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Polímeros y elasticidad

Una molécula polimérica está formada por varios miles de unidades químicas repetitivas, o monómeros, unidas entre sí por enlaces covalentes. El conjunto de unidades enlazadas suele denominarse «cadena», y se dice que los átomos entre los que se produce el enlace químico constituyen la «columna vertebral» de la cadena. En la mayoría de los casos, los polímeros están formados por columnas vertebrales de carbono, es decir, cadenas de átomos de carbono (C) unidas por enlaces simples (C-C) o dobles (C=C). En teoría, las cadenas de carbono son muy flexibles, ya que la rotación en torno a los enlaces simples carbono-carbono permite que las moléculas adopten muchas configuraciones diferentes. En la práctica, sin embargo, muchos polímeros son bastante rígidos e inflexibles. Las moléculas de poliestireno (PS) y de polimetilmetacrilato (PMMA), por ejemplo, están formadas por unidades relativamente voluminosas, por lo que, a temperatura ambiente, el movimiento libre se ve obstaculizado por un fuerte apiñamiento. De hecho, las moléculas de PS y PMMA no se mueven en absoluto a temperatura ambiente: se dice que están en un estado vítreo, en el que la disposición aleatoria y «amorfa» de sus moléculas está congelada. Todos los polímeros son vítreos por debajo de una temperatura de transición vítrea (Tg) característica, que oscila entre -125 °C (-195 °F) para una molécula extremadamente flexible como el polidimetilsiloxano (caucho de silicona) y temperaturas extremadamente altas para moléculas rígidas y voluminosas. Tanto para el PS como para el PMMA, la Tg es de aproximadamente 100 °C (212 °F).

Algunos otros polímeros tienen moléculas que encajan tan bien que tienden a empaquetarse en una disposición cristalina ordenada. En el polietileno de alta densidad, por ejemplo, las largas secuencias de unidades de etileno que componen el polímero cristalizan espontáneamente a temperaturas inferiores a unos 130 °C (265 °F), de modo que, a temperaturas normales, el polietileno es un sólido plástico parcialmente cristalino. El polipropileno es otro material «semicristalino»: sus cristalitos, o regiones cristalizadas, no se funden hasta que se calientan a unos 175 °C (350 °F).

Así, no todos los polímeros tienen la flexibilidad interna necesaria para ser extensibles y altamente elásticos. Para tener estas propiedades, los polímeros deben tener pocos obstáculos internos al movimiento aleatorio de sus subunidades monoméricas (en otras palabras, no deben ser vidriosos), y no deben cristalizar espontáneamente (al menos a temperaturas normales). Al dejar de estar extendidos, deben ser capaces de volver espontáneamente a un estado desordenado mediante movimientos aleatorios de sus unidades repetitivas como resultado de las rotaciones alrededor del enlace carbono-carbono. Los polímeros que pueden hacerlo se denominan elastómeros. Todos los demás se denominan plásticos o resinas; las propiedades y aplicaciones de estos materiales se describen ampliamente por separado en el artículo plástico (resinas termoplásticas y termoestables).

Cuatro elastómeros comunes son el cis-poliisopreno (caucho natural, NR), el cis-polibutadieno (caucho butadieno, BR), el caucho estireno-butadieno (SBR) y el monómero etileno-propileno (EPM). El SBR es un polímero mixto, o copolímero, formado por dos unidades monoméricas diferentes, estireno y butadieno, dispuestas aleatoriamente a lo largo de la cadena molecular. (La estructura del SBR se ilustra en la figura.) El EPM también consiste en una disposición aleatoria de dos monómeros, en este caso, etileno y propileno. En el SBR y el EPM, el empaquetamiento y la cristalinidad de las unidades de monómero se ven impedidos por su disposición irregular a lo largo de cada molécula. En los polímeros regulares NR y BR, la cristalinidad se ve impedida por unas temperaturas de fusión del cristal bastante bajas, de unos 25 y 5 °C (aproximadamente 75 y 40 °F), respectivamente. Además, las temperaturas de transición vítrea de todos estos polímeros son bastante bajas, muy por debajo de la temperatura ambiente, por lo que todos ellos son blandos, muy flexibles y elásticos. Los principales elastómeros comerciales se enumeran en la tabla, que también indica algunas de sus propiedades y aplicaciones importantes.