Accions del document
Materials
4. Materials polímers
Dels principals grups de materials d’aplicació industrial, els polímers són els més recents ja que, tret de l’hule natural, el cautxú, la cel·lulosa alguna altra excepció, pràcticament tots són productes sintètics obtinguts a partir de reaccions químiques. Un criteri de classificació de polímers és, justament, el que els agrupa en funció de si són derivats de productes naturals (polímers naturals) o bé si són elaborats artificialment (polímers sintètics).
La diferència entre polímers i plàstics rau en que els segons són polímers amb additius que els proporcionen les característiques específiques d’ús. Un polímer és un producte format per la repetició d’unitats (mers) connectades entre sí mitjançant enllaços covalents. En tant que la gran majoria de polímers prové de cadenes d’hidrocarburs, amb enllaços C-C com a unió principal, es consideren productes orgànics, tot i que hi ha polímers inorgànics.
Els materials polímers estan formats per macromolècules a les quals els àtoms es troben units mitjançant enllaços covalents. Les molècules es poden lligar entre elles (o diferents parts d’una mateixa macromolècula), mitjançant enllaços secundaris. Així, davant l’acció d’un esforç, l’enllaç secundari és trenca, possibilitant que els polímers exhibeixin una elevada plasticitat, però l’enllaç principal, covalent, és molt resistent.
En volum, els polímers constitueixen un dels grups de materials d’aplicació industrial més habitual, en tant que el conjunt de propietats que posseiexen els fan sumament atractius:
• Els processos de conformat, en general, són senzills i no requereixen d’operacions posteriors, de manera que proporcionen directament productes finals.
• La seva gran estabilitat química, vinculada al tipus d’enllaç que presenten, la baixa conductivitat tèrmica i elèctrica, i la seva baixa densitat, els fan materials únics, que els diferencien de metalls i ceràmics.
• El baix cost d’obtenció i procés dels materials polímers és, comparativament, molt inferior al dels materials ceràmics i metalls, tant a nivell de matèries primeres com de processos i despeses energètiques d’elaboració.
• En tant que poden ser transparents o translúcids, són materials adients per competir amb vidres en determinades aplicacions.
Ara bé, tot i que les propietats indicades fins ara són un bon referent per avalar l’ús d’aquests materials, també hi ha d’altres característiques, no tan atractives, que limiten les seves aplicacions, com ara:
• Poden alterar-se per efecte de la llum o altres radiacions, degradant-se i, per tant, modificant la seva resposta macroscòpica (fragilització, enduriment, etc...)
• Presenten valors molt baixos de resistència i rigidesa.
• La resposta mecànica es veu molt afectada per les variacions de temperatura i per la velocitat d’aplicació dels esforços, molt més que la resta de materials d’aplicació industrial. Així, a temperatures moderadament elevades, són molt menys resistents que a temperatura ambient, i a temperatures baixes sovint són molt fràgils, la qual cosa limita notablement el rang de temperatures d’utilització d’aquests materials.
Els materials polímers poden tenir una estructura desordenada (amorfa) o bé parcialment ordenada (polímers semicristal·lins). Aquesta particularitat proporciona característiques diferenciadores entre uns polímers i uns altres.
Figura 30. Zones amorfes i semicristal·lines a un material polímer semicristal·lí. Font: elaboració pròpia.
Així, els polímers amorfs es comporten de manera molt diferent als semicristal·lins davant un increment de temperatura, en tant que presenten una temperatura crítica o característica anomenada Tg, temperatura de transició vítria. Per sota d’aquesta,els polímers amorfs són sòlids rígids, però quan es supera aquesta temperatura, les cadenes polimèriques presenten un elevat grau de mobilitat i el polímer flueix amb facilitat davant d’un esforç aplicat, fenomen conegut com “fluència”.
Figura 31. Modificació del comportament dels materials polírmers amb la temperatura. Font: elaboració pròpia.
En canvi, un polímer semicristal·lí, té dues temperatures característiques, la de transició vítria (Tg) i la temperatura de fusió (Tm) (superior a Tg). Per sota de la temperatura de transició vítria, el polímer semicristal·lí és un sòlid rígid i dur. Entre la de transició vítria i la de fusió, el polímer és tou, i per sobre de la Tm, el material és gomós i fluid.
Atenent a la seva complexitat estructural, la classificació dels materials polímers no és trivial. Habitualment, s’agrupen en funció de la distribució a l’espai de les seves cadenes (figura 32), aspecte qeu afecta en gran manera la resposta mecànica macrscòpica, i que permet diferenciar entre polímers amb cadenes lineals, ramificades o reticulades.
Figura 32. Tipus d’estructures de les cadenes polímèriques. Font: elaboració pròpia.
Els processos químics d’unió de mers (unitats), o polimerització, són bàsicament dos: addició i condensació. A continuació es descriuen, breument, les característiques principals de cadascun d’aquests mecanismes:
• Polimerització per addició: procès al qual reaccionen monòmers bifuncionals que, progressivament, van afegint unitats a la cadena principal, i proporcionen macromolècules que són múltiples del monòmer original.
• Polimerització per condensació: procés de formació de cadenes mitjançant la reacció química de cadenes més petites o monòmers polifuncionals, i que proporcionen molècules petites com a subproducte (H2O, HCl, etc.).
Un altre criteri de classificació dels materials polímers es basa en la seva resposta mecànica davant la temperatura, i que permet distingir polímers termoplàstics, termoestables i elastomèrics, atenent als comportaments següents:
• Termoplàstics: la seva duresa i resistència disminueix amb l’augment de la temperatura (poden arribar a ser un fluid) i endureixen amb el refredament, de manera reversible, tot permetent el seu conformat per emmotllament. Poden arribar a convertir-se en un fluid. Les seves estructures són generalment linials i/o ramificades. La gran majoria han polimeritzat per addició (PE, PVC, PP), si bé n’hi ha alguns que provenen de processos de condensació (PA, PET). Són, en general, poc rígids i poc resistents, però presenten valors elevats de ductilitat i tenacitat.
• Termoestables: són polímers amb estructura reticulada/entrecreuada, que reticulen amb increment de temperatura i guanyen duresa durant aquest procés. No s’estoven amb la temperatura i no poden fluir per ser conformats per emmotllament. La gran majoria són polímers de condensació (resines). Són, generalment, rígids i resistents però presenten valors baixos o nuls de ductilitat i poca tenacitat (fràgils).
• Elastòmers: formats per cadenes moleculars amb molta llibertat de moviment molecular (flexibilitat), es deformen notablement a temperatura ambient, però amb gran capacitat de recuperar la forma i dimensions inicials (comportament gomós).
Un altre criteri de classificació, habitual, agrupa els materials polímers en funció de la seva naturalesa química (figura 33), en la forma següent:
• Poliolefines (polietilè-PE, polipropilè-PP)
• Resines acetàliques (polioximetilè-POM)
• Acrílics (polimetilmetacrilat-PMMA)
• Cel·luloses (acetat de cel·lulosa)
• Poliamides (Nylon©)
• Fluoroplàstics (PTFE, Teflon©, Gore-Tex©)
• Poliestirens (PS, SAN)
• Polièsters (Polietilentereftalat-PET, PBT, PEN)
• Policarbonats
• Poliuretans, etc...
Figura 33. Classificació dels materials polímers en base a la seva composició química i al seu volum de consum a nivell mundial. Font: elaboració pròpia.
Si el criteri de classificació atén a l’aplicació d’aquests materials, els polimers s’agrupen en:
• Resines d’ús general o commodities (més del 75 % del volum de polímers utilitzats). Dins aquest grup, es trobarien les poliolefines, les resines poliestirèniques, el PVC i el PET.
• Resines d’ús enginyeril, tècnic i especials. En aquest grup, es trobarien els polièsters (PBT, PEN), les poliamides (PA6, PA66 = Nylon©), les resines estirèniques (ABS, SAN), les acríliques (PMMA), les poliacetàliques (POM), els policarbonats, les resines halogenades (PTFE, PVF), les viníliques (PAN, PVAc) i els poliuretans, entre d’altres.
Les principals aplicacions a que es destinen els commodity plastics, es recullen a la següent figura.
Figura 34. Principals aplicacions dels materials polímers de gran consum (commodity plastics). Font: elaboració pròpia.
Els materials polímers estan formats per la successió d’unitats que es repeteixen. Aquestes unitats poden estar formades per un únic tipus de monòmer o unitat estructural (homopolímers) o per més d’un monòmer o unitat estructural (heteropolímers).
Representació d’una cadena a la qual la Representació d’una cadena amb una
unitat repetitiva coincideix amb la unitat unitat repetitiva formada per dues unitats
estructural (homopolímer). estructurals (heteropolímer).
Figura 35. Representació de cadenes homopolimèriques i heteropolimèriques.
En el cas dels homopolímers, la unitat repetitiva coincideix amb la unitat estructural. Per als heteropolímers, es poden trobar configuracions diferents, tal i com es mostren a la següent taula.
Taula 10. Unitats estructurals i repetitives per als diferents tipus d’heteropolímers.
Tret dels polímers naturals, que són una minoria, els polímers provenen del petroli. La distribució de productes que s’obtenen, habitualment, a partir d’aquesta matèria primera, es mostra a la següent figura.
Figura 36. Esquema de productes derivats del petroli, on s’indica l’origen dels plàstics. Font: elaboració pròpia.
4 5
