1. INTRODUCCIÓN
2. LOS PLÁSTICOS: TIPOLOGÍA, CONSTITUCIÓN, PROPIEDADES Y APLICACIONES
2.1. TIPOLOGÍA
2.2. CONSTITUCIÓN
2.3. PROPIEDADES Y APLICACIONES
3. PROCEDIMIENTOS DE IDENTIFICACIÓN
3.1. PRUEBA DEL PESO ESPECÍFICO Y DENSIDAD
3.2. PRUEBA DE COMBUSTIÓN
3.3. PRUEBA DE FUSIÓN POR CALOR
3.4. PRUEBA DEL OLOR
3.5. PRUEBA DE SOLUBILIDAD
3.6. POR EL ASPECTO
4. CONCLUSIÓN
BIBLIOGRAFÍA.
Ciencia de los materiales. Reverté
Tecnología industrial I. Everest.
1. INTRODUCCIÓN
Existe un gran número de materiales de importancia en nuestra sociedad actual, por su gran aplicación en todos los campos, su utilización, abarca a todo tipo de industrias; farmacéutica, juguetería, automóvil, textil, etc. En su mayoría son materiales artificiales, lo que permite conseguir con ellos una amplia gama de propiedades y por otra parte, crear casi continuamente materiales totalmente nuevos y variantes de éstos. Nos estamos refiriendo naturalmente a los plásticos.
El descubrimiento del celuloide en 1864 abre las puertas de los plásticos. El celuloide es un material flexible, transparente y resistente a la humedad pero también es extremadamente inflamable característica que limita su uso. El celuloide es usado como soporte cinematográfico hasta el año 1940, a partir de ese año se comienza a usar triacetato de celulosa solucionando el alto peligro de incendio en los cines y en los almacenes de películas.
A continuación pasaremos a definir los plásticos, ver los tipos de los mismos, así como su composición, características, propiedades y aplicaciones. Por último, veremos cuales son los procedimientos para la identificación de los distintos tipos de plásticos.
2. LOS PLÁSTICOS: TIPOLOGÍA, CONSTITUCIÓN, PROPIEDADES Y APLICACIONES
Se denominan materiales plásticos a un numeroso grupo de productos de origen orgánico y de elevado peso molecular, que son sólidos a temperatura ambiente, pero de fácil moldeo por calor.
2.1. TIPOLOGÍA
Existen numerosas formas de clasificar a los materiales plásticos; teniendo en cuenta sus propiedades ópticas, mecánicas, químicas, etc. Una clasificación para designar la tipología de estos materiales es atendiendo a su estructura molecular. Así pues, tenemos:
1. Termoplásticos: se trata de un material de moléculas lineales, que bajo presión y a cierta temperatura, son susceptibles de fluir, pero que, por debajo de tal temperatura, retornan a su forma original. A este grupo pertenecen los plásticos comerciales más importantes en la actualidad.
2. Termoestables: son materiales cuya estructura interna está formada por cadenas con ramificaciones, formando un entramado tridimensional. Estos materiales no fluyen por aplicación de calor y presión, permaneciendo siempre en su forma original. Al calentar a elevada temperatura se degradan, siendo el proceso irreversible.
3. Elastómeros: reciben este nombre por sus características elásticas, semejantes a las del caucho. Están constituidas por macro moléculas lineales enlazadas entre sí por uniones puente, provocadas en el proceso denominado vulcanización.
Otra clasificación, atendiendo a la naturaleza del proceso de síntesis, es la que se da a continuación, en la cual se incluyen los polímeros comerciales más importantes, según la nomenclatura química internacional. Veamos 3 clases:
1. Polímeros naturales, con 2 tipos
– A) Celulósicos como nitrato de celulosa, acetato de celulosa, etc
– B) Proteínicos como la caseína
2. Polímeros de adición, con 2 tipos:
– A) Vinílicos: policloruro de vinilo, polimetracrilato de metilo, policloruro de vinilideno, etc.
– B) Etilénicos: polietileno, politetraflúor etileno, etc.
3. Polímeros de condensación, con 3 tipos.
– A) Fenoplastos: fenol-formaldehído, etc
– B) Aminoplastos: urea-formaldehído, anilina-formaldehído, etc
– C) Proteínicos: poliéster, poliuretanos, poliamidas, etc.
2.2. CONSTITUCIÓN
Los plásticos en su mayoría están constituidos por hidrocarburos del tipo llamado parafinas, donde el carbono y el hidrogeno se combinan según la relación CnH2n. Teóricamente, estos hidrocarburos pueden enlazarse indefinidamente unos con otros para formar moléculas muy largas.
La polimerización de los plásticos, es el proceso por el cual se unen pequeñas moléculas llamadas monómeros para crear moléculas de elevado peso molecular llamados polímeros. Conforme aumenta el tamaño del polímero, se incrementa el punto de fusión o de reblandecimiento, y el polímero se hace más resistente y rígido.
La obtención de macromoléculas por polimerización puede hacerse básicamente por 2 mecanismos diferentes:
• 1.- Mecanismos de condensación. Los polímeros de condensación se forman a partir de monómeros polifuncionales, con la consiguiente eliminación de alguna pequeña molécula, por ejemplo agua o HCl, etc. Un ejemplo típico de este mecanismo es la formación de poliamidas.
• 2.- Mecanismo de adición. Los polímeros de adición se forman a partir de monómeros sin la pérdida de pequeñas moléculas, por lo que en los polímeros de adición la unidad estructural tiene la misma composición que la del monómero de partida. El grupo más importante de polímeros de adición corresponde a los formados a partir de monómeros que contienen doble enlace carbono-carbono. Un ejemplo de este tipo seria la formación del polietileno a partir de moléculas de etileno.
Para la mayoría de las aplicaciones, a los plásticos se les añade otros materiales, denominados aditivos, con objeto de mejorar sus cualidades, reducir el precio, mejorar su maleabilidad, etc. Estos aditivos se clasifican normalmente como cargas, plastificantes, lubricantes, colorantes, estabilizadores, absorbentes, desmoldeantes y catalizadores.
– Las cargas sus sustancias minerales como sílice, talco, etc. o vegetales como serrín de madera, papel etc. que mejoran la resistencia mecánica y la tenacidad, además de abaratar los costes del producto final.
– Los plastificantes son sustancias orgánicas como la glicerina, parafina, etc. que reducen la dureza y la fragilidad de los polímeros aumentando la ductilidad y la tenacidad.
– Los lubricantes son sustancias que mejoran los problemas de deslizamiento sobre las superficies de las máquinas y matrices.
– Los colorantes son compuestos que pueden dar color al polímero. Pueden ser tintes que se incorporan en la estructura molecular del polímero o pigmentos que se sitúan en los espacios que dejan libres las moléculas.
– Los estabilizadores, que son productos distintos al polímero que mezclado con él actua como protector en la unión, permitiendo que no se debilite por acción del calor, luz, etc.
– El absorbente, que absorbe la radiación ultravioleta para que no actúe sobre el polímero.
– Los desmoldeantes, que facilitan la fricción o deslizamiento en máquinas.
– Los catalizadores, aceleran las reacciones químicas.
2.3. PROPIEDADES Y APLICACIONES
Describimos las propiedades generales de los plásticos.
Propiedades térmicas, que si el polímero es de cadenas lineales con el calor se reblandece progresivamente y se moldea fácilmente, en cambio si es de cadena entrecruzada, tiene alta resistencia térmica. Ante el fuego el plástico no es inflamable excepto el celuloide que lo era pero no se usa.
Propiedades eléctricas, en general son aislantes pero si añadimos grafito lo convertimos en conductor.
grado de cristalización y peso molecular mayor resistencia a productos químicos. Los plásticos no son oxidables, con lo que sustituye muchas veces a los metales.
Propiedades mecánicas, donde la dureza, torsión, etc depende del tipo de plástico. Algunos son muy elásticos y por eso se usa en la fabricación de ruedas y otros muy duros y se usan en chalecos antibalas.
Propiedades ópticas, la mayoría son transparentes pero al llevar colorantes pueden actuar como translúcidos u opacos. Propiedades acústicas, son muy buenos como aislantes acústicos mezclados con otros elementos como la lana de vidrio. En cuanto a la densidad, los cristalinos tienen mayor densidad que los amorfos, pero los plásticos son poco densos.
A continuación vamos a señalar las propiedades y aplicaciones más notables de algunos de los materiales plásticos más importantes, ya que es difícil encuadrarlos a todos en unas propiedades y aplicaciones comunes, debido a su poca generalidad.
• Nitrato de celulosa, es un material termoplástico que absorbe agua fácilmente, me moldea bien bajo el calor y presión, es tenaz y resistente al choque, muy inflamable, pero con algunos plastificantes disminuye su inflamabilidad. Se utiliza como adhesivo, embalajes (celofán), películas fotográficas, etc.
• Caseína, es una resina termoplástico, que cuando está algo húmeda se transforma en termoestable por reacción con la forma aldehído. Su aspecto es parecido al cuerpo. Tiene malas cualidades de moldeo, pero posee buenas propiedades mecánicas y de aislante eléctrico para bajas tensiones. Los artículos de caseína son atacados por los álcalis. Se emplea en la fabricación de agujas de hacer punto, aislantes eléctricos, botones, etc.
• Policloruro de vinilo (PVC): es un material termoplástico, químicamente inerte y no tóxico, cuya estabilidad a la luz y el calor es muy pequeña, y algunas propiedades mecánicas desfavorables, por lo que para usos industriales, debe ser plastificado. Se usa en tejidos impermeables, aislamiento de cables eléctricos, correas de transmisión, material de construcción y decoración, etc.
• Polimetacrilato de metilo: resina termoplástico, sólida, transparente y de aspecto vítreo. Posee buenas características para la transmisión de la luz, resistencia mecánica, dieléctrica y resistencia al choque. Se emplea para hacer planchas de diversos espesores, vidrio artificial se seguridad, cabinas de piloto, campanas protectoras, en cirugía, óptica, etc.
• Polietileno (PE): material termoplástico. Sus características varían según su peso molecular. Puede existir bajo la forma cristalina elástico y oscuro o en la forma amorfa dura y más claro. Es resistente a la corrosión y a los hongos. Posee gran permeabilidad a líquidos y vapores. Hay 2 clases de polietileno el de baja densidad y alta densidad. El de baja densidad tiene un grado de cristalización bajo y menor densidad. El de alta densidad, tiene un grado de cristalización mayor entre el 80 y 95%, con lo que su densidad, resistencia, rigidez y punto de fusión son mayores que en el anterior.
El de baja densidad se usa en recubrir cables y el de alta densidad por su elevada moldeabilidad se usa en botellas, envases,etc.
• Polipropileno (PP), es un material termoplástico y es el plástico con menor densidad. Es incoloro o claro, resiste la tracción, el choque y se puede doblar muchas veces sin romper. Se usa en utensilios de cocina, fontanería, cascos de seguridad, etc.
• Poliestireno (PS), es un material termoplástico, resistente, rígido y que aguanta poco el calor. Se usa en juguetes, equipos electrónicos, etc. Si se le añade en la polimerización sustancias que volatilizan con el calor se obtiene el Poliestireno expandido o corcho blanco, usado en embalaje y como aislante.
• Policarbonato, son termoplásticos obtenidos con ácido carbónico. Se usa en carcasas de máquinas y objetos de oficina, cristales duros.
• Politetraflúor etileno o teflón es un material translúcido e inalterable a la luz solar y agentes atmosféricos, con alta resistencia a la temperatura y gran aislante eléctrico. Se utiliza en cintas, diafragmas y juntas para válvulas, en estopas y para toda clase de juntas resistentes.
• Resinas fenólicas, material termoestable y conocidas como baquelita, se obtienen por condensación del fenol y del formaldehído. Resisten el calor y la resistencia mecánica. Por ser dieléctrico se usa en componentes electrónicos y por su baja conductividad térmica se usa en utensilios de cocina
• Formaldehído es termoestable, su nombre tradicional es la formica, de hormiga en latín. Químicamente inerte, se amarillea con la luz del sol; gran resistencia mecánica, extremadamente duro, facilidad y precisión de moldeo. Se emplea en laminados de gran resistencia, en engranajes y otras piezas mecánicas, aparatos telefónicos, ventiladores, etc.
• Urea-formaldehído: es una resina termoestable, dura y tenaz, con gran facilidad de teñido. Excelentes cualidades de moldeo y buenas propiedades difusoras a la luz. Se utiliza en aparatos telefónicos, cajas y aparatos de radio, conmutadores e interruptores, etc.
• Poliéster: material con grandes características mecánicas. Tiene gran poder de absorción y amortiguación a vibraciones. Es buen aislante del calor. Se usa en carrocerías de automóviles y motocicletas, accesorios de aviación, impermeabilización de sótanos, etc.
• Caucho, es el elastómero natural, formado por repetición del isopreno. Para tener mejor propiedades se le añade azufre.
• Neopreno, es un elastómero derivado del clopreno, y se usa en revestimiento de cables o fabricación de correas.
• El kevlar, es un tipo de plástico reforzado con fibras distintas al plástico para aumentar su resistencia, y se usa en chalecos antibalas, satélites de comunicación, aviones, etc.
3. PROCEDIMIENTOS DE IDENTIFICACIÓN DE PLÁSTICOS
Para la identificación de plásticos a nivel escolar, hemos de restringir el análisis de plásticos a unos ensayos preliminares y sencillos que con una cierta sistemática lleven por lo menos a una mayor diferenciación entre los distintos tipos de plásticos.
En estos procedimientos de identificación se estudiarán características como: peso específico y densidad, combustión, fusión por calor, olor, solubilidad y por el aspecto. Para algunos de estas pruebas se dispondrá de una tabla que servirá de ayuda en la identificación de los plásticos.
3.1. PRUEBA DEL PESO ESPECÍFICO Y DENSIDAD
Su determinación para muestras sólidas se puede realizar por suspensión en agua empleando una balanza analítica o mediante un picnómetro por desplazamiento de líquido. Como la densidad se define como el cociente de la masa M y el volumen V de una muestra, la verdadera densidad puede determinarse pesando la masa y determinando el volumen real de la muestra. Hay 2 maneras.
– 1.- Procedimiento de flotación que consiste en determinar por su flotamiento o hundimiento en líquido de densidad aproximada a la del plástico investigado.
– 2.- Picnometría: un picnómetro es un recipiente perfectamente calibrado en su volumen a una cierta temperatura. Se pesa el picnómetro vacío dando m1, se introduce una cierta cantidad de polímero y se pesa de nuevo obteniendo m2, entonces se enrasa el volumen restante con un líquido de densidad conocida, y se pesa de nuevo teniendo m3. Se retira el polímero y se enrasa con el líquido de densidad conocida para hacer la ultima pesada m4. Conocidos estos datos se saca la densidad.
3.2. PRUEBA DE COMBUSTIÓN
Tiene gran importancia para algunas aplicaciones conocer la facilidad con que puede inflamarse un material plástico y la velocidad a que avanza su combustión. Existen dos tipos de pruebas de combustión que analizaremos a continuación:
– 1.- Exposición directa a la llama: consiste en llevar a una llama muy tenue de un mechero Bunsen una pequeña muestra del plástico con la ayuda de unas pinzas. Se observa cuidadosamente como arde el plástico tanto por fuera como por dentro de la llama, así como la formación de pequeñas gotas durante el proceso y el olor que se obtendrá cuando se apague la llama. Todas
estas observaciones se anotan para después efectuar una comprobación con la tabla, verificando el tipo de material en función de los resultados obtenidos.
– 2.- Ensayo de pirólisis. En este tipo de ensayo el plástico se calienta en el interior de un tubo, sin exposición directa a la llama.
En la entrada del tubo se coloca un trozo húmedo de papel indicador de pH. Se calienta el tubo con una llama mínima de forma lenta hasta descomposición. La reacción del papel indicador de pH da información poco específica del tipo de plástico aunque puede orientar y complementar la de otras pruebas. Por medio de una tabla se puede observar el intervalo de valores de pH que se obtiene para cada familia de polímeros.
3.3. PRUEBA DE FUSIÓN POR CALOR
Las propiedades térmicas de los materiales termoplásticos dependen esencialmente de si son amorfos o cristalinos. Los polímeros amorfos, al ser calentados comienzan a reblandecerse hasta que en un cierto intervalo de temperaturas característico comienzan a fluir. Para los polímeros cristalinos, los intervalos de fusión son más estrechos pero siguen siendo menos definidos que en los compuestos de bajo peso molecular. Si el calentamiento prosigue se obtiene la descomposición. Los materiales termoestables y elastómeros se descomponen antes de fluir. Este tipo de comportamiento puede servir de pauta para identificar a un termoestable curado.
El intervalo de reblandecimiento puede ser determinado mediante una platina de calentamiento. Esta última consiste en una plancha metálica en la cual se establece con ayuda de resistencias, un gradiente lineal de temperaturas, normalmente de 50 a 250 ºC. La muestra se deposita directamente sobre la platina dividida lo más finamente que sea posible. La posición que ocupe el límite entre el material en forma de polvo sólido y el material fundido informa de la temperatura de reblandecimiento sin más que leer su distancia a los dos extremos de la plancha y establecer la proporcionalidad entre distancia y diferencia de temperaturas.
Mediante una tabla, la cual nos indica los valores de los intervalos de temperatura de fusión y reblandecimiento de algunos termoplásticos, podemos determinar a que tipo de plástico pertenece la muestra estudiada.
3.4. PRUEBA DEL OLOR
La prueba del olor en la identificación de plásticos, está íntimamente relacionada con la de combustión, tanto para la de exposición directa a la llama, como a la de pirolisis, ya que en ambas se desprenderán gases de la descomposición y dicho olor servirá para ayudar a la identificación, junto con los datos de pH, aspecto de la llama, etc. que se contemplan en las tablas de comportamiento de los plásticos a la combustión.
3.5. PRUEBA DE SOLUBILIDAD
Los polímeros presentan un proceso de disolución distinto del que se observa en compuestos de bajo peso molecular. Para un polímero, este proceso se ve dificultado por el enmarañamiento entre las cadenas que lo forman. Se necesita entonces una primera etapa en la que el disolvente embeba al polímero de forma que vaya abriendo la maraña. Esto se detecta macroscópicamente por el hinchamiento del sólido. Una vez finalizada esta primera etapa, que es común a cualquier tipo de polímero, más moléculas de disolvente van rodeando a las cadenas hasta que las logra independizar las unas de las otras alcanzando una verdadera disolución en la que todo el polímero estará solubilizado presentando una única fase. En el caso de que el polímero estuviera entrecruzado, las cadenas se encuentran unidas entre sí por enlaces covalentes y sólo tiene lugar el proceso de hinchamiento puesto que se trata de materiales insolubles. Los disolventes más utilizados para plásticos son el benceno, acetona, ácido fórmico, etc.
El procedimiento experimental para realizar los estudios de solubilidad se lleva a cabo en un tubo de ensayo donde se depositan 0.1 g de plástico finamente divididos con 5 a 0 ml del disolvente que se desee ensayar. Se deja un tiempo prudencial, que puede alcanzar horas, para observar el grado de hinchamiento. Si es necesario puede calentarse suavemente preferiblemente en un baño de agua. Si quedaran productos insolubles, posibles cargas del material, se puede filtrar o decantar ensayando en el líquido filtrado la presencia de polímero con la adición de un precipitante.
3.6. POR EL ASPECTO
A veces por el aspecto se identifica, si es una rotura dura y fibrosa es termoestable.
4. CONCLUSIÓN
Hemos puesto de manifiesto a lo largo del tema, la gran variedad de materiales que comprenden los plásticos. La gran variedad de propiedades físicas que presentan los diferentes polímeros se debe a las diferentes constituciones químicas de sus moléculas y a las diferentes disposiciones con que se unen las unidades básicas para formar la estructura definitiva del polímero.
Hemos referido también los dos mecanismos diferentes básicos para la formación de cadenas de polímeros: mecanismos de adición y mecanismos de condensación, además de los tipos de materiales plásticos más importantes, sus aditivos y sus usos más comunes.