¿Qué es un material sintético?
Se define como material sintético a todo aquel obtenido mediante un proceso de síntesis partiendo de las materias primas elementales. El resultado es lo que llamamos polímeros.Los polímeros son un material compuesto por moléculas de cadena larga, constituidas, cada una de ellas, por unidades repetitivas que se conectan entre sí pudiendo haber miles o millones de unidades en una sola molécula.
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| Polímero (Cadena) |
La mayoría de polímeros se basan en el carbono y, por consiguiente, son considerados sustancias químicas orgánicas.
Según su obtención, distinguimos dos grupos de polímeros:
- Polímeros Naturales: lana, seda, caucho, celulosa, proteínas, etc.
- Polímeros artificiales: plásticos, elástomeros, siliconas, etc.
Con excepción del caucho natural, los materiales formados a base de polímeros usados en la industria son sintéticos y están elaborados mediante procesos químicos, obtenidos a partir del petróleo, el gas natural o el carbón.
¿A que nos referimos cuando hablamos industrialmente de materiales sintéticos?
Como ya adelantamos en el punto anterior, cuando hablamos de materiales sintéticos, hablamos de polímeros. Los polímeros se sintetizan mediante la unión de muchas moléculas pequeñas (monómeros) para formar moléculas muy grandes, llamadas macromoléculas, las cuales poseen una estructura en forma de cadena.
Inicialmente, se dispone de los monómeros de forma aislada y, a través de una reacción química (polimerización), se unen entre sí para constituir una macromolécula. Los átomos se mantienen unidos en esta molécula por medio de enlaces covalentes (como vimos en la entrada de los metales) . La forma de entrelazarse las cadenas condiciona el comportamiento del polímero.
Tipos de polímeros
-Termpoplásticos: Son materiales sólidos a temperatura ambiente, realitvamente blandos y dúctiles,cuando se someten a temperaturas de aglunos cientos de grados se convierten en líquidos viscosos.
-Termoestables: No toleran ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento como lo hacen los termoplásticos. Con calentamiento inicial, se ablandan y fluyen para ser moldeados, pero las temperaturas elevadas producen una reacción química que endurece el material y lo convierte en un sólido no fundbile. Si se recalienta se degrada por pirólisis en lugar de ablandarse. Son polimeros de cadenas entrecruzadas y estructura reticulada, mostrándose más duros, mas resistentes y más fragiles que los termoplásticos.
-Elastómeros: (o cauchos) son polímeros que poseen una extrema extensiblidad elástica cuando se someten a esfuerzos mecánicos relativamente bajos. Algunos elastómeros pueden estirarse alargando diez veces su longitud y luego recuperan completamente su forma original.
Hitos históricos que marcan la vida de los materiales sintéticos
A diferencia de los metales la historia de los materiales sintéticos, en concreto la de los plásticos, comenzó hace poco más de un siglo. Fue en 1860 cuando el primer plástico se origina como resultado de un concurso realizado en los Estados Unidos, cuyo ganador sería quien produjera un sustituto del marfil (cuyas reservas se agotaban) para la fabricación de bolas de billar. Ganó el premio John Hyatt, quien inventó un tipo de plástico al que llamó celuloide.
El celuloide se fabricaba disolviendo celulosa, un hidrato de carbono obtenido de las plantas, en una solución de alcanfor y etanol. Con él se empezaron a fabricar distintos objetos como mangos de cuchillo, armazones de lentes y película cinematográfica. Sin el celuloide no hubiera podido iniciarse la industria cinematográfica a fines del siglo XIX. El celuloide puede ser ablandado repetidamente y moldeado de nuevo mediante calor, por lo que es un termoplástico.
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| Celuloide |
Aunque el primer plástico fue inventado en 1860, en 1839 se inventó el vulcanizado del caucho (material plástico obtenido de los árboles tropicales). Goodyear demostró que si achicharrabas el cacuho con azufre (S) y lo detenías en el punto correcto, podría hacer que el caucho se librara de sus adhesivos nativos, lo que implicaría una mejora sustancial sobre la goma nativa. Había conseguido que la goma se curara. Gracias al vulcanizado podemos aportar diferentes grados de dureza al caucho.
En 1907 Leo Baekeland inventó la baquelita, el primer plástico calificado como termoestable. La baquelita es aislante y resistente al agua, a los ácidos y al calor moderado. Debido a estas características se extendió rápidamente a numerosos objetos de uso doméstico y componentes eléctricos de uso general.
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| Baquelita |
En los años 30 se crea la primera fibra artificial, el nylon. Su descubridor fue el químico Walace Carothers. Descubrió que dos sustancias químicas como el hexametilendiamina y ácido adípico podían formar un polímero que bombeado a través de agujeros y estirados podían formar hilos que podían tejerse. Su primer uso fue la fabricación de paracaídas para las fuerzas armadas estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial, extendiéndose rápidamente a la industria textil en la fabricación de medias y otros tejidos combinados con algodón o lana.
Materias primas para la producción de materiales sintéticos
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.
En los seres vivos existen compuestos de carácter macromolecular. Del reino animal destacan las proteínas, el colágeno, la seda, la caseína, etc., y del reino vegetal, el almidón, la celulosa, el látex, etc., como los más conocidos. Con modificaciones químicas adecuadas estos polímeros llegan a ser considerados polímeros semi-sintéticos: el rayón, el acetato de celulosa, el caucho, etc.
Pero para la obtención de los polímeros de síntesis, se utilizan los recursos fósiles. De ellos es el petróleo la materia prima base para la obtención de los plásticos, como consecuencia de la facilidad de extracción del mismo y del desarrollo alcanzado por la tecnología para transformarlo en derivados.
Estos dos hechos han supuesto el desplazamiento del carbón por el petróleo con fines sintéticos, ya que en el siglo XIX el carbón era la fuente fundamental de obtención de productos de carácter orgánico y que dio lugar al desarrollo tan importante que alcanzó la industria carboquímica.
Estos dos hechos han supuesto el desplazamiento del carbón por el petróleo con fines sintéticos, ya que en el siglo XIX el carbón era la fuente fundamental de obtención de productos de carácter orgánico y que dio lugar al desarrollo tan importante que alcanzó la industria carboquímica.
Con la crisis del petróleo en los años setenta por exigencias económicas de los países productores, el carbón fue considerado nuevamente como alternativa a tener en cuenta para poder mantener a unos niveles aceptables el actual desarrollo económico. Pero mientras no se ponga a punto la tecnología adecuada para transformar este recurso en los productos demandados por la industria, similares a los derivados petrolíferos, no resulta interesante la sustitución del petróleo por el carbón.
El gas natural se utiliza fundamentalmente con fines energéticos, ya que dada su composición a base de hidrocarburos de bajo peso molecular, las aplicaciones con fines sintéticos están económicamente limitadas.
La primera operación a que se somete el petróleo bruto para su utilización posterior en la industria
petroquímica es el refinado. El refinado consiste en la separación de los distintos componentes del petróleo por acción del calor. Es una destilación fraccionada en la que se separan a diferentes intervalos de temperatura mezclas de compuestos de tamaño y composición similar.
De las fracciones obtenidas, la nafta, que es una mezcla de hidrocarburos de más de cinco átomos de
carbono y que tiene un punto de ebullición de hasta 150 º, es la que se utiliza para la fabricación de los plásticos sometiéndola previamente a los procesos de craqueo y reformado. El craqueo es el proceso en el que se produce la ruptura de cadenas hidrocarbonadas dando lugar a moléculas pequeñas de dos a cuatro átomos de carbono con dobles enlaces. Si el proceso se realiza en presencia de vapor de agua, éste se denomina hidrocraqueo. Puede alimentarse el reactor también con
fracciones más pesadas —de mayor tamaño—. El craqueo puede realizarse de manera térmica o catalítica.
Los materiales sintéticos aunque son un descubrimiento relativamente cercano, su uso crece exponencialmente debido a su fácil manejo dentro de la industria y su reciclabilidad. Es un material en auge que está sustituyendo muchos metales.
¡ Hasta pronto!
