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USMP-Materiales de Ingeniería Prof.: Ing. Arnaldo Falcón
ABSTRACT
In the present word we will see the definition,
properties, engineering applications of conductive polymers and some other applications in the
industry.
Conductive polymers or more precisely intrinsicallyconducting polymers (ICPs) are organic polymers
that conduct electricity. Such compounds may havemetallic conductivity or be semiconductors. The
biggest advantage of conductive polymers is their processability. Conductive polymers are also
plastics, which are organic polymers. Therefore,
they can combine the mechanical properties(flexibility, toughness, malleability, elasticity, etc.)
of plastics with high electrical conductivity. These
properties can be fine-tuned using the methods of organic synthesis.
KEYWORDS
Intrinsically conducting polymers (ICPs) ,engineering applications.
INTRODUCCIÓN
Hoy en día sabemos que un polímero es un
conjunto químico, natural o sintético, que consisteesencialmente en unidades estructurales idénticas
repetidas (los griegos poli− que significa varios y−meros que significa unidad). Pero ya hace unos
setenta y cinco años los químicos trabajaban
intensamente en la Química de Polímeros. Hasta la producción del poliestireno completamente
sintético la producción se basaba en modificaciones
de polímeros naturales, como viscosa−rayón oacetato de celulosa. No fue hasta 1935 (con la
llegada del nylon−66) cuando la Química de polímeros empezó a cambiar el mundo hasta el
punto en que lo hecho; a pesar de que algunas tribusindígenas ya usaban la resina del caucho desde
tiempos inmemoriales como algo similar a unzapato, se untaban los pies con esta resina y al
polimerizarse obtenían una preciosa protección parala planta del pie.
Los polímeros se caracterizan en general por ser
materiales aislantes, pero desde hace unos treintaaños se ha logrado sintetizar polímeros que son
buenos conductores de la electricidad, tan buenos
que se han denominado metales sintéticos. Los polímeros conductores reúnen las propiedades
eléctricas de los metales y las ventajas de los
plásticos que tanta expectación despertaron en los
años cuarenta. Una vez demostrada la posibilidadde conducir la electricidad de los polímeros la idease difundió rápidamente.
RESEÑA HISTORICA
A principios de los setenta, el poliacetileno fue unode los primeros polímeros estudiados en este campo
de investigación. Un investigador llamadoShirakawa quería sintetizar poliacetileno pero,
debido a un error, agregó mil veces más catalizador que el requerido. En lugar de obtener un polvo
oscuro y opaco, obtuvo una película con aparienciade aluminio. Así, una cantidad excesiva de
catalizador provocó importantes cambios en la
estructura del polímero. No obstante, pese a suapariencia metálica, este poliacetileno no era un
material conductor, sino semiconductor.
En 1975, Heeger y MacDiarmid, después de
conocer a Shirakawa se interesaron por el poliacetileno. MacDiarmid quiso modificar el
poliacetileno con vapor de yodo. Después deexponerlo, el poliacetileno mostraba una
conductividad eléctrica que representaba unincremento de nueve órdenes de magnitud respecto
al material original. Este tratamiento con halógenosse denominó dopado, debido a su analogía con el
dopado de semiconductores. La forma dopada de poliacetileno tenía una conductividad de 103 S cm-
1, un valor mayor que cualquier otro polímero hastaentonces conocido.
Este tipo de estructura (alternancia de enlaces
simples y dobles) tiene la propiedad fundamental de poseer orbitales electrónicos extendidos sobre toda
la estructura. Un electrón situado en uno de estos
niveles estaría muy deslocalizado y tendría unagran libertad de movimiento, de manera que sería
posible conseguir la conducción de electricidad.
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POLIMEROS CONDUCTORES
Saldaña Lopez, SoniaSamamé Cervera, E. Rubén
Sandoval Huasaquinche,Jaime
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La razón de que un polímero con esta estructura no
conduzca la electricidad siempre, se debe a que elelectrón necesita una gran cantidad de energía para
poder ocupar este tipo de orbital, ya que laseparación energética entre el mismo y los orbitales
electrónicos ocupados es grande. Sin embargo, estaseparación energética se puede reducir
significativamente mediante lo que se conoce comodopaje.
En el 2000 ganan el premio Nobel de Quimica por
"el descubrimiento y desarrollo de los polímerosconductores".
DEFINICIÓN
Un polímero conductor consiste básicamente en unacadena carbonada muy larga que presenta una
conjugación muy extendida. Por conjugación seentiende la alternancia de enlaces simples y dobles.
Así se consigue que sus electrones tengan una ciertalibertad de movimiento. El poliacetileno es uno de
los polímeros conductores más simple y en él esfácil de observar este tipo de estructura:
Estructura química del poliacetileno.
Las familias más comunes de polímeros
conductores son derivados de: poliacetileno, polianilina, polipirrol y politiofeno, cuyas
estructuras son:
POLIACETILENO
Es un polímero (plástico) y es el más simple queexiste.Es una cadena de carbonos lineal, no tiene
ramificaciones (CH2-CH2) y es el plástico masfácil de producir y además el más barato así que la
mayoría de las cosas de plástico que utilizamosestán hechas por este polímero.
POLIPIRROL
El polipirrol se forma por oxidación del monómero
pirrol, mediante métodos químicos o
electroquímicos. En este caso se trata de unaelectrodeposición por oxidación sobre un sustrato
de oro nanométrico (20 nm) y transparente (sí, se puede leer a través). La microestructura del
polímero depende mucho del medio, y suadherencia al electrodo del material del que éste
está hecho. En el caso del oro la adherencia essuficientemente buena para muchas aplicaciones.
Sin embargo, algunas de ellas requierencondiciones extremas.
POLITIOFENO
Son una familia de polímeros (macromoléculas)resultado de la reacción de polimerización del
tiofeno, un heterociclo sulfurado, que puede llegar aser conductor cuando se le agregan o se le quitan
electrones de los orbitales p conjugados por dopaje.
POLIANILINA (PANI)
Es un polímero conductor de la familia de los
polímeros flexibles. A pesar de haber sidodescubrimiento hace más de 150 años, sólo
recientemente la polianilina capturó la atención dela comunidad científica debido al descubrimiento
de su alta condutividade eléctrica.
PROPIEDADES
CONDUCTIVIDAD
Tal y como ocurre con los semiconductores, los polímeros pueden ser dopados mediante la adición
de pequeñas cantidades de ciertos átomos quemodifican sus propiedades físicas. Se ha empleado
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el dopaje en diversos polímeros, como las
polianilinas, polipirroles y politiofenos, logrando
nuevamente un aumento considerable de laconductividad eléctrica.
La gran mayoría de los polímeros conductores son
polímeros p conjugados cuya cadena principal tieneenlaces dobles y sencillos alternados. Los átomos
de C en la cadena principal tienen una hibridaciónsp2. Esta hibridación crea enlaces s covalentes entre
los C de la cadena principal y los C de las cadenasramificadas. La hibridación sp2 deja un orbital p no
enlazado; estos orbitales se solapan y forman unenlace p. La flexibilidad de los polímeros les
permite rotar alrededor de los enlaces y producir el movimiento de las cadenas.
ELECTROCROMISMO
El dopado de los polímeros conductores puede
ocasionar un cambio en el estado electrónico del polímero de no conductor a conductor. Este cambio
de estado influye no solamente en las propiedadeselectrónicas, sino también en las ópticas. Por
ejemplo, la polianilina en su estado reducido es noconductora y transparente, en estado neutro es
conductora y de color verde, y en estado oxidado esno conductora y azul oscura. Este cambio de color
asociado al estado de oxidación se denominaelectrocromismo y puede utilizarse en la
fabricación de dispositivos electrocrómicos,ventanas inteligentes y papeles electrónicos. En
tales aplicaciones, los polímeros conductores y susmezclas presentan menores costos de producción y
propiedades mecánicas más apropiadas que losóxidos inorgánicos tradicionalmente utilizados.
Cambios de color asociados al dopaje en algunos
polímeros conductores.
Polímero Color / forma no dopada Color / forma dopada
Politiofeno Rojo Azul
Polipirrol Amarillo-verdoso Azul oscuro Polianilina Amarillo Verde o azul
Poliisotianafteno Azul Amarillo brillante
Al aplicar un potencial eléctrico se puede causar el
dopado o desdopado del PC y así producir cambiosde color controlados. Para que estos cambios sean
visibles uno de los electrodos debe ser transparente. En una ventana inteligente los
cambios de color responden a las variaciones de laluz del sol o de la temperatura. En el estado
transparente de la ventana, el polímero está en la
forma no dopada. Para bloquear la luz del sol seaplica un potencial positivo que causa el dopadooxidativo del polímero, lo que se traduce en una
coloración intensa. El cambio de color se produce
cuando es aplicado un potencial negativo que
desdopa el polímero. Sin embargo, con algunos polímeros el cambio de color ocurre por el proceso
contrario, como el poliisotianafteno que estransparente en su estado dopado.
ALMACENAMIENTO DE CARGA
Los polímeros conductores, tal como el polipirrol,
pueden contener un ion dopante por cada tres ocuatro unidades de monómero. Por tanto, estos
materiales pueden almacenar una cantidadimportante de carga por unidad de volumen o peso.
Esta alta capacidad de almacenamiento de cargaestá siendo utilizada y optimizada para construir
baterías recargables.
PROCESO Y METODOS DE SINTESIS
1. Por síntesis directa (el método fue desarrollado
por Sirakawa en 1971). La pared interna de unrecipiente de vidrio se recubre con un catalizador
Ziegler-Natta. El paso de una corriente de acetilenoda lugar a una película brillante de poliacetileno.
2. Por oxidación química del monómero. En una
disolución monomérica se añade un oxidante cuyo potencial corresponda al potencial de oxidación del
monómero: sales de Fe3+ en disoluciones de pirrol.Se forma un precipitado negro de polipirrol. La
presencia de otras sales mejora las propiedades del polímero al favorecer su oxidación reversible.
3. Por oxidación electroquímica: Análoga a la
oxidación química. Ahora el proceso esheterogéneo y se produce sobre el ánodo de una
célula electroquímica que contiene un disolvente y
una sal. Esta permite el paso de corriente y favorecela oxidación del polímero.
4. Por oxidación en plasma: La generación de un plasma inicia la polimerización en la superficie
sobre la que se proyecta.
5. A partir de precursores: Un polímero precursor,generalmente soluble, es aplicado en la superficie
deseada. Por calentamiento se descompone dandouna molécula gaseosa y un polímero conductor
insoluble.
6. Otros métodos: Pirólisis parcial de polímeros noconductores, polimerizaciones fotoiniciadas,
polimerizaciones por condensación, etc.
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APLICACIONES
1.- Baterías:
Una de las aplicaciones más conocidas son las baterías recargables, estas son de menor peso que
las convencionales que contenían plomo y ácidosulfúrico; entre otras propiedades.
2.- Aplicaciones biomédicas:
El cuerpo humano es otro “dispositivo” en el que
los polímeros conductores podrían desempeñar un papel importante en el futuro debido a su alta
estabilidad y a su carácter inerte se especula con la
posibilidad de su utilización en prótesisneurológicas y musculares.
2.1.- Músculos artificiales:
La oxidación/reducción electroquímica de los polímeros conductores lleva asociado un cambio de
volumen del material. El cambio de volumen
(propiedad mecánica) está asociado al grado de
oxidación y este a la carga consumida en el procesoelectroquímico: propiedad electroquímica.
Partimos de un polímero en estado neutro. Laselevadas interacciones polímero-polímero hacen
que la estructura sea muy compacta. Al oxidarse yextraerse electrones de la cadena, las nacientes
cargas positivas en cadenas vecinas provocanfuertes repulsiones electrostáticas. Mediante
variaciones conformacionales las cadenas semueven, la estructura se abre y los contraiones de la
disolución penetran en el polímero para mantener laelectroneutralidad. Con los iones también penetran
moléculas del disolvente. El polímero se expande.Como la cantidad de contraiones que penetran es
controlado por la carga de oxidación, también lo es
la variación del volumen: puede ser detenida encualquier momento o puede ser invertida desde
cualquier momento.
2.2.- Nervios artificiales:
Las señales del sistema nervioso van codificadas en pulsos iónicos K+, Na+ o Ca2+, o químicos
-neurotransmisores- muchos de ellos tambiéniónicos. Para llegar a entender la sutileza de las
órdenes enviadas por el cerebro para mover un brazo, y para poder llegar a amplificarlas y
emplearlas en mover un brazo artificial o enconseguir que un paciente no pierda masa muscular
después de un accidente cerebro-vascular,necesitamos un transductor ión-electrón. Los óxidos
metálicos son empleados como transductores enredes neuronales, pero no son biocompatibles. Los
polímeros conductores son biocompatibles, pero
intercambian aniones
3.- Sensores:
Existen empresas como Allied-Signal que desde
hace tiempo trabajan en la utilización de polímerosconductores en dispositivos sensores.
El dopado al que se someten los polímeros es bastante sensible al calor, sufriendo así una pérdida
de conductividad al calentarse. Conectándolo a unaresistencia, estos polímeros permiten controlar la
temperatura a la que, por ejemplo, un productofarmacéutico llega a alterarse.
Podríamos usarlos también como sensores de
radiación si se colocan en una atmósfera de gases
que los convierte en dopantes activos cuando sonexpuestos a radiación.
4.- Aplicaciones debidas al electrocromismo:
Como se ha explicado en el apartado 5 (fotoquímica
de polímeros conductores) al oxidarse y/o reducirselos metales orgánicos son capaces absorber/emitir
luz en la región del visible, longitud de onda de 400
a 600 nm aproximadamente.
4.1.- Ventanas inteligentes:
Permiten el control de la intensidad de la luz capazde penetrar en un espacio cerrado: edificios, coches,
aviones, etc. La más utilizada es una estructura de
tres capas. La oxidación del polímero provoca uncambio del color (de amarillo claro a azul en
polipirrol) e incrementa su reflectividad. Lasimultánea reducción del oxidante provoca un
cambio similar de incoloro a azul (oxido de
wolframio). La capa intermedia actúa como unelectrolito sólido transparente. Por lo tanto durantela oxidación del polímero la intensidad de luz que
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atraviesa la ventana desciende y la reflectividad
aumenta. Durante la reducción polimérica ocurre el
proceso inverso.
La intensidad puede ser controlada manualmente o
automáticamente mediante la conexión de un
suministrador de potencial con un fotomultiplicador a través de un microprocesador y un programa quedefina el nivel de intensidad requerido. Cuando
anochece la luz no es suficiente para mantener lailuminación adecuada (estando el polímero en
estado reducido) se conecta automáticamente la luzeléctrica y se controla la intensidad hasta alcanzarse
el nivel adecuado de intensidad.
4.2.- Espejos inteligentes
Este dispositivo esta basado también en dispositivos
electrocrómicos. Trabaja con grandes reflectanciasy bajas absorciones. La reducción parcial provocaun incremento en la absorción evitando altas
intensidades de reflexión en los espejos retrovisoresde los coches.
4.3.- Filtros ópticos
Un cambio en el estado de oxidación incluye un
filtro para un nuevo color. Son necesarios polímeros que pasen a través de diferentes colores
bien definidos (anilinas, tiofenos, etc.) o capaces degrandes variaciones de absorción en diferentes
zonas del IR
4.4.- Detección de fraudes
Los metales sintéticos se incorporan ya en muchosalimentos congelados. Ya que al variar la
conductividad el polímero no puede seguir el proceso continuo de oxidación-reducción. Debido a
que ésta se hace casi nula al aumentar latemperatura debido a la salida de los dopantes (la
entrada no es espontánea) el polímero quedará deun color determinado si ha habido fraude,
entendiendo por fraude la descongelación durante el
almacenaje o manufacturación. Algo que está
prohibido por la legislación española.
4.5.- Pantallas planas y dispositivos devisualización
Ambos dispositivos están basados en propiedadeselectrocrómicas. Se pueden construir sobre sistemas
transparentes o sobre superficies metálicas pulidas(espejos). Las propiedades más importantes son la
variación de la definición del color en pequeñassuperficies y los tiempos de transición, menores de
0.1 s para pantallas planas.
5.- Escudos electromagnéticos:
Los polímeros conductores absorben tambiénenergía electromagnética de bajas frecuencias se
pueden utilizar, y de echo se hace, como escudoselectromagnéticos para detener las pérdidas de
radiación en los terminales de ordenador.
Con este fin se utilizan normalmente plásticos
rellenos de carbono o metales, pero debido a lafacilidad de manipulación y a la mayor
conductividad de los polímeros dopadoshomogéneamente les proporcionan ventajas. Las
elevadas pérdidas de microondas de la polianilinahacen que sea especialmente valiosa para este fin.
6.- Recubrimientos anti-corrosión:
Gracias a que durante el dopaje se puede decidir si
una parte del polímero debe ser inerteelectroactivamente se ha diseñado recubrimientos
para evitar la corrosión en aceros, TiGr2…
Aunque todavía no han sido desarrollados a la
perfección son capaces de proteger al substratotanto en aire, como en disoluciones de H2SO4 de
concentración hasta 4 N. Los polímeros elegidos enesta ocasión en todos los estudios consultados en el
polipirrol y el poli-3-metiltiofeno.
7.- Membranas para depuración de aguas:
Se han desarrollado muchos esfuerzos en hacer
membranas de recubrimiento de electrodo para poder descontaminar aguas, la membranas
convencionales no son demasiado inertes, su vida
es “bastante corta” y no son tan fácilmentemanipulables como las membranas de plástico
conductor.
Se emplean membranas de polipirrol y polianilina
como electrodos en cubas electrolíticas detransporte gracias a que la polaridad del polímero
puede ser cambiada fácilmente con un pequeño
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ajuste en el potencial del sistema. Su uso más
frecuente es la electrodiálisis en depuradoras de
agua
El principal objetivo de los estudios llevados a cabo
se basa en tres aspectos fundamentales:
El transporte de materia tanto orgánica como
inorgánica con éste tipo de electrodos.
Conseguir membranas robustas y que permitan
un trabajo y limpieza fácil.
Tener un control en el flujo y la selectividad deltransporte. Que se consigue con la disolución de
sales inorgánicas.
Por lo tanto esta es una aplicación de los polímeros
conductores como meras resinas de intercambioiónico.
8.- Aplicaciones analíticas: Como otra aplicación
debida al poder de cambiadores iónicos de los polímeros conductores podríamos hablar de este
tipo de sensores, ya que son capaces de detectar yseparar iones como Hg2+e incluso Au0 de una gran
variedad de disoluciones tanto acuosas como condisolventes orgánicos.
En este caso es polímero elegido ha sido polipirrol
funcionaizado con ditiocarbamato. Su grandesventaja radica en la baja precisión de los
resultados obtenido en todos los estudios
consultados. Como ventajas cabe destacar su unagran versatilidad en cuanto a capacidad de trabajo
se refire y su bajo coste de fabricación.
CONCLUSIONES
Los plásticos han sido tradicionalmente losaislantes más usados, tanto en ámbito doméstico
como en la industria. Pero desde que el japonés H.
Shirakawa consiguiera, a principios de los setenta,obtener un polímero capaz de conducir la corrienteeléctrica se ha desatado toda una carrera
tecnológica para poder sacarles partido a los plásticos conductores.
Se trata de materiales relativamente baratos de
producir tanto a escala de laboratorio como a escala
Industrial, con potenciales aplicaciones en casi
tantos campos como los que abarcan sus primos los plásticos aislantes y además en lugares donde los
metales tienen problemas de uso por cualquier motivo.
Leyendo las aplicaciones descritas anteriormente
podría parecer que se trata de ciencia ficción, pero
no lo es. Muchas de ellas hace tiempo que seconocen y se llevan a cabo, otras todavía no han
salido del laboratorio, pero pronto lo harán. Por lotanto estamos ante algo así como esos llamados
nuevos materiales que todavía deben abrirse caminoentre el gran público, pero no tardarán en hacerlo,
sobre todo porque estamos en una sociedad cadavez más preocupada en conseguir productos más
ligeros, inocuos y resistentes y ahí se encuentra la principal ventaja de los metales orgánicos, es decir,
de los polímeros conductores.
BIBLIOGRAFIA
ELECTRONICA
Cervantes Virtual:http://www.cervantesvirtual.com/servlet/SirveObras
/mcp/12257293308944839432091/028887_0002.pdf
Eumedhttp://www.eumed.net/rev/tlatemoani/03/mrlch.htm
Upcommons - UPChttp://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/31
29/1/41352-1.pdf
Eprints - UCMhttp://eprints.ucm.es/tesis/19911996/X/0/X0027801
Wikipediahttp://es.wikipedia.org/wiki/Pol
%C3%ADmero_conductor#Propiedades
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