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jueves, 9 de agosto de 2007

Nuevos polimeros.

Nuevos polímeros naturales: Hoy por hoy, la atención mundial se centra en el estudio de un tipo de poliésteres tales como el Polihidroxialcanoato (PHA) ,el Polilactato (PLA) y el Policaprolactano (PCL) , que son absolutamente biodegradables.Mucha de la investigación mundial se ha focalizado en torno al PHA. Este es un polímero biodegradable obtenido por procesos naturales en ciertos microorganismos cuando estos experimentan ciertas peculiares condiciones ambientales. Por ejemplo la bacteria Alcaligenes Eutrophus crea gránulos internos de PHA al contacto con grandes concentraciones de carbono (azúcares) cuando carece de otros nutrientes esenciales como el nitrogeno.Dicho granulo ejerce de almacén energético para la célula ,que lo puede reconvertir en material carbonado cuando las condiciones ambientales varían. El PHA existe en muy diversas maneras, cada una de las cuales tiene pequeñas diferencias. Su forma más simple es el poli b-hidroxibutirato, o PHB. El PHB fue descrito por vez primera por Lemoigne en el 1923. Más tarde Lemoigne caracterizó químicamente el PHB y observó que estaba involucrado en la esporulación de algunos bacilos.Por otro lado, el PHB resulta ser un termoplástico con características muy similares a las del polipropileno: es un polímero frágil con un alto punto de fusión, que a pesar de tener una menor resistencia a la disolución, tiene un comportamiento óptimo ante la luz ultravioleta. Se encontró que la bacteria podía generar otra variedad de copolímeros basados en el 3-hidroxipentanoato, el cual posee todavía mejores propiedades. Además los conocimientos recientemente adquiridos con las tecnologías derivadas del estudio del ADN, debería llevar a el diseño sencillo de PHAs para objetivos específicos.
El PHB tiene grandes ventajas sobre los plásticos convencionales,principalmente porque se puede obtener de fuentes renovables como la glucosa. Otra ventaja es que se pude biodegradar en ambientes activamente microbianos tales como pseudomonas, aspergilus, actinomicos y streptomicos los cuales no son raros en entornos comunes.
Hasta el momento el PHB ha tenido un mercado muy reducido,y su demanda ha estado dirigida por la legislación mediambiental en otros paises, siendo su gran atractivo su biodegradabilidad. Comúnmente denominado Biopol, es empleado por Wella, una empresa alemana de cuidado del cabello para el envase de sus champúes.También ha sido probado reforzado mediante fibras celulósicas,resultando un composite que mantiene sus propiedades en condiciones normales pero que en contacto con el suelo se degrada después de 40 días. Además puede ser empleado con fines médicos, ya que su biocompatibilidad le permite ser implantado en el cuerpo sin causar rechazo ni inflamaciones,cosa que otros polímeros anteriores difícilmente conseguían.
Por otro lado, el PLA es una de las opciones más interesantes. Se conforma mediante la polimerización del ácido láctico, y nuevos métodos comercialmente atractivos para la polimerización directa están siendo recientemente investigados; de hecho se piensa que el ácido láctico se convertirá en la más importante materia prima en el entorno de los plásticos no derivados del petroleo.De este modo, el PLA y el PHBV son buenos candidatos para un polímero económicamente biodegradable: tienen propiedades similares a los polímeros no-degradables existentes y pueden ser tratados mediante los procesos habituales en el mundo de los plásticos.
Existen, además otras posibilidades con buenas perspectivas. La "National Starch and Chemical Company" de Australia esta comenzando a comercializar un producto llamado Eco-Foam. Este material se obtiene gracias al almidón, el cual se extrae de cereales como el maíz, trigo y arroz y de tubérculos como la patata y el tapioca. De hecho el Eco-Foam se compone en un 99% de almidón y después de su disolución el producto de desecho acaba siendo una simple solución de almidón de maíz, la cual es perfectamente inofensiva tanto para plantas como para animales. El almidón está conformado por grandes uniones de moléculas de glucosa, las cuales son el alimento de muchos microorganismos residentes en entornos acuosos. De este modo, las colonias microbianas consumen las moléculas de almidón y liberan dióxido de carbono y agua durante el proceso. Al cabo de pocos días, la solución de almidón resulta casi totalmente consumida. Este producto ofrece numerosas alternativas al poliestireno y al igual que muchos otros plásticos es fácilmente utilizable para el empaquetado de objetos. Así mismo,-y al igual que dichos plásticos- puede ser reutilizado para nuevos empaquetamientos.

Co-polimeros.

Cuando un polímero se forma por medio de uniones entre sí de un solo tipo de molécula pequeña o monómero, se le dice homopolímero. Cuando en cambio dos tipos diferentes de monómeros están unidos a la misma cadena polimérica, el polímero es denominado copolímero. Imaginemos dos monómeros que llamaremos A y B. A y B pueden constituir un copolímero de distintas maneras.
Cuando los dos monómeros están dispuestos según un ordenamiento alternado, el polímero es denominado obviamente, un copolímero alternante:

En un copolímero al azar, los dos monómeros pueden seguir cualquier orden:

En un copolímero en bloque, todos los monómeros de un mismo tipo se encuentran agrupados entre sí, al igual que el otro tipo de monómeros. Un copolímero en bloque puede ser imaginado como dos homopolímeros unidos por sus extremos.

Un copolímero en bloque que usted conoce muy bien, siempre y cuando use zapatos, es el caucho SBS
. Se emplea para las suelas de los zapatos y también para las cubiertas de automóviles.
Cuando las cadenas de un polímero formado a partir del monómero B se encuentran injertadas en una cadena polimérica del monómero A, tenemos un copolímero de injerto:

Un tipo de copolímero de injerto es el poliestireno de alto impact,
abreviado en inglés como HIPS. Consta de una cadena principal de poliestireno y cadenas de polibutadieno injertadas en dicha cadena principal. El poliestireno le confiere resistencia al material, en tanto que las cadenas del elastómero polibutadieno le otorgan la elasticidad suficiente como para lograr que sea menos quebradizo.

Reciclaje y contaminación por polimeros.

Impacto ambiental; Reciclado
Categorías de plásticos
Permanente: Para productos sin posible reutilización. Aplicación en la medicina y campos afines; para productos en contacto con zonas orgánicas, tales como: elementos de implantes de cadera,carcasa de marcapasos, venas artificiales, bolsas de almacenamiento de sangre. Las características de el material, así como su durabilidad son de importancia vital. Ejemplo: nylon 66.
Reutilizables: Productos que pueden ser utilizados continuamente sin variación,como por ejemplo cubos de plástico. Herramientas e instrumentos complejos que puedan ser reparados o modificados enteramente para reventa. Engloban a un gran número de objetos. Para este fin son preferibles tanto ecológica como estéticamente materiales como: Madera, hojalata, vidrio, cerámicos.
Reciclables: Termoplásticos y elastómeros funden a partir de una cierta temperatura del mismo modo que el vidrio y son fácilmente reciclables. Los polímeros termoestables por el contrario no se licúan y son muy difícilmente reciclables. Se están estudiando nuevos caminos con este fin.
Co-reciclables: Materiales compatibles que pueden ser reciclados conjuntamente .
Bio-desintegrables: Consiste en la disociación de los plásticos en elementos más reducidos y fácilmente atacables. Este proceso se realiza con grandes dificultades en el interior de los vertederos, debido a la falta de humedad. Se están llevando a cabo avances radicales en plásticos, hoy disponibles en el mercado, que se degradan al 100% antes de dos meses de ser desechados. La investigación está profundizando en éste aspecto.
Biodegradables: El PHA ( polihidroxialcanoato) ,un miembro de la familia de los poliésteres descubierto en 1925, es creado directamente a partir de microorganismos, y es -éste sí- totalmente biodegradable. Desde entonces han aparecido otros tipos de bacterias que también lo producen, así como el PHB (polihidroxibutiratos),uno de los primeros en ser comercializado. Los PHA pueden ser moldeados, fundidos y conformados como los plásticos derivados del petróleo, y tienen la misma flexibilidad. Son manufacturados con el nombre de Biopol en Europa por el ICI y PHBV en los E.E.U.U. Hoy por hoy son demasiado caros para el empleo en botellas de bebidas refrescantes o en bolsas de plástico,pero la producción masiva abaratar los precios. !Ver páginas siguientes.
Bioregenerativos: Los científicos de la Union Carbide han producido un tipo de policaprolactano que se biodegrada completamente al cabo de tres meses sin dejar ningún tipo de residuos.Así mismo, las investigaciones en el campo del papel, han desembocado en la creación de un producto laminado laminado mediante capas de celulosas derivadas del maíz que demuestran resistir al agua durante un periodo de 6 a 8 horas, y podrían servir como recipientes para comidas y bebidas rápidas. !Ver páginas siguientes
Biopotenciadores: Llevan aditivos que incentivan el crecimiento de plantas o bien previenen la erosión en climas áridos,o bien semillas embebidas en estimulantes de crecimiento.
El problema de los plásticos en general radica en que siendo hoy por hoy la mayoría de ellos derivados de fueles fósiles,contribuyen al efecto invernadero. Aunque muchos plásticos pueden ser reciclados de un modo u otro,ha de existir una cantidad máxima que los limite.Por otro lado, muchos de los plásticos desechados no desaparecen del entorno. Se estima que una botella de plástico perdurará durante más o menos 200 años,y que suponiendo aproximadamente el 25% de los residuos generados en los E.E.U.U., los vertederos no podrán acoger semejante cantidad por mucho tiempo. Es por ésto que se están inventando nuevas e imaginativas soluciones.
Una porción importante de los polímeros sintéticos que se producen,se emplean como protección de objetos valiosos o de precisión. Para ello, antes del advenimiento del mundo de los plásticos, se emplearon con éxito otros materiales que hoy se pueden volver a utilizar: musgo, arena, serrín, hierbas y hojas secas,bolsas finas de algodón rellenas de pelusa o plumas y muchas otras cosas. También se puede emplear -incluso para aislamiento- alimentos como las palomitas de maíz. Todos estos elementos tienen -además de un gasto mínimo (o ninguno) en su producción- la inigualable ventaja de ser perfectamente biodegradables.
En el caso del PVC y del PET, se esta llevando a cabo el reciclado de desechos para reconvertirlos en fibras textiles de aplicación en las prendas más comunes.En el caso de la ropa reciclada el proceso, aunque no es sencillo, no requiere de una tecnología excesivamente sofisticada, por lo cual, y debido a la nueva legislación comunitaria que se avecina, será una industria cada vez más importante,aunque todavía los precios de los productos así obtenidos son bastante elevados.
Otro aspecto representativo de la problemática habida en el entorno de los plásticos, son las ingentes cantidades de neumáticos almacenados por doquier. Solo en los E.E.U.U.,hay actualmente más de tres mil millones de neumáticos en los vertederos, desguaces ilegales y pilas,creciendo a un ritmo de mil millones cada cuatro años.Además de proveer de un lugar de incubación perfecto para insectos portadores de enfermedades, los neumáticos son grandes contaminadores de la atmósfera si son quemados.Tan sólo el 20% de los neumáticos es reciclado debido a la gran cantidad de elementos diferentes en cada tipo de ellos,además de la complicación que supone que sean vulcanizados (unión íntima de sulfuros y carbonos en el caucho), y del hecho de ser un material termoestable.Sin embargo se ha encontrado una solución temporal para este problema: se pueden convertir en un producto llamado "asfalto de caucho modificado", que por otro lado ha resultado durar más del doble que los asfaltos normales utilizados en las autopistas americanas.De hecho, las legislaciones de este país obligan ahora que al menos el 20% del asfalto empleado en los viales sea éste derivado de los neumáticos.

Utilidad y aporte a la Comunidad.

Reacciones de polimerización.

Tipos de Reacciones de Polimerización. Hay dos reacciones generales de polimerización: la de adición y la condensación. En las polimerizaciones de adición, todos los átomos de monómero se convierten en partes del polímero. En las reacciones de condensación algunos de los átomos del monómero no forman parte del polímero, sino que son liberados como H2O, CO2, ROH, etc.Algunos polímeros (ejemplo: polietilén glicol) pueden ser obtenidos por uno u otro tipo de reacción.

Características particulares de algunos polimeros.

Clasificación de los Polímeros según sus Propiedades Físicas. Desde un punto de vista general se puede hablar de tres tipos de polímeros: Elastómeros, Termoplásticos, Termoestables. Los elastómeros y termoplásticos están constituidos por moléculas que forman largas cadenas con poco entrecruzamiento entre sí. Cuando se calientan, se ablandan sin descomposición y pueden ser moldeados. Los termoestables se preparan generalmente a partir de sustancias semifluidas de peso molecular relativamente bajo, las cuales alcanzan, cuando se someten a procesos adecuados, un alto grado de entrecruzamiento molecular formando materiales duros, que funden con descomposición o no funden y son generalmente insolubles en los solventes más usuales.

Elastómeros termoestables
Al calentarlos no cambian de forma y siguen siendo sólidos hasta que, por encima de una cierta temperatura, se degradan. La mayoría de los elastómeros pertenecen a este grupo.


Elastómeros termoplásticos

Al elevar la temperatura se vuelven blandos y moldeables. Sus propiedades no cambian si se funden y se moldean varias veces. Este tipo de materiales es relativamente reciente, el primero fue sintetizado en 1959. Familias principales:

Estirénicos (SBCs)
Estireno-butadieno-estireno (SBS) de alto y bajo contenido en estireno
Estireno-etileno-butadieno (SEBS)
Estireno-isopreno (SIS)
Olefínicos (TPOs)
Vulcanizados termoplásticos (TPVs)
De poliuretano (TPUs)
Copoliésteres (COPEs)
Copoliamidas (COPAs)

Clasificación de polimeros.

Existen varias formas posibles de clasificar los polímeros, sin que sean excluyentes entre sí.

Según su origen
Polímeros naturales. Existen en la naturaleza muchos polímeros y las biomoléculas que forman los seres vivos son macromoléculas de polímeros. Por ejemplo, las proteínas, la celulosa, el hule o caucho natural, la quitina, lignina, etc.
Polímeros semisintéticos. Se obtienen por transformación de polímeros naturales. Por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc.
Polímeros sintéticos. Muchos polímeros se obtienen industrialmente a partir de los monómeros. Por ejemplo, el nylon, el poliestireno, el policloruro de vinilo (PVC), el polietileno, etc.

Según su mecanismo de polimerización
En 1929 Carothers propuso una distinción de los polímeros según su mecanismo de reacción:

Polímeros de condensación. La reacción de polimerización implica a cada paso la formación de una molécula de bajo peso molecular, por ejemplo agua.
Polímeros de adición. La polimerización no implica liberación de ningún compuesto de bajo peso molecular.
Unos años más tarde, Flory refinó la clasificación, dándo más énfasis a la cinética de reacción que al hecho de liberar o no moléculas pequeñas:

Polímeros formados por etapas. La cadena de polímero va creciendo gradualmente mientras haya monómeros disponibles, añadiendo un monómero cada vez. Esta categoría incluye todos los polímeros de condensación de Carothers y además algunos otros que no liberan moléculas pequeñas pero sí se forman gradualmente, como por ejemplo los poliuretanos.
Polímeros formados por reacción en cadena. Cada cadena individual de polímero se forma a gran velocidad y luego queda inactiva, a pesar de estar rodeada de monómero.

Según su composición química
Polímeros vinílicos. La cadena principal de sus moléculas está formada exclusivamente por átomos de carbono. Dentro de ellos se pueden distinguir:
Poliolefinas, formados mediante la polimerización de olefinas. Ejemplos: polietileno y polipropileno.
Polímeros estirénicos, que incluyen al estireno entre sus monómeros. Ejemplos: poliestireno y caucho estireno-butadieno.
Polímeros vinílicos halogenados, que incluyen átomos de halógenos (cloro, flúor...) en su composición. Ejemplos: PVC y PTFE.
Polímeros acrílicos. Ejemplos: PMMA.
Polímeros orgánicos no vinílicos. Además de carbono, tienen átomos de oxígeno y/o nitrógeno en su cadena principal. Algunas sub-categorías de importancia:

Poliésteres
Policarbonatos
Poliamidas
Poliuretanos
Polímeros inorgánicos. Entre otros:
Basados en azufre. Ejemplo: polisulfuros.
Basados en silicio. Ejemplo: silicona.

Según sus aplicaciones
Atendiendo a sus propiedades y usos finales, los polímeros pueden clasificarse en:

Elastómeros. Son materiales con muy bajo módulo de elasticidad y alta extensibilidad; es decir, se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensión y contracción los elastómeros absorben energía, una propiedad denominada resiliencia.
Plásticos. Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente intenso, se deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma original. Hay que resaltar que el término plástico se aplica a veces incorrectamente para referirse a la totalidad de los polímeros.
Fibras. Presentan alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad, lo que permite confeccionar tejidos cuyas dimensiones permanecen estables.
Recubrimientos. Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren a la superficie de otros materiales para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo resistencia a la abrasión.
Adhesivos. Son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta cohesión, lo que les permite unir dos o más cuerpos por contacto superficial.

Según su comportamiento a alta temperatura
Para clasificar polímeros, una de las formas empíricas más sencillas consiste en calentarlos por encima de cierta temperatura. Según si el material funde y fluye o por el contrario se descompone se diferencian dos tipos de polímeros:

Termoplásticos, que fluyen (pasan al estado liquido) al calentarlos y se vuelven a endurecer (vuelven al estado solido) al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ninguno) entrecruzamientos. Ejemplos: Polietileno (PE), Polipropileno (PP), PVC.
Termoestables, que se descomponen químicamente al calentarlos, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura con muchos entrecruzamientos, que impiden los desplazamientos relativos de las moléculas.
La clasificación termoplásticos / termoestables es independiente de la clasificación elastómeros / plásticos / fibras. Existen plásticos que presentan un comportamiento termoplástico y otros que se comportan como termoestables. Esto constituye de hecho la principal subdivisión del grupo de los plásticos y hace que a menudo cuando se habla de "los termoestables" en realidad se haga referencia sólo a "los plásticos termoestables". Pero ello no debe hacer olvidar que los elastómeros también se dividen en termoestables (la gran mayoría) y termoplásticos (una minoría pero con aplicaciones muy interesantes).

Historia de los pilimeros.

Los polímeros naturales, por ejemplo la lana, la seda, la celulosa, etc., se han empleado profusamente y han tenido mucha importancia a lo largo de la historia. Sin embargo, hasta finales del siglo XIX no aparecieron los primeros polímeros sintéticos, como por ejemplo el celuloide.
Los primeros polímeros que se sintetizaron se obtenían a través de transformaciones de polímeros naturales. En 1839 Charles Goodyear realiza el vulcanizado del caucho. El nitrato de celulosa se sintetizó accidentalmente en el año 1846 por el químico Christian Friedrich Schönbein y en 1868, John W. Hyatt sintetizó el celuloide a partir de nitrato de celulosa.
El primer polímero totalmente sintético se obtuvo en 1909, cuando el químico belga Leo Hendrik Baekeland fabrica la baquelita a partir de formaldehído y fenol. Otros polímeros importantes se sinterizaron en años siguientes, por ejemplo el poliestireno (PS) en 1911 o el poli(cloruro de vinilo) (PVC) en 1912.
En 1922, el químico alemán Hermann Staudinger comienza a estudiar los polímeros y en 1926 expone su hipótesis de que se trata de largas cadenas de unidades pequeñas unidas por enlaces covalentes. Propuso las fórmulas estructurales del Poliestireno y del Polioximetileno, tal como las conocemos actualmente, como cadenas moleculares gigantes, formadas por la asociación mediante enlace covalente de ciertos grupos atómicos llamados "Unidades Estructurales". Este concepto se convirtió en "Fundamento" de la Química Macromolecular sólo a partir de 1930, cuando fue ampliamente aceptado.En 1953 recibió el Premio Nobel de Química por su trabajo.
Wallace Carothers, trabajando en la empresa DuPont desde 1928, desarrolló un gran número de nuevos polímeros: poliésteres, poliamidas, neopreno, etc.
La Segunda Guerra Mundial contribuyó al avance en la investigación de polímeros. Por ejemplo, fue muy importante la obtención del caucho natural por caucho sintético.
En los años 1950 el alemán Karl Ziegler y el italiano Giulio Natta desarrollaron los catalizadores de Ziegler-Natta y obtuvieron el Premio Nobel de Química en 1963.
Otro Premio Nobel de Química fue concedido por sus estudios de polímeros a Paul J. Flory en 1974.
En la segunda mitad del siglo XX se desarrollaron nuevos métodos de obtención, polímeros y aplicaciones. Por ejemplo, catalizadores metalocénicos, fibras de alta resistencia, polímeros conductores (en 2000 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa recibieron el Premio Nobel de Química por el desarrollo de estos polímeros), estructuras complejas de polímeros, polímeros cristales líquidos, etc.