¿Cómo se sintetiza un material elástico? Resumen del proceso

Los materiales elásticos son algo que se encuentra presente en nuestra vida cotidiana. Los hay para todo, como lo son las bandas elásticas para atar bolsas, las pulseras de goma, los globos, los neumáticos…

A continuación vamos a ver cómo se sintetiza un material elástico, explicando qué son sus componentes, los polímeros, además de indicar sus propiedades moleculares y algunos índices que se tienen en cuenta en la industria.

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¿Qué son los polímeros elásticos?

Los materiales elásticos, conocidos como polímeros elásticos, son aquellos que pueden ser deformados mediante la aplicación de una fuerza mientras ésta se aplica. En el momento en que se deja de someter el objeto elástico a esta fuerza, volverá a su forma original. De lo contrario, si el material se deforma permanentemente, no hablaríamos de algo elástico, sino de un material plástico.

Los materiales elásticos han sido conocidos por el ser humano desde tiempos inmemoriales, dado que existen en la naturaleza. Sin embargo, a pesar de que los polímeros están presentes de forma natural en objetos como el caucho, el ser humano se ha visto en la necesidad de crear algunos de ellos de forma sintética, es decir, en el laboratorio.

Algunos ejemplos de materiales elásticos, aparte del ya mencionado, tenemos las bandas elásticas para cerrar bolsas de comida, los globos, pulseras de goma, el látex...

¿Qué son los polímeros?

Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión de enlaces covalentes de una o varias de las unidades simples, que serían los monómeros. Normalmente estas macromoléculas son orgánicas, es decir, contienen átomos de carbono en su estructura. Estas cadenas suelen ser largas, y se encuentran unidas mediante fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas.

Una forma de clasificar los polímeros es en función de su respuesta mecánica frente a temperaturas elevadas. Es por ello que hay dos tipos de polímeros.

1. Polímeros termoplásticos

Los polímeros termoplásticos se ablandan cuando son sometidos a altas temperaturas, llegando, incluso, a derretirse. Cuando la temperatura es baja se endurecen. Estos procesos son totalmente reversibles y pueden repetirse una y otra vez.

Sin embargo, si se alcanza una muy alta temperatura, sí que se puede dar una degradación irreversible, dado que las vibraciones moleculares entre los monómeros de la sustancia son tan violentas que pueden llegar a romper sus enlaces covalentes.

Estos materiales se fabrican normalmente con aplicación simultánea de altas temperatura y presión. Cuando la temperatura aumenta, la fuerza de los enlaces secundarios se va debilitando, haciendo que se facilite el movimiento relativo de las cadenas que conforman el polímero.

La mayoría de los polímeros lineales y los que tienen estructuras ramificadas, con cadenas flexibles, son termoplásticos, los cuales son blandos y dúctiles.

2. Polímeros termoestables

Los polímeros termoestables son aquellos que se mantienen duros independientemente de cuánta temperatura se les aplique.

Cuando empiezan a ser sometidos a calor, se producen entrecruzamientos covalentes entre las cadenas moleculares contiguas. Debido a esto, los movimientos entre los monómeros del polímero se ven limitados, impidiendo la vibración y la rotación de los mismos. Sin embargo, si la temperatura es excesivamente elevada, los enlaces entrecruzados se rompen y se produce la degradación del polímero.

Generalmente los polímeros termoestables son más duros en comparación con los termoplásticos. Algunos ejemplos de polímeros de este tipo los tenemos en el epoxi, el caucho vulcanizado y las resinas fenólicas de poliéster.

¿Cómo se sintetizan los materiales elásticos?

Los materiales elásticos están hechos de elastómeros, los cuales son polímeros generalmente termoplásticos, lo cual les confiere de su principales características: elasticidad y deformación fácil pero no permanente.

Son muchas las sustancias que permiten fabricar un material elástico. Algunos de los polímeros que se utilizan para sintetizar elásticos son: poliol-poliéster, poliisocianato, copolímeros de etileno y propileno, poliisobutileno, polisulfuros y polisiloxano, por solo decir unos cuantos.

Cuando se mezclan estas sustancias, éstas reaccionan con las otras mediante diferentes mecanismos de polimerización, entre los cuales se encuentran la condensación, la adición o la vía de los radicales libres.

Características moleculares de los elastómeros

Para que la combinación de ciertos polímeros genere, en última instancia, un elastómero o material elástico, hace falta que la combinación de los mismos hagan algún tipo de sinergia, dando como resultado algo mayor que la simple suma de sus partes.

El primer requisito es que tengan estructuras asimétricas y, por lo tanto, que sean lo más diferentes posibles. Sus estructuras a nivel molecular deben ser lineales y flexibles, permitiendo, como ya comentábamos con los polímeros termoplásticos, que las cadenas de moléculas puedan vibrar sin que haya rotura de enlaces.

Como segundo requisito está el que el polímero no sea muy polar, es decir, que no tenga demasiada carga de uno u otro signo, dado que de ser así, las interacciones intermoleculares serán más fuertes y habrá mayor rigidez a causa de la atracción (al igual que pasa con un imán positivo con uno negativo).

El tercer requisito es que estos polímeros sean flexibles, que admitan cierta deformación cuando se les aplica algún tipo de fuerza. En caso de que estos polímeros reúnan estos tres requisitos, entonces se generará la situación perfecta para la sintetización de un elastómero.

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Síntesis de elastómeros

Los polímeros que darán como resultado final un elastómero deben ser sometidos a una serie de procesos físicos y químicos.

1. Entrecruzamiento (crosslinking)

En este proceso se consigue que las cadenas moleculares se unan las unas con las otras mediante puentes, las cuales son capaces de formar dos o más enlaces covalentes fuertes.

Estos puentes moleculares permiten que el elastómero se pueda enrollar sobre sí mismo cuando se encuentra en reposo o modo estático, mientras que, al ser sometido a algún tipo de estiramiento, podría estar en modo elástico gracias a la flexibilidad de estos enlaces.

2. Vulcanización

Si bien se trata de un proceso que se encontraría dentro de los entrecruzamientos, es de interesante mención darle una explicación más detallada aparte.

La vulcanización es uno de los procesos para la obtención de elastómeros más conocidos. En este proceso, las cadenas poliméricas son interconectadas mediante puentes de azufre (S-S-S...).

3. Tras la obtención del elastómero

Cuando ya se han sintetizado los elastómeros, los pasos siguientes consisten en someter bajo diferentes tratamientos a los mismos para darles ciertas características.

Cada material será utilizado con un fin diferente, es por ello que también recibirá tratamientos variados, entre los cuales se pueden encontrar el calentamiento, el amoldamiento u otro tipo de curados físicos, es decir, darles forma.

Es en esta fase del proceso en donde se añaden pigmentos para darle color al objeto elástico resultante, además de incorporar otras sustancias químicas que asegurarán su elasticidad. También es en esta etapa en donde se evalúan tres aspectos fundamentales para asegurarse de que el material elástico es de calidad: Módulo de Young, temperatura de transición vítrea (Tg) y límite de elasticidad.

El módulo de Young es un índice que indica cómo se comporta un material elástico según la dirección a la que se le aplica una fuerza.

La Tg es la temperatura a la que se da una pseudotrasformación termodinámica en materiales vítreos. El polímero disminuye su densidad, rigidez y dureza llegada a esa temperatura. Esto se puede observar en vidrios y materiales inorgánicos amorfos.

El límite de elasticidad hace referencia a la tensión máxima que un material elástico puede soportar sin llegar a deformarse de forma irreversible.

Comprobados estos índices y visto que el elastómero es funcional, es cuando este pasa a llamarse, habitualmente, caucho de todo tipo: silicona, nitrilo, uretano, butadieno-estireno…

Algunos materiales elásticos

A continuación vamos a ver algunos materiales elásticos y de qué están compuestos.

1. Poliéster

El poliéster es una fibra manufacturada, y está compuesto por cualquier polímero de origen sintético que sea de cadena larga. En este polímero cerca del 85% del compuesto se trata de un éster de ácido tereflalico.

2. Nylon

El nylon es un polímero artificial, perteneciente al grupo de las poliamidas. Se genera mediante la policondensación de un ácido como una diamina. El más conocido es el PA6.6.

3. Licra

La licra es una fibra sintética conocida por ser una sustancia muy elástica y resistente. Se trata de un copolímero de uretano-urea, formado por cerca de un 95% de poliuretanos segmentados. En su elaboración se mezclan una gran variedad de materias primas, como prepolímeros, los cuales constituyen la estructura principal de esta fibra.

Referencias bibliográficas.

• Odian G. (1986) Introduction to Synthesis of Elastomers. In: Lal J., Mark J.E. (eds) Advances in Elastomers and Rubber Elasticity. Springer, Boston, MA