Tipos de Polímeros

Existen muchas formas de diferenciar a los Polímeros:

• Por su modo de obtención: Naturales y Sintéticos
• Por su elasticidad: Elastómeros y Plásticos
• Por el acomodamiento de las cadenas moleculares: Amorfos y Cristalinos
• Por su comportamiento térmico: Termoplásticos y Termofijos
• Por sus propiedades físicas: Comunes, Funcionales, de Ingeniería y Especialidades
• Por tener diferentes unidades: Homopolímeros, Copolímeros, Terpolímeros
• Por la forma de sus cadenas moleculares: Lineales, Ramificados, Reticulados
• Bio-Polímeros
• Elastómeros y Plásticos

Un elastómero es un polímero con viscoelasticidad (tiene viscosidad y elasticidad) y fuerzas inter-moleculares muy débiles, generalmente dando un bajo módulo de Young (módulo de tensión o módulo elástico) y una alta falla a la tensión por deformación comparado con los plásticos.

A los elastómeros también se les asocia con el término de hules, aunque estos últimos requieren ser vulcanizados.

Los elastómeros son polímeros amorfos que existen arriba de su punto de transición vítrea lo que lo hace relativamente suaves y deformables a temperatura ambiente.

Polímeros Amorfos y Cristalinos

Si pudieramos ver las cadenas moleculares de un polímero en estado líquido veríamos que están completamente alargadas y relajadas y es cuando se enfrían y solidifican que estas cadenas pueden o no buscar acomodarse.

Las resinas que al solidificar no buscan un acomodo o en otras palabras, solidifican sin un orden son las que se les conoce como amorfas (del griego «a» sin y «morfos» forma). Es este desorden el que le define sus propiedades físicas. Las resinas amorfas son en su mayoría transparentes debido a que entre los huecos que dejan las cadenas en su desorden pasan los haces de luz.

Las resinas amorfas tienen muy buena estabilidad dimensional ya que al no acomodarse las cadenas no hay mucho ajuste o contracción de las piezas moldeadas.

No tienen un punto de fusión definido sino más bien un rango de reblandecimiento y a excepción del policarbonato en general no tienen muy buenas propiedades mecánicas.

Ejemplos de resinas amorfas están el policarbonato, el estireno acrilo nitrilo (SAN), el poli-metil metacrilato (PMMA) mejor conocido como acrílico, etc.

Una resina cristalina al solidificar sus cadenas buscan formar estructuras llamadas cristalitos y si las vieramos en un microscópio podríamos ver su acomodo molecular. Las resinas cristalinas son opacas ya que no hay espacio para que pase la luz entre las moléculas.

Al contrario de las resinas amorfas, las cristalinas tienen un buen porcentaje de contracción lo que representa ciertas consideraciones en su procesamiento para lograr una buena estabilidad dimensional y evitar problemas como rechupes y deformaciones por contracción.

Las resinas cristalinas por lo general tienen buenas propiedades mecánicas y térmicas y tiene un punto de fusión definido. Ejemplos de resinas cristalinas son el polietileno (PE), el acetal opolioximetileno (POM), las poliamidas (PA) mejor conocidas como nylon, etc.

Polímeros Termoplásticos y Termofijos

Un termoplástico es un plástico que, a temperaturas relativamente altas, se vuelve deformable o flexible, se funde cuando se calienta y se endurece en un estado de transición vítrea cuando se enfría lo suficiente. La mayor parte de los termoplásticos son polímeros de alto peso molecular. Los polímeros termoplásticos difieren de los polímeros termoestables o termofijos en que después de calentarse y moldearse pueden volverse a fundir para formar otra pieza.

Sus propiedades físicas cambian gradualmente si se funden y se moldean varias veces (historial térmico), generalmente disminuyendo estas propiedades al debilitar o romper los enlaces.

Los polímeros termo-estables o termo-fijos no se funden y son insolubles. Las cadenas de estos materiales forman una red tridimensional espacial, entrelazándose con fuertes enlaces covalentes, este proceso es conocido como reticulación (cross-linking en inglés). La estructura así formada es un conglomerado de cadenas entrelazadas dando la apariencia y funcionando como una macromolécula, que al elevarse la temperatura de ésta, simplemente las cadenas se compactan más, haciendo al polímero más resistente hasta el punto en que se degrada o quema.

Un polímero termofijo también puede ser el resultado de la reacción química de dos componentes o un componente y un catalizador que al reaccionar forman un producto diferente que al querer volver a calentar simplemente se quema.

Ejemplos de polímeros termofijos son la baquelita (fenol formaldehído), epóxicos, silicones, etc.

El pre-polímero, llamado así antes de la reticulación, tiene una estructura muy similar a la de un polímero termoplástico.

Polímeros Lineales, Ramificados y Reticulados

Otra forma de clasificar a las resinas plásticas es por la forma y cantidad de sus ramificaciones, esto es, la complejidad de la forma de las cadenas.

Existen polímeros en que sólo es una columna vertebral de enlaces carbono-carbono unidas a moléculas simples que van desde hidrógenos a grupos CH3 (metilo), hidroxilo, etc; mientras que hay otros polímeros que de la columna de carbonos se desprenden otras ramas de menor tamaño con formas más complejas.

Este puede ser el caso de los polietilenos de baja densidad que son muy ramificados y el de alta densidad que no tiene ramificaciones. Yendo de la mano con la cristalinidad y amorficidad de las cadenas.

Los enlaces entrecruzados o reticulaciones dan una estructura más rígida a un polímero, la reticulación de un polímero se logra por lo general, a partir de una reacción química con un catalizador y calor en elastómeros vulcanizables o curables y en polímeros termofijos aunque existen unos cuantos polímeros termoplásticos de reticulación termo-reversible como es el caso de las resinas ionoméricas.

Polímeros Comunes, Funcionales, de Ingeniería y Especialidades

Este tipo se deriva de las propiedades físicas que ofrecen los diferentes polímeros, por lo general los polímeros de alta especialidad son los de mayor resistencia mecánica, térmica, química o combinación de propiedades y son sintetizados o formulados de manera muy única como polímeros de cristal líquido.

Los polímeros de ingeniería también tienen excelentes propiedades físicas pero son un poco más comunes, ejemplos de estas resinas son las poliamidas (PA), acetal o polioximetileno (POM), algunos poliésteres del poli-etilen tereftalato (PET) cristalinos grado ingeniería, etc.

Los polímeros funcionales son aquellos que aunque no tienen altas propiedades físicas ofrecen algun beneficio sobre los polímeros comunes, por ejemplo, un policarbonato ofrece una muy buena resistencia al impacto o un etilen vinil acetato (EVA) ofrece un mejor sello a los empaques que un polietileno.

Finalmente los polímeros comunes o «commodity» son los más sencillos y con propiedades físicas simples como el polietileno (PE) o el polipropileno (PP).

A la izquierda, la pirámide con diferentes ejemplos sobre este tipo de clasificación.

Homopolímeros, Copolímeros, Terpolímeros

Los polímeros que contienen un solo tipo de unidad repetida se les denomina homopolímeros mientras que los polímeros que tienen una mezcla de 2 unidades repetidas se les conoce como copolímeros. El polietileno por ejemplo, está compuesto unicamente de monómeros de etileno y por tal es un homopolímero y por otro lado un polímero como el etilen vinil acetato (EVA) que está compuesto de monómeros de etileno y vinil acetato se le conoce como copolímero.

Bio-Polímeros

En los últimos 50 años, la producción de polímeros ha aumentado más de 20 veces, superando ya los 300 millones de toneladas anuales (1).

Los plásticos son materiales importantes que contribuyen significativamente a la protección del medio ambiente. Cuando se comparan con alternativas en aplicaciones típicas, 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% (2)

Sin embargo, debido a las preocupaciones recientes sobre el agotamiento de los recursos fósiles y la contaminación ambiental, se han realizado esfuerzos para reemplazar los plásticos convencionales a base de petróleo y gas con otros basados en hidrocarburos derivados de recursos renovables como la biomasa.

Degradabilidad, Biodegradabilidad y Degradabilidad en Composta

Un plástico se puede describir como degradable cuando experimenta un cambio significativo en las propiedades iniciales debido a la ruptura química de las macromoléculas que forman una pieza de plástico, independientemente del mecanismo de ruptura de las cadenas, es decir, no hay ningún requisito para que los plásticos se degraden debido a la acción natural de microorganismos. Ejemplos de plásticos degradables son los oxo-degradables y fotodegradables que se descomponen cuando se exponen a oxígeno o luz y son principalmente están basados en aceites.

Biodegradabilidad

La biodegradabilidad puede describirse como «la degradación de una pieza plástica debido, al menos en parte, a fenómenos en las células. Como resultado de la acción de microorganismos, el material es transformado finalmente en agua, dióxido de carbono, biomasa y posiblemente metano».

La capacidad de un polímero para biodegradarse es independiente del origen de su materia prima. En su lugar, depende fuertemente de la estructura del polímero. Por ejemplo, aunque algunos plásticos bio-basados ​​pueden ser biodegradables (por ejemplo, los polihidroxialcanoatos) otros no lo son (por ejemplo, polietileno derivado de la caña de azúcar).

Algunos polímeros se degradan en sólo unas pocas semanas, mientras que otros toman varios meses.

Compostabilidad

Para que un plástico se considere compostable debe cumplir con los siguientes criterios:

Ser biodegradable; descomponerse en dióxido de carbono, agua y biomasa. El 90% de los materiales orgánicos se convierte en CO2 a los 6 meses.

Desintegrarse: Después de 3 meses en composta debe pasar a través de un tamiz de 2 mm, en donde no más del 10% de residuo debe permanecer

Eco-toxicidad: la biodegradación no produce ningún material tóxico y la composta puede apoyar el crecimiento de las plantas.

Por lo tanto, un plástico puede ser degradable pero no biodegradable o puede ser biodegradable pero no compostable (es decir, se descompone demasiado lento o deja residuos tóxicos).

En comparación con los polímeros de uso común, los polímeros biodegradables son materiales con un nicho de mercado con aplicaciones enfocadas dentro de una amplia gama de sectores de mercado, incluyendo:

• Dispositivos médicos: ortopédicos, dentales, liberación de fármacos e ingeniería de tejidos
• Agricultura: láminas de mantillo, macetas y encapsulación de fertilizantes para liberación controlada
• Empaque: bolsas de transporte, bolsas de residuos y embalaje de alimentos y contenedores

Además del petróleo crudo, el gas natural y el carbón, los plásticos pueden derivarse de fuentes naturales y renovables como la madera (celulosa), los aceites vegetales, el azúcar y el almidón y pueden definirse como plásticos «biológicos», «biopolímeros» o «bioplásticos».

Todos estos términos son ampliamente utilizados pero con cierta confusión. A menudo se usan colectivamente para describir dos conceptos diferentes al mismo tiempo. Los dos conceptos se pueden diferenciar a través de: la fuente de los materiales, es decir, basada en recursos renovables y funcionalidad, ej. biodegradable y/o compostable

El uso duplicado de este término es una causa de preocupación, ya que puede ser la fuente de mala información y de confusión para el consumidor. Es importante, especialmente en lo que respecta a la etapa de fin de vida, diferenciar entre plásticos biodegradables y plásticos renovables durables o derivados de la biomasa.

Para evitar la ambigüedad, la BPF (British Plastics Federation) está interesada en evitar el uso del término biopolímero o bioplástico, excepto cuando sea necesario. Idealmente, deberían ser sustituidos por equivalentes más precisos e informativos:

Polímeros Bio-Basados Naturales

Estos polímeros son sintetizados por organismos vivos, esencialmente en la forma en que finalmente se utilizan. Ejemplos de polímeros de base natural y producidos naturalmente incluyen:

• Polisacáridos
• Celulosa / Almidón
• Proteínas
• Poli-hidroxialcanoatos bacterianos
• Después de la extracción y purificación, es posible la explotación industrial directa.

Polímeros Bio-Basados Sintéticos

Polímeros cuyos monómeros provienen de recursos renovables pero que requieren una transformación química para la conversión en un polímero.

Muchos polímeros convencionales pueden, en principio, ser sintetizados a partir de materias primas renovables. Por ejemplo, el almidón de maíz puede hidrolizarse y utilizarse como materia prima de fermentación para la bio-conversión en ácido láctico a partir del cual se puede producir ácido poliláctico (PLA) mediante tratamiento químico. Aunque es de origen renovable el polímero no se puede considerar «natural» ya que se sintetiza dentro de una planta química.

Fuentes:

1. European Bioplastics
2. British Plastics Federation
3. Wiley – Encyclopedia of Polymer Science and Technology