¿Qué es la polimerización?

La polimerización es un conjunto de reacciones químicas mediante las cuales, moléculas simples, ya sean iguales o diferentes entre sí, interactúan para formar otras moléculas de mayor peso que las moléculas originales (más del doble del peso original de las moléculas). La polimerización es un proceso muy utilizado en la industria petroquímica para la formación de diferentes plásticos (polímeros) y gomas sintéticas (elastómeros).

Pellets de polímeros de varios colores
Los polímeros son productos importantes en la industria química. Imagen de azom

Existen diferentes formas de realizar la polimerización a nivel industrial. En este artículo definiremos la polimerización y cómo se produce, así como, los principales tipos de polimerización utilizados en la actualidad.


Tabla de contenidos
  1. Definición de polimerización
    1. Polimerización por adición
    2. Polimerización por condensación
    3. Diferencias entre polimerización por adición y polimerización por condensación
  2. Clasificación de la polimerización
    1. Polimerización en cadena
      1. Polimerización radical
      2. Polimerización iónica
        1. Polimerización aniónica
        2. Polimerización catiónica
      3. Polimerización por coordinación
    2. Polimerización en etapas
  3. Técnicas de polimerización de monómeros
    1. Polimerización en masa
    2. Polimerización en suspensión
    3. Polimerización en emulsión
    4. Polimerización en solución
    5. Polimerización en fase gaseosa

Definición de polimerización


Digujo de la polimerización de un monómero
Los polímeros son producidos por la polimerización de monómeros. Imagen de saylordotorg

La polimerización es una reacción química en donde compuestos de bajo peso molecular, conocidos como monómeros, interactúan entre sí formando enlaces químicos en una especie de reacción en cadena. Este fenómeno permite la formación de moléculas de gran tamaño y peso conocidas como polímeros.

Podemos decir entonces, que la polimerización es una reacción química que se realiza en presencia de catalizadores, y que tiene como objetivo principal combinar monómeros para obtener moléculas de gran tamaño.

El proceso de polimerización o síntesis de polímeros, básicamente, presenta dos tipos principales según su formación, estos tipos son: Adición y condensación.

Polimerización por adición

Este tipo de polimerización se da cuando los monómeros realizan enlaces dobles entre los átomos de carbono. Los monómeros se van adicionando al núcleo principal del polímero mediante los enlaces dobles.

Una característica destacable de este tipo de polimerización, es que los monómeros que forman parte del polímero no pierden átomos, es decir, la composición química de la cadena carbonada generada es igual a la suma de las composiciones químicas de los monómeros que forman parte del polímero. Este tipo de polimerización no genera sub-productos.

Polimerización por condensación

La polimerización por condensación se presenta cuando en la unión de dos o más monómeros se extrae una molécula de agua. Dicho en otras palabras, los monómeros pierden átomos cuando pasan a formar parte del polímero. Este tipo de polimerización genera sub-productos.

Los polímeros por condensación muestran unidades repetitivas unidas entre sí por unidades funcionales, como ésteres, uretano, etc. Este tipo de polimerización se realiza por etapas, en donde dos monómeros pueden reaccionar entre sí para generar macromoléculas, cuyos grupos terminales, a su vez, pueden reaccionar entre sí para generar polímeros lineales de altos pesos moleculares.

La policondensación está compuesta por una serie de reacciones que no requieren de iniciación. Sus monómeros son unidos mediante la expulsión de moléculas pequeñas, por lo general, agua o metanol. Los monómeros deben poseer grupos funcionales en los extremos para que puedan reaccionar juntos y, de este modo, continuar la polimerización.

Diferencias entre polimerización por adición y polimerización por condensación

La diferencia principal entre ambas, es que la polimerización por adición es una reacción entre monómeros con enlaces múltiples que permiten forman polímeros saturados. Mientras que en la polimerización por condensación, los grupos funcionales de los monómeros reaccionan simultáneamente liberando moléculas pequeñas para formar los polímeros.

Adicionalmente, presentan otra diferencia significativa, y es que en las reacciones por adición los monómeros participantes son insaturados, mientras que en las reacciones por condensación los monómeros son saturados. Además, los productos generados por reacciones de adición son difícilmente reciclables y biodegradables, mientras que los productos provenientes de reacciones de condensación son re-utilizables.

Otra diferencia importante, es que las reacciones de polimerización por adición son muy aceleradas, produciendo productos de altos pesos moleculares, mientras que las reacciones de polimerización por condensación suelen ser mucho más lentas.

Clasificación de la polimerización


Dibujo de diferentes tipos de polimerización
Diferentes tipos de polimerización. Imagen de enciclopediabritanica

La polimerización presenta diferentes tipos y sistemas para su clasificación, es por ello, que existe una gran variedad de reacciones disponibles para realizar la síntesis de polímeros. Sin embargo, las principales reacciones utilizadas para ello, son la policondensación y la poliadición.

Asimismo, la clasificación de la polimerización se encuentra basada en los mecanismos de crecimiento de los polímeros y distingue los procesos de polimerización en:

  • Polimerización en cadena.
  • Polimerización en etapas.

Polimerización en cadena

También conocida como poliadición, es aquella polimerización en donde ocurre un mecanismo de cadena. La polimerización en cadena se da cuando las reacciones iniciales crean un centro activo. Luego, se inicia una etapa de propagación de dicho centro activo mediante el crecimiento de la cadena carbonada, seguido de la transferencia de esta cadena carbonada con la formación de un polímero muerto y un nuevo centro activo, culminando finalmente con la formación de un polímero muerto y la eliminación de los centros activos.

Las reacciones ocurren en sucesión para cada una de las cadenas, lo que se traduce que ocurren en paralelo para todas las cadenas presentes, lo que determina las características del producto final.

Este tipo de polimerización se puede clasificar de la siguiente manera, en función de la naturaleza del centro activo que se propaga para formar el polímero:

  • Polimerización radical.
  • Polimerización iónica.
  • Polimerización por coordinación.

Polimerización radical

Para que se pueda producir este tipo de polimerización, se requiere que el monómero iniciador del proceso contenga radicales libres. En otras palabras, el monómero debe contener electrones desapareados, para que puedan reaccionar con los monómeros de la resina, para de esta manera, formar el polímero.

La principal desventaja del uso de polimerización radical, es que no se puede controlar el peso molecular y el tamaño del polímero, esto se debe a que la reacción no cuenta con un crecimiento definido. Sin embargo, es el tipo de polimerización más utilizada para producir polímeros de vinilo. Los polímeros formados a partir de este tipo de polimerización son dependientes de la temperatura, ya que un aumento de esta acelera la reacción de formación de los polímeros.

Podemos decir entonces, que la polimerización radical es aquella en la que el centro activo que se propaga es un radical libre, y consiste en un átomo (generalmente de carbono) que tiene orbital en un solo electrón. Estos radicales de carbono son especies de alta energía que tienden a reaccionar rápidamente con otras especies químicas que se encuentren en medio de la reacción. En la polimerización radical se producen las siguientes etapas:

Iniciación

Como su nombre lo indica, da inicio a la polimerización. En esta etapa, se forman los radicales libres mediante la adición de energía (química, térmica, fotoquímica o electroquímica). Para lograr esta etapa se ejecutan dos pasos fundamentales:

La formación de los radicales libres mediante la reacción:


Iniciación de la cadena carbonada mediante la reacción:


Crecimiento


En esta etapa se va aumentando el tamaño y masa de la cadena. Para ello, se siguen las siguientes reacciones:



Y así, respectivamente.

Culminación

Existen dos procedimientos generales para culminar la reacción: Puede ser combinando dos radicales, o utilizando inhibidores (reguladores) que reaccionan con el radical, para de este modo, finalizar la reacción.




Polimerización iónica

Este tipo de polimerización en cadena tiene un funcionamiento bastante parecido al de la polimerización radical. La diferencia es que el radical libre es un ión de carga negativa o positiva, según sea el caso. Las características principales de la polimerización iónica son las siguientes:

  • Requiere menor cantidad de energía de activación que en la polimerización radical.
  • No depende tanto de la temperatura, como la polimerización radical.
  • La finalización de la reacción ocurre únicamente con la adición de un inhibidor (regulador) ajeno a la reacción.

La polimerización iónica puede clasificarse en aniónica y catiónica.

Polimerización aniónica
Se caracteriza por presentar un átomo de carbono cargado negativamente como centro activo. Para que pueda ocurrir este tipo de polimerización, el monómero debe generar una especie carbaniónica suficientemente estable, mediante efectos mesoméricos e inductivos. Los vinilos y los dienos son las principales especies que se polimerizan mediante aniones.

Polimerización catiónica
Este tipo de polimerización viene dada por centros activos de naturaleza electrofílica. Estos centros activos son carbocationes (carbonos cargados positivamente). Los epoxi curados por radiación son un ejemplo de los polímeros creados por cationes.

Polimerización por coordinación

En este tipo de polimerización por cadena, los monómeros se suman a una macromolécula de crecimiento, mediante un centro activo organometálico. Este tipo de polimerización modifica y mejora las propiedades físicas de los polímeros de vinilo, como el polipropileno o el polietileno.

Polimerización en etapas

Se basa en la reacción de varios monómeros entre sí, cada uno de estos con al menos dos grupos funcionales. La reacción inicial entre dichos monómeros producen dímeros, que a su vez reaccionan entre sí y con otros monómeros para crear trímeros y tetrámeros. Este proceso continua sucesivamente hasta lograr la formación de oligómeros, cuyo peso molecular crece gradualmente, hasta crear macromoléculas de alto peso molecular.

En este tipo de polimerización las cadenas creadas pueden reaccionar entre sí para crear cadenas mucho más largas. Esta característica permite obtener polímeros de alto peso molecular muy explotables comercialmente. Para ello, las reacciones deben ser selectivas, es decir, reacciones que ofrezcan mezclas de productos diferentes, cuyo equilibrio puede desplazarse hacia un rendimiento cuantitativo del producto deseado.

Técnicas de polimerización de monómeros


Grupos funcionales en monómeros y polímeros
Grupos funcionales en monómeros y polímeros. Imagen de enciclopediabritanica

Existen muchas técnicas aprovechadas comercialmente para polimerizar monómeros. Entre las principales tenemos las siguientes:

  1. Polimerización en masa.
  2. Polimerización en suspensión.
  3. Polimerización en emulsión.
  4. Polimerización en solución.
  5. Polimerización en fase gaseosa.

Polimerización en masa

Es la técnica más sencilla de todas, además es muy homogénea. Consiste en hacer reaccionar al monómero con un iniciador utilizando para ello, energía térmica o radiación, produciéndose polímeros de una pureza destacable. Una de las desventajas de esta técnica es que es muy difícil de controlar, ya que es una reacción exotérmica muy poderosa.

El polímero generado es bastante viscoso desde su origen, lo que obviamente dificulta el proceso de mezclado para unificar el calor en el líquido y evitar el calentamiento de zonas específicas. Para evitar este inconveniente, es recomendable el uso de pre-polímeros, los cuales, reaccionarán con el monómero a temperaturas mucho más bajas, reduciendo la conversión del monómero en condiciones moderadas (lo que permite controlar mejor el proceso) para luego, elevar la temperatura y completar la polimerización.

Esta técnica es ampliamente utilizada para la creación de lentes plásticas de estructura amorfa, ya que tienen propiedades ópticas ideales sin necesidad de aplicar presión para moldear el producto. Un ejemplo de ello, es el poli metacrilato de metilo. Entre las principales ventajas y desventajas de esta técnica, tenemos:

Ventajas

  • Es muy económica ya que no utiliza disolventes.
  • El polímero obtenido es de alta pureza.
  • El aparataje para su ejecución es sencillo.

Desventajas

  • Alta viscosidad que puede producir problemas de agitación de la solución.
  • Requiere altas temperaturas para la polimerización.
  • Es complicado deshacerse del calor generado por la reacción.
  • El control de la temperatura es complicado.

Polimerización en suspensión

Este tipo de polimerización es heterogénea, el monómero y el iniciador son insolubles en agua, de modo, que se puede utilizar el agua como agente dispersante. La polimerización ocurre en las partículas en suspensión que contienen al monómero y al iniciador, y que por lo general, son de tamaño medio. El tamaño de las partículas viene dado por la velocidad de agitación.

Esta técnica cuenta con la adición de agentes tensoactivos, los cuales tienen como función mantener a las partículas separadas entre sí para evitar su precipitación. Al realizar una agitación fuerte, el monómero se dispersa en gotas inmiscibles en agua. El iniciador es soluble en el monómero y no en la fase acuosa, lo que permite la polimerización dentro de cada gota de monómero. Luego, se juntan las gotas hasta obtener el polímero deseado. Entre las ventajas y desventajas de esta técnica, tenemos:

Ventajas

  • Es económica, ya que el fase acuosa es generalmente agua.
  • Se elimina fácilmente el calor de reacción.
  • Se puede llevar a cabo a bajas temperaturas.
  • Viscosidad baja.
  • La recuperación del polímero es bastante sencilla.
  • Uso de pequeñas cantidades de disolvente volátil para obtener el polvo polimérico.

Desventajas

  • Requiere aditivos dispersantes.
  • Polímeros menos puros, debido a residuos de los agentes dispersantes.
  • Polvos finales no homogéneos que pueden requerir de un proceso de granulación.




Polimerización en emulsión

Se trata de una polimerización heterogénea en medio líquido. Para ejecutarse, se requiere del uso de ciertos aditivos, entre los cuales tenemos:

  • Emulsionante (por lo general, un detergente).
  • Protectores.
  • Reguladores de tensión superficial.
  • Modificadores (reguladores de polimerización).
  • Agentes de reducción (activadores).

Este sistema de polimerización es heterofásico, destacando que las gotas que se forman en el proceso de suspensión son mucho más pequeñas que las formadas en la técnica de suspensión. La polimerización por emulsión utiliza un medio acuoso, el monómero es insoluble en dicho medio acuoso, esta es la semejanza con la técnica de suspensión.

El mecanismo de reacción es completamente diferente, el monómero se encuentra presente dentro de las gotas en el medio acuoso, las cuales, se mantienen estabilizadas mediante el uso de un emulsionante, aunque una cierta cantidad del monómero se mezcla con el medio acuoso.

Esta pequeña porción de monómero disuelto penetra las miselas del mismo modo que el iniciador. Es justo dentro de las micelas, donde la polimerización se inicia. Al finalizar la polimerización, aparece una emulsión de polímero que es rodeada de moléculas emulsionantes. Dicho producto puede utilizarse como tal, un ejemplo de ello son los adhesivos y las pinturas. Asimismo, el producto puede recuperarse rompiendo la emulsión y realizando un proceso de granulado. Entre las ventajas y las desventajas de esta técnica, tenemos:

Ventajas

  • Polimerización muy veloz.
  • Produce polímeros de alto peso molecular.
  • Control de temperatura muy sencillo.

Desventajas

  • Contaminación del producto por agentes emulsionantes y agua.

Polimerización en solución

Este tipo de polimerización, requiere de un disolvente para producir una solución que contenga tanto al monómero como al iniciador. Es homogénea y utiliza un solvente de bajo peso molecular, económico y fácil de separar del polímero. El polímero puede ser soluble o no en el disolvente.

Este tipo de polimerización por solución permite una agitación sencilla, por lo tanto, se ejecuta a temperatura homogénea, evitando sobrecalentamientos. Por otro lado, el costo del disolvente suele ser elevado y la velocidad de reacción es lenta.

La polimerización por solución requiere de altas temperaturas y disponer de equipos adecuados para eliminar los restos del disolvente. Por lo general, se utiliza un catalizador que puede ser óxido de cromo soportado en sílica o alúmina. Entre las principales ventajas y desventajas de esta técnica, tenemos:

Ventajas

  • Viscosidad baja.
  • Eliminación de calor sencilla.
  • Amplio rango de temperatura de polimerización.
  • Fácil control de la temperatura.

Desventajas

  • Costos de inversión elevados.
  • Acumulación de impurezas.
  • El disolvente reduce el peso y la velocidad de reacción.
  • La extracción del disolvente suele ser difícil.

Polimerización en fase gaseosa

Proceso de polimerización
Proceso de polimerización. Imagen de enciclopediabritanica

Para esta técnica de polimerización, se requieren monómeros que se encuentren en fase gaseosa y la presencia de catalizadores Ziegler-Natta en forma de polvo fino y seco. El monómero y el catalizador se hacen ingresar de manera continua en un reactor de lecho fluidizado. La reacción ocurre a 20 atmósferas y la temperatura debe ser controlada en un rango que va desde los 85 0C hasta los 100 0C.

Hay que destacar, que se debe pasar grandes cantidades de gas por vez en el reactor, por lo tanto, la conversión del polímero en el fondo del reactor será de apenas unos 2 o 3% del monómero que reacciona por cada pasada. Cuando el gas ingresa a la zona de reacción, reduce la velocidad pasando a través de un área transversal mayor, lo que permite que sedimenten las partículas. El monómero se recicla, utilizando para ello, un compresor ubicado fuera del reactor. Esta técnica es utilizada principalmente para producir poliolefinas.

En este artículo hemos descrito la teoría básica referente a procesos de polimerización específicos, como la fabricación de polímeros a nivel industrial, los cuales detallaremos en futuros artículos. Como siempre, quedo atento a sus comentarios para establecer intercambio de ideas y complementar conceptos.

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