La ingeniería de polímeros es generalmente un campo de la ingeniería que diseña, analiza y modifica materiales poliméricos . La ingeniería de polímeros cubre aspectos de la industria petroquímica , polimerización , estructura y caracterización de polímeros, propiedades de los polímeros, composición y procesamiento de polímeros y descripción de los principales polímeros, relaciones de propiedades estructurales y aplicaciones.
La palabra “polímero” fue acuñada por el químico sueco JJ Berzelius. Consideró, por ejemplo, que el benceno (C 6 H 6 ) era un polímero de etino (C 2 H 2 ). Posteriormente, esta definición sufrió una sutil modificación. [1]
La historia del uso humano de los polímeros se remonta a mediados del siglo XIX, cuando entró en vigor la modificación química de los polímeros naturales. En 1839, Charles Goodyear encontró un avance crítico en la investigación de la vulcanización del caucho , que convirtió el caucho natural en un material práctico de ingeniería. [2] En 1870, JW Hyatt utiliza alcanfor para plastificar la nitrocelulosa para fabricar plásticos de nitrocelulosa industriales. 1907 L. Baekeland informó sobre la síntesis de la primera resina fenólica termoestable, 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: un policondensado obtenido mediante una reacción de policondensación y un polímero de adición obtenido mediante 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 altos polímeros ha logrado un rápido desarrollo y muchos polímeros importantes se han industrializado uno tras otro.
La división básica de los polímeros en termoplásticos , elastómeros y termoestables ayuda a definir sus áreas de aplicación.
Termoplástico se refiere a un plástico que tiene propiedades de endurecimiento por enfriamiento y ablandamiento por calor. La mayoría de los plásticos que utilizamos en nuestra vida diaria entran en esta categoría. Se vuelve suave y fluye uniformemente cuando se calienta, y el enfriamiento se vuelve duro. Este proceso es reversible y puede repetirse. Los termoplásticos tienen módulos de tracción relativamente bajos , pero también tienen densidades y propiedades más bajas, como la transparencia , que los hacen ideales para productos de consumo y médicos . Incluyen polietileno , polipropileno , nailon , resina acetálica , policarbonato y PET , todos ellos materiales muy 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 sólo 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 les conoce como elastómeros termoplásticos ) o reticulados, como en la mayoría de los productos de caucho convencionales, como los neumáticos . Los cauchos típicos usados convencionalmente incluyen caucho natural , caucho de nitrilo , policloropreno , polibutadieno , estireno-butadieno y cauchos fluorados.
Se utiliza una resina termoendurecible como componente principal, y un plástico que forma un producto se forma mediante un proceso de curado de reticulación en combinación con varios aditivos necesarios. Es líquido en la etapa inicial del proceso de fabricación o moldeado, es insoluble e infusible después del curado y no se puede volver a fundir ni ablandar. Los plásticos termoestables comunes son plásticos fenólicos, plásticos epoxi, aminoplastos, poliésteres insaturados, plásticos alquídicos y similares. Los plásticos termoestables y los termoplásticos juntos constituyen los dos componentes principales de los plásticos sintéticos. Los plásticos termoendurecibles se dividen en dos tipos: el tipo reticulado con formaldehído y otro tipo reticulado.
Los termoestables incluyen resinas fenólicas , poliésteres y resinas epoxi , todas las cuales se utilizan ampliamente en materiales compuestos cuando se refuerzan con fibras rígidas como fibra de vidrio y aramidas . Dado que la reticulación estabiliza la matriz polimérica termoestable de estos materiales, tienen propiedades físicas más similares a las de 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 estresan regularmente durante el servicio.
El plástico es un compuesto polimérico que se polimeriza mediante polimerización por poliadición y policondensación . Es libre de cambiar la composición y la forma. Está compuesto por resinas sintéticas y cargas, plastificantes, estabilizantes, 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 diversos aditivos. El término resina originalmente recibió su nombre de la secreción de aceite de plantas y animales, como la colofonia y la goma laca . La resina representa aproximadamente entre el 40% y el 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 desempeñan un papel importante. Algunos plásticos están hechos básicamente de resinas sintéticas, con o sin aditivos como plexiglás , poliestireno , etc. [7]
La fibra se refiere a un filamento continuo o discontinuo de una sustancia. Las fibras animales y vegetales juegan un papel importante en el mantenimiento de los tejidos. Las fibras se utilizan ampliamente y se pueden tejer para formar buenos hilos, extremos de hilos y cuerdas de cáñamo. También se pueden tejer en capas fibrosas al fabricar papel o fieltro. También se utilizan habitualmente para fabricar otros materiales junto con otros materiales para formar compuestos. Por 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 puede deformarse 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 baja temperatura de transición vítrea 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 pasto de las plantas; El caucho sintético está polimerizado por varios monómeros. El caucho se puede utilizar como material elástico, aislante, impermeable al agua y resistente 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 mejores propiedades de flexibilidad, impacto y formación de película. El LDPE y el LLDPE se utilizan principalmente para bolsas de plástico, envoltorios de plástico, botellas, tuberías y contenedores; El HDPE se usa ampliamente en diversos campos, como películas, tuberías y artículos de primera necesidad, debido a su resistencia a muchos solventes 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, láminas, tuberías, envases de transporte retornables (RTP), etc. para ácidos y químicos, 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 compuestos son estructuras monocasco para la industria aeroespacial y de 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 compuestos en sus fuselajes, como la espuma de melamina hidrofóbica . [11] Las propiedades físicas bastante diferentes de los compuestos dan a los diseñadores mucha mayor libertad a la hora de dar forma a las piezas, razón por la cual los productos compuestos a menudo tienen un aspecto diferente de los productos convencionales. Por otro lado, algunos productos, como ejes de transmisión , palas de rotor de helicópteros y hélices , parecen idénticos a los precursores metálicos 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 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 requieren un segundo paso de eliminación del cuerpo. Los polímeros biodegradables se descompondrán y el cuerpo los absorberá una vez que hayan cumplido su función. Desde 1960, los polímeros preparados a partir de ácido glicólico y ácido láctico han encontrado multitud de usos en la industria médica. Los polilactatos (PLA) son populares para los sistemas de administración de fármacos debido a su velocidad de degradación rápida y ajustable. [12]
Las técnicas de membranas se utilizan con éxito en la separación de sistemas de líquidos y gases durante años, y las membranas poliméricas se utilizan con mayor frecuencia porque tienen un menor costo de producción y son fáciles de modificar su superficie, lo que las hace adecuadas en diferentes procesos de separación. Los polímeros ayudan en muchos campos, incluida la aplicación para la separación de compuestos biológicos activos, membranas de intercambio de protones para pilas de combustible y contratistas de membranas para procesos de captura de dióxido de carbono.