Aglutinantes de látex serie Latex 101: Arquitectura polimérica

Conviene pensar en los polímeros como cadenas largas y, a veces, es adecuado hacerlo. No obstante, los polímeros tienen una serie de interacciones complejas —entre monómeros y entre cadenas poliméricas— que dan lugar a arquitecturas reconocibles. Estas arquitecturas pueden tener un impacto formidable sobre las propiedades de una emulsión polimérica en desarrollo.

Imagine por un momento que usted y 19 de sus amigos se reúnen al aire libre en un amplio espacio abierto. Ahora imagine que enlaza su mano izquierda en el pasador del cinturón de la persona junto a usted y que esta hace lo mismo y así sucesivamente, hasta que los 20 queden unidos en una cadena. A continuación, otro grupo de 20 personas sale para unirse al primero. Se enlazan entre sí, con la mano izquierda en el pasador del cinturón de la persona a su lado, hasta formar una segunda cadena. Ahora intente imaginar esas dos cadenas de personas moviéndose una junto a la otra. Las dos cadenas se comportan de manera independiente, desplazándose hacia adelante y hacia atrás en direcciones opuestas.

Por último, imagine que todas las manos derechas libres de una cadena sujetan las manos libres de la otra cadena. Ahora, las dos cadenas de personas están conectadas, y esto cambia el comportamiento de las cadenas. Aún pueden moverse de un lado a otro, pero solo de manera muy limitada. Las propiedades generales del sistema —definidas por las dos cadenas que interactúan— cambian.

Este ejemplo ilustra uno de los conceptos más importantes en la química de los polímeros: la arquitectura polimérica. En este artículo, analizaremos en mayor profundidad los diversos tipos de arquitecturas y cómo la modificación de la estructura básica de los polímeros en emulsión cambia sus propiedades.

Una revisión de la polimerización

En el ejercicio mental descrito anteriormente, usted y sus amigos representaban monómeros, los componentes básicos de una cadena polimérica. De hecho, los monómeros reales son moléculas con composiciones químicas específicas. Algunos monómeros comunes incluyen etileno (C₂H₄), estireno (C₈H₈) y cloruro de vinilo (C₂H₃Cl). Cada uno de estos monómeros tiene propiedades únicas cuando existen por sí mismos.

Generalmente, los monómeros no son útiles en su forma pura, pero tienen gran importancia como componentes básicos de otros materiales. La polimerización es el proceso que conecta los componentes básicos en cadenas más largas. Considere el poliestireno, que surge al unir moléculas de estireno para formar una cadena principal de carbono larga. Una cadena larga de poliestireno es uno de los polímeros más comunes en el planeta, y tiene propiedades diferentes a las del estireno. El monómero de estireno es un líquido oleoso incoloro que se evapora fácilmente y tiene un olor dulce en bajas concentraciones; sin embargo, el poliestireno es un plástico duro y sólido que, a menudo, se usa en productos como envases de alimentos y artículos de laboratorio.

El poliestireno no se forma espontáneamente. La polimerización del poliestireno, denominada polimerización en cadena o por radicales libres, comienza cuando un iniciador se descompone para producir radicales libres. Luego, estos radicales libres —especies químicas altamente reactivas— atacan el monómero de estireno, que se adiciona a uno de los electrones de un enlace doble y libera el electrón restante del enlace. Luego, el monómero en sí se convierte en un radical libre que puede reaccionar con una molécula de estireno contigua. Esto sucede una y otra vez —un proceso llamado propagación— hasta que se forma una cadena larga.

Así como se puede iniciar el crecimiento de una cadena polimérica, también puede interrumpirse. Existen varias formas de detener la polimerización, un proceso denominado terminación. Por ejemplo, la terminación por combinación se produce cuando dos cadenas que se propagan de manera independiente se encuentran en sus extremos químicamente activos; se unen y, sin electrones libres disponibles para ofrecer un monómero, la cadena resultante deja de crecer.

Un químico tiene muchas opciones disponibles para controlar el polímero final y sus propiedades. Puede manipular lo siguiente:

1. La elección del monómero.
2. La forma en que se unen los monómeros.
3. La longitud de la cadena polimérica.
4. La forma en que interactúan dos cadenas poliméricas.

La arquitectura polimérica depende en gran medida de los puntos dos y cuatro de la lista anterior. Eso es lo que abordaremos en la siguiente sección.

Estructuras poliméricas

Los científicos identifican cuatro arquitecturas basadas en cómo se produce la polimerización y cómo las cadenas poliméricas interactúan entre sí. Consideremos las características de cada tipo:

• Lineal Si los monómeros se conectan mediante los átomos de carbono, la polimerización tiene como resultado una cadena de polímeros lineales. Cada cadena se asemeja a un fideo tipo espagueti cocido, de manera que dos polímeros lineales resbalarán y se deslizarán uno contra otro, y solo los enlaces más débiles —fuerzas de van der Waals o enlaces de hidrógeno— proporcionarán resistencia.

• Ramificada En determinadas ocasiones, una cadena polimérica puede tener segmentos que se ramifican desde la cadena principal de carbono. Esta estructura se denomina cadena de polímeros ramificados. Como cabe esperar, las ramificaciones evitan que las cadenas poliméricas se unan estrechamente, aunque las ramificaciones en sí nunca conectan por completo una cadena a otra.

• Reticulada Cuando las ramificaciones de una cadena polimérica se conectan completamente con una cadena contigua, el resultado es un polímero reticulado. En este caso, los enlaces que generan las conexiones similares a una escalera son enlaces covalentes, que son muy fuertes. Este enlace fuerte hace que la mayoría de los polímeros reticulados sean termoestables, lo que significa que no se funden, incluso a altas temperaturas.

• Interconectada Por último, las cadenas poliméricas pueden demostrar un reticulado muy elaborado hasta la formación de una red compleja de conexiones. Esto genera un polímero interconectado unido por varios enlaces covalentes, que es sumamente fuerte y casi completamente resistente a la fusión.

Cuantificación de la reticulación: Contenido de gel

Al analizar en mayor profundidad uno de los cuatro tipos de estructuras poliméricas, los científicos saben que la densidad de las reticulaciones en el polímero es un indicador importante de sus propiedades. Si la densidad es elevada, el polímero será fuerte debido a que las reticulaciones evitarán que la red se estire, de manera muy similar al ejemplo de polímero humano que describimos en la introducción de este artículo. Si la densidad de las reticulaciones es baja, el polímero mostrará una mayor elongación.

El contenido de gel, o fracción de gel, es una cuantificación medible de la reticulación entre polímeros. Para medir el contenido de gel, los químicos de polímeros secan y pesan el polímero. Luego, lavan el polímero con un solvente: acetona, tolueno u otro líquido similar. En presencia del líquido, los polímeros ligeramente ramificados se disolverán, pero parte del polímero se dilatará y formará un gel en proporción directa a la cantidad de reticulación presente. Ahora, el químico puede filtrar el solvente y aislar el gel, para luego secarlo y pesarlo. Este peso se divide por el peso original para llegar a un porcentaje de gel o fracción de gel, de acuerdo con la ecuación que aparece a continuación, donde W₂ es el peso del residuo de gel seco y W₁ es el peso de la muestra original:

[W₂/W₁] x 100 % = fracción de gel (o material reticulado)

La publicación Journal of Polymer Science proporciona un ejemplo simple de lo que puede revelar la fracción de gel para un polímero básico como el poli (acrilato de butilo). Las propiedades descritas en esta tabla pegajosidad, cizallamiento y adherencia son cualidades adhesivas importantes que pueden ser necesarias para etiquetas, cintas u otros productos similares:

De Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry (Parte A: Química de polímeros), vol. 42, 10251041 (2004).

Puede observar que a medida que aumenta el peso molecular (M_w), también lo hace la fracción de gel del polímero. Y, al mismo tiempo, las propiedades adhesivas del polímero cambian drásticamente. Comuníquese con nosotros para analizar cómo desarrollar un polímero adhesivo específico para sus necesidades.

Arquitectos de polímeros

En Mallard Creek, no solo somos químicos: somos arquitectos de polímeros. Trabajamos con su equipo para analizar las necesidades únicas de su aplicación y luego determinar un programa químico, teniendo en cuenta atributos clave, como la arquitectura, que permitirán producir un polímero en emulsión que satisfaga esas necesidades. 

Asegúrese de revisar los demás artículos en nuestra serie Latex 101:

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• Estabilización
• Diseño de polímeros