Ingeniería de los polímeros
La producción de monómeros y sus reacciones para la obtención de polímeros cuenta con mas de la mitad de la actividad de la industria química, y las industrias de plásticos y polímetros son los mayores empleadores de ingenieros químicos. Aquí consideraremos los principios básicos de diseño de reactores usados para la polimerización. Podremos ver que las reacciones que intentamos manejar son cualitativamente diferentes de aquellas necesarias para diseñar reactores de otros procesos químicos.
Reacciones y reactores de polimerización
editarNo es difícil hacer que muchas moléculas reaccionen unas con otras para formar moléculas grandes con alto peso molecular, basta simplemente con calentar las pequeñas moléculas en un recipiente cerrado. Sin embargo, muchos de sistemas reaccionan por el rompimiento aleatorio de enlaces y por reacciones de cadenas de radicales libres (free radical chain reactions) para formar un sólido que es insoluble en todos los solventes y se descomponen o queman antes de que puedan ser fundidos.
El mayor progreso en la ciencia de los polímeros se produjo cuando científicos e ingenieros aprendieron como hacer polímeros lineales, los cuales consisten exclusivamente de moléculas de cadena larga. Estos sistemas pueden ser fundidos y manipulados bajo condiciones razonables tales que permitan convertirlos en fibras, formados en mallas, o inyectados en moldes. Los polímeros típicos de ingeniería tienen pesos moleculares de 10e3 a 10e5 UMA (unidades de masa atómica)[50 a 1000 unidades de monómeros de 28 a 100 UMA's cada una unidas], con muchas moléculas de polímero con pocas cadenas laterales ramificadas, a menos que estas sena adicionadas intencionalmente.
El siguiente avance llegó con el descubrimiento de como hacer polímeros lineales con unas pocas conexiones cruzadas (crosslinking) entre moléculas en alguna medida deseada. Estos materiales son incapaces de fluir y llegaron a conocerse como elastómeros. Un tipo final de estos son los polímeros fuertemente cruzados tales como los elastómeros epoxi y los urea-formaldehído, los cuales son procesados como monómeros para luego ser polimerizados a alguna velocidad y tiempo apropiado para hacer pinturas, adhesivos y materiales plásticos muy fuertes y durables.
Típicamente se bosqueja una molécula de polímero lineal como una larga cadena que en solución se enrolla para formar una esfera rugosa. Los polímeros son algunas veces ramificados y otras veces cruzados como se muestra en la figura 1.
El propósito general de producir polímeros es encontrar químicos sintéticos que puedan ser fabricados a materiales que dupliquen y reemplacen a aquellos que se encuentran en la naturaleza. Como se ha visto previamente, se intenta encontrar reemplazos para polímeros naturales como cueros, madera, algodón, seda, caucho, pegamentos, pinturas a los que nuestros ancestros descubrieron muchos usos como vestimentas, utensilios, y otros. Se quiere encontrar maneras de reemplazar estos materiales económicamente y con propiedades que se puedan controlar y modificar para aplicaciones particulares.
Las etapas de la producción de polímeros y plásticos pueden ser descritas como:
materias primas → monomeros → polímeros → polímeros procesados
En esta sección se considera la segunda y tercera etapa el proceso de polimerización, en las cuales el monómero es convertido a polímero y el procesamiento de este polímero a su forma final en la cual será usado.
Existen básicamente dos principales clases polímeros lineales: 1) polímeros por adición, y 2) polímeros por condensación, y la gran mayoría de polímeros pueden ser divididos en estos dos grupos. Se distinguen estos tipos de polímeros por separado debido a que su cinética y reactores son diferentes.