Ingeniería de polímeros

La ingeniería de polímeros es, en general, un campo de la ingeniería que diseña, analiza y modifica materiales poliméricos. Abarca aspectos de la industria petroquímica, la polimerización, la estructura y caracterización de los polímeros, sus propiedades, su composición y procesamiento, así como la descripción de los principales polímeros, sus relaciones estructurales y sus aplicaciones.

El término «polímero» fue introducido por el químico sueco J. J. Berzelius. Consideraba, por ejemplo, que el benceno (C₆H₆) era un polímero del etino (C₂H₂). Posteriormente, esta definición sufrió una sutil modificación.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 crucial en la investigación de la vulcanización del caucho, que lo convirtió en un material práctico de ingeniería. En 1870, J. W. Hyatt utilizó alcanfor para plastificar la nitrocelulosa y fabricar plásticos de nitrocelulosa industrialmente. 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. En 1920, H. Standinger propuso que los polímeros son moléculas de cadena larga conectadas por unidades estructurales mediante enlaces covalentes comunes. Esta conclusión sentó las bases para el establecimiento de la ciencia moderna de polímeros. Posteriormente, Carothers dividió los polímeros sintéticos en dos grandes categorías: policondensados obtenidos mediante una reacción de policondensación y polímeros de adición obtenidos 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 síntesis de polímeros estereorregulares. En las décadas posteriores al establecimiento del concepto de macromoléculas, la síntesis de polímeros de alta densidad ha experimentado un rápido desarrollo, y muchos polímeros importantes se han industrializado uno tras otro.Los conceptos básicos de la división de los polímeros en termoplásticos, elastómeros y termoestables ayudan a definir sus áreas de aplicación.El término termoplástico se refiere a un plástico que se ablanda con el calor y se endurece con el frío. La mayoría de los plásticos que usamos a diario pertenecen a esta categoría. Se ablanda e incluso fluye al calentarse, y al enfriarse se endurece. Este proceso es reversible y puede repetirse. Los termoplásticos tienen módulos de tracción relativamente bajos, pero también densidades más bajas y propiedades como la transparencia, lo que los hace ideales para productos de consumo y médicos. Entre ellos se encuentran el polietileno, el polipropileno, el nailon, la resina acetálica, el policarbonato y el PET, todos ellos materiales ampliamente utilizados.Un elastómero generalmente se refiere a un material que puede recuperar su estado original tras la eliminación de una fuerza externa, mientras que un material con elasticidad no es necesariamente un elastómero. El elastómero solo se deforma bajo una tensión débil, y esta tensión puede restaurarse rápidamente a un material polimérico cercano a su estado y tamaño originales. Los elastómeros son polímeros con módulos muy bajos y una extensión reversible al ser sometidos a deformación, 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 que se utilizan habitualmente incluyen caucho natural, caucho de nitrilo, policloropreno, polibutadieno, estireno-butadieno y cauchos fluorados.Una resina termoendurecible se utiliza como componente principal, y el plástico que forma el producto se forma mediante un proceso de curado por reticulación en combinación con diversos 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. Los plásticos termoendurecibles más comunes son los plásticos fenólicos, los plásticos epóxicos, los aminoplastos, los poliésteres insaturados, los plásticos alquídicos, etc. Los plásticos termoendurecibles y los termoplásticos juntos constituyen los dos componentes principales de los plásticos sintéticos. Los plásticos termoendurecibles se dividen en dos tipos: de reticulación con formaldehído y de otros tipos de reticulación.Los termoestables incluyen resinas fenólicas, poliésteres y resinas epóxicas, todos ellos ampliamente utilizados 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 termoestable de estos materiales, presentan 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 someten a esfuerzos constantes durante el servicio.El plástico es un compuesto polimérico que se polimeriza mediante poliadición y policondensación. Su composición y forma pueden variar libremente. Está compuesto de resinas sintéticas y cargas, plastificantes, estabilizadores, lubricantes, colorantes y otros aditivos. El componente principal del plástico es la resina. Resina significa que el compuesto polimérico no ha sido añadido con diversos aditivos. El término resina se originó a partir de la secreción de aceites 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 juegan un papel importante. Algunos plásticos están hechos básicamente de resinas sintéticas, con o sin aditivos, como el plexiglás, el poliestireno, etc.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. Se utilizan ampliamente y se pueden tejer para crear hilos de buena calidad, cabos de hilo y cuerdas de cáñamo. También se pueden tejer en capas fibrosas para la fabricación de papel o fieltro. También se utilizan comúnmente para fabricar otros materiales, combinándolos con otros materiales para formar compuestos. Por lo tanto, ya sea fibra natural o sintética, el material filamentoso... En la vida moderna, el uso de la fibra es omnipresente y existen numerosos productos de alta tecnología.El caucho se refiere a materiales poliméricos altamente elásticos y de formas reversibles. Es elástico a temperatura ambiente y puede deformarse con una pequeña fuerza externa. Tras eliminar la fuerza externa, puede volver a su estado original. El caucho es un polímero completamente amorfo con una baja temperatura de transición vítrea y un alto 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 caucho natural se procesa extrayendo caucho de goma y caucho de hierba de las plantas; el caucho sintético se polimeriza con diversos monómeros. El caucho se puede utilizar como material elástico, aislante, impermeable y resistente al aire.

Los polietilenos de uso común se clasifican en polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno de alta densidad (HDPE) y polietileno lineal de baja densidad (LLDPE). Entre ellos, el HDPE presenta mejores propiedades térmicas, eléctricas y mecánicas, mientras que el LDPE y el LLDPE presentan mayor flexibilidad, resistencia al impacto y formación de películas. El LDPE y el LLDPE se utilizan principalmente para bolsas y envoltorios de plástico, botellas, tuberías y contenedores; el HDPE se utiliza ampliamente en diversos campos, como películas, tuberías y artículos de primera necesidad, gracias a su resistencia a diversos disolventes.El polipropileno se utiliza ampliamente en diversas aplicaciones gracias a su buena resistencia química y soldabilidad. Presenta la menor densidad entre los plásticos comerciales. 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 para ácidos y productos químicos, láminas, tuberías, embalajes de transporte retornables (RTP), etc., gracias a sus propiedades como alta resistencia a la tracción, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión.

Los usos típicos de los materiales compuestos son las estructuras monocasco para la industria aeroespacial y automotriz, así como productos más cotidianos como cañas de pescar y bicicletas. El bombardero furtivo fue el primer avión fabricado íntegramente con materiales compuestos, pero muchos aviones de pasajeros, como el Airbus y el Boeing 787, utilizan cada vez más materiales compuestos en sus fuselajes, como la espuma de melamina hidrofóbica. Las propiedades físicas tan diferentes de los materiales compuestos ofrecen a los diseñadores mucha mayor libertad para moldear las piezas, razón por la cual los productos compuestos a menudo tienen un aspecto diferente al de los productos convencionales. Por otro lado, algunos productos, como ejes de transmisión, palas de rotor de helicópteros y hélices, parecen idénticos a sus precursores metálicos debido a las necesidades funcionales básicas de dichos componentes.Los polímeros biodegradables son materiales ampliamente utilizados en numerosas aplicaciones biomédicas y farmacéuticas. Se consideran muy prometedores para dispositivos de administración controlada de fármacos. 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 una segunda etapa de eliminación del organismo. Los polímeros biodegradables se descomponen y son absorbidos por el cuerpo una vez 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 los sistemas de administración de fármacos debido a su rápida y ajustable tasa de degradación.Las técnicas de membrana se han utilizado con éxito durante años en la separación de sistemas de líquidos y gases, y las membranas poliméricas son las más utilizadas debido a su menor coste de producción y la facilidad de modificación de su superficie, lo que las hace idóneas para diversos procesos de separación. Los polímeros son útiles en numerosos campos, incluyendo la separación de compuestos biológicos activos, membranas de intercambio de protones para pilas de combustible y contratistas de membrana para la captura de dióxido de carbono.

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• Lewis, Peter Rhys, y Gagg, C, Polímero forense Ingeniería: Por qué los productos polímeros fallan en el servicio, Woodhead/CRC Press (2010).