Introducción

¿En que pensamos cuando decimos o escuchamos la palabra plástico? Hace cien años, al mencionar el término plástico, éste se podía entender como algo relativo a la reproducción de formas o las artes plásticas, la pintura, la escultura, el moldeado. En la actualidad, esta palabra se utiliza con mayor frecuencia y tiene un significado que implica no sólo arte, sino también tecnología y ciencia.

En la época actual resultaría difícil imaginar que alguno de los sectores de nuestra vida diaria, de la economía o de la técnica, pudiera prescindir de los plásticos. Sólo basta con observar a nuestro alrededor y analizar cuántos objetos son de plástico para visualizar la importancia económica que tienen estos materiales. Dicha importancia se refleja en los índices de crecimiento que, mantenidos a lo largo de algunos años desde principios de siglo, superan a casi todas las demás actividades industriales y grupos de materiales.

Este blog está integramente dedicado a los materiales plásticos, su constitución, obtención, procesabilidad, propiedades y transformación. Como así también sus usos y reutilización.

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Los polímeros

Introducción

Los polímeros son macromoleculas formadas por la unión de moléculas de menor tamaño denominadas monómeros.

Polímero (polipropileno)

El término "polímero" se deriva de la antigua palabra griega πολύς (polus, que significa "muchos") y μέρος (meros, que significa "partes"), y se refiere a una molécula cuya estructura está compuesta por varias unidades de repetición, de la que se origina una característica de alta masa molecular relativa y propiedades propias. El término fue acuñado en 1833 por el químico sueco Jöns Jacob Berzelius, aunque con una definición distinta de la definición moderna. Las unidades que componen a los polímeros derivan de moléculas de baja masa molecular relativa. El término polímero designa una combinación de un número no especificado de unidades.

La reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización.

Polimerización del etileno

Historia

Los polímeros naturales, por ejemplo la lana, la seda o la celulosa se han empleado profusamente y han tenido mucha importancia a lo largo de la historia. Sin embargo, hasta finales del siglo XIX no aparecieron los primeros polímeros sintéticos. El desarrollo de los primeros polímeros creados por el hombre fue inducido a través de las modificaciones de polímeros naturales con el fin de mejorar sus propiedades físicas.

En 1839, Charles Goodyear modificó el caucho natural a través del calentamiento con azufre (vulcanización), ya que este por lo general era frágil a bajas temperaturas y pegajoso a altas temperaturas. Mediante la vulcanización el caucho se convirtió en una sustancia resistente a un amplio intervalo de temperaturas. Otro acontecimiento que contribuyo al desarrollo continuo de los polímeros fue la modificación de la celulosa que permitió el surgimiento de la fibra sintética llamada rayón.

Charles Goodyear

Posteriormente, Leo Baekeland instauro el primer polímero totalmente sintético al que llamo baquelita; este se caracterizó por ser un material muy duradero y por provenir de otros materiales de bajo costo como el fenol y el formaldehído. Este compuesto llegó a tener gran éxito durante cierto tiempo.

Leo Hendrik Baekeland

Independientemente de los avances aplicativos de los polímeros, no se tenía mucha información en cuanto a la estructura de estos. En la década de 1920, el químico alemán Hermann Staudinger fue el primero en instituir que los polímeros eran compuestos de gran peso molecular que se encontraban unidos mediante la formación de enlaces covalentes. Tal idea fue apoyada años más tarde por Wallace Carothers, llegarondo a establecer concepciones similares. Estos conceptos dieron paso al desarrollo de la química de los polímeros tanto sintéticos como naturales. Posteriormente, Paul John Flory ampliaría el estudio sobre los mecanismos de polimerización.

Hermann Staudinger- Wallace Hume Carothers- Paul John Flory

En los años 1950 el alemán Karl Ziegler y el italiano Giulio Natta desarrollaron los catalizadores de Ziegler-Natta que permitieron la polimerización estereoespecífica de alquenos.

Karl Ziegler - Giulio Natta

En la segunda mitad del siglo XX se desarrollaron nuevos métodos de obtención, polímeros y aplicaciones como, por ejemplo, catalizadores metalocénicos, fibras de alta resistencia, estructuras complejas de polímeros, polímeros de cristal líquido, etc.

Estructura química

Los polímeros son muy grandes sumas de moléculas, con masas moleculares que puede alcanzar incluso los millones de Umas (unidad de masa atómica), que se obtienen por la repeticiones de una o más unidades simples llamadas “monómeros” unidas entre sí mediante enlaces covalentes. Estos forman largas cadenas que se unen entre sí por fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno o interacciones hidrofóbicas.

Estructura química del polietileno

Un polímero no tiene la necesidad de constar de moléculas individuales del mismo peso molecular, y no es necesario que tengan la misma composición química y la misma estructura molecular. Hay polímeros naturales como ciertas proteínas globulares y policarbohidratos, cuyas moléculas individuales tienen el mismo peso molecular y la misma estructura molecular; pero la gran mayoría de los polímeros sintéticos y naturales importantes son mezclas de componentes poliméricos homólogos. La pequeña variabilidad en la composición química y en la estructura molecular es el resultado de la presencia de grupos finales, ramas ocasionales, variaciones en la orientación de unidades monómeras y la irregularidad en el orden en el que se suceden los diferentes tipos de esas unidades en los copolímeros. Estas variedades en general no suelen afectar a las propiedades del producto final, sin embargo, se ha descubierto que en ciertos casos hubo variaciones en copolímeros y ciertos polímeros cristalinos.

Propiedades

A pesar de que los distintos polímeros presentan grandes diferencias en su composición y estructura, hay una serie de propiedades comunes a todos ellos y que los distinguen de otros materiales. Un ejemplo de alguna de estas propiedades es la densidad, conducción eléctrica y térmica, resistencia química y características ópticas.

Tabla comparativa de propiedades de diferentes materiales

material	Densidad (g/cm3)	Conducción térmica (W/mK)	Conducción eléctrica (S)
Plásticos	0.9-2.3	0.15-0.5	-
PE	0.9-1.0	0.32-0.4	-
PC	1.0-1.2	-	-
PVC	1.2-1.4	-	10-15
Acero	7.8	17.50	5.6
Aluminio	2.7	211	38.5
Aire	-	0.05	-

Densidad

El rango de densidades de los plásticos es relativamente bajo y se extiende desde 0.9 hasta 2.3 g/cm³. Entre los plásticos de mayor consumo se encuentran el PE y el PP, ambos materiales con densidad inferior a la del agua. La densidad de otros materiales a los que los polímeros sustituyen en algunas aplicaciones es varias veces mayor, como es el caso del aluminio o del acero. Esta densidad tan baja se debe fundamentalmente a dos motivos; por un lado los átomos que componen los plásticos son ligeros (básicamente carbono e hidrógeno, y en algunos casos además oxígeno, nitrógeno o halógenos), y por otro, las distancias medias entre átomos dentro de los polímeros son relativamente grandes. Una densidad tan baja permite que los polímeros sean materiales fáciles de manejar y por otra parte, supone una gran ventaja en el diseño de piezas en las que el peso es una limitación.

Conductividad térmica y eléctrica

Por otra parte, el valor de la conductividad térmica de los polímeros es sumamente pequeño. Los metales, por ejemplo, presentan conductividades térmicas 2000 veces mayores que los plásticos; esto se debe a la ausencia de electrones libres en el material plástico. La baja conductividad térmica resulta un inconveniente durante la transformación de los plásticos. El calor necesario para transformar los plásticos se absorbe de manera muy lenta y la eliminación del calor durante la etapa de enfriamiento resulta igualmente costosa. Sin embargo, en muchas aplicaciones de los plásticos, la baja conductividad térmica se convierte en una ventaja, pues permite el empleo de estos materiales como aislantes térmicos.

Igualmente los polímeros conducen muy mal la corriente eléctrica. Presentan resistencias muy elevadas, y por tanto, baja conductividad eléctrica. La resistencia eléctrica es función de la temperatura, y a elevadas temperaturas conducen mejor. Gracias a su elevada resistencia eléctrica los polímeros se utilizan frecuentemente como aislantes eléctricos de aparatos y conducciones que funcionan con corriente o la transportan.

Propiedades ópticas

En cuanto a las propiedades ópticas, los polímeros que no contienen aditivos son por lo general bastante traslúcidos, aunque esta propiedad está fuertemente influenciada por la cristalinidad del material. Los polímeros amorfos son transparentes, mientras que los cristalinos son opacos. Las zonas cristalinas dispersan la luz, evitando así su libre transmisión, dando lugar a translucidez u opacidad excepto cuando se orientan o se tratan secciones muy finas. Por el contrario, en los polímeros amorfos el empaquetamiento al azar de las moléculas no causa una difracción de la luz importante, permitiendo una transparencia muy buena y una transmitancia a la luz que puede ser superior al 90%. Termoplásticos amorfos como el PC, PMMA y PVC presentan transparencia que no difieren mucho de la del propio vidrio. La transparencia de los plásticos se puede perder, al menos parcialmente, por exposición a la intemperie o a cambios bruscos de temperatura.

Resistencia química

La resistencia química de los polímeros también está fuertemente influenciada por el grado de cristalinidad. En los polímeros cristalinos los disolventes pueden atacar ligeramente la superficie del polímero, que tiene una menor cristalinidad. Cuando se aplica un esfuerzo las grietas producidas no se propagan una vez que llegan a las zonas cristalinas. Los polímeros amorfos presentan una mayor solubilidad que los cristalinos. Los disolventes atacan al polímero formando pequeñas grietas que se extienden por todo el polímero cuando se aplica un esfuerzo por pequeño que sea

Clasificación

Los polímeros pueden ser clasificados mediantes distintos criterios. Pueden ser clasificados principalmente según sea su origen, su composición y estructura química, su comportamiento térmico y mecánico y su proceso de polimerización.

Clasificación según su origen

Según su origen, los polímeros pueden ser clasificados en naturales, sintéticos y semisintéticos.

1.- El almidón, la celulosa, la seda y el ADN son ejemplos de polímeros naturales. Se producen por procesos químicos naturales. Mucho antes de que existieran los polímeros sintéticos, remontándonos a los mismos orígenes de la tierra, la naturaleza se valía de los polímeros naturales para hacer posible la vida. De hecho en muchos sentidos, son más importantes que los sintéticos. Los polímeros naturales incluyen al ARN y al ADN, vitales en genes y en los procesos de la vida. Por cierto, el ARN mensajero es el que hace posible la existencia de las proteínas, los péptidos y las enzimas. Las enzimas colaboran en la química interior de los organismos vivientes. Entre otros polímeros naturales se encuentran incluidos los polisacáridos (azúcares) y los polipéptidos como la seda y la queratina. El caucho natural es también un polímero natural, constituido sólo por carbono e hidrógeno.

Representación 3D de la estructura química de una porción de ADN

2.- Entre los polímeros sintéticos encontramos el nailon, el polietileno y la baquelita. Son generalmente obtenidos mediante procesos tecnológicos a partir de los monómeros. Los polímeros sintéticos provienen mayoritariamente del petróleo. El 4 % de la producción mundial de petróleo se convierte en polímeros. Después de un proceso de cracking y reforming, se tienen moléculas simples, como etileno, benceno, etc., a partir de las que comenzará la síntesis del polímero.

Representación 3D de la estructura química del polietileno

Las materias primas derivadas del petróleo son tan baratas como abundantes. No obstante, dado que las existencias mundiales de petróleo tienen un límite, se están investigando otras fuentes de materias primas, como la gasificación del carbón o la obtención de plásticos a partir de fuentes renovables tales como la caña de azúcar.

Polímeros sintéticos derivados del petróleo

3.- Los polímeros semisintéticos se obtienen por transformación de polímeros naturales como, por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc. El primer polímero semisintético fue de hecho el cuero, un polímero natural modificado, una forma artificialmente reticulada de las proteínas encontradas en las pieles animales. A mediados del siglo XIX, se consiguió modificar la celulosa para obtener los primeros polímeros celulósicos. Estos ocupan un lugar especial en la historia de los polímeros, porque su creación constituyó, en gran medida, el principio de una explosión en la invención de polímeros sintéticos, que aún continúa en nuestros días.

Representación 3D de la estructura química de la nitrocelulosa

Clasificación según su composición y estructura química

Según su composición química, los polímeros pueden ser clasificados en orgánicos e inorgánicos.

1.- Polímeros orgánicos:

Los polímeros orgánicos son los que presentan en su cadena principal átomos de carbono. A su vez estos pueden ser clasificados en vinílicos y no vinílicos.

En los polímeros orgánicos vinílicos, la cadena principal de sus moléculas está formada exclusivamente por átomos de carbono. Estos derivan de monómeros vinílicos, es decir, dos átomos de carbono unidos por una doble ligadura. Dentro de ellos se pueden distinguir:

- Poliolefinas, formados mediante la polimerización de olefinas (polietileno y polipropileno).

- Polímeros estirénicos, que incluyen al estireno entre sus monómeros (poliestireno y caucho estireno-butadieno).

- Polímeros vinílicos halogenados, que incluyen átomos de halógenos (cloro, flúor) en su composición (PVC y PTFE).

- Polímeros acrílicos, que derivan de monómeros acrilatos (PMMA).

En los polímeros orgánicos no vinílicos, además de carbono, tienen átomos de oxígeno o nitrógeno en su cadena principal. Entre estos podemos encontrar a los poliésteres, poliamidas y poliuretanos entre otros.

2.- Polímeros inorgánicos:

Los polímeros inorgánicos son los que su cadena principal está constituida por elementos (átomos) distintos a carbono como ser silicio, germanio, estaño, fósforo, o azufre. Ejemplos de polímeros inorgánicos pueden ser polisiloxanos, polisilanos, poligermanos, poliestannanos, polifosfacenos y polisulfuros.

Clasificación según su comportamiento térmico y elástico

Para clasificar polímeros, una de las formas empíricas más sencillas consiste en calentarlos por encima de cierta temperatura. Según si el material funde y fluye o por el contrario no lo hace se diferencian en termoplásticos o termoestables (termofijos) respectivamente.

1.- Los termoplásticos, fluyen (pasan al estado líquido) al calentarlos y se vuelven a endurecer (vuelven al estado sólido) al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ningún) entrecruzamientos. Ejemplos: polietileno (PE), polipropileno (PP), cloruro de polivinilo PVC.

2.- Los termoestables, no fluyen. Al calentarlos se descompongan químicamente, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura con un alto nivel de entrecruzamientos, que impiden los desplazamientos relativos de las moléculas.

Otra clasificación puede ser considerando su comportamiento elástico. Los polímeros con un comportamiento elástico, que pueden ser deformados fácilmente sin que se rompan sus enlaces o modifique su estructura, son denominados elastómeros. Son materiales con muy bajo módulo de elasticidad y alta extensibilidad, es decir, se deforman en gran medida al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensión y contracción los elastómeros absorben energía, una propiedad denominada resiliencia. Los elastómeros también se dividen, a su vez, en termoestables (la gran mayoría) y termoplásticos (una minoría pero con aplicaciones muy interesantes).

Clasificación según su proceso de polimerización

1.- En 1929, Carothers propuso la siguiente clasificación:

- Polímeros de condensación. La reacción de polimerización implica a cada paso la formación de una molécula de baja masa molecular, por ejemplo agua.

- Polímeros de adición. La polimerización no implica la liberación de ningún compuesto de baja masa molecular. La totalidad de los átomos de los monómeros termina formando parte del polímero.

2.- Clasificación según el mecanismo de polimerización de Flory (modificación a la clasificación de Carothers para considerar la cinética de la reacción):

- Polímeros formados por reacción en cadena. Los monómeros se unen a la cadena polimérica uno en uno. Se requiere un iniciador para comenzar la polimerización; un ejemplo es la polimerización de alquenos (de tipo radicalario). En este caso el iniciador reacciona con una molécula de monómero, dando lugar a un radical libre, que reacciona con otro monómero y así sucesivamente. La concentración de monómero disminuye lentamente. Además de la polimerización de alquenos, incluye también polimerización donde las cadenas reactivas son iones (polimerización catiónica y aniónica).

- Polímeros formados por reacción por etapas. El peso molecular del polímero crece a lo largo del tiempo de manera lenta, por etapas. Ello es debido a que el monómero desaparece rápidamente, pero no da inmediatamente un polímero de peso molecular elevado, sino una distribución entre dímeros, trímeros, y en general, oligómeros; transcurrido un cierto tiempo, estos oligómeros empiezan a reaccionar entre sí, dando lugar a especies de tipo polimérico. Esta categoría incluye todos los polímeros de condensación de Carothers y además algunos otros que no liberan moléculas pequeñas pero sí se forman gradualmente, como por ejemplo los poliuretanos.

Otras clasificaciones

Otras categorías y subcategorías de clasificación podrían incluir copolímeros y homopolímeros (según la repetición de meros diferentes o iguales en la cadena polimérica), commodities y de ingeniería en el caso de los termoplásticos (según sean de uso común o para aplicaciones especiales) o según sea su aplicación industrial (fibra, recubrimiento, adhesivo, etc.). A los termoplásticos también se los suele subdividir en amorfos y cristalinos según sea su grado de cristalinidad, lo cual tiene notable influencia sobre sus propiedades.

Nomenclatura

Las normas internacionales publicadas por la IUPAC indican que el principio general para nombrar polímeros básicos es utilizar el prefijo poli- seguido de la unidad estructural repetitiva (UER) que define al polímero, escrita entre paréntesis. La UER debe ser nombrada siguiendo las normas convencionales de la IUPAC para moléculas sencillas. Ejemplo: Poli (tio-1,4-fenileno) comúnmente nombrado como polisulfuro de fenileno (PPS).

Poli (tio-1,4-fenileno)

A parte de las reglas de nomenclatura establecidas por la IUPAC, existe otro mecanismo alternativo con el que también se pueden nombrar los polímeros y es tomando como base el monómero del cual son provenientes. Este sistema es el más común. Entre los compuestos nombrados de esta manera se encuentran: el polietileno y el poliestireno. Se tiene que cuando el nombre del monómero es de una sola palabra, el polímero constituido a partir de este sencillamente se hace agregando el prefijo poli.

Las normas IUPAC se utilizan habitualmente para nombrar los polímeros de estructura complicada, ya que permiten identificarlos sin ambigüedad en las bases de datos de artículos científicos. Por el contrario, no suelen ser utilizadas para los polímeros de estructura más sencilla y de uso común principalmente porque estos polímeros fueron inventados antes de que se publicasen las primeras normas IUPAC, en 1952, y por tanto sus nombres "comunes" o "tradicionales" ya se habían popularizado.

Polietileno

Poliestireno

En la práctica, los polímeros de uso común se suelen nombrar según alguna de las siguientes opciones:

El prefijo poli- seguido del monómero del que se obtiene el polímero. Esta convención es diferente de la IUPAC porque el monómero no siempre coincide con la UER y además se nombra sin paréntesis y en muchos casos según una nomenclatura "tradicional" como, por ejemplo, polietileno frente a poli (metileno) y poliestireno frente a poli (1-feniletileno).

Para copolímeros se suelen listar simplemente los monómeros que los forman, a veces precedidos de las palabras caucho o goma si se trata de un elastómero o bien resina si no es un elastómero. Ejemplos: acrilonitrilo- butadieno- estireno, caucho estireno-butadieno-estireno, resina urea-formaldehído. Otra forma menos frecuente de nombrar a los copolímeros es agregando el prefijo poli y el interfijo co entre los monómeros constituyentes. Ejemplo: poli(estireno-co-acrilonitrilo)

Es habitual también, aunque poco recomendable, el uso de marcas comerciales como sinónimos del polímero, independientemente de la empresa que lo fabrique. Ejemplos: Nylon para la poliamida, Teflon para el politetrafluoretileno, Neopreno para el policloropreno.

Acrónimos

A los polímeros suele identificárselos mediante acrónimos, es decir, las letras iniciales de sus nombres puesto que sus nombres químicos son, a menudo, muy largos y/o complejos. La abreviatura puede tener algunas variaciones dependiendo del idioma utilizado para nombrarlos. Por ejemplo, el polietileno de alta densidad PEAD en castellano o HDPE en inglés, derivado de high density polyethylene.

Tabla con algunos ejemplos de acrónimos utilizados para polímeros

Polímero	Acrónimo
Polietileno	PE
Polietilentereftalato	PET
Poliamida	PA
Poliestireno	PS
Polimetil metacrilato	PMMA
Polivinil cloruro	PVC

Ver tabla extendida de acrónimos de los polímeros

Códigos de los plásticos

Hoy en día, casi todos conocemos el símbolo formado por un número rodeado por un triángulo de flechas que a menudo vemos en el fondo de los recipientes plásticos, aunque quizás no siempre sepamos el significado detrás de los símbolos.

Códigos de los plásticos

Estos símbolos desarrollados en 1988 por la Sociedad de la Industria de Plásticos (SPI por sus siglas en inglés), identifican el contenido de resina del recipiente en el que se han colocado los símbolos. Durante más de 20 años, el sistema del Código de Identificación de Resinas de la SPI ha facilitado el reciclaje de los plásticos después de utilizados por el consumidor.

Ver códigos de los plásticos

Fuentes:
http://goldbook.iupac.org
http://old.iupac.org
http://www.iupac.org
http://www.britannica.com
http://www.pslc.ws
http://www.textoscientificos.com
http://www.bibliociencias.cu
http://www.chem.qmul.ac.uk
http://www.che.uc.edu
http://www.nobelprize.org
http://en.wikipedia.org
http://www.nndb.com
http://www.recycledplastic.com
http://www.alpha-polymers.com
Tecnología de polímeros - M. Beltrán y A. Marcilla
Makromolekulare Chemie - M. D. Lechner, K. Gehrke y E. H. Nordmeier
Introduction to physical polymer science - L. H. Sperling

Elastano (spandex)

Introducción

El spandex o elastano (en inglés elastane) es una fibra sintética conocida por su excepcional elasticidad. Es fuerte, pero menos duradero que su principal competidor no sintético, el látex natural. Se trata de un copolímero uretano-urea que fue inventado en 1959 por los químicos C.L. Sandquist y Joseph Shivers en Benger Laboratory de DuPont en Waynesboro, Virginia. Cuando se introdujo por primera vez, significó una revolución en muchos ámbitos de la industria textil.
El nombre de "spandex" es un anagrama del vocablo inglés "expands" (expandir). Es el nombre preferido en América del Norte; en Europa continental se denomina por variantes de "elastane", por ejemplo: Elasthanne (Francia), elastan (Alemania), elastano (España y Portugual), elastam (Italia) y Elasthaan (Holanda), y es conocido en el Reino Unido e Irlanda principalmente como Lycra. Los nombres del spandex incluida Lycra (hecho por la filial Koch Invista, previamente una parte de DuPont), Elaspan (también Invista), Acepora (Taekwang), Creora (Hyosung), ROICA y Dorlastan (Asahi Kasei), Linel (Fillattice), y ESPA (Toyobo).

Ropa y prendas de vestir confeccionadas con spandex y otras fibras

Historia
El desarrollo del spandex se inició durante la Segunda Guerra Mundial. En este tiempo, los químicos asumieron el reto de desarrollar sustitutos sintéticos para el caucho. Dos factores principales motivaron la investigación. En primer lugar, el esfuerzo de la guerra requería la mayor parte de la goma disponible para la construcción de equipos. En segundo lugar, el precio del caucho era inestable y había fluctuado frecuentemente. El desarrollo de una alternativa a la goma podría resolver ambos problemas.
Al principio, su objetivo era desarrollar una hebra durable elástica a base de polímeros sintéticos. En 1940, los primeros elastómeros de poliuretano fueron producidos. Estos polímeros producidos eran elásticos, los cuales eran una alternativa adecuada a la goma. Aproximadamente al mismo tiempo, los científicos de Du Pont produjeron los primeros polímeros de nylon. Estos tempranos polímeros de nylon eran duros y rígidos, por lo que los esfuerzos habían comenzado por hacerlos más elástica. Cuando los científicos descubrieron que otros poliuretanos podría convertirse en hilos finos, se decidió que estos materiales podían ser útiles en la fabricación de medias de nylon estirables o utilizarlos en la fabricación de prendas de vestir de peso ligero.
Las primeras fibras spandex se produjeron a nivel experimental por uno de los pioneros de la química de polímeros, Farbenfabriken Bayer, obteniendo una patente alemana para su síntesis en 1952. El desarrollo final de las fibras se trabajó de forma independiente por los científicos de Du Pont y de Rubber Company EE.UU. Du Pont usó el nombre de Lycra y comenzó la fabricación a gran escala en 1962. Es actualmente el líder mundial en la producción de fibras spandex.

Síntesis y estructura química
Una gran variedad de materias primas se utilizan para producir fibras spandex. Esto incluye prepolímeros que producen la columna vertebral de la fibra, estabilizantes que protegen la integridad del polímero, y colorantes.
Dos tipos de prepolímeros se hacen reaccionar para producir el polímero de la fibra spandex. Uno de ellos es un macroglicol flexible, mientras que el otro es un diisocianato rígido. El macro-glicol puede ser un poliéster, poliéter, policarbonato, policaprolactona o alguna combinación de estos. Estos son polímeros de cadena larga, que tienen grupos hidroxilo (-OH) en ambos extremos. La característica importante de estas moléculas es que son largas y flexibles. Esta parte de la fibra de spandex es responsable de su característica de estiramiento. El otro prepolímero que se utilice para producir spandex es un diisocianato polimérico. Este es un polímero de cadena más corta, que tiene un grupo isocianato (-NCO) en ambos extremos. La característica principal de esta molécula es su rigidez. En la fibra, esta molécula proporciona fuerza.
La estructura química del spandex es aproximadamente la siguiente:

Estructura química del spandex

Tiene enlaces urea y uretano en su cadena. Lo que le confiere al spandex sus características especiales, es el hecho de que en su estructura tiene bloques rígidos y flexibles. La cadena polimérica corta de un poliglicol, de generalmente cerca de cuarenta unidades de longitud, es flexible y parecida al caucho. El resto de la unidad de repetición, es decir el estiramiento con los enlaces uretano, los enlaces urea y los grupos aromáticos, es extremadamente rígido. Esta sección es tan fuerte que las secciones rígidas de diversas cadenas se agrupan y se alinean para formar fibras. Los dominios fibrosos formados por los bloques rígidos están unidos entre sí por las secciones flexibles parecidas al caucho. El resultado es una fibra que actúa como elastómero. Esto permite que logremos una tela capaz se estirarse, ideal para la ropa de gimnasia y similares.
Cuando los dos tipos de prepolímeros se mezclan entre sí, interactúan para formar las fibras de spandex. En esta reacción, los grupos hidroxilo (-OH) en los macroglicoles reaccionan con los isocianatos. Cada molécula se añade al final de otra molécula, y se forma un polímero de cadena larga. Esto se conoce como una polimerización por crecimiento en etapas o de adición. Para iniciar esta reacción, debe ser utilizado un catalizador tal como diazobiciclo(2.2.2)octano. Otras aminas de bajo peso molecular se añaden para controlar el peso molecular de las fibras.

Aditivos
Las fibras de spandex son vulnerables al daño de una variedad de fuentes, incluyendo calor, la luz, contaminantes atmosféricos y cloro. Por esta razón, se añaden estabilizantes para proteger las fibras. Los antioxidantes son un tipo de estabilizador.
Varios antioxidantes se añaden a las fibras, incluyendo fenoles impedidos monoméricos y poliméricos. Para proteger contra la degradación por luz, se añaden protectores contra los rayos ultravioleta (UV) tales como hidroxibenzotriazoles. Los compuestos que inhiben la decoloración de la fibra causada por los contaminantes atmosféricos son otro tipo de estabilizador añadido. Estos son típicamente compuestos con funcionalidad de amina terciaria, que pueden interactuar con los óxidos de nitrógeno en la contaminación del aire. Como el spandex se utiliza a menudo para trajes de baño, deben ser agregados aditivos fungicidas. Todos los estabilizadores que se añaden a las fibras de spandex están diseñados para ser resistentes a la exposición a disolventes ya que esto podría tener un efecto perjudicial sobre la fibra.
Las fibras de spandex son de color blanco. Por lo tanto, los colorantes se añaden para mejorar su apariencia estética. Típicamente se utilizan dispersantes y colorantes ácidos. Si las fibras de spandex se entretejen con otras fibras, tales como nylon o poliéster, métodos especiales de hilatura son necesarios.

Producción de fibras
Las fibras de spandex son producidos en cuatro formas diferentes: extrusión en estado fundido, hilado por reacción, hilatura en seco e hilado en húmedo. Todos estos métodos incluyen la etapa inicial de la reacción de monómeros para producir un prepolímero. Una vez que el prepolímero se forma, se hace reaccionar adicionalmente de diversas maneras y prolongado para hacer las fibras. El método de hilado seco se usa para producir más del 90% de fibras de spandex del mundo.

Proceso de hilatura en seco

Hilatura en seco
Paso 1: El primer paso es producir el prepolímero. Esto se hace mediante la mezcla de una macro glicol con un monómero diisocianato. Los dos compuestos se mezclan en un recipiente de reacción para producir un prepolímero. Una proporción típica de glicol - diisocianato es de 1:2.

Paso 2: El prepolímero se hace reaccionar adicionalmente con una cantidad igual de diamina. Esta reacción se conoce como reacción de extensión de cadena. La solución resultante se diluye con un disolvente para producir la solución de hilado. El disolvente ayuda a hacer la solución más delgada y una manipulación más fácil, y entonces puede ser bombeado a la célula de producción de fibra.

Paso 3: La solución de hilado se bombea en una célula cilíndrica hilatura donde se cura y se convierten en fibras. En esta celda, la solución de polímero se fuerza a través de una placa de metal llamada hilera o spinneret. Esto hace que la solución se alinee en hebras de polímero líquido. Como los hilos pasan a través de la célula, se calientan en presencia de un gas nitrógeno y disolvente. Este proceso hace que el polímero líquido reaccionar químicamente y formar hebras sólidas.

Paso 4: Cuando las fibras salen de la célula, una cantidad de hebras sólidas se agrupan para producir el espesor deseado. Cada fibra de spandex se compone de muchas pequeñas fibras individuales que se adhieren el uno al otro debido a la pegajosidad natural de su superficie.

Paso 5: Las fibras resultantes se tratan después con un agente de acabado que puede ser estearato de magnesio o de otro polímero poli(dimetil-siloxano). Este tratamiento evita la fusión de las fibras entre sí y ayuda en la fabricación de textiles. Las fibras son entonces transferidas a través de una serie de rodillos sobre un carrete. La velocidad de bobinado de todo el proceso puede estar alrededor de 300 a 500 millas (482,7 hasta 804,5 km) por minuto en función del espesor de las fibras.

Paso 6: Cuando los carretes están llenos de fibra, se colocan en el embalaje final y es enviado a los fabricantes de textiles. Aquí, las fibras pueden ser tejidas con otras fibras tales como algodón o nylon para producir la tela que se utiliza en la fabricación de ropa. Esta tela también puede ser teñida para producir el color deseado.

Carrete de spandex

Principales usos
El spandex se utiliza para la confección de ropa y prendas de vestir donde la elasticidad es deseable, generalmente para comodidad y ajuste, tales como: ropa deportiva, cinturones, cintas de sujetador, traje de baño competitivo, pantalones cortos de ciclista, cinturones de baile usado por los bailarines masculinos y otros, guantes, calcetería, polainas, artículos ortopédicos, pantalones de esquí, jeans ajustados, pantalones, minifaldas, ropa interior, prendas de compresión tales como corsetería y trajes de captura de movimiento, prendas con formas tales como copas del sujetador entre tantos otros usos.
Para la ropa, el spandex generalmente se mezcla con algodón o poliéster, y representa un pequeño porcentaje de la tela final, por lo tanto, el tejido final conserva la mayor parte de la apariencia de las otras fibras. Es de poco uso en ropa de hombre, pero frecuente en el de las mujeres. Se estima que un 80% de la ropa que se vende en los Estados Unidos contenía spandex en 2010.

Short (95% Algodón y 5% elastano)

Remera surf (88% poliamida y 12% elastano)

Media de compresión (20% Elastano y 80% Poliamida)

Soporte para talón (Algodón 76%, Elastano 15%, Poliamida 9%)

Fuentes:
http://www.madehow.com
Encyclopedia of Textiles. Jerde, Judith.
High Technology Fibers. Lewin, M. and J. Preston
http://www.freepatentsonline.com
http://pslc.ws
http://indumentariaymoda.com
http://www.quirutex.com
http://www.ortopediamedicenter.com.ar
http://adventureuniverse.wordpress.com
http://www.rubberimpex.com
http://www.mundoabuelo.com

Kevlar y Nomex

Introducción
Las fibras de aramida fueron introducidas comercialmente en 1972 por DuPont.

Kevlar:
El Kevlar o poliparafenileno tereftalamida es un polímero altamente cristalino. Llevó mucho tiempo encontrar alguna aplicación útil para el Kevlar, dado que no era soluble en ningún disolvente. Por lo tanto, su procesado en solución estaba descartado. No se derretía por debajo de los 500ºC, de modo que también se descartaba el hecho de procesarlo en su estado fundido.
Stephanie Kwolek trabajaba en un laboratorio para DuPont, donde todos los días experimentaba con nuevos materiales. Descubrió el Kevlar cuando se dio cuenta de que una solución plástica que ella estudiaba a menudo estaba actuando de manera "diferente".
La obtención de las fibras de Kevlar fue complicada, destacando el aporte de Herbert Blades, que solucionó el problema de qué disolvente emplear para el procesado.
Este material era súper resistente y a la vez muy ligero. Así fue como descubrió el Kevlar, una fibra química famosa por su uso en los chalecos antibalas.

Nomex:
Las características intrínsecamente ignífugas proporcionadas por NOMEX® hacen que las personas que trabajan con este polímero estén seguras y protegidas contra los peligros del trabajo de cada día. Es ese conocimiento y sentido de la seguridad el que les permite concentrarse en su tarea actual, y contribuir así a elevar la productividad.
NOMEX® es una molécula con cadena larga. La tecnología térmica avanzada fue creada hace más de 30 años cuando los científicos de DuPont crearon una fibra con una combinación extraordinaria en cuanto a características de alto rendimiento para el calor e ignífugas, así como características superiores del textil.
La familia de DuPont de los productos de fibra de NOMEX® proporciona resistencia excepcional al calor y a la llama y ofrece características excelentes del textil. Los usos incluyen los filtros, las telas revestidas industriales, etc.
NOMEX® también se utiliza para el aislamiento eléctrico en forma de papel y de cartón prensado, donde su fuerza dieléctrica inherente, dureza mecánica y estabilidad termal proporcionan alta confiabilidad en los usos más exigentes.

Estructura química del Kevlar y del Nomex:
El Kevlar y el Nomex pertenecen a la familia de las aramidas, las cuales , a su vez, pertenecen a una familia de nylons.
Una sola cadena del polímero de Kevlar podría tener desde cinco hasta un millón de monómeros enlazados juntos. Cada monómero de Kevlar es una unidad química que contiene 14 átomos de carbono, 2 átomos de nitrógeno, 2 átomos de oxígeno y 10 átomos de hidrógeno.
El Kevlar es una poliamida, en la cual todos los grupos amida están separados por grupos para-fenileno, es decir, los grupos amida se unen al anillo fenilo en posiciones opuestas entre sí, en los carbonos 1 y 4.

El Nomex, por otra parte, posee grupos meta-fenileno, es decir, los grupos amida se unen al anillo fenilo en las posiciones 1 y 3.

Las aramidas se utilizan en forma de fibras. Forman fibras aún mejores que las poliamidas no aromáticas, como el nylon 6,6.
Las cadenas del polímero se pueden juntar aleatoriamente o se pueden orientar cuidadosamente de lado a lado en una fila. Resulta que la orientación de las cadenas del polímero es muy importante para ciertas características tales como flexibilidad, rigidez, y fuerza.

Una fibra de Kevlar es un arsenal de moléculas orientadas en paralelo como un paquete de espaguetis crudos. Esta colocación espacial es lo que proporciona las moléculas con estructura cristalina. La cristalinidad es obtenida por un proceso de fabricación que implica sacar la solución fundida del polímero a través de agujeros pequeños de la extrusora. La cristalinidad de los filamentos del polímero de Kevlar contribuye perceptiblemente a su fuerza y rigidez únicas.
Las amidas tienen la capacidad de adoptar dos formas diferentes, o conformaciones. Usted puede ver ésto en la figura de una amida de bajo peso molecular. Las dos figuras son del mismo compuesto, en dos conformaciones diferentes. La que está a la izquierda se denomina conformación trans, y la que está a la derecha conformación cis.

En latín, trans significa "del otro lado". Así, cuando las cadenas hidrocarbonadas de la amida están en lados opuestos al enlace peptídico, el enlace entre el oxígeno del carbonilo y el nitrógeno de la amida, ésta se denomina amida trans. Asimismo, cis en latín significa "en el mismo lado", y cuando las cadenas hidrocarbonadas están del mismo lado del enlace peptídico, la llamamos amida cis.

La misma molécula de la amida puede torcerse hacia adelante y hacia atrás entre las conformaciones cis y trans, originando una pequeña energía.
En las poliamidas también existen las conformaciones cis y trans. Cuando en una poliamida todos los grupos amida están en su conformación trans, como el nylon 6.6 por ejemplo, el polímero se estira completamente en una línea recta. Esto es exactamente lo que deseamos para las fibras, porque las cadenas largas y completamente extendidas se empaquetan más adecuadamente, dando lugar a la forma cristalina que caracteriza a las fibras. Pero lamentablemente, siempre existen unos pocos enlaces amida en la conformación cis. Por ello las cadenas del nylon 6.6 nunca llegan a estar completamente extendidas.

Sin embargo el Kevlar es diferente. Cuando intenta adoptar la conformación cis, los hidrógenos de los voluminosos grupos aromáticos se interponen en el camino. La conformación cis coloca a los hidrógenos un poco más cerca de lo que quisieran estar. De este modo, el Kevlar permanece casi enteramente en su conformación trans. Y así, puede extenderse completamente para formar unas hermosas fibras.

Veamos ésto en un primer plano. Observe la figura de abajo y podrá apreciar que cuando el Kevlar intenta adoptar la conformación cis, no queda espacio suficiente para los hidrógenos de los fenilos. De modo que la conformación trans es la que se encuentra generalmente.

Una fibra de Kevlar es en realidad un conjunto de cadenas de polímeros.
Aunque las cadenas del polímero de Kevlar son cadenas individuales, en realidad sí están unidas formando un conjunto. Las cadenas individuales del polímero se unen realmente por fuerzas electrostáticas que hay entre las moléculas, conocidas como enlaces por puentes de hidrógeno, que se forman entre los grupos de amidas polares en cadenas adyacentes.
En cuanto a los enlaces por puentes de hidrógeno, el Kevlar y el agua tienen algo en común. En ambos compuestos, los átomos de oxígeno tienen una alta densidad de electrones alrededor del núcleo. Puesto que los electrones se cargan negativamente, los átomos de oxígeno tendrán una carga negativa leve. Por otra parte, los átomos de hidrógeno tienen una densidad mucho más baja de electrones alrededor del núcleo, teniendo, por tanto, una carga positiva parcial. El hidrógeno y el oxígeno de diversas moléculas se atraen, formando el enlace por puentes de hidrógeno.

Vinculación del hidrógeno en agua

Vinculación del hidrógeno en Kevlar.

Propiedades del Kevlar y del Nomex
Las propiedades de estos dos materiales van ligadas intrínsecamente a las aplicaciones que podemos encontrar tanto en la industria como en la vida cotidiana, las cuales se ven en el siguiente punto.
No derriten ni se contraen en llama, y carbonizan solamente a temperaturas muy altas. Ofrecen una resistencia excelente al agua y al petróleo, incluyendo el aceite de motores y lubricantes, además tienen una buena resistencia química y son químicamente estables bajo una gran variedad de condiciones de exposición. Son ambos extremadamente resistentes y con alta resistencia a la abrasión, además se cortan y se rasgan.
NOMEX® es un polímero aromático sintético de poliamida que proporciona altos niveles de la integridad eléctrica, química y mecánica.
Esto es lo que hace que NOMEX® no se contraiga, ni dilate, ni se ablande ni derrita durante la exposición a corto plazo a temperaturas tan altas como 300°C. A largo plazo puede estar trabajando como aislante tanto térmico como eléctrico o químico soportando continuamente temperaturas de hasta 220°C durante más de 10 años.
La fuerza y la resistencia de los papeles y de los cartones prensados de NOMEX® ayudan a ampliar vida del equipo que rota en condiciones de funcionamiento severas. Estas condiciones incluyen choque severo y vibraciones excesivas propiciadas por desequilibrios rotantes, como por ejemplo las que pueden aparecer en molinos de acero, motores para tracción ferroviaria, o turbinas de gas. En todos ellos además tenemos grandes temperaturas de funcionamiento.

Fuerza dieléctrica inherente
En tensiones eléctricas muy elevadas, como cortocircuitos, a corto plazo los productos de NOMEX® de 18 a 40 V/mil de kV/mm (457 a 1015), dependiendo de tipo de producto y grueso, proporcionan la protección necesaria y adecuada.

Dureza mecánica
Los productos de alta densidad de NOMEX® son fuertes, resistentes y (en los grados más finos) flexibles, con buena resistencia al rasgado y a la abrasión. Sometido a presión hidrostática, el Kevlar es 20 veces más fuerte que el acero.

Estabilidad termal
Las temperaturas hasta 200°C tienen poco o nada de efecto en las características eléctricas y mecánicas de los productos de NOMEX®, y los valores útiles se conservan en temperaturas considerablemente más altas. Además, estas características útiles se mantienen por por lo menos 10 años de exposición continua a 220°C de temperatura.

Compatibilidad química
NOMEX® es esencialmente inerte a la mayoría de los disolventes, y es totalmente resistente a los ataques de ácidos y álcalis. Es compatible con todas las clases de barnices y de pegamentos, de líquidos de transformadores, de aceites lubricantes, y de refrigerantes. Puesto que los productos de NOMEX® no son digestibles, no son atacados por insectos, hongos, etc.

Capacidades criogénicas
NOMEX® ha encontrado una gran aceptación en una variedad de usos criogénicos debido a su estructura polimérica única. En el punto que hierve el nitrógeno (77°K), los cartones prensados de papel de NOMEX® resisten plenamete las fuerzas de contracción/dilatación que aparecen.

Insensibilidad a la humedad
En equilibrio con un 95 por ciento de humedad relativa, los papeles de NOMEX® y los cartones prensados mantienen un 90 por ciento de su fuerza dieléctrica, mientras que muchas características mecánicas además mejoran.

Resistencia de la radiación
NOMEX® es esencialmente inafectado por 800 megarads (8Mgy) de radiación de ionización y todavía conserva características mecánicas y eléctricas útiles después de ocho veces esta exposición.

No toxicidad
Los productos de NOMEX® no producen ninguna reacción tóxica conocida en seres humanos o animales. Los productos de NOMEX® no se derriten y, con un índice limitador del oxígeno (LOI) en 220°C sobre 20,8 (el valor crítico para la combustión en aire normal), no favorecen la combustión.

Aplicaciones del Kevlar y del Nomex
El Kevlar, en combinación con Nomex, es utilizado en una gran gama de productos hoy en día. Entre ellos, es utilizado para los chalecos y cascos antibalas, también en el desarrollo de cables ópticos, cordones para escalar, llantas, partes para aviones, canoas, raquetas de tenis y más.
Actualmente DuPont comercializa dos tipos de Kevlar:
El Kevlar 29, de baja densidad y alta resistencia, se utiliza principalmente para aplicaciones balísticas, cables y cuerdas.
El Kevlar 49, de baja densidad, alta resistencia y módulo elástico, se utiliza para reforzar plásticos de materiales compuestos para aplicaciones aeroespaciales, marina, automoción y otras aplicaciones industriales.

Protección para las fuerzas de seguridad:

Los policías necesitan ser equipados y entrenados para ocuparse de situaciones violentas y peligrosas, y esto significa tener la mejor ropa protectora personal posible. El chaleco se puede diseñar para balas, puñaladas, protección de impactos, o cualquier combinación de éstos. El equipamiento debe proporcionar también protección contra el fuego, el calor y el ataque químico. Estos elementos son fabricados en la actualidad a base de kevlar y nomex, los cuales nos garantizan estas propiedades además de ser cómodos y ligeros.
Un campo donde juegan un papel fundamental las ropas fabricadas a partir de Nomex y Kevlar es el de la equipación de los Tedax, desactivación de exlosivos.

Protección para las fuerzas armadas:
El Kevlar se utiliza para muchos usos militares que se extienden en muchos ámbitos: la fragmentación y la protección antibalas, equipos antiminas, los bolsos de los paracaídas del asiento del eyector y los guantes protectores, entre otros. El Kevalar es hasta cinco veces más fuertes que el acero sobre una base del igual peso, por ejemplo, los cascos de Kevalr son más resistentes a los fragmentos de metralla que sus precursores de acero.
Los usos militares para el Kevlar incluyen el chaleco antibalas, toda la ropa del uniforme militar, cascos, guantes, cargadores, portadores de explosivos e incluso mantas balísticas.

Fuego y protección contra el calor:
El Nomex se utiliza para la fabricación de la ropa protectora antiincendios que se extienden desde los uniformes de la tripulación aérea hasta la ropa interior de los soldados.
La comodidad del Nomex, que puede ser tejido o ser hecho a punto incluso, se diseña específicamente para proporcionar transpiración. Además la ropa puede ser teñida en colores de camuflaje a la reflexión infrarroja.

Cada explosión causada por un  misil, una bomba o una granada genera con frecuencia una bola de fuego. La munición y el combustible aceleran más dicho fuego particularmente en el interior de los aviones, vehículos de lucha armados y naves.

La ropa fabricada a apartir de fibras de nomex tiene una excepcional durabilidad, de hasta cinco veces mayor que el polyester/algodón usado para el mismo fin.

Aplicaciones eléctricas:
Dondequiera que haya una necesidad del aislamiento eléctrico, hay generalmente productos de Nomex para satisfacer dichas necesidades. En sus variadas formas, sobre todo los papeles y los cartones prensados, podemos usarlo para aislamiento en transformadores, motores eléctricos, los generadores y todo tipo de equipos eléctricos.

Protección térmica:
El Nomex se utiliza en todos los tipos de motoresde CA y CC, en servomotores, a 13.6kV y en generadores industriales vapor-turbina 150MW.
Los motores pueden alcanzar temperaturas considerablemente superiores a la de diseño debido a sobrecargas, humedad, desequilibrio de fases, en el arranque y la parada, etc.

Aplicaciones eléctrónica
El papel y el cartón prensado de Nomex se utiliza en equipos electrónicos por sus características ignífugas excepcionales. También ofrecen alta resistencia térmical y resistencia. Se utilizan generalmente en interruptores y controles, en dieléctricos, etc.

Fuentes:
http://pslc.ws
http://www.dupont.com
http://www.fibersource.com
https://en.wikipedia.org