Química de polímeros

La química de polímeros es una subdisciplina de la química que se centra en las estructuras, la síntesis química y las propiedades químicas y físicas de los polímeros y las macromoléculas . Los principios y métodos utilizados en la química de polímeros también son aplicables a una amplia gama de otras subdisciplinas de la química, como la química orgánica , la química analítica y la fisicoquímica . Muchos materiales tienen estructuras poliméricas, desde metales y cerámicas totalmente inorgánicos hasta el ADN y otras moléculas biológicas . Sin embargo, la química de polímeros se relaciona típicamente con composiciones sintéticas y orgánicas . Los polímeros sintéticos son omnipresentes en materiales y productos comerciales de uso cotidiano, como plásticos y cauchos , y son componentes principales de los materiales compuestos . La química de polímeros también puede incluirse en los campos más amplios de la ciencia de polímeros o incluso la nanotecnología , ambos abarcando la física de polímeros y la ingeniería de polímeros . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

El trabajo de Henri Braconnot en 1777 y el de Christian Schönbein en 1846 condujeron al descubrimiento de la nitrocelulosa , que, al ser tratada con alcanfor , producía celuloide . Disuelto en éter o acetona , se convierte en colodión , que se ha utilizado como apósito para heridas desde la Guerra Civil estadounidense . El acetato de celulosa se preparó por primera vez en 1865. Entre 1834 y 1844, se descubrió que las propiedades del caucho ( poliisopreno ) mejoraban notablemente al calentarlo con azufre , sentando así las bases del proceso de vulcanización .

En 1884, Hilaire de Chardonnet inició la primera planta de fibra artificial basada en celulosa regenerada , o rayón viscosa , como sustituto de la seda , pero era muy inflamable. ^{[ 5 ]} En 1907, Leo Baekeland inventó el primer polímero fabricado independientemente de los productos de los organismos , una resina termoestable de fenol - formaldehído llamada baquelita . Casi al mismo tiempo, Hermann Leuchs informó sobre la síntesis de N-carboxianhídridos de aminoácidos y sus productos de alto peso molecular por reacción con nucleófilos, pero no llegó a referirse a ellos como polímeros, posiblemente debido a las fuertes opiniones expresadas por Emil Fischer , su supervisor directo, que negaba la posibilidad de cualquier molécula covalente que superara los 6000 daltons. ^{[ 6 ]} El celofán fue inventado en 1908 por Jocques Brandenberger, quien trató láminas de rayón viscosa con ácido . ^{[ 7 ]}

• Figuras destacadas en la química de polímeros.
• 
  Hermann Staudinger , padre de la química de polímeros
• 
  Wallace Carothers , inventor del nailon.
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  Stephanie Kwolek , inventora del Kevlar .

El químico Hermann Staudinger propuso por primera vez que los polímeros consistían en largas cadenas de átomos unidos por enlaces covalentes , a las que denominó macromoléculas . Su trabajo amplió la comprensión química de los polímeros y fue seguido por una expansión del campo de la química de polímeros, durante la cual se inventaron materiales poliméricos como el neopreno, el nailon y el poliéster. Antes de Staudinger, se creía que los polímeros eran cúmulos de pequeñas moléculas ( coloides ), sin pesos moleculares definidos , unidos por una fuerza desconocida . Staudinger recibió el Premio Nobel de Química en 1953. Wallace Carothers inventó el primer caucho sintético, llamado neopreno , en 1931, el primer poliéster , y posteriormente inventó el nailon , un verdadero sustituto de la seda, en 1935. Paul Flory recibió el Premio Nobel de Química en 1974 por su trabajo sobre configuraciones de ovillos aleatorios de polímeros en solución en la década de 1950. Stephanie Kwolek desarrolló una aramida , o nailon aromático llamado Kevlar , patentada en 1966. Karl Ziegler y Giulio Natta recibieron el Premio Nobel por su descubrimiento de catalizadores para la polimerización de alquenos . Alan J. Heeger , Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa fueron galardonados con el Premio Nobel de Química de 2000 por el desarrollo del poliacetileno y polímeros conductores relacionados. ^{[ 8 ]} El poliacetileno en sí no encontró aplicaciones prácticas, pero los diodos orgánicos emisores de luz (OLED) surgieron como una aplicación de los polímeros conductores. ^{[ 9 ]}

Los programas de enseñanza e investigación en química de polímeros se introdujeron en la década de 1940. En 1940 se fundó en Friburgo, Alemania, un Instituto de Química Macromolecular bajo la dirección de Staudinger. En Estados Unidos, Herman Mark estableció en 1941 un Instituto de Investigación de Polímeros (PRI, por sus siglas en inglés) en el Instituto Politécnico de Brooklyn (actualmente Instituto Politécnico de la Universidad de Nueva York ).

Los polímeros son compuestos de alta masa molecular formados por la polimerización de monómeros . Se sintetizan mediante el proceso de polimerización y pueden modificarse mediante la adición de monómeros. Los aditivos de monómeros cambian las propiedades mecánicas, la procesabilidad, la durabilidad, etc., de los polímeros. La molécula reactiva simple de la que se derivan las unidades estructurales repetitivas de un polímero se llama monómero. Un polímero puede describirse de muchas maneras: por su grado de polimerización , distribución de masa molar , tacticidad , distribución de copolímeros , grado de ramificación , por sus grupos terminales , enlaces cruzados , cristalinidad y propiedades térmicas como su temperatura de transición vítrea y temperatura de fusión. Los polímeros en solución tienen características especiales con respecto a la solubilidad , viscosidad y gelificación . Para ilustrar los aspectos cuantitativos de la química de polímeros, se presta especial atención a los pesos moleculares promedio en número y en peso.${\displaystyle M_{n}}$y${\displaystyle M_{w}}$, respectivamente.

${\displaystyle M_{n}={\frac {\sum M_{i}N_{i}}{\sum N_{i}}},\quad M_{w}={\frac {\sum M_{i}^{2}N_{i}}{\sum M_{i}N_{i}}},\quad }$

La formación y las propiedades de los polímeros se han explicado mediante numerosas teorías, entre las que se incluyen la teoría de Scheutjens-Fleer , la teoría de soluciones de Flory-Huggins , el mecanismo de Cossee-Arlman , la teoría de campos de polímeros , la teoría de nucleación de Hoffman , la teoría de Flory-Stockmayer y muchas otras.

El estudio de la termodinámica de polímeros ayuda a mejorar las propiedades de diversos materiales a base de polímeros, como el poliestireno (espuma de poliestireno) y el policarbonato . Las mejoras comunes incluyen el aumento de la tenacidad , la mejora de la resistencia al impacto , la mejora de la biodegradabilidad y la modificación de la solubilidad del material . ^{[ 10 ]}

Viscosidad

A medida que los polímeros se alargan y su peso molecular aumenta, su viscosidad tiende a incrementarse. Por lo tanto, la viscosidad medida de los polímeros puede proporcionar información valiosa sobre la longitud promedio del polímero, el progreso de las reacciones y las formas en que se ramifica el polímero. ^{[ 11 ]}

Los polímeros se pueden clasificar de muchas maneras. Estrictamente hablando, los polímeros constituyen la mayor parte de la materia sólida: los minerales (es decir, la mayor parte de la corteza terrestre) son en gran medida polímeros, los metales son polímeros tridimensionales y los organismos, vivos y muertos, están compuestos principalmente de polímeros y agua. A menudo, los polímeros se clasifican según su origen:

• biopolímeros
• polímeros sintéticos
• polímeros inorgánicos

Los biopolímeros son los materiales estructurales y funcionales que componen la mayor parte de la materia orgánica en los organismos. Una clase importante de biopolímeros son las proteínas , que se derivan de los aminoácidos . Los polisacáridos , como la celulosa , la quitina y el almidón , son biopolímeros derivados de los azúcares. Los ácidos polinucleicos ADN y ARN se derivan de azúcares fosforilados con nucleótidos colgantes que portan la información genética.

Los polímeros sintéticos son los materiales estructurales presentes en plásticos , fibras sintéticas , pinturas , materiales de construcción , muebles , piezas mecánicas y adhesivos . Se pueden dividir en polímeros termoplásticos y plásticos termoestables . Los polímeros termoplásticos incluyen polietileno , teflón , poliestireno , polipropileno , poliéster , poliuretano , poli(metacrilato de metilo) , cloruro de polivinilo , nylons y rayón . Los plásticos termoestables incluyen caucho vulcanizado , baquelita , Kevlar y poliepóxido . Casi todos los polímeros sintéticos se derivan de productos petroquímicos .

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