Elementos sintéticos

Introducción

Elementos sintéticos son aquellos elementos químicos que la humanidad no conocía hasta que los sintetizó, esto es, que no los descubrió como tales en el espacio. Son elementos radiactivos, es decir inestables, con vidas medias cortas en comparación con la edad del planeta. Por lo tanto se desintegraron casi totalmente desde la formación de la Tierra, y no se encuentran en cantidades apreciables salvo por la acción humana, producidos en reactores nucleares o aceleradores de partículas.

Historia

Los materiales sintéticos no se encuentran en la naturaleza, sino que los seres humanos son aquellos que los fabrican, es decir, son materiales artificiales.
El inicio de todo este mundo material comenzó en el año 1860 con la aparición del celuloide. Éste material se creó a partir de la modificación química de las moléculas de celulosa que se encuentran en las plantas. Su utilización más conocida se dio en el cine y fotografía, de ahí viene el nombre de "el mundo del celuloide" que se refiere al "mundo del cine". Un gran problema de este material era su extremada inflamabilidad y sensibilidad a la luz.
En 1862, Alexander Parkes había creado un material duro que podía ser moldeado (Parkesin). Primer material semi-sintético.
En 1906 Leo Hendrik Baekeland creó la Baquelita, un material sintético que al contrario de todos los plásticos, en vez de derretirse, se endurecía.
Después de la Primera Guerra Mundial, se comenzó a crear materiales sintéticos derivados del petróleo. El polimetilo de metacrilato ó más famosamente llamado "Plexiglás", fué uno de los materiales más conocidos de esa época.
Al comienzo de la Segunda Guerra Mundial, se dió a conocer al mundo el "Teflón", nombre químico Politetrafluoroetileno.

Las diferentes características físicas de los materiales sintéticos son muy conocidas en la vida cotidiana. Una bolsa plástica, por ejemplo, se derrite a altas temperaturas, mientras que una cuchara de madera permanece intacta. 

Conocemos también materiales que mantienen su forma aún cuando se les aplica fuerza, mientras que otros pueden ser estirados y luego vuelven a su forma original. Estas características básicas también se utilizan para clasificar a los materiales sintéticos: los materiales térmicamente deformables se llaman termoplásticos, los materiales resistentes al calor se llaman termoendurecibles y los materiales elásticos se llaman elastómeros.

Los materiales sintéticos están formados por moléculas gigantescas que son aumentadas durante el proceso de polimerización. 

Sus características especiales dependen de la interconexión de sus macromoléculas. En los termoplásticos, por ejemplo, las macromoléculas se encuentran una junto a la otra. Si este tipo de material sintético se calienta, las moléculas pueden deslizarse unas sobre otras, y el objeto se deforma. Cuando se enfría, el material sintético se endurece y toma una nueva forma. En contraste, los plásticos termoendurecibles están formados por finas mallas de macromoléculas. Las uniones firmes que se producen entre ellas hacen que estas moléculas no se deslicen unas sobre otras cuando se calientan.

Química de los materiales sintéticos

Clasificación de los plásticos

Según el monómero base

En esta clasificación se considera el origen del monómero del cual parte la producción del polímero.

• Naturales: Son los polímeros cuyos monómeros son derivados de productos de origen natural con ciertas características como, por ejemplo, la celulosa, la caseína y el caucho. Dentro de dos de estos ejemplos existen otros plásticos de los cuales provienen:
• Los derivados de la celulosa son: el celuloide, el celofán y el cellón.
• Los derivados del caucho son: la goma y la ebonita.
• Sintéticos: Son aquellos que tienen origen en productos elaborados por el hombre, principalmente derivados del petróleo como lo son las bolsas de polietileno

Según su comportamiento frente al calor

Termoplásticos

Un termoplástico es un plástico que, a temperatura ambiente, es plástico o deformable, se convierte en un líquido cuando se calienta y se endurece en un estado vítreo cuando se enfría suficiente. La mayoría de los termoplásticos son polímeros de alto peso molecular, los que poseen cadenas asociadas por medio de débiles fuerzas Van der Waals (Polietileno); fuertes interacciones dipolo-dipolo y enlace de hidrógeno; o incluso anillos aromáticos apilados (poliestireno). Los polímeros termoplásticos difieren de los polímeros termoestables en que después de calentarse y moldearse éstos pueden recalentarse y formar otros objetos, ya que en el caso de los termoestables o termoduros, su forma después de enfriarse no cambia y este prefiere incendiarse..

Sus propiedades físicas cambian gradualmente si se funden y se moldean varias veces.

Los principales son:

• Resinas celulósicas: obtenidas a partir de la celulosa, el material constituyente de la parte leñosa de las plantas. Pertenece a este grupo el rayón.
• Polietilenos y derivados: Emplean como materia prima el etileno obtenido del craqueo del petróleo que, tratado posteriormente, permite obtener diferentes monómeros como acetato de vinilo, alcohol vinílico, cloruro de vinilo, etc. Pertenecen a este grupo elPVC, el poliestireno, el metacrilato, etc.
• Derivados de las proteínas: Pertenecen a este grupo el nailon y el perlón, obtenidos a partir de las diamidas.
• Derivados del caucho: Son ejemplo de este grupo los llamados comercialmente pliofilmes, clorhidratos de caucho obtenidos adicionando ácido clorhídrico a los polímeros de caucho.

Termoestables

Los plásticos termoestables son materiales que una vez que han sufrido el proceso de calentamiento-fusión y formación-solidificación, se convierten en materiales rígidos que no vuelven a fundirse. Generalmente para su obtención se parte de un aldehído.

• Polímeros del fenol: Son plásticos duros, insolubles e infusibles pero, si durante su fabricación se emplea un exceso de fenol, se obtienen termoplásticos.
• Resinas epoxi.
• Resinas melamínicas.
• Baquelita.
• Aminoplásticos: Polímeros de urea y derivados. Pertenece a este grupo la melamina.
• Poliésteres: Resinas procedentes de la esterificación de polialcoholes, que suelen emplearse en barnices. Si el ácido no está en exceso, se obtienen termoplásticos.

Según la reacción de síntesis

También pueden clasificarse según la reacción que produjo el polímero:

Polímeros de adición

Implican siempre la ruptura o apertura de una unión del monómero para permitir la formación de una cadena. En la medida que las moléculas son más largas y pesadas, la cera parafínica se vuelve más dura y más tenaz. Ejemplo:

2n H₂C=CH₂ → [-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-]_n

Polímeros de condensación

Son aquellos donde los monómeros deben tener, por lo menos, dos grupos reactivos por monómero para darle continuidad a la cadena. Ejemplo:

R-COOH + R'-OH → R-CO-OR' + H₂O

Polímeros formados por etapas

La cadena de polímero va creciendo gradualmente mientras haya monómeros disponibles, añadiendo un monómero cada vez. Esta categoría incluye todos los polímeros de condensación de Carothers y además algunos otros que no liberan moléculas pequeñas pero sí se forman gradualmente, como por ejemplo los poliuretanos.

Física de los materiales sintéticos

Las propiedades y características de la mayoría de los plásticos (aunque no siempre se cumplen en determinados plásticos especiales ) son estas:

~ fáciles de trabajar y moldear,

~ tienen un bajo costo de producción,

~ poseen baja densidad,

~ suelen ser impermeables,

~ buenos aislantes eléctricos,

~ aceptables aislantes acústicos,

~ buenos aislantes térmicos,aunque la mayoría no resisten temparaturas muy elevadas,

~ resistentes a la corrosión y a muchos factores químicos;

~ algunos no son biodegradables ni fáciles de reciclar, y si se queman, son muy contaminantes.

Obtención de los materiales sintéticos

El primer paso en la obtención de plásticos consiste en mezclar los componentes en las proporciones necesarias para obtener el material que se desea fabricar. La materia prima suele estar en forma de bolitas, en polvo o en forma de líquido viscoso.

Los aditivos

Se suelen añadir a la mezcla diversas sustancias, conocidas con el nombre de aditivos. Los aditivos aportan distintas propiedades a los plásticos, como baja densidad, baja conductividad eléctrica, transparencia, color, tenacidad, dureza, estabilidad...

La forma de trabajar depende del tipo de plástico que se va a fabricar. Así, a los termoplásticos se les puede aplicar diversas técnicas basadas en el aporte de calor y presión, entre las que destacan la extrusión y el moldeo.

Sin embargo, los plásticos termoestables son más complicados, debido a que no funden al calentarse. Solo se pueden obtener mediante los procesos de moldeo por compresión y moldeo por transferencia.

La extrusión

Una vez fundido, el material es obligado a pasar de forma continua a través de una boquilla y es recogido a la salida de la misma por un sistema de arrastre. Al enfriarse, por contacto con el aire ambiente o mediante circulación forzada de aire frío, se obtiene un perfil cuya sección tiene la forma de la boquilla.

El moldeo

El moldeo consiste en fabricar piezas de plástico mediante moldes, que le dan al material la forma deseada. Es el procedimiento más utilizado debido a su sencillez y a la calidad del acabado final. La mayoría de los objetos de plástico se fabrican mediante alguno de los métodos de moldeo.

Según el tipo de presión a que se somete el material plástico dentro del molde, podemos considerar dos tipos de técnicas:moldeo a baja presión y moldeo a alta presión.

El moldeo a baja presión

Los procedimientos industriales más importantes son:

• El moldeo por soplado: se introduce en el molde una preforma en forma de tubo a través de un dosificador y, a continuación, se inyecta aire comprimido.

• Otro método es el moldeo al vacío, en el que se dispone de un molde donde se efectúa el vacío, adaptándose el material a las paredes del mismo.
• El moldeo centrífugo, donde el material semifundido se introduce en un molde que gira sobre un eje, de manera que «la fuerza centrífuga» hace que se adapte a las paredes del molde.
• La colada es el método más simple, ya que consiste en fundir el material y verterlo en un molde. El fluido viscoso rellena el molde y toma su forma. Se trata de un método lento, ya que se invierte mucho tiempo en asegurarse de que el molde se ha rellenado por completo y en enfriar el plástico.
• El espumado se usa para conseguir espumas de polímero, es decir, plásticos con una densidad muy baja o expandidos, que tienen en su interior burbujas de aire.

En todos ellos, el material fundido toma la forma de un molde y, tras enfriarse y solidificar de nuevo, se obtiene la pieza final.

El moldeo a alta presión

El moldeo a alta presión, o moldeo por inyección, es el método más utilizado en la producción de termoplásticos. Se utiliza una máquina parecida a la extrusora, que proporciona alta presión y temperatura elevada al material.

Moldeo por inyección

Una vez fundido se introduce el plástico a alta presión en el interior del molde. Gracias a la presión, el plástico rellena el molde sin dejar huecos. El proceso es muy rápido, y permite fabricar piezas complejas, por lo que se emplea para elaborar todo tipo de objetos. Un caso particular de aplicación del moldeo por inyección es la fabricación de películas de plástico.

La mecanización de los plásticos

Mecanizar cualquier tipo de material consiste en realizar, mediante máquinas o herramientas, trabajos para dar forma a los objetos. Una máquina herramienta porta una herramienta que se acopla a los mecanismos de la máquina, que, por lo general, realizará algún movimiento, bien en la pieza a mecanizar o bien en la propia herramienta.

La industria ha encontrado en el plástico un buen sustituto de la madera y los metales para ciertas aplicaciones, debido a la gran dureza, tenacidad y resistencia de determinado tipo de plásticos. Estos se suelen obtener en formas estándar, como perfiles redondos, chapas o láminas, tubos..., para después mecanizarlos o darles forma mediante máquinas herramientas.

Estas máquinas, como taladros, tornos, fresadoras y sierras de corte, son las habituales cuando se trabaja con la madera o los metales. Además, podemos aplicar en estos plásticos otros trabajos de acabado, como lijado, limado de virutas o rebabas o rectificado de superficies, con los que se consiguen superficies alisadas con el mínimo de rugosidad.

De todos estos trabajos, los más habituales son el torneado, el fresado y el rectificado.

El torneado

El torneado consiste principalmente en agarrar una pieza mediante unas mordazas de sujeción en los extremos longitudinales de la misma, que hacen girar el material. Mientras está girando, una herramienta de corte, denominada cuchilla, se acerca al objeto y elimina material de forma perimetral, consiguiendo formas cilíndricas o cónicas.

Mediante la mecanización de una pieza de plástico en un torno se pueden obtener objetos de sección circular.

El fresado

Consiste igualmente en la eliminación de parte del material de una pieza en bruto, pero esta vez de forma superficial. Lafresadora sujeta la pieza en una bancada de forma que ofrece una de sus superficies a una herramienta de corte, llamadafresa, que mediante diversas pasadas por el área a retirar realiza rebajes en la superficie.

Mediante el fresado se pueden conseguir piezas con diferentes formas planas.

El rectificado

La máquina rectificadora dispone, a modo de herramienta, de una muela abrasiva que pule la superficie de una pieza. Para ello, la muela va girando sobre la superficie rugosa, mientras la pieza se va desplazando en una dirección determinada.

Las muelas están compuestas por granos de material abrasivo de elevada dureza, compactados mediante un aglomerante. Al girar la muela a gran velocidad, los granos se comportan como pequeñísimas cuchillas que eliminan el material superficial. Entre los tipos de abrasivo más utilizados están el cuarzo, el diamante o el esmeril como abrasivos naturales, y el carburo de silicio y el carburo de boro como abrasivos artificiales.

La muela puede tener diferentes tamaños de grano: el muy grueso, con el que se desbasta la superficie; el medio y el fino, con los que se consiguen acabados finos; y el muy fino o el superfino, que permiten pulir una superficie sin que quede apenas rugosidad.

El calandrado

Es un proceso de transformación de materiales termoplásticos y elastómeros para la fabricación de láminas partiendo de formas de plástico en bruto. El material se hace pasar por diferentes rodillos cilíndricos que reducen el espesor de las láminas. El tipo de producto que se obtiene consiste en una película de plástico de pequeño espesor que se utiliza para impermeables, manteles de hule, film transparente para envolver alimentos, etc.

Los materiales plásticos utilizados en el automóvil

La distribución en porcentaje de los diferentes tipos de plástico (polímeros) utilizados en el automóvil, según el material base, sería la siguiente:

Según los porcentajes, el producto más consumido es el polipropileno (PP) con casi un 30% en peso, en segundo lugar se encuentra el caucho para los neumáticos y seguidamente los polímeros técnicos y los elastómeros.
Las características a destacar de los polipropilenos son una buena resistencia química, unas buenas propiedades mecánicas y eléctricas, además de una mayor resistencia al calor que el polietileno y la aceptación como relleno o refuerzo de materiales como el talco, las fibras, o el negro de humo. Su mezcla con EPDM (caucho etileno propileno dieno) es una de las más utilizadas para la fabricación de paragolpes. Otras aplicaciones donde se pueden encontrar son en guardabarros, carcasas del sistema de calefacción, depósitos de líquidos, alerones, spoilers, tapacubos y aislantes para cables.

Los diferentes tipos de poliuretanos (PUR), termoplásticos y reticulados, son utilizados en los sistemas de absorción de energía (absorbedores), juntas, spoilers y cantoneras o como aislantes térmicos y acústicos

El PVC se utiliza como revestimiento aislante de los cables por su bajo precio y su resistencia a la combustión, también se utiliza en tubos flexibles, recubrimientos y juntas, sin embargo, su fuerte y negativo impacto medioambiental permite predecir que en un futuro tendrá fuertes restricciones de uso, como ya ha ocurrido para algunos productos.

Las características a destacar de los polietilenos (PE) son sus excelentes propiedades eléctricas, buena resistencia al agua y a la humedad. Su barata y sencilla fabricación, así como su posibilidad de mezcla con otros materiales para mejorar sus características, ha hecho que su utilización sea muy extendida. Sus aplicaciones son en aislantes para cableados, depósitos de combustible, juntas, cajas de batería, etc.

Los polímeros transparentes (PMMA, PC) se utilizan en faros y pilotos donde su peso, resistencia al impacto y posibilidad de formas geométricas ha desplazado al vidrio. El PC, también aparece presente en piezas como paragolpes, spoilers o componentes eléctricos sometidos a altas temperaturas.

En ABS, material rígido, duro y tenaz, podemos encontrar rejillas, carcasas, guanteras, apoyabrazos o tapacubos. La poliamida (PA) de gran resistencia a la fatiga, la abrasión y al impacto se utiliza en tapacubos, rejillas, carcasas y ventiladores.