OBRES

OBRES

Divulgació científica
Estadístiques

Gran enciclopèdia catalana

polímer

substantiu masculím
Química
A dalt, gràfic del comportament genèric dels polímers termoplàstics, cristal·lins i vitris, segons la temperatura; a baix, representació de l’estructura de diferents tipus de polímers
© fototeca.cat
química quím
Cadascuna de les molècules d’elevat pes molecular constituïdes per unitats estructurals idèntiques repetides i unides entre elles mitjançant enllaços covalents.

Cal distingir els polímers de les macromolècules, malgrat que en la pràctica ambdós termes són emprats sovint com a sinònims. Alguns dels criteris emprats arbitràriament per a definir una molècula com a polímer són un pes molecular superior a mil o la presència de més de cent unitats estructurals en la cadena. La molècula que constitueix la unitat estructural bàsica del polímer és coneguda com a monòmer i el seu procés de transformació en polímer rep el nom de polimerització.

El concepte actual de polímer fou introduït entre el 1920 i el 1930 per Staudinger, superant la idea primitiva que, per analogia amb la química inorgànica, negava la possibilitat d’existència de composts orgànics d’elevat pes molecular i considerava els polímers com a agregats colloïdals (col·loide, cristal·loide) de molècules petites unides entre elles per forces de valència secundària.

Els polímers poden ésser classificats en orgànics o inorgànics, segons que continguin o no carboni a la cadena principal. Els polímers orgànics poden ésser naturals o sintètics. Entre els primers són importants els polisacàrids, els polipèptids el poliisoprè, principal constituent del cautxú natural i de la gutaperxa. Pel que fa als sintètics, en són coneguts una gran varietat que, d’acord amb llur aplicació, solen ésser classificats en adhesius, fibres, pintures, plàstics elastòmers. Atenent el tipus de reacció que intervé en llur obtenció, solen ésser subdividits en polímers d’addició i polímers de condensació. Des d’un punt de vista estructural, i d’acord amb la forma de la cadena principal, poden ésser lineals, ramificats o entrecreuats, fent referència aquest darrer terme als casos en què diferents cadenes s’uneixen entre elles constituint una xarxa. Des d’un punt de vista estereoquímic, la presència en l’esquelet de la molècula polimèrica d’àtoms de carboni asimètrics fa possibles diverses ordenacions configuracionals (tacticitat), i hom anomena tàctics els polímers que tenen una ordenació regular i atàctics els que la tenen aleatòria. Els polímers tàctics poden alhora ésser classificats en isotàctics, quan tots els àtoms de carboni tenen la mateixa configuració, d o l, i sindiotàctics, quan existeix una alternança regular en la cadena. Des d’un punt de vista constitutiu, els polímers en què existeix un tipus únic de monòmer són coneguts com a homopolímers els que en contenen dos o més tipus, com a copolímers.

Atesa la diversitat de tipus de polímers orgànics coneguts, tant pel que fa a la constitució com a les característiques estructurals, existeixen poques propietats d’abast general que els defineixen i caracteritzin. Presenten generalment elevada viscositat i resistència a la tensió, tant en dissolució com fosos, i en molts casos són elàstics i capaços de formar pel·lícules i fibres. Algunes d’aquestes característiques, com la viscositat i la resistència a la tensió, són conseqüència directa de llurs pesos moleculars elevats. Altres propietats, com l'elasticitat, únicament es presenten, en una estructura adequada, quan el pes molecular és prou elevat. Consegüentment, l’estudi del pes molecular dels polímers té una gran importància, i pot ésser efectuat per diversos mètodes, entre els quals cal esmentar la determinació de la pressió osmòtica de dissolucions, així com les dades de dispersió de la llum mesures de viscositat, pel que fa als polímers sintètics, i l’ús de la ultracentrífuga, per a polímers naturals. Aquesta diferenciació de mètodes és deguda al fet que, en general, els naturals són monodispersos (totes llurs molècules tenen les mateixes dimensions), mentre que els sintètics són polidispersos (constituïts per barreges de molècules de distinta llargària).

A més del pes molecular, la natura dels grups funcionals i llur distribució al llarg de la cadena polimèrica influeixen en les propietats dels materials polimèrics, principalment en les mecàniques (reologia). D’aquesta manera, l’absència de grups polars en la cadena i la presència de cadenes laterals afavoreixen un comportament elàstic o vitri, ja que són intercanviables entre ells en travessar la temperatura de transició vítria inherent a cada estructura, mentre que l’absència simultània de grups funcionals i cadenes laterals (polietilè) origina cadenes regulars que poden adquirir estructura cristal·lina. També, la introducció de grups polars en les cadenes laterals (poliacrilonitril) o en la mateixa cadena polimèrica (polièster, poliamida) afavoreix la capacitat de formació de fibres.

Des d’un punt de vista més general, la natura lineal o ramificada de les cadenes polimèriques té també influència sobre el comportament tèrmic dels polímers, i permet de classificar-les en polímers termoplàstics, que presenten estructures lineals o poc ramificades, poden ésser fosos i processats en estat de fusió per emmotllament o extrusió sense que es produeixi cap canvi en llurs propietats i solen ésser elàstics, solubles en dissolvents orgànics i capaços de formar pel·lícules i fibres, i polímers termoestables, generalment d’estructura entrecreuada, en els quals la fusió és irreversible i va acompanyada de processos químics, i són rígids, insolubles, infusibles i, de vegades, fràgils. Pel que fa als polímers inorgànics, tot i que un gran nombre de substàncies naturals (quars, silicats, polifosfats, metaborats) presenten estructura polimèrica, llurs propietats són radicalment diferents a les dels polímers orgànics, principalment a causa de l’excessiu entrecreuament de llurs estructures, que origina materials molt resistents però fràgils i que recorden, en tot cas, els polímers orgànics termoestables. No obstant això, alguns silicats (amiant) formen fibres flexibles i de bona qualitat tèxtil.

D’altra banda, el desenvolupament de polímers inorgànics sintètics troba alguns problemes, com la tendència dels elements distints del carboni a la formació d’anells de 6 a 8 membres respecte a la formació de cadenes, i el caràcter iònic parcial dels enllaços heteroatòmics, la qual cosa contribueix al fet que les cadenes que inicialment puguin formar-se es reorganitzin amb facilitat i donin lloc a anells. També, a causa del caràcter iònic parcial dels enllaços heteroatòmics de la cadena i de la dèbil energia d’enllaç dels homoatòmics, les cadenes polimèriques inorgàniques són poc estables enfront de l’oxidació atmosfèrica i dels medis aquosos, tant àcids com bàsics. Així, fins al moment present, els únics polímers inorgànics que han trobat aplicació comercial són les silicones; això és degut principalment a la gran energia de l’enllaç Si-O (106 kcal) i a la protecció proporcionada per les restes orgàniques de les cadenes laterals. Entre els polímers inorgànics de cadena homoatòmica, sembla que el sofre plàstic és l’únic que pot ésser utilitzat. Actualment, la possibilitat de dissenyar els nous compostos basant-se en l’estructura molecular i cercar les propietats desitjades permeten sintetitzar polímers amb característiques ben concretes. Això es basa en la tria de monòmers determinats i llur unió dintre del polímer.

Les propietats dels polímers depenen, a més del monòmer o monòmers triats, de quatre factors: longitud de les cadenes, forces entre elles, empaquetament i rigidesa de les cadenes individuals. La longitud mitjana del polímer ha de superar un llindar determinat si es volen obtenir valors de rigidesa i tenacitat. El disseny de cadenes que s’entrecreuen i que estableixen enllaços químics entre elles augmenta les forces intramoleculars. Això proporciona polímers més resistents a les altes temperatures (termoestables). També ajuden a resistir grans esforços mecànics. Finalment, la presència d’atraccions fortes augmenta igualment la resistència a agents químics. Essent les cadenes de monòmers flexibles, la cristal·lització del polímer li dóna més resistència i rigidesa. Una solució diferent és reforçar el polímer amb un altre material. També s’han desenvolupat polímers amb estructura de cristall líquid. Presenten una cadena principal flexible, però tenen grups laterals amb anells aromàtics, la qual cosa els dóna més rigidesa. També s’han obtingut polímers que responen al model de material composite (compost), en què hi ha una matriu i fibres entrellaçades. En tot cas, el polímer resultant pot accentuar les propietats d’un dels seus components o trobar una potenciació sinèrgica. La recerca de polímers termoestables prové de la necessitat de donar un marge més ampli de temperatures a aquests compostos. A baixes temperatures, alguns presenten propietats comparables a les de certs metalls, però amb més resistència al trencament i ductilitat. Essent més lleugers, llur utilització permet obtenir components amb menys pes, la qual cosa pot significar un augment de potència i una disminució del consum d’energia. A temperatura ambient, una fibra de poliamida és lleugerament més resistent que un acer inoxidable de bona qualitat, però a més la càrrega de ruptura per unitat de pes és vuit vegades més elevada. Per damunt dels 180º C o 200º C, la majoria de polímers perden les propietats mecàniques que els caracteritzen. Per aquesta raó s’han buscat polímers que suportin temperatures de 600º C durant uns minuts, més de mil hores a 300º i més de 30 000 hores a 220º C. Això té com objectiu poder-los utilitzar en camps on se suporten grans temperatures, com ara l’aeronàutica. També poden ésser útils en microelectrònica. L’augment de densitat de corrent sense augmentar el pes dels components troba suport en l’ús de polímers. El límit teòric d’utilització d’un polímer es basa en la temperatura a la qual perd la seva estructura d’organització. Les propietats mecàniques del polímer depenen de la seva temperatura de transició vítria (Tg). El mòdul de l’elasticitat d’un polímer és proporcional al quadrat de Tg. Per a obtenir polímers amb Tg elevada cal buscar macromolècules rígides, que conservin un ordre elevat en estat de fusió. L’addició d’anells aromàtics permet obtenir plàstics més resistents, ja que l’energia de l’enllaç de carboni dintre d’un cicle aromàtic és superior al que té en una cadena oberta. No és possible, però, obtenir un polímer només amb anells aromàtics. Però sí que se n'han obtingut amb heterocicles, és a dir, anells que contenen també àtoms de nitrogen, sofre o oxigen. També es poden obtenir polímers no lineals. Per utilització a temperatures moderades (uns 200 ºC), s’utilitzen les bis-maleimides, procedents de l’anhídrid maleic, i per temperatures fins a 350 ºC les nadimides, que provenen de l’anhídrid nàdic. Un altre tipus molt interessant de polímers són els polímers conductors. Els plàstics es distingeixen pel fet que són aïllants, però darrerament s’han desenvolupat els anomenats metalls orgànics o metalls sintètics. Es tracta de polímers que tenen propietats conductores. El primer que s’obtingué fou un complex brom-perilè. Més tard s’observà que la combinació d’un acceptor d’electrons com el tetraciano-p-quinodimetà (TCNQ) i un donador d’electrons com el tetratiafulvalè (TTF) formava un conjunt amb propietats conductores semblants a les dels metalls. Entre els polímers conductors hom troba tres tipus fonamentals: polímers orgànics covalents, metal·lomacrocicles polimèrics i complexos de transferència de càrrega. Els primers són polímers derivats de l’acetilè o heterocicles que han estat dopats. Aquest dopant permet el moviment d’electrons. El segon tipus consisteix a formar complexos de metal·lomacrociles, que permeten el moviment d’electrons unidimensionalment. El tercer tipus és constituït pels complexos de transferència de càrrega (CTC), com l’esmentat conjunt de TCNQ i TTF. Molts compostos polimèrics conductors són poc estables en l’aire i això provoca un problema en llur utilització. Però s’han sintetitzat també pel·lícules de polímer, amb una estructura més cristal·lina que impedeix l’atac de l’oxigen de l’aire. Els metal·lomacrociles són complexos metàl·lics que contenen un macrocicle, com ara ftalocianines o tetrabenzoporfirines. Pel que fa als CTC, les molècules donadores mantenen semblances amb el TTF, mentre que d’acceptores se n'ha sintetitzat una àmplia varietat. La major part dels polímers conductors tenen cadenes d’àtoms de carboni units mitjançant dobles enllaços que alternen amb enllaços senzills. Això produeix una superposició lateral entre orbitals p d’àtoms veïns, que permet la mobilitat dels electrons al llarg de la cadena i provoca la conductivitat elèctrica. La conductivitat pot ésser controlada per l’addició de substàncies dopants i, en alguns casos, com ara en els del poliacetilè i el polifurà, s’han aconseguit conductivitats similars a les dels metalls. Darrerament s’han obtingut polímers que mostren propietats superconductores, com la sal (BEDT TTF)2IBr2, que és superconductora a 4 K. Un altre camp d’investigació és el d’aliatges de plàstics. El 1940 aparegué una mescla de clorur de polivinil (PVC) i cautxú. Des d’aleshores, s’han assajat diverses mescles. El 1965 aparegué el Noryl (marca enregistrada), mescla miscible de poliestirè i de polioxifenilè. A partir d’aquí la recerca de mescles de polímers s’incrementà, però calia superar els problemes d’immiscibilitat i cercar polímers amb unes propietats concretes. Entre els darrers tipus sintetitzats hi ha l’organoalloy, aliatge de poliamida i polipropilè. També s’han desenvolupat polímers amb característiques magnètiques dispersant substàncies ferromagnètiques en una matriu polimèrica; el primer fou descobert el 2001. L’avantatge n'és que les seves propietats es poden regular. Altres propietats aconseguides en els polímers són la fotoluminescència i l’electroluminescència, que es poden emprar per a crear díodes emissors de llum (LED).

Col·laboració: 
MPB

Llegir més...