Tipos de polímeros

En ¿Qué son los polímeros? construimos una sola imagen: un polímero es un collar de cuentas, donde cada cuenta es una pequeña unidad que se repite (un monómero) y el collar completo es el polímero. Esa imagen nos da mucho por trabajar, porque no hay una única forma de describir un collar… y tampoco hay una sola forma de clasificar a los polímeros.

Piensa en cómo describirías un collar real. Podrías hablar de de qué están hechas las cuentas, cómo están acomodadas, cómo se comporta el hilo cuando lo doblas o lo calientas, o para qué sirve. Todas esas descripciones son válidas, y todas son ciertas al mismo tiempo. Los polímeros funcionan exactamente igual. Un mismo material puede ser sintético, cristalino, termoplástico, lineal y de ingeniería a la vez — cada etiqueta simplemente corresponde a una cuestión diferente.

Estas son las principales preguntas que usan los científicos para clasificar a los polímeros:

• Por su origen — Naturales o Sintéticos
• Por su elasticidad — Elastómeros o Plásticos
• Por el acomodo de las cadenas — Amorfos o Cristalinos
• Por su comportamiento térmico — Termoplásticos o Termofijos
• Por sus propiedades físicas — Comunes, Funcionales, de Ingeniería o Especialidades
• Por la variedad de unidades repetidas — Homopolímeros, Copolímeros o Terpolímeros
• Por la forma de sus cadenas — Lineales, Ramificados o Reticulados
• Bio-Polímeros — una categoría especial y de rápido crecimiento

A continuación revisaremos juntos una por una.

Por su origen: Naturales vs. Sintéticos

La división más intuitiva es simplemente de dónde proviene el polímero. Los polímeros naturales los producen los seres vivos: la celulosa de la madera y el algodón, las proteínas de la seda y la lana, el hule natural del árbol de caucho, el ADN de cada célula. Los polímeros sintéticos los fabricamos las personas en una planta química, por lo general a partir del petróleo o del gas natural: polietileno, nylon, poliestireno y el resto de los plásticos conocidos.

Volveremos al origen con más detalle en la sección de Bio-Polímeros al final, porque ahí es donde la línea entre “natural”, “renovable” y “biodegradable” se vuelve interesante… y se malentiende con frecuencia.

Elastómeros y Plásticos

Un elastómero es un polímero que se estira mucho y regresa a su forma original: piensa en una liga, la suela de un zapato o una llanta. En términos de cuentas, imagina un collar cuyas cuentas están ensartadas holgadamente en un hilo elástico: jálalo y toda la hebra se extiende; suéltalo y se recoge. Esa elasticidad surge de dos cosas que trabajan juntas: la viscoelasticidad (el material tiene viscosidad y elasticidad) y unas fuerzas intermoleculares muy débiles. El resultado es un módulo de Young bajo (el material es suave y fácil de deformar) y una elongación muy alta antes de romperse, comparado con los plásticos rígidos.

A los elastómeros también se les llama comúnmente hules, aunque, hablando con precisión, un hule es un elastómero que ha sido vulcanizado (reticulado, normalmente con azufre y calor) para fijar de forma permanente ese comportamiento de regreso a su forma.

La mayoría de los elastómeros son polímeros amorfos que existen por arriba de su temperatura de transición vítrea, lo que los mantiene suaves y deformables a temperatura ambiente en lugar de duros y quebradizos.

Polímeros Amorfos y Cristalinos

Si pudiéramos ver las cadenas moleculares de un polímero en estado líquido (fundido), las veríamos completamente alargadas y relajadas. Es al enfriarse y solidificar cuando estas cadenas pueden —o no— buscar acomodarse, y esa sola diferencia es la que separa a estas dos familias.

Las resinas que al solidificar no buscan un acomodo —es decir, que solidifican sin un orden— son las que se conocen como amorfas (del griego a-, “sin”, y morfos, “forma”). Es este desorden el que define sus propiedades físicas. Las resinas amorfas son en su mayoría transparentes, aunque la razón es un poco más sutil que la luz pasando por los huecos que dejan las cadenas: como no hay regiones ordenadas que dispersen la luz, esta pasa directamente a través de la estructura uniforme y desordenada. También tienen muy buena estabilidad dimensional: al no acomodarse las cadenas, hay poco ajuste o contracción en las piezas moldeadas. No tienen un punto de fusión definido, sino más bien un rango de reblandecimiento y, salvo el policarbonato, en general no ofrecen muy buenas propiedades mecánicas.

Ejemplos de resinas amorfas: policarbonato, estireno acrilonitrilo (SAN) y polimetilmetacrilato (PMMA), mejor conocido como acrílico.

Una resina cristalina hace lo contrario: al solidificar, sus cadenas buscan formar estructuras ordenadas llamadas cristalitos, y bajo el microscopio podríamos ver ese acomodo molecular. Las resinas cristalinas son opacas, y aquí también la verdadera razón es la dispersión de la luz: esas regiones ordenadas dispersan la luz en sus fronteras, de modo que no puede pasar limpiamente.

El acomodo ordenado trae consecuencias. Los polímeros cristalinos contraen de forma significativa al formarse esos cristalitos, lo que obliga a considerar la contracción durante el procesamiento para evitar problemas como rechupes y deformaciones. A cambio, normalmente premian con buenas propiedades mecánicas y térmicas y un punto de fusión definido.

Ejemplos de resinas cristalinas: polietileno (PE), polioximetileno (POM o acetal) y las poliamidas (PA), mejor conocidas como nylon.

Polímeros Termoplásticos y Termofijos

Esta clasificación trata de lo que ocurre cuando calientas el material, y es una de las distinciones más importantes en todo el mundo de los plásticos, porque define si una pieza puede volver a fundirse y reciclarse.

Un termoplástico se reblandece y funde al calentarse (plastifica), y endurece de nuevo al enfriarse, y ese ciclo se puede repetir: fúndelo, moldéalo con una nueva forma, fúndelo otra vez. La mayoría de los termoplásticos son polímeros de alto peso molecular, y la mayoría de los plásticos cotidianos —polietileno, polipropileno, PET, nylon— pertenecen a este grupo.

Hay un detalle que vale la pena conocer: cada ciclo de fusión y moldeo se suma al historial térmico del material, y las propiedades tienden a disminuir gradualmente con el reprocesamiento, al debilitarse o romperse los enlaces, a este proceso se le conoce como degradación. Así que un termoplástico sí se puede reprocesar, pero no de forma infinita sin alguna pérdida.

Un termofijo (también llamado termoestable) se comporta de forma muy distinta. Su resina base sí puede reblandecerse y fluir al calentarse —así es como se le da forma—, pero durante el proceso de transformación (inyección o extrusión, por ejemplo) entra junto con un segundo componente, por lo general un catalizador o endurecedor que reacciona químicamente con la resina base. Esa reacción enlaza las cadenas en las tres dimensiones mediante fuertes enlaces covalentes —un proceso llamado reticulación (cross-linking)— o bien transforma el material original en uno nuevo por completo. Una vez que la reacción ha ocurrido, la pieza queda fijada de manera definitiva: recalentarla no la funde de vuelta a una forma moldeable. La estructura simplemente se compacta más, se vuelve más rígida y finalmente se degrada o quema. Esa reacción química durante el procesamiento es precisamente la razón por la que un termofijo no puede volver a fundirse ni reprocesarse como un termoplástico.

Ejemplos de resinas termofijas: la baquelita (fenol formaldehído, presente en conexiones eléctricas antiguas y mangos de ollas), los epóxicos y los silicones.

Antes de esta reacción, un termofijo se llama pre-polímero, y en esa etapa fluye de manera muy parecida a la de un termoplástico común: es la reacción de curado la que lo cambia todo.

Un último punto que vale la pena conocer: la frontera entre estas dos familias no es absoluta. Algunos termoplásticos pueden reticularse de forma deliberada, lo que los convierte en termofijos. El polietileno (PE) y el etilen vinil acetato (EVA), por ejemplo, se reticulan al reaccionar con peróxidos, y esos grados reticulados están por todas partes, en aplicaciones cotidianas como las cubiertas aislantes de los cables eléctricos y las suelas de espuma del calzado.

Polímeros Lineales, Ramificados y Reticulados

Los polímeros también se pueden clasificar por la forma de sus cadenas: qué tan compleja es la hebra. Aquí la analogía del collar es de lo más literal.

Los polímeros lineales son una sola columna vertebral: una hebra recta de cuentas, con apenas pequeños grupos (un hidrógeno, un grupo metilo, un hidroxilo, etc.) unidos a lo largo del camino.

Los polímeros ramificados tienen hebras laterales más pequeñas que se desprenden de la cadena principal, como cadenas más cortas atados al collar en intervalos.

Los polímeros reticulados tienen hebras separadas enlazadas entre sí, amarrando todo en una red conectada.

Un gran ejemplo de la vida real es el polietileno: el polietileno de baja densidad (LDPE) es muy ramificado, mientras que el de alta densidad (HDPE) casi no tiene ramificaciones, y esa diferencia de forma va de la mano con qué tan amorfo o cristalino resulta cada uno.

Las reticulaciones vuelven más rígido a un polímero. Por lo general se crean mediante una reacción química con un catalizador y calor, como en los elastómeros vulcanizables o curables y en los termofijos. Unos cuantos termoplásticos incluso logran una reticulación termo-reversible, como es el caso de las resinas ionoméricas.

Polímeros Comunes, Funcionales, de Ingeniería y Especialidades

Esta clasificación ordena a los polímeros por el desempeño que ofrecen, derivado de las propiedades físicas que ofrecen y suele dibujarse como una pirámide: mientras más subes, más exigente (y más caro) es el material.

• Los polímeros comunes, también conocidos como commodity, están en la base: los más sencillos y de mayor uso, con propiedades físicas básicas. Piensa en el polietileno (PE) y el polipropileno (PP): bolsas, botellas, empaques.

• Los polímeros funcionales no necesariamente tienen propiedades mecánicas de alto nivel, pero ofrecen alguna ventaja sobre un plástico común. El policarbonato aporta una resistencia al impacto excelente; el etilen vinil acetato (EVA) sella los empaques mejor que el polietileno simple.

• Los polímeros de ingeniería ofrecen propiedades físicas excelentes y confiables, y son un escalón superior en capacidad. Algunos ejemplos son las poliamidas (PA / nylon), el polioximetileno (POM / acetal) y el polietilen tereftalato (PET) cristalino grado ingeniería.

• Los polímeros de especialidad están en la cima: la mayor resistencia mecánica, térmica o química —o una combinación única—, y se sintetizan o formulan de maneras muy particulares. Los polímeros de cristal líquido son un ejemplo clásico.

Homopolímeros, Copolímeros y Terpolímeros

Para esta clasificación, el ejemplo del collar nos va a funcionar bien, es la base para entender materiales con una química compleja más adelante.

• Un homopolímero está hecho de un solo tipo de unidad repetida o monómero: un solo color de cuenta a lo largo de toda la cadena del collar. El polietileno, hecho únicamente de monómeros de etileno, es un homopolímero.
• Un copolímero mezcla dos unidades repetidas también conocidas como comonómeros: dos tipos de cuenta diferentes en la misma cadena ofreciendo sus propiedades físicas únicas. El etilen vinil acetato (EVA), hecho de los monómeros o comonómeros de etileno y de vinil acetato, es un copolímero.
• Un terpolímero usa tres o más unidades repetidas, ambién conocidas como termonómeros: tres o más tipos de cuenta. El ABS es el ejemplo de libro de texto, con acrilonitrilo, butadieno y estireno, los tres tipos de termonómeros.

Lo interesante de la imagen de las cuentas es que escala sin vocabulario nuevo: un tipo, dos tipos, tres o más tipos. Cada monómero ofrece diferentes propiedades al polímero, en el ejemplo del EVA, el etileno ofrece cristalindad y rigidez mientras que el vinil acetato ofrece al polímero un balance de estructura amorfa y flexibilidad.

En el caso de los copolímeros y terpolímeros se pueden diseñar con distintos arreglos moleculares o patrones que pueden ser alternados, al azar, en bloque o injertado, esto para ofrecer una mayor gama de propiedades.

Bio-Polímeros

En los últimos 50 años, la producción de polímeros ha crecido más de veinte veces, y la producción mundial de plásticos supera ya los 400 millones de toneladas al año (1).

Los plásticos son materiales realmente importantes, y contribuyen a la protección del medio ambiente de maneras que no siempre son evidentes. Comparados con las alternativas en aplicaciones típicas, la British Plastics Federation reporta que los plásticos pueden:

• reducir los costos energéticos hasta en un 40%
• reducir los residuos en un 75–80%
• reducir las emisiones en un 70%
• reducir la contaminación del agua hasta en un 90%

Aun así, la preocupación por el agotamiento de los recursos fósiles y por la contaminación ha impulsado un gran esfuerzo por reemplazar los plásticos convencionales basados en petróleo y gas con polímeros hechos a partir de recursos renovables como la biomasa.

Aquí es donde la terminología se vuelve resbaladiza, así que vale la pena revisarla con cuidado.

Degradable, Biodegradable y Compostable: tres cosas distintas

Estas tres palabras se usan como sinónimos en el habla cotidiana, pero significan cosas genuinamente diferentes. Tenerlas claras es lo más útil de toda esta página.

Degradable. Un plástico es degradable cuando sus moléculas se rompen lo suficiente para causar un cambio significativo en sus propiedades originales, sin importar cómo ocurra esa ruptura. No se requiere que haya organismos vivos involucrados. Los plásticos oxo-degradables y fotodegradables, que se descomponen al exponerse al oxígeno o a la luz y son en su mayoría a base de aceites, son ejemplos de ello.

Biodegradable. La biodegradación es la ruptura de un plástico causada, al menos en parte, por células vivas: microorganismos que finalmente convierten el material en agua, dióxido de carbono, biomasa y posiblemente metano. Algo clave: la capacidad de un polímero para biodegradarse depende de su estructura química, no de dónde provino su materia prima. Algunos plásticos bio-basados se biodegradan (los polihidroxialcanoatos, por ejemplo); otros no (el polietileno hecho de caña de azúcar es químicamente idéntico al polietileno del petróleo, y igual de persistente). Algunos polímeros biodegradables se descomponen en unas pocas semanas; otros tardan meses.

Compostable. Para considerarse compostable, un plástico debe cumplir con todo lo siguiente:

• Ser biodegradable — descomponerse en CO₂, agua y biomasa, con el 90% del material orgánico convertido en CO₂ en un plazo de seis meses.
• Desintegrarse — después de tres meses en composta, debe pasar a través de un tamiz de 2 mm, sin que permanezca más del 10% de residuo.
• Pasar la eco-toxicidad — la biodegradación no debe producir ningún material tóxico, y la composta resultante debe poder sostener el crecimiento de las plantas.

Así que las categorías se anidan de una forma muy específica: un plástico puede ser degradable pero no biodegradable, o biodegradable pero no compostable (se descompone demasiado lento, o deja residuo tóxico).

En donde se usan los polímeros biodegradables

Comparados con los plásticos comunes de uso diario, los polímeros biodegradables siguen siendo un mercado de nicho, con aplicaciones enfocadas en varios sectores:

• Empaque — bolsas de transporte, bolsas de residuos y empaque y contenedores de alimentos
• Dispositivos médicos — implantes ortopédicos y dentales, liberación de fármacos e ingeniería de tejidos
• Agricultura — láminas de mantillo, macetas y recubrimientos de fertilizantes de liberación controlada

“Bioplástico”: una palabra que causa confusión

Además del petróleo crudo, el gas natural y el carbón, los plásticos también pueden hacerse a partir de fuentes renovables como la madera (celulosa), los aceites vegetales, el azúcar y el almidón. A estos se les suele llamar plásticos “biológicos”, “biopolímeros” o “bioplásticos”.

El problema es que estos términos se usan de forma imprecisa, y mezclan dos ideas completamente distintas:

1. La fuente del material — ¿está hecho de recursos renovables?
2. La funcionalidad — ¿es biodegradable y/o compostable?

Un mismo material puede cumplir una de estas y no la otra, y por eso las etiquetas confunden al consumidor, sobre todo en la etapa de fin de vida, que es donde más importa. Por esta razón la British Plastics Federation prefiere evitar las palabras “biopolímero” y “bioplástico” salvo cuando sea necesario, y sustituirlas por dos términos más precisos:

Polímeros Bio-Basados Naturales. Sintetizados por organismos vivos esencialmente en la forma en que finalmente se utilizan. Algunos ejemplos son los polisacáridos (celulosa, almidón), las proteínas y los polihidroxialcanoatos bacterianos. Tras la extracción y purificación, pueden usarse industrialmente de manera más o menos directa.

Polímeros Bio-Basados Sintéticos. Polímeros cuyos monómeros provienen de recursos renovables pero que requieren una transformación química para convertirse en polímero. El almidón de maíz, por ejemplo, puede hidrolizarse y fermentarse en ácido láctico, que luego se procesa químicamente en ácido poliláctico (PLA). La materia prima del PLA es renovable, pero el polímero en sí no puede llamarse “natural”: se sintetiza dentro de una planta química.

Las mismas moléculas, muchas etiquetas

Este es el hilo que lo une todo: el polímero no ha cambiado, solo cambió la pregunta que le estás haciendo. Una bolsa del súper es sintética, hecha de un polímero común, que resulta ser termoplástico, lineal y homopolímero. Ninguna de esas etiquetas compite con las demás; cada una te dice algo distinto sobre la misma cadena del collar.

Ese es el verdadero valor de conocer las categorías. Una vez que puedes leer un material como leerías un collar —de qué está hecho, cómo están acomodadas las cuentas, cómo se comporta con el calor o el impacto, para qué sirve— las propiedades dejan de ser una lista que memorizar y se convierten en una historia que puedes seguir.

Fuentes:

• European Bioplastics
• British Plastics Federation
• Wiley — Encyclopedia of Polymer Science and Technology
• Cifra de producción mundial (>400 millones de toneladas/año): datos de la industria, 2024