2.4 Reacciones de polimerización

Los polímeros son agregados químicos ensamblados (por uniones químicas), por la combinación de un gran número de moléculas pequeñas llamadas monómeros. A las reacciones químicas, que transforman los monómeros en polímeros, se les denomina polimerización. En una molécula polimérica, puede haber miles de elementos monoméricos. En la mayoría de los polímeros sintéticos, los pesos moleculares promedio están en el rango de 2×103 a  5×106 Da.

Los mecanismos de polimerización se pueden considerar dentro de dos categorías fundamentales: a) polimerización por pasos y b) polimerización por crecimiento de cadena. Aunque esta clarificación puede no ser universal, ha encontrado gran aceptación (Lenz 1970; Chanda 2013). De estos dos mecanismos, pueden resultar diferentes estructuras de cadenas. Algunas de las razones de las diferencias entre los mecanismos de polimerizaciones por pasos y por crecimiento de cadena se muestran en la Tabla 2.3 (Dotson y col. 1995).

Tabla 2.3: Diferencias entre los mecanismos de polimerización

CRECIMIENTO DE CADENA

POR PASOS

Generalmente reaccionan monómeros vinílicos

Únicamente las cadenas en crecimiento adicionan unidades y sólo una unidad a la vez.

La concentración de monómero decrece continuamente a lo largo de la reacción.

El polímero de alto peso molecular se forma muy rápido: el peso molecular del polímero cambia poco a lo largo de la reacción.

Tiempos largos de reacción producen altas conversiones pero afectan poco al peso molecular.

La mezcla de reacción solo contiene monómero, polímero y sólo 10-8  cadenas por mol.l-1 que crecen.

Se requiere que la funcionalidad del monómero sea mínimo igual a dos

Cualesquier de las especies moleculares pueden reaccionar.

El monómero desaparece pronto en la reacción: a un grado de polimerización (DP) de 10, menos del 1% de monómero está presente.

El peso molecular del polímero se incrementa continuamente a lo largo de la reacción.

Se requieren tiempos largos de reacción para obtener altos pesos moleculares.

En cualquier momento de la reacción, todas las especies están presentes en una distribución calculable.

Si A y B representan dos grupos funcionales que reaccionan y R, R1 y R11, son los grupos a los que están adheridos, el sistema se puede representar en general como:

  • bifuncional                           ARB
  • bi-bifuncional                      RA2 + R1 B2
  • polifuncional                       RA2 + R1B2 + R11Bf (f ³ 3)

Un ejemplo de un monómero bifuncional será un hidroxi-ácido o un amino-ácido (ver Tabla 2-4) en donde R denota parte de la estructura que contiene los grupos funcionales. La reacción de polimerización de un bi-bi funcional sería la reacción de un diol con un diácido o un diácido con una diamina.

El tipo de producto formado en una polimerización se determina por la funcionalidad (f) de los monómeros, es decir por el número promedio de grupos funcionales por molécula de monómero. Los monómeros monofuncionales sólo darán productos de bajo peso molecular. Los monómeros bifuncionales darán polímeros lineales y los monómeros polifuncionales producirán polímeros ramificados o entrecruzados (en tres dimensiones) (ver Figura 1.3). Las propiedades de los polímeros lineales, ramificados y entrecruzados difieren grandemente. La Tabla 2.4 enumera algunos productos representativos de la polimerización por pasos (Williams 1971; Gupta and Kumar 2012).

Tabla 2.4: Ejemplos de grupos funcionales.

Reactivos

Unión característica Nombre

Tabla 2.4 1

Tabla 2.4 2

Poliéster

Tabla 2.4 3

Tabla 2.4 4

Poliamida

Tabla 2.4 5

Tabla 2.4 6

Polianhídrido

Tabla 2.4 7

Tabla 2.4 8

*Poliuretano

Tabla 2.4 9

Tabla 2.4 10

*Poliurea

Tabla 2.4 11 Tabla 2.4 12

Poliéter

Tabla 2.4 13 Tabla 2.4 12

Poliéter

(*)Transferencia de hidrógeno, no hay producto secundario de condensación