PLÁSTICOS Y LOS POLÍMEROS

Transcripción

1 1 LOS PLÁSTICOS Y LOS POLÍMEROS Se entiende por plástico cualquiera de las variedades de compuestos producidos por polimerización capaz de ser moldeado, extruido o conformado en diversas formas como películas o filamentos. Algunos plásticos se obtienen transformando sustancias naturales, como es el caso del caucho vulcanizado, la fibra vulcanizada, el celofán o la seda artificial. Pero la mayoría de los plásticos se obtiene al calentar los hidrocarburos en un proceso llamado craqueo. EL ETILENO El etileno es un hidrocarburo gaseoso muy empleado en la fabricación de plásticos. Se obtiene mediante el craqueo del petróleo y a partir del gas natural. La molécula de etileno se representa en el dibujo adjunto y consiste en dos grandes átomos de carbono unidos entre ellos, más dos átomos de hidrógeno unidos a cada carbono. En el dibujo, las líneas representan los enganches o enlaces químicos que mantienen unidos los átomos de la molécula. A pesar de la gran variedad de plásticos con sus diferentes propiedades, los átomos de sus moléculas no son más que de unos cuantos tipos: carbono (C), hidrógeno (), oxígeno (O), nitrógeno (N), cloro (Cl) y azufre (S). TEN EN CUENTA Todas las sustancias se componen de unidades diminutas que se llaman moléculas, y cada molécula, a su vez, de otras aún más pequeñas que se llaman átomos. Las moléculas son invisibles a simple vista, pero por lo que indirectamente sabemos de ellas, podemos imaginarlas mediante modelos y representarlas con dibujos. C C ARQUITECTURA DEL POLIETILENO Un centímetro cúbico del gas etileno contiene millones de moléculas en movimiento. El polietileno se consigue al hacer que las errantes moléculas se unan para formar largas cadenas. El proceso por el cual las moléculas individuales de etileno se unen y dan lugar a las cadenas de polietileno es posible gracias a la ayuda de unas sustancias químicas, conocidas como catalizadores. Aunque las moléculas de etileno apenas se atraían entre ellas en estado gaseoso, las recién formadas moléculas de polietileno no solo se atraen, sino que se enredan y se trenzan entre ellas dando lugar a una sustancia sólida de alta densidad. 2 C= POLIMERIZACIÓN Las moléculas individuales, como el etileno, que se pueden enlazar para formar largas cadenas, son conocidas como monómeros y el proceso por el cual se unen se llama polimerización. Los productos obtenidos con este proceso se llaman polímeros. El proceso que permite obtener un polímero como el polietileno se conoce como polimerización de adición. Se llama así porque varias moléculas, monómeros iguales, «se unen» para formar una molécula más larga. Estructura del polietileno. 44

2 UNIDAD 3 Este es también el caso de otro plástico, muy conocido, el PVC (policloruro de vinilo), que es un polímero del cloroeteno: * VOCABULARIO Cloruro de vinilo El cloroeteno y el cloruro de vinilo son dos nombres que designan un mismo compuesto cuya fórmula es CCl. CCl Polimerización por adición. PVC Polímero La palabra polímero proviene del griego: poli+mero, que significa «muchas partes». ay otras cadenas largas que se obtienen a partir de uniones de monómeros diferentes; el proceso que se sigue en este caso se llama polimerización por condensación. En este proceso, por lo general, se pierden moléculas pequeñas, como el agua, cosa que no ocurría en la polimerización por adición. O R' 2 O R COO Polimerización por condensación. R COO R' LAS NAFTAS Y EL CRAQUEO El petróleo en bruto es un líquido oscuro y pegajoso que contiene centenares de productos diferentes, fundamentalmente hidrocarburos. Se trata, por tanto, de una mezcla cuya composición varía en función de su procedencia. La producción de plásticos comienza con un proceso llamado destilación. El craqueo consiste en un proceso en el que, mediante un calentamiento controlado, la nafta se divide en sus elementos fundamentales, como son el etileno, el propileno, el butileno, etc. Tal y como se extrae de los pozos, el petróleo tiene muy pocas aplicaciones, esa es la razón por la cual, una vez extraído, deba ser sometido a un proceso de refinado. En una refinería, el petróleo crudo se separa en diferentes fracciones o grupos de hidrocarburos, que tienen diferentes puntos de ebullición. La separación tiene lugar en una columna de destilación fraccionada, donde el crudo se calienta hasta que entra en ebullición. A medida que el vapor del petróleo va ascendiendo por la columna, se va enfriando; las diferentes fracciones, que tienen diferentes puntos de fusión y ebullición, se condensan a diferentes alturas. Una de esas fracciones, la nafta, es el elemento esencial para la producción de plásticos. 45

3 2 TIPOS Y APLICACIONES DE LOS PLÁSTICOS TIPOS DE PLÁSTICOS Los dos grupos principales de plásticos, en función de su comportamiento ante el calor, son: Termoplásticos. Son los plásticos que, al calentarse, se ablandan; se pueden moldear y, al enfriarse, se vuelven a endurecer. El celuloide del que se hacen las pelotas de ping-pong, el policloruro de vinilo del que se hacen los discos musicales, a veces llamados vinilos, y el poliestireno del que se hacen algunos envases y juguetes, son algunos ejemplos. Este proceso de ablandamiento y endurecimiento puede repetirse varias veces. Plásticos termoestables. Son los plásticos que, cuando se calientan por primera vez, se ablandan y se les puede dar forma bajo presión. Pero, en este caso, el calor inicia una reacción química irreversible, de manera que las moléculas se enlazan de un modo permanente. Esta reacción se conoce con el nombre de degradación. Como consecuencia, el plástico se hace rígido y, al calentarlo, no se ablanda más. Es el caso de muchas resinas, como las utilizadas para aislamientos eléctricos, recubrimientos de barcos y aviones, algunos poliésteres usados en buzones, cabinas telefónicas, etc. Existe un tercer tipo de plásticos, los elastómeros, que se caracterizan por su gran elasticidad; es decir, por su capacidad para deformarse y recuperar, después, su forma inicial. Los plásticos elastómeros pueden deformarse de ocho a diez veces su tamaño en reposo. Esta propiedad hace que tengan multitud de aplicaciones, en especial la fabricación de objetos que han de adaptarse a una forma determinada. Los elastómeros son plásticos de uso muy habitual, como los neumáticos de los automóviles, las siliconas de las ventanas, los guantes de neopreno o las cámaras las ruedas de la bicicleta. LOS USOS DE LOS PLÁSTICOS Los plásticos son uno de los materiales más utilizados en la actualidad. Algunas de las razones de su frecuente uso son las siguientes: Los procesos de obtención de las materias primas que se necesitan para producir los plásticos resultan muy económicos. Las piezas formadas por materiales plásticos pueden ser fabricadas en grandes cantidades mediante procesos mecánicos extraordinariamente baratos. Los plásticos pueden sustituir a otros materiales con las mismas prestaciones pero más caros. Los plásticos ofrecen la posibilidad de producir materiales con propiedades a la carta. 1 2 PET - Politereftalato de etilenglicol 3 4 PVC - Policloruro de vinilo 5 6 PP - Polipropileno 7 Otros plásticos DPE - Polietileno de alta densidad LDPE - Polietileno de baja densidad PS - Poliestireno Símbolos para reconocer la composición de algunos plásticos de uso cotidiano. 46

4 UNIDAD 3 LAS PROPIEDADES DE LOS PLÁSTICOS Los plásticos resisten muy bien los esfuerzos a los que se someten, como estiramientos o presiones. La baja densidad que tienen les hace muy adecuados para aislar térmicamente (por ejemplo, materiales para prendas de vestir de montaña). También se utilizan para aislar eléctricamente. Como impiden el paso de la corriente eléctrica, se utilizan para dispositivos eléctricos, desde las cubiertas de los conductores a las placas en las que se insertan los dispositivos electrónicos. Tienen también una buena resistencia a los ácidos, álcalis y disolventes, lo que permite construir, con este material, contenedores para estas sustancias que son abrasivas para metales. Además de estas propiedades generales, dependiendo del proceso que se sigue en la fabricación, los plásticos adquirirán diferentes propiedades específicas, pudiendo ser blandos o duros, elásticos o rígidos, fáciles de fundir o resistentes al calor, etc. Por ejemplo, el polietileno de alta densidad es bastante rígido y resistente a los esfuerzos mecánicos y a los agentes químicos; sin embargo, el de baja densidad es más débil, blando y flexible, puede ser transparente u opaco y es muy buen aislante. ALGUNOS PLÁSTICOS ABITUALES Polietileno. Es un termoplástico flexible, ligero, muy resistente a la humedad y a la mayoría de los agentes corrosivos, además de ser un buen aislante de la electricidad. Es un plástico no tóxico que resulta especialmente adecuado para su utilización en botellas, vasos, juguetes, cubiteras de hielos, etc. Policarbonato. Se trata de un termoplástico ligero con una especial resistencia al impacto, que es capaz de conservar la forma aunque lo intentemos retorcer. Es un buen aislante térmico y acústico y tiene un excelente comportamiento ante el fuego, además de transmitir eficientemente la luz. Se utilizan sobre todo en la fabricación de cascos de seguridad, globos de alumbrado, CD-ROM, lentes, etc. Resinas epoxi. Son polímeros que se someten a un proceso químico de endurecimiento, lo que les transforma en termoestables. Presentan una excelente resistencia química, térmica y mecánica, así como buena conducción de la electricidad. Ofrecen muy buena adherencia una vez endurecidas, por lo que se emplean como pegamentos universales; también se utilizan para fabricar material deportivo, enchufes, etc. Poliestireno expandido (corcho blanco o porexpán). Es un termoplástico que se obtiene por polimerización con sustancias que luego se volatilizan. Es especialmente ligero y relativamente rígido, no es tóxico e impide el desarrollo de microorganismos. Muestra una escasa absorción de agua, por lo cual es muy habitual encontrarlo en boyas o flotadores en cisternas. Se utiliza en embalajes de objetos delicados y como aislante del calor, de ruidos y de golpes. Objetos fabricados con polietileno. Los CD están fabricados con policarbonato. Adhesivo de dos componentes a base de resina epoxi. Poliestireno expandido. 47

5 3 FABRICACIÓN INDUSTRIAL CON PLÁSTICOS Las materias primas de los plásticos se manejan en una gran variedad de formas: polvo, bolitas, gránulos y fluidos viscosos. ay muchos procesos para transformar las materias primas en productos acabados o semiacabados. Vamos a describir cuatro muy utilizados. EXTRUSIÓN Es un proceso utilizado para la fabricación de productos semiacabados, tales como tuberías, rieles de cortinas, perfiles, planchas y láminas El granulado cae por un embudo gigante llamado tolva y entra en un tornillo sinfín que lo va desplazando y empujando hacia adelante. En contacto con las paredes calientes del cilindro, la masa se calienta hasta fundirse, adquiriendo una estructura blanda, compacta y homogénea. Bajo la presión del mismo tornillo, la masa atraviesa el cabezal o troquel, con lo que va adquiriendo su forma final. El producto se enfría en contacto con las paredes refrigeradoras y la extrusión templada se trocea o se enrosca, dependiendo del producto. MÁS INFORMACIÓN El principio de funcionamiento de una pistola de cola termofusible se basa en la extrusión. El plástico sólido entra en forma de barra y pasa a través de un cilindro cuyas paredes se calientan mediante una resistencia eléctrica. En contacto con estas, el plástico se ablanda y sale por la boquilla. Cuando se enfría en contacto con el aire, se vuelve a endurecer. Resina granulada Tolva Tornillo Calefacción Tobera Extrusión templada para procesamiento final Extrusión Motor La extrusión utiliza, generalmente, termoplásticos. Troquel Refrigeración EXTRUSIÓN-SOPLADO Este proceso se utiliza para la fabricación de cuerpos huecos, por ejemplo, las botellas. Una extrusora sitúa un material tubular y plastificado entre las dos mitades abiertas de un molde. El molde se cierra, soldando por pinzamiento uno de sus extremos y se insufla aire a presión por el otro, lo que obliga al plástico a adaptarse a las paredes refrigeradas del molde, adoptando su figura y convirtiéndose en un cuerpo hueco. EXTRUSIÓN Preforma Molde SOPLADO REFRIGERACIÓN RETIRADA DEL MOLDE Entrada de aire Refrigerante Envase a presión Rebaba 48

6 UNIDAD 3 INYECCIÓN Este proceso está muy extendido porque permite la fabricación de artículos moldeados de alta calidad, normalmente sin necesidad de operaciones posteriores de acabado, incluso para piezas de formas complejas que han de cumplir unas condiciones de tolerancia dimensional muy precisas. Las máquinas de inyección se componen de dos unidades: una de plastificación y otra de cierre. La primera no es más que una máquina extrusora cuyo tornillo sinfín se mueve inicialmente hacia atrás mientras gira, hasta que una determinada cantidad de plástico queda en la cavidad C que precede al molde. Entonces, este plástico es empujado hacia delante por el propio tornillo, que le fuerza a entrar a presión en él. La unidad de cierre, gracias a un pistón hidráulico, abre y cierra el molde, que es una cavidad que tiene la forma que se quiere dar al plástico, y consta de dos partes que encajan entre sí. Después de enfriarse, la pieza moldeada es liberada, repitiéndose a continuación el ciclo. De este modo se fabrican productos para la industria automovilística, carcasas de electrodomésticos, secadores, batidoras, aspiradoras, baterías de cocina y objetos de gran tamaño, como cajas de televisores, radios, paneles internos de puertas de frigoríficos, etc. * VOCABULARIO Tolerancia dimensional En el proceso de fabricación de piezas de plástico, lo más habitual es que se produzcan variaciones en las dimensiones debido a diferentes factores. La tolerancia dimensional representa la máxima desviación que estamos dispuestos a admitir en las medidas de una pieza. Puede venir expresada en valor absoluto (por ejemplo +/ 1mm) o bien como porcentaje (0,5%) de la medida total. 1 2 Entrada del granulado y plastificación Inyección, compresión y solidificación Pistón hidráulico Refrigeración UNIDAD DE CIERRE Cavidad C Molde UNIDAD DE PLASTIFICACIÓN Motor Calefacción Tornillo sinfín 3 Desmoldeo CALANDRADO Este proceso se utiliza, sobre todo, para la fabricación de láminas de PVC y de tejidos recubiertos. No es adecuado para los plásticos demasiado fluidos en estado fundido, como es, por ejemplo, el caso del polietileno. El PVC se calienta y se le hace pasar entre una o varias parejas de rodillos hasta conseguir una lámina continua con el espesor requerido. Al salir de la calandra, la lámina puede recibir un acabado complementario por estampado, impresión o metalizado. El principio de la calandra recuerda al rodillo de amasar una mezcla para hacer pasteles. Lámina para posible acabado posterior Esquema del calandrado. PVC Rodillos calientes Refrigeración 49