La química de polímeros es una subdisciplina de la química que se centra en las estructuras de los productos químicos, 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 través de una amplia gama de otras subdisciplinas de la química, como la química orgánica , la química analítica y la química física . Muchos materiales tienen estructuras poliméricas, desde metales y cerámicas completamente inorgánicos hasta ADN y otras moléculas biológicas . Sin embargo, la química de polímeros suele estar relacionada con composiciones sintéticas y orgánicas . Los polímeros sintéticos son omnipresentes en materiales y productos comerciales de uso diario, 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 , que pueden describirse como abarcadoras de la física de polímeros y la ingeniería de polímeros . [1] [2] [3] [4]
Los trabajos de Henri Braconnot en 1777 y 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 de Estados Unidos . El acetato de celulosa se preparó por primera vez en 1865. En los años 1834-1844 se descubrió que las propiedades del caucho ( poliisopreno ) mejoraban en gran medida al calentarlo con azufre , fundando así el proceso de vulcanización .
En 1884 Hilaire de Chardonnet inició la primera planta de fibra artificial basada en celulosa regenerada , o rayón de 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 termoendurecible de fenol - formaldehído llamada baquelita . Casi al mismo tiempo, Hermann Leuchs informó sobre la síntesis de aminoácidos N-carboxianhídridos y sus productos de alto peso molecular tras la reacción con nucleófilos, pero no llegó a referirse a ellos como polímeros, posiblemente debido a las fuertes opiniones defendidas por Emil Fischer , su supervisor directo, negando la posibilidad de cualquier molécula covalente que excediera los 6.000 daltons. [6] El celofán fue inventado en 1908 por Jocques Brandenberger, que trató láminas de rayón de viscosa con ácido . [7]
El químico Hermann Staudinger fue el primero en proponer que los polímeros estaban formados por largas cadenas de átomos unidos por enlaces covalentes , a los que llamó 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 pensaba que los polímeros eran grupos de pequeñas moléculas ( coloides ), sin pesos moleculares definidos , unidas 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 luego 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 bobinas aleatorias 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 un Premio Nobel por su descubrimiento de catalizadores para la polimerización de alquenos . Alan J. Heeger , Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa recibieron 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]
En la década de 1940 se introdujeron programas de enseñanza e investigación en química de polímeros. En 1940 se fundó un Instituto de Química Macromolecular en Friburgo, Alemania, bajo la dirección de Staudinger. En Estados Unidos, Herman Mark estableció un Instituto de Investigación de Polímeros (PRI) en 1941 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 polimerización de monómeros . Se sintetizan mediante el proceso de polimerización y pueden modificarse mediante la adición de monómeros. Los aditivos de los 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 se puede describir de muchas maneras: su grado de polimerización , distribución de masa molar , tacticidad , distribución de copolímeros , grado de ramificación , por sus grupos finales , reticulaciones , 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 , la viscosidad y la gelificación . Para ilustrar los aspectos cuantitativos de la química de polímeros, se presta especial atención a los pesos moleculares promedio en número y promedio en peso y , respectivamente.
La formación y las propiedades de los polímeros han sido racionalizadas por muchas teorías, incluidas la teoría de Scheutjens-Fleer , la teoría de la solución de Flory-Huggins , el mecanismo de Cossee-Arlman , la teoría del campo 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 los materiales de diversos materiales a base de polímeros, como el poliestireno (poliestireno expandido) y el policarbonato . Las mejoras más habituales incluyen el endurecimiento , la mejora de la resistencia al impacto , la mejora de la biodegradabilidad y la alteración de la solubilidad de un material . [10]
A medida que los polímeros se hacen más largos y su peso molecular aumenta, su viscosidad tiende a aumentar. 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 de qué manera se ramifica el polímero. [11]
Los polímeros se pueden clasificar de muchas maneras. Los polímeros, en sentido estricto, comprenden la mayor parte de la materia sólida: los minerales (es decir, la mayor parte de la corteza terrestre) son en gran parte polímeros, los metales son polímeros tridimensionales, los organismos, vivos y muertos, están compuestos en gran parte de polímeros y agua. A menudo, los polímeros se clasifican según su origen:
Los biopolímeros son los materiales estructurales y funcionales que componen la mayor parte de la materia orgánica de 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 llevan información genética.
Los polímeros sintéticos son los materiales estructurales que se manifiestan en plásticos , fibras sintéticas , pinturas , materiales de construcción , muebles , piezas mecánicas y adhesivos . Los polímeros sintéticos pueden dividirse en polímeros termoplásticos y plásticos termoendurecibles . Los polímeros termoplásticos incluyen polietileno , teflón , poliestireno , polipropileno , poliéster , poliuretano , poli(metacrilato de metilo) , cloruro de polivinilo , nailon y rayón . Los plásticos termoendurecibles incluyen caucho vulcanizado , baquelita , kevlar y poliepóxido . Casi todos los polímeros sintéticos se derivan de productos petroquímicos .
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