Los Plásticos

1.- Introducción

El descubrimiento en 1864 del celuloide constituye el primero de una serie de hallazgos en el campo de los plásticos que han convertido a estos materiales en insustituibles para gran número de aplicaciones, debido a las enormes ventajas que presentan, tales como su resistencia a la corrosión y a los impactos, buen aislamiento térmico y acústico, estética, etc. En este tema vamos a considerar la clasificación de los materiales plásticos, sus estructuras, sus propiedades y los motivos por los cuales se eligen para las distintas aplicaciones.

Antes de entrar en materia, es necesario hacer un breve comentario sobre un aspecto tan relevante en la actualidad para la industria del plástico como es la repercusión tan negativa que está teniendo en el Medio Ambiente del planeta el uso excesivo de estos materiales. La mayoría de los plásticos son resultado de una serie de procesos industriales tales que la naturaleza no dispone, por lo general, de medios para deshacerse de ellos. Aunque en los últimos años se han realizado grandes progresos en la investigación de “plásticos biodegradables”, la gran mayoría de productos no gozan de esta característica. El hecho de que los plásticos sean combustibles no es solución al problema, pues la incineración de los mismos causa una enorme contaminación atmosférica. Por ello los gobiernos de la mayoría de las naciones desarrolladas, que por otra parte son las que más plásticos utilizan, concentran sus esfuerzos en concienciar a la opinión pública acerca de la necesidad del uso controlado y reutilización de estos materiales que generan tantas toneladas de residuos, muchos de los cuales terminan en depositarse en ríos y océanos, llegando a formar en ellos vastas extensiones denominadas “islas basura” que se mueven por el planeta según las distintas corrientes marinas.

2.- ¿Qué son los plásticos?

Bajo el nombre de Plásticos se engloba un variado grupo de materiales de origen orgánico cuya importancia crece día a día. Están constituidos por macromoléculas naturales o sintéticas de elevado peso molecular cuyo principal componente es el carbono. Estas macromoléculas se denominan “polímeros”, y por ello a los plásticos también se les denomina de esa manera.

Los polímeros naturales, como la celulosa o las proteínas, están presentes unos en los vegetales y los otros en los animales. Los polímeros artificiales son fruto de la tecnología química que ha modificado la estructura de los polímeros naturales (generalmente derivados del petróleo) para fabricar otros con mejores propiedades, pero altamente contaminantes debido a su lenta degradación natural.

Las “polímeros” se construyen por repetición sucesiva de unidades químicas pequeñas llamadas “monómeros” que se unen entre sí mediante reacciones de “polimerización”. Así, el material polímero obtenido se denomina añadiendo el prefijo “poli” al nombre del monómero del que procede. Por ejemplo, el polímero Poliestireno está formado a partir de monómero Estireno.

Todos los plásticos tienen las siguientes características comunes:

• Bajo coste de producción 
• Alta relación resistencia/densidad, lo que los hace muy competitivos frente a las aleaciones metálicas 
• Elevada resistencia frente a los ataques químicos 
• Alta constante dieléctrica, lo que los hace buenos aislantes eléctricos 
• Pequeña conductividad calorífica, lo que los hace buenos aislantes térmicos 
• Baja temperatura de fusión, lo que los hace inútiles en aplicaciones donde haya altas temperaturas 

3.- La Polimerización

Como antes se comentó, los polímeros son macromoléculas formadas por la repetición de una unidad simple denominada monómero. Estos monómeros contienen dos o más grupos reactivos que permitan la unión con otras moléculas de monómero. Estos grupos son:

• Hidroxilo: -OH
• Carboxilo: -CO-H
• Amino: -NH2
• Doble enlace de Carbono:  =C=C=

• Los monómeros deben de ser muy puros, pues las posibles impurezas bloquean el crecimiento de la molécula y dan como resultado unos productos de características diferentes a las deseadas.
• El número de monómeros que se repite en la macromolécula nos va a dar el “grado de polimerización”.

Hay tres tipos de polimerización:

1. Poliadición (uniones perfectas del mismo monómero). 
2. Copolimerización (uniones perfectas de distintos monómeros. 
3. Policondensación (reacción entre monómeros que dan el polímero principal y pequeños subproductos como H2O, -OH, NH3). 

Las reacciones de polimerización son de una naturaleza tal que dan plásticos cuyos pesos moleculares no son siempre el mismo. Por ello hablamos de Peso Molecular Medio “M” y de Grado de Polimerización “GP”. Un mayor GP da como resultado un mayor M, y una mayor resistencia a la tracción y mayor temperatura de fusión, empezando a ser importante por encima de GP200.

4.- Clasificación de los Polímeros

Hablamos de fuerzas intramoleculares cuando nos referimos a los átomos de las mismas moléculas y de fuerzas intermoleculares para referirnos a las que mantienen unidas a las moléculas entre sí, y que son mucho más débiles que las primeras. Estas fuerzas son las que se tendrán en cuenta en adelante para la clasificación de los distintos tipos de plásticos y entender sus diferentes propiedades.

Así, de manera general, podemos distinguir cuatro tipos de polímeros:

• Polímeros Termoplásticos: Son polímeros lineales. Es decir, que las moléculas crecen en una sola dirección y su estructura es sencilla o ramificada. Las moléculas se mantienen unidas entre sí por fuerzas intermoleculares de tipo secundario. Son los polímeros más frecuentes formados por poliadición. Funden a temperaturas muy bajas y son fácilmente reciclables. Los ejemplos más notables son las botellas de agua o las bolsas comerciales. 

• Polímeros Termoestables: Se caracterizan por presentar enlaces covalentes intermoleculares, de manera que se generan gigantescas estructuras reticuladas. Para que sean posibles, el monómero ha de tener al menos tres grupos funcionales. Son los polímeros formados por policondensación que se moldean antes de que la reacción termine. Funden a altas temperaturas y son insolubles en disolventes orgánicos. El ejemplo más notable es la baquelita.

• Polímeros Elastómeros: Son polímeros formados por largas moléculas, unidas de modo disperso por enlaces fuertes. El ejemplo más notable es el poliisopreno, formado a partir del monómero isopreno (metil-1,3-butadieno) CH3=CH-C(CH3)=CH2. El isopreno forma cadenas lineales usando uno de sus enlaces dobles, mientras el otro lo utiliza para combinarse con azufre para formar puentes intermoleculares C-S-C de gran fortaleza y largas cadenas que en reposo se encuentran enrolladas y se estiran al aplicarle tensiones, lo que les confiere gran elasticidad. Este proceso se denomina Vulcanización y es posible sólo en medios con poco azufre, porque si hay grandes cantidades aumentaría el número de puentes intermoleculares y daría lugar a un plástico termoestable.

• Plásticos Mejorados: Los polímeros se ablandan si se añaden materiales orgánicos de bajo peso molecular, denominados materiales plastificantes, que se disponen entre las moléculas de polímeros y disminuyen las fuerzas intermoleculares. Al evaporarse el material orgánico el polímero adquiere la consistencia final deseada. Por ejemplo, las Pinturas Plásticas.

5.- Polímeros Termoplásticos

5.1. Poliolefinas

Las más importantes son el Polietileno y el Polipropileno, formados respectivamente a partir del etileno (CH2=CH2) y del propileno (CH2=CH2-CH3), abundantes en el proceso de refinado del petróleo y del gas natural.

• El Polietileno es muy estable e inerte a los agentes químicos. Su combinación de propiedades mecánicas y eléctricas lo hacen muy útil en la industria pese al inconveniente de ser muy blando.

1. El Polietileno de baja densidad (PEBD) también conocido como “polietileno ramificado” presenta baja cristalización (60-70%) y, por ello, bajo punto de fusión, elevada flexibilidad y poca resistencia mecánica. Se usa mayormente en bolsas, sacos, papel de envolver, recubrimiento de cables y elementos obtenidos por inyección de moldes.
2. El Polietileno de alta densidad (PEAD) apenas tiene ramificaciones, tiene alto grado de cristalización (80-95%) y, por ello, mayor densidad, mayor punto de fusión, mayor rigidez y gran resistencia mecánica. Se usa en botellas, envases, depósitos, recipientes y utensilios domésticos obtenidos por moldeo.

• El Polipropileno es muy poco denso y presenta baja cristalización (60-75%), pero el grupo metilo (–CH3) de sus cadenas le confieren mayor rigidez y punto de fusión que el PEBD. Es incoloro, resistente a la tracción y con buenas propiedades eléctricas. Se usa en útiles de cocina, engranajes sin lubricación, aislante eléctrico, piezas de fontanería, cascos de seguridad, tacos a presión, etc.

5.2 Polímeros Vinílicos y Acrílicos

Son polímeros procedentes de monómeros con radical vinilo (CH2=CH-).

• El Cloruro de Polivinilo (PVC) es material vítreo a temperatura ambiente, muy resistente y rígido, aunque de baja tenacidad. Su alta viscosidad dificulta trabajar con el incluso a altas temperaturas. Inestable a la luz y al calor. Su resistencia a los ácidos lo hace ideal para fabricar tuberías, canalizaciones y cubiertas de tejados. Una variedad flexible del PVC obtenida mediante plastificantes lo convierte en mucho más dúctil, lo que es ideal para fabricar bolsas de mano, tejidos impermeables, cubiertas de suelos, tapizados, revestimientos de cables, etc.

• El Poliestireno es considerado como el plástico por excelencia, pues su alta fluidez en estado fundido permite fabricar, por inyección en moldes, objetos de casi cualquier forma. Es amorfo, resistente, rígido, frágil y poco resistente al calor, por lo que se usa en accesorios domésticos, juguetes y equipos electrónicos. Si durante la polimerización le añadimos sustancias orgánicas volátiles se obtiene el Poliestireno Expandido o Corcho Blanco, de gran resistencia a los golpes, lo que lo hace útil en embalajes y paneles aislantes térmicos y acústicos. Si la matriz vítrea del polímero tiene inclusiones de elastómero obtenemos una Resina ABS, el derivado más tenaz y resistente al calor. Se emplea en cascos de protección, carcazas de teléfonos y televisiones, cámaras fotográficas, aletas, etc.

• El Polimetacrilato de Metilo es un polímero vítreo a temperatura ambiente, que se comercializa con el nombre de Plexiglás. Es un sólido transparente, incoloro y fácilmente moldeable en caliente. Por su aspecto se le conoce como “vidrio orgánico”, puesto que frecuentemente sustituye al vidrio ordinario, además de usarse para fabricar intermitentes de automóviles, lentillas, filtros, farolas, etc.

5.3 Fibras Orgánicas

Son polímeros que tras un proceso de hilado se utilizan como fibra textil.

• Las Poliamidas, cuyo principal representante es el Nailon, son polímeros cristalinos de gran elasticidad y alta resistencia a la tracción que permiten hilarlo en forma de finísimos hilos, lo que los convierten en una de las principales fibras sintéticas. Incluso se puede usar como sustituto de metales no férricos en engranajes, soportes, ventiladores y bombillas.

• Los Poliésteres, cuyo principal representante es el Terileno, son polímeros de alta resistencia a la tracción que permite preparar tejidos prácticamente inarrugables. Sus características lo hacen útil como sustitutivo de las aleaciones no férreas en muchas aplicaciones.

• Los Derivados de la Celulosa, al proceder de la madera, son polímeros naturales muy abundantes. Se forman como resultado de fuerzas intermoleculares por puentes de hidrógeno y tienen alto grado de cristalización (70-80%). Se usan como láminas muy finas, transparentes y flexibles llamadas Celofán, para envolver y empaquetar. Otro producto importante es el Celuloide, antiguamente utilizado en películas cinematográficas y fotográficas; su alta inflamabilidad y fragilidad ha obligado a sustituirse por Acetatos de Celulosa.

5.4 Termoplásticos Especiales

Polímeros con un volumen de producción pequeño pero que, por su alta resistencia al calor y propiedades mecánicas, son insustituibles en algunas aplicaciones.

• Los Policarbonatos proceden del ácido carbónico y se utilizan para fabricar carcazas, maquinaria de oficina, engranajes, hélices de barcos, ventiladores y cristales en trenes y aviones.

• Los Poliacetales están formados por cadenas lineales de –CH2-O-. Tienen notable cristalización y alto punto de fusión (180º). Resitentes a la abrasión y a la corrosión. Sustituyen a las fundiciones férreas, aleaciones de cinc y latón en algunas piezas de automóviles, tuberías, etc.

• Los Fluoroplásticos se obtienen a partir del acetileno. Tienen gran estabilidad térmica y gran tenacidad a temperaturas muy bajas. El más importante es el Teflón, formado por unidades de –CF2-. Alta densidad, elevado grado de cristalización y la temperatura de fusión más alta de todos los plásticos (327ºC). Se usa en rodamientos, piezas de motores, engranajes, tuberías, material de laboratorio, equipos químicos, artículos de cocina y aislante en alta tensión.

6.- Polímeros Termoestables

6.1 Polímeros de Transición

Están a medio camino entre los polímeros termoplásticos y los polímeros termoestables, por lo que presentan propiedades intermedias entre ambos tipos.

• Los Poliésteres No Saturados están formados a partir de monómeros con algún doble enlace que posteriormente le permitirá formar enlaces intermoleculares. Tienen altas características mecánicas y buena resistencia térmica, por lo que usa para fabricar fibra de vidrio que luego se usa en embarcaciones, carrocerías de automóviles, camiones, tuberías, cúpulas de observatorios astronómicos, etc.

• Las Resinas Epoxi son venenosas e irritantes en estado líquido, pero en estado sólido son inodoras e inocuas. Muy resistentes al desgaste, a los agentes químicos y al calor y son buenos aislantes eléctricos. Son fáciles de trabajar por arranque de viruta. Se usa como material estructural, recubrimiento de conductores eléctricos y como adhesivo metálico.

• Las Resinas de Poliuretano unen sus moléculas por puentes de hidrógeno, lo que las hace ligeros y poco densos. Se usan en forma de espuma plástica para paneles aislantes, rellenos de almohadas, colchones, ruedas de fricción, pegamentos, barnices, prefabricados de construcción, etc.

6.2 Termoestables Clásicos

Son resinas que presentan un cambio físico-químico irreversible por calentamiento, pasando de ser un material soluble y fusible a ser insoluble e infusible como resultado de la estructura tridimensional con fuertes enlaces intermoleculares. Por ello no se pueden reciclar, arden mal y sueldan con mucha dificultad.

• Las Resinas Fenólicas, conocidas como Baquelita, son unos de los plásticos comerciales más antiguos. Se obtienen por policondensación de fenol (C6H5-OH) y formaldehido (H-CHO). Se usan como material de refuerzo para mejorar las propiedades y abaratar el producto final. Buena resistencia al calor y alta resistencia mecánica. Sus propiedades dieléctricas la hacen ideal para fabricar componentes electrónicos. Por su baja conductividad térmica se usan mucho en mangos y asas de útiles de cocina. Sus laminados o impregnaciones dan consistencia al papel, la madera, contrachapado o circuitos impresos. Se usa para fabricar muelas abrasivas y moldes de fundición (con arena).

• Las Aminorresinas tienen propiedades son similares a las de las resinas fenólicas. Útiles en papeles decorativos y como adhesivos. También se usa para formar materiales compuestos utilizados para vajillas de alta calidad. Sus propiedades refractarias las hace útiles para encimeras de cocinas.

6.3 Siliconas

Como se puede deducir de su posición, ambos en la misma familia de la tabla periódica, el Silicio forma compuestos similares al Carbono. Sin embargo, la fuerza del enlace Si-Si es la mitad que la del enlace C-C, y por eso sólo son estables las cadenas de menos de 6 átomos de Silicio. Por el contrario, el enlace Si-O es mucho más estable que el C-C, y esa es la base de la estructura de Silicona.

Al carecer el silicio de dobles y triples enlaces solamente pueden formar cadenas mediante policondensación de los compuestos hidroxisilanos, siendo posible que forme plásticos termoplásticos, termoestables o elastómeros según el monómero de partida: 

• Si-Cl + H2O --> Si-OH + HCl
• Si-OH + HO-Si --> Si-O-Si + H2O

Las resinas de silicona, debido a su rigidez y dureza, se emplean como revestimientos aislantes y pinturas industriales. Sus elastómeros, sin embargo, son flexibles y muestran anta resistencia a la degradación por calor, por lo que se usan en cables y sellado de juntas.

7.- Polímeros Elastómeros

Aproximadamente el 68% de la producción de elastómeros o gomas se emplea en la fabricación de neumáticos. Son materiales típicamente amorfos, extraordinariamente blandos y permiten una gran deformación elástica.

Se forman por repetición del monómero isopreno CH2=C(CH2)-CH=CH2 (metil-1,3-butadieno), que tiene dos dobles enlaces, de los cuales mantiene uno mientras el otro lo usa para la polimerización, formando así estructuras lineales con cadenas muy largas y enrolladas, unidas mediante enlaces dispersos. Su extraordinaria elasticidad se consigue tras un proceso de vulcanización que crea puentes de azufre a través del segundo enlace doble, dificultando así el movimiento de las macromoléculas y -con ello- la cristalización, que es la causante del endurecimiento y pérdida de elasticidad al someterse a temperaturas bajas.

7.1 Elastómeros de Origen Natural

El Caucho está formado por repetición del monómero isopreno. Su nombre deriva de la lengua nativa sudamericana y significa “madera que llora”, ya que el caucho natural es producto de la coagulación del exudado lechoso (látex) del árbol de la goma típico de Brasil. Para mejorar sus propiedades naturales se le somete a vulcanización añadiéndole azufre en cantidades no superiores al 8%, lo que le va a permitir, además de su elasticidad natural, una fácil recuperación de la forma primitiva, no ablandarse por el calor, no ser adhesivo, resistente a la abrasión y ser insoluble en disolventes orgánicos.

Si vulcanizamos con cantidades superiores al 8% se crea una estructura tridimensional totalmente enlazada que da lugar a la Ebonita o goma dura, un producto rígido usado en baterías, peines o correas, por ejemplo.

7.2 Elastómeros de Origen Sintético

Tenemos el Poliisopreno, un derivado del petróleo de estructura y características similares a la goma natural (3,5% del mercado) y los Cauchos Sintéticos desarrollados en la Primera Guerra Mundial por Alemania y en la Segunda Guerra Mundial por los Estados Unidos, forzados por la escasez de suministros. Todos estos elastómeros sintéticos, entre los que destacamos al GR-S, GR-A, GR-I y al Neopreno, están formados por la polimerización de monómeros de tres y cuatro carbonos con uno o dos dobles enlaces en sus cadenas principales, asemejándose así al isopreno. Su importancia comercial ya es muy alta, y se considera que irá en aumento a medida que vayan disminuyendo los recursos naturales.

8.- Procedimientos de Identificación

Para identificar un plástico desconocido lo más inmediato a realizar es determinar si se trata de un termoplástico, un termoestable o un elastómero. El método de identificación más común consiste en un método destructivo de identificación por combustión. Este método se realiza quemando un trozo de material y examinando las características de la combustión en cuanto a la llama, al humo y al olor. La comparación de estas características con las de una tabla de referencia nos va a proporcionar datos suficientes para aproximarnos al tipo de material del que se puede tratar.

En cualquier caso, y como norma general:

• Termoestable: Al someterlo a calor no se ablanda y se destruye. Insoluble, aunque se hincha en presencia de disolventes orgánicos. Frente a los impactos son muy quebradizos en amplio rango de temperatura.
• Termoplástico: Al someterlo a calor se ablanda y se convierte en un fluido. Solubles en disolventes orgánicos. Frente a los impactos son muy quebradizos únicamente a bajas temperaturas.
• Elastómeros: Son fácilmente detectables debido a su gran elasticidad. Su resistencia al calor y su solubilidad en productos orgánicos va a depender de si están en estado natural o han sido sometidos a vulcanización.