polímeros y CCMC - Eureka! Zientzia Museoa

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Repasando los contenidos que se proponen para la nueva asignatura, trabajar
sobre el tema de polímeros pueda dar bastante material para cubrir muchas
de las propuestas que se hacen en el apartado 5. Nuevas necesidades,
nuevos materiales. Entre la información que voy a proporcionar en esta charla
se pueden encontrar puntos de arranque para los epígrafes que yo he
marcado en rojo. Alguna de la información que propongo puede ser también
de interés para la preparación de experimentos sencillos que permitan adquirir
algunas de las competencias previatas
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Casi nadie pone hoy en día objeciones a la frase de que los plásticos forman
parte de nuestra vida diaria. La simple contemplación de la transparencia
refleja lo que la mayor parte de la gente entiende por plásticos. Sin embargo,
hay más oro que el que reluce en esas fotos y además puede dar mucho
juego en CCMC como vamos a ver.
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Porque lo que la gente en la calle entiende por plásticos forman parte de un
colectivo mucho más amplio que, los que a ello nos dedicamos, denominamos
Polímeros (o Macromoléculas, aunque este último término es más usado en
el ámbito biológico). Entender lo que es un polímero no es difícil, con unos
conocimientos rudimentarios de Química. Si uno habla de los compuestos
orgánicos más sencillos, los hidrocarburos, y va recorriendo la serie,
aumentando el número de carbonos e hidrógenos enlazados por enlaces
covalentes, se encuentra con gases como el metano o butano. Con líquidos
como el heptano o el octano de las gasolinas. Semisólidos como las ceras de
iglesia que ya tienen 30 o más átomos de carbono. Pues bien, cuando uno
tiene miles de esos carbonos unidos tiene el polietileno de las bolsas de
basura, los tupperware o algunos filmes de cocina.
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Los plásticos son un tipo particular de polímeros que tienen un
comportamiento peculiar. Se reblandecen (funden) con el calor y al enfriar
adoptan la forma del molde que los contiene. Algo parecido a lo que hace las
cera de las velas de iglesia con la que podeis hacer un experimento similar al
que se ve en el vídeo. Pero si se vuelven a calentar y se introducen en un
molde distinto el resultado es diferente. Técnicamente se les llama por eso
termoplásticos y, de ahí, la denominación de plásticos. Pero hay mucho
polímeros en nuestra vida cotidiana que no son termoplásticos o plásticos. Y
hay que tenerlos en cuenta. De ahí el doble nombre del titulo de esta charla.
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En las siguientes transparencias voy a proponer una serie de temáticas que
pueden venir bien para incorporar el mundo de los plásticos a vuestros
planteamientos del mencionado Apartado 5. Por supuesto que hay muchas
más posibilidades disponible pero una hora y poco no da para mucho más.
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Los polímeros son materiales jóvenes que la Ciencia nos ha puesto al alcance
de la mano para aplicaciones y prestaciones imposibles de alcanzar con los
materiales de los que disponíamos a finales del siglo XIX. Pero antes de que
la industria los desarrollara en la extensión que lo ha hecho, el hombre ya
había utilizado polímeros disponibles en la naturaleza, desconociendo su
carácter de largas moléculas. Conocer dichos polímeros puede ser un buen
tema a desarrollar. Hay que mencionar, además, que algunas de las
propiedades de estos polímeros presentes en la Naturaleza son difíciles de
mejorar con los puramente sintéticos.
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En los años 20 y 30 del siglo pasado, la Química Orgánica era un hervidero. Y
en su loca producción de nuevas reacciones y moléculas, los químicos
orgánicos se encontraban muchas veces con sustancias a las que no podían
hacer lo clásico: disolverlas en un buen disolvente y recristalizarlas para
obtener sustancias puras. En 1927 Staudinger propuso que todos esos
“problemas” se derivaban del carácter macromolecular o polimérico de esas
sustancias que les confería propiedades diferentes. Al pobre Staudinger le
llovieron las críticas y lo más fino que dijeron de él es lo que le escribió su
amigo Weiler, un conocido orgánico alemán, que no le llamó guarro pero
casi….
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La hipótesis de Staudinger estaba basada no sólo en las experiencias de los
químicos orgánicos del momento sino en las realizadas por químico-físicos
con materiales que estaban en la naturaleza y que ya se venían empleando
en los siglos precedentes. Como el caucho natural, conocido desde tiempos
de C. Colón, que vió a unos indígenas jugando a un precedente del fútbol con
una bola gomosa que preparaban a partir del látex exudada por ciertos
árboles tropicales. Con ese látex convenientemente recolectado y tratado se
obtiene el llamado caucho natural.
Hoy sabemos que el caucho natural es un polímero o cadena larga en la que
se repite cientos o miles de veces la molécula del isopreno.
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A partir del caucho natural, Goodyear produjo materiales que fueron
fundamentales en el desarrollo de la industria automovilística americana. Para
que fuera utilizable en ruedas, el caucho se sometía a un proceso llamado
vulcanización, mezclándolo con azufre y calentándolo. El resultado es el
caucho oscuro de los neumáticos, donde grupos azufre unen las largas
cadenas del polímero contenido en el caucho. Ello hace que el caucho
vulcanizado sea más rígido, no se disuelva en los disolventes que el primero
se disuelve y que una vez moldeado como una rueda ya no sea posible
moldearlo en otra forma. El caucho es, pues un polímero pero no un plástico.
Lo denominamos termoestable, la otra gran familia de polímeros.
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Una parte importante de las conclusiones de Staudinger se basaban en
estudios hecho con la celulosa, constituyente fundamental de las fibras
vegetales. La celulosa, y su primo el almidón, son polímeros. La unidad que
se repite en este caso es la molécula de glucosa que se une a otra mediante
enlaces de oxígeno que surgen de los OHs que contiene. Pero dependiendo
por donde se unan esas unidades (y hay muchas posibles combinaciones en
cadenas largas) el polímero resultante es diferente y surge así una gran
familia de polímeros que llamamos polisacáridos. Como ejemplo de la
importancia de esa diversidad de composiciones podemos decir que aunque
la unidad repetitiva es la misma, el almidón es asimilado por nuestro
organismo que lo rompe para obtener la glucosa que necesitamos de
“gasolina” y la celulosa sale como entró, aunque dicen que protege con ello
nuestro tracto intestinal.
Hay muchos polisacáridos por lo que el tema puede dar juego. Como la
quitina de las setas y las cáscaras de crustaceos que da lugar al quitosano,
un polímero natural muy empleado. O la goma arábiga que veremos despues.
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Todos nosotros hemos dependido desde el origen de la vida de otros
polímeros. Las proteínas que nos ayudan a vivir son otros polímeros naturales
que se obtienen a partir de moléculas sencillas llamadas aminoácidos.
Un aminoácido, como su nombre indica, es una molécula que contiene un
grupo amina por un lado y un grupo ácido por el otro. Aminoácidos hay
muchos y la transparencia muestra algunos conocidos.
Es conocida en Química Orgánica la reacción entre un grupo ácido con un
grupo amina para dar un grupo amida y agua. Pero, en la reacción entre dos
aminoácidos iguales o distintos, tras esa reacción a la molécula resultante le
sigue quedando un grupo amina por un lado y un ácido por el otro, por los que
seguir condensando con más moléculas similares. Al final surge un polímero
que, en realidad es una poliamida, pero que los bioquímicos llaman
polipéptido. Las combinaciones son muy variadas y como ejemplo tenemos el
de la insulina de la transparencia, donde, para complicarlo aún más, hay
puentes de azufre entre cadenas de poliamida. Proteínas o poliamidas son
también la seda natural o los hilos de la tela de araña. Ambas están
constituidas fundamentalmente de glicina y alanina con pequeños porcentajes
de otros aminoácidos como la serina que no aparece en la imagen.
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Relacionado con lo que acabamos de contar sobre la seda, hay otro tema
interesante a desarrollar, como es el de las prendas que vestimos todos los
días. Ya hemos dicho que la seda natural es en realidad una proteína o
poliamida. Por otro lado, el algodón es una conjunto de fibras de celulosa casi
pura unidas entre sí, así que también en este ámbito se han utilizado
polímeros naturales desde hace mucho tiempo. Incluso se utilizaron, antes de
la hipótesis macromolecular, fibras semisintéticas como el rayon o viscosa
obtenido por modificación química de la celulosa, al ser tratada con disulfuro
de carbono. Pero la irrupción del concepto de polímero en 1927 dio lugar a
nuevos tipos de materiales, obtenidos al 100% a partir de reacciones de
síntesis química, susceptibles de ser usados como alternativa a esos
materiales textiles de toda la vida.
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Con parecida idea a la obtención de proteínas a partir de aminoácidos,
Carothers de DuPont obtuvo a principios de los años 30 poliamidas sintéticas
a partir de la reacción entre diácidos o diaminas, comprobando enseguida las
posibilidades que proporcionaban el hecho de poderlas hilar. Las poliamidas o
nylons iniciaban así su historia.
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El hilado no es más que fundir el polímero y hacerlo salir, en estado fundido, a
través de una especie de multichurrera. En ese proceso, las largas moléculas
de la poliamida se orientan en la dirección en la que son forzadas a salir,
cristalizan y proporcionan materiales resistentes. La irrupción de las primeras
medias de “seda artificial” o nylon produjo en San Francisco el 15 de mayo de
1940 un auténtico tumulto popular.
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Poliamidas obtenidas con diácidos y diaminas que contienen grupos benceno
(poliamidas aromáticas) son materiales mucho más resistentes. Las más
conocidas son el Kevlar y el Nomex con aplicaciones en chalecos y cascos
antibalas, protecciones antifuego y otras aplicaciones no específicamente
textiles como materiales compuestos en los que estas fibras se combinan con
otros termoplásticos para dar materiales ultrarresistentes en el ámbito de la
aeronáutica, las tablas de surf, pértigas de competición, cascos de
embarcaciones, etc.
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Carothers desarrolló también para Dow fibras de poliéster, en una reacción de
condensación similar a la de las poliamidas pero quizás más conocida (acido
más alcohol, éster más agua).
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El poliéster más conocido es el polietilen tereftalato (PET) en el que el diácido
empleado es aromático (tiene un anilllo de benceno). El PET sirve lo mismo
para un roto que para un descosido. En fibras de poliéster que nos vendieron
al principio como Tergal o Terylene, constituyen la base de muchas de las
cosas en cuya etiqueta pone poliéster.
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Pero curiosamente, si no hilamos ese material, podemos obtener botellas. De
hecho, las botellas de PET son la alternativa más consistente al vidrio para
envasar todo tipo de bebidas, dada su reciclabilidad como buen termoplástico.
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Los poliuretanos son otros materiales similares que se preparan al hacer
reaccionar dialcoholes con diisocianatos. Jugando con la reacción pueden
obtenerse diversos tipos de materiales de poliuretano como termoplásticos,
espumas… Pero también se pueden obtener materiales algo más complejos
que se pueden hilar y la Lycra (nombre comercial de otra fibra de la DuPont)
es un buen ejemplo desde hace muchos años.
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Los polímeros más vendidos en el mundo son todos termoplásticos o
plásticos. Se pueden moldear en variadas formas y objetos y ser reciclado, al
menos un reducido número de veces, por esa plasticidad.
Se trata del PE, PP, PVC, PS y sus derivados y, aunque no están en la
gráfica, los acrílicos.
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El polímero más vendido es el polietileno. Su descubrimiento fue uno de los
muchos casos que los ingleses llaman serendipity y cuya mejor traducción es
“por chiripa”. Tras una explosión en principio inexplicable y cinco años de
testarudez, ICI comercializó el llamado polietileno de alta presión o de baja
densidad (LDPE), obtenido a partir del gas etileno, el mismo que producen las
frutas al madurar y que autoacelera esa maduración. Al principio, fue un
secreto militar de los ingleses, que lo usaron en las estaciones de radar y en
los cable submarinos.
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Ese polietileno, convenientemente transformado en objetos útiles constituyó
una auténtica revolución como material. Pronto se fabricaron con él bolsas de
todo tipo y los famosos recipientes que, comercializados por la firma
Tupperware y vendidos, sobre todo, en reuniones en casas particulares, se
fueron implantando primero en USA y luego en Europa.
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Pero, curiosamente, en las mismas condiciones en las que se pudo
polimerizar el etileno, no polimerizaba el propileno, una molécula muy similar.
Hubo que esperar hasta los años 50 para con ayuda de catalizadores poder
polimerizarlo. Esos mismos catalizadores producían un polietileno diferente,
de mejores propiedades que el LDPE.
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Hoy sabemos que ello es debido a que la presencia de los catalizadores hace
que las unidades de monómero entren de forma determinada. Por ejemplo, en
el caso del polipropileno hace que los grupos entren de forma y manera que el
grupo metilo colgante quede siempre igual (ISOTACTICO). Esto que parece
complicado de entender se puede aclarar mediante un simil de una cadena
humana. Una cadena isotáctica es como una cadena humana en la que cada
persona une su mano izda con la derecha del anterior y su mano derecha con
la izda del siguiente. Cuando esa cadena humana estuviera al azar en una
playa no veríamos nada desde arriba pero si los alineáramos en la orilla todos
mirarían al mar o le darían la espalda. Si a los miembros de la cadena les
dejáramos unirse las manos como quisieran ese resultado no se obtendría.
Poner como condición a cada nueva persona el que utilizara primero su mano
izda para unirse a la cadena ya formada, estaríamos imponiendo una
restricción similar a la que impone el catalizador a la hora de unirse los
monómeros.
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Tanto los polietilenos de alta densidad como el iPP han encontrado acomodo
en variedad de objetos para diversos usos.
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A pesar de que probablemente sea el material polimérico con peor fama
existente en el mercado, el policloruro de vinilo (PVC) se sigue vendiendo en
cantidades importantes y mantiene en los últimos años tasas anuales de
crecimiento entre el 2-3%. El PVC es un material que se obtiene a partir del
cloruro de vinilo, un gas de olor dulce que, desde los años 70, se sabe que es
el causante de un tipo raro de cáncer de hígado conocido como
angiosarcoma. Ello ha obligado a introducir en su producción toda una serie
de medidas que aseguren que ese gas no entre contacto ni con los operarios
de la planta ni con el medio ambiente exterior. El cambio más fundamental,
con respecto a las plantas existentes anteriormente, es que muchas de ellas
trabajaban con reactores semicontinuos que había que abrir y limpiar tras
cada proceso. En la tecnología actual se trabaja en reactores continuos
completamente aislados.
Además, la polimerización tiene que llevarse a cabo de forma que el polímero
resultante, que ya no tiene ningún poder cancerígeno, contenga la menor
cantidad posible (estamos hablando de partes por billón o menos) de
monómero residual. En cualquier caso, las implicaciones medioambientales
del PVC las veremos en otro apartado.
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Existen dos formas de empleo del PVC. En algunas aplicaciones, el PVC se
emplea como un sólido rígido. Son formulaciones a base de PVC y alguna
sustancia inorgánica como el carbonato de calcio que abarata el conjunto,
además de pequeñas cantidades de otros aditivos que lo estabilizan frente a
la luz o el calor.
El PVC rígido se emplea sobre todo en el ámbito de tubos para todo tipo de
conducciones (agua, eléctricas, gases) además de su empleo en perfiles de
puertas y ventanas, en materiales para tejados ligeros, etc.
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Sin desmerecer las aplicaciones anteriores (importantes por su volumen), el
PVC ha mostrado su versatilidad en su empleo como material flexible,
gracias a la adición de ciertas sustancias que lo convierten en un material
blando, aunque con poca resistencia mecánica (que, sin embargo, se puede
mejorar con cargas inorgánicas como caolín o cuarzo). Su resistencia química
se limita a los compuestos inorgánicos pues muchos orgánicos extraen con
facilidad los plastificantes.
Se utiliza de forma profusa para fabricar todo tipo de objetos flexibles desde el
llamado cuero artificial a pavimentos y revestimientos de paredes en forma de
paneles y losetas (acordaros los viejos del SINTASOL), papeles pintados
lavables, recubrimientos de cables, cortinas de ducha, botellas de agua,
bolsas para plasma y medicamentos en hospitales, salpicaderos de
automóviles, fibras. También se comercializan espumas de PVC plastificado.
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El poliestireno fue introducido en los años 30 de forma casi simultánea en
USA y Europa. Es un material barato, transparente, que funde a 100ºC y que
se puede moldear en una gran variedad de objetos.
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Mediante el empleo de agentes espumantes, sustancias que desprenden un
gas y que crean estructuras muy ligeras, se obtiene el poliestireno expandido,
de gran utilidad en el aislamiento térmico y acústico de edificios, en bandejas
y recipientes para alimentación, en el embalaje de objetos que necesiten ser
protegidos, etc.
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Otra denominación genérica que todo elmundo ha usado alguna vez es la de
acrílicos. Hay dos grandes familias: los metacrilatos y los acrilatos.
El más conocido de todos los polímeros acrílicos y metacrílicos es el
polimetil metacrilato (PMMA). Se trata de un termoplástico amorfo que
funde alrededor de 110ºC y que se ha comercializado por diferentes
compañías bajo nombres tan conocidos como Plexiglas, Lucite o Acrylite.
Es un material de acusada transparencia por lo que ha recibido el nombre de
vidrio acrílico, con usos en muchos casos sustitutivos del propio vidrio. Y así,
se emplea de forma profusa en intermitentes y otros dispositivos luminosos de
los automóviles, en las ventanillas de los aviones o en los cuerpos de los
helicópteros. Existe toda una gama de muebles fabricados en metacrilato,
mamparas transparentes, vidrios de seguridad de oficinas bancarias, paneles
publicitarios. El PMMA es también el componente mayoritario de muchos
cementos óseos empleados tanto en traumatología, para reparar fracturas,
como en odontología, para prótesis dentales.
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El resto de derivados acrílicos tienen también aplicaciones variadas, entre las
que cabe mencionar su uso en pinturas (acrílicas) de diversas aplicaciones.
Las dispersiones de partículas de polímero en agua, que se conocen con el
nombre de látex pueden ser empleadas tal y como salen del reactor. Al
depositar la pintura sobre una superficie, el agua se evapora y el polímero
acrílico forma un recubrimiento sobre la superficie a pintar.
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Casi nadie identificaría, a nivel de calle, los adhesivos con los plásticos y, sin
embargo, ambos son polímeros y muchos adhesivos son termoplásticos,
porque pueden fundir y adoptar formas diferentes más de una vez. Pero otros
no lo son.
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El concepto de adhesivo hoy en día es muy amplio, incluyendo no sólo los
que se aplican de forma más o menos líquida sino cosas como las cintas
adhesivas, etiquetas autoadhesivas, sellantes de silicona, todo tipo de
adhesivos empleados en construcción, los llamados hot melts que luego
veremos y que se emplean en la distribución de bebidas, alimentos, etc.
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Desde la remota antigüedad, el hombre ha tenido necesidad de unir
cosas. Por ejemplo, el hombre de las cavernas ya empleaba adhesivos
de origen natural, como la cola de pescado, obtenida por simple
extracción con agua caliente de raspas y pieles de pescado, el engrudo
de almidón o la caseína, que se extrae de la leche, fue empleada como
adhesivo en la época faraónica y se ha transmitido hasta nuestros días.
La famosa cola Elmer era cola de caseína. En la época precolombina, el
látex de los árboles de caucho también se empleaba como adhesivo...
Otro adhesivo de origen natural es la denominada goma arábiga.
Extraída de la acacia, se trata de una mezcla de polisacárido (contiene
galactosa y arabinosa entre otros). Es comestible y de hecho se ha
utilizado en la fabricación de golosinas como las gominolas. Por esa
razón, ha sido empleada durante años como adhesivo en los sellos de
correos, al permitir ensalivarlos para su pegado sin que el usuario sufra
daño alguno. De hecho, el primer sello acuñado en Inglaterra en 1840 (el
famoso penny black) ya se pegaba gracias a la goma arábiga. El proceso
es además reversible y por eso los sellos se despegaban poniéndolos
simplemente en agua.
Pero ha sido la irrupción de los polímeros sintéticos lo que ha cambiado
el mundo de los adhesivos.
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Tanto los adhesivos de origen natural como sintético rara vez suelen estar
constituidos por un polímero puro. Aunque éste juega el papel fundamental
de aglutinante, suele ir acompañado de algunos aditivos que tienen distintas
funciones, como disolventes que fluidifican la muestra y facilitan la aplicación,
catalizadores que provocan reacciones de reticulación, cargas que abaratan
el producto, etc. Pero, como acabamos de mencionar, el papel fundamental
de adhesión le corresponde al polímero. Los polímeros empleados en
adhesivos pueden ser termoplásticos o termoestables.
Una vez que el adhesivo en estado líquido moja a la superficie, el polímero
que lo constituye solidifica. A veces, simplemente porque el disolvente se
evapora y se forma un filme en la interfase. En otros casos, porque un
monómero polimeriza. Otras veces porque se aplica un polímero fundido más
o menos caliente que posteriormente solidifica al enfriarse.
Finalmente, y aquí conectamos con los materiales termoestables de las
primeras páginas de esta charla, porque se produce una reacción de
reticulación como la que hemos visto en la vulcanización del caucho,con la
subsiguiente solidificación.
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Repasaremos ahora diferentes tipos de adhesivos atendiendo a una
clasificación que tiene en cuenta el modo en el que se produce el proceso de
solidificación que da lugar a la unión entre las superficies a pegar. El
Pegamento Imedio fue el adhesivo universal empleado en España en los años
sesenta y setenta. Aunque originalmente era una disolución de acetato de
celulosa en acetona, posteriormente fue evolucionando hacia otros
componentes como el poliacetato de vinilo disuelto en acetato de etilo, el
propio acetato de celulosa disuelto en acetato de etilo, etc. La idea es que al
evaporarse el disolvente queda un filme polimérico entre las superficies a unir.
Hoy en día, se tiene una tendencia clara a la prohibición de productos que
provoquen la eliminación de compuestos orgánicos volátiles (VOCs) a la
atmósfera, como es el caso de los disolventes arriba mencionados. Por esa
razón, muchos de los adhesivos tienden, hoy en día, a emplear agua como
medio y, en ese sentido,estos adhesivos en fase acuosa están muy
relacionados con las pinturas al agua antes descritas.
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Los cianoacrilatos son compuestos de estructura similar a la que se muestra
en la figura, donde aparece la del cianoacrilato de etilo, el que dio origen a
esta familia de adhesivos. Estos monómeros polimerizan rápidamente (y en
algunos casos violentamente) en presencia de sustancias básicas. Para
rebajar un poco esa violencia se usan diferentes variantes que consisten en
sustituir el grupo etilo por otros. Pero el caso es que siguen polimerizando con
gran rapidez incluso en presencia de agua, la base más débil que podamos
pensar. Así que cuando abrimos nuestro tubo de Superglue que contiene un
monómero de ese tipo, basta con la humedad que hay siempre en el
ambiente para que aquello polimerice y actúe como nexo de unión entre las
partes en presencia. Basta incluso con la humedad en nuestros dedos.
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Los llamados adhesivos hot-melt (fundido en caliente) son en realidad
termoplásticos. Muchos de ellos son copolímeros EVA (a base de etileno y
acetato de vinilo) o poliolefinas a base de etileno y propileno, que funden a
temperaturas relativamente bajas para posteriormente solidificar, al enfriarse
entre las superficies a unir. Para aplicaciones puntuales se venden en forma
de cilindros de más o menos diámetro que se aplican con una pistola que
calienta el polímero hasta la temperatura necesaria para ponerlo en estado
líquido.
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La historia de los adhesivos de contacto arranca en los años 20 del siglo
pasado cuando un científico de 3M ideó una cinta adhesiva para permitir que
los pintores de carrocería de los coches de la época pudieran pintarlos de
forma eficiente con franjas de varios colores.
El siguiente paso se produjo en los años sesenta, la presentar la misma 3M la
llamada Transparent Magic Tape (cinta mágica transparente) en el que el
adhesivo era un polímero acrílico obtenido en forma de minúsculas esferas
que se adherían al sustrato de forma tangencial, con unas fuerzas más
débiles, lo que permitía un despegue más fácil. Adhesivos de ese tipo se han
empleado en sellos de correo, reemplazando a la goma arábiga. Adhesivos de
contacto de carácter similar a los anteriores son los famosos Post it, tan
implantados hoy en día como material de oficina.
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Algunos adhesivos, como hemos dicho, no son termoplásticos sino
termoestables. Uno de los adhesivos más conocidos en este campo son las
resinas epoxi. Las resinas epoxi surgen de la reacción entre el bisfenol A y la
epiclorhidrina, con un ligero exceso de ésta que asegure que en la cadena la
presencia de grupos finales tipo epoxi. Lo que finalmente se obtiene es un
oligómero que no contiene más allá de quince unidades de la entidad
representativa del polímero.
Las resinas así obtenidas curan gracias a la acción de agentes de reticulación
que unen estas cortas cadenas entre sí usando los grupos finales y a la de
adecuados catalizadores que aceleran ese proceso de curado. Como agentes
de curado se usan aminas alifáticas y aromáticas y anhídridos de ácido.
En muchos casos, como en las bien conocidas resinas Araldit de Ciba la
resina y el endurecedor se venden por separado. El proceso de reticulación
se genera “in situ”, mediante una mezcla en proporciones adecuadas de
cantidades de uno y otro tubo. La acción del calor y de los catalizadores
adicionados es suficiente para provocar el curado en unos pocos minutos,
hasta obtenerse finalmente un sólido duro. También puede ocurrir que la
formulación sea de un único componente, en el que está incluido un
endurecedor latente, que sólo reacciona por acción del calor.
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La capacidad de adhesión de las epoxi ha hecho que muchas soldaduras y
remaches en la industria automovilística o aeronáutica hayan sido
reemplazados por uniones en base a epoxi. Muchas estructuras en panel o
nido de abeja se fundamentan en las propiedades adhesivas de estos
materiales.
Pero las resinas epoxi no se usan sólo como adhesivos que unan superficies.
Cuando se introdujeron en los 50 se resaltaban sus excelentes capacidades
como material de recubrimiento. Y eso sigue siendo hoy cierto. Aunque son
más caras que otros materiales de recubrimiento, su excelente adhesión a
todo tipo de materiales y su carácter inerte a muchos agentes químicos, las
hacen competitivas en este campo.
Acabados en base epoxi se usan en caminos y suelos de cemento, porches,
instrumentos metálicos y muebles de madera. Se emplean también en
acabados de depósitos y otros contenedores que necesiten resistir la acción
de agentes químicos. En el mismo ámbito del recubrimiento o protección es
bastante usual embutir en epoxi dispositivos eléctricos que necesiten ser
protegidos de la acción de la humedad, el calor o los agentes químicos. Y así,
partes de motores eléctricos, transformadores de alto voltaje, relés y otros
muchos componentes pueden protegerse tras ser embutidos en una epoxi.
Tanto en esta aplicación como en la de adhesivo es la excelente capacidad de
mojar sustratos y su adhesión a superficies de todo tipo lo que condiciona su
valía.
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Las siliconas son polímeros en los que, en la mayoría de los casos, se repite
la unidad del dimetil siloxano. Cadenas lineales (y por tanto termoplásticas)
de polidimetil siloxano (PDMS) y otros relacionados se emplean en
aplicaciones como fluidos de calentamiento, agentes desmoldeantes, etc., así
como en estado sólido o semisólido como termoplásticos moldeables. Sin
embargo, en este apartado, la atención se va a centrar en polímeros
reticulados de estas unidades de dimetil siloxano (cauchos de silicona)
usados como adhesivos y sellantes en diversos ámbitos de la construcción.
La reacción de reticulación se provoca mediante el mezclado del PDMS con
iniciadores de tipo peróxido que, al descomponerse a las temperaturas o
condiciones adecuadas, generan radicales que abstraen hidrógenos de los
metilos sustituyentes, posibilitando la unión entre ellos y la formación de
retículos tridimensionales.
Estos cauchos son estables térmicamente y el mantienen su elasticidad
hasta muy bajas temperaturas. Además de su empleo extendido como
adhesivos y sellantes de todo tipo, donde también es fundamental su
capacidad de adhesión, estos materiales se usan en aeronáutica
(amortiguadores de vibración, equipos de aislamiento), en medicina (tubos
esterilizables, septums de antibióticos), juntas eléctricas, encapsulado de
componentes electrónicos), etc.
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Son también poliuretanos termoestables los que compiten con las siliconas en
el ámbito de los adhesivos y sellantes. Sus usos son muy variados. En la
transparencia sólo se ilustran algunos de los usos en los que se emplean
estos adhesivos y sellantes.
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La irrupción de los polímeros, materiales sintéticos desconocidos
prácticamente hasta los años 30 del siglo pasado, ha generado un problema
medioambiental difícil de prever cuando estos materiales se introdujeron
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Aunque es importante marcar bien el territorio. Poco más de un 4% del
petróleo que se extrae se emplea por la industria petroquímica para la
producción de sustancias químicas susceptibles de ser empleadas como
monómeros, a partir de los cuales, sintetizar polímeros.
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A pesar de ello, una parte importante de la población identifica plásticos con
basura que se acumula de forma descontrolada.
Y ello es debido que una parte significativa (40%) de todos los termoplásticos
que se producen en el mundo se emplean en el sector del envase y embalaje
y una parte importante de ellos tienen un ciclo de vida muy corto, acabando
rápidamente en los Residuos Sólidos Urbanos (RSU). En contra de los que
pudiera parecer, y debido a su pequeña densidad, los polímeros no llegan a
suponer más que el 8-10% de los citados RSU en peso, aunque si pasamos a
volumen, la cifra se puede ir en torno al 20%.
La eliminación de los residuos plásticos plantea el problema de su estabilidad.
Se trata de materiales que, en la mayoría de los casos, no se biodegradan,
por lo que su cada vez más extendido uso está planteando problemas.
Como en otros materiales constitutivos de los RSU, las soluciones pasan por
el cada vez más impopular y costoso depósito en vertederos o por la solución
de las tres R: Reducir, Reutilizar, Reciclar.
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El Reciclado, en el momento presente, es la única solución que permitiría un
destino razonable de los Residuos Plásticos. Se contemplan tres diferentes
alternativas de reciclado, a saber:
Reciclado mecánico o utilización de dichos materiales en sucesivos
procesados. Es una solución solo viable para los termoplásticos que permiten
moldeados diversos, aunque perdiendo propiedades en cada uno de ellos. El
reciclado mecánico necesita, sin embargo, de una buena separación previa
de los diferentes materiales empleados, ya que la mayor parte de ellos son
incompatibles entre sí y una mezcla de ellos, tal y como se encuentra en los
RSU, proporcionaría materiales inservibles para muchas aplicaciones.
Reciclado químico, que implica procesos en los que el polímero, de alguna
manera, se despolimeriza, dando lugar a materiales monoméricos
reutilizables en la obtención de nuevos polímeros.
Valorización energética o incineración. La mayor parte de los polímeros
contienes fundamentalmente C,H, O y N y tienen calores de combustión
similares o mayores que el carbón o el gas natural. Aunque es cierto que
algunos, como el PVC, pueden plantear problemas de eliminación posterior
de los gases de la combustión es una solución que viene siendo aceptada
desde hace años por muchos países del área occidental.
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La incineración de plásticos nos introduce directamente al material más
denostado en estos asuntos: el PVC y la acusación siempre presente de que
es el causante de la generación de la mayor parte de las dioxinas que se
producen en una incineradoras. Bajo el nombre de dioxinas se esconde una
vasta familia de derivados policíclicos como los que se ven en la pantalla y
sus derivados sustituidos. Por ejemplo, el compuesto que tiene cuatro cloros
en los carbonos 2, 3, 7 y 8 de la estructura que la transparencia llama PCDD,
es tenido por uno de los compuestos químicos más peligrosos. Las dioxinas
son compuestos muy estables y tienden a acumularse en los organismos
vivos.
Aunque las dioxinas se producen en muchos procesos naturales (incendios
de bosques y casa de madera) e industriales (papeleras, hornos de acerías,
combustión en automóviles), se sigue creyendo que una parte importante de
las dioxinas provienen de procesos de incineración (incluidos los de los
cadáveres) y, dentro de ellos, de la incineración de plásticos que contienen
cloro, sobre todo el PVC.
La polémica sigue abierta y los puntos de vista dependen mucho de la postura
de cada uno pero debe tenerse en cuenta que en las basuras urbanas el PVC
representa menos del 1% y que hay estudios como el de la Universidad de
Lancaster en 1996 que mostraban que el nivel de dioxinas en el Reino Unido
había caído a niveles de los años 40, tras un pico en 1972. Y sin embargo,
desde los 70, el consumo de PVC sigue creciendo.
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Pero hay otros frentes en el que el PVC es un absoluto demonio medioambiental. Ya hemos
mencionado previamente la peligrosidad del cloruro de vinilo y la adaptación de las
tecnologías de producción de cara a eliminar lo más posible ese efecto dañino. Según
Greenpeace hay que eliminar el PVC del ámbito de la construcción porque su combustión
produce ácido clorhídrico, contribuyendo, por tanto, a la lluvia ácida. El argumento parece
consistente pero, sin embargo, habrá que matizar, pues los incendios son fortuitos y la
presencia de cloro en la unidad repetitiva del PVC lo convierte en un material
autoextinguible, es decir, las llamas no se propagan a través de él, como es fácil de
observar si acercamos una llama a una tarjeta de crédito, muchas de ellas de PVC.
Otra polémica ha estado centrada en el uso de plastificantes a base de ftalatos para
conseguir el llamado PVC flexible. Tras un informe médico en el que se relacionaba a éstos
plastificantes con la progresiva disminución de la fertilidad masculina, la polémica ya estaba
servida. Debe tenerse en cuenta que el PVC flexible se ha usado durante años en juguetes,
en mordedores infantiles, en una serie de objetos en los que cabía la posibilidad de migración
del plastificante hacia la superficie y su posterior arrastre por la saliva o el sudor de quien
muerda o maneje estos objetos. La inmediata reacción ha sido la eliminación del PVC en la
fabricación de este tipo de objetos, a los que pudieran estar expuestos los niños.
Sin embargo, la mayor parte de los informes que organismos internacionales han encargado
al respecto son bastante tranquilizadores. No está suficientemente demostrada la
peligrosidad de esas sustancias en las concentraciones que, usualmente, pueden pasar a los
seres humanos. Y de hecho, como hemos visto en una foto anterior, el PVC es el
componentes fundamental de las bolsas de sueros, que se inyectan directamente vía
intravenosa a los enfermos. No parece lógico que si el peligro estuviera suficientemente claro,
ese uso pudiera pervivir por mucho tiempo.
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Una alternativa drástica, altamente deseable sería sustituir los actuales
polímeros derivados del petróleo por polímeros que fueran biodegradables en
las condiciones habituales existentes en el medio ambiente. Aunque hay
varias polímeros de origen sintético que se biodegradan, como es el caso de
la policaprolactona, la mejor opción es la de los obtenidos a partir de fuentes
renovables, fundamentalmente biomasa y que, además, sean biodegradables.
Entre estos últimos llevan varios años en el candelero los polímeros derivados
del ácido láctico y los polihidroxialcanoatos, el más conocido de los cuales es
el PHB. Se trata de materiales que, hoy por hoy, no pueden competir con los
polímeros y plásticos que utilizamos, pero sus opciones no deben descartarse
en un horizonte de petróleo escaso y caro.
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El que parece tener más futuro es el PCL merced a una Joint Venture de Dow
y Cargill
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La medicina y la cirugía han cambiado mucho en los últimos años. Y también
aquí los polímeros han jugado un papel importante.
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Muchos polímeros convencionales se emplean en aplicaciones rutinarias de la
medicina. Y así, el PVC plastificado con ftalatos se emplea en bolsas de
suero, de transfusiones de sangre, de productos para quimioterapia, guantes
desechables, tubos empleados en diversas conexiones, etc. La mayoría de
las jeringas desechables son de polipropileno isotáctico, lo mismo que
muchas pequeñas piezas de conexión como catéteres, etc. Se trata, como se
ha mencionado, de polímeros convencionales, de los termoplásticos más
vendidos en el mundo, aunque al mercado médico se destina una parte muy
pequeña de la producción global de estos plásticos. Sin embargo, su
producción implica una serie de requisitos adicionales como, por ejemplo, la
utilización de “cámaras blancas”, la necesidad de su esterilización y otras
tecnologías que hace que el valor de las piezas así fabricadas sea más alto
que el que uno podría esperar de la utilización de materiales tan extendidos.
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Mucho más específicos y con prestaciones mucho más problemáticas son los
polímeros empleados en diversos ámbitos de la cirugía. Y así, en traumatología,
dos aplicaciones relevantes son las fijaciones empleadas para facilitar la
regeneración del tejido óseo en el caso de roturas y la contribución de materiales
poliméricos en el ámbito de las prótesis, fundamentalmente de cadera y rodilla.
Cuando un hueso se fractura, el organismo necesita un tiempo para regenerar el
tejido óseo que suelde de nuevo las dos partes resultantes de la fractura. Para
facilitar esa regeneración, las partes fracturadas se sujetan mediante diversos
dispositivos. Hasta hace poco tiempo, era normal asegurar la fijación de las partes
mediante clavos metálicos que quedaban permanentemente incorporados al
organismo lo que, a largo plazo, podía dar lugar a problemas derivados de rechazos,
corrosiones, etc, y que hacían necesaria, en muchos casos, un segunda operación
para eliminar el elemento metálico
En la actualidad son bastante empleados clavos y fijaciones de polímeros
biocompatibles (bien tolerados por el organismo) y biodegradables (que van
desapareciendo en el organismo como consecuencia del ataque del medio
fisiológico). Y así, se han diseñado fijaciones de ácido láctico que se degradan a
velocidades adecuadas permitiendo un tiempo para la fijación que asegure la
regeneración, desapareciendo posteriormente.
La transparencia muestra también el empleo de polímeros en una prótesis de cadera.
En este caso se suelen emplear polietilenos de ultra-alto peso molecular, obtenidos
por catalizadores metalocénicos.
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Fibras poliméricas a base de poliácido láctico, poliácido glicólico y algunas
poliamidas biodegradables y biocompatibles, constituyen la mayor parte de
las suturas que hoy se emplean en cirugía. Hasta el advenimiento de los
materiales poliméricos, las suturas más empleadas eran hilos metálicos o el
conocido como catgut (literalmente tripa de gato) fabricado a base de tejidos
del aparato digestivo de vacas y ovejas. Esos materiales exigían, en muchos
casos, la posterior eliminación de los “puntos” y, en el caso del catgut era el
causante de un buen número de problemas como alergias.
En las suturas derivadas estos polímeros, transcurrido un cierto período de
tiempo, resultan degradados en la parte de la sutura que queda dentro del
cuerpo y se “caen” sin necesidad de una eliminación más complicada como la
de los puntos metálicos.
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Otro ejemplo bien conocido en medicina es el de las prótesis de mama
empleadas en el caso de mujeres mastectomizadas o en cirugía plástica.
Generalmente constituidas por fluidos de silicona encerrados en dispositivos
adecuados, han sido objetos de numerosas quejas y denuncias derivadas de
las roturas existentes en la cubierta que encierra el líquido. Aunque muchos
de esos problemas de las primeras prótesis han sido corregidos, se han
propuesto materiales alternativos, de tipo caucho, que no generan los
problemas anteriores.
La pérdida de tejidos por heridas o quemaduras es uno de los problemas más
comunes en la salud humana. La ingeniería de tejidos o ingeniería tisular
se define como el uso de materiales naturales o sintéticos, en conjunción con
tejido celular, para crear sustitutos biológicos que sirvan como recambios de
los tejidos dañados. A finales de los 80, se introdujeron materiales a base de
poliácido glicólico que permitieron hacer crecer tejidos de un milímetro de
espesor. Desde entonces, se han desarrollado otras numerosas estrategias
para regenerar con estas técnicas piel, tendones, cartílagos, vasos
sanguíneos, etc.
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Materiales poliméricos son también componentes esenciales de dispositivos
de dosificación controlada de medicamentos. Se trata de procedimientos
que permiten hacer llegar al organismo dosis adecuadas y prolongadas de un
medicamento. Evitando la ingestión periódica por vía oral o venosa del
mencionado principio activo, ya que ésta genera picos de concentración, que
para que no sea peligrosa, no debe sobrepasar el nivel de toxicidad (cosa que
sí ocurre en el ejemplo de la figura). En cualquier caso, en un período de
tiempo corto, la concentración decae por debajo del llamado nivel terapéutico,
a partir del cual el medicamento es poco efectivo, por lo que es necesaria la
ingestión de un nuevo comprimido, píldora o cápsula para elevar la
concentración hasta el nivel terapéutico.
La idea de la dosificación controlada de medicamentos es conseguir,
mediante una estrategia adecuada, que la concentración del fármaco en el
organismo se mantenga razonablemente estable y dentro del nivel
terapéutico, durante tiempos extendidos sin necesidad de ingestas repetidas
del medicamento. Aunque hay varias alternativas para conseguirlo, una de las
más conocidas son los denominados parches transdérmicos en los que un
medicamento encapsulado mediante polímeros adecuados se pega a un lugar
determinado de la piel. El dispositivo está diseñado para que una membrana
polimérica vaya dejando difundir cantidades adecuadas de medicamento que
atraviesan la piel y llegan al organismo. En el esquema inferior se aprecian las
diferentes partes del dispositivo, con su cubierta, el reservorio del fármaco, la
membrana en contacto con la piel, además de un adhesivo que asegura su
permanencia en el lugar aplicado durante un tiempo prolongado. En todos
estos componentes, los polímeros juegan papeles relevantes.
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En el límite de los empleos sanitarios están los SAPS, un acrónimo empleado
en inglés que significa polímeros superabsorbentes. Se trata de materiales
conseguidos a base de polimerizar ácido acrílico (o alguno de sus derivados
como la acrilamida) con un agente de entrecruzamiento que hace que las
cadenas lineales se unan entre sí. Debido al grupo ácido que contiene cada
unidad repetitiva del ácido acrílico, el material es extraordinariamente hidrófilo,
aunque en contacto con agua no llega a disolverse debido al
entrecruzamiento. Por el contrario, el material se hincha, admitiendo en su
seno cantidades importantes de agua que pueden llegar a multiplicar muchas
veces el peso del polímero seco y convirtiéndose en un gel consistente, como
se ve en las fotografías de la diapositiva. Este tipo de materiales tienen amplio
uso en pañales y compresas desechables.
Para la fabricación de lentillas, y desde los años 60 del siglo pasado se ha
venido utilizando otro material acrílico, el polihidroxietil metacrilato, también
hidrofílico y que, adecuadamente reticulado, absorbe agua del propio ojo y
forma también hidrogeles, blandos y con la permeabilidad adecuada al
oxígeno del aire, lo que permite su uso continuado sin mayores problemas.
Más recientemente se han introducido hidrogeles de silicona, como alternativa
en estas aplicaciones.
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El mundo de la nanotecnología también ha llegado a los polímeros. A
principios de los 90, la marca Toyota introdujo un salpicadero de uno de sus
modelos a base de una poliamida que llevaba como refuerzo unas arcillas
finamente divididas, en las que las láminas resultantes tenían espesores de
unos pocos nanometros. Ello resultaba en que con porcentajes de arcilla
bajos (2-5%) el material compuesto resultante tenía propiedades de
transparencia, resistencia al fuego, resistencia a la permeabilidad de gases y
propiedades mecánicas difíciles de alcanzar con esas misma partículas de
arcilla a nivel de las micras. ¿El secreto?: la alta relación superficie/volumen
que hace que la arcilla nanoscópica ofrezca mucha superficie a la hora de
interaccionar con el polímeros, con una excelente adhesión en este caso.
Cosa que no se da con muchos polímeros.
Formulaciones de polímeros con adiciones pequeñas de nanotubos de
carbono permiten que los tradicionalmente aislantes polímeros se conviertan
en materiales razonablemente conductores. El vídeo muestra un adhesivo a
base de poliuretano y nanotubos de carbono desarrollado por POLYMAT.
Los polímero han sido la base de la litografía empleada para obtener circuitos
impresos, microchips, etc. Con la irrupción de las herramientas
nanotecnológicas, esa litografía se transforma en nanolitografía y permite la
fabricación de dispositivos realmente pequeños, que están impulsando
ámbitos como la nanoelectrónica o la microfluídica.
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Para terminar un par de resultados de nuestro Grupo. La foto de la izda
muestra fibras de poliácido láctico obtenidas por un procedimiento novedoso
llamado el electrohilado. Como se ve, las fibras tiene diámetros de unas
pocas micras y, las más finas, entran en el ámbito de las nanofibras. Además
son porosas debido a las condiciones del procesado, lo que las hace
particularmente susceptibles para tejidos artificiales como los mencionados
anteriormente. Estas morfologías dan otros resultados interesantes. Aunque
de por si el poliácido láctico es bastante hidrofílico, estas fibras rechazan el
agua (son en realidad superhidrofóbicas) como ilustra la medida del ángulo de
contacto a la derecha.
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