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La arquitectura de polímeros en la ciencia de los polímeros se refiere a la forma en que la ramificación conduce a una desviación de una cadena polimérica estrictamente lineal. [ 1 ] La ramificación puede ocurrir aleatoriamente o las reacciones pueden diseñarse para obtener arquitecturas específicas. [ 1 ] Es una característica microestructural importante. La arquitectura de un polímero afecta muchas de sus propiedades físicas, incluyendo la viscosidad de la solución, la viscosidad de la masa fundida, la solubilidad en diversos disolventes, la temperatura de transición vítrea y el tamaño de las cadenas poliméricas individuales en solución.
Diferentes arquitecturas de polímeros
Ramificación aleatoria
Las ramificaciones pueden formarse cuando el extremo en crecimiento de una molécula de polímero alcanza (a) sobre sí mismo o (b) sobre otra cadena de polímero, ambas, mediante la abstracción de un hidrógeno, pueden crear un sitio de crecimiento en medio de la cadena.
La ramificación se puede cuantificar mediante el índice de ramificación .
polímero reticulado
Un efecto relacionado con la ramificación es la reticulación química : la formación de enlaces covalentes entre cadenas. La reticulación tiende a aumentar la Tg y a incrementar la resistencia y la tenacidad. Entre otras aplicaciones, este proceso se utiliza para fortalecer los cauchos en un proceso conocido como vulcanización, que se basa en la reticulación por azufre. Los neumáticos de los automóviles, por ejemplo, están altamente reticulados para reducir la fuga de aire y aumentar su resistencia y durabilidad. El caucho de las gomas de borrar, por otro lado, no está reticulado para permitir el desprendimiento de escamas y evitar daños al papel. La polimerización del azufre puro a temperaturas elevadas también explica por qué el azufre se vuelve más viscoso con temperaturas elevadas en su estado fundido. [ 2 ]
Una molécula de polímero con un alto grado de entrecruzamiento se denomina red polimérica. [ 3 ] Una relación suficientemente alta entre enlaces cruzados y cadenas puede dar lugar a la formación de una denominada red infinita o gel, en la que cada cadena está conectada al menos a otra. [ 4 ]
Arquitecturas complejas
Con el continuo desarrollo de la polimerización viva , la síntesis de polímeros con arquitecturas específicas se vuelve cada vez más sencilla. Son posibles arquitecturas como polímeros en estrella , polímeros en peine, polímeros en cepillo , polímeros dendronizados , dendrímeros , polímeros en anillo y polímeros estrella sobre estrella. [ 5 ] Los polímeros de arquitectura compleja pueden sintetizarse utilizando compuestos de partida especialmente diseñados o sintetizando primero cadenas lineales que experimentan reacciones posteriores para unirse entre sí. Los polímeros anudados consisten en múltiples unidades de ciclación intramolecular dentro de una sola cadena polimérica. Los polímeros lineales también pueden plegarse en circuitos topológicos , clasificados formalmente por su topología de contacto. [ 6 ]
Efecto de la arquitectura en las propiedades físicas
En general, cuanto mayor es el grado de ramificación, más compacta es la cadena polimérica. La ramificación también afecta al entrelazamiento de las cadenas, es decir, a su capacidad para deslizarse unas sobre otras, lo que a su vez influye en las propiedades físicas del material. Las ramificaciones largas pueden aumentar la resistencia, la tenacidad y la temperatura de transición vítrea (Tg ) del polímero debido a un incremento en el número de entrelazamientos por cadena. Por otro lado, una longitud de cadena corta y aleatoria entre las ramificaciones puede reducir la resistencia del polímero debido a la alteración de la capacidad de las cadenas para interactuar entre sí o cristalizar.
Un ejemplo del efecto de la ramificación en las propiedades físicas se encuentra en el polietileno. El polietileno de alta densidad (HDPE) tiene un grado de ramificación muy bajo, es relativamente rígido y se utiliza en aplicaciones como chalecos antibalas. El polietileno de baja densidad (LDPE), por otro lado, tiene un número significativo de ramificaciones, tanto largas como cortas, es relativamente flexible y se utiliza en aplicaciones como películas plásticas.
Los dendrímeros son un caso especial de polímero ramificado, donde cada unidad monomérica es también un punto de ramificación. Esto tiende a reducir el entrelazamiento de las cadenas intermoleculares y la cristalización. Una arquitectura relacionada, el polímero dendrítico, no está perfectamente ramificado, pero comparte propiedades similares a las de los dendrímeros debido a su alto grado de ramificación.
El grado de ramificación que se produce durante la polimerización puede verse influenciado por la funcionalidad de los monómeros utilizados. [ 7 ] Por ejemplo, en una polimerización por radicales libres de estireno , la adición de divinilbenceno , que tiene una funcionalidad de 2, dará como resultado la formación de un polímero ramificado.
Véase también
- Topología de circuitos (arquitectura de plegado de polímeros lineales)
Referencias
- 1 2 Rubinstein, Michael; Colby, Ralph H. (2003). Física de polímeros . Oxford; Nueva York: Oxford University Press. pág. 6. ISBN 0-19-852059-X.
- ↑ C. Michael Hogan. 2011. Azufre . Enciclopedia de la Tierra, eds. A. Jorgensen y C. J. Cleveland, Consejo Nacional para la Ciencia y el Medio Ambiente, Washington D. C.
- ↑ IUPAC; Kratochvíl, P.; Stepto, RFT; Suter, UW (1996). "Glosario de términos básicos en ciencia de polímeros" . Pure Appl. Chem . 68 (12): 2287– 2311. doi : 10.1351/pac199668122287 .
- ↑ Pintor, págs. 96-100
- ↑ Gupta, Sachin; Janata, Miroslav; Čadová, Eva; Raus, Vladimír (14 de agosto de 2024). "Síntesis directa de arquitecturas poliméricas complejas con densidad de cadena ultra alta" . Chemical Science . 15 (32): 12739– 12753. doi : 10.1039/D4SC01739K . PMC 11323333 .
- ↑ A. Golovnev et al., Topología de circuitos generalizada de cadenas lineales plegadas. iScience 23(9), 101492 (2020)
- ↑ Campbell, Neil A.; Brad Williamson; Robin J. Heyden (2006). Biología: Explorando la vida . Boston, Massachusetts: Pearson Prentice Hall. ISBN 0-13-250882-6.
- Polímeros