Un método para la obtención de poliestireno cristalino

Buena parte de mi carrera como químico en la industria ha estado ligada a la aplicación de polímeros sobre superficies metálicas para distintos usos, desde envases alimentarios hasta recubrimientos hidrofílicos en aletas de intercambiadores de calor, pasando por blísters farmacéuticos. Cuando queríamos conseguir propiedades mecánicas importantes, como la capacidad de los polímeros de resistir una fuerte deformación del metal, o químicas, como resistencia a la corrosión o medios ácidos, sabíamos que la clave era estabilizar la estructura tridimensional de los polímeros consiguiendo que las distintas macromoléculas poliméricas creasen enlaces estables entre sí. Es lo que se llama curado, en términos del oficio, o reticulación, poniéndonos un poco más técnicos, ya que se crea una red tridimensional.

El amable lector se preguntará a qué viene esto. Pues viene a que la noticia que comento a continuación es de esas que pasan inadvertidas, de las que poca gente sabe apreciar, y que sin embargo entrañan una dificultad técnica notable y tienen una transcendencia económica a futuro innegable. Espero ser capaz de explicarla como merece, en este caso particular corro el riesgo de emplear demasiada jerga. Vamos a ello.

Un equipo de investigadores, encabezado por Gaetano Distefano, de la Universidad de Milán-Bicocca (Italia), ha creado un material de base polimérica que tiene estructura cristalina. El material consigue su cristalinidad con entrecruzamientos entre cadenas poliméricas. Los resultados se publican en Nature Chemistry.

La estructura de los materiales compuestos por fibras, como son las cadenas de polímeros, tiene un gran impacto en sus propiedades. Un caso conocido es el Kevlar, que consigue su alta tensión de rotura (ideal para chalecos antibalas o velas náuticas de competición) porque los polímeros se alinean creando entre ellos multitud de puentes de hidrógeno. Por esta razón los químicos han (en este caso, hemos) empleado mucho tiempo y esfuerzo en conseguir estructuras tridimensionales estables y regulares de distintos polímeros o, en una palabra, que se aproximasen a una forma cristalina.

Las técnicas para conseguir una estructura tridimensional estable de un haz de fibras varían mucho con el polímero en cuestión. Desde puramente mecánicas, como el “peinado”, en el que las fibras se alinean simplemente frotando la superficie en la que están depositadas [por si alguien conoce los maquinones donde esto se hace, aquí tiene una explicación de por qué tienen tal cantidad de rodillos de paso no motorizados]. Los polímeros pi-conjugados, esos en los que los electrones están compartidos por muchos átomos y sus enlaces, se alinean “químicamente”, empleando moléculas guía [realmente es una acción puramente electrostática en esta fase, pero bueno]. Estos métodos como se puede intuir son muy específicos de cada polímero o mezcla de polímeros, y son simplemente alineaminetos, como conseguir que un montón de espaguetis estén en la misma dirección en una mesa. El alineamiento, siendo una condición necesaria pero no suficiente, por sí solo no garantiza ni resistencia al calor ni a los disolventes.

Lo que este grupo de investigadores ha hecho viene a ser lo siguiente, usando un símil de la edificación: imaginar el producto final, crear un andamio que diese su estructura general, incorporar los anclajes de la estructura, y subir los ladrillos al andamio; después han creado los muros con los ladrillos, los han sujetado con los anclajes cada uno en su sitio y han retirado los andamios, quedando la estructura buscada. El andamio se llama PCP (polímero de coordinación poroso). En esta estructura dada por el PCP Distefano et al. embebieron moléculas de DVTP (2,5-divinil-tereftalato), que actuarían como anclajes, entrecruzándose (formando enlaces con distintas cadenas) con el polímero. Después incorporaron a la estructura los ladrillos, monómeros de etenilbenceno (estireno para los amigos), en los canales paralelos de la PCP. Con todo en su sitio polimerizaron los monómeros, obteniendo poliestireno, a la vez que se entrecruzaba. Finalmente retiraron el andamio disolviendo el PCP con EDTA (ácido etilen-diamino-tetra-acético). Resultado: poliestireno cristalino (no se confunda con poliestireno cristal, que es un grado industrial).

Para saber si se ha logrado el objetivo desde un punto de vista macroscópico tan sólo hay que medir la densidad conseguida y comprobar la resistencia a calor y disolventes. A mejor empaquetamiento, mejor ocupación del espacio, más densidad. El nuevo material tiene una densidad de 1,13 g/cm³, alrededor de un 8% más que el poliestireno normal (el que se emplea en los envases de yogur, por ejemplo) que es de 1,05 g/cm³, buena señal. Además aguanta los disolventes orgánicos habituales y temperaturas de hasta 200 ºC. Espectacular. Eso sí, serán necesarias muestras mayores que las obtenidas para poder determinar las propiedades mecánicas de interés ingenieril.

Tenemos que hacer constar que en las veriones habituales del poliestireno, atáctico y sindiotáctico, se habla siempre de grados de cristalinidad, lo que indica el nivel de ordenamiento. No son cristales reales, aparte de por no estar completamente ordenados microscópicamente, porque macroscópicamente no tienen una temperatura de fusión, sino una temperatura de transición vítrea. Por otra parte la estructura cristalina del poliestireno isotáctico fue determinada por Giulio Natta en 1960.

Este trabajo es un ejemplo magnífico de todo el campo que queda por explorar en el uso de polímeros convencionales desde el punto de vista estructural, materiales, no lo olvidemos, completamente orgánicos.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XXII Edición del Carnaval de Química que organiza Roskiencia 

Referencia:

Distefano, G., Suzuki, H., Tsujimoto, M., Isoda, S., Bracco, S., Comotti, A., Sozzani, P., Uemura, T., & Kitagawa, S. (2013). Highly ordered alignment of a vinyl polymer by host–guest cross-polymerization Nature Chemistry DOI: 10.1038/nchem.1576