Materiales sintéticos

En esta entrada os voy a hablar sobre: ¿qué es un material sintético?, ¿ a qué nos referimos cuando hablamos de los materiales sintéticos industrialmente?, los hitos históricos relacionados con estos materiales y sobre las materias primas para la obtención de estos materiales.

¿Qué son los elementos sintético?

Un material sintético es aquel producto de la “síntesis química”, que consiste en el proceso de obtención de compuestos químicos partiendo de sustancias más simples.

Esto quiere decir que los elementos sintéticos no se obtienen en la naturaleza, sino que son creados artificialmente.
¿Qué es sintetizar un material?La sintetización es un proceso industrial por el cual los materiales son sometidos a reaciones químicas para obtener un material compuesto a raíz de sustancias más simples.

Por ejemplo el proceso permite obtener productos que no se encuentran en la naturaleza, como los plásticos. La baquelita, es un tipo de plástico, que se obtiene apartir de dos materiales artificiales: formol y fenol.

Durante los últimos cien años se han descubierto multitud de materiales, así como nuevos métodos de fabricación, hay que destacar que el primer proceso de fabricación de los materiales sintéticos es la vulcanización.

La vulcanización fue descubierta por Charles Goodyear en 1839, tras un largo proceso de intentos fallidos de estabilización del caucho, que finalmente lo logro con esta técnica.

Esta técnica consiste en mezclar azufre con caucho crudo y calentarlo, lo que le hace más duro y resistente a los cambios de temperatura.

El resultado final es un caucho más estable, duro y resistente, sin perder por ello la elasticidad natural. También transforma la superficie pegajosa del material en una superficie suave que no se adhiere al metal o a los sustratos plásticos. Este proceso daría lugar a un nuevo material, el látex, con el que actualmente se fabrica una gran cantidad de objetos, como los neumáticos.

Los materiales sintéticos tienen macromoléculas, están compuestas `por grandes cantidades de componentes. Sus átomos no se unen, sino que se cohesionan. 

A continuación os muestro un vídeo en el cual se explica la fabricación de un producto a base de macromoleculas sintéticas, en este caso fibras textiles elaboradas con polipropileno.

Los polímeros poseen las siguientes propiedades en común:

• Bajo coste de producción.
• Alta relación resistencia/densidad, es decir que aun siendo ligeros poseen una resistencia mecánica notable. Se usan junto a aleaciones metálicas para construir aviones.
• Elevada resistencia al ataque químico.
• Alta resistencia eléctrica, lo que los hace excelentes aislantes eléctricos.
• Pequeña conductividad térmica, por lo tanto son buenos aislante térmicos.
• Combustibilidad, la mayoría arden con facilidad. El color de la llama y el olor del humo suele ser característico de cada tipo de plástico.
• Plasticidad, muchos se reblandecen con el calor y, sin llegar a fundir, son fácilmente moldeables. Permite la fabricación de piezas complicadas.
• Facilidad de procesado y versatilidad, su elevada plasticidad hace que las técnicas de fabricación sean sencillas; permite fabricar piezas según necesidades.
• Facilidad para combinarse con otros materiales, permiten crear materiales compuestos con mejores propiedades, como el poliéster reforzado con fibra de vidrio.

 

¿ A qué nos referimos cuando hablamos industrialmente de materiales sintéticos?

Los plásticos son materiales orgánicos formados por polímeros constituidos por largas cadenas de átomos que contienen fundamentalmente carbono. Otros elementos que contienen los plásticos pueden ser oxígeno, nitrógeno, hidrógeno y azufre.

Clasificación de los materiales sintéticos conforme a su estado:

• Físico y mecánico:

1. Elastómeros: son elementos que presentan un comportamiento elástico como pueden ser el caucho natural sintetizado, el caucho sintetizado y poliuretano.
2. Plásticos: son sustancias que pueden ser moldeadas, su origen es orgánico, están formadas por largas cadenas macromoleculares que contienen en su estructura carbono e hidrógeno principalmente. Se obtienen mediante reacciones químicas entre diferentes materias primas de origen sintético o natural.

 

•  Químico: 

1. Termoplásticos: significa que se pueden moldear con la temperatura. Tienen un punto de fluidez controlada, tienen punto de fusión y por lo tanto se funde, son reciclables, se pueden soldar mediante soldadura física o química. No siempre los puedes unir si son de diferente tipo. Algunas materias primas de las que se pueden obtener estas sustancias son: polipropileno, polietileno, poliestireno, policarbonato, polivinilo. Se usan para el aislamiento de cables electricos, calandras,interior del motor, salpicaderos, spoilers, rejillas, paragolpes, baterias.  

2. Termosestable: significa que si les aplicas calor no se pueden moldear. No se funden sino que se queman, no se pueden reciclar, no se pueden deformar aplicando calor y sigues aumentando la temperatura lo que haces es quemarlo. Algunas de estas sustancias son: el poliéster, epoxis, alquinos, fenólico... En el vehículo se usan para fabricar portones, capos, salpicaderos.

 

 

Vamos a destacar también al poliuretano, es un material que se puede moldear asta cierto punto. Puede ser termoestable o termoplástico. Y según su estado adquiere la nomeclatura >PUR< O >TPU<. 

Hitos históricos que marcan la vida de los materiales sintéticos

Antes de la aparición del primer plástico sintético, el hombre ya utilizaba algunas resinas naturales, como el betún, gutapercha, goma, laca y ámbar, con los que podían fabricar productos útiles y lograr aplicaciones diversas. Se tienen referencias de que éstas se utilizaban en Egipto, Babilonia, India, Grecia y China, para una variedad de aplicaciones desde el modelo básico de artículos rituales hasta la impregnación de los muertos para su momificación.

Dentro de la historia hay que destacar el proceso de vulcanización que fue descubierto por Charles Goodyear en 1839. Este proceso sirve para la obtención del caucho sintético. Lo descubrió de casualidad, ya que tras una serie de intentos fallidos para la obtención de este material, Goodyear se cansó y tiró al fuego el caucho, pasado un tiempo observo que había ocurrido algo en las cenizas o restos de material que había tirado al fuego, observó que rebotaba, que se había hecho más resistente a los cambios de temperatura y más rígido.
Se dió cuenta de que en el fuego había restos de azufre, que junto con el fuego son los ingredientes perfectos para la creación del caucho sintético.

Los fallos que presentaba el caucho natural antes de hacer este proceso es que se hacían pegajosos en veranos, con altas temperaturas, y rígidos en invierno, con temperaturas bajas. Y lo que se buscaba con este proceso era estabilizar el material.

En 1860, el inventor estadounidense Wesley Hyatt desarrolló un método de procesamiento a presión de la piroxilina, un nitrato de celulosa de baja nitración tratado previamente con alcanfor y una cantidad mínima de alcohol. Su producto, patentado con el nombre de celuloide, se utilizó para fabricar diferentes objetos, desde placas dentales a cuellos de camisa. El celuloide tuvo un notable éxito comercial a pesar de ser inflamable y deteriorarse al exponerlo a la luz.
No es hasta 1907 cuando se introducen los polímeros sintéticos, cuando el Dr. Leo Baeckeland descubre un compuesto de fenol-formaldehído al cual denomina “baquelita” y que se comercializa en 1909. Este material presenta gran resistencia mecánica aislamiento eléctrico y resistencia a elevadas temperaturas.
En 1920 se produjo un acontecimiento que marcaría la pauta en el desarrollo de materiales plásticos. El químico alemán Hermann Staudinger aventuró que éstos se componían en realidad de moléculas gigantes o macromoléculas. Los esfuerzos dedicados a probar esta afirmación iniciaron numerosas investigaciones científicas que produjeron enormes avances en esta parte de la química.

La evolución de los plásticos

En la década del 30, químicos ingleses descubrieron que el gas etileno polimerizaba bajo la acción del calor y la presión, formando un termoplástico al que nombraron polietileno (PE). Hacia los años 50 aparece el polipropileno (PP).
Al reemplazar en el etileno un átomo de hidrógeno por uno de cloruro se produjo el cloruro de polivinilo (PVC), un plástico duro y resistente al fuego, especialmente adecuado para cañerías de todo tipo. Al agregarles diversos aditivos se logra un material más blando, sustitutivo del caucho, comúnmente usado para ropa impermeable, manteles, cortinas y juguetes. Un plástico parecido al PVC es el politetrafluoretileno (PTFE), conocido popularmente como teflón y usado para rodillos y sartenes antiadherentes.

En los años 30 en Alemania fue el poliestireno (PS), un material muy transparente comúnmente utilizado para vasos. El poliestireno expandido (EPS), una espuma blanca y rígida, es usado básicamente para embalaje y aislante térmico.

La utilización de los plásticos en el mundo del automóvil es muy escasa si miramos al pasado. En 1980 la cantidad de elementos sintéticos en el automóvil no superaba de los 30 a los 100 kilos incluyendo las ruedas, que es esta época eran bastante pesadas, y el aislante de los cables eléctricos.
El Renault 5, fabricado en 1972, fue el primer coche que tubo la defensa delantera de plástico, lo que supusio una revolución en el mundo de la automoción.

Materias primas para la obtención de los materiales sintéticos

LOS PLÁSTICOS DEPENDIENDO DE SU PROCEDENCIA PUEDEN SER:

1. Naturales: si se obtienen directamente de materias primas vegetales como por ejemplo la celulosa, que se encuentra en las células de las plantas, el Celofán que se obtiene disolviendo fibras de madera, algodón y cáñamo o el látex que se obtiene del jugo de la corteza de un árbol tropical, de plantas como los dientes de león o de algunos árboles bastante conocidos como las higueras...
2. Sintéticos: los que se elaboran a partir de compuestos derivados del petróleo, el gas natural o el carbón.

En un principio, la mayoría de los plásticos se fabricaban a partir de resinas de origen vegetal, como la celulosa (del algodón), el furfural (de la cáscara de la avena), aceites de semillas y derivados del almidón o del carbón. La caseína de la leche era uno de los materiales no vegetales utilizados. A pesar de que la producción del nylon se basaba originalmente en el carbón, el aire y el agua, y de que el nylon 11 se fabrica todavía con semillas de ricinoEn la actualidad, la mayoría de los plásticos que se comercializan provienen de la destilación del petróleo. La industria de plásticos utiliza el 6% del petróleo que pasa por las refinerías para convertirlo en plástico.

Las materias primas derivadas del petróleo son tan baratas como abundantes. No obstante, dado que las existencias mundiales de petróleo tienen un límite, se están investigando otras fuentes de materias primas, como la gasificación del carbón.

Síntesis del polímero

El primer paso en la fabricación de un plástico es la polimerización. Los dos métodos básicos de polimerización son las reacciones de condensación y las de adición. Estos métodos pueden llevarse a cabo de varias maneras. En la polimerización en masa se polimeriza sólo el monómero, por lo general en una fase gaseosa o líquida, si bien se realizan también algunas polimerizaciones en estado sólido. Mediante la polimerización en disolución se forma una emulsión que se coagula seguidamente. En la polimerización por interfase los monómeros se disuelven en dos líquidos inmiscibles y la polimerización tiene lugar en la interfase entre los dos líquidos.

Con frecuencia se utilizan aditivos químicos para conseguir una propiedad determinada, por ejemplo antioxidantes, plastificantes, lubricantes, pigmentos de colores, ignífugas, antiestáticas y también pueden estar compuestos por otros elementos para mejorar su resistencia.

Para finalizar quiero destacar la importancia de los plásticos en el automóvil, ya que suponen un porcentaje muy elevado de los componentes de el vehículo y que según avance el desarrollo se utilizaran en mayor medida.

Hoy en día hay coches que su carrocería e incluso su chasis están hechos de plástico y materiales sintéticos, como defensas, aletas,.embellecedores, interior...

Esto ha sido todo por esta entrada, asta la próxima.