POLIANILINA

POLIANILINA (PANI)

PRESENTADO A: ING. HAYDEE MORALES MONGRAGÓN INGENIERA DE PETRÓLEOS PROFESORA DE CIENCIA DE LOS MATERIALES

PRESENTADO POR: LUIS AUGUSTO GUANACAS

2010296564

UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANA FACULTAD DE INGENIERIA NEIVA-HUILA

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCION 2. OBJETIVOS 3. MODOS DE OBTENCION 4. PROPIEDADES 5. APLICACIONES Y USOS 6. PANI EN LA ELECTRÓNICA 7. CONCLUCIONES BIBLIOGRAFIA

1. INTRODUCCION

Los polímeros son un tipo de compuesto químico de naturaleza orgánica de gran importancia en los procesos naturales y sintéticos. Estos compuestos tienen la capacidad de unirse a otros del mismo tipo imprimiéndoles características especiales, las cuales son fundamentales en diferentes áreas humanas como en la biología por ejemplo donde podemos encontrar polímeros como los carbohidratos, proteínas y ácidos nucleicos. Desde los inicios del estudio de la química orgánica se había trabajado con los polímeros sintetizándolos con el fin de obtener  nuevas y mejoradas características. Esto arrojo buenos resultados ya que se obtuvieron polímeros con propiedades mecánicas de aislante y térmicas muy importantes, sin embargo su estructura y naturaleza orgánica hacían que tuviera características eléctricas malas en comparación con los metales. La idea de polímeros con características eléctricas buenas era descabellada hasta principios del siglo XX cuando varios químicos se interesaron en estudiar las propiedades eléctricas de los polímeros. En el avance de estas investigaciones se llegó al estudio de la polianilina (negro de anilina), un tipo de polímero obtenido desde 1862 a partir de la oxidación de la anilina. En 1907 los químicos Willstatter y sus colaboradores descubrieron que la estructura de la PANI se constituía de 8 núcleos básico (anillos de benceno). Estos estudios abrieron las puertas para continuar estudiando varios tipos de polímero obteniéndose resultados como los productos de la oxidación-reducción de estos compuestos por medio de reacciones con óxidos energéticos como el persulfato y reductores como tricloruro de titanio. Años más tarde el químico H.N. Mecoy aporto evidencia sobre la capacidad de conducción de algunos compuestos orgánicos entre ellos la polianilina; esto fue algo revolucionario ya que los compuestos orgánicos habían sido totalmente excluidos del grupo de conductores pues se consideraba que esta era una propiedad exclusiva de los compuestos inorgánicos. Pero aunque estas evidencias aportadas por Mecoy eran claramente un gran pasó en las investigaciones, fue 50 años después cuando Surville determino que la polianilina presentaba altas características conductivas dependientes de la acidez del medio y su estado de óxido-reducción. Finalmente en 1977 las industrias en general pusieron su interés en la polianilina después de que algunas investigaciones mostraran la

presencia de conductividad metálica en polímeros contaminados con yodo. Desde entonces el mundo reconoció la importancia de la polianilina como un material conductor y las investigaciones en torno a la ella aumentaron considerablemente hasta el punto de que en el 2000 algunos químicos recibieron el premio nobel por estos trabajos.

2. OBJETIVOS

2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

Conocer los últimos avances en la industria de los materiales orgánicos y su impacto tecnológico Identificar las propiedades de la polianilina y sus incidencias en su comportamiento Entender las distintas formas de síntesis de la polianilina y sus impactos en el medio ambiente Reconocer las áreas de aplicación de la polianilina y su eficiencia.

3. MÉTODOS DE OBTENCIÓN Uno de los aspectos más relevantes en las investigaciones sobre la polianilina es su método de síntesis, pues esto determina la manera como se debe procesar para una aplicación específica o también para el mejoramiento de algunas de sus propiedades como las ópticas o eléctricas. Con miras en lograr un mejor material se han implementado diferentes formas de síntesis tales como la oxidación por vía química, vía electroquímica y la síntesis enzimática, teniendo unas ciertas ventajas frente a otras. 3.1.

SÍNTESIS POR VÍA QUÍMICA:

La mayoría de las investigaciones sobre la obtención de la polianilina se han enfocado por esta área, es por esto que es el método más común de síntesis para este polímero conductor. Este método ha estado sujeto a estudio dentro de medios acuosos como en orgánicos. En medios acuosos el proceso de formación de la polianilina se divide en etapas siendo la primera una formación de cationes radicales en las unidades oxidadas. Seguidamente estos cationes radicales formados se acoplan formando moléculas dobles de anilina (dímeros). Posteriormente estas moléculas dobles se oxidan formando nuevos cationes radicales que pueden reaccionar uniéndose con unas moléculas monómeras o dímeras de anilina proveniente de oxidaciones anteriores. Después estas grandes unidades son oxidadas nuevamente y continúan reaccionando con otras moléculas oxidadas (monómeras, dobles, triples, etc.) cercanas. Gracias a este acoplamiento de cadenas oxidadas el polímero resultante va creciendo formando la polianilina. Una de las desventajas de la oxidación química de la anilina es que se debe realizar a pHs muy bajos, debido a que con estas condiciones de síntesis se favorece el acoplamiento cabeza-cola de la anilina y se puede obtener un polímero sin defectos de ramificaciones o estructurales y es esto lo que precisamente provee a la polianilina de sus buenas propiedades conductivas de electricidad. Adicional a esto durante la síntesis se producen grandes cantidades de contaminantes como el sulfato de amonio, estos subproductos pasan a formar parte de la polianilina como contaminantes. Es este aspecto lo que ha limitado el uso a gran escala de este tipo de síntesis en la industria química.

Etapas de formación de la polianilina

3.2.

SÍNTESIS POR VÍA ELECTROQUÍMICA:

Este proceso es conocido como electropolimerización y se lleva a cabo en presencia de ambientes ácidos, principalmente ácido sulfúrico, nítrico, clorhídrico, etc. La naturaleza de anión del ácido usado proporciona diferentes polianilinas en cuanto a propiedades eléctricas y mecánicas. En la figura podemos observar un esquema de síntesis electroquímica, en el que la electropolimerización se llevara a cabo en el ánodo (+) y en el cátodo (-) se producirá la electrorreducción del ion H + del ácido empleado en el proceso. Esto generara pequeñas burbujas de hidrogeno. La polianilina formada queda adherida a la punta del carbón. Una de las ventajas de este proceso es que los polímeros conductores de dejan electrosintetizar en materiales diversos como geles tipos rollos fotográficos, telas, etc. Lo que representa una disminución en los costos.

Esquema de síntesis electroquímico

Una de las ventajas de este tipo de síntesis es la posibilidad de controlar  la cantidad, el tamaño y la estructura del polímero, y gracias a recientes investigaciones se ha podido comprobar que el uso de ácidos bensensulfonicos proporciona PANI con mejores propiedades eléctricas. Finalmente una clara ventaja de este proceso con respecto al anterior es que esta es una síntesis limpia ya que la electroxidación de la anilina esta acoplada a la reducción del ácido que genera hidrogeno no contaminante.

3.3.

SÍNTESIS ENZIMÁTICA:

La síntesis enzimática es una de las nuevas alternativas que se han desarrollado para la obtención del PANI. Para este proceso se utilizan enzimas macromoleculares de origen natural con estabilidad dependiente de su estructura, por lo cual el proceso se debe llevar a cabo a pHs específicamente determinados para conservar la máxima estabilidad de las enzimas. Inicialmente se habían utilizado enzimas peroxidasas (como el rábano picante). El principal inconveniente es que con estas enzimas la síntesis se realiza a pHs muy altos lo cual provee materiales sin propiedades conductivas eléctricas al contrario de las anteriores tipos de síntesis. Para solucionar este problema se comenzó a pensar en la síntesis biomimética que podría realizar el proceso a pHs

más bajos que son los requeridos pues la sal emeraldina es la única forma conductora de la PANI y se forma a pHs por debajo de 3. Para lograr esto se ha utilizado a la hematina la cual es un catalizador  biomimética a pH acido cercano a 1. Pero en la aplicación del proceso no sea ha logrado llegar al nivel de pH requerido lo que ha impedido la obtención de PANI con conductividad y sin defectos estructurales. Una de las ventajas considerable del uso de hematina es la viabilidad económica ya que es recuperable una vez concluido el proceso de polimerización. Otra de las ventajas de este proceso es que se puede hacer a condiciones ambientales normales y además no hay formación de subproductos contaminantes.

Diferentes estructuras de la PANI. Emeraldina es la única forma con propiedades conductivas

4. PROPIEDADES

La polianilina como polímero presenta propiedades típicas tales como su ductilidad y puntos de fusión bajos comparados con la de los metales, velocidades de degradación bajas (lo que actualmente representa un problema ambiental), dureza extrema a temperaturas bajas, poseen densidades muy bajas comparadas con la de los metales y en algunos polímeros con cierta composición química las propiedades ópticas son buenas. Históricamente la capacidad de conductividad para los polímeros se ha considerado como nula debido a la ausencia de electrones libres y la presencia de un sistema amorfo. Pero gracias a los avances en este campo hoy día podemos hablar de la presencia de propiedades de conductividad eléctrica. La polianilina es un polímero conductor que posee enlace covalente y cadenas de macromoléculas iguales de unidades variables, sus buenas propiedades de conductividad las obtiene gracias a procesos industriales de dopaje, que consiste en la introducción de portadores de carga (huecos y electrones) en su interior. Esta introducción de huecos en la PANI o dopaje-p se consigue mediante la oxidación, mientras que la introducción de electrones o dopaje-n se produce por una reducción del material. Este proceso de dopaje puede ser llevado a cabo por  diversos métodos experimentales de naturaleza química, electroquímica, fotoquímica y otros procesos similares. Esta propiedad ahora es aprovechada fundamentalmente en la electrónica reemplazando su antiguo uso consistente en ser material aislante debido a su alta resistividad eléctrica, aunque los polímeros en general son utilizados con este propósito principalmente. Para fines prácticos otra propiedad importante de la PANI es su flexibilidad y elasticidad, las cuales son aprovechadas ampliamente es sus usos. Esto les da cierta ventaja sobre los metales debido que en ocasiones estos resultan ser más difíciles de tratar y son menos elásticos.

5. APLICACIONES Y USOS  Aunque la PANI es un material aun en investigación su comportamiento a permitidos predecir e incluso se ha llegado a comprobar algunas aplicaciones en diferentes industrias. Los principales usos se han encontrado en la industria electrónica, pero también se han aplicado a otras áreas como la medicina, los aislantes, etc. 5.1.

MEDICINA:

Cuando la PANI se sintetiza quedan unidos al electrodo una seria de subcompuestos generados que son de mucho interés para la industria. Por ejemplo podemos encontrar polianilina junto con glucosa oxidada (PANI-GOD) la cual es de altos interés pues forma parte de los compuestos biosensores que utilizan enzimas atrapadas en el polímero para que al reaccionar con sustancia genere una señal electroquímica la cual es detectada en el electrodo. Actualmente se ha diseñado un biosensor muy exitoso en cual utiliza la glucosa oxidad (GOD) para medir glucosa en la sangre al detectar peróxido de hidrogeno producido.

Otra interesante aplicación en el área de la medicina tiene que ver con el aprovechamiento de la gran maleabilidad y memoria de forma que tienen estos polímeros conductores, ya que su forma se puede modificar  de manera reversible y controlada mediante la emisión de impulsos eléctricos, lo cual está siendo muy útil en la creación de modelos musculares debido a que los polímeros del musculo (proteína miosina) también se contraen gracias a impulsos eléctricos. Esto implica también la generación de nervios artificiales. Todos estos avances son pasos muy importantes en el área de los materiales biocompatibles y que a largo plazo puede llegar a crearse tejidos o incluso órganos que puedan ser utilizados en humanos y así más vidas se puedan salvar 

Ductilidad de la PANI

5.2.

BATERIAS:

Otro de los subproductos obtenidos de la síntesis de la PANI es la polianilina sulfonatadas, la cual es utilizada para la fabricación de baterías recargables o almacenables. También se han utilizado polianilina de tipo orgánico como la polianilina tetrafluoruro de litio y de tipo inorgánico como la polianilina de zinc, obteniéndose buenas eficiencias con voltajes de hasta 3 v y potencia de 440 Wh/kg. La principal ventaja de este tipo de baterías es que puede biodegradarse fácilmente al contrario de las tradicionales.

5.3.

AISLANTES

Las polianilinas también pueden ser aplicadas a sustratos, mediante la pulverización, el revestimiento por inmersión, fundición centrifuga, revestimiento por rodillos transferidos y con brochas. Esto es aplicado sobre materiales de gran tamaño como telas y alfombras con el fin de crear una película aislante alrededor del material. También se ha pensado en la utilidad de la polianilina como aislante en ventanas de edificios y en general en zonas comunes de reunión de personas.  Adicionalmente a los efectos de aislante en textiles, la PANI también se ha utilizado para crear películas anticorrosivas alrededor de los aceros obteniéndose resultados favorables 5.4.

ONDAS ELECTROMAGNETICAS

Uno de los comportamientos más fascinantes de la PANI es la absorción de las radiaciones del espectro electromagnético correspondientes a ondas de la escala de infrarrojo y ultravioleta, esto incluye todo tipo de onda visible. También al exponer la polianilina a microondas estas son absorbidas. Este comportamiento ha permitido la apertura de las investigaciones sobre las múltiples aplicaciones que se le pueden dar a este material con estas propiedades, pensando en el área de seguridad industrial y otras de especial importancia humana. Por ejemplo para el recubrimiento de las pantallas de los computadores para evitar la radiación directa, este tipo de invención es conocida como escudos protectores. Otra tipo de aplicación es la invención de ventanas inteligentes que controlen gradualmente la cantidad de luz que puede entrar a una habitación.

6. PANI EN LA ELECTRÓNICA La electrónica es el área donde se han encontrado la mayor parte de las aplicaciones de la polianilina a nivel industrial. Lo más interesante es que no solo las características de conductividad han sido la fuente de aplicación sino también otras propiedades adicionales que resultan de su obtención han brindado unos muy buenos usos. La polianilina como polímero conductor presenta propiedades electrodinámicas, es decir, sus propiedades eléctricas cambian con su estado de óxido-reducción. Gracias a esto se ha hecho posible controlar el comportamiento eléctrico de potencial con estímulos eléctricos adecuados para cerrar o abrir el circuito eléctrico constituido parcial o totalmente por un polímero. El entendimiento de estas características y propiedades eléctricas han sido aprovechas en la construcción de material electroactivo en dispositivos microelectrónicos. Los primeros dispositivos electrónicos que incorporaron la estructura de polímeros conjugados fueron los diodos, semiconductores metal-aislante (MIS) y los transistores de efecto de campo (MISFET) y todo ellos operaban de forma eficiente. Posteriormente se siguió avanzando en las investigaciones sobre el uso de polímeros en la electrónica y se encontraron una cantidad amplia de aplicaciones: 6.1. Inicialmente se aprovecharon los polímeros conductores en la creación de diodos emisores de luz (LED) utilizando los diferentes colores que le proporciona el estado redox 6.2. En la fotoconductividad se han aprovechado sus características de absorción de ondas electromagnéticas para crear diodos y fotocopiadores de mayor eficiencia. 6.3. En la piezoelectricidad la polianilina se utiliza como conductor de micromotores eléctricos asegurando la máxima conducción eléctrica y aportando poco peso y volumen a la estructura 6.4. En el área ferromagnética se pueden aprovechar sus condiciones eléctricas en las bandas magnéticas de grabación orientando las señales a los elementos ferromagnéticos 6.5. En electrónica digital se utiliza para la creación de displays mediante el acople de diodos de PANI en serie 6.6. En cuanto a dispositivos almacenadores de energía se utiliza en la creación de capacitores siendo la PANI la superficies conductoras en situación de influencia total 6.7. En la parte de la electrónica análoga se han intentado aprovechar  las características electromagnéticas de la PANI introduciéndola

en los conmutadores con el fin de captar las señales de los paquetes de datos 6.8. Entre los dispositivos semiconductores se ha utilizado la PANI para cumplir las funciones de un transistor en diferentes aparatos electrónicos de uso común, esto con el fin de hacerlos más livianos y portátiles 6.9. Para la creación de microchips esta tecnología se comenzó a utilizar desde el 2000 obteniendo resultados extraordinarios como la creación de un chip de computadora. Esto demuestra la buena maleabilidad de este material frente a otros. 6.10. En la creación de aparatos electrónicos se ha estudiado en la generación de PANI con la que se pueda crear celdas a combustibles destinadas a vehículos eléctricos y con esto ayudar  a disminuir la contaminación 6.11. Uno de las aplicaciones más importantes como material estructural es en la formación de películas envolventes que protejan los equipos electrónicos de descargar electrostáticas, causa de los principales daños de equipos.

7. CONCLUSIONES

7.1. 7.2.

7.3.

7.4.

La PANI es un material realmente prometedor debido a su alta conductividad electrónica y su gran estabilidad medioambiental. Los nuevos procesos de polimerización utilizados para la obtención de la PANI cada vez son más eficientes, menos costosos y principalmente no generan desechos en gran proporción como lo hacía la polimerización química. La PANI como material industrial encuentra un gran número de usos en diferentes áreas de la humanidad como la medicina pero sus usos principalmente se encuentran en la industria electrónica. Para su aplicación industrial masiva la PANI posee dos grandes inconvenientes, por un lado la poca solubilidad de presencia en la mayoría de los disolventes orgánicos y por el otro lado la dependencia de la conductividad electrónica con el pH del medio (a pH menores a 3 la conductividad disminuye bruscamente).

BIBLIOGRAFÍA

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Cotarelo M. María de los Ángeles. Polianilina. Síntesis de polímeros conductores obtenidos a partir de dímeros de anilina. Tesis de doctorado. Universidad de alicante. 2008. Pág. 15-25 - http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Articulo_Polimeros_Conductores  _2084.pdf  - http://www.fis.cinvestav.mx/~smcsyv/supyvac/19_1/SV1912506.pdf