PROCESOS DE FABRICACIÓN5. PROCESOS INDUSTRIALES DE PLÁSTICOS Y MATERIALES CERÁMICOS. Introducción Los plásticos son materiales esenciales para una infinidad de procesos y aplicaciones en la industria o en la vida cotidiana, se puede decir que casi un 75% de las cosas que existen en un lugar son hechas de algún tipo de plástico y sus derivados es por eso que en esta investigación, se abordaran los diferentes tipos de plásticos de más relevancia que serán de ayuda para comprender y tener una visión más clara de ¿qué son? ¿Para qué sirven? O ¿Qué aplicaciones tienen? A diferencia de los plásticos, son pocos sectores del campo de los materiales se han desarrollado tan rápidamente en los últimos años como el de los materiales cerámicos, debido a su mayor estabilidad, tanto mecánica como química a las altas temperaturas. En la actualidad, los materiales cerámicos son productos de gran interés en el campo de la Ingeniería, siendo sus principales limitaciones en el uso las siguientes: su fragilidad, que está ligada a la limitada resistencia al choque térmico y su fabricación, en términos de formación y dimensiones. Es muy importante el conocimiento de la Ciencia de los Materiales, ya que esta proporciona las herramientas necesarias para comprender el comportamiento general de cualquier material, lo cual es necesario a la hora de desarrollar adecuadamente diseños de componentes, sistemas y procesos que sean confiables y económicos. El papel del ingeniero industrial hoy en día implica la generación y aplicación del conocimiento en muchas áreas. Nosotros como estudiantes de Ingeniería de ingeniería industrial debemos estar al tanto de la innovación y tecnología de la industria. Existen varios materiales existentes alrededor del mundo, con lo cuales se pueden fabricar infinidad de productos, con diferentes aplicaciones cada uno. 1. Generalidades 1.1 Definición. (Rodriguez, 2012)Los plásticos son materiales polímeros orgánicos que pueden deformarse hasta conseguir una forma deseada por medio de extrusión, moldeo, hilado, etc. Los plásticos se caracterizan por una alta relación resistencia/densidad, unas propiedades excelentes para el aislamiento térmico y eléctrico y una buena resistencia a los ácidos, álcalis y disolventes. Los productos finales son sólidos, aunque en alguna etapa de su procesamiento son fluidos bastante fáciles de formar por aplicación de calor y presión. En forma final, los plásticos consisten de largas cadenas de moléculas o polímeros, que se obtienen a partir de bloques de moléculas o monómeros; por medio de catalizadores, calor y presión. El cruce de eslabones de dos o más polímeros, proceso análogo a la aleación de los metales, es conocido como copolimerización, aunque no todos los polímeros son plásticos. Los tres tipos básicos de plásticos son: •Resinas termoplásticas que pueden reprocesarse algunas veces sin ocasionar un cambio en su composición química. •Resinas termofijas las que no se pueden reprocesar debido a que se ocasionaría un cambio en su composición química. •Elastómeros pueden ser termoplásticos o termofijos, y tienen la capacidad de experimentar una gran cantidad de deformación elástica a temperatura ambiente. (Instituto de Educación Secundaria Ies Villalba Hervás) “Plástico” proviene de PLASTIKOS palabra griega que significa susceptible de ser modelado o moldeado. Quizá la mejor manera de caracterizar los plásticos es describir un número de cualidades que tienen en común, eliminando de esta forma los materiales que no las tienen: Los plásticos se llaman así porque en alguna etapa de su fabricación o de su utilización obtienen propiedades plásticas. Pueden ser plásticos- sólo una vez, o pueden ser tantas veces como se quiera. Sin embargo, esta propiedad no basta para distinguir a los plásticos de otros materiales. El vidrio y el hormigón pueden tener, un comportamiento análogo, pero no son, plásticos. Los plásticos son materiales orgánicos: esto es, están basados en la química del carbono. Esto elimina materiales como el hormigón y el cristal, pero no excluye el asfalto, que no está clasificado como plástico. Los plásticos son materiales sintéticos, productos de la Industria química, que convierte materias primas en formas nuevas y radicalmente diferentes. Esto elimina materiales naturales tales como el asfalto y la laca, pero no excluye las ceras sintéticas. Los plásticos son polímeros de elevado peso molecular; esto es, son moléculas gigantes formadas por numerosas unidades repetidas combinadas en agregados muy grandes. 1.2 Tipos de plásticos. (Marcilla, 2012) Los plásticos se pueden agrupar o clasificar de maneras muy diferentes, si bien todas las posibles clasificaciones pueden resultar en algún momento ambiguas y por lo general un mismo plástico se encuentra en diferentes grupos. En este caso se muestra la clasificación propuesta por Crawford que se basa en las propiedades más destacadas desde el punto de vista del diseño de piezas y de selección del material para una aplicación determinada. De acuerdo con esta clasificación a continuación se describen brevemente los principales tipos de plásticos, sus propiedades y ejemplos de plásticos pertenecientes a cada tipo. Termoplásticos Los termoplásticos son polímeros lineales, que pueden estar ramificados o no. Puesto que no se encuentran entrecruzados son polímeros solubles en algunos disolventes orgánicos, son capaces de fundir y son, por tanto, reciclables. Si los comparamos con los demás tipos de plásticos, los termoplásticos se fabrican y emplean en cantidades muy grandes y entre ellos los más frecuentes son PE, PP, PS y PVC. De hecho, más de la mitad de la cifra total de plásticos procesada corresponde a los cuatro plásticos citados. Para que un polímero tenga aplicación como termoplástico debe tener una temperatura de transición vítrea Tg (si se trata de un material amorfo), o una temperatura de fusión Tm (si se trata de un material cristalino), superior a la temperatura ambiente. Por lo general, los materiales termoplásticos presentan un buen conjunto de propiedades mecánicas, son fáciles de procesar y bastante económicos. La principal desventaja deriva del hecho de que son materiales que funden, de modo que no tienen aplicaciones a elevadas temperaturas puesto que por encima de la Tg comienzan a reblandecer, con la consiguiente pérdida de propiedades mecánicas. Termoestables Como ya se comentó, los termoestables son materiales que adquieren un estado final reticulado (entrecruzado), que los hace insolubles e incapaces de fundir. A estos materiales se llega partiendo de materias primas de bajo peso molecular de las que se obtiene, en una primera fase, un producto intermedio (prepolímero), muy poco o nada reticulado, todavía capaz de fundir y fluir, y por tanto de rellenar un molde. La reticulación espacial que da lugar a la formación de la macromolécula termoestable tiene lugar por reacción química (curado) durante el moldeo de la pieza. Puesto que no funden y no reblandecen son materiales que presentan muy buenas propiedades a elevadas temperaturas. Junto con su alta resistencia térmica presentan alta resistencia química, rigidez, dureza superficial, buena estabilidad dimensional, entre otras ventajas sobre otros materiales. Sin embargo el empleo de estos materiales ha ido disminuyendo en los últimos años. Existen numerosas razones por las que esto ha ocurrido. Los termoestables requieren métodos de transformación lentos, puesto que la reacción de polimerización tiene lugar dentro del molde. Los acabados son pobres comparados con los de la mayoría de los termoplásticos; por lo general las resinas termoestables son bastantes opacas y en muchos casos presenta cierta coloración amarillenta. Elastómeros Los elastómeros o cauchos son generalmente polibutadienos o compuestos que contienen dobles enlaces en la cadena principal, de modo que las cadenas de polímero se encuentran enrolladas sobre sí mismas, lo que les confiere gran flexibilidad. Estos materiales son capaces de soportar deformaciones muy grandes recuperando su forma inicial una vez que se elimina el esfuerzo. En los elastómeros suele producirse un entrecruzamiento parcial de las cadenas para evitar que cada vez que estos materiales se ven sometidos a un esfuerzo las moléculas se deslicen unas sobre otras, lo que provocaría deformaciones irrecuperables. El entrecruzamiento o curado a que se somete a estos materiales es similar al de los termoestables, pero en este caso el grado de entrecruzamiento es mucho más bajo, puesto que debe ser suficientemente espaciado, de modo que no impida el desenrollamiento de las cadenas, que es en definitiva lo que confiere al material la capacidad de recuperar su forma inicial cuando cesa el esfuerzo al que es sometido. Los elastómeros son materiales muy tenaces, resistentes a aceites y grasas y al ozono, y presentan buena flexibilidad a bajas temperaturas. De hecho, todos los elastómeros tienen temperaturas de transición vítrea inferiores a la temperatura ambiente. Presentan, sin embargo, algunas de las desventajas de los termoestables: requieren un procesado lento, lo que consume grandes cantidades de tiempo y energía, y en principio no son reciclables. 1.4 Estructura molecular. (Rodriguez, 2012) Las características físicas de un polímero no solo dependen del peso molecular y de la forma, sino que también dependen de las diferencias en la estructura de las cadenas moleculares. Las técnicas modernas de síntesis de polímeros permiten un gran control sobre varias posibilidades estructurales entre ellas las lineales, ramificadas, entrecruzadas y reticuladas, y también varias configuraciones isométricas. Los plásticos son materiales compuestos principalmente de polímeros de origen natural y modificado o de polímeros hechos artificialmente que a veces contienen aditivos como fibras, cargas, pigmentos y otros similares que mejoran más aún sus propiedades. Entre los plásticos encontramos los termoplásticos, los termoestables y los elastómeros. 1.5 La polimerización. (Rodriguez, 2012)Es el proceso mediante en el cual pequeñas moléculas de una sola unidad (conocidas como monómeros) o de unas cuantas unidades (oligómeros) se unen químicamente para crear moléculas gigantes. Por lo común, la polimerización comienza con la producción de largas cadenas en los cuales los átomos están fuertemente unidos mediante un enlace covalente. Los plásticos se utilizan en una increíble cantidad de aplicaciones como: enseres domésticos, elementos estructurales, materiales biomédicos, solo por mencionar algunos. Los plásticos también se usan para fabricar componentes electrónicos debido a su capacidad aislante y a su constante dieléctrica baja. Están diseñados para dar una mejor resistencia o un mayor rendimiento a temperaturas elevadas teniendo como característica su elevado costo. Algunos de los polímeros de ingeniería pueden funcionar a temperaturas tan altas como 350 °C; otros, usualmente como fibras, tienen resistencias superiores a las del acero. (Instituto de Educación Secundaria Ies Villalba Hervás) Procedimientos de formación de las macromoléculas. Existen diversos procesos para unir moléculas pequeñas con otras para formar moléculas grandes. Su clasificación se basa en el mecanismo por el cual se unen estructuras monómeras o en las condiciones experimentales de reacción. 1.5.1 Polimerización por adicción. En las reacciones de adición, varias unidades monoméricas se unen, en presencia de un catalizador, como resultado de la reorganización de los enlaces C=C de cada una de ellas. Adición de moléculas pequeñas de un mismo tipo unas a otras por apertura del doble enlace sin eliminación de ninguna parte de la molécula (polimerización de tipo vinilo). Adición de pequeñas moléculas de un mismo tipo unas a otras por apertura de un anillo sin eliminación de ninguna parte de la molécula (polimerización tipo epóxido). Adición de pequeñas moléculas de un mismo tipo unas a otras por apertura de un doble enlace con eliminación de una parte de la molécula (polimerización alifática del tipo diazo). Adición de pequeñas moléculas unas a otras por ruptura del anillo con eliminación de una parte de la molécula (polimerización del tipo aminocarboxianhidro). Adición de birradicales formados por deshidrogenación (polimerización tipo p-xileno). 1.5.2. Polimerización por condensación. En la reacción de condensación, los monómeros se combinan con la formación y pérdida de moléculas pequeñas, como agua, alcohol, etc. Formación de poliésteres, poliamidas, poliéteres, polianhidros, etc., por eliminación de agua o alcoholes, con moléculas bifuncionales, como ácidos o glicoles, diaminas, diésteres... Formación de polihidrocarburos, por eliminación de halógenos o haluros de hidrógeno, con ayuda de catalizadores metálicos o de haluros metálicos. Formación de polisulfuros o poli-polisulfuros, por eliminación de cloruro de sodio, con haluros bifuncionales de alquilo o arilo y sulfuros alcalinos o polisulfuros alcalinos. 1.6 Cristalización y deformación. La cristalinidad, es importante en los polímeros, ya que afecta sus propiedades mecánicas y ópticas. La cristalinidad se presenta durante el procesamiento de los polímeros como resultados de cambios en la temperatura y de esfuerzos aplicados; alentar la cristalización del polímero también ayuda a incrementar su densidad, resistencia al ataque químico y propiedades mecánicas, incluso a temperaturas más elevadas, debido a la fuerte unión existente entre las cadenas. Además la deformación endereza y alinea las cadenas, produciendo una orientación preferente. 1.6.1 Efecto de la temperatura sobre los termoplásticos. Las propiedades de los termoplásticos cambian en función de la temperatura. Es necesario saber la forma en que ocurren estos cambios, ya que pueden ayudarnos a: a) El diseño de mejores componentes. b) Guiar el tipo de técnicas de procesamiento que deban utilizarse. Se pueden observar varias temperaturas y estructuras críticas, las cuales una vez que se hayan enfriado por debajo de la temperatura de fusión, los materiales termoplásticos pueden ser amorfos o cristalinos. Con mayor frecuencia los termoplásticos de ingeniería están formados por regiones amorfas y cristalinas. La cristalinidad de los materiales termoplásticos puede introducirse por temperatura (enfriamiento lento) o mediante aplicación de esfuerzos que desenreden cadenas. Efecto de la temperatura en la estructura y en el comportamiento de los materiales termoplásticos. 1.7 Temperatura de degradación. A temperaturas muy altas pueden destruirse los enlaces covalentes entre los átomos dentro de la cadena lineal y el polímero puede quemarse o carbonizarse. En los polímeros termoplásticos, la descomposición se presenta en estado líquido esta sería la temperatura de degradación. Algunos materiales agregados a los termoplásticos como, por ejemplo, la piedra caliza, el talco, la alúmina, etc. Actúan como estabilizadores térmicos, es decir, estabilizadores de calor. Absorben el calor protegiendo la matriz polimérica. La exposición a otras formas de productos químicos o energías por ejemplo, oxigeno, radiación ultravioleta y ataques por bacterias también hace que el polímero se degrade o se envejezca lentamente, incluso a bajas temperaturas. 1.8 Estado vítreo. Puesto que las propiedades mecánicas de los polímeros dependen de los cambios de temperatura. La temperatura de fusión y/o de Transición Vítrea de un polímero se determina como en el caso de los materiales cerámicos. Algunos de los factores que influyen en la Temperatura de Transición Vítrea es cuando a bajas temperaturas las vibraciones de los átomos tienen pequeñas amplitudes y son relativamente independientes. Al aumentar la temperatura, las vibraciones incrementan su magnitud y se coordinan hasta el punto en que se producen movimientos de traslación de cadenas que, a elevada temperatura, implica a muchos átomos en cadena. A temperatura de fusión el movimiento de las cadenas tiene tanta energía que es capaz de romper gran número de enlaces secundarios y generar una estructura molecular altamente desordenada. El valor de temperatura de fusión de un polímero cristalino o semi-cristalino dependen de los elementos estructurales que modifican la capacidad de las cadenas para formar enlaces de van der Waals y/o de hidrógeno. La temperatura de transición vítrea también depende de la estructura de los componentes, la cual influye en la capacidad de las cadenas moleculares para vibrar y rotar a medida de que la temperatura aumenta. Probablemente la flexibilidad de las cadenas ejerce la mayor influencia. Cuanto más rígida sea una cadena, la probabilidad que experimente un movimiento de rotación cuando la temperatura aumenta es menor. Por debajo de la Temperatura de Transición Vítrea Tg el polímero amorfo lineal se hace duro, frágil y como el vidrio. Nuevamente no se trata de una temperatura fija, sino de un rango de temperaturas. Cuando el polímero se enfría por debajo de la temperatura de transición vítrea, ciertas propiedades, como la densidad o el módulo de elasticidad, cambian a una velocidad diferente. Relación entre densidad y temperatura del polímero mostrando temperaturas de Fusión (Tm) y de transición vítrea (Tg). A pesar de que los polímeros vítreos tienen una mala ductilidad y formabilidad, poseen buena tenacidad, rigidez y resistencia a la termofluencia. Varios polímeros importantes, tienen temperaturas de transición vítrea por encima de la temperatura ambiente. La temperatura de transición vítrea comúnmente es de 0.5 a 0.75 veces la temperatura absoluta Tm. también hay muchos materiales termoplásticos que se vuelven rígidos a temperaturas más bajas. 1.8 Propiedades generales de los plásticos Propiedades de los plásticos que pueden ser favorables. 1. Peso ligero. 2. Alta resistencia química y a la humedad. 3. Lata resistencia al choque y a la vibración. 4. Transparentes o traslúcido. 5. Tienden a absorber la vibración y el sonido. 6. Alta resistencia a la abrasión y al uso. 7. Prelubricados. 8. Con frecuencia, fáciles de fabricar. 9. Pueden tener color uniforme. 10. Con frecuencia el costo es menor por parte terminada. Propiedades de los plásticos que pueden ser desfavorables. 1. Baja resistencia. 2. Alta expansión térmica. 3. Más susceptibles a la rotura por fatiga, flujo a temperaturas bajas y deformación bajo carga. 4. Baja resistencia al calor, tanto a la degradación térmica como a la distorsión por calor. 5. Más propensos a volverse quebradizos a bajas temperaturas. 6. Suaves. 7. Menos dúctiles. 8. Cambios dimensionales debido a la absorción de humedad y solventes. 9. Flamables. 10. Algunas variedades son degradadas por la radiación ultravioleta. Propiedades que pueden ser favorables o desfavorables. 1. Son flexibles. Aun las variedades rígidas, tienen mayor resiliencia (capacidad de sufrir una deformación y regresar a su forma original) que los metales. 2. No conducen la electricidad. 3. Son aislantes térmicos. 4. Son formados a través de la aplicación de calor y presión. 1.2 Materias primas (Instituto de Educación Secundaria Ies Villalba Hervás) El componente principal de un plástico son polímeros o resinas artificiales, por lo general derivados de la celulosa y de los hidrocarburos. Para su utilización hay que añadirles otros productos que mejoren su mala flexibilidad, mala resistencia al choque, mala resistencia a bajas temperaturas, agrietamientos... Estos productos son los modificantes (catalizadores, plastificantes, estabilizadores, cargas y pigmentos). Por último, para fabricar plásticos con usos especiales se le añaden armaduras y refuerzos. El petróleo se refina para formar moléculas orgánicas pequeñas, llamadas monómeros, que luego se combinan para formar polímeros resinosos, que se moldean o extruyen para fabricar productos de plástico. Del total del petróleo utilizado, el 70% se quema para producir energía, el 20%, lo utilizan diferentes industrias, el 4% la industria petroquímica lo utiliza para diferentes usos y sólo el 6% es empleado en la fabricación de plásticos. (Universidad de Oviedo) Las materias primas utilizadas en la obtención de los polímeros de síntesis provienen de los recursos naturales. Éstos se clasifican en renovables —los procedentes de los seres vivos— y los no renovables, que son los recursos fósiles (Instituto de Educación Secundaria Ies Villalba Hervás) Resinas. En la tecnología de los materiales poliméricos: el término resina se aplica a todo polímero que constituye la materia prima básica en la fabricación de los productos plásticos acabados o semiacabados y a las resinas empleadas directamente en obra. Por su procedencia las resinas se clasifican en: Resinas naturales: de origen vegetal y raramente de origen animal. Resinas artificiales: proceden de la modificación química de ácidos grasos, de las resinas naturales y de otras sustancias macromoleculares. Resinas sintéticas: proceden de reacciones químicas controladas a partir de materias perfectamente definidas que, en sí mismas, no tienen carácter de resinas. 1.2.1Modificantes y aditivos. Las diversas clases de plásticos y sus copolímeros proporcionan una amplia variedad de propiedades, pero no son suficientes para cubrir las muchas demandas de características y aplicaciones especiales que se requieren en el mercado. Los modificantes amplían el campo de aplicación de los plásticos y proporcionan una variación muy matizada de propiedades principalmente los plastificantes, estabilizadores, pigmentos o tintes, etc. (Marcilla, 2012) La industria de los plásticos conoce desde siempre que la obtención de productos verdaderamente útiles sólo es posible si a la matriz polimérica se añaden ciertos aditivos. En general, se consideran aditivos aquellos materiales que van dispersos físicamente en una matriz polimérica, sin afectar a su estructura molecular. Por tanto, quedan excluidas sustancias tales como catalizadores, reticulantes, etcétera. La incorporación de aditivos a plásticos puede alterar considerablemente las propiedades del material. Por ejemplo, en el caso del caucho según los aditivos que se empleen se pueden obtener neumáticos, suelas de zapatillas, colchones, bandas elásticas, gomas de borrar, etc. En el caso del PVC se pueden obtener tubos rígidos, botellas, recubrimientos de cables, bandas transportadoras, ropa, balones, muñecas, etc., todos ellos materiales con propiedades y aspecto muy diverso. Los aditivos se clasifican según su función y no en relación con su constitución química. Por su especial importancia, en este tema trataremos los plastificantes, estabilizantes, lubricantes, modificadores de impacto, retardantes de llama, agentes espumantes, cargas y pigmentos y colorantes. Todos los aditivos deben cumplir una serie de requisitos técnicos. En general se espera que sean altamente eficaces, de modo que se consigan los objetivos propuestos a una concentración que sea aceptable económicamente. Ciertas mejoras en una determinada propiedad pueden dar lugar al empeoramiento de otras; por tanto, lo que determina la elección final de uno o varios aditivos es el comportamiento considerado en su conjunto. En algunos casos, cuando las moléculas de aditivo deben interactuar con las de polímero es preciso que exista una compatibilidad alta, es decir, una alta miscibilidad a nivel molecular. Sin embargo en otros casos es deseable que el aditivo y el polímero formen dos fases bien diferenciadas. Un aditivo, además, no debe ser volátil en las condiciones del proceso de transformación. Esto significa que debe tener una tensión de vapor baja a altas temperaturas y no debe tender a agregarse, lo que daría lugar a un depósito del aditivo en forma de capa fina superficial. Un aditivo no debe exudar durante su vida en servicio, ya que daría lugar a problemas de estética y a la pérdida de eficacia por eliminación del aditivo. Los aditivos inorgánicos insolubles, tales como pigmentos, cargas, etc., no dan lugar, en general, a fenómenos de exudación, mientras que los plastificantes de bajo peso molecular, por ejemplo, tendrán más tendencia a migrar y exudar a la superficie durante el proceso de transformación y posteriormente por envejecimiento. Además, pueden ser vehículo para la migración de otros aditivos solubles. Por último, un aditivo no debe ser tóxico ni perjudicial para la salud del personal que lo manipule ni tampoco para los usuarios, especialmente cuando el material se utiliza para entrar en contacto con productos alimentarios, farmacéuticos o que se emplean en juguetería Plastificantes. (Instituto de Educación Secundaria Ies Villalba Hervás) Son materiales líquidos o sólidos que al mezclarlos con las resinas las vuelven blandas, más flexibles, más tenaces (y a veces más débiles) de lo que serían en cada caso. Posibilitan a bajas temperaturas lo que podría hacer el calor a temperaturas más altas, a base de atenuar las fuerzas de tracción entre las moléculas lineales y permitiendo que puedan moverse fácilmente unas con relación a las otras. Un buen plastificante se caracteriza por: Compatibilidad. Esto significa que durante toda la vida del objeto el plastificante debe permanecer en su sitio. Algunos plastificantes emigran gradualmente a la superficie; por ejemplo, en hules, la superficie se vuelve grasienta, mientras que el plástico desnudo se vuelve frágil, se contrae y se cuartea. Estabilidad. El plastificante no se estropeará gradualmente con la edad, lo que llevaría al deterioro del objeto de plástico. No degradabilidad. El plastificante no atacará al plástico, rompiendo las cadenas largas moleculares en segmentos cortos o de alguna otra forma. Tampoco dañará a otros constituyentes, tales como estabilizadores o pigmentos. Rendimiento. Una pequeña cantidad cundirá mucho. De forma general, cuanta menos cantidad se precise mejor es el plastificante. Atoxicidad. Aunque siempre es de desear, es particularmente importante si los objetos pueden llevarse a la boca (juguetes y objetos para niños pequeños). Catalizador. Sustancia cuya presencia hace reaccionar a dos o más productos entre sí, que por sí solos permanecerían prácticamente inertes unos frente a otros. En la química macromolecular también se denomina iniciador. Estabilizadores. Los plásticos sin mezcla, tales como la tubería de polietileno o la lámina de cloruro de polivinilo, pueden degradarse cuando se exponen a ciertos ambientes, como por ejemplo la luz solar. Sin embargo, pueden reforzarse con estabilizadores, tales como los absorbentes de rayos ultravioleta y antioxidantes. El negro de humo, por ejemplo, convierte el polietileno, que es un material rápidamente degradable, en otro que resiste muy bien la luz solar y la intemperie. Otros estabilizadores cumplen su cometido sin colorear ni volviendo opaco al plástico. Cargas. Material insoluble en polvo, granos o fibras incorporadas a un compuesto polimérico para reducir su precio, su exotermia o su retracción y frecuentemente para aumentar su dureza, su resistencia a la abrasión o al calor u otra propiedad específica, como por ejemplo: Moldeabilidad. Los plásticos fenólicos en estado puro no se moldean bien y son duros y quebradizos. Resultan mucho más moldeables cuando se les mezcla con harina de madera, normalmente de madera dura, en proporción de hasta un 50 por ciento. El material mezclado se contrae y se resquebraja menos, desgasta menos los moldes y cuesta menos que los fenólicos puros. Puede usarse cáscara de nuez molida o ingredientes semejantes. Con este material, de uso general, se hacen, por ejemplo, piezasde carpintería. - Resistividad eléctrica. La resistencia eléctrica de los plásticos fenólicos moldeados puede aumentarse incorporando mica finamente dividida; muchas piezas moldeadas para electricidad se hacen de esta manera. Resistencia al calor. Las cargas de amianto aumentan enormemente la resistencia al calor de los plásticos fenólicos y otros plásticos termoestables. Otras cargas inorgánicas importantes son el sílice, arcilla y carbonato cálcico. Este último, a menudo, en forma de piedra caliza molida o polvo de mármol. Tenacidad. La fragilidad es superada generalmente, además de con el uso de plastificantes o por copolimerización, incorporando cargas fibrosas, normalmente cortadas en longitudes de 1,5 m m a 15 m. Estos rellenos pueden ser fibras naturales tales como el algodón, cáñamo, o bien sintéticas, tales como el rayón, nylón, poliéster y fibra de vidrio. Pigmentos Muchos plásticos son transparentes e incoloros y por lo tanto coloreables; otros, admiten coloración limitada. Los acrílicos, por ejemplo, pueden incluirse en los de la primera clase, los fenólicos, en la segunda. En algunos casos, el color puede ser tanto en transparente como en opaco, en otros sólo en opaco. Los tintes proporcionan colores transparentes; los pigmentos, opacos. Los colores deben ser compatibles con el plástico y sus constituyentes, tales como plastificantes y estabilizadores, así como entre ellos. La estabilidad a la luz es normalmente función de la estabilidad inherente del tinte o del pigmento, pero puede ser afectada por interacciones a largo plazo con el plástico y sus constituyentes. Armaduras y refuerzos. Muchos plásticos se fabrican en forma de material compuesto, lo que implica la adición de algún material de refuerzo (normalmente fibras de vidrio o de carbono) a la matriz de la resina plástica. Los materiales compuestos tienen la resistencia y la estabilidad de los metales, pero por lo general son más ligeros. Las espumas plásticas, un material compuesto de plástico y gas, proporcionan una masa de gran tamaño pero muy ligera. Lubricantes. Los lubricantes mejoran la procesabilidad de los polímeros, realizando varias importantes funciones. Reducen la fricción entre las partículas del material, minimizando el calentamiento friccional y retrasando la fusión hasta el punto óptimo. Reducen la viscosidad del fundido promoviendo el buen flujo del material. Evitan que el polímero caliente se pegue a las superficies del equipo de procesamiento. 1.3 Procesos de fabricación de los plásticos 1.3.1 Mecanismos de mezclado (Marcilla, 2012) El tipo de equipamiento requerido para producir las mezclas de polímeros y aditivos depende sobre todo de su estado físico: Los polímeros se sirven en formas muy diferentes, que van desde gránulos (granzas), polvos, planchas (en el caso del caucho natural), resinas líquidas de peso molecular bajo (en el caso de los termoestables), etc. Además el tipo de mezclador depende del grado de dispersión que se desee alcanzar entre el polímero y los aditivos. Según esto se distingue dos tipos de mezclado que pueden aparecer en la bibliografía con los siguientes nombres: •Mezclado extensivo, distributivo, o simplemente mezclado (blending). •Mezclado intensivo o dispersivo (compounding). Mezclado extensivo Consiste en mezclar los componentes de una formulación mediante la agitación de los mismos. De este modo se obtiene una mezcla que en principio podría ser separada (aunque obviamente en la práctica resultaría difícil). El equipo requerido es un sencillo mezclador en el que todos los ingredientes se añaden a la vez y está provisto de aspas o palas que giran a una velocidad moderada y no es necesario aplicar calor durante el proceso (incluso en algunos casos se requiere de refrigeración). Ejemplo de mezclador extensivo (blending). El mezclado intensivo implica una dispersión de los diferentes componentes mucho más íntima. Este tipo de mezclado por lo general implica un cambio en estado físico de los componentes; el polímero debe estar en estado fundido durante el mezclado, por lo que se deben aplicar altas temperaturas para conseguir la fusión del polímero y en algunos casos de otros componentes de la mezcla y por lo general se requieren cizallas muy elevadas. Por lo general la mezcla debe ser granulada o troceada antes de introducirla en el proceso de transformación. Los mezcladores de este tipo son lógicamente mucho más complejos que los de tipo extensivo. . Mezclador intensivo tipo Banbury. El mezclado extensivo se emplea preferentemente frente al intensivo en aquellos casos en los que el método de transformación implique una cizalla elevada y en concreto en el caso de las formulaciones de materiales termoestables y para mezclar pigmentos y cargas en materiales termoplásticos. Por otra parte, el mezclado intensivo se prefiere al extensivo cuando se requiera una distribución completamente uniforme de los diferentes aditivos de la formulación, así como en el caso de que en el proceso empleado las cizallas aplicadas no sean excesivamente grandes. 1.3.2 Procesos de conformado (Rodriguez, 2012) El plástico se procesa de formas distintas, según sea termoplástico o termoestable. Los termoplásticos, formados por polímeros lineales o ramificados, pueden fundirse. Se ablandan cuando se calientan y se endurecen al enfriarse. Lo mismo ocurre con los plásticos termoestables que están poco entrecruzados. No obstante, la mayoría de los termoestables ganan en dureza cuando se calientan; el entrecruzado final que los vuelve rígidos se produce cuando se ha dado forma al plástico. Las técnicas empleadas para conseguir la forma final y el acabado de los plásticos dependen de tres factores: tiempo, temperatura y deformación. La naturaleza de muchos de estos procesos es cíclica, si bien algunos pueden clasificarse como continuos o semicontinuos. Una de las operaciones más comunes es la extrusión. Una máquina de extrusión consiste en un aparato que bombea el plástico a través de un molde con la forma deseada. Los productos extrusionados, como por ejemplo los tubos, tienen una sección con forma regular. La máquina de extrusión también realiza otras operaciones, como moldeo por soplado o moldeo por inyección. Otros procesos utilizados son el moldeo por compresión, en el que la presión fuerza al plástico a adoptar una forma concreta, y el moldeo por transferencia, en el que un pistón introduce el plástico fundido a presión en un molde. El calandrado es otra técnica mediante la que se forman láminas de plástico. Algunos plásticos, y en particular los que tienen una elevada resistencia a la temperatura, requieren procesos de fabricación especiales. Por ejemplo, el politetrafluoretileno tiene una viscosidad de fundición tan alta que debe ser prensado para conseguir la forma deseada, y sinterizado, es decir, expuesto a temperaturas extremadamente altas que convierten el plástico en una masa cohesionada sin necesidad de fundirlo. 1.3.2.1 Inyección (Instituto de Educación Secundaria Ies Villalba Hervás) Consiste en introducir el plástico granulado dentro de un cilindro, donde se calienta. En el interior del cilindro hay un tornillo sinfín que actúa de igual manera que el émbolo de una jeringuilla. Cuando el plástico se reblandece lo suficiente, el tornillo sinfín lo inyecta a alta presión en el interior de un molde de acero para darle forma. El molde y el plástico inyectado se enfrían mediante unos canales interiores por los que circula agua. Este proceso está muy extendido, porque permite fabricar artículos moldeados de alta calidad, normalmente sin necesidad de ninguna operación posterior de acabado, incluso para piezas de formas complicadas que han de estar sometidas a tolerancias dimensionales estrictas. Se aplica, sobre todo, a los termoplásticos, y, en menor escala, a los elastómeros ya los termoestables. (Rodriguez, 2012) El moldeo por inyección es una técnica muy popular para la fabricación de artículos muy diferentes. La popularidad de este método se explica con la versatilidad de piezas que pueden fabricarse, la rapidez de fabricación, el diseño escalable desde procesos de prototipos rápidos, altos niveles de producción y bajos costos, alta o baja automatización según el costo de la pieza, geometrías muy complicadas que serían imposibles por otras técnicas, las piezas moldeadas requieren muy poco o nulo acabado pues son terminadas con la rugosidad de superficie deseada, color y transparencia u opacidad, buena tolerancia dimensional de piezas moldeadas con o sin insertos y con diferentes colores. En el proceso de inyección de plástico el material entra a través de una tolva, después, pasa por un cilindro de calentamiento o plastificación donde es derretido para ser inyectado en la cavidad del molde por medio de un pistón accionado hidráulicamente, o de un tornillo sinfín; la acción del tornillo no sólo es giratoria sino que también se mueve longitudinalmente como el pistón de inyección, lo que permite incrementar la capacidad de inyección de la máquina. Diseño genérico de la unidad de inyección El proceso de inyección El proceso de inyección es discontinuo, y es llevado totalmente por una sola máquina llamada inyectora con su correspondiente equipo auxiliar o periférico. El proceso de inyección consiste básicamente en: a) Plastificar y homogenizar con ayuda de calor el material plástico que ha sido alimentado en la tolva y el cual entrara por la garganta del cilindro. b) Inyectar el material fundido por medio d presión en las cavidades del molde, del cual tomará la forma o figura que tenga dicho molde. c) En el tiempo en el que el plástico se enfría dentro del molde se está llevando a cabo el paso "a", posteriormente se abre el molde y expulsa la pieza moldeada. A continuación se describe en una forma más detallada lo que ocurre en los pasos del proceso de moldeo por inyección. 1. Se cierra el molde vacío, mientras se tiene lista la cantidad de material fundido para inyectar dentro del barril. El molde se cierra en tres pasos: primero con alta velocidad y baja presión, luego se disminuye la velocidad y se mantiene la baja presión hasta que las dos partes del molde hacen contacto, finalmente se aplica la presión necesaria para alcanzar la fuerza de cierre requerida. Inyección del material 2. El tornillo inyecta el material, actuando como pistón, sin girar, forzando el material a pasar a través de la boquilla hacia las cavidades del molde con una determinada presión de inyección. Inyección del material 3. Al terminar de inyectar el material, se mantiene el tornillo adelante aplicando una presión de sostenimiento antes de que se solidifique, con el fin de contrarrestar la contracción de la pieza durante el enfriamiento. La presión de sostenimiento, usualmente, es menor que la de inyección y se mantiene hasta que la pieza comienza a solidificarse. Aplicación de la presión de sostenimiento 4. El tornillo gira haciendo circular los gránulos de plástico desde la tolva y plastificándolos. El material fundido es suministrado hacia la parte delantera del tornillo, donde se desarrolla una presión contra la boquilla cerrada, obligando al tornillo a retroceder hasta que se acumula el material requerido para la inyección. Plastificación del material 5. El molde cierra y se reinicia el ciclo. Enfriamiento y extracción de la pieza 6. El material dentro del molde se continúa enfriando en donde el calor es disipado por el fluido refrigerante. Una vez terminado el tiempo de enfriamiento, la parte móvil del molde se abre y la pieza es extraída. 1.3.2.2 Moldeo por soplado (Rodriguez, 2012) El moldeo por soplado es un proceso utilizado para fabricar piezas de plástico huecas gracias a la expansión del material. Esto se consigue por medio de la presión que ejerce el aire en las paredes de la preforma, si se trata de inyección-soplado, o del párison, si se habla de extrusión- soplado. Este proceso se compone de varias fases, la primera es la obtención del material a soplar, después viene la fase de soplado que se realiza en el molde que tiene la geometría final, puede haber una fase intermedia entre las dos anteriores para calentar el material si fuera necesario, seguidamente se enfría la pieza y por último se expulsa. Para facilitar el enfriamiento de la pieza los moldes están provistos de un sistema de refrigeración así se incrementa el nivel productivo. Proceso de soplado de una preforma obtenida mediante inyección. Moldeo por inyección-soplo El moldeo por inyección-soplado consiste en la obtención de una preforma del polímero a procesar, similar a un tubo de ensayo la cual posteriormente se calienta y se introduce en el molde que alberga la geometría deseada, en ocasiones se hace un estiramiento de la preforma inyectada, después se inyecta aire, con lo que se consigue la expansión del material y la forma final de la pieza y por último se procede a su extracción. En muchas ocasiones es necesario modificar el espesor de la preforma, ya sea para conseguir una pieza con diferentes espesores o para lograr un espesor uniforme en toda la pieza, pues en la fase de soplado no se deforman por igual todas las zonas del material. La ventaja de usar preformas consiste en que estas se pueden inyectar y almacenar, producir diferentes colores y tamaños, los cuales pueden hacerse en lugares distintos a donde se realizará el soplado. Las preformas son estables y pueden ser sopladas a velocidad alta según la demanda requerida. a) b) c) a) Obtención de la preforma b) Operación de soplado y c) extracción de la pieza 1.3.2.3 Moldeo por compresión (Rodriguez, 2012)El moldeo por compresión es un método de moldeo en el que el material de moldeo, en general precalentado, es colocado en la cavidad del molde abierto. El molde se cierra, se aplica calor y presión para forzar al material a entrar en contacto con todas las áreas del molde, mientras que el calor y la presión se mantiene hasta que el material de moldeo se ha curado. El proceso se emplea en resinas termoestables en un estado parcialmente curado, ya sea en forma de pellets, masilla, o preformas. El moldeo por compresión es un método de alta presión, adecuado para el moldeo de piezas complejas, de alta resistencia con refuerzos de fibra de vidrio. Los compuestos termoplásticos, aunque en menor medida, también pueden ser moldeados por compresión con refuerzos de cintas unidireccionales, tejidos, fibras orientadas al azar o de hilos cortados. Moldeo por compresión La ventaja de moldeo por compresión es su capacidad para moldear piezas grandes, bastante intrincadas o complejas. Además, es uno de los métodos de más bajo costo en comparación con el moldeo por otros métodos tales como moldeo por transferencia y moldeo por inyección, por otra parte se desperdicia poco material, dándole una ventaja cuando se trabaja con compuestos caros. Sin embargo, el moldeo por compresión a menudo proporciona productos de pobre consistencia y dificultad en el acabado, y no es adecuado para algunos tipos de piezas. Esquema del proceso El moldeo por compresión se inicia, con una cantidad determinada de colocada o introducida en un molde. Luego el material se calienta a un estado maleable y moldeado. Poco después, la prensa hidráulica comprime el plástico flexible contra el molde, dando como resultado una pieza perfectamente moldeada que mantiene la forma de la superficie interior del molde. Después la prensa hidráulica retrocede, un pin eyector en el fondo del molde rápidamente expulsa la pieza final fuera del molde y entonces, el proceso concluye. Esquema del proceso 1.3.2.4 Termoformado (Rodriguez, 2012) El termoformado es un proceso secundario el cual consiste en dar forma a una lámina de un termoplástico. Consta de dos pasos principales: calentamiento y formado. El calentamiento se realiza por medio de calentadores eléctricos en ambos lados de la lámina. La duración del ciclo de calentamiento debe ser suficiente para ablandar la lámina dependiendo el tipo de plástico, el espesor y su color. Los métodos de formado se pueden clasificar en tres categorías: •Termoformado mecánico : usa un par de moldes (positivo y negativo) que se aplican contra la lámina de plástico caliente forzando a adquirir la forma. En este método no se usa vacio ni presión de aire. Termoformado mecánico. •Termoformado al vacío: Es aquel en el cual se usa una presión de vacío para adherir la lámina precalentada a la cavidad del molde. 1. Se suaviza la lámina por medio de calentamiento. 2. Se coloca sobre la cavidad de un molde. 3. El vacio atrae la lámina hacia la cavidad. 4. El plástico se endurece al contacto con la superficie fría del molde, la parte se retira y luego se recorta de la hoja. 2 Se muestran los pasos principales del termoformado al vacío. 1. Calentamiento.2 acoplamiento. 3. Succión de la lámina. 4. Enfriamiento y corte. •Termoformado a presión: este utiliza tanto el vacío como presión de aire positiva para forzar a la lámina precalentada dentro de la cavidad del molde. El proceso es similar al termoformado al vacío la diferencia es que se aplica una presión de aire para que la lámina ya suavizada entre en contacto con la cavidad del molde. Termoformado a presión. 1.3.2.5 Extrusión (Rodriguez, 2012) La extrusión es un proceso por el cual es posible obtener productos acabados o semiacabados en régimen continuo. Utilizándose equipos que funden, homogeneizan y fuerzan al polímero a pasar a través de matrices de forma definida – asociados a equipos auxiliares como corte, conformación, soldadura, etc. – se pueden producir tubos, películas, chapas, filamentos perfiles, frascos, bidones, etc. Este proceso puede ser también empleado para el revestimiento de substratos como papel, aluminio y conductores eléctricos. La extrusión es un término que asocia al equipo (extrusora), utilizado para efectuar tal proceso, al procesamiento del polímero, propiamente dicho. A pesar de ser distintos, todavía así se torna difícil separarlos, pues, la verdad, uno complementa al otro. De este modo, se hace una descripción unificada proceso/equipo, una descripción sucinta de cada proceso de extrusión para la obtención de diversos tipos de productos acabados y de las características del tipo de PEAD, que puede ser utilizado. (Instituto de Educación Secundaria Ies Villalba Hervás) Es un proceso continuo utilizado para la fabricación de productos semiacabados tales como perfiles, tuberías, planchas y hojas, que deben someterse a acabado antes de ser puestos en servicio. Consiste en moldear productos de manera continua, ya que el material es empujado por un tornillo sinfín a través de un cilindro que acaba en una boquilla, lo que produce una tira de longitud indefinida. Cambiando la forma de la boquilla se pueden obtener barras de distintos perfiles. También se emplea este procedimiento para la fabricación de tuberías, inyectando aire a presión a través de un orificio en la punta del cabezal. Regulando la presión del aire se pueden conseguir tubos de distintos espesores. 1.4 Termoestables 1.4.1 Definición (Oros, 08)Son formados mediante calor y con o sin presión, resultando un producto que es permanentemente duro. El calor ablanda primero al material, pero al añadirle más calor o sustancias químicas especiales, se endurecen por un cambio químico conocido como polimerización y no puede ser reblandecido. (Desconocido)Las resinas termoestables son aquéllas que cambian irreversiblemente bajo la influencia del calor, de la luz, de agentes fotoquímicos y de agentes químicos, pasando de un material fusible y soluble a otro no fusible e insoluble, por la formación de un retículo tridimensional covalente. En el proceso reactivo de entrecruzamiento o de curado, las cadenas poliméricas (reactivos termoplásticos o líquidos) reaccionan entre sí y, a la vez, con un agente entrecruzador, formándose macromoléculas orientadas en todas las direcciones y con numerosos enlaces covalentes entre ellas. El retículo tridimensional formado confiere al material curado unas propiedades mecánicas, térmicas y de resistencia química muy elevadas que los hacen aptos para múltiples aplicaciones. (Universidad Politécnica de Valencia)Estos polímeros presentan una estructura del tipo reticular a base de uniones covalentes, con entrelazamiento transversal de cadenas producido por el calor o por una combinación de calor y presión durante la reacción de polimerización. A menudo, los polímeros termoestables se obtienen en forma de dos resinas liquidas. Una contiene los agentes de curado, endurecedores y plastificantes, la otra materiales de relleno y/o reforzantes que pueden ser orgánicos o inorgánicos. Cuando se mezclan estos dos componentes, se inicia la reacción de entrecruzado, de igual modo que en otros se inicia por calor y/o presión. Debido a esto, los termoestables no pueden ser recalentados y refundidos como los termoplásticos. Esto es una desventaja pues los fragmentos producidos durante el proceso no se pueden reciclar y usar. En general, las ventajas de los plásticos termoestables para aplicaciones en ingeniería son: Alta estabilidad térmica. Alta rigidez. Alta estabilidad dimensional. Resistencia a la termofluencia y deformación bajo carga. Peso ligero. Altas propiedades de aislamiento eléctrico y térmico No se pueden derretir, antes de derretirse pasan a un estado gaseoso Generalmente no se hinchan ante la presencia de ciertos solventes Son insolubles. Alta resistencia al fenómeno de fluencia (Universidad Aútonoma de San Luis Potosí) Es un grupo especial de polímeros en los cuales las cadenas moleculares están enredadas pero no interconectadas, se funden con facilidad y se moldea en formas útiles. Los polímeros termoplásticos difieren de los polímeros termoestables en que después de calentarse y moldearse pueden calentarse y formar otros objetos, mientas que en el caso de los termoestables o termoduros, después de enfriarse la forma no cambia. La reticulación espacial que da lugar a la formación de la macromolécula termoestable tiene lugar por reacción química (curado) durante el moldeo de la pieza. Puesto que no funden Los termoestables son materiales que adquieren un estado final reticulado (entrecruzado), que los hace insolubles e incapaces de fundir. A estos materiales se llega partiendo de materias primas de bajo peso molecular de las que se obtiene, en una primera fase, un producto intermedio (prepolímero), muy poco o nada reticulado, todavía capaz de fundir y fluir, y por tanto de rellenar un molde. La reticulación y no reblandecen son materiales que presentan muy buenas propiedades a elevadas temperaturas. Junto con su alta resistencia térmica presentan alta resistencia química, rigidez, dureza superficial, buena estabilidad dimensional, entre otras ventajas sobre otros materiales. Sin embargo el empleo de estos materiales ha ido disminuyendo en los últimos años. Existen numerosas razones por las que esto ha ocurrido. Los termoestables requieren métodos de transformación lentos, puesto que la reacción de polimerización tiene lugar dentro del molde. Los acabados son pobres comparados con los de la mayoría de los termoplásticos; por lo general las resinas termoestables son bastantes opacas y en muchos casos presentan cierta coloración amarillenta. 1.4.2 Curado (Desconocido)La reacción de curado es crucial en la utilización del material termoestable. Es importante conocer perfectamente la naturaleza de la misma. El curado de termoestables es complejo e incluye varias etapas. Como se ilustra en la Figura 1.1, la química del proceso de curado empieza con la formación y el crecimiento lineal de las cadenas que pronto empiezan a ramificarse y posteriormente a entrecruzarse. A medida que la reacción avanza el peso molecular aumenta rápidamente y varias cadenas se unen en un retículo de peso molecular infinito. La transformación, que ocurre rápidamente y de forma irreversible, en la que el material pasa desde un estado de líquido viscoso hasta un estado de gel elástico, que marca el inicio de la aparición del retículo, suele llamarse punto de gel. 1.4.3 Gelificación (Desconocido) Es una característica de los termoestables y tiene una gran importancia en el procesado. El punto de gel es crítico en la manipulación de los materiales termoestables, ya que a partir de este estado el material deja de fluir y no puede ser procesado. El fenómeno de la gelificación ocurre en una etapa determinada del proceso reactivo y depende de la funcionalidad, reactividad y estequiometría de las especies reactivas. La gelificación no inhibe el proceso de curado (p.e. la velocidad de reacción puede no variar), por lo que no puede ser detectada por técnicas sensibles solamente a la reacción química, como pueden ser la DSC y la TG. Después de la gelifícación, la reacción continúa hasta la formación de un retículo infinito, con un aumento sustancial de la densidad de entrecruzamiento, de la temperatura de transición vitrea y de las propiedades físicas últimas alcanzadas. Si bien el tiempo necesario para que aparezca la gelifícación (tiempo de gelifícación) debería estar perfectamente definido y ser fácilmente calculable, dependiendo de la interpretación que se dé al fenómeno de la gelifícación, su valor puede variar. Otro fenómeno distinto de la gelifícación y que puede ocurrir durante el curado es la vitrificación de las cadenas que están creciendo o del retículo. Esta transformación, desde un estado de líquido viscoso o de gel elástico a un estado vitreo, empieza a ocurrir cuando la temperatura de transición vitrea de las cadenas crecientes o del retículo coincide con la temperatura de curado. A partir de aquí, el curado es extremadamente lento y, a efectos prácticos, la vitrificación supone una parada brusca del curado. La vitrificación es un fenómeno reversible y el curado puede ser completado por calentamiento, desvitrificándose el termoestable parcialmente curado. La vitrificación puede ser una de las causas del paso de control químico a control por difusión y puede ser observada por una disminución importante de la velocidad de reacción. 1.4.4 Resinas de fenol-formaldehido Definición (Mariano, 2013) Las resinas de fenol formaldehído (PF: del inglés Phenol- Formaldehyde) son polímeros sintéticos obtenidos por la reacción de fenol o fenol sustituido con formaldehído. Otros nombres con los cuales se suele denominar a las resinas fenol formaldehído son: fenoplastos, resinas formofenólicas o simplemente resinas fenólicas. Las resinas fenólicas se utilizan principalmente en la producción de placas de circuitos. Son más conocidos sin embargo, para la producción de productos moldeados incluyendo bolas de billar, encimeras de laboratorio y como recubrimientos y adhesivos. En forma de baquelita, son consideradas las primeras resinas sintéticas comerciales. (Anónimo) Resinas Fenólicas Nombre común: Bakelitas Se forman por policondensación de los fenoles (ácido fénico o fenol) y el formaldehído o formol. Este último es el estabilizador de la reacción. Su proporción en la solución determina si el material final es termoplástico o termoestable. Tenemos estos tipos de bakelita: Es uno de los principales plásticos termofraguantes que se usan en la actualidad en la industria. Dicha resina sintética se elabora mediante la reacción del fenol con el formaldehído, forma un material duro, de alta resistencia, durable, capaz de ser moldeado bajo una amplia variedad de condiciones. Este material tiene alta resistencia al calor y al agua y puede producirse en una gran variedad en colores. Se usa en la fabricación de materiales de revestimiento, productos laminados, ruedas de esmeril y agentes aglutinantes para metal y vidrio, pudiendo moldearse en muchas formas útiles, tales como cajas moldeadas, clavijas eléctricas, tapones de botella, perillas, carátulas, mangos para cuchillos, gabinetes para radio y otras numerosas partes eléctricas. Los compuestos fenólicos son moldeados por compresión o moldeo de transferencia. Historia (Mariano, 2013) Hacia el 1872, A.V. Baeyer observó que la reacción de condensación entre fenoles y aldehídos daba lugar a sustancias resinosas. En 1893, G. T. Morgan produjo la primera resina fenol-formaldehído. Sin embargo, fue el trabajo de L. H. Baekeland y otros colaboradores quienes pusieron ímpetu en la producción de resinas fenólicas a nivel industrial. Baekeland con sus aplicaciones y patentes en 1908 (presión y calor de curado, etc.) fue reconocido como el pionero de la industria de los plásticos. La primera resina tipo revestimiento fue producida industrialmente por la compañía Louis Blumer en Zwickan (Alemania). Para ser capaces de utilizar las resinas en el sector de revestimientos, fue necesario desarrollar resinas modificadas. En 1910, se fundó en Erkner (Alemania) la compañía Bakelite para la producción de resinas tipo baquelita. El desarrollo de los procesos de preparación y curado fueron realizados por M. Koebner, N. Megson y colaboradores. En 1937, A. Greth y K. Hultzsch desarrollaron resinas fenólicas para aplicaciones en pinturas. A partir de aquí, se realizaron estudios en busca de la obtención de resinas fenólicas para otras aplicaciones. Hoy en día, juegan un importante papel en la tecnología moderna (automoción, aeroespacial), en aplicaciones para fibras sintéticas, ordenadores, construcción. Estructura química y síntesis (Mariano, 2013) Las resinas fenólicas, también llamadas fenoplastos, son de las primeras resinas que se sintetizaron. Han sido realizados numerosos estudios sobre sus mecanismos de reacción en la síntesis y su reacción con otras sustancias. Se obtienen mediante la reacción de fenoles y aldehídos, siendo el fenol y el formaldehído las materias primas más importantes en la producción de resinas fenólicas. Determinadas condiciones de operación, principalmente el pH y la temperatura, tienen un gran efecto sobre el carácter de los productos obtenidos en las reacciones entre el fenol y el formaldehído. Estas tienen tres etapas diferentes: - La adición inicial del formaldehído al fenol para dar metilolfenoles. - Crecimiento de la cadena mediante condensaciones y adiciones alternativas a temperaturas por debajo de 100ºC, y reticulación y endurecimiento de las resinas a temperaturas por encima de 100ºC.Las resinas se obtienen mediante la reacción de fenol y formaldehido bajo condiciones básicas con exceso molar en formaldehído. La relación molar fenol-formaldehído es 1:(1.2-3) y el catalizador empleado es el NaOH (hidróxido de sodio). La formación del resol se produce mediante los siguientes pasos: 1.- En una primera etapa, se forma el anión fenolato con deslocalización de la carga negativa en las posiciones orto y para. 2.- A continuación tiene lugar la metilolación. Sustitución orto favorecida por iones Ba+2, Ca+2, Mg+2 (pH bajos) Sustitución para favorecida por iones K+, Na+ (pH altos) 3.- Polimetilolación 4.- El peso molecular se incrementa por condensación de los grupos metilol formando puentes metileno o puentes éter. En este último caso puede producirse una pérdida subsiguiente de formaldehído con formación de puentes metileno. 5.- Si estas reacciones continúan (catalizadas por calor o por adición de ácidos a temperatura ambiente) pueden condensar gran cantidad de núcleos fenólicos para dar lugar a la formación del retículo. 6.- Durante el entrecruzamiento pasa por tres estados: - Líquido, fusible y soluble - Intermedio (resitol), prácticamente infusible, pero moldeable por efecto del calor, se hincha con algunos disolventes y posee baja resistencia mecánica. - Estado final, infusible, insoluble y con alta resistencia mecánica. Producción (Mariano, 2013) Además de las materias primas mencionadas anteriormente, se tendrán en cuenta los siguientes factores que afectan a la producción de las resinas formofenólicas: - Relación molar fenol / formaldehído. - Tipo y concentración de catalizador. - pH. - Temperatura. - Tiempo de reacción. - Contenido de agua en la disolución de formaldehido. - Fenol residual. - Modificación con otros compuestos. - Utilización eficiente del fenol. - Seguridad medioambiental. Los reactores pueden ser de tipo encamisado realizados en acero inoxidable. El fenol de gran pureza no ataca dicha aleación, incluso a su punto de ebullición. La corrosión se produce más frecuentemente con fenol líquido que en fase vapor. Dicha corrosión depende del rango de pH. Aplicaciones Forros para frenos Ruedas abrasivas Adhesivos Interruptores eléctricos 1.4.5 Aminorresinas (Universidad Politécnica de Valencia) Se producen por reacción controlada de formaldehído con compuestos que tienen el grupo amino, -NH2-. Los dos tipos de resinas más importantes son la urea-formaldehído y la melamina- formaldehído, que se producen por mecanismo de condensación, proporcionando un grupo amino en el extremo de la cadena que da lugar a una estructura reticular muy rígida con un elevado grado de entrecruzamiento. Se emplean para placas de pared y receptáculos eléctricos, adhesivos para madera etc. Las resinas más importantes son formaldehído de urea y formaldehído de melanina. Este componente plástico, también termofraguante, se puede obtener en forma de polvo para moldear o en solución para usarse como liga y adhesivo. A la vez se combina con una variedad de relleno, mejora las propiedades mecánicas y eléctricas. Las buenas características de flujo de la resina de melanina hacen un modelo de transferencia, conveniente para tales artículos como vajillas, piezas de encendido, perillas y estuches para rasuradoras. 1.4.5.1 Resinas de urea-formaldehído Definición (Mariano, 2013) La urea-formaldehído (UF), también conocido como urea- metanal, llamado así por su vía de síntesis y estructura general común, es una resina o plástico termoestable, hecho a partir de urea y formaldehído se calienta en presencia de una base débil, tales como amoníaco o piridina. Estas resinas se utilizan en adhesivos, acabados, MDF (tableros de densidad media) y objetos moldeados. Por sus grupos amino en su estructura química, constituye una de las resinas denominadas comúnmente como amino-plásticas. (Anónimo) Son compuestos termofraguantes que se obtienen mediante la reacción de a urea con la formaldehído. Alrededor de 1929 estas resinas habían alcanzado un apreciable desarrollo comercial gracias a sus propiedades y al bajo costo. Como las melanímicas. Tienen el aspecto de un polvo finísimo blanco que se elabora generalmente por estampado a compresión dentro de un molde y con la acción del calor. El principal empleo de las resinas uréicas es el campo de los adhesivos y de las colas; como masas de estampado se utilizan para producir platos, partes de electrodomésticos, componentes eléctricos, teléfonos, aparatos radio, muebles. Se obtienen por policondensación de la urea con el formaldehído. Propiedades y características generales: Similares a las bakelitas Pueden colorearse Ventajas: resistencia muy elevada a las corrientes de fuga superficiales Desventajas: Menor resistencia a la humedad y menor estabilidad dimensional. Historia (Mariano, 2013) Las patentes de resinas termoestables duras y transparentes basados en urea y formaldehído se les concedió a los químicos alemanes y británicos en la década de 1920. En 1925 la British Cyanides Company, Ltd., (ahora British Industrial Plastics, Ltd.) presentó una mesa de luz irrompible hecha de su resina urea-formaldehído bajo la marca registrada Beetle, y dentro de dos años, la American Cyanamid Company había adquirido los derechos para producir Beetleware en los Estados Unidos Estados. Clara en su estado puro, la urea-formaldehído podría fortalecerse con celulosa y teñirse con pigmentos numerosos para hacer artículos de luz, delgado, duro, fuerte, colorido y translucidos para el hogar y la cocina. Su resistencia a muchos productos químicos lo hacía adecuado para frascos de cosméticos y otros recipientes, y su resistencia eléctrica deseable para productos tales como los tomacorrientes de pared y placas de interruptores. La urea-formaldehído comenzó a ser sustituido en artículos moldeados en los años 1950 por resina de melamina-formaldehído y por nuevas resinas termoplásticas tales como poliestireno. Al igual que las resinas fenólicas y de melamina, la urea-formaldehído se emplean ahora sobre todo como adhesivos para madera. Son menos duraderas que las otras dos resinas y no tienen resistencia a la intemperie suficiente para ser utilizadas en aplicaciones exteriores. Debido a que las resinas de urea-formaldehído son de color más claro que las resinas de fenol-formaldehído, tradicionalmente están reservadas para contrachapado interior y el revestimiento decorativo. Pero la preocupación por la liberación de formaldehído al aire han conducido a la sustitución, incluso allí, por resinas fenólicas. Estructura química y síntesis La estructura química de las resinas de UF se puede describir como la de grupos metileno unidos a los nitrógenos del grupo diamida. Esta descripción deja los detalles de la estructura indeterminada, que puede variar entre lineal y ramificado. Éstos se agrupan por su promedio de masa molar y el contenido de grupos funcionales diferentes. Los cambios de las condiciones de síntesis de las resinas dan buenas posibilidades para el diseño de la estructura y propiedades de la resina. Estructura quimica de la resina urea-formaldehído Las resinas de urea-formaldehído se obtienen, como se ha dicho, por condensación de la urea (diamida del ácido carbónico) y el formaldehído obtenidos del amonio y el metanol respectivamente. Ambos pueden ser sintetizados a partir del gas natural. Síntesis de resina urea-formaldehído En la producción industrial, las resinas están hechas por la condensación de formaldehído y urea en una solución acuosa, utilizando amoniaco como un catalizador alcalino. La reacción de condensación da una solución incolora, como melaza, que puede ser secada por pulverización para dar un polvo para su posterior uso en revestimientos o adhesivos, también puede ser mezclado con celulosa como relleno para producir polvos para el moldeo de objetos sólidos. Bajo la influencia de calor y presión, la resina, que en este punto se compone en gran parte de polímeros intermedios o prepolímeros de bajo peso molecular, se cura a su estado final, que consiste en una red tridimensional de polímeros interrelacionados. Obtención de resinas UF y MF a partir del gas natural Aplicaciones Aproximadamente, 1 millón de toneladas métricas de urea- formaldehído son producidas cada año. Más del 70% de esta producción es destinada al uso de productos de la industria maderera. En la cual constituye una resina apropiada para la unión de tableros de partículas o aglomerado (61%), tablero de fibra de densidad media (27%), madera contrachapada de madera dura (5%) y adhesivo de laminación (7%). La urea-formaldehído está en todas partes y se utiliza en muchos procesos de fabricación debido a sus propiedades útiles. Los ejemplos incluyen laminados decorativos, textiles, papel, moldes de fundición de arena, telas antiarrugas, mezclas de algodón, rayón, pana, etc. También se utiliza para pegar madera juntos. La urea formaldehído se utiliza habitualmente cuando se producen revestimiento de aparatos eléctricos (por ejemplo, lámparas de escritorio). La UF también ha sido utilizada como resina de moldeo de adornos y otros utensilios similares, aunque hoy en día se utiliza en muy poca medida siendo reemplazado por materiales termoplásticos. Las resinas ureicas se especifican para lacas y barnices para maderas (curado térmico) y para recubrimientos plastificantes para pisos (dos componentes de curado catalizado por ácidos). El producto es ampliamente elegido como una resina adhesiva debido a su alta reactividad, buen rendimiento, y bajo precio. También se preparan adhesivos fenol-urea-formaldehído modificados con taninos (PUFT) por copolimerización a temperatura ambiente de taninos de corteza de pino con prepolímeros fenol-urea-formaldehído (PUF) previamente elaborados. La adición de taninos a los prepolímeros PUF modifica su comportamiento reológico, que pasa de prácticamente newtoniano a pseudoplástico. Esta es una característica muy deseable ya que los adhesivos se vuelven más fluidos durante su aplicación, aumentando posteriormente su viscosidad aparente. Además, el consumo de adhesivo en la preparación de los tableros contrachapados se reduce significativamente. La urea-formaldehído también se usa en la agricultura como fuente de liberación controlada de fertilizantes de nitrógeno. La tasa de descomposición de la urea- formaldehído en CO2 y NH3 está determinada por la acción de los microbios que se encuentran naturalmente en la mayoría de los suelos. La actividad de estos microbios, y, por lo tanto, la velocidad de liberación de nitrógeno, es dependiente de la temperatura. La temperatura óptima para la actividad microbiana es de aproximadamente 70-90°F (20-30°C aproximadamente). El aislamiento de espuma de urea-formaldehído (UFFI) puede constituir un gran aislamiento sintético. Se trata básicamente de una espuma parecida a la crema de afeitar y fácilmente inyectable en paredes con una manguera. Se hace mediante el uso de un conjunto de una bomba y manguera con una pistola de mezcla para mezclar el agente de formación de espuma y la resina. 1.4.5.2 Resinas de melamina-formaldehído Definición (Mariano, 2013) La resina melamina, resina MF o resina melamina-formaldehído (a veces también acortada a simplemente melamina) es un material termoendurecible duro, hecho por condensación de melamina y formaldehído. En su forma butilado, este se disuelve en n-butanol y xileno. Se utiliza entonces para reticulación con resina alquídica, epoxi, acrílica y poliéster, usados en revestimientos de superficies. Existen muchos tipos, variando desde resinas de curado muy lento a muy rápido. Fue descubierto inicialmente por William F. Talbot. Tanto la urea-formaldehído como la melamina-formaldehído tienen propiedades generales muy similares, aunque existe mucha diferencia en sus aplicaciones. A ambas resinas se les conoce como amino-resinas o resinas amínicas. Las amino-resinas se usan principalmente como adhesivos para hacer madera aglomerada y contrachapado, usados en la construcción residencial, fabricación de muebles (laminados decorativos). (Anónimo) Las resinas melamínicas, como las uréicas, pertenecen al grupo de compuestos termofraguantes llamados aminoplasta. Las melamínicas se produjeron en forma industrial a partir del final de los años Treinta. Tienen una importancia fundamental en la fabricación de laminados y también para vajillas, platos, partes de electrodomésticos, muebles, artículos decorativos y elementos de aislamiento. Se forman por policondensación de la fenilamina y del formol. Características y propiedades generales: Color rojizo o castaño. Alto punto de reblandecimiento Escasa fluidez Insolubles a los disolventes comunes Resistencia a los álcalis Poco factor de pérdidas a alta frecuencia Excelentes: Resistencia al aislamiento Rigidez dieléctrica Síntesis y estructura química (Mariano, 2013) Las resinas de melanina-formaldehido se forman por condensación de la melamina y del formaldehído. Síntesis de resina de melanina-formaldehído La identificación genérica de las melaminas como resinas induce a pensar que son materiales de naturaleza polimérica. Sin embargo, no son polímeros ya que su distribución de pesos moleculares promedio indica que son monómeros, dímeros, trímeros y excepcionalmente tetrámeros y pentámeros. Estos materiales no tienen adecuadas propiedades como formadores de película ya que éstas son duras y quebradizas. En consecuencia, se combinan con resinas alquídicas, acrílicas, poliésteres o epoxis para generar sistemas termoestables o termo convertibles (curado químico a alta temperatura, es decir horneables). Melamina (Mariano, 2013) La melamina es un compuesto orgánico que responde a la fórmula química C3H6N6, y cuyo nombre por IUPAC es 2,4,6-triamino-1,3,5- triazina. Es levemente soluble en agua, y naturalmente forma un sólido blanco. La melamina es un trímero (está constituida por tres moléculas iguales) de cianamida, formando un heterociclo aromático que puede reaccionar con el formaldehído, dando la resina melamina-formaldehído. La melamina fue sintetizada por primera vez por el químico alemán Justus von Liebig en 1834. Inicialmente, en la producción de melamina, primero cianamida de calcio se convertía en diciandiamida, después se calentaba por encima de su temperatura de fusión para producir melamina. Sin embargo, los fabricantes de hoy en día, utilizan la urea en la siguiente reacción para producir melamina: 6 (NH2) 2CO → C 3H6N6 + 6 NH3 + 3 CO2 Se puede entender como dos pasos. En primer lugar, la urea se descompone en ácido cianhídrico y amoníaco en una reacción endotérmica: (NH2)2CO → HCNO + NH3 Entonces, el ácido cianhídrico se polimeriza para formar melamina y dióxido de carbono: 6 HCNO → C3H6N6 + 3 CO2 La segunda reacción es exotérmica, pero el proceso global es endotérmico. La reacción anterior puede llevarse a cabo por cualquiera de dos métodos: producción en fase gaseosa catalizada o producción en fase líquida de alta presión. En el primer método, urea fundida se introduce en un lecho fluidizado con el catalizador para la reacción. Gas caliente de amoníaco está también presente para fluidificar el lecho e inhibir la deamonización. El efluente luego se enfría. El amoníaco y el dióxido de carbono en los gases residuales se separan de la suspensión de melamina. La suspensión se concentra y cristaliza aún más para producir melanina. Los principales fabricantes y proveedores de licencias, como Orascom Construction Industries, BASF y Eurotecnica han desarrollado algunos métodos patentados. El gas contiene grandes cantidades de amoníaco. Por lo tanto, la producción de melamina, a menudo se integra en la producción de urea, que utiliza amoníaco como materia prima. La cristalización y el lavado de melamina generan una cantidad considerable de aguas residuales, lo cual es un contaminante si se descargan directamente en el medio ambiente. El agua residual puede ser concentrada en un sólido (1,5 a 5% del peso) para facilitar su eliminación. El sólido puede contener aproximadamente 70% de melamina, oxitriazinas 23% (amelina, amelida y ácido cianúrico), 0,7% policondensados (Melem, melam y melon). En el proceso Eurotecnica, sin embargo, no hay residuos sólidos y los contaminantes se descomponen en amoníaco y dióxido de carbono y se envía como suministro de gas a la planta de urea, en consecuencia, el agua residual puede ser reciclada a la planta de melamina o se utiliza como agua de refrigeración limpia. Formaldehido El formaldehído o metanal es un compuesto químico, más específicamente un aldehído (el más simple de ellos) es altamente volátil y muy inflamable, de fórmula H2C=O. Fue descubierto en 1867 por el químico alemán August Wilhelm von Hofmann. Se obtiene por oxidación catalítica del alcohol metílico. La síntesis industrial del metanal se basa en la oxidación catalítica y semiparcial del metanol (H3COH), óxidos de metales (habitualmente una mezcla de óxido de hierro, molibdeno y vanadio) o la conversión de metanol en hidrógeno elemental y formaldehído en presencia de plata elemental. H3COH → H2CO + H2 Características y propiedades Existen resinas sólidas con las características y propiedades generales de las resinas en polvo. Entre sus principales características se encuentran: Alto punto de reblandecimiento. Insolubles en los disolventes comunes. Resistencia a los álcalis. Bajo factor de pérdidas a alta frecuencia. Excelente resistencia al aislamiento. Alta frecuencia sintética de valor agregado. Rigidez dieléctrica. Termoestable. No es reciclable. Elevada rigidez dieléctrica Buena resistencia a las corrientes de fuga superficiales Buena resistencia a la humedad Buena resistencia a los disolventes Buena resistencia al arco eléctrico Excelente estabilidad dimensional Arden con dificultad y con un humo muy negro Aplicaciones (Mariano, 2013) Hogar La resina de melamina se utiliza a menudo en utensilios de cocina y platos (como Melmac). Utensilios de resina de melamina y cuencos no sirven para microondas. Al igual que con todos los materiales termoestables, la resina de melamina no puede ser fundida y, por tanto, no se pueden reciclar a través de fusión. Material de construcción La resina de melamina es el componente principal de laminados de alta presión (HPL), como Formica y Arborite y de suelos laminados. Los paneles de pared de resina de melamina también se pueden utilizar como pizarras (blancas). Formica, es una marca de materiales compuestos fabricados por la Corporación Formica. En el uso común, el término se refiere al producto clásico de la compañía, un laminado de papel o de tela con resina de melamina resistente al calor y fácil de limpiar. Si bien inicialmente se utilizaba resinas de fenol- formaldehido, alrededor de 1937 se empezó a utilizar resina de melamina. Fabricación de muebles y gabinetes La resina de melamina a menudo se utiliza para saturar papel decorativo que se lamina bajo calor y presión y luego pegado en los tableros de aglomerado, el panel resultante es a menudo llamado melamina y se utiliza comúnmente en muebles listos para ensamblar y muebles de cocina baratos. La melamina se encuentra disponible en diferentes tamaños y espesores, así como un gran número de colores y patrones. Los laminados son pesados. La resina es propensa a saltar al ser cortado con sierras de mesa convencionales Melamina espumada Es una forma especial de resina de melamina. Se utiliza principalmente como material aislante y de insonorización y más recientemente como un abrasivo de limpieza. La espuma melamina es una material espumado que consiste de un copolímero formaldehído - melamina - bisulfito de sodio. 1.4.5.3 RESINAS FENÓLICAS Definición (Quipasur) Es una resina fabricada a partir de Alcohol Furfurilico y polímeros Fenólicos. La adición necesaria de aglomerante es baja e incluso trabajando con arena recuperada se consiguen muy buenas resistencias. El sistema posibilita desde trabajos automáticos con tiempos de endurecimiento muy cortos, hasta trabajos más sofisticados que requieren una vida de banco prolongada. Los aglomerantes se adecuan en función del ritmo productivo requerido y del metal a moldear, por ejemplo resinas de bajo nitrógeno para fundición de acero y sistemas de bajo azufre para fundición de esferoidal de alta calidad. El mecanismo de cura de estas resinas lo podemos sintetizar en: (Cosmos) Se caracterizan por ser polímeros basados en el núcleo furano (heterociclo de cinco miembros, cuatro átomos de carbono y uno de oxígeno), unidos entre sí por grupos metilenos. Las más importantes resinas furánicas, son aquellas basadas en alcohol furfuriles, en términos de uso y volumen. Este tipo de resinas son consumidas en relativas bajas proporciones y sus aplicaciones son muy específicas debido a sus características especiales. Son resinas de alta resistencia química y térmica; además su toxicidad es menor que en resinas utilizadas con los mismos fines. Una de sus desventajas es su rápido envejecimiento; aproximadamente de 6 meses. Son resinas de tipo fenólico, debido a que derivan de esta molécula. (Universidad de Alcalá) Las resinas furánicas son productos de la condensación lineal del alcohol furfurílico (FA) u otros condensados que contengan anillos furánicos, catalizadas por ácidos y favorecidas por calor. Pertenecen al grupo de adhesivos poliméricos renovables derivados de productos de desecho agrícolas. Las cadenas lineales de estas resinas solubles curan a temperatura ambiente o a elevadas temperaturas en medios ácidos o catalizados por oxígeno. Las resinas furánicas más importantes desde el punto de vista industrial son aquellas cuya base es el FA. La reacción de autocondensación catalizada por ácidos conduce a la formación de olígomeros lineales, que contienen metilenos y metiléteres cruzados con las secuencias de anillos furánicos. Además de los productos de autocondensación se generan otros secundarios por la reacción del FA y el formaldehído. Estas resinas se utilizan principalmente en la industria metalúrgica para recubrir insertos y moldes de arena. Una vez recubiertos tienen una estabilidad térmica excepcional y una gran resistencia química. Sin embargo es el rápido curado de estas resinas lo que ha generado gran interés. Su invención significó no sólo una disminución en los ciclos de fundición y por ende, un aumento en la precisión de la producción sino que, a pesar de que estas resinas son ligeramente más caras que otras matrices, ofrecen la posibilidad de moldear con arena en los ciclos de fundición, lo que reduce los costes Generalmente estas resinas se usan en combinación con otras como resinas fenólicas y de urea. Su modificación con adiciones de tipo urea/formaldehído o fenol/formaldehído (novolaca) suele estar sujeta a razones económicas; así como las cantidades de cada componente dependerán siempre de la casa que lo comercialice y de la aplicación industrial que se les vaya a dar. Tienen una extraordinaria resistencia a ácidos y a bases fuertes (ac. clorhídrico, ac. fosfórico, ac. sulfúrico, ac. acético y sus cloroderivados), y no suelen ser atacadas, ni siquiera, por disolventes orgánicos hirviendo (cloroformo, tolueno, clorobenceno, acetona, éter o ésteres). Solamente pueden atacarlas agentes oxidantes muy fuertes. Las resinas furánicas se utilizan en lugares donde es imprescindible una gran resistencia a la corrosión: morteros y cementos, sistemas de eliminación de residuos y alcantarillados, suelos de contenedores ácidos y recubrimiento de tanques criogénicos. También, gracias a su resistencia química y estabilidad térmica, suelen usarse para el sellado de pozos en yacimientos petrolíferos. Su proceso de curado, fácilmente controlable, hace de estas resinas unos de los materiales más utilizados como adhesivos, sobretodo en tableros de madera expuestos a la humedad y a compuestos químicos. Mecanismo de curado de las resinas furánicas: La principal ruta de policondensación y crecimiento de cadenas es la formación del alcohol 5- furfuril-furfurílico. Tanto en el equilibrio como en reacciones consecutivas, tienen lugar reacciones de cocondensación, llamadas autocondensaciones de FA. El curado de las resinas con base FA esta catalizado por ácidos y a temperatura ambiente, además se ve acelerado con calor, oxigeno, con ácido para- toluensulfónico (PTSA) y al añadir ciertos compuestos como fenol y urea. El mecanismo de entrecruzamiento o curado también depende de la atmósfera en la que tenga lugar la reacción. El nivel de entrecruzado puede seguirse por espectroscopia de Infrarrojo (IR), Calorimetría diferencial de barrido (DSC) y Resonancia Magnética Nuclear de 13C en estado sólido (13C-RMN ). (Atanor) Se trata de productos líquidos viscosos. Las principales aplicaciones de estas resinas se dan en la industria de la fundición, en abrasivos y en pisos antiácidos. Aplicaciones Reforzantes para industria del caucho Poliéster para ceras Materiales de fricción para industria automotriz Inhibidores de corrosión Pegazulejos 1.5 Celulosas, poliestirenos, polietilenos y propilenos. 1.5.1 Definicón de celulosas (ARAUCO Corporativo, 2014) La celulosa o fibra es el elemento constitutivo de la madera. Desde el punto de vista químico, la celulosa es un polímero natural formado por unidades de glucosa. Las fibras se encuentran en la madera unidas entre sí por un compuesto químico complejo llamado lignina que le da la rigidez. La fabricación de la celulosa consiste en separar la fibra de la lignina mediante procesos industriales químicos o mecánicos. (Escuela de Ingenierías Industriales, 2008) La Celulosa es la principal componente de las paredes celulares de los árboles y otras plantas. Es una fibra vegetal que al ser observada en el microscopio es similar a un cabello humano, cuya longitud y espesor varía según el tipo de árbol o planta. Las fibras de algodón, por ejemplo, tienen una longitud de 20-25 mm, las de Pino 2-3 mm y las de Eucalipto 0,6-0,8 mm. De igual manera, el contenido de celulosa varía según el tipo de árbol o planta que se considere. (Kalpakjian & R. Schmid, 2002) Mediante varias reacciones químicas, se modifica la celulosa convirtiéndose en acetato de celulosa que se utiliza para fabricar películas fotográficas (celuloide), hojas de empaque y fibras textiles; en nitrato de celulosa para plásticos y explosivos; en rayón una fibra textil de celulosa) y en barnices. La estructura de la celulosa se forma por la unión de moléculas de ß-glucosa a través de enlaces ß-1,4-glucosídico, lo que hace que sea insoluble en agua. La celulosa tiene una estructura lineal o fibrosa, en la que se establecen múltiples puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de distintas cadenas yuxtapuestas de glucosa, haciéndolas muy resistentes e insolubles al agua. De esta manera, se originan fibras compactas que constituyen la pared celular de las células vegetales, dándoles así la necesaria rigidez. Los árboles utilizados para producir celulosa se clasifican en dos grandes grupos dependiendo de las características de su madera: Las coníferas o árboles de fibra larga (Softwood). Y las latifoliadas, o árboles con maderas de fibra corta (Hardwood). Entre las coníferas destacan diferentes especies de pinos y abetos, y en las maderas de fibra corta encontramos a las diversas variedades de eucaliptos, los abedules, álamos, acacias y varias otras especies tropicales. Creación (Escuela de Ingenierías Industriales, 2008) Los árboles, plantas y algas fabrican las sustancias para su crecimiento mediante el proceso de la fotosíntesis (foto = luz/síntesis = hacer). En el caso de los árboles y plantas verdes, consiste en una reacción química que se produce en las hojas con la ayuda de la clorofila (pigmento verde que absorbe la energía de la luz del sol para convertirla en alimento) y que combina la energía de la luz solar, el dióxido de carbono del aire y el agua absorbida del suelo. A través de este proceso el árbol obtiene alimento en la forma de azúcares, tales como la sacarosa y la maltosa. Toda esta cadena concluye con la instalación de la glucosa en el cambium (capa situada entre la corteza y la madera del árbol) para ser sintetizada, dando origen a la celulosa. 1.5.1.1 Proceso de obtención de celulosa. 1. La fase inicial del proceso de fotosíntesis es la descomposición del agua (H2O) en Oxígeno, que es liberado a la atmósfera a través de las estomas y el Hidrógeno. Se requiere luz directa para realizar este proceso. 2. Posteriormente este Hidrógeno más el Carbono y el Oxígeno del dióxido de carbono (CO2) son transformados en una secuencia de compuestos cada vez más complejos, los cuales finalmente dan origen a un compuesto orgánico estable denominado Glucosa (C6H12O6) y Agua. Esta fase del proceso utiliza la energía acumulada y por lo tanto puede desarrollarse en la oscuridad. En general, los resultados de este proceso son los inversos a los de la respiración, en la cual los carbohidratos son oxidados para liberar la energía, produciendo dióxido de carbono y agua. 3. El principal producto de la fotosíntesis, la glucosa, es la piedra angular de los carbohidratos (azúcares, almidones y celulosa). Los azúcares solubles (sacarosa y maltosa) son usados como fuente inmediata de energía. Los almidones no solubles son almacenados como pequeños gránulos en distintas partes de la planta, principalmente hojas y raíces (incluyendo los bulbos) desde donde pueden ser consumidos por la planta cuando requiera de energía, y en los frutos. 4. La celulosa es usada para construir las paredes rígidas de las células, que son la principal estructura soportante de las plantas. 5. La glucosa llega al cámbium a través del floema, la otra componente del “sistema circulatorio” de las plantas. El cámbium es un tejido vegetal específico de las plantas leñosas, ubicado entre la corteza y la madera, compuesto normalmente por una capa única de células embrionarias que son las responsables del crecimiento de las plantas. En los árboles, cada año el cámbium origina dos capas de células adultas. La primera, hacia el interior, es de madera o albura, cuyo nombre científico es xilema y se reconoce al momento de cortar el árbol como los anillos de crecimiento del tronco. 1.5.1.2 Proceso de Produccion de celulosa kraft. (Escuela de Ingenierías Industriales, 2008) Es un proceso químico de fabricación, denominado kraft o al sulfato, en el cual se separan las fibras de la lignina que las une a través de un ataque químico de la madera, previamente convertida en astillas. El proceso kraft permite obtener una pulpa de alta resistencia, ya que la separación de las fibras se produce sin mayor daño a ellas. Por otra parte, mediante procesos auxiliares y complementarios se pueden recuperar los productos químicos que intervienen en la producción de la pulpa y volver a usarse en un ciclo siguiente. Cada una de las fases del proceso de producción de la celulosa se caracteriza por aspectos técnicos particulares, lo que las diferencia y les confiere la calidad de unidades específicas. Ellas cumplen secuencialmente el rol de eslabones de una cadena de cuatro fases que dan cuerpo al proceso global: Fase 1: Preparación de la Madera. Fase 2: Cocción. Fase 3: Blanqueo ECF. Fase 4: Secado y Embalado. Fase 1: Preparación de la madera. I. La madera, principal materia prima para la fabricación de la celulosa, llega a la Planta generalmente en la forma de troncos de dimensiones estandarizadas, denominados rollizos. En menor medida también se utilizan astillas de aserradero y lampazos (restos perimetrales de troncos aserrados). II. El proceso se inicia cuando los rollizos de madera son cargados en los descortezadores, que son tambores rotatorios de grandes dimensiones que giran a una velocidad de 6 a 10 revoluciones por minuto. III. La corteza no se desperdicia, sino que es llevada a través de una cinta transportadora para ser quemada en una caldera, denominada caldera de biomasa. IV. Los troncos descortezados son transformados en astillas (chips), las cuales luego de ser acopiadas para su homogeneización en grandes pilas, pasan a continuación por un proceso de clasificación por tamaño. Los chips de tamaño normal continúan a la fase siguiente, los de gran tamaño son devueltos para ser astillados nuevamente y los finos convergen junto con la corteza a la caldera de biomasa, donde son quemados para generar vapor, el cual posteriormente, en un equipo denominado turbogenerador, se usa para producir energía eléctrica. Como se observa en el diagrama, los lampazos siguen el mismo tratamiento que los rollizos de madera y las astillas de aserradero se incorporan directamente a la pila de astillas. Fase 2: Cocción I. Las astillas procedentes de la pila de acopio son conducidas hacia la tolva de astillas, donde son impregnadas con vapor de agua para eliminar su contenido de aire. Para asegurar una mayor uniformidad de la cocción en el digestor, las astillas pasan por un tanque a alta presión donde son pre-impregnadas con licor blanco. Esta mezcla finalmente entra por la parte superior del digestor continuo. II. En el digestor las astillas son literalmente cocidas con una sustancia denominada Licor Blanco, a alta temperatura y presión. El Licor Blanco es una solución acuosa compuesta por sulfuro de sodio (Na2S) e hidróxido de sodio (NaOH). Su función es romper las uniones de lignina y liberar las fibras de celulosa. Físicamente, el digestor continuo es un gran estanque cilíndrico de varias secciones, con una red de tuberías a través de las cuales se le adicionan o extraen los líquidos de cocción. Tiene un eje vertical para revolver la mezcla y una tubería para drenar la celulosa. El rango de temperatura de cocción varía entre 130º C y 170° C, siendo más alta en la parte superior del digestor (etapa inicial). III. En la medida que las astillas avanzan hacia abajo en el digestor, se van transformando en pasta de celulosa. Esto explica porque el proceso de cocción opera en forma continua. Al final de la cocción, además de la pasta de celulosa, se genera un residuo denominado Licor Negro, que está compuesto por el Licor Blanco mezclado con la lignina y otras sustancias de la madera. Este Licor Negro es recuperado para ser procesado en otro sector de la Planta de Celulosa denominado Sistema de Recuperación de Productos Químicos y Energía. Este importante proceso permite la recuperación de productos químicos valiosos. En la práctica, sólo un porcentaje muy minoritario de los residuos sólidos del digestor debe ser enterrado en los vertederos (áreas de disposición controlada). IV. Al llegar a la parte inferior del digestor, la pasta de celulosa es sometida a un lavado a altas temperaturas, donde flujos de agua a contracorriente le van eliminando el Licor Negro. Luego, la pasta pasa por un estanque de soplado, cuya función es reducir bruscamente la presión, con el objeto de liberar las fibras que aún permanecen compactas. El proceso de soplado se realiza a menores temperaturas; para ello se inyecta agua fría a la pasta, con el fin de bajar su temperatura al rango 75-80° C. V. La pasta de celulosa que sale del digestor es lavada y clasificada a través de varios filtros. Los nudos de la madera y otros chips que no pasan por los filtros son enviados de vuelta al digestor. La pasta filtrada y lavada por segunda vez constituye lo que se denomina celulosa cruda o celulosa sin blanquear, líquida. Esta pasta de celulosa tiene aún un contenido importante de lignina, que le da una tonalidad color café, similar al color natural de la madera. La celulosa cruda es el principal insumo en la producción de los papeles y cartones de color café que se usan para embalaje o para producir envases como los sacos, saquitos y cajas de cartón corrugado. Fase 3: Blanqueo ECF. Dado que la celulosa es el principal insumo en la producción de papeles blancos, es necesario someter a la pulpa de celulosa a un tratamiento con productos químicos en orden a extraer el remanente de lignina, las resinas, iones metálicos y otras sustancias que podrían afectar el proceso de producción del papel. Diferentes productos químicos, como el dióxido de cloro, el oxígeno y el peróxido de hidrógeno (H2O2-agua oxigenada) son agregados en forma secuencial a la pasta de celulosa para blanquearla eliminando la lignina. De esta manera, los consumidores de celulosa reciben un producto que les permite producir papeles con los atributos requeridos de blancura y brillo, los que además no decaen significativamente con el paso del tiempo. Los productos químicos actualmente en uso en esta fase del proceso han sustituido a otros que fueron eliminados, por cuanto se demostró que generaban componentes nocivos para el medio ambiente. El proceso de blanqueo significa, necesariamente, una reducción de rendimiento de la madera, medido en m3 de madera por tonelada de celulosa; por cuanto se elimina una parte importante de la lignina que aún permanece en la pasta café y además, una parte de las fibras de celulosa se degradan debido a los agentes químicos que intervienen en el proceso. Normalmente, en todo el proceso de blanqueo se pierde entre un 5 y 9% de la pasta café, para alcanzar blancura estándar de 87-90%, según la norma ISO-2470. I. Las plantas de celulosa modernas han incorporado en forma previa a las distintas etapas que componen el proceso de blanqueo, una etapa denominada deslignificación con oxígeno, que como su nombre lo indica, consiste en aplicar altas dosis de oxígeno a la pasta café para producir la oxidación de la lignina. Esta reacción química se realiza en un estanque presurizado, a elevadas temperaturas y en un medio alcalino (pH > 7). Esta etapa tiene dos importantes beneficios: Se reduce sustancialmente el consumo de químicos en las etapas posteriores de blanqueo y además, permite que la lignina removida en la primera estación de lavado pueda ser reprocesada en el Sistema de Recuperación de Productos Químicos y Energía. II. El blanqueo de la celulosa continúa agregando en sucesivas etapas distintos productos químicos que oxidan o modifican la estructura molecular de la lignina y otros elementos presentes en la pasta de celulosa cruda, facilitando su disolución y posterior extracción. La pasta es lavada al final de cada etapa para remover los materiales orgánicos solubles. Estas reacciones químicas se realizan en estanques a alta temperatura y en un ambiente ácido (pH < 4). Dado que en este proceso se generan algunos componentes orgánicos que no son solubles en un ambiente ácido, es necesario intercalar etapas en las que se utilizan productos químicos que generan un medio alcalino, de tal forma de poder extraer estos componentes en la estación de lavado. El residuo líquido procedente de la planta de blanqueo, denominado efluente, es conducido a las plantas de tratamiento, con el objeto de ser purificado, eliminando todas las sustancias nocivas para el medio ambiente antes de devolverlo a los ríos. Fase 4: Secado y embalado. I. La pasta procedente de la planta de blanqueo es preparada para su secado. El porcentaje de fibras contenida en la pasta a la entrada de la máquina secadora (consistencia inicial), es de aproximadamente 1 a 2%, es decir, la pasta tiene un gran contenido de agua. Desde la caja de entrada a esta máquina, la pasta es distribuida uniformemente sobre el fourdrinier o mesa formadora de la hoja. Este equipo es accionado por varios rodillos que sacan el agua de la pasta por gravedad y bombas de vacío, dándole la forma de una lámina. II. La lámina, que a estas alturas posee una consistencia de aproximadamente un 46%, entra a los pre-secadores, grandes cilindros en cuyo interior circula vapor a altas temperaturas. III. Luego pasa a los secadores principales, que por dentro están equipados de diversos rodillos calientes que conducen la lámina a través de calentadores por convección y radiadores infrarrojos. Este sistema de rodillos secadores se puede sustituir por un sistema de secado con aire caliente, donde la hoja de celulosa pasa libre a través de corrientes de aire caliente seco para eliminar el agua. A la salida de esta área, la lámina posee una consistencia de 87-92% seco. IV. Después, esta lámina pasa por la unidad cortadora, que la deja en forma de pliegos. V. Los que se apilan, se prensan y se embalan en una unidad denominada fardo, con un peso de 250 k. Finalmente agrupando 8 fardos en dos columnas de 4 se forman los units, los que se pesan antes de almacenarlos en las bodegas. 1.5.2 Poliestirenos (Escuela de Ingenierías Industriales, 2008) El poliestireno (PS) es un polímero termoplástico que se obtiene de la polimerización del estireno. Existen cuatro tipos principales: el PS cristal, que es transparente, rígido y quebradizo; el poliestireno de alto impacto, resistente y opaco, el poliestireno expandido, muy ligero, y el poliestireno extrusionado, similar al expandido pero más denso e impermeable. (Perera Magaña, 2013) Es un material adaptado especialmente para moldeo por inyección y extrusión. Algunas de sus características más notables son. Su bajo peso específico (1.07), es fácil de obtener en colores claros a opaco, resistentes al agua y a la mayor parte de los agentes químicos, estabilidad dimensional y buenas características de aislamiento. (QuimiNet, 2005) El Poliestireno se designa con las siglas PS., estructuralmente, es una cadena larga de carbono e hidrógeno, con un grupo fenilo unido cada dos átomos de carbono. Es producido por una polimerización vinílica de radicales libres a partir del monómero de estireno. A temperatura ambiente, el poliestireno es un sólido termoplástico que puede ser derretido a altas temperaturas para moldearlo por extrusión y después resolidificarlo. 1.5.2.1 Tipos de poliestireno (Escuela de Ingenierías Industriales, 2008) El producto de la polimerización del estireno puro se denomina poliestireno cristal o poliestireno de uso general (GPPS, siglas en inglés). Es un sólido transparente, duro y frágil. Es vítreo por debajo de 100°C. Por encima de esta temperatura es fácilmente moldeable y puede dársele múltiples formas. Para mejorar la resistencia mecánica del material, se puede añadir en la polimerización hasta un 14% de caucho (casi siempre polibutadieno). El producto resultante se llama poliestireno de alto impacto (HIPS, High Impact Polystyrene, siglas en inglés). Es más fuerte, no quebradizo y capaz de soportar impactos más violentos sin romperse. Su inconveniente principal es su opacidad. Otro miembro de esta familia es el poliestireno expandido (EPS, siglas en inglés). Consiste en 95% de poliestireno y 5% de un gas que forma burbujas que reducen la densidad del material. Su aplicación principal es como aislante en construcción y para el embalaje de productos frágiles. A partir de poliestireno cristal fundido se puede obtener, mediante inyección de gas, una espuma rígida denominada poliestireno extruido (XPS). Sus propiedades son similares a las del EPS, con el cual compite en las aplicaciones de aislamiento. El poliestireno extruido presenta burbujas cerradas, por lo que puede mojarse sin perder sus propiedades aislantes. El EPS también dispone de variedades de baja absorción de humedad. Ambos pueden ser usados en la fabricación de las cubiertas invertidas. En las últimas décadas se ha desarrollado un nuevo polímero que recibe el nombre de poliestireno sindiotáctico. Se caracteriza por que los grupos fenilo de la cadena polimérica están unidos alternativamente a ambos lados de la misma, mientras que el poliestireno "normal" o poliestireno atáctico no conserva ningún orden con respecto al lado de la cadena donde están unidos los grupos fenilos. El "nuevo" poliestireno es cristalino y funde a 270°C, pero es mucho más costoso. Sólo se utiliza en aplicaciones especiales de alto valor añadido. 1.5.2.2 Estructura (Kalpakjian & R. Schmid, 2002) El poliestireno comercial es completamente amorfo. En el material amorfo las cadenas están más separadas que en la estructura laminar y esto se refleja en una disminución de la densidad, aunque se tenga la misma composición química. Quiere decir, que existen cadenas de polímero sin un orden a largo rango. La organización amorfa de las cadenas a menudo quedan descrita como un plato de espagueti o como gusanos en una cubeta, todos entrelazados entre sí. Los polímeros amorfos no tienen un punto de fusión específico, pero sufren un cambio claro en su comportamiento mecánico en un rango de temperatura angosto. A temperaturas bajas, son duros, rígidos, frágiles y vidriosos; a temperaturas elevadas, son semejantes al hule o correosos. La temperatura a la cual ocurre la transición se llama temperatura de transición vítrea (Tg), también se conoce como el punto vítreo o la temperatura de vítrea. El término “vítreo” se utiliza porque los vidrios, que son sólidos amorfos, se comportan igual. 1.5.2.3 Propiedades térmicas (Escuela de Ingenierías Industriales, 2008) El poliestireno "compacto" (sin inyección de gas en su interior) presenta la conductividad térmica más baja de todos los termoplásticos. Las espumas rígidas de poliestireno XPS (extruido) presentan valores aún más bajos de conductividad, incluso menores de 0,03 W K-1 m-1, por lo que se suele utilizar como aislante térmico. Sin embargo, tiene relativamente poca resistencia a la temperatura, ya que reblandece entre 85 y 105°C (el valor exacto depende del contenido en aceite mineral). Cuando el poliestireno es calentado las cadenas son capaces de tomar numerosas conformaciones. Esta capacidad del sistema para deformarse con facilidad sobre su temperatura de transición vítrea permite que el poliestireno sea moldeado por calentamiento fácilmente. 1.5.2.4 Propiedades ópticas (Escuela de Ingenierías Industriales, 2008) Mientras que el PS choque es completamente opaco, el PS cristal es transparente. Tiene un índice de refracción en torno a 1,57, similar al del policarbonato y el PVC. Las mezclas de PS choque y cristal son más translúcidas pero también más frágiles cuanto más PS cristal contienen. Es posible encontrar un compromiso entre ambas propiedades de forma que los objetos fabricados, por ejemplo vasos desechables, sean transparentes a la vez que aceptablemente resistentes. 1.5.2.5 Propiedades eléctricas (Escuela de Ingenierías Industriales, 2008) El poliestireno tiene muy baja conductividad eléctrica (típicamente de 10-16 S m- 1), es decir, es un aislante. Por sus propiedades suele usarse en las instalaciones de alta frecuencia. 1.5.2.6 Proceso de Producción (QuimiNet, 2005) El proceso mediante el cual se produce el poliestireno es la polimerización, consiste en la unión de muchas moléculas pequeñas para lograr moléculas muy grandes. A escala industrial, el poliestireno se prepara calentando el etilbenceno (C8H10) en presencia de un catalizador para dar lugar al estireno (C8H8). La polimerización del estireno requiere la presencia de una pequeña cantidad de un iniciador, entre los que se encuentran los peróxidos, que opera rompiéndose para generar un radical libre. Este se une a una molécula de monómero, formando así otro radical libre más grande, que a su vez se une a otra molécula de monómero y así sucesivamente. Finalmente se termina la cadena por reacciones tales como la unión de dos radicales. Los procesos de prepolimerización y polimerización son iniciados en un tanque de polimerización con un agitador, se alimenta el monómero de estireno y los aditivos químicos, la reacción inicia cuando aproximadamente el 90% del compuesto es convertido en solución. La solución, conteniendo el polímero, es bombeada hacia un desvolatizador, donde los residuos del monómero de estireno que no reaccionaron son vaporizados, condensados y reciclados continuamente tras la primera etapa de polimerización. El poliestireno fundido fluye del alimentador de base cónica del desvolatizador dentro de un moldeador que da forma, refrigera, seca y filtra el poliestireno en forma de píldoras o comprimidos. Luego, los comprimidos de poliestireno son transportados a los depósitos de almacenamiento . 1.5.2.7 Transformación del poliestireno (Escuela de Ingenierías Industriales, 2008) El poliestireno puede transformarse mediante los siguientes procesos: Extrusión: Este proceso ha tenido un enorme desarrollo por la elevada producción de lámina para termoformar. El polímero es calentado y empujado por un tornillo sin fin y pasa a través de un orificio con forma definida (dado) de acuerdo a la forma deseada. Se producen por extrusión, tuberías, láminas, perfiles, vigas y materiales similares. Inyección: El poliestireno ha tenido un gran desarrollo en este tipo de proceso, con los grados de alto flujo que favorecen la elevada productividad de las empresas transformadoras obteniendo una cantidad mayor de producción en un mismo tiempo. El polímero se funde con calor y fricción (a través de un tornillo sinfín) y se inyecta en un molde frío donde el plástico solidifica adoptando la forma del molde. Este método se usa para fabricar objetos como bolígrafos, utensilios de cocina, juguetes, etc. Termoformado: Este proceso tiene gran aceptación principalmente en el sector de envase de alimentos, médico y promocional. Siendo favorecidos por la elevada productividad que se llega a obtener con resinas como el poliestireno. Consiste en partir de una lámina que se coloca por encima o por debajo de un molde (a veces se usa un molde macho y otro hembra y la lámina se coloca en medio de ambos). Se aplica calor para que la lámina se reblandezca y una vez que esto sucede, se empuja el molde hacia la lámina para que tome la forma de éste. Alternativamente se aplica presión positiva o vacía para que la lámina se adose al molde y adquiera su forma. 1.5.3 Polietilenos (Textos Científicos, 2005) El polietileno (PE) es un material termoplástico blanquecino, de transparente a translúcido, y es frecuentemente fabricado en finas láminas transparentes. Las secciones gruesas son translúcidas y tienen una apariencia de cera. Mediante el uso de colorantes pueden obtenerse una gran variedad de productos coloreados. (Perera Magaña, 2013) El polietileno es uno de los plásticos más ligeros, pudiendo flotar en el agua, tiene una densidad de .91 a .96 es uno de los plásticos más económicos y sus características de resistencia a la humedad favorecen para envolver y para hacer bolsas. (Escuela de Ingenierías Industriales, 2008) El polietileno es un termoplástico que consiste en largas cadenas hidrocarbonadas. Dependiendo de la cristalinidad y el peso molecular podrá observarse o no un punto de fusión y de transición vítrea. La temperatura a la que esto ocurre varía fuertemente dependiendo del tipo de polietileno. Para los grados comerciales más comunes de polietileno de media y alta densidad el punto de fusión ronda los 120-180ºC. En el caso del polietileno de baja densidad la temperatura esta entorno a los 100ºC. 1.5.3.1 Tipos de Polietileno (Seminara, 2012) En general hay dos tipos de polietileno: De baja densidad (LDPE) De alta densidad (HDPE). El de baja densidad tiene una estructura de cadena enramada, mientras que el polietileno de alta densidad tiene esencialmente una estructura de cadena recta. 1.5.3.2 Estructura Química (Seminara, 2012) Una molécula del polietileno no es nada más que una cadena larga de átomos de carbono, con dos átomos de hidrógeno unidos a cada átomo de carbono. A menudo, con el fin de abreviar la escritura se representa de la siguiente forma: A veces algunos de los carbonos, en lugar de tener hidrógenos unidos a ellos, tienen asociadas largas cadenas de polietileno. Esto se llama polietileno ramificado, o de baja densidad, o LDPE. Cuando no hay ramificación, se llama polietileno lineal, o HDPE. El polietileno lineal es mucho más fuerte que el polietileno ramificado, pero el polietileno ramificado es más barato y más fácil de fabricar. 1.5.3.3 Propiedades físicas (Seminara, 2012) El polietileno es un polímero termoplástico que consiste en largas cadenas de hidrocarburos. Dependiendo de la cristalinidad y el peso molecular, un punto de fusión y de transición vítrea puede o no ser observables. La temperatura a la que esto ocurre varía fuertemente con el tipo de polietileno. Para calidades comerciales comunes de polietileno de media y alta densidad, el punto de fusión está típicamente en el rango de 120 a 130°C (248 a 266°F). El punto de fusión promedio polietileno de baja densidad comercial es típicamente 105 a 115°C (221 a 239°F). 1.5.3.4 Propiedades químicas (Seminara, 2012) La mayoría de los grados de polietilenos de baja, media y alta densidad tienen una excelente resistencia química, lo que significa que no es atacado por ácidos fuertes o bases fuertes. También es resistente a los oxidantes suaves y agentes reductores. El polietileno se quema lentamente con una llama azul que tiene una punta de color amarillo y desprende un olor a parafina. El material continúa ardiendo con la eliminación de la fuente de llama y produce un goteo. El polietileno (aparte del polietileno reticulado) generalmente se puede disolver a temperaturas elevadas en hidrocarburos aromáticos tales como tolueno o xileno, o en disolventes clorados tales como tricloroetano o triclorobenceno. 1.5.3.5 Clasificación (Seminara, 2012) El polietileno se clasifica en varias categorías basadas sobre todo en su densidad y ramificación. Sus propiedades mecánicas dependen en gran medida de variables tales como la extensión y el tipo de ramificación, la estructura cristalina y el peso molecular. Con respecto a los volúmenes vendidos, los grados de polietileno más importantes son el HDPE, LLDPE y LDPE. Polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) El UHMWPE es un polietileno con un peso molecular por lo general entre 3,1 y 5,67 millones. El peso molecular alto hace que sea un material muy duro, pero resulta en un empaquetado menos eficiente de las cadenas en la estructura cristalina como se evidencia por las densidades menores que el polietileno de alta densidad (por ejemplo, 0,930-0,935 g/cm3). El UHMWPE se puede hacer a través de cualquier tecnología de catalizadores, aunque los catalizadores Ziegler son los más comunes. Debido a su extraordinaria tenacidad, bajo desgaste y excelente resistencia química, el UHMWPE se utiliza en una amplia gama de aplicaciones. Estas incluyen piezas de manipulación de máquinas, piezas móviles de las máquinas de tejer, rodamientos, engranajes, articulaciones artificiales y tablas de cortar de carnicería. Compite con las aramidas de chalecos antibalas, bajo los nombres comerciales Spectra y Dyneema, y se utiliza comúnmente para la construcción de partes articulares de los implantes utilizados para la cadera y prótesis de rodilla. Grandes láminas de éste se pueden utilizar en lugar de hielo para pistas de patinaje Polietileno de alta densidad (HDPE) El HDPE está definido por una densidad mayor o igual a 0,941 g/cm 3. El HDPE tiene un bajo grado de ramificación y por lo tanto fuertes fuerzas intermoleculares y resistencia a la tracción. El HDPE puede ser producido por catalizadores cromo/sílica, catalizadores de Ziegler-Natta o catalizadores de metaloceno. La falta de ramificación se asegura por una elección apropiada de catalizador (por ejemplo, catalizadores de cromo o catalizadores de Ziegler- Natta) y condiciones de reacción. El polietileno de alta densidad se utiliza en productos y envases, tales como jarras de leche, botellas de detergente, envases de margarina, contenedores de basura y tuberías de agua. Un tercio de todos los juguetes están fabricados en polietileno de alta densidad. En 2007, el consumo de polietileno de alta densidad global alcanzó un volumen de más de 30 millones de toneladas. Polietileno reticulado (PEX o XLPE) El PEX es un polietileno de media a alta densidad que contiene enlaces entrecruzados introducidos en la estructura del polímero, cambiando el termoplástico en un termoestable. Las propiedades a alta temperatura del polímero se mejoran, su flujo se reduce y su resistencia química es mayor. El PEX se utiliza en algunos sistemas de tuberías de agua potable ya que los tubos hechos del material puede ser dilatado para ajustarse sobre una junta o nipple de metal y poco a poco volverá a su forma original, formando una conexión permanente con estanqueidad al agua. El PEX también es utilizado para bidones y tanques de combustibles. Polietileno de media densidad (MDPE) El MDPE está definido por un intervalo de densidad de 0,926-0,940 g/cm3. El MDPE puede ser producido por los catalizadores de cromo/sílica, catalizadores de Ziegler-Natta o catalizadores de metaloceno. El MDPE tiene buenas propiedades de resistencia al choque y la caída. También es menos sensible a la muesca que el LDPE y la resistencia al agrietamiento por tensión es mejor que el HDPE. El MDPE se suele utilizar en tuberías y accesorios de gas, sacos, film retráctil, película de embalaje, bolsas de plástico y los cierres de los tornillos. Polietileno de baja densidad lineal (LLDPE) El LLDPE se define por un intervalo de densidad de 0,915-0,925 g/cm3. El polietileno lineal se produce normalmente con pesos moleculares en el rango de 200.000 a 500.000, pero puede ser mayor aún. El LLDPE es un polímero sustancialmente lineal con un número significativo de ramas cortas, comúnmente realizados por copolimerización de etileno con alfa-olefinas de cadena corta (por ejemplo, 1-buteno, 1-hexeno y 1-octeno). El LLDPE tiene mayor resistencia a la tracción que el LDPE, exhibe mayor resistencia al impacto y a la perforación que el LDPE. Se pueden soplar menores de espesor (calibre) de films, en comparación con el polietileno de baja densidad, con una mejor resistencia al agrietamiento (ESCR), pero no es tan fácil de procesar. El LLDPE se utiliza en envases, en particular en films para las bolsas y láminas. Un menor espesor puede ser utilizado en comparación con el LDPE. Otros usos pueden ser: recubrimiento de cables, juguetes, tapas, cubetas, recipientes y tuberías. Mientras que otras aplicaciones están disponibles, el LLDPE se utiliza principalmente en aplicaciones de film, debido a su dureza, flexibilidad y transparencia relativa. Ejemplos de estos productos van desde películas agrícolas, Saran Wrap y bubble wrap hasta films de múltiples capas y de material compuesto. En 2009 el mercado de LLDPE mundial alcanzó un volumen de casi 24 mil millones dólares EE.UU. (€ 17 mil millones). Polietileno de baja densidad (LDPE) El LDPE se define por un intervalo de densidad de 0,910-0,940 g/cm3. El LDPE tiene un alto grado de ramificaciones en la cadena polimérica, lo que significa que las cadenas no se empaquetan muy bien en la estructura cristalina. Por lo tanto, las fuerzas de atracción intermoleculares son menos fuertes. Esto se traduce en una menor resistencia a la tracción y el aumento de ductilidad. El LDPE se crea por polimerización por radicales libres. El alto grado de ramificación con cadenas largas da al LDPE propiedades de flujo en fundido únicas y deseables. El LDPE se utiliza tanto para aplicaciones de envases rígidos y de películas de plástico tales como bolsas de plástico y películas para envolturas. Polietileno de muy baja densidad (VLDPE) El VLDPE está definido por un intervalo de densidad de 0,880-0,915 g/cm3. El VLDPE es un polímero sustancialmente lineal con altos niveles de cadena corta ramificada, comúnmente realizados por copolimerización de etileno con alfa- olefinas de cadena corta (por ejemplo, 1-buteno, 1-hexeno y 1-octeno). El VLDPE es comúnmente producido utilizando catalizadores de metaloceno, debido a la mayor incorporación de comonómeros exhibida por estos catalizadores. El VLDPE se utiliza para las mangueras y tubería, bolsas para hielo y alimentos congelados, envasado de alimentos y film estirable (stretch wrap), y también como modificadores de impacto cuando se mezclan con otros polímeros. Actividad de investigación recientemente se ha centrado en la naturaleza y distribución de las ramificaciones de cadena larga en el polietileno. En polietileno de alta densidad un número relativamente pequeño de estas ramas, tal vez 1 en 100 o en 1000 ramificación por cadena carbonada, puede afectar significativamente las propiedades reológicas del polímero. Polietileno de ultra bajo peso molecular (ULMWPE) El ULMWPE es un polietileno con un peso molecular entre 2500 y 3500. El bajo peso molecular hace que sea un material blando ceroso. Su densidad esta entre 0.93-0.95g/cm3 y su punto de ablandamiento se sitúa entre 95-100°C. Es utilizado como aditivo lubricante del PVC (en la fabricación de tubos) y también en el caucho, dispersante en tintas y pinturas y otros compuestos plásticos (WPC: composite de plástico-madera), pegamento de fusión en caliente (hot- melt) y en la fabricación de concentrados de color (masterbatch). Polietileno espumado En su forma de espuma, el polietileno se utiliza en la amortiguación de vibraciones, de envasado y el aislamiento, como un componente barrera o de flotabilidad, o como material para la amortiguación. La espuma de polietileno se ve con mayor frecuencia como un material de envasado. La espuma de polietileno es flotante, por lo que es popular para usos náuticos. Muchos tipos de espuma de polietileno están aprobados para uso en la industria alimentaria. Se encuentra en muchos tipos de envases, la espuma de polietileno se utiliza para el embalaje de muebles, componentes informáticos, electrónicos, bolas de boliche, productos de metal y otros a fin de evitar raspaduras por golpes originados en el transporte. 1.5.3.6 Transformación del Polietileno (Escuela de Ingenierías Industriales, 2008) Extrusión En la extrusión el material plastificado fluye por una boquilla que lo conforma y el enfriamiento se efectúa a la salida de la misma, en contacto con el aire, agua o una superficie frío. El método es continuo y proporciona perfiles macizos o huecos de sección transversal constante, que se cortan en largos estandarizados. La función de la máquina de extrusión (Figura 0.1.a), es fundir y mezclar la alimentación (pellets) y bombearla o empujarla hacia fuera a través de una boquilla o dado a velocidad uniforme. El producto debe ser enfriado tan rápidamente como sea posible, por lo general en un baño de agua. Moldeo por inyección En el moldeo por inyección (Figura 0.1.b) el material fundido fluye a través de unas boquillas que comunican con uno o varios moldes cerrados en los que el material se enfría y adquiere la forma definitiva. El método es discontinuo por la necesidad de abrir los moldes y extraer las piezas. Igualmente un tornillo de extrusión es usado para fundir y mezclar la alimentación, que a continuación se alimenta en un segundo cilindro. Cuando se tiene la cantidad de material requerida, el émbolo de inyección empuje el material hacia delante para que entre en el molde. La temperaturas de molde esta, considerablemente, por debajo de la del fundido para asegurar un rápido enfriamiento del material. Moldeo por soplado En este proceso (Figura 0.1.c), un tubo obtenido por extrusión (parison) es encerrado en un molde abierto, que a continuación se cierra y el parison es inflado para tomar la forma de la superficie de molde. Alternativamente, el parison puede ser moldeado por inyección antes de su inflado. Como en el caso del moldeo por inyección, el molde esta frío en relación con el polímero fundido, de modo que el producto moldeado sea enfriado rápidamente. Este proceso es usado para producir componentes huecos como botellas, contenedores grandes y depósitos de gasolina de automóviles. Moldeo rotacional Los artículos huecos también pueden ser producidos por moldeo rotacional (Figura 0.1.d), que implica el giro de un molde calentado, que contiene el polímero en polvo, de modo que el polímero fundido forma una capa homogénea sobre la superficie del molde. El molde entonces se enfría mientras todavía está girando. Aunque es un proceso más lento que el moldeo por soplado, esta técnica es capaz de producir grandes componentes con un espesor muy uniforme de la pared, de hasta 10 mm. 1.5.4 Propilenos (Perera Magaña, 2013) El propileno (C3H6) es un gas combustible incoloro con un olor natural picante. Aunque es similar al propano, que tiene un doble enlace que le da una ventaja de combustión. Este gas combustible es altamente inflamable y no tóxico. (Petróleos Mexicanos, 2014) El propileno o propeno (H2C=CH–CH3) es un hidrocarburo perteneciente a los alquenos, incoloro e inodoro. Es un homólogo del etileno. Como todos los alquenos presenta el doble enlace como grupo funcional. Es el segundo compuesto más utilizado en la industria química en todo el mundo. (INVENTEC, 2013) El propileno (C3H6) o propano es un gas inflamable. Poco tóxico pero ligeramente narcótico, se emplea principalmente en la industria química para la fabricación de óxido de propileno, propilenglicol, polipropileno, acroleína, isopropanol o cloruro de alilo. El propileno se obtiene durante la refinación de la gasolina. Pero también puede ser producida por la división, el agrietamiento y la reforma de mezclas de hidrocarburos. Propileno es una alternativa atractiva a propano para la calefacción y de corte debido a su rendimiento de la combustión superior. También se utiliza ampliamente como un gas combustible en los procesos de combustible de oxígeno de alta velocidad (HVOF). Además, las industrias de los plásticos y químicos dependen de propileno como un gas combustible. Las aplicaciones no-combustible incluyen la síntesis orgánica para producir materiales tales como acetona. El propileno puede ser polimerizado para formar plástico de polipropileno. También se puede emplear como un refrigerante, en mezclas de calibración y como intermediario químico. Además, se utiliza para la prueba de la eficiencia de quemadores de gas y motores. Polipropileno (PETROQUIM, 2008) El Polipropileno es un termoplástico que es obtenido por la polimerización del propileno, subproducto gaseoso de la refinación del petróleo. Todo esto desarrollado en presencia de un catalizador, bajo un cuidadoso control de temperatura y presión. El Polipropileno se puede clasificar en tres tipos (homopolímero, copolímero rándom y copolímero de alto impacto), los cuales pueden ser modificados y adaptados para determinados usos. Cumple una doble tarea, como plástico y como fibra. Como plástico se utiliza para hacer cosas como envases para alimentos capaces de ser lavados en un lavaplatos. Esto es factible porque no funde por debajo de 160 oC. El polietileno, un plástico más común, se recalienta a aproximadamente 100 oC, lo que significa que los platos de polietileno se deformarían en el lavaplatos. Como fibra, el polipropileno se utiliza para hacer alfombras de interior y exterior, la clase que usted encuentra siempre alrededor de las piscinas y las canchas de mini-golf. Funciona bien para alfombras al aire libre porque es sencillo hacer polipropileno de colores y porque el polipropileno, a diferencia del nylon, no absorbe el agua. Homopolímeros Los homopolímeros son altamente isotácticos y por ende muy cristalinos. Los artículos producidos con estos materiales presentan alta rigidez, dureza y resistencia a la deformación por calor. Copolímeros de Impacto Los copolímeros de impacto son copolímeros en bloque de etileno-propileno que muestran una alta resistencia al impacto tanto a temperatura ambiente como a bajas temperaturas. La línea de productos ofrece una extensa gama de fluencias. El rango de resistencia al impacto se extiende desde moderada a muy alta, con materiales que poseen un alto contenido de goma y una alta resistencia al impacto a muy bajas temperaturas. En el otro extremo se encuentra el 2240P, que es un material de moderado impacto, elevada rigidez y alta resistencia a la deformación por calor. Copolímeros Random Los copolímeros random poseen un menor grado de cristalinidad que los homopolímeros, por lo que presentan un rango de fundido más amplio, mayor transparencia y son más resistentes al impacto a temperatura ambiente. 1.5.4.1 Estructura (Textos Científicos, 2005) Estructuralmente es un polímero vinílico, similar al polietileno, sólo que uno de los carbonos de la unidad monomérica tiene unido un grupo metilo. El polipropileno se puede hacer a partir del monómero propileno, por polimerización Ziegler-Natta y por polimerización catalizada por metalocenos. 1.5.4.1 Características. (Seminara, 2012) 2 Versatilidad: compatible con la mayoría de las técnicas de procesamiento existentes y usado en diferentes aplicaciones comerciales, como, packaging, industria automotriz, textiles, medicina, tuberías, etc. Buena procesabilidad: es el material plástico de menor peso especifico (0,9 g/cm3), lo que implica que se requiere de una menor cantidad para la obtención de un producto terminado. Barrera al vapor de agua: evita el traspaso de humedad, lo cual puede ser utilizado para la protección de diversos alimentos. Buenas propiedades organolépticas, químicas, de resistencia y transparencia. 1.5.4.2 Proceso de Fabricación de Polipropileno (PP) (PETROQUIM, 2008) El polipropileno puede ser moldeado por la mayoría de los diferentes procesos de transformación de plásticos, entre los cuales pueden destacarse: Moldeo por inyección (Seminara, 2012) Este proceso consiste en la fusión del material, junto con colorantes o aditivos, para luego forzarlo bajo presión dentro de un molde. Este molde es refrigerado, el material se solidifica y el artículo final es extraído. Este método es usado para hacer muchos tipos de artículos, como por ejemplo frascos, tapas, muebles plásticos, cuerpos de electrodomésticos, aparatos domésticos y piezas de automóviles. El polipropileno es apreciado por su fácil proceso y por sus excelentes propiedades finales, que incluyen baja densidad, alto brillo y rigidez, resistencia térmica y química, entre otras. Silla de jardín de polipropileno Extrusión (Seminara, 2012) Por este proceso pueden ser obtenidos un sinnúmero de artículos continuos, entre los que se incluyen tubos, chapas, fibras, etc. Las chapas de polipropileno son hechas mediante el pasaje del material fundido a través de una matriz plana, y posteriormente enfriado en cilindros paralelos. Las chapas pueden ser usadas para la producción de varios artículos a través de su corte y doblez, o termoformadas para la producción de potes, vasos, etc. Las fibras son producidas por el corte y posterior estiramiento de una chapa, que luego son utilizadas en telares para la producción de tejidos, bolsas, etc. Tubo corrugado Fibras de polipropileno (Seminara, 2012) Son empleadas para la producción de alfombras, tapices y hilos, entre otros. Para su elaboración, el material fundido es plastificado en una extrusora y forzado a través de minúsculos orificios, formando las fibras. De modo semejante son producidos los no tejidos de polipropileno, que son ampliamente utilizados en productos higiénicos desechables, ropas protectoras, etc. Estos productos se benefician de la tenacidad y flexibilidad de los nuevos materiales. Hilos de polipropileno Películas de polipropileno (Seminara, 2012) Son largamente empleadas en el embalaje de alimentos y otros artículos. Son fabricadas por extrusión, forzando el pasaje del material fundido a través de una matriz tubular o plana. La película producida de esta forma puede ser orientada posteriormente, obteniéndose una película más resistente (Polipropileno biorientado BOPP). Película de polipropileno Moldeo por soplado (Seminara, 2012) Es usado para la producción de frascos, botellas, tanques de vehículos, etc. En este proceso, un tubo de material fundido es soplado dentro de un molde y toma la forma de la cavidad. Cuando es enfriado, el molde es abierto y el artículo extraído. Botella de polipropileno 1.6 Materiales Cerámicos 1.6.1 Definición (Otero, 2011) Son aquellos productos constituidos por compuestos inorgánicos, no metálicos producidos mediante tratamiento térmico. Comparados con los metales y plásticos son duros, no combustibles y no oxidables. Pueden utilizarse en ambientes con temperatura alta, corrosivos, etc. En dichos ambientes muchas cerámicas exhiben buenas propiedades electromagnéticas, ópticas y mecánicas. Una característica fundamental del término material incluye que puedan fabricarse en formas con dimensiones determinadas. (CAICEDO, 2012) La materia prima principal del proceso de fabricación de la cerámica, es la arcilla. Existe una gran variedad de arcillas utilizadas en la fabricación de cerámica, las diferencias se reflejan en su composición química que afecta directamente en las propiedades físico-químicas de los productos obtenidos y en las emisiones residuales, generadas durante todo el proceso. También se utilizan en mucha menor proporción, otras sustancias tales como: cuarzo, arena, feldespato, granito, etc. (F. Ashby, 2008) La palabra cerámica deriva del vocablo griego keramos, cuya raíz sánscrita significa quemar. En su sentido estricto se refiere a la arcilla en todas sus formas. Sin embargo, el uso moderno de este término incluye a todos los materiales inorgánicos no metálicos. Desde la década de los 50′s en adelante, los materiales más importantes fueron las arcillas tradicionales, utilizadas en alfarería, ladrillos, azulejos y similares, junto con el cemento y el vidrio. El arte tradicional de la cerámica se describe en alfarería. También puede buscarse la historia del rakú, singular técnica milenaria oriental. Históricamente, los productos cerámicos han sido duros, porosos y frágiles. El estudio de la cerámica consiste en una gran extensión de métodos para mitigar estos problemas y acentuar las potencialidades del material, así como ofrecer usos no tradicionales. Ejemplos de materiales cerámicos • Nituro de silicio (Si 3 N 4), utilizado como polvo abrasivo. • Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de tanques. • Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y como material refractario. • Diboruro de magnesio (Mg B 2), es un superconductor no convencional. • Óxido de zinc (ZnO), un semiconductor. • Ferrita (Fe 3 O 4) es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en núcleos de memorias magnéticas. • Esteatita, utilizada como un aislante eléctrico. • Ladrillos, utilizados en construcción • Óxido de uranio (UO2), empleado como combustible en reactores nucleares • Óxido de itrio, bario y cobre (Y Ba 2 Cu 3 O 7-x), superconductor de alta temperatura. 1.6.2 Propiedades (James P. Schaffer, 2000) o Mecánicas: Son deformables a elevadas temperaturas. Son duros, no combustibles y no oxidables. o Eléctricas: Tiene baja constante dieléctrica. o Térmicas: Tiene baja conductividad térmica El número de materiales cerámicos diferentes es muy elevado, pero todos ellos tienen una serie de características en común: Son materiales duros y frágiles. Son muy resistentes al desgaste, por eso, se usan para fabricar herramientas de corte. Son muy resistentes a la oxidación y a la corrosión. Son inertes y biocompatibles, de ahí que sean muy útiles en la fabricación de prótesis y articulaciones en medicina. Poseen puntos de fusión altos, motivo por el cual resisten temperaturas más elevadas que los metales. Son económicos, debido a que la materia prima de la que están compuestos es muy barata, aunque su proceso de fabricación resulte elevado. (Jacomino, 2007) Los materiales cerámicos son generalmente iónicos o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como entallas o concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados. Estos materiales muestran deformaciones plásticas. Sin embargo, debido a la rigidez de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para dislocaciones de movimiento y la deformación ocurre de forma muy lenta. Con los materiales no cristalinos (vidriosos), la fluidez viscosa es la principal causa de la deformación plástica, y también es muy lenta. Aun así, es omitido en muchas aplicaciones de materiales cerámicos. Tienen elevada resistencia a la compresión y son capaces de operar en temperaturas altas. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas. 1.6.3 Clasificación (Newell, 2011) o Los materiales cerámicos tradicionales están fabricados con materias primas de yacimientos naturales, con o sin proceso de beneficiación para eliminar impurezas a fin de aumentar su pureza, tales como los materiales arcillosos. o Los materiales cerámicos avanzados están fabricados con materias primas artificiales que han sufrido un importante procesado químico para conseguir una pureza alta y una mejora de sus características físicas. 1.6.4 Estructura de los materiales cerámicos (Newell, 2011) Debido a que las cerámicas están compuestas al menos de dos o más elementos y con frecuencia de más, su estructura cristalina es más compleja que la de los metales. El enlace atómico de estos materiales varía desde puramente iónico hasta totalmente covalente y muchas cerámicas presentan una combinación de estos dos tipos de enlace, dependiendo del grado de carácter iónico de la electronegatividad de los átomos. Los materiales cerámicos más comunes contienen el mismo número de cationes y aniones. A menudo se les llama compuesto AX, existen las siguientes estructuras: 1) Estructura de la sal gema 2) Estructura del cloruro de cesio 3) Estructura de la blenda de zinc 4) Estructura de los silicatos 1) 2) 3) 3) 1.6.5 Estructura y propiedades de cerámicos. (F. Ashby, 2008) Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos. Materiales cerámicos Entre los metales cerámicos puros destacan el óxido de aluminio, el nitruro de silicio y el carburo de tungsteno. Estos materiales presentan una estructura atómica formada por enlaces híbridos iónico-covalentes que posibilitan una gran estabilidad de sus electrones y les confieren propiedades específicas como la dureza, la rigidez y un elevado punto de fusión. Sin embargo, su estructura reticular tiene menos electrones libres que la de los metales, por lo que resultan menos elásticos y tenaces que éstos. Según su microestructura, podemos clasificarlos en: cerámicos cristalinos, cerámicos no cristalinos o vidrios y vitro cerámicos. Cerámicos cristalinos Se obtienen a partir de sílice fundida. Tanto el proceso de fusión como el de solidificación posterior son lentos, lo que permite a los átomos ordenarse en cristales regulares. Presentan una gran resistencia mecánica y soportan altas temperaturas, superiores a la de reblandecimiento de la mayoría de los vidrios refractarios. Cerámicos no cristalinos Se obtienen también a partir de sílice pero, en este caso, el proceso de enfriamiento es rápido, lo que impide el proceso de cristalización. El sólido es amorfo, ya que los átomos no se ordenan de ningún modo preestablecidos. Vitro cerámicos Se fabrican a partir de silicatos de aluminio, litio y magnesio con un proceso de enfriamiento también rápido. Químicamente son similares a los vidrios convencionales, pero la mayor complejidad de sus moléculas determina la aparición de micro cristales que les confieren mayor resistencia mecánica y muy baja dilatación térmica. 1.6.6 Propiedades y aplicaciones Los materiales cerámicos se caracterizan por las siguientes propiedades: • Son muy duros y presentan una gran resistencia mecánica al rozamiento, al desgaste y a la cizalladora. • Son capaces de soportar altas temperaturas • Tienen gran estabilidad química y son resistentes a la corrosión • Poseen una amplia gama de cualidades eléctricas. Los materiales cerámicos son materiales ligeros. Su densidad varía según el tipo de cerámica y el grado de compacidad que presenten. Son mucho más duros que los metales. A diferencia de éstos, se trata de materiales relativamente frágiles, ya que los enlaces iónico-covalentes. Su fragilidad es muy baja y las fracturas se propagan de manera irreversible. Para mejorar sus propiedades, se han desarrollado materiales híbridos o compositores. Estos compuestos constan de una matriz de fibra de vidrio, de un polímero plástico o, incluso, de fibras cerámicas inmersas en el material cerámico, con lo que se consigue que el material posea elasticidad y tenacidad, y, por tanto, resistencia a la rotura. Los materiales cerámicos también se utilizan en la fabricación de otros materiales híbridos denominados cermet, abreviatura de la expresión inglesa ceramic metals, compuestos principalmente de óxido de aluminio, dióxido de silicio y metales como el cobalto, el cromo y el hierro. Para obtenerlos, se emplean dos técnicas: el sintetizado y el fritado. El sintetizado consiste en compactar los polvos metálicos cuando presentan dificultad para ser aleados. El fritado consiste en someter el polvo metálico junto al material cerámico a una compresión dentro de un horno eléctrico para obtener una aleación. 1.6.7 Resistencia a la temperatura Esta propiedad se fundamenta en tres características de los materiales cerámicos: elevado punto de fusión, bajo coeficiente de dilatación y baja conductividad térmica. Su elevado punto de fusión supera el de todos los metales, si exceptuamos el volframio. Su bajo coeficiente de dilatación los hace particularmente resistentes a los choques térmicos. Otros materiales, en esta circunstancia, experimentan cambios de volumen que determinan la aparición de grietas y su posterior rotura. Su baja conductividad térmica permite su empleo como aislantes. Resistencia a los agentes químicos La estructura atómica de los materiales cerámicos es la responsable de su gran estabilidad química, que se manifiesta en su resistencia a la degradación ambiental y a los agentes químicos. Las aplicaciones de los diferentes tipos de materiales dependen de su estructura y de los agentes químicos a que vayan ser sometidos. La alúmina de elevada pureza se emplea en prótesis o implantes óseos o dentales por su resistencia al desgaste y a la corrosión, y su gran estabilidad a lo largo del tiempo. 1.6.7 Cerámicas Tradicionales. (Jacomino, 2007)Normalmente los materiales cerámicos tradicionales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice(pedernal) y feldespato. Los productos cerámicos más tradicionales y técnicos son manufacturados compactando polvos o partículas en matrices que son posteriormente calentados a enormes temperaturas para enlazar las partículas entre si. Las etapas básicas para el proceso de cerámica de aglomeración de partículas son: 1 preparación de material 2 moldeado o fundido 3 tratamiento térmico por secado y horneado por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas. Cerámicas muy complejas y ampliamente utilizadas •Productos de alfarería •Ladrillos y tejas •Azulejos •Porcelana •Aislantes •Refractarios 1.6.8 Propiedades generales y aplicación de los cerámicos. (A.M., 2002)En comparación con los metales, los cerámicos tienen las siguientes características relativas: fragilidad, alta resistencia mecánica y dureza a temperaturas elevadas, módulo de elasticidad elevado y tenacidad, densidad, dilatación térmica y conductividad térmica y eléctrica bajas. sin embargo, en vista de la amplia diversidad de composiciones de material cerámico y de tamaños de grano, las propiedades mecánicas y físicas de os cerámicos varían significativamente. Por ejemplo la conductividad eléctrica de los cerámicos se puede modificar de mala a buena. en vista de sus sensibilidad a los defectos y fallas, así como a las grietas superficiales e internas, a la presencia de diferentes tipos y niveles de impurezas y debido a métodos diferentes de manufactura, las cerámicas pueden tener una amplia gama de propiedades. 1.6.9 Aplicaciones de los cerámicos Los cerámicos tienen numerosas aplicaciones en productos de consumo e industriales. se utilizan varios tipos de cerámicos en las industrias eléctrica y electrónica, debido a que tienen una resistividad eléctrica elevada, una resistencia dieléctrica alta y propiedades magnéticas adecuadas para aplicaciones tales como imanes para bocinas. un ejemplo es la porcelana, que es una cerámica blanca compuesta de caolín, cuarzo y feldespato; su mayor uso se encuentra en aparatos domésticos y sanitarios. La capacidad de los cerámicos a conservar su resistencia y rigidez a temperaturas elevadas los hace atractivos para aplicaciones a temperaturas elevadas. Su resistencia al desgaste elevada, los hace adecuados para aplicaciones como camisas de cilindro, bujes, sellos y cojinetes. Las mayores temperaturas de operación posibles gracias al uso de componentes cerámicos significan una combustión más eficiente del combustible y una reducción en las emisiones de los automóviles. Conclusión En general, un plástico es un material que está formado por moléculas de gran longitud (macromoléculas) de átomos de Carbono e Hidrógeno, es resistente, poco pesado y aislante de la electricidad y del calor. Se emplea mucho en la industria porque es fácil de fabricar y moldear, es económico, ligero y admite pigmentos de gran variedad de colores. Además, puede combinarse con otros materiales y mejorar así sus propiedades. Aunque existen plásticos naturales, como la celulosa y el caucho, la gran mayoría de los plásticos son materiales sintéticos. Se obtienen de materias primas como el petróleo, el carbón o el gas natural, y se le pasa por el proceso de la polimerización para obtener el polímero. De igual forma existen dos tipos de plásticos: termofraguantes y termoplásticos. Los termofraguantes son formados mediante calor y con o sin presión, resultando un producto que es permanentemente duro, ya que al añadirle más calor o sustancias químicas especiales, se endurecen por un cambio químico conocido como polimerización y no puede ser reblandecido. Mientras los termoplásticos es un material que a temperaturas altas, se vuelve deformable o flexible, se derrite cuando se calienta y se endurece cuando se enfría lo suficiente y normalmente son procesados principalmente por inyección o moldeo, soplado, extrusión y termoformado. Hablando de los materiales cerámicos, estos son sólidos formados por un metal y un no metal, y la unión entre los átomos se da mediante enlaces iónicos (atracción de iones que ostentan diferente signo) o covalentes (compartimiento de electrones entre dos o más átomos). Dependiendo del tipo de enfriamiento, se pueden tener materiales cerámicos cristalinos o amorfos. Los amorfos comúnmente se le llama a los vidrios, el cual es fundido cercano a los 1500° C que es enfriado hasta un estado sólido dándole una determinada forma compuesto de arena de sílice, carbonato de sodio y carbonato de calcio. Mientras que los materiales cerámicos cristalinos, se producen de una manera similar a los vidrios, pero en este caso el enfriamiento es muy lento, lo cual permite que sus átomos se orden en cristales regulares. Referencias ARAUCO Corporativo. (18 de 08 de 2014). Celulosa. 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