Polisulfona

La polisulfona más simple, la poli(fenileno sulfona), conocida ya en 1960, se produce en una reacción de Friedel-Crafts a partir de cloruro de bencenosulfonilo : ^{[ 3 ]}

n C ₆ H ₅ SO ₂ Cl → (C ₆ H ₄ SO ₂ ) _n + n HCl

Con un punto de fusión superior a 500  °C, el producto es difícil de procesar. Presenta una atractiva resistencia al calor, pero sus propiedades mecánicas son bastante deficientes. Las poliariléter sulfonas (PAES) representan una alternativa adecuada. Se desarrollaron rutas sintéticas apropiadas para las PAES casi simultáneamente, aunque de forma independiente, por parte de 3M Corporation , ^{[ 4 ]} Union Carbide Corporation en Estados Unidos , ^{[ 5 ]} y la División de Plásticos de ICI ^{[ 6 ]} en el Reino Unido. Los polímeros descubiertos en aquel entonces todavía se utilizan hoy en día, pero se producen mediante un proceso de síntesis diferente.

La síntesis original de PAES implicaba la sustitución aromática electrofílica de un diaril éter con el bis(sulfonil cloruro) del benceno. Las reacciones suelen emplear un catalizador de Friedel-Crafts , como el cloruro férrico o el pentacloruro de antimonio .

n O(C ₆ H ₅ ) ₂ + n SO ₂ Cl ₂ → { [ O(C ₆ H ₄ ) ₂ ]SO ₂ } _n + 2 n HCl

Esta ruta se complica por la formación de isómeros derivados de la sustitución tanto para como orto. Además, se observó reticulación, lo que afecta fuertemente las propiedades mecánicas del polímero. ^{[ 7 ] [ 4 ]} Este método ha sido abandonado.

Los PAES se preparan actualmente mediante una reacción de policondensación de difenóxido y bis(4-clorofenil)sulfona (DCDPS). El grupo sulfona activa los grupos cloruro para la sustitución. El difenóxido requerido se produce in situ a partir de un difenol e hidróxido de sodio . El agua cogenerada se elimina por destilación azeotrópica utilizando tolueno o clorobenceno . La polimerización se lleva a cabo a 130–160  °C en condiciones inertes en un disolvente polar aprótico, como el dimetilsulfóxido , formando un poliéter concomitantemente con la eliminación de cloruro de sodio .

La bis(4-fluorofenil)sulfona puede utilizarse en lugar de la bis(4-clorofenil)sulfona. El difluoruro es más reactivo que el dicloruro, pero más caro. Mediante terminadores de cadena (por ejemplo, cloruro de metilo ), se puede controlar la longitud de la cadena para su procesamiento en estado fundido.

El difenol suele ser bisfenol-A o 1,4-dihidroxibenceno . Estas polimerizaciones por etapas requieren monómeros de alta pureza y estequiometría precisa para garantizar productos de alto peso molecular. ^{[ 8 ]}

El DCDPS es el precursor de polímeros conocidos como Udel (derivado del bisfenol A), PES y Radel R. El Udel es un polímero de sulfona amorfo de alto rendimiento que se puede moldear en diversas formas. Es rígido y resistente a la temperatura, y tiene aplicaciones en una amplia gama de productos, desde tuberías hasta cartuchos de impresora y fusibles de automóviles . El DCDPS también reacciona con el bisfenol S para formar PES. Al igual que el Udel, el PES es un material rígido y resistente al calor con numerosas aplicaciones.

Los poli(aril éter sulfona) están compuestos por grupos aromáticos, grupos éter y grupos sulfonilo . Para comparar las propiedades de sus constituyentes individuales, se puede tomar como ejemplo la poli(fenileno sulfona)  , que consta únicamente de grupos sulfonilo y fenilo. Dado que ambos grupos son térmicamente muy estables, la poli(fenileno sulfona) tiene una temperatura de fusión extremadamente alta (520 °C). Sin embargo, las cadenas poliméricas son tan rígidas que la poli(fenileno sulfona) (PAS) se descompone antes de fundirse y, por lo tanto, no puede procesarse termoplásticamente. Por consiguiente, es necesario incorporar elementos flexibles a las cadenas; esto se realiza en forma de grupos éter. Los grupos éter permiten una rotación libre de las cadenas poliméricas. Esto conduce a una reducción significativa del punto de fusión y también mejora las propiedades mecánicas mediante una mayor resistencia al impacto . ^{[ 7 ]} Los grupos alquilo en el bisfenol A también actúan como un elemento flexible.

La estabilidad del polímero también puede atribuirse a elementos estructurales individuales. El grupo sulfonilo (en el que el azufre se encuentra en el estado de oxidación más alto posible ) atrae electrones de los anillos de benceno vecinos, provocando una deficiencia electrónica . Por lo tanto, el polímero se opone a una mayor pérdida de electrones, lo que justifica su alta resistencia a la oxidación. El grupo sulfonilo también está unido al sistema aromático mediante mesomería , y este enlace se fortalece gracias a la energía mesomérica. Como resultado, la estructura molecular puede absorber mayores cantidades de energía proveniente del calor o la radiación sin que se produzcan reacciones (descomposición). El resultado de la mesomería es que la configuración es particularmente rígida. Gracias al grupo bifenilsulfonilo, el polímero es duradero, resistente al calor y a la oxidación, y mantiene una alta rigidez incluso a temperaturas elevadas. El enlace éter proporciona (a diferencia de los ésteres ) resistencia a la hidrólisis, así como cierta flexibilidad, lo que contribuye a la resistencia al impacto. Además, el enlace éter proporciona buena resistencia al calor y mejor fluidez del fundido. ^{[ 12 ]}

La polisulfona permite fabricar membranas fácilmente , con propiedades reproducibles y un tamaño de poro controlable de hasta 40 nanómetros. Estas membranas se pueden utilizar en aplicaciones como hemodiálisis , tratamiento de aguas residuales , procesamiento de alimentos y bebidas, y separación de gases. Estos polímeros también se emplean en las industrias automotriz y electrónica. Los cartuchos de filtro fabricados con membranas de polisulfona ofrecen caudales extremadamente altos a presiones diferenciales muy bajas en comparación con los medios de nailon o polipropileno .

La polisulfona puede utilizarse como medio de filtración en la esterilización por filtración .

La polisulfona se puede reforzar con fibras de vidrio . El material compuesto resultante tiene el doble de resistencia a la tracción y el triple de su módulo de Young .

La polisulfona se usa frecuentemente como copolímero . Recientemente, las polietersulfonas sulfonadas (SPES) se han estudiado como un material prometedor entre muchos otros polímeros basados ​​en hidrocarburos aromáticos para membranas de intercambio de protones altamente duraderas en pilas de combustible . ^{[ 13 ]} Varias revisiones han informado sobre el progreso en la durabilidad a partir de muchos informes sobre este trabajo. ^{[ 14 ]} El mayor desafío para la aplicación de SPES en pilas de combustible es mejorar su durabilidad química. En un entorno oxidativo, las SPES pueden sufrir desprendimiento de grupos sulfónicos y escisión de la cadena principal. Sin embargo, esta última es más dominante; se ha propuesto la escisión en el punto medio y el mecanismo de desenrollamiento como mecanismo de degradación dependiendo de la resistencia de la cadena principal del polímero. ^{[ 15 ]}

Las bandejas de polisulfona se utilizan para almacenar, calentar y servir alimentos. Fabricadas según los estándares Gastronorm , están disponibles en el color ámbar transparente natural de la polisulfona. Su amplio rango de temperatura de funcionamiento, de -40 °  C a +190  °C, permite utilizarlas directamente del congelador a una mesa de vapor o al microondas. La polisulfona proporciona una superficie antiadherente que minimiza el desperdicio de alimentos y facilita la limpieza.