Plásticos CIENCIA

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Ciencia

1. Introducción. Los p. son compuestos orgánicos que, producidos sintéticamente, poseen unas características químico-físicas especiales, y, por ser parecidos a las resinas (v.) naturales, también se les llama resinas artificiales. Cada día es mayor el empleo de los p. en todas las ramas de la técnica y de la industria, tanto por sus propiedades de ligereza y elaborabilidad, como por su bajo coste. Así, de las múltiples aplicaciones que en la actualidad poseen, cabe destacar: la producción de fibras (v.) artificiales y sintéticas, pinturas (v.) y barnices, laminados plásticos, recipientes; los diversos acoplamientos con el papel, tejido y madera; la ventajosa sustitución de los metales, vidrio, cerámica, etc.

2. Composición. Los p. forman un grupo de altos polímeros que presentan un gran margen de deformabilidad y de moldeabilidad, sobre todo a temperaturas altas. En los p. se ha de tener en cuenta que no todos los polímeros formados tienen idéntico Pm., y como a éstos no se les puede someter a los métodos ordinarios de separación, se toma el Pm. (Pm. medio) como Pm. del polímero. La polimerización (v.) tiene como fin la obtención de compuestos cuyas propiedades han sido fijadas con anterioridad, pero como las propiedades de un p. dependen del grado de polimerización conseguido, se han de aplicar métodos que permitan parar la polimerización en el momento adecuado, como es el empleo de catalizadores, pudiendo ser éstos de naturaleza física o química. La mayoría ’de los catalizadores de naturaleza química están constituidos por radicales oxidantes (peróxidos, perácidos, etc.) y por haluros inorgánicos (sales de Sn, B, Al, Sb, Ti, etc.). Se debe tener en cuenta también que los polímeros pueden ser: homogéneos o _isopolímeros, cuando la polimerización se llevó a cabo entre monómeros idénticos; y heterogéneos o copolímeros, cuando los monómeros de partida tenían diferente estructura química.

Los p., por lo general, son tenaces, resistentes a la acción de los álcalis y de los ácidos, no se alteran demasiado en un amplio margen de temperaturas, por lo que se les puede dar la forma ideal.

3. Clasificación. Los p. pueden ser de dos tipos principales: termoestables o termoendurecibles y termoplásticos. Los termoestables son polímeros tridimensionales e insolubles en todo tipo de disolvente, además, sólo se les puede tratar por el calor una vez antes de su endurecimiento o, lo que es lo mismo, antes de su formación, después de la cual, si se les vuelve a calentar, se da su descomposición química. Son p. termoestables típicos, los de fenol-formaldehído, melamina-formaldehído, urea-formaldehído, siliconas, etc.

Los p. termoplásticos son polímeros lineales, solubles en muchos disolventes orgánicos, que se reblandecen por el calor y se vuelven rígidos por enfriamiento; este proceso de reblandecimientos, por calor, moldeo y enfriamiento, puede repetirse las veces que se desee y en contadas ocasiones se ven afectadas las propiedades del p. Entre los materiales termoplásticos típicos pueden citarse: acetato de celulosa, nitrocelulosa (v. CELULOSA) y polímeros vinílicos. En los p. termoplásticos, las cadenas se presentan más o menos libres desde un punto de vista químico, si bien se mantienen juntas por fuerzas de Van der Waals. Además es factible la unión de estas moléculas lineales por un agente de entrecruzamiento, convirtiéndose el termoplástico en termoestable, p. ej., en la vulcanización del caucho, el azufre entrelaza las cadenas largas. Por el contrario, los p. termoestables pueden convertirse de nuevo en termoplásticos abriendo las uniones transversales, ya que la mayoría de aquéllos pueden considerarse como polímeros entrelazados, p. ej., la regeneración del caucho (v.).

Los plastificantes son unas sustancias que se agregan a los p. que no se reblandecen demasiado con el aumento de temperatura, para facilitar su reblandecimiento y sutrabajo, p. ej., el cloruro de polivinilo es muy tieso y duro, pero la adición de fosfato de tricresilo lo vuelve blando y gomoso.

4. Tipos principales de plásticos.

a) Resinas alkídicas o gliptales. Son compuestos, formados por calentamiento del ácido ftálico con la glicerina, análogos a los ésteres (v.) que se forman al reaccionar un ácido dibásico con glicoles, es decir, son poliésteres. Si bien la presencia de tres grupos hidroxilos en la glicerina permite la formación de "enlaces en cruz", pudiéndose representar la estructura de una parte de la molécula de la forma indicada en el cuadro de pie de página.

También se pueden preparar resinas análogas mediante la reacción de la glicerina con los ácidos maleico y fumárico. La posición y el número de los enlaces en cruz depende de las condiciones bajo las cuales se forman las resinas. Estas resinas se emplean principalmente en capas protectoras, p. ej., disueltas en un disolvente orgánico junto a un pigmento, en pinturas. Las pinturas al agua son principalmente polimerizados de estireno-butadieno emulsionados en agua, en la que también se encuentra un pigmento. Las resinas alkídicas modificadas se obtienen utilizando otros materiales, como la pentaeritrita o pentaeritrol, que es un tetrol de fórmula C(CH2OH)4 o el ácido abiético que, al modificar el Pm. y el número de enlaces en cruz, modifican también las propiedades del producto final.

b) Resinas formaldehídicas. Está formado por un grupo de resinas, que tienen en común la presencia de formaldehído en su estructura; existen distintos tipos en función de la naturaleza de la otra sustancia que se condensa. La más antigua es la bakelita, que es el producto de condensación del fenol con el formaldehído (v. ALDEHíDos). El enlace típico de este tipo de resinas se puede representar por:

OH OH CHZ-CHZ-CHZ-/CHZ~CHZ I I /~OHCH2OH CH2OH CH2CH2( ¡OHñ _OH-CHZG>-CHZ~)CHZ------ I -CH2 I CH2 CH2011

Al igual que ocurre en las resinas gliptálicas, las largas cadenas están unidas entre sí mediante enlaces en cruz obteniéndose así un material duro en insoluble como producto final. En las resinas urea-formaldehído las largas cadenas están enlazadas por medio de muchos grupos metilénicos, como vemos a continuación:

-CH2-N-CONH-CH2-N-CONHIICH2 CH2 II -CH2-N-CON CH2-N-CONHICH2 I -CON-CH2-NHCO

La melamina se condensa con el formaldehído de modo similar a como lo hace la urea. Los primeros productos de condensación de las resinas, tipo formaldehído, son de Pm. relativamente bajo, y se preparan calentando los componentes durante corto tiempo con pequeñas cantidades de un compuesto alcalino o de amoniaco, que actúan como catalizadores. En el caso de las resinas formólicas, el resultado es un material amorfo e insoluble en el agua pero soluble en muchos disolventes orgánicos. Generalmente se mezclan con diversos materiales de relleno, como pulpa de madera, y con una materia colorante; finalmente, se calienta en moldes bajo presión, con lo cual la resina se endurece, obteniéndose el producto final. Las primeras fases de la condensación entre el formaldehído y la urca o la melamina son productos solubles en agua, lo que permite aplicarlos a múltiples materiales, incluso textiles. Al seguir calentando, la condensación avanza, formándose productos finales insolubles en el agua.

c) Resinas intercambiadoras. Se pueden preparar resinas formaldehído-fenólicas que tengan unido al anillo aromático grupos ácidos o básicos, siendo de gran valor para el proceso de intercambio de ion, p. ej., al pasar agua con una sal disuelta a través de una resina con grupos ácido sulfónico, en forma de sal sódica, los iones Na de la resina y los cationes de la sal se intercambian.

OHOH-CH2 I CH2- +nK+-CH2 / -CH2- +nNa+vvS03Na nSOY n

La resina puede ser regenerada por tratamiento con una disolución concentrada de CINa, que invierte el proceso anterior. Se dispone en la actualidad de gran número de resinas de cambio de ion que no sólo contienen grupos ácidos, como el sulfónico y sus sales, sino también grupos básicos como -N(CH3)2 y otros; se emplean en la purificación de aguas por intercambio del Na por cationes alcalinotérreos, y en la separación parcial de aminoácidos y de proteínas.

d) Plásticos espuma. Constituyen productos de gran valor para el aislamiento y otras muchas aplicaciones por su porosidad y baja densidad. Se obtienen dispersando un gas en el interior de una resina antes de someterla al proceso de endurecimiento, con lo cual, al iniciarse el proceso, el gas se expansiona tendiendo a escaparse del material, pero parte del mismo queda atrapado en su interior formando poros. Los p. tipo espuma también pueden prepararse a través de reacciones químicas que originen un gas en el interior de la masa durante el proceso de endurecimiento. Un ejemplo lo constituye lapreparación de p. con estructuras uretanas, donde se produce la siguiente reacción en la formación:

N--C=0+H20 -~ - -NH-000H -D -~ ...-NH2+COZ -N=G=O + H2N ---~-NH-CO-NH

A una resina conteniendo el grupo isocianato en cada extremo de su molécula se le añade agua y una amina, que actúa de catalizador. Las reacciones anteriores se producen ahora sobre una molécula bifuncional, y el C02 desprendido origina la estructura de espuma:

O=C=N-N=C=O+ 2H20 ->O=C=N-N=C=ONH-NH-~ o= cj =0+2CO2 NH-NH5.

Métodos de preparación. Teniendo en cuenta que para la preparación de los p. se aprovechan sus diferentes propiedades, como existen dos tipos fundamentales de p., los métodos de preparación serán diferentes para cada tipo. Ahora bien, todos los métodos tienen en común el paso a través de una fase viscosa, amorfa y transitoria del p., que se obtiene por la administración de calor a una temperatura determinada o por la administración de catalizadores. Los p., así fluidificados, puestos o proyectados sobre determinadas cavidades o espacios huecos, se solidifican al enfriarse adquiriendo la forma de ellos. Los métodos más importantes de preparación son:

1) Moldeo por compresión. Este método es especialmente aplicable al moldeo de p. termoestables, y su carácter definitorio es el calentamiento y la conformación por presión de un polvo de moldeo en la cavidad de un molde inserto entre las platinas de una prensa hidráulica.

Las operaciones que se realizan en este tipo de moldeado son: carga del molde, con dosificación ponderal o volumétrica de la resina, el polvo o granulada; adaptación de la resina a la matriz del molde, obtenible ejerciendo moderada presión a moderada temperatura de precalentamiento; desgasificación, que tiene lugar aflojando ligeramente los bloques inmediatamente después del precalentamiento para liberar los gases formados a consecuencia de la condensación de la resina, con lo que se evita la formación de burbujas o falsas adaptaciones de la resina a la matriz; compresión, lenta y gradual para permitir la buena adaptación de la resina al molde; cocción, que se realiza con la estampa cerrada y comprimida durante la cual se realiza el proceso de policondensación, y, por tanto, de endurecimiento; y extracción de las piezas estampadas, efectuada mediante extractores accionados por la prensa durante la apertura del molde. El tiempo de moldeado se determina siempre con pruebas preliminares y, generalmente, lo indica el fabricante de la resina.

2) Moldeado por inyección. El principio sobre el que se basa, semejante al del moldeo por transferencia, implica calentar el p. en una cámara separada antes de dar la forma al mismo. Sus fases son: cargar, calentar, inyectar en el molde, enfriar y expulsar.

En una prensa de inyección se introduce el p. por medio de una tolva y un tornillo sin fin, que regula el paso del polvo de moldeo al interior de la cámara de calentamiento. La velocidad de paso está sincronizada con el movimiento de un émbolo en el extremo de la cámara de calentamiento. Cuando el émbolo avanza en su carrera de inyección, empuja al polvo de moldeo plastificado por el calor y lo introduce en el molde. Un extendedor, colocado en la cámara, hace uniforme el paso, impidiendo así el atrapamiento parcial del p. La mitad del molde es fija; la otra mitad se mueve hasta ocupar su posición a lo largo de un plano horizontal. Las dos secciones se mantienen firmemente cerradas por presión y se sueltan cuando el enfriamiento de la forma moldeada ha llegado a una fase suficiente para su endurecimiento. Entonces se realiza la expulsión por medio de barras de choque y pasadores.

Las primeras máquinas de moldeo por inyección tenían una capacidad de inyección muy baja (de 15-45 g. por ciclo), sirviendo sólo para moldear artículos pequeños. Modernamente se han construido máquinas de gran capacidad, sin recurrir a grandes dimensiones, mediante la incorporación de unidades preplastif¡cantes, que no sólo aumentan la capacidad de operación, sino que también reducen la alteración del color y la degradación del material trabajando a temperaturas más baias. Todas estas máquinas son completas por lo que respecta a las unidades de calentamiento y bombas de presión, teniendo sistemas de control que hacen posible su funcionamiento automático, semiautomático o manual.

3) Moldeo por transferencia. Por él se les puede aplicar a los p. termoestables un procedimiento semejante al moldeo por inyección. La operación se complica por el hecho de que los p. termoestables permanecen p. poco tiempo a temperaturas elevadas, en virtud de la aceleración térmica de las reacciones químicas, que convierten las resinas en masas duras e infusibles. Esto exige la minuciosa limitación del calor plastificante máximo a sólo la cantidad aproximada del compuesto de moldeo necesario para cada descarga dentro del moldeo. En la práctica, esto significa cargar la cámara de caldeo sólo con la cantidad de material necesaria para cada ciclo. El procedimiento difiere también del moldeo por inyección de termoplásticos, en que el molde se mantiene caliente constantemente para completar la transformación del p. al estado curado.

El moldeo de p. termoestables por inyección en estado plástico dentro de un molde caliente se ha llamado moldeo por transferencia, y en él se plastifica el p. por contacto con las superficies calentadas de una cámara depresión; se hace fluir el material por un estrecho pasaje en el cual sigue el calentamiento, en algunos casos hasta las fases finales de la reacción; se traslada este material en estado rápidamente fluente hasta un molde cerrado; se llena la cavidad sin bruscas variaciones en la elevada presión aplicada; se aplica presión al p. en la cavidad del molde mientras se calienta para que fragüe el material p. formado, y, finalmente se expulsa del molde el artículo terminado y el exceso de material de la cámara de presión, quedando lista para otro ciclo de moldeo.

El moldeo por transferencia es especialmente útil porque se evita la erosión de las matrices, la ruptura de pequeños pasadores y el desplazamiento y deterioro de las inserciones, tan comunes en el moldeo por compresión. Pueden usarse con éxito inserciones frágiles, como piezas de vidrio y piezas metálicas delgadas. En el moldeo por transferencia se produce una densidad mayor y más uniforme, y la separación del p. del relleno se reduce al mínimo. Aunque la necesidad de dejar tiempo suficiente para el curado del p. en el molde impone una limitación a la velocidad que puede emplearse con este método, eJ tiempo total que el material permanece en el molde es bastante menor que en el moldeo por compresión. Además, el previo calentamiento electrónico del compuesto acelera el ciclo de moldeo por transferencia y simplifica los problemas de la incorporación de inserciones.

4) Moldeo por extrusión. Cuando se ablanda un p. y se le obliga a pasar por una boquilla que le da la forma deseada, la operación se conoce con el nombre de extrusión o estirado a presión. Antiguamente se empleaba el método de extrusión húmeda, pero paulatinamente ha sido reemplazado por el método moderno de moldeo por extrusión, que es un proceso continuo y seco en una máquina de tornillo sin fin. El material en polvo introducido en la máquina es empujado por un husillo contra la pared del cilindro, donde es plastificado por fricción y por el calor de la camisa de vapor. El material plastificado pasa forzadamente por matrices para producir láminas, barras, tubos y perfiles de diversas formas y tamaños. El material termoplástico sale de la matriz en estado blando, siendo llevado por una banda transportadora hasta que está lo suficiente frío para poder manejarlo. El artículo se suele enfriar por lo general mediante chorros de aire o por baños de agua.

5) Estirado. Consiste en extender un p. en láminas sobre una forma o hacerle pasar por una matriz por medio de un émbolo con la forma apropiada. Este método se aplica a los materiales termoplásticos. La matriz para elestirado se compone de una placa perforada, émbolo y placa de presión.

La lámina de p. previamente calentada se pone sobre la placa matriz y los bordes se sujetan por la placa de presión. Entonces desciende el émbolo conformado y estira el material en la matriz de manera que se ajusta estrechamente alrededor adoptando su forma. Una vez que el material se ha enfriado y endurecido, se retira el émbolo y se saca la pieza.

6) Sopladura. Hay dos métodos de moldeo por sopladura: el directo y el indirecto. En el primero, la sopladura se efectúa nada más formarse groseramente la pieza por inyección o extrusión; en el segundo, la sopladura se hace partiendo de un material en forma de lámina o tubo, que se vuelve a calentar antes de soplarlo. El método indirecto suele producir superficies más lisas y paredes de espesor más uniforme que el directo, pero desperdicia más material y es demasiado costoso para competir con el método directo en la producción a gran escala.

7) Vaciado. A diferencia de los métodos expuestos, en el vaciado no se aplica ninguna presión. El vaciado puede hacerse con los dos tipos de p. Los compuestos formadores de resina se echan dentro de un molde abierto y se curan. Con los p. termoestables, se puede hacer esto con calor o con un catalizador, en tanto que con los termoplásticos se suele hacer a menudo enfriando solamente. Los moldes no están sometidos al desgaste producido por presiones o temperaturas muy elevadas, por lo que se pueden hacer de materiales relativamente baratos. No se necesita maquinaria complicada. Perfeccionamientos recientes han indicado el camino para hacer artículos grandes empleando técnicas de vaciado; se evita así la limitación con que tropezaba este método; además, las piezas vaciadas se pueden trabajar después a máquina para obtener artículos labrados.

G. DE PABLO RICOTE.

BIBL.: J. A. WORDINGHAM y P. REBOUL, Diccionario del plástico, Buenos Aires 1966; J. GORDON COOK, Enciclopedia del plástico, Buenos Aires 1968; J. ROLLET, Trabajo de los plásticos, Madrid 1970; H. SAECHTLING y J. M. CHURCH, Manual de las materias plásticas, Barcelona 1964; K. HAMANN, Los plásticos y la química macromolecular, Barcelona 1965; J. S. WALKER y F. R. MARTIN, Moldeo de plásticos por inyección, Madrid 1968; J. BUTLER, Moldeo de plásticos por compresión y transferencia, Madrid 1964; J. DELMONTE, Moldeo de plásticos, 2 ed. Barcelona 1967; H. R. SIMONDs, Extrusión de plásticos, gomas y metales, Madrid 1964; E. C. BERNHARDT, Técnicas de transformación de los materiales termo-plásticos, Madrid 1966; S. OLEESKY y G. MOHR, Tratado de plásticos reforzados, MadridPLATA1967; J. D’ARSIÉ, Los plásticos reforzados con fibras de vidrio, 2 ed. Buenos Aires 1970.