La ingeniería de polímeros es, en general, un campo de la ingeniería que diseña, analiza y modifica materiales poliméricos . La ingeniería de polímeros abarca aspectos de la industria petroquímica , la polimerización , la estructura y caracterización de los polímeros, las propiedades de los polímeros, la composición y el procesamiento de los polímeros y la descripción de los principales polímeros, las relaciones entre las propiedades estructurales y las aplicaciones.
La palabra “polímero” fue introducida por el químico sueco J. J. Berzelius, quien consideró, por ejemplo, que el benceno (C 6 H 6 ) era un polímero del etino (C 2 H 2 ). Posteriormente, esta definición sufrió una sutil modificación. [1]
La historia del uso humano de polímeros se remonta a mediados del siglo XIX, cuando se introdujo la modificación química de polímeros naturales. En 1839, Charles Goodyear descubrió un avance crítico en la investigación de la vulcanización del caucho , que convirtió al caucho natural en un material práctico de ingeniería. [2] En 1870, J. W. Hyatt utilizó alcanfor para plastificar la nitrocelulosa y fabricar plásticos de nitrocelulosa de uso industrial. En 1907, L. Baekeland informó sobre la síntesis de la primera resina fenólica termoendurecible, que se industrializó en la década de 1920, el primer producto plástico sintético. [3] En 1920, H. Standinger propuso que los polímeros son moléculas de cadena larga que están conectadas por unidades estructurales a través de enlaces covalentes comunes. [4] Esta conclusión sentó las bases para el establecimiento de la ciencia moderna de los polímeros. Posteriormente, Carothers dividió los polímeros sintéticos en dos grandes categorías, a saber, un policondensado obtenido por una reacción de policondensación y un polímero de adición obtenido por una reacción de poliadición. En la década de 1950, K. Ziegler y G. Natta descubrieron un catalizador de polimerización por coordinación y fueron pioneros en la era de la síntesis de polímeros estereorregulares. En las décadas posteriores al establecimiento del concepto de macromoléculas, la síntesis de polímeros de alto peso molecular alcanzó un rápido desarrollo y muchos polímeros importantes se industrializaron uno tras otro.
La división básica de los polímeros en termoplásticos , elastómeros y termoestables ayuda a definir sus áreas de aplicación.
El término termoplástico hace referencia a un plástico que tiene propiedades de ablandamiento por calor y endurecimiento por enfriamiento. La mayoría de los plásticos que utilizamos en nuestra vida diaria entran en esta categoría. Se vuelve suave e incluso fluye cuando se calienta, y el enfriamiento se vuelve duro. Este proceso es reversible y se puede repetir. Los termoplásticos tienen módulos de tracción relativamente bajos , pero también tienen densidades más bajas y propiedades como la transparencia que los hacen ideales para productos de consumo y productos médicos . Incluyen polietileno , polipropileno , nailon , resina de acetal , policarbonato y PET , todos ellos materiales ampliamente utilizados. [5]
Un elastómero generalmente se refiere a un material que puede restaurarse a su estado original después de la eliminación de una fuerza externa, mientras que un material que tiene elasticidad no es necesariamente un elastómero. El elastómero solo se deforma bajo una tensión débil, y la tensión se puede restaurar rápidamente a un material polimérico cercano al estado y tamaño originales. Los elastómeros son polímeros que tienen módulos muy bajos y muestran una extensión reversible cuando se deforman, una propiedad valiosa para la absorción y amortiguación de vibraciones. Pueden ser termoplásticos (en cuyo caso se conocen como elastómeros termoplásticos ) o reticulados, como en la mayoría de los productos de caucho convencionales, como los neumáticos . Los cauchos típicos utilizados convencionalmente incluyen caucho natural , caucho de nitrilo , policloropreno , polibutadieno , estireno-butadieno y cauchos fluorados.
Se utiliza una resina termoendurecible como componente principal y se forma un plástico que forma un producto mediante un proceso de curado por reticulación en combinación con varios aditivos necesarios. Es líquido en la etapa inicial del proceso de fabricación o moldeo, y es insoluble e infusible después del curado, y no se puede fundir ni ablandar nuevamente. Los plásticos termoendurecibles comunes son los plásticos fenólicos, los plásticos epóxicos, los aminoplastos, los poliésteres insaturados, los plásticos alquídicos y similares. Los plásticos termoendurecibles y los termoplásticos juntos constituyen los dos componentes principales de los plásticos sintéticos. Los plásticos termoendurecibles se dividen en dos tipos: tipo de reticulación con formaldehído y otro tipo de reticulación.
Los termoendurecibles incluyen resinas fenólicas , poliésteres y resinas epóxicas , todas ellas ampliamente utilizadas en materiales compuestos cuando se refuerzan con fibras rígidas como la fibra de vidrio y las aramidas . Dado que la reticulación estabiliza la matriz polimérica termoendurecible de estos materiales, tienen propiedades físicas más similares a los materiales de ingeniería tradicionales como el acero . Sin embargo, sus densidades mucho más bajas en comparación con los metales los hacen ideales para estructuras ligeras. Además, sufren menos fatiga , por lo que son ideales para piezas críticas para la seguridad que se someten a tensiones regularmente en el servicio.
El plástico es un compuesto polimérico que se polimeriza por polimerización por poliadición y policondensación . Es libre de cambiar la composición y la forma. Está formado por resinas sintéticas y cargas, plastificantes, estabilizadores, lubricantes, colorantes y otros aditivos. [6] El componente principal del plástico es la resina . Resina significa que al compuesto polimérico no se le han añadido varios aditivos. El término resina se denominó originalmente por la secreción de aceite de plantas y animales, como la colofonia y la goma laca . La resina representa aproximadamente el 40% - 100% del peso total del plástico. Las propiedades básicas de los plásticos están determinadas principalmente por la naturaleza de la resina, pero los aditivos también juegan un papel importante. Algunos plásticos están hechos básicamente de resinas sintéticas, con o sin aditivos como el plexiglás , el poliestireno , etc. [7]
La fibra se refiere a un filamento continuo o discontinuo de una sustancia. Las fibras animales y vegetales desempeñan un papel importante en el mantenimiento de los tejidos. Las fibras se utilizan ampliamente y se pueden tejer en hilos de buena calidad, extremos de hilos y cuerdas de cáñamo. También se pueden tejer en capas fibrosas al hacer papel o fieltro. También se utilizan comúnmente para hacer otros materiales junto con otros materiales para formar compuestos. Por lo tanto, ya sea material filamentoso de fibra natural o sintética. En la vida moderna, la aplicación de la fibra es omnipresente y existen muchos productos de alta tecnología. [8]
El caucho se refiere a materiales poliméricos altamente elásticos y formas reversibles. Es elástico a temperatura ambiente y se puede deformar con una pequeña fuerza externa. Después de eliminar la fuerza externa, puede volver al estado original. El caucho es un polímero completamente amorfo con una temperatura de transición vítrea baja y un gran peso molecular, a menudo superior a varios cientos de miles. Los compuestos poliméricos altamente elásticos se pueden clasificar en caucho natural y caucho sintético. El procesamiento del caucho natural extrae caucho de goma y caucho de hierba de las plantas; el caucho sintético se polimeriza con varios monómeros. El caucho se puede utilizar como materiales elásticos, aislantes, impermeables al agua y resistentes al aire.
Los polietilenos de uso común se pueden clasificar en polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno de alta densidad (HDPE) y polietileno lineal de baja densidad (LLDPE). Entre ellos, el HDPE tiene mejores propiedades térmicas, eléctricas y mecánicas, mientras que el LDPE y el LLDPE tienen mejor flexibilidad, propiedades de impacto y propiedades de formación de películas. El LDPE y el LLDPE se utilizan principalmente para bolsas de plástico, envoltorios de plástico, botellas, tuberías y contenedores; el HDPE se utiliza ampliamente en varios campos, como películas, tuberías y necesidades diarias, debido a su resistencia a muchos disolventes diferentes. [9]
El polipropileno se utiliza ampliamente en diversas aplicaciones debido a su buena resistencia química y soldabilidad. Tiene la densidad más baja entre los plásticos básicos. Se utiliza comúnmente en aplicaciones de embalaje, bienes de consumo, aplicaciones automáticas y aplicaciones médicas. Las láminas de polipropileno se utilizan ampliamente en el sector industrial para producir tanques de ácidos y productos químicos, láminas, tuberías, embalajes de transporte retornables (RTP), etc. debido a sus propiedades como alta resistencia a la tracción, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión. [10]
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Los usos típicos de los materiales compuestos son las estructuras monocasco para la industria aeroespacial y los automóviles , así como productos más mundanos como cañas de pescar y bicicletas . El bombardero furtivo fue el primer avión totalmente compuesto, pero muchos aviones de pasajeros como el Airbus y el Boeing 787 utilizan una proporción cada vez mayor de materiales compuestos en sus fuselajes, como la espuma de melamina hidrófoba . [11] Las propiedades físicas bastante diferentes de los materiales compuestos brindan a los diseñadores una libertad mucho mayor para dar forma a las piezas, por lo que los productos compuestos a menudo se ven diferentes de los productos convencionales. Por otro lado, algunos productos como los ejes de transmisión , las palas de rotor de helicópteros y las hélices parecen idénticos a los precursores de metal debido a las necesidades funcionales básicas de dichos componentes.
Los polímeros biodegradables son materiales ampliamente utilizados para muchas aplicaciones biomédicas y farmacéuticas. Estos polímeros se consideran muy prometedores para los dispositivos de administración controlada de fármacos . Los polímeros biodegradables también ofrecen un gran potencial para el tratamiento de heridas, dispositivos ortopédicos , aplicaciones dentales e ingeniería de tejidos . A diferencia de los polímeros no biodegradables, no requerirán un segundo paso de eliminación del cuerpo. Los polímeros biodegradables se descompondrán y serán absorbidos por el cuerpo una vez que hayan cumplido su propósito. Desde 1960, los polímeros preparados a partir de ácido glicólico y ácido láctico han encontrado una multitud de usos en la industria médica. Los polilactados (PLA) son populares para el sistema de administración de fármacos debido a su tasa de degradación rápida y ajustable. [12]
Las técnicas de membrana se han utilizado con éxito en la separación de sistemas de líquidos y gases durante años, y las membranas poliméricas son las más utilizadas porque tienen un menor coste de producción y son fáciles de modificar en su superficie, lo que las hace adecuadas para diferentes procesos de separación. Los polímeros ayudan en muchos campos, incluida la aplicación para la separación de compuestos activos biológicos, membranas de intercambio de protones para celdas de combustible y contratistas de membrana para el proceso de captura de dióxido de carbono.