Fundamentos
El polímero nailon es una fibra artificial que, como es sabido, se usa en la industria textil (por ejemplo, para hacer medias), pero también para fabricar hilos de pesca, hilos de corte para desbrozadoras de jardín o incluso piezas macizas, como tornillos o cepillos de dientes.
El nailon es químicamente una poliamida, lo que significa que está formado de cadenas que contienen el grupo funcional amida (–CO–NH–). La estructura es análoga a la de la seda (una proteína), pero mucho más simple en el caso del nailon, ya que la seda se forma por la unión de aminoácidos (moléculas que tienen tanto el grupo amino, –HN2, como el grupo ácido, –COOH) muy variados, mientras que el nailon se sintetiza a partir de un diácido como el ácido hexanodioico (también llamado ácido adípico) y una diamina como la 1,6-hexanodiamina (o 1,6-diaminohexano o hexametilendiamina). Existen varios tipos de nailon; el descrito se llamada nailon 6,6 porque las moléculas constitutivas (el diácido y la diamina) cuentan ambas con 6 átomos de carbono.
La reacción de formación del nailon 6,6 es inmediata y no necesita condiciones especiales; basta el contacto entre los dos reactivos. El proceso se esquematiza en la figura siguiente[1]. Se trata de una reacción de polimerización por condensación con pérdida de H2O, por lo que según el principio de Le Châtelier transcurrirá mejor si se retira el H2O continuamente, lo que en la industria se consigue haciendo vacío.
La figura anterior muestra también cómo se forman enlaces de hidrógeno entre las cadenas. Estos son fuertes, dada la polaridad de los grupos NH y CO, y explican que la estructura del nailon sea parcialmente cristalina.
Aunque en la industria se emplean diácidos, estos se pueden sustituir en el laboratorio por el correspondiente cloruro de diacilo, es decir, el derivado del ácido que se obtiene sustituyendo los grupos OH por Cl. En este caso, la condensación mostrada en la figura anterior no produciría H2O, sino HCl.
El experimento
Se pude sintetizar nailon fácilmente a partir de dicloruro de decanodioílo (dicloruro de sebacoílo, ClOC(CH2)8COCl) y 1,6-hexanodiamina,H2N(CH2)6NH2).
El dicloruro se disuelve en un disolvente orgánico inmiscible con agua como el ciclohexano. La hexanodiamina se disuelve en agua. El polímero obtenido se llama nailon 6,10.
Se deben preparar dos disoluciones, A y B de la siguiente forma, si bien en este experimento funcionarán bien otras proporciones dentro de un amplio margen:
- A. Se ponen 100 mL de ciclohexano en un vaso de precipitados de 250 mL y se añaden 5 mL de dicloruro de decanodioílo, removiendo para mezclar.
- B. Se ponen 100 mL de agua destilada en un vaso de precipitados, disolviendo en ella 10 g de carbonato de sodio anhidro y 5 g de 1,6-hexanodiamina.
Se debe disponer de un recipiente en forma de vaso. No debe ser excesivamente estrecho porque el polímero tiende a adherirse a las paredes; tampoco demasiado ancho porque se requerirían volúmenes innecesariamente grandes de disoluciones.
Se vierten en el recipiente 2 mL de la disolución B y se agrega cuidadosamente sobre ella un volumen igual de la disolución A. Aunque ambas disoluciones son inmiscibles, debe evitarse que cuando se agregue la disolución A se remueva la B porque se produciría mucho polímero de una vez en todas las regiones en las que entren en contacto las disoluciones. En la interfase entre ambas disoluciones se formará una película blanca de nailon 6,6 que se puede extraer tirando de ella, desde su centro, con unas pinzas. (figura de la izquierda[2])Esto debe hacerse lentamente. Así se creará una fibra continua que se puede ir enrollando en una varilla. El proceso se detendrá cuando uno de los reactivos se haya agotado. Con las cantidades empleadas deberían producirse hasta 5 metros de fibra.
Si se deja de tirar la reacción se detendrá porque los reactivos dejarán de estar con contacto entre sí, ya que lo impedirá la película de polímero existente entre ellos. Si se reanuda la extracción, inmediatamente los reactivos continuarán formando nailon. En la imagen de la derecha puede verse un dispositivo para extraer la fibra en continuo.
La reacción de polimerización puede escribirse así:
n ClOC–(CH2)8–COCl + n H2N–(CH2)6–NH2 →
[–(CO–(CH2)8–CONH–(CH2)6–NH)n–]n+ 2n HCl
A pesar de que las condiciones de reacción son tan suaves, el polímero se obtiene muy rápidamente con un peso molecular considerable: entre 5000 y 20 000[3].
La función del carbonato sódico es neutralizar el HCl formado durante la polimerización. Esto aumenta el rendimiento de la reacción por el principio de Le Châtelier. Al añadir carbonato este neutraliza al HCl, formándose CO2, producto que por ser gaseoso escapa del medio de reacción:
2 HCl + Na2CO3 → 2 NaCl + H2O + CO2
Se puede usar NaOH en vez de Na2CO3, o bien hacer que en la disolución B la hexanodiamina esté en exceso, ya que este compuesto tiene carácter básico. (En general, todas las aminas son bases de Lewis debido al par de electrones sin compartir que tiene el N).
La fibra obtenida se puede lavar con agua, mezcla hidroalcohólica (50%) o acetona para retirar compuestos que no han reaccionado. Después se deja secar al aire. Otra opción es dejar primero que se seque para que se evaporen los compuestos orgánicos y luego lavarla bien con agua para eliminar las sales y los reactivos sobrantes.
Variantes
Pueden añadirse colorantes a cualquiera de las fases para mejorar la visibilidad de la interfaz líquida. Por ejemplo, se puede echar un poco de colorante alimentario al agua.
El material que se obtiene es termoplástico, es decir, a ciertas temperaturas se vuelve deformable o flexible y se llega a derretir, pudiendo moldearse. Por eso, se puede fundir con cuidado en una espátula o cuchara de metal o en un pequeño tubo de ensayo colocados sobre una placa calefactora o a la llama suave de un mechero. No se debe calentar más una vez fundido porque podría carbonizarse. De la masa fundida se pueden extraer fibras lentamente.
También se puede preparar el polímero en forma de película disolviéndolo al 10-20% en ácido fórmico con agitación, a temperatura ambiente. La disolución viscosa que se formará se extiende sobre una superficie de vidrio o similar y se deja secar durante varias horas para obtener una película flexible.
El cloruro de sebacoílo con hexanodiamina dan los mejores resultados, pero también se puede usar cloruro de tereftaloílo con dicha diamina o bien con piperazina (1,4-diazaciclohexano)[4]. Mejores disolventes que el ciclohexano para esta reacción son algunos clorados como CCl4 o cloroformo, pero no deben usarse por ser tóxicos y carcinogénicos.
Seguridad y recomendaciones
El dicloruro de decanodioílo y la 1,6-hexanodiamina son corrosivos. Debe evitarse su inhalación. Pueden irritar severamente la piel. El ciclohexano es altamente inflamable e irritante. Por todo ello, deben usarse guantes. Si es posible conviene trabajar en vitrina o bien en un lugar bien ventilado. El ácido fórmico produce quemaduras en la piel.
Los cloruros de ácido deben protegerse de la humedad ambiental porque se hidrolizan. No obstante, el cloruro de sebacoílo tiene un relativo buen comportamiento en este sentido. En cuanto a las disoluciones acuosas de hexametilendiamina, son bastante estables.
La mezcla de polimerización no utilizada no debe verterse en el fregadero, sino agitarse hasta que no se forme todo el polímero posible. La masa polimérica y los disolventes se pueden desechar siguiendo los protocolos correspondientes.
Utilidad didáctica
Este experimento sirve para ilustrar conceptos básicos de química orgánica como
- Polimerización por condensación
- Polímeros termoplásticos
- Amidas, ácidos, aminas, aminoácidos, halogenuros de acilo, proteínas
- Estequiometría
- Principio de Le Châtelier
- Reacciones ácido-base
- Inmiscibilidad de disolventes orgánicos con agua
- Enlaces de hidrógeno
- Bases de Lewis
[1] R. A. Ortega et al.: Nylon 6,6 Nonwoven Fabric Separates Oil Contaminates from Oil-in-Water Emulsions. PLoS ONE 11(7): e0158493. doi.org/10.1371/journal.pone.0158493.
[2] P. W. Morgan y S. L. Kwolek. J. Chem. Educ. 1959, 36, 4, 182. https://doi.org/10.1021/ed036p182.
[3] P. W. Morgan, op. cit.
[4] P. W. Morgan et al.
Este experimento pertenece al libro:
José M.ª Gavira Vallejo: Experimentos de Ciencia de Materiales. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/ecm/ .
