PVC: SÍNTESIS, ESTRUCTURA Y APLICACIÓN

in #stem-espanol • 7 years ago

PVC: SINTESIS, ESTRUCTURA Y APLICACIÓN

INTRODUCCION

Como primer post decidí escribir sobre el polímero PVC.

La demanda de termoplásticos con propiedades versátiles para su aplicación ha aumentado en los últimos años a un ritmo acelerado a nivel mundial. En tal sentido el policloruro de vinilo o PVC es uno de los materiales más utilizado, debido a su alta resistencia química, propiedades de barrera y bajo costo de producción. El PVC se utiliza actualmente en diversas industrias como la automotriz, textil, jugueterías, petroquímicas, domesticas, entre otros.1

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Figura 1. Juguetes de PVC.

SINTESIS

Este polímero se obtiene de la polimerización vía radicales libre del monocloruro de vinilo o MVC, como se muestra en el Esquema 1.

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Esquema 1. Polimerización del MVC2

El sitio activo de las cadenas en crecimiento es un radical libre, formado al principio de la reacción por una especie iniciadora, por lo que su grado de polimerización depende directamente de la temperatura. En las resinas comerciales “n” oscila entre 500 y 1500 unidades de monómeros.3 En el mecanismo de polimerización vía radical libre como se muestra en el esquema 2 primero ocurre la descomposición del iniciador, la velocidad de descomposición normalmente sigue una cinética de primer orden y depende del disolvente y de la temperatura de polimerización. Los tipos de iniciadores son comúnmente, peróxidos orgánicos o azoderivados que se calientan a altas temperaturas, hasta que ocurre la ruptura homolítica de uno de sus enlaces. Luego para que ocurra la iniciación de una cadena de radicales libre, se introduce por adición el radical libre descompuesto en el paso anterior a una molécula de cloruro de vinilo. La propagación es una reacción bimolecular que se produce mediante la adición de un nuevo radical libre a otra molécula de monómero y la repetición sucesiva de esta operación. Este es el paso lento y determinante de la reacción, y se detiene cuando en el sistema no se encuentre más moléculas del monómero con quien reaccionar.

meca.pngEsquema 2.Mecanismo via radicales libres de la polimerización del PVC-Fuente4

La terminación de las cadenas de radicales libres en crecimiento se producen normalmente por acoplamiento de dos macroradicales o puede producirse por desproporción, el cual incluye la transferencia de un átomo de hidrógeno del extremo de una cadena al radical libre del extremo de otra cadena en crecimiento quedando uno de los polímeros con un extremo de la cadena insaturado.5
La naturaleza del proceso de polimerización determina la naturaleza de las partículas de resina producidas. Actualmente hay cuatro técnicas de polimerización para el cloruro de vinilo que dan uso a los cuatro procesos siguientes: (1) polimerización en suspensión, (2) la polimerización en emulsión, (3) polimerización en masa, y (4) la polimerización en solución.6

  1. Polimerización en suspensión
Esta técnica es la más importante para la obtención de policloruro de vinilo, el mayor porcentaje de la producción mundial se obtiene por este procedimiento. La polimerización se efectúa en autoclaves o calderas, en las que se cargan el agua de alta pureza, el agente de suspensión el cual es un coloide protector, el iniciador que actúa como catalizador, buffers y seguidamente el monómero bajo presión.7

we.png Figura 2. Proceso de polimerización en suspensión

2.Polimerización en emulsión

Este es un proceso complejo en el que la polimerización por adición de radicales procede en un sistema heterogéneo. Este proceso implica la emulsificación del monómero relativamente hidrófobo en agua por un emulsionante de aceite en agua, seguido por la reacción de iniciación ya sea con un iniciador de radicales soluble en agua o un iniciador de radicales libres soluble en aceite. Al final de la polimerización, se obtiene un líquido lechoso llamado "látex", "látex sintético" o "dispersión de polímero". En general, los látex contienen 40-60% de sólidos poliméricos y comprenden una gran población de partículas de polímero dispersado en la fase acuosa continua.8

3. Polimerización en solución

Puesto que el PVC no es soluble en su propio monómero, es necesario encontrar un disolvente para el polímero y así llevar a cabo la polimerización en solución. Tal disolvente puede ser tetrahidrofurano, acetona, ciclohexanona, acetatos de alquilo, alquilos clorados, oxalato de dietilo, entre otros. Al final de esta polimerización, el producto desarrollado puede ser soluble o insoluble en el disolvente empleado; en caso de que el polímero sea insoluble, se obtiene una especie de aceite, fácilmente separado del medio por filtración. Si el polímero fuese soluble, se utiliza un no-disolvente para precipitarlo en forma de fibras o polvo.9

4. Polimerización en masa

En el proceso de polimerización en masas no se utiliza solventes, el monómero y el catalizador se introducen en un reactor, donde la polimerización produce un polvo de flujo libre. Cuando se completa la polimerización, el monómero sin reaccionar se retira del reactor extrayendo al vacío, luego se realiza la compresión y condensación del cloruro de vinilo bajo presión; el monómero se recicla al proceso. Como la técnica solo contiene el iniciador y el monómero se puede controlar la pureza del producto.10

ESTRUCTURA

Las resinas del PVC son especialmente amorfas presentando una baja cristalinidad, debido a que no es posible una disposición espacial regular de sus moléculas bajo las condiciones de síntesis radicalarias.11

Sin embargo, el PVC posee una desventaja en referencia a su susceptibilidad a degradarse térmicamente durante su transformación a altas temperatura y durante su periodo de vida útil. Esta degradación térmica ocurre con desprendimiento de HCl y formación de polienos, como se muestran en el Esquema 3.

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!Esquema 3. Deshidrocloración del PVC. Fuente: Elaboración propia

La mayoría de las propiedades que poseen estos compuestos están intrínsecamente relacionadas con sus respectivas estructuras. Se ha aceptado generalmente que una disminución en la estabilidad térmica de PVC es causada por las irregularidades en la estructura del polímero. Estas irregularidades son denominadas defectos estructurales.10 Entre los más comunes encontrados en el PVC se encuentran cloros terciarios y alílico formados por reacciones de transferencias internas en el proceso de polimerización, ramificaciones alquílicas, grupos terminales cloro alilo, insaturaciones, tacticidad, grupos que contienen oxígeno, dobles enlaces internos, estructuras cabeza-cabeza y cola-cola.12

APLICACIÓN

El policloruro de vinilo o PVC es uno de los materiales poliméricos que más se produce en el mundo. Estos polímeros tienen alta aplicación industrial, sobre todo en la construcción de viviendas, insumos médicos, envases de alimentos, limpieza, sistema de alcantarillado, cables eléctricos, así como en la industria automotriz.13 La aplicación del PVC en la industria de construcción es la más resaltante y relevante en el mercado. Debido a las propiedades que los aditivos le confieren a este polímero, entre las que se destacan la durabilidad del producto expuesto a las condiciones ambientales variantes. Estas ventajas hacen de este polímero la mejor elección industrialmente para la fabricación de objetos que ameriten de un largo tiempo de vida útil.

fr.jpgFigura 3..Aplicaciones del PVC.

CONCLUSIONES

El PVC es un polímero que se puede obtener industrialmente sin grandes costo de producción, y ambientalmente amigable. Tiene una desventaja debido a la inestabilidad térmica que posee por lo que necesita de algunos aditivos para mantener largos periodos de utilidad. Sin embargo esta cualidad no es un impedimento para las muchas aplicaciones que posee este polímero tan versátil.

Por ser una desventaja notoria e importante en tan útil material, el próximo post estará dedicado a este problema.

Nota: Los números en subindice corresponden a las respectivas referencias consultadas.

Frase Marie
marie curie.jpg

REFERENCIAS

1 Ameer, A; Mustafa A; Ahmed A; Emad Y, 2013. “Synthesis and Characterization of polyvinyl Chloride chemically modified by amines.” Journal of Polymer Chemistry, 3, 11-15.

2 Billmeyer, F. W. 2004 Ciencia de los polímeros. Primera edición. Dr. Rareal Guerra, España, Editorial REVERTÉ. p 1-5.

3 Beltrán R, M. 1995. Los procesos de gelificación y descomposición de los plastisoles de PVC por FTIR y TG. Análisis de la influencia del tipo de resina, plastificantes, composición y otras variables. Tesis Doctoral. España. Universidad de alicantes. p 421.

4 Hjertberg, T.; Sôrvik. J. Macromol. Sci., Pure Appl. Chem.E. 6, 983-1004.

5 Mercel D, 2002, Polymer Chemistry, An Introduction tercera edición, Estados Unidos, editorial Reverte, S. pp 321-335.

6 Bracho, C. M; Van D. B. R. F, 2007 Requerimientos máximos de agua de enfriamiento en el área de polimerización de la planta PVC II, el Tablazo, Trabajo especial de grado, Universidad Rafael Urdaneta, Maracaibo, Venezuela. p 101.

7 Brooks, B W. 2010, “Suspension polymerization processes” Chemical Engineering and Technology, 33, 11, 1737-1734.

8 Hale Berber Y, 2013, Emulsion polymerization: effects of polymerization variables on the properties of vinyl acetate based emulsion polymers. Departamento de Química de la Universidad Técnica de Yildiz, Estambul, Turquía editorial Inetch, p 36-68.

9 Kun Si, 2007, kinetics and mechanism of vinyl chloride polymerization: effects of additives on polymerization rate, molecular weight and defect concentration in the polymer. Tesis Doctoral, Department of Macromolecular Science and Engineering Case Western Reserve University. p 308.

10 Nurul A D; Sharina A H; Azizan A; Nor S M; 2014, “Characterization of Random Methacrylate Copolymers Synthesized Using Free-Radical Bulk Polymerization Method” International Journal of Electrochemical Science, 10, 84-92.

11 Jiménez M, A, 1996, Características de la degradación térmica de los plastisoles Vinilicos” Tesis Doctoral. España, Departamento de Química Analítica de la Universidad de Alicante. p 305.

12 Purmová J, 2007. Effect of the modification of the polymer-rich phase composition on the formation of structural defects in radical suspension PVC. Tesis Doctoral, Universidad de Groningen, Países Bajos. p 205.

13 Sarawut R; Patima W; Siriporn D; Duangporn S; Chanchira J; Isala D, 2014, “Characterizations of Poly(vinyl chloride)/Acrylonitrile Styrene Acrylate Blends for Outdoor Applications” Engineering Journal 18, 1, 110-118.

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7 years ago in #stem-espanol by
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     7 years ago 

    Hola @viannis en tu post introducción nos dices que eres químico, pero nos gustaría poder verificar si eso es cierto a través de fotos del lugar donde trabajas o realizas tus experimentos, esto se hace con el fin de poder ayudarte, de lo contrario el grupo estaría renuente a darte votos ascendentes. De igual forma eres libre de tomar tu desición si deseas hacerlo o no..

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     7 years ago 

    Hola. @carloserp. Me parece una excelente idea de mostrarle mi lugar de trabajo. Como me recomiendas que lo haga? En algun post?

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       7 years ago 

      Por supuesto redacta un post referente a lo que haces día a día en tu área de trabajo, seria interesante y con eso confirmaras que tu perfil es real

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         7 years ago 

        @carloserp Gracias por tu recomendación. La tome en cuenta ya, mostrandoles un poco de lo que hago.

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