La arquitectura de polímeros en la ciencia de polímeros se relaciona con la forma en que la ramificación conduce a una desviación de una cadena de polímero estrictamente lineal. [1] La ramificación puede ocurrir aleatoriamente o las reacciones pueden diseñarse de modo que se busquen arquitecturas específicas. [1] Es una característica microestructural importante. La arquitectura de un polímero afecta muchas de sus propiedades físicas, incluidas la viscosidad de la solución, la viscosidad de la masa fundida, la solubilidad en varios solventes, la temperatura de transición vítrea y el tamaño de las bobinas individuales del polímero en solución.
Las ramificaciones se pueden formar cuando el extremo en crecimiento de una molécula de polímero alcanza (a) volver a girar sobre sí mismo o (b) unirse a otra cadena de polímero, y ambas, a través de la abstracción de un hidrógeno, pueden crear un sitio de crecimiento en mitad de la cadena.
La ramificación se puede cuantificar mediante el índice de ramificación .
Un efecto relacionado con la ramificación es la reticulación química , la formación de enlaces covalentes entre cadenas. La reticulación tiende a aumentar la T g y a aumentar la resistencia y la tenacidad. Entre otras aplicaciones, este proceso se utiliza para reforzar 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 del neumático y para aumentar su durabilidad. El caucho de las gomas de borrar, por otro lado, no está reticulado para permitir la descamación del caucho y evitar daños al papel. La polimerización del azufre puro a temperaturas más altas 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 reticulación se denomina red polimérica. [3] Una relación de reticulación a cadena suficientemente alta puede conducir a la formación de una denominada red infinita o gel, en el que cada cadena está conectada al menos a otra. [4]
Con el desarrollo continuo de la polimerización viva , la síntesis de polímeros con arquitecturas específicas se hace cada vez más fácil. Son posibles arquitecturas como polímeros en estrella , polímeros en peine, polímeros en cepillo , polímeros dendronizados , dendrímeros y polímeros en anillo . Los polímeros de arquitectura compleja se pueden sintetizar ya sea con el uso de compuestos de partida especialmente diseñados o sintetizando primero cadenas lineales que experimentan reacciones adicionales para conectarse entre sí. Los polímeros anudados consisten en múltiples unidades de ciclización intramolecular dentro de una sola cadena de polímero. Los polímeros lineales también pueden plegarse en circuitos topológicos , clasificados formalmente por su topología de contacto. [5]
En general, cuanto mayor es el grado de ramificación, más compacta es la cadena de polímero. La ramificación también afecta el enredo de la cadena, la capacidad de las cadenas de deslizarse unas sobre otras, lo que a su vez afecta las propiedades físicas generales. Las ramificaciones de cadena larga pueden aumentar la resistencia del polímero, la tenacidad y la temperatura de transición vítrea (T g ) debido a un aumento en el número de enredos por cadena. Por otro lado, una longitud de cadena aleatoria y corta entre las ramificaciones puede reducir la resistencia del polímero debido a la interrupción de la capacidad de las cadenas de interactuar entre sí o cristalizar.
Un ejemplo del efecto de la ramificación sobre las propiedades físicas se puede encontrar en el polietileno. El polietileno de alta densidad (HDPE) tiene un grado muy bajo de ramificación, 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 de plástico.
Los dendrímeros son un caso especial de polímero ramificado en el que cada unidad monomérica es también un punto de ramificación. Esto tiende a reducir el entrelazamiento de cadenas intermoleculares y la cristalización. Una arquitectura relacionada, el polímero dendrítico, no está perfectamente ramificado pero comparte propiedades similares a los dendrímeros debido a su alto grado de ramificación.
El grado de ramificación que ocurre durante la polimerización puede verse influenciado por la funcionalidad de los monómeros que se utilizan. [6] 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.