¿Cómo se sintetiza un material elástico?
Para sintetizar un material elástico hay que saber qué tipo de polímeros lo conforman. Los materiales elásticos, conocidos como polímeros elásticos, están formados por elastómeros.
Los materiales elásticos son aquellos que se pueden deformar aplicándoles una fuerza, y una vez que esta deja de aplicarse, vuelven a su forma original. Por eso se sabe que un material tiene propiedades elásticas.
Uno de los ejemplos más sencillos de un material elástico se encuentra en las bandas elásticas (o ligas) que amarran los periódicos, las flores, o un fajo de billetes. Si se estiran, se observará que se deforman longitudinalmente, para después regresar a su forma original.
Cuando el material se deforma permanentemente, entonces no es elástico, sino plástico. Existen varios parámetros físicos que permiten diferenciar estos materiales, como su módulo de Young, su límite de elasticidad y la temperatura de transición de vidrio (Tg).
Además de estas cualidades físicas, químicamente, los materiales elásticos también deben cumplir con ciertos criterios moleculares para comportarse como tales.
De aquí surge un amplio abanico de posibilidades, mezclas y síntesis, sometidas a un sinfín de variables, que convergen en la “simple” característica de la elasticidad
Materia prima de los materiales elásticos
Los materiales elásticos están hechos de elastómeros. Estos últimos a su vez requieren de otros polímeros o “piezas moleculares” más pequeños, es decir, los elastómeros también ameritan sus propias síntesis a partir de prepolímeros.
Cada caso exige un minucioso estudio de las variables de proceso, las condiciones y por qué con dichos polímeros “funciona” el elastómero resultante y, por tanto, el material elástico.
Se tiene a continuación una serie de polímeros empleados para este propósito:
– Poliisocianato
– Poliol poliéster
– Copolímeros de etileno y propileno (es decir, mezclas de polietilenos y polipropilenos)
– Poliisobutileno
– Polisulfuros
– Polisiloxano
Además de muchos otros. Estos reaccionan unos con otros mediante diferentes mecanismos de polimerización, entre los cuales están: condensación, adición, o vía radicales libres.
Por lo tanto, cada síntesis implica la necesidad del dominio de la cinética de la reacción, para así garantizar las condiciones óptimas de su desarrollo. Asimismo, entra en juego dónde se hará la síntesis, esto es, el reactor, su tipo y las variables de proceso.
Características moleculares
– Los polímeros utilizados para la síntesis de los elastómeros tienen algunas cosas en común. Las propiedades de los primeros harán sinergia (el todo es mayor que la suma de sus partes) con las de los segundos.
– Para empezar, deben tener estructuras asimétricas, y, por lo tanto, ser lo más heterogéneas posibles. Sus estructuras moleculares necesariamente deben ser lineales y flexibles, esto es, la rotación de los enlaces simples no debe ocasionar repulsiones estéricas entre los grupos sustituyentes.
– El polímero no debe ser muy polar, ya que, de lo contrario, sus interacciones intermoleculares serán más fuertes y mostrará mayor rigidez.
– Los polímeros deben tener: unidades asimétricas, no polares y flexibles. Si reúnen todas estas características moleculares, entonces representan un potencial punto de partida para la obtención de un elastómero.
Síntesis de elastómeros
Teniendo seleccionada la materia prima y todas las variables de proceso, se prosigue con la síntesis de los elastómeros. Una vez sintetizados, y después de una serie posterior de tratamientos físicos y químicos, se crea el material elástico.
Pero para convertirse en elastómeros, deben sufrir algunas transformaciones.
Tienen que someterse a un entrecruzamiento o curado (crosslinking, en inglés), es decir, sus cadenas poliméricas se conectarán unas con otras por puentes moleculares, los cuales provienen de moléculas o polímeros bi o polifuncionales (capaces de formar dos o más enlaces covalentes fuertes).
La imagen de abajo resume lo anterior:
Las líneas moradas representan a las cadenas poliméricas o los bloques “más rígidos” de los elastómeros, mientras que las negras son la porción más flexible. Cada línea morada puede consistir en un polímero diferente, más flexible o rígido respecto al que le antecede o procede.
Estos puentes moleculares permiten que el elastómero enrollado sobre sí mismo (modo estático), pueda desplegarse bajo una presión de estiramiento (modo elástico) gracias a la flexibilidad de sus enlaces.
El resorte mágico (Slinky, por ejemplo, de Toy story) se comporta ligeramente parecido a como lo hacen los elastómeros.
Vulcanización
Entre todos los procesos de entrecruzamientos, la vulcanización es uno de los más conocidos. Aquí, las cadenas poliméricas se interconectan mediante puentes de azufre (S-S-S…).
Volviendo a la imagen superior, los puentes ya no serían de color negro, sino de color amarillo. Este proceso es indispensable en la fabricación de los neumáticos.
Tratamientos físicos y químicos adicionales
Sintetizados los elastómeros, los pasos siguientes consisten en tratar el material resultante para darles sus características singulares. Cada material posee su propio tratamiento, entre los cuales están el calentamiento, amoldamiento o molienda, u otros “curados” físicos.
En estos pasos se le adicionan pigmentos y otras sustancias químicas que aseguren su elasticidad. Asimismo, se evalúan su módulo de Young, su Tg, y su límite de elasticidad como análisis de calidad (además de otras variables).
Es aquí entonces donde el término elastómero queda sepultado por la palabra ‘caucho’: cauchos de silicona, nitrilo, natural, uretanos, butadieno-estireno, etc. Los cauchos son sinónimo de material elástico.
Síntesis de bandas elásticas
Para terminar, se dará una breve descripción del proceso de síntesis de las bandas elásticas.
La fuente de polímeros para la síntesis de sus elastómeros se obtiene a partir del látex natural, específicamente del árbol Hevea brasiliensis. Este es una sustancia lechosa y resinosa, que se somete a purificación y se mezcla luego con ácido acético y formaldehído.
De esta mezcla se obtiene una losa, de la cual se extrae agua exprimiéndola y dándole forma de bloque. Estos bloques se cortan en pedazos más pequeños en un mezclador, donde son calentados, y se les añade pigmentos y azufre para su vulcanización.
Luego, se cortan y se someten a extrusión para obtener varas huecas, dentro de las cuales ocuparán una vara de aluminio con talco como soporte.
Y finalmente, las varas son calentadas y retiradas de su soporte de aluminio, para ser una última vez exprimidas por un rodillo antes de ser cortadas. Cada corte genera una liga, e incontables cortes genera toneladas de ellas.
Referencias
- Elastomers. Recuperado de softroboticstoolkit.com
- Chapter 16, 17, 18-Plastics, Fibers, Elastomers. Recuperado de fab.cba.mit.edu
- Elastomer synthesis. Recuperado de: gozips.uakron.edu