Tema 30 – Los plásticos- tipología, constitución, propiedades y aplicaciones.

Índice

1. Introducción. 2

2. Tipología. 2

3. Constitución. 4

4. Propiedades y aplicaciones. 5

5. Procedimientos de identificación. 8

5.1. Denominación de los plásticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

6. Conclusiones. 9

7. Bibliografía. 9

1. Introducción.

Antes de conocerse los plásticos, la naturaleza era la u nica fuente de materiales ligeros: La madera, con ayuda de determinados procesos, el caucho natural.

Los químicos fueron capaces, a comienzos de este siglo, de elucidar hasta tal punto la estructura molecular de sustancias naturales como, por ejemplo, el caucho, que fue posible comenzar su producción por medios sintéticos. Los plásticos que se producen hoy en dıason, en muchos aspectos, muy superiores en propiedades a las sustancias naturales.

La elaboración y transformación de sustancias naturales en los materiales que hoy conocemos como plásticos no empezó hasta el siglo pasado, aunque no adquirieron importancia económica hasta los años treinta del presente siglo, cuando el profesor Hermann Staudinger formulo para ellos un modelo estructural, recibió en 1953 el premio nobel por estas investigaciones.

El auge de la industria de los plásticos en todo el mundo no empezó hasta después de la

2a Guerra Mundial. En un principio se empleó el carbón como material de partida, hasta que a mediados de los años 50 se produjo el cambio hacia el petróleo. La crisis del petróleo en 1973 freno un poco el fuerte crecimiento de los plásticos.

Los plásticos son materiales cuyos componentes están formados por sustancias orgánicas macromoleculares que se originan mediante síntesis o por transformación de productos naturales.

Los plásticos se originan a través de entrecruzamiento o encadenamiento de moléculas muy largas, denominadas macromoléculas, unas sujetan a otras. Como las macromoléculas, y por tanto los plásticos están formadas por multitud de unidades estructurales sencillas llamadas monómeros, técnicamente reciben el nombre de polímeros. (macro = grande, mono = uno, meros = parte, poli = muchos).

2. Tipología.

Podemos dar varias clasificaciones a los plásticos, de las cuales, hemos escogido las siguientes:

a) Atendiendo a su origen:

Naturales: Que se obtienen de forma natural por síntesis biológica.

Sintéticos: Producidos artificialmente. b) Según su estructura:

Lineales: Las cadenas no tienen ramificaciones. Cada monómero excepto las unidades terminales forman un enlace en cada uno de sus extremos.

Ramificados: Las cadenas tienen algún punto de ramificación, esto sucede si alguno de los monómeros tiene la posibilidad de unirse por tres sitios.

Reticulares: Cuando las cadenas paralelas poseen ramificaciones transversales comunes.

c) Según su comportamiento ante el calor:

Termoplásticos: (Thermos = caliente, plasso = formar). Cuyas macromoléculas constan de cadenas lineales o ramificadas, que mantienen su cohesión mediante fuerzas intermoleculares, su intensidad depende entre, entre otros, del tipo y numero de ramificaciones o cadenas laterales. Son fundibles y solubles, o como mínimo se hinchan, al contacto con muchos disolventes. A Ta ambiente pueden ser desde blandos hasta duros y frágiles, pasando por los duros y tenaces. Representan en tonelaje la mayor parte del consumo de los plásticos.

Dentro de los termoplásticos distinguiremos entre:

Amorfos: Transparentes, cuyo estado de ordenación molecular se asemeja al vidrio. Las cadenas moleculares son ramificadas, se encuentran entrelazadas en todas las direcciones, careciendo de todo orden estructural. Reciben el nombre de cristales sintéticos u orgánicos.

Parcialmente Cristalinos: Presentan un aspecto opaco lechoso, no son nunca transparentes. Presentan regiones amorfas y regiones cristalinas, que tienen un elevado grado de ordenación dentro de la molécula. Las cadenas moleculares que los componen son lineales.

Termoestables: Están reticulados en todas las direcciones. Cadenas moleculares fuertemente reticuladas. Las moléculas están unidas entre sı como en una retícula. Son infusibles y por ello muy resistentes a las altas Tas. No pueden ser disueltos y muy raramente se hinchan, por causa de la fuerte reticulacion. A Ta ambiente son duros y rígidos, pero frágiles y frente a los termoplásticos, tienden a reblandecerse mucho menos por la acción del calor. Las tomas de corriente por ejemplo se fabrican con termoestables.

Elastómeros: ( elastos = muelle, meros = parte). Cadenas moleculares débilmente reticuladas. Son infusibles e insolubles, pero pueden hincharse, puesto que existen pocos puntos de entrecruzamiento entre cadenas moleculares y las moléculas pequen˜ as como el agua, pueden introducirse entre sus moléculas. Están reticulados en menor extensión y por ello se encuentran a Ta ambiente en estado gomo elástico. Un ejemplo, los neumáticos olas gomas.

d) Según los polímeros que los componen:

Homopolımeros: Que están formados por una solo tipo de monómero.

Copolımeros: Formados por dos o más tipos de monómeros.

3. Constitución.

Los polímeros se constituyen, como ya se ha dicho, de unas unidades estructurales llamadas monómeros que pueden ser idénticas o distintas. Estas unidades pueden ser desde sencillas moléculas de hidrocarburos (polietileno, polipropileno…) a complejos aminoácidos en el caso de las proteínas de síntesis biológica, o bases nitrogenadas en el caso de los ácidos nucleicos.

Muchas veces es posible producir diversos polímeros partiendo de las mismas sustancias, mediante cambios en el proceso de producción o a través de mezclas entre ellas.

Las materias primas para la obtención de los p son sustancias naturales como la celulosa, el carbón, el petróleo y el gas natural. Siendo su producción a partir del petróleo y gas más económica. Solo un 4 % del petróleo es transformado en plásticos. Las moléculas de estas sustancias tienen en común el hecho de contener C (estrictamente necesario) e H. También pueden estar presentes el O, N, y el S.

En una refinería el petróleo se escinde por destilación, el producto de destiladoras importante para la fabricación de petróleo es la gasolina, una vez destilada es tratada en un proceso de disociación térmica, se escinde en etileno, propileno, butileno y otros hidrocarburos. A partir del etileno pueden obtenerse en sucesivas etapas de reacción, por ejemplo estireno y cloruro de vinilo. Estas dos sustancias son asimismo sustancias de partida (monómeros), a partir de los cuales pueden sintetizarse las macromoléculas de los plásticos, para lo cual es necesaria una reacción química. La línea principal o esqueleto de la cadena está casi siempre formada por C, pues tiene la propiedad de formar fácilmente enlaces consigo mismo o con O on, que aparecen algunas veces. Del esqueleto penden otros elementos como el H o grupos de elementos que si forman a su vez cadenas moleculares se les llama cadenas laterales, las cuales aparecen en mayor o menor medida en todos los plásticos. El monómero a partir del cual se construye el polietileno se llama etileno. Podemos decir que los polímeros son macromoléculas que se obtienen de modo artificial a partir de la repetición de unidades simples llamadas monómeros. Como las macromoléculas no se van formando una detrás de otra, sino simultáneamente, al final quedan entrelazadas, formándose así un plástico.

Las reacciones de síntesis de polímeros artificiales siguen básicamente dos mecanismos:

Condensación: El polímero se obtiene mediante la unión de los monómeros , con la consiguiente eliminación de una molécula, bien de H20, HCl, etc… Un ejemplo es la condensación entre un ester y un ácido orgánico:

Adición: El polímero se sintetiza sin la perdida de moléculas de ningún tipo. Los monómeros con doble enlace carbono-carbono, son de especial relevancia en este tipo de síntesis, pues al destruirse el doble enlace, queda, en cada carbono, una valencia libre, para poderse unir a otros monómeros que hayan sufrido el mismo proceso, sin que medie perdida de materia. Sirva de ejemplo el polietileno.

2C H2 = C H2 → −C H2 −C H2− + −C H2−C H2− → −C H2−C H2−C H2 −C H2−

Además en ocasiones se pueden procesar los polímeros naturales para obtener polímeros con utilidad técnica.

Se parte de polímeros existentes en la naturaleza, que debidamente procesados, se transforman en productos de uso común. Uno de los ejemplos históricamente importantes es el procesado del caucho. El caucho natural es un polímero lineal cuyo monómero es el isopreno. Las características del caucho natural no son en absoluto lo que se entiende por caucho comercial, sino que se trata de una resina de aspecto gomoso cuando se calienta y frágil y quebradiza una vez enfriada. Lo que da al caucho sus propiedades es el proceso de la vulcanización, descubierto por Charles Goodyear en el siglo XIX, donde se añade azufre (en cantidades de un 3 % a un 30 %) al caucho natural, formándose unos puentes de átomos de azufre entre las cadenas de caucho natural, lo que da al caucho sus propiedades de elasticidad, resistencia a la abrasión, etc…

4. Propiedades y aplicaciones.

Son ligeros, algunos son menos densos que el agua. Se les emplea como piezas ligeras de construcción en aviones y automóviles, así como para envases o artículos deportivos, en CD pues un pequeño motor ha de hacerlos girar entre 200 y 500 r.p.m. A modo de ejemplo, el Al. es 3 veces más pesado que el PE y el acero hasta 8 veces. El rango de densidades se extiende aproximadamente desde 0.9 g/cm3 hasta 2.3 g/cm3, los de densidad más baja PE y PP menor que la del agua, al flotar en ella son fácil de separar de otros plásticos. La menor densidad es debida a que las distancias entre átomos son más grandes y además son ligeros.

Pueden ser moldeados, Las temperaturas de transformación de los plásticos se encuentran entre la temperatura ambiente y los 250oC, en caso especiales hasta 400oC, gracias a estola transformación no resulta excesivamente complicada y se requiere relativamente poca energía. En el acero son hasta de 1400oC.

Conductividades bajas, Aíslan de la corriente eléctrica del calor y del frıo, prueba de ello son las neveras y las tazas de plástico. Su conductividad es 1000 veces inferior a la de los metales, puesto que prácticamente no tienen electrones libres, responsables del transporte de calor y corriente. El aire, en cambio conduce el calor 10 veces peor que el plástico por eso, se procede a mezclar los plásticos con aire. Las conductividades caloríficas se encuentran en el intervalo de 0.15-0.5 W/mK. Inconveniente durante la transformación, pues es más costosa. Ventaja en el uso en asas de ollas. Para aumentar la conductividad caloríficas le añaden cargas metálicas. A temperaturas más altas el plástico conduce mejor la electricidad. Gracias a su elevada resistencia eléctrica, los plásticos se usan como aislantes eléctricos de aparatos y conducciones que funcionan con corriente eléctrica. Además la variación de algunas características eléctricas como la constante dieléctrica, de algunos polímeros en función del ambiente, permiten que tengan aplicaciones en los elementos transductores dentro de la instrumentación industrial.

Estabilidad frente a muchas sustancias químicas, gracias al mecanismo de unión de los átomos son resistentes a los ácidos, álcalis y soluciones salinas, por otro lado muchos disolventes orgánicos como la gasolina o el alcohol, son capaces de disolverlos. Los disolventes más eficaces son aquellos cuya composición química es similar a la del plástico a disolver.

Permeabilidad. En algunos plásticos, la gran permeabilidad que resulta de las amplias distancias intermoleculares o de la baja densidad, puede ser un inconveniente. Se convierte en una ventaja para algunas aplicaciones como, las membranas de las plantas desalinizadoras, los films para envases i las pro tesis de órganos.

Son a menudo reutilizables, pueden reutilizarse, reciclarse o incinerarse para obtener energía. Sin embargo, en algunos casos, la incineración de ciertas sustancias puede resultar problemática. En especial todos aquellos plásticos que contengan cloro (PVC) o flúor (PTFE llamado Teflón), pues los gases que se producen son tóxicos. Es importante por tanto la separación de residuos para así poder actuar sobre cada tipo según proceda. Un punto de partida racional para el aprovechamiento de residuos es la señalización de los fabricados con plásticos, de modo que pueda saberse el plástico empleado para su fabricación.

Transparencia Los polímeros termoplásticos amorfos presentan transparencias que no

difieren mucho de la del propio vidrio, aprox. 90 %.

Haremos referencia en este tema a los Compact disc y DVD pues son objetos de plástico muy actuales. La parte frontal del envase se fabricara con un termoplástico amorfo al igual que el CD, el cual, por un lado se recubre frecuentemente, en primer lugar con Al vaporizado y posteriormente se compacta, de manera que el rayo láser no pueda atravesarlo y sea reflejado. Leyendo por reflexión en la capa de Al las pequeñas oquedades (bits) en el plástico, y transmitir luego esta informaciones al reproductor de CD, que las transforma en música.

En cuanto a las propiedades mecánicas, debido a la gran variedad de polímeros existentes

podemos encontrar desde polímeros flexibles, rígidos, con roturas dúctiles, frágiles, con mayor o menor resistencia mecánica, etc..

Hay que señalar en este apartado, que las propiedades de cada polímero, dependerá, por supuesto, del o los monómeros que lo formen, y de la estructura que forma el polímero. Pero estos materiales presentan la gran ventaja que debido a su facilidad de procesado, y la baja temperatura de este, es posible incluir en su fabricación aditivos, que nos permiten modificar, hasta cierto punto, las propiedades del producto acabado. Una clasificación de los aditivos serıa la siguiente:

Colorantes

Cargas: (p.e. serrın, minerales en forma pulverulenta), inorgánicas: Aumentan el modulo E y la resistencia a compresión y le hacen más económico. Orgánicas, como tejidos de fibras textiles o celulosa, aumentan la tenacidad. El negro de humo por ejemplo se incorpora a los neumáticos mejorando sus propiedades mecánicas, aumentándola conductividad calorífica y la resistencia a la luz.

Refuerzos estructurales: (p.e. fibras de vidrio o de carbono) La resistencia y la rigidez se multiplican varias veces.

Agentes hinchantes, para la producción de espumas integrales, presentan capacidades de amortiguación térmica y de aislamiento especialmente notables y posibilitan la construcción de piezas mucho más ligeras.

La amplia gama de propiedades hace de los polímeros unos de los materiales más versátiles que se conocen. A parte de las aplicaciones ya enumeradas en el capıtulo de propiedades, cabe citar:

Por sus propiedades elásticas y anti abrasivas, los elastómeros son ampliamente utilizados en el sector de la automoción para la fabricación de neumáticos.

La rigidez y ligereza de algunos termoplásticos hace que sean ampliamente utilizados en la industria aeroespacial como material estructural.

El fácil tintado los hace idóneos como material base para fabricación de aparatos domésticos que necesiten de cierta dosis estética. Por sus propiedades aislantes y mecánicas, se utilizan profusamente en el recubrimiento de cables eléctricos.

Por su rigidez mecánica y dieléctrica, así como resistencia al ataque químico de los ácidos, las baquelitas se utilizan como soporte de elementos electrónicos en los circuitos impresos de los aparatos electrónicos. Por otro lado, para la fotolitografía de tales circuitos impresos se utilizan polímeros fotosensibles que se insolubilizan y fijan al sustrato cuando reticulan, al ser iluminados por rayos laser. Por su estabilidad al ataque químico y fácil solubilidad en disolventes orgánicos, se utilizan, disueltos, como base para fabricar pinturas acrílicas. Sirven así, no solo como elemento ornamental, sino también como elemento protector de otros materiales fácilmente oxidables, como metales.

La estabilidad frente al ataque químico hace que sean utilizados en el revestimiento de vasijas metálicas dedicadas al almacenamiento de sustancias corrosivas. Si el almacenaje es de escasa capacidad, no es necesario el uso de un material que de consistencia al envase, por lo que el mismo polímero, si está dotado de una mínima resistencia mecánica se puede utilizar, por sı solo, como base para fabricar el envase.

Fabricación de botellas de agua, de refrescos, yogures, leche y muchos otros envases de productos alimentarios, en los que, se requiere, no que el envase sea precisamente resistente a sustancias corrosivas, sino que el material posea suficiente inercia química para no reaccionar con los alimentos o dejar olores y sabores en estos.

La inercia química también es el factor que hace que se utilicen ampliamente en la fabricación de tuberías de conducción hidráulica, tanto domesticas como industriales. Las instalaciones de gas ciudad también están utilizando u últimamente tuberías de material plástico por ser más seguras que las metálicas.

La fabricación de pro tesis quirúrgicas, que requieren de una alta estabilidad química, antaño se reservaba a metales nobles como el titanio. Los u últimos diseños de pro tesis con base de policarbonatos están abaratando el proceso de fabricación así como rebajando el peso de la pro tesis (verdadero handicap de la fabricación de pro tesis). La transparencia de algunos de ellos sirven para fabricar lentes oculares para las prótesis quirúrgicas utilizadas en operaciones de cataratas. El teflón se utiliza en la fabricación de válvulas cardıacas. El tubo de ”dracon”, material tan inerte que los tejidos humanos no lo rechazan, se utiliza para la reparación de vasos sanguíneos.

El índice hidrológico de algunos polímeros polares los hace altamente valiosos como materiales impermeabilizantes. Siliconas y alquitranes se utilizan con asiduidad en el sellado e impermeabilización de superficies, tanques, silos, calderas etc. La espuma de poliestireno se utiliza u últimamente en la impermeabilización de construcciones. Tal espuma, al solidificar, encierra dentro de sı numerosas burbujas de aire, con lo que se une la excelente impermeabilidad térmica del aire con la impermeabilidad hidráulica del poliestireno, además del aislamiento sonoro que provocan las burbujas de aire, que hacen las veces de almohadillas en las que las vibraciones sonoras decaen.

Son utilizados, disueltos en distintos disolventes, como base sólida de adhesivos. En concreto la caseína (proteína principal de los productos lácteos) polimeriza de tal forma cuando pierde la humedad que adhiere las superficies entre las que se halla. Algunos plásticos no necesitan siquiera de un disolvente. Al fundir a bajas temperaturas, se calientan hasta su estado líquido, aplicándose sobre las superficies a pegar. Una vez enfriados, sellan ambas superficies.

5. Procedimientos de identificación.

El plástico como producto industrial, es una combinación de polímeros y un número variable de otras sustancias, cargas y aditivos, que se añaden para dar al material final las características o prestaciones concretas que se deseen.

En algunos casos es necesario un tratamiento previo, en el que el polímero se separa de sus aditivos e impurezas de bajo peso molecular. Para retirar aditivos, el método normal es la extracción continua en caliente mediante extractor Soxhlet. En cuanto a las cargas y agentes de refuerzo en los polímeros lineales pueden retirarse mediante solubilizacion de estos en un disolvente adecuado, si son reticulados, se recurre cuando es posible a quemar la muestra en un crisol de porcelana.

El proceso de identificación consiste en someter al material a una serie de pruebas preliminares tales como solubilidad, densidad, fusión y olor a la llama. Si no han conducido a una identificación clara, se procederá a ensayos encaminados a detectar la presencia de heterotermos, o a ensayos específicos.

Una vez aislado el polímero del plástico inicial, para identificarlo podemos aplicarle alguno de los siguientes ensayos:

a) Ensayos de densidad, determinándola densidad del polímero se puede comparar con la densidades conocidas de los diferentes polímeros.

b) Prueba de combustión y olor: En muchas ocasiones observando el color de la combustión y el olor desprendido durante esta, se puede determinar de qué tipo de polímero se trata.

c) Prueba de fusión: esta prueba permite determinar la temperatura de fusión de los polímeros termoplásticos, no de los termoestables, ya que estos se descomponen antes de fundirse. Comparándola temperatura de fusión obtenida con las tablas, se puede deducir de que polímero se trata.

d) Prueba de solubilidad: Estudiando el proceso de solubilidad del polímero en los diferentes disolventes orgánicos, se puede deducir de que polímero se trata.

5.1. Denominación de los plásticos.

Como hemos podido observar, la identificación de los plásticos no resulta una tarea sencilla, ya que los procedimientos de identificación son muy variados y en ocasiones el grado de fiabilidad de la identificación no es muy alto. Además el uso extensivo de estos materiales produce unos residuos que deben gestionarse, para que no supongan un problema económico y medioambiental.

Es evidente entonces que para poder reciclar los materiales plásticos se hace necesario separarlos de los demás residuos y disponer de un método de marcado de este sencillo y practico. Para conseguir esto se procede al marcado de plásticos según la norma DIN 7728, que nombra a los plásticos mediante series de signos que permiten conocer su composición. Por medio de letras adicionales se indica su empleo y las cargas que contiene.

Ejemplo: PE-LLD = Polietileno lineal de baja densidad.

6. Conclusiones.

En el s. XX se produjo el desarrollo científico y técnico que permitieron al hombre sintetizar materiales poliméricos. Debido a el bajo coste de materia prima de los plásticos y de su fácil procesamiento, unido a los grandes abanicos de propiedades, estos materiales se han convertido en un material muy utilizado en la actualidad. Prácticamente podemos encontrar un polímero para cada aplicación. Este uso extensivo, provoca la aparición masiva de residuos de estos materiales, que deben de ser reciclados. Los procesos de identificación no son sencillos, lo que hace necesario un marcado de los materiales plásticos para facilitar su posterior identificación.

7. Bibliografía.

Billmeyer, W. CIENCIA DE LOS POLIMEROS. Ed.: Reverte