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Plastics

{tab=Generalidades y Aplicaciones}Definiciones de interés:

  • Polímeros: son compuestos orgánicos naturales o sintéticos. Del griego poli (muchas) y mero (partes). Los polímeros son, por tanto, moléculas básicamente lineales, generalmente de origen orgánico, constituidas por la unión de moléculas de bajo peso molecular. Cuanto mayor sea el número de moléculas, mayor será el peso molecular del polímero correspondiente. Polietileno, polipropileno, poliestireno, poliéster, nylon, y teflón® son ejemplos de polímeros industriales
  • Plásticos: materiales que contienen combinaciones de carbono, oxígeno, nitrógeno y otros aditivos, que presentan la capacidad de ser conformados o moldeados, generalmente por aplicación de calor y presión. Un plástico es un material "conformable". Los plásticos pertenecen a la gran familia de los polímeros.
  • Cauchos: son materiales en estado gomoso con una gran capacidad de retracción, que se emplean para la obtención de pinturas, barnices o plásticos. Las resinas no son plásticos hasta que no se transforman en un sólido en su estado final.

Por tanto, los materiales plásticos están formados por:

  • Resina base: es la macromolécula o polímero que se sintetiza a parir de pequeñas moléculas llamadas monómeros.
  • Residuos de polimerización: se trata de compuestos no poliméricos que se forman en la reacción de polimerización.
  • Aditivos: son aquellas sustancias que dotan a los plásticos de unas propiedades específicas.

Existen plásticos con gran variedad de propiedades según sea su base polimérica y los aditivos empleados para su fabricación. Sin embargo, todos ellos presentan una serie de propiedades comunes que los distinguen del resto de materiales:

  • Densidad: son materiales ligeros, con densidades comprendidas entre 0,9 y 2,3 g/cm3.
  • Plasticidad: se trabajan con facilidad ya que son muy deformables, lo que facilita su industrialización, y por tanto abaratan el coste final del producto.
  • Elasticidad: son, en general, materiales elásticos, en función de la temperatura.
  • Conductividad térmica: es muy baja, entre 100 y 1000 veces menor que la de los metales. Son, por tanto, muy buenos aislantes.
  • Conductividad eléctrica: son muy malos conductores de la electricidad.
  • Resistencia mecánica: los plásticos son materiales con una excelente relación coste/peso/propiedades mecánicas.
  • Dureza: está relacionada con la resistencia a la compresión, penetración y rayado. Existen plásticos blandos o flexibles y plásticos con gran dureza.
  • Resistencia al desgaste por rozamiento: en general, la mayoría de los plásticos son poco resistentes al desgate por rozamiento.
  • Resistencia química y atmosférica: resisten bien el ataque de ácidos, sin que se alteren sus propiedades. También son muy resistentes a las condiciones atmosféricas.
  • Temperatura de fusión: los plásticos, en general, poseen una temperatura de fusión inferior a la de los metales, lo que implica que su resistencia a altas temperaturas sea también muy baja.
  • Variedad, forma, color, textura, apariencia: al ser materiales fáciles de trabajar, se pueden conseguir múltiples formas, algunas muy complejas, además de darles la textura y color final deseados, lo que los hace extraordinariamente polivalentes.
  • Reciclado: algunos de estos materiales se pueden reciclar con facilidad sin perder sus propiedades.

Los plásticos poseen moléculas de gran tamaño, denominadas macromoléculas, que se forman a partir de otras más pequeñas, llamadas monómeros, a través del proceso de polimerización. Este proceso consiste en añadir a la resina base una serie de compuestos químicos llamados catalizadores, que provocan la unión de grandes cadenas de moléculas, que se entrelazan formando macromoléculas. La distribución de este entrelazado es lo que determina las propiedades de cada plástico.

Los productos químicos básicos en los procesos de polimerización son obtenidos a partir de las materias primas básicas como el gas natural, el petróleo y el carbón. Estos productos son polimerizados por diferentes procesos hasta obtener materiales plásticos con forma de gránulos, bolitas, polvos o líquidos, los cuales son nuevamente procesados y convertidos en productos definitivos. Algunos de los métodos de polimerización más importantes son:

  • Polimerización en bloque: consiste en poner el monómero y el iniciador en el reactor y comenzar el calentamiento. Es una polimerización directa de monómeros líquidos en un sistema de reacción en que el polímero formado sigue siendo soluble en su propio monómero.
  • Polimerización por solución: en esta polimerización se diluye el monómero con disolventes en los que también se disuelve el polímero. Diluyendo el monómero con el disolvente se reduce la velocidad de polimerización y el calor desprendido por ésta es absorbido por el disolvente.
  • Polimerización por suspensión: En este proceso se usa el agua como medio de reacción y el monómero, más que disolverse, se dispersa en el medio. Así, el monómero se mezcla con un catalizador y se utiliza en forma de suspensión en agua. En este proceso el calor desprendido es absorbido por el agua. Después el producto polimerizado se separa y se deshidrata.
  • Polimerización por emulsión: este proceso es similar al proceso de suspensión. Se adiciona al medio acuoso un agente emulsionador con el fin de dispersar el monómero en partículas muy pequeñas. 

Aplicaciones

En cuanto a sus usos, los plásticos tienen una gran variedad de aplicaciones en sectores como el automóvil, alimentación, envases y embalajes, juguetes, construcción, etc. Los plásticos son materiales técnicos importantes ya que tienen una amplia gama de propiedades, muchas de ellas inalcanzables para otros materiales. Las ventajas de su aplicación en proyectos mecánicos son, fundamentalmente: su facilidad de procesar diseños complejos en una sola operación; su precio es inferior a numerosos materiales metálicos; la relación peso/propiedades mecánicas es excelente; son ligeros,; no necesitan operaciones finales de mecanizado ni tratamientos térmicos posteriores, etc.

En contacto con los alimentos la mayoría de los materiales plásticos se mantienen inertes y presentan muy buenas propiedades de conservación. Además son de amplia utilización en proyectos eléctricos, principalmente por sus excelentes propiedades aislantes.

  • Envases y embalajes: Los plásticos son utilizados como envases debido a sus excelentes propiedades químicas en contacto con los alimentos. Además, su ligereza y posibilidad de reciclado son aspectos fundamentales para su elección. Ej: polietileno, polipropileno y PET.
  • Construcción: Los plásticos son muy empleados en el sector de la construcción debido a su facilidad de procesado, excelentes propiedades mecánicas, físicas y ópticas y bajo coste. Ej: PVC y poliestireno.
  • Transporte y telecomunicaciones: Numerosos componentes de automóviles, barcos, aviones se fabrican a partir de diferentes materiales plásticos. Sus excelentes propiedades y su bajo peso los hace idóneos para estas aplicaciones. Ej: polipropileno, ABS y poliamidas.
  • Medicina: Algunos productos del área sanitaria están fabricados, o tienen como principal componente el plástico. Las jeringuillas, lentillas, prótesis, cápsulas, envases de productos farmacéuticos, bolsas de sangre y suero, guantes, filtros para hemodiálisis, válvulas, tiritas, gafas, e incluso, el acondicionamiento de cada una de las salas de un hospital se construye con materiales plásticos como PVC.
  • Agricultura: La resistencia al impacto y al rasgado, la transparencia a la radiación solar, dispersión de la luz y la reducción del riesgo de heladas, son entre otros, los beneficios que ofrecen los plásticos en la agricultura. Las aplicaciones más extendidas son: invernaderos, túneles de cultivo, tuberías para la conducción de agua y drenaje, filmes para ensilar, etc. Ej: poliestileno y PVC.

{tab=Clasificación}Además de los polímeros clásicos que se producen y comercializan desde hace algunos años, cada día aparecen otros nuevos, provenientes de investigaciones científicas y tecnológicas. Por lo que, dada la gran variedad de materiales poliméricos existentes, se hace necesario agruparlos según sus características, facilitando así el entendimiento y el estudio de las propiedades, de acuerdo con:

  • La estructura química.
  • El comportamiento frente a la temperatura.
  • Las propiedades mecánicas.
  • El tipo de aplicación.

Clasificación según el tipo de estructura química

Se pueden agrupar en tres divisiones:

  • Según la cantidad de meros diferentes en el polímero: homopolímero, copolímero o terpolímeros.
  • Con relación a la forma de la cadena polimérica: lineales, ramificados, entrecruzados.
  • Según la estructura química de los meros que constituyen el polímero: poliolefinas, poliamidas, poliésteres, etc.

Clasificación según el comportamiento frente la temperatura

Según el resultado que se obtiene al calentar los polímeros, se pueden nombrar: 

  • Termoplásticos: son resinas con una estructura lineal, que durante el moldeo en caliente no sufren modificación química, y quedan blandos y conformables. Se clasifican en amorfos y parcialmente cristalinos. Ej.: polietileno, polipropileno, poliéster, poliamida, etc. 
  • Termoestables: son resinas que durante el proceso de calentamiento, al principio funden pero luego experimentan un cambio químico irreversible, que hace que la resina se vuelva infundible e insoluble, debido a la presencia de catalizadores en la propia resina. Ej.: resina epoxi, caseína, compuestos fenólicos, etc.
  • Elastómeros: son aquellos polímeros que muestran un comportamiento elástico, es decir, se deforman al someterlos a una fuerza, pero recuperan su forma inicial al suprimirla. Se les conoce como cauchos.

Clasificación según el comportamiento mecánico

  • Plásticos: son materiales poliméricos estables en las condiciones normales de uso, pero que durante alguna etapa de su fabricación estuvieron fluidos. Esta propiedad les permite ser moldeados por calentamiento, por presión o ambos. Ej.: polietileno, polipropileno, poliestireno.
  • Elastómeros (o cauchos): son materiales poliméricos que tanto pueden ser de origen natural como sintético. Después de sufrir una deformación bajo la acción de una fuerza, recuperan la forma original rápidamente, por más que la deformación haya sido grande o aplicada durante bastante tiempo. Ej.: polibutadieno, caucho nitrílico, poli(estireno-co-butadieno).
  • Fibras: tienen una relación muy elevada entre la longitud y el diámetro. Generalmente son constituidas por macromoléculas lineales y se mantienen orientadas longitudinalmente. Ej.: poliésteres, poliamidas y poliacrilonitrilo.

Clasificación según la escala de fabricación

Los plásticos, de acuerdo con la escala de producción pueden llamarse:

  • Plásticos de consumo: constituyen la mayoría de los polímeros fabricados mundialmente. Ej. polietileno, polipropileno, poliestireno, etc.
  • Plásticos especiales: poseen un conjunto especial de propiedades y son producidos en menor escala. Ej. poli(óxido de metileno) y poli(cloruro de vinilideno).

Clasificación según el tipo de aplicación

Un plástico puede tener una aplicación general o ser un plástico de ingeniería.

  • Plásticos de uso general: son polímeros muy versátiles, utilizables en las más variadas aplicaciones, como el polietileno, el polipropileno, el estireno, el (metacrilato de metilo), el poli(cloruro de vinilo), la baquelita, etc.
  • Tecnopolímeros o plásticos para ingeniería: son polímeros empleados en sustitución a materiales tradicionalmente utilizados en la ingeniería, como la madera y varios metales. Ej.: poliacetal, policarbonato y poli(tetraflúor-etileno).

 

{tab=Procesos de Unión}Los procesos de unión de materiales plásticos se clasifican en:

  • Uniones mecánicas: uniones por engarce, auto-roscantes, insertos, etc. Se emplean cuando no son deseables uniones permanentes por adhesivos o soldadura, y los requerimientos estructurales lo permiten.
  • Uniones por adhesivos: se aplican con plásticos estructurales y no estructurales. Permiten unir materiales de distinta naturaleza, pero la baja energía superficial de numerosos materiales plásticos dificulta su aplicación.
  • Uniones mediante disolventes: sólo es aplicable a termoplásticos amorfos. Son poco empleadas.
  • Uniones por soldadura: pueden ser por calor, fricción o electromagnética.

Sus principales características son:

  • Sólo es posible soldar los materiales termoplásticos.
  • Existe un intervalo pequeño de temperatura entre la de fusión y la de degradación.
  • Son pobres conductores del calor, por lo que es difícil calentarlos de manera uniforme.
  • El intervalo de temperaturas del equipo de soldeo estará entre 250 y 500ºC, muy inferior a los metales.
  • El tiempo de degradación a la temperatura de soldeo es más corto que el necesario para que se complete el reblandecimiento.
  • Es fundamental el control de temperaturas durante el proceso de soldeo.

Dentro de las tecnologías de soldeo, que son las más aplicadas, cabe destacar:

  • Soldadura por calor: placa caliente, extrusión, gas caliente, láser, etc.
  • Soldadura por fricción: vibración, ultrasonidos o rotatoria ("spin").
  • Soldadura electromagnética: por resistencia, inducción o microondas.

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