Polímeros inherentemente conductores

Al concepto de polímero asociamos propiedades como alta flexibilidad, bajo peso, y excelente capacidad de aislamiento; pero en ningún momento imaginamos que puedan conducir electricidad y calor. Estas últimas propiedades están vinculadas a los metales, que son muy buenos conductores de electricidad y temperatura. El mejor ejemplo de aplicación son los cables eléctricos, los cuales en su interior tienen alambres de cobre, un metal que conduce la electricidad, y alrededor cuentan con un recubrimiento de un polímero plástico, que los aísla. 

Sin embargo, los metales tiene una gran desventaja frente a los polímeros, ya que son mucho más pesados, costosos y no tan fáciles de procesar. Por otro lado, en muchas aplicaciones es deseable contar con polímeros conductores, como por ejemplo, en las carcasas de los equipos que requieren disipación rápida de calor o de electricidad

Al considerar el diseño de un polímero conductor, se planteó la integración de la conducción al material a un nivel macro. Esto consistía en la generación de materiales compuestos, formados a partir de la mezcla física de un polímero no conductor con un material conductor tal como carbón o algún metal en polvo [3]. Estos materiales actualmente se utilizan en diferentes aplicaciones gracias a la flexibilidad que ofrecen para los diseños, a su resistencia química y a la corrosión, y a sus beneficios de procesamiento, entre otros. Es más, se considera que los termoplásticos con refuerzos conductores para disipación estática se encuentran entre los materiales de ingeniería con mayor crecimiento [2]. 

El descubrimiento de los polímeros inherentemente conductores (ICP), es decir, polímeros conductores por naturaleza, se dio por casualidad más que por cualquier otra razón. En este tipo de materiales se debe manipular la estructura molecular para lograr obtener materiales conductores, y esta es una tarea mucho más complicada que la primera aproximación planteada para la obtención de polímeros conductores. El primer polímero inherentemente conductor, el poliacetileno dopado, se reportó en 1977 y posteriormente los científicos que lo descubrieron, Alan J. Heeger, Alan G. MacDiamond y HIdeki Shirakawa, ganaron el Premio Nobel de Química en el año 2000 por el impacto que dicho descubrimiento generaría en la concepción de la funcionalidad de polímeros [3]. 

A partir del anuncio de este descubrimiento se vislumbraron infinitas posibilidades para la utilización de los ICPs, desde reemplazar metales hasta la simplificación de las estructuras de equipos electrónicos que requieren de una rápida disipación de calor y electricidad, pasando por dispositivos de emisión de luz, LEDs, y recubrimientos para prevenir la corrosión en hierro y acero [3]. Sin embargo, su poca estabilidad térmica y al aire y su baja procesabilidad, hicieron que pasaran más de 20 años hasta que este tipo de materiales se pudieran comenzar a utilizar en aplicaciones comerciales. 

Polímeros inherentemente conductores, ICPs
Pero, ¿cómo es que se obtienen estos materiales? Efectivamente, la clave para la obtención de los polímeros inherentemente conductores se encuentra en manipular su estructura química del tal forma que los electrones puedan fluir libremente, ya que esto es lo que permite que se lleve a cabo la conducción por parte de un material. 

La conducción en los materiales se logra a partir del movimiento libre de los electrones dentro del mismo. Esto significa que los electrones no están asociados a un solo átomo en el material sino que se pueden mover libremente, como en el caso de los metales, donde alrededor de los átomos hay una nube de electrones, y ningún electrón está asociado a un enlace en particula r

A diferencia de los metales, los polímeros son macromoléculas formadas por la unión covalente de pequeñas estructuras (monómeros) que se repiten a lo largo de la molécula. Los electrones que forman los enlaces en polímero se encuentran localizados, es decir, están asociados a un par de átomos en particular dentro de la molécula y por lo tanto no se pueden desplazar. Esta es la razón por la cual la mayoría de los polímeros son aislantes. Cuando los enlaces en la cadena son simples y dobles, alternándose, se dice que la estructura cuenta con enlaces dobles conjugados (Figura 1). Este tipo de estructura es característica de los polímeros semiconductores [6]. 

Dos ingredientes son indispensables para poder obtener un ICP: contar con una estructura que tenga enlaces dobles conjugados y dopar dicha estructura. Los polímeros inherentemente conductores se basan en moléculas de polímeros semiconductores. Los enlaces conjugados de este tipo de moléculas permiten que los electrones tengan algún grado de libertad en el movimiento, pero no tan alto como para llegar a ser conductores. Para que el polímero sea realmente conductor, la estructura conjugada se debe perturbar mediante el retiro o adición de electrones, por medio de reacciones de oxidación o reducción respectivamente. Este procedimiento se conoce como dopaje. La figura 2 muestra la una representación del poliacetileno dopado, en donde se observar la movilidad de los electrones en la estructura de enlaces dobles conjugados, no localizados. 

Es así como el primer polímero conductor, el poliacetileno dopado, se obtuvo mediante la oxidación con vapor de yodo de una cadena de poliacetileno semiconductor, aumentando su conductividad en 109 veces más (105 S/m). La  figura 3 muestra una escala de conductividad de distintos materiales. 

Dentro de los ICPs más conocidos, se encuentran el poliacetileno, la polianilina (PANI), el polifenileno-vinilideno (PPV) y el polypirrol (PPy). Las conductividades de estos materiales semiconductores eran del orden de 10-5 S/cm [6], pero al doparlos las conductividades pueden aumentar considerablemente, hasta el orden de 100, como en el caso de la polianilina, e incluso mucho más para moléculas como el poliacetileno [1]

Aplicaciones
Como mencionamos anteriormente, cuando se produjo el descubrimiento de estos materiales en los años 70s las expectativas eran enormes. Sin embargo, los primeros polímeros inherentemente conductores que se obtuvieron eran inestables térmicamente, inestables en el aire, presentaban propiedades mecánicas muy pobres, y además eran costosos y difíciles de procesar. De estas limitaciones, las más importantes eran la dificultad de procesamiento y la inestabilidad al aire, pues esto definitivamente impedía que dicho tipo de materiales se utilizara para fabricar cualquier producto final [2]. 

Tuvieron que pasar más de 20 años para que los inconvenientes de procesabilidad y estabilidad se pudieran superar, o al menos, no fueran un obstáculo para lograr la aplicación de los polímeros inherentemente conductivos. Algunos avances en este sentido, son la mejora de la dispersión de los ICP para lograr desarrollar recubrimientos comerciales, aplicables a la protección contra la corrosión en metales, así como mezclas exitosas con polipropileno, polietileno y poliestireno. Estas últimas mezclas de termoplásticos e ICPs presentan ventajas excepcionales, tales como poseer propiedades mecánicas y de procesamiento similares a las de la matriz de polímero convencional, la facilidad que implica trabajar con un material no particulado, así como la posibilidad de ajustar la resistencia a la conductividad de los material entre 105 y 1010 ohm/sq [2]. De esta forma, la conductividad de los sistemas termoplástico/ICP puede variar en un rango de 10-10 S/cm hasta más de 104 S/cm (casi tan buenas como la del cobre, 105S/cm), lo que quiere decir que se puede obtener cualquier tipo de material, desde aislantes hasta conductores, pasando por semiconductores [3]. La  tabla 1 muestra una comparación de propiedades mecánicas, resistencia a la conducción y otras características entre un termoplástico convencional, dos mezclas de termoplástico/ICP y un material compuesto termoplástico/carbón. 

Actualmente, los sistemas termoplásticos-ICP se pueden procesar por extrusión y moldeo por inyección, así como también pueden utilizarse para fabricar piezas moldeadas por soplado o películas sopladas. A través del proceso de moldeo por inyección se pueden fabricar divisores, rieles, estantes, envases, etc; mientras que por extrusión se pueden obtener láminas para termoformado, filamentos, perfiles y recubrimientos para cables. 

Los polímeros inherentemente conductores tienen un gran potencial para la sustitución de metales en aplicaciones que deban ser ligeras, es decir, de bajo peso. En esta dirección se encaminan gran cantidad de los esfuerzos, pero hasta el momento no se ha logrado obtener un material que alcance de manera satisfactoria esta proeza [9]. En este aspecto, las mayores investigaciones y desarrollos se llevan a cabo en el campo militar, más que en el comercial, por razones evidentes [3]

Otra área que se ve ampliamente beneficiada con la aparición de los polímeros conductores es aquella donde se requieren aplicaciones antiestáticas. Las descargas electrostáticas son altamente perjudiciales para todos los componentes electrónicos, ya que descargas de alto voltaje pueden destruirlos. Se estima que las perdidas causadas por descargas electromagnéticas sobre componentes eléctricos alcanzan los millones de dólares al año, y que estas pérdidas corresponden aproximadamente al 5% de las ventas de dichas piezas. Por estas razones, los componentes electrónicos se empacan y protegen con materiales antiestáticos, que sirvan de barrera a tal tipo de descargas. Los polímeros inherentemente conductores pueden actuar como escudo contra estas descargas y radiaciones, protegiendo así las piezas electrónicas. Además, en algunas ocasiones es deseable que el empaque de las piezas sea transparente para poder ver su contenido. Esto se puede alcanzar fácilmente con el uso de sistemas ICP-termoplásticos [2], [9]. Empresas como RTP Company Engineering Plastics, y Panipol Inherently Conductive Polymers, ofrecen mezclas de poliolefinas/ICP para fabricar cajas, divisiones, envases y otros empaques con barrera electromagnética por procesos de moldeo por inyección, extrusión y moldeo por soplado. Estos materiales también son ideales para almacenar sustancias explosivas o altamente inflamables que requieran protección electromagnética [2]

Por otro lado, los polímeros inherentemente conductores, especialmente las polianilinas, se pueden utilizar para soldar termoplásticos y termoestables. Para esto, el ICP o la mezcla termoplástico/ICP o termoestable/ICP se coloca entre las partes que se desean soldar y se irradia con microondas: el calor generado propicia la unión de las partes. La unión resultante es tan fuerte como el material termoplástico moldeado por compresión o el termoestable con el que se está trabajando [3]

Otra aplicación, ya comercial, es la utilización de ICPs como recubrimientos anticorrosivos para protección de metales. Esto se debe a su capacidad de dispersar las cargas eléctricas impidiendo que lleguen hasta el metal y provoquen corrosión. Para este tipo de aplicaciones, la polianilina es el mejor ICP que se puede utilizar, ya que ha mostrado que es capaz de ofrecer protección en su estado natural o dopado. Empresas como PolyOne o Panipol ofrecen recubrimientos anticorrosivos basados en esta tecnología. 

Finalmente, se ha trabajado ampliamente en la producción de luz a partir de ICPs. Dependiendo de las modificaciones que se realicen en la estructura, los ICPs son capaces de producir luz, como respuesta al estímulo provocado por el paso de una corriente eléctrica baja, lo que implica ahorros en energía y menor generación de calor. Esta aplicación es de gran importancia ya que permite utilizar indicadores de luz, o LEDs, en ambientes explosivos donde es peligroso utilizar el paso de corrientes eléctricas altas o la generación de calor. En esta tecnología, PHILIPS es líder mundial y ha logrado realizar grandes avances al respecto. La  tabla 2 resume algunas aplicaciones de ciertos ICPs

La lista de aplicaciones puede continuar, y podríamos hablar de sensores bioactivos, físicos y químicos, baterías orgánicas, almacenamiento y conversión de energía, actuadores electromecánicos y muchas otras aplicaciones en las cuales los ICP pueden llegar a tener una participación potencial. Las presentadas anteriormente, son las más relevantes. Lo más importante es que la tecnología ya se encuentra disponible, y que los avances han permitido que sistemas de ICP/termoplásticos y otras mezclas se encuentren disponibles para comercialización y aplicación. En un futuro, con el avance de la ciencia en este campo, se logrará bajar los costos, y dar mayor estabilidad, funcionalidad y procesabilidad a estos materiales, ampliando así su rango de aplicación y descubriendo nuevas ventajas y oportunidades.