sus dimensiones. Otra aplicación de los polímeros es en adhesivos; en este caso se necesita que se produzca la polimerización al aplicar el producto, por ejemplo mediante una reacción química con el vapor de agua en el aire o en las piezas donde se aplica el pegamento, como es el caso de los cianoacrilatos que se utilizan en aplicaciones domésticas, industriales y para cerrar heridas. Los elastómeros son otra aplicación difundida de los polímeros; se trata de materiales que se deforman cuando se aplica una fuerza, pero que recuperan su forma original cuando cesa la fuerza aplicada.
Recubrimientos, pinturas, piezas y componentes que integran mecanismos y estructuras, diversos materiales de construcción, aislantes eléctricos y térmicos, son algunas de la inmensa variedad de aplicaciones de los polímeros.
Fuentes
J.R. Wunsch. Polystyrene – Synthesis, Production and Applications. iSmithers Rapra Publishing, 2020.
Donald V. Rosato, Marlene G. Rosato, Nick R.Schott Plastics technology handbook. manufacturing, composites, tooling, auxiliaries. Momentum Press, 2012.
Polymer: Description, Examples, & Types. Encyclopedia Britannica, 2020.
William B. Jensen The Origin of the Polymer Concept. Journal of Chemical Education 85 (5): 624, 2008.
