Actividad 5: Polímeros y plásticos

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Polímeros y plásticos

Mira a tu alrededor, dondequiera que mires hay polímeros. Algunos de estos son de origen natural, pero muchos son sintéticos. Un polímero es una molécula grande, a veces muy grande, formada por la unión repetitiva de varias moléculas pequeñas entre sí, llamadas monómeros. El término polímero viene del griego poly, que significa "muchos" y meros, "partes". Estas macromoléculas pueden no parecer grandes al ojo humano (de hecho, muchas de estas moléculas "gigantes" son invisibles), pero si las comparamos con otras moléculas resultan enormes.

En la naturaleza existe una gran variedad de polímeros biológicos o naturales. Por ejemplo, la celulosa que brinda resistencia estructural a las plantas es un polímero construido por la repetición de unidades del monómero de glucosa, las proteínas son polímeros construidos por la repetición de monómeros de aminoácidos, y los ácidos nucleicos (como el ADN y el ARN) son polímeros construidos por la repetición de monómeros de nucleótidos.

Los polímeros sintéticos, como el polietileno, son químicamente mucho más sencillos que los biopolímeros, pero hay una gran diversidad en sus estructuras y propiedades, dependiendo de la identidad de los monómeros y de las condiciones de reacción utilizadas para la polimerización.

El primer polímero sintético fue desarrollado en 1907 por Leo H. Baekeland (1863-1944, norteamericano), quien lo sintetizó a partir de fenol y formaldehído. Este no conducía la electricidad, era resistente al agua y otros solventes, pero fácilmente mecanizable: podía moldearse a medida que se formaba y resultaba duro al solidificar. Le dio el nombre de baquelita, el primer plástico totalmente sintético de la historia. En 1909 fue el primero en utilizar el nombre genérico plásticos (compuesto que tiene la propiedad de moldearse, extruirse o laminarse). En la siguiente imagen se puede ver un teléfono antiguo hecho de baquelita de color negro.

Teléfono antiguo hecho de baquelita

Los materiales poliméricos pueden clasificarse según la respuesta termo-mecánica en seis clases principales, profundizaremos en tres de ellas.

Materiales poliméricos clasificación en termofijos, recubrimientos de superficies, elastómeros, adhesivos, fibras y termoplásticos

  • TERMOFIJOS (también llamadas resinas termoestables o termofraguadas): se moldean apenas concluida su preparación y no se puede modificar su forma. Sus partículas se entrecruzan formando una red de malla cerrada. Esta disposición no permite nuevos cambios de forma mediante aumento de la temperatura o presión. Solo se pueden deformar una vez.
  • TERMOPLÁSTICOS (también llamadas resinas termoplásticas): se pueden fundir y moldear varias veces, ya que se ablandan al aumentar la temperatura, y al bajar esta mantienen la forma deseada. Sus partículas están dispuestas libremente sin entrelazarse. Son los más utilizados, aproximadamente componen el 85 % de los plásticos consumidos. 
  • ELASTÓMEROS: son materiales que se encuentran unidos por medio de enlaces químicos adquiriendo una estructura final ligeramente reticulada. Sus partículas se ordenan en forma de red de malla. Esta disposición permite obtener plásticos de gran elasticidad que recuperan su forma y dimensiones cuando deja de actuar sobre ellos una fuerza. La principal característica de los elastómeros es su alta elongación o elasticidad y flexibilidad frente a cargas antes de fracturarse o romperse.

Estructura de los polímeros

En el caso de los plásticos termofijos los enlaces que mantienen unidas a sus cadenas formando una red son de alta energía que no se rompen al aumentar la temperatura del sistema. Mientras que en el caso de los termoplásticos los enlaces entre las cadenas son de baja energía, por lo que al aumentar la temperatura de la muestra se rompen con facilidad. Los elastómeros están formados con cadenas que pueden estirarse con facilidad para luego recuperar sus dimensiones originales.

Seis grandes

Si bien existe una inmensa variedad de plásticos, generalmente se distinguen seis de mayor uso e importancia, a veces conocidos como los "seis grandes".

  • Polietileno de alta densidad (PEAD o HDPE en inglés). Es esencialmente el polímero más sencillo. Es considerablemente rígido y resistente, tanto mecánica como químicamente.
  • Polietileno de baja densidad (PEBD o LDPE en inglés). Es básicamente el mismo polímero que el anterior, pero presenta un número mayor de ramificaciones en su estructura, lo que lo hace considerablemente más flexible.
  • Polipropileno (PP). Muy similar al polietileno en su composición. Presenta una mayor resistencia a los solventes, dureza, opacidad y punto de fusión que este.
  • Cloruro de polivinilo (PVC). Puede ser rígido o flexible dependiendo de los aditivos que se agreguen al momento de su manufactura. Es resistente al ataque de solventes, ácidos y bases, lo que lo hace ideal para la manufactura de tuberías.
  • Poliestireno (PS). Es un plástico claro y transparente, muchas veces utilizado en forma de espumas. Presenta una muy buena impermeabilidad a los gases, pero no es resistente al ataque de la mayoría de los solventes.
  • Tereftalato de polietileno (PET). Es un plástico transparente y muy fuerte. Tiene una resistencia muy alta a los ácidos y las bases, y es impermeable a los gases, lo que lo hace ideal para la fabricación de botellas de bebidas gasificadas.

Todos ellos son polímeros termoplásticos, pero cada uno tiene una utilidad específica derivada de sus propiedades. Tal vez la propiedad más importante que comparten todos es su durabilidad, lo que en ciertos aspectos es muy beneficioso, pero no así en otros. En particular, una alta durabilidad implica que los residuos de plásticos tardan a veces cientos de años en degradarse, lo que conlleva a un importante problema ambiental.

Diferentes objetos hechos de plástico

En este sentido, una interesante característica de los seis grandes (y también de varios otros tipos de plásticos) es la posibilidad de su reciclaje. Debido a las diferentes propiedades de cada plástico derivadas de su estructura química, no todos pueden reciclarse de la misma manera o en las mismas condiciones. Es por ello que desde hace un tiempo se ha comenzado a etiquetar los diferentes objetos manufacturados con plástico de manera que sea posible identificar su composición y facilitar su reciclaje. Para ello se utiliza el Código para la Identificación de Resinas (RIC) desarrollado por la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM): 

1 PET
 2 HDPE
 3 PVC
 LDPE
 5 PP
 6 PS

PET

HDPE

PVC

LDPE

PP

PS

 

Créditos:

Videos:

  • Amy, J. Cátedra Alicia Goyena. (2020, 13 de octubre). IMPRECISIONES CONCEPTUALES ACERCA DEL TEMA CAMBIOS DE ESTADO [Archivo de Video]. Youtube. https://youtu.be/v-GxOitQvok
  • José Luis Mastrolorenzo. (16 de julio de 2013). Reciclado de materiales plásticos [Archivo de Video]. Youtube. https://youtu.be/DFp61svGlBE

Imágenes:

  • Baquelita. Autor: José Bruno Silva Gomes. Licencia: CC BY-SA 4.0.
  • Ícono esponja. Autor: vectorsmarket15. Licencia: Gratis para uso personal o comercial con atribución. 
  • Ícono fibras. Autor: Freepik. Licencia: Gratis para uso personal o comercial con atribución. 
  • Ícono pintura. Autor: Vectors Market. Licencia: Gratis para uso personal o comercial con atribución. 
  • Ícono glue. Autor: Freepik. Licencia: Gratis para uso personal o comercial con atribución. 
  • Ícono plásticos. Autor: Nawicon. Licencia: Gratis para uso personal o comercial con atribución. 
  • Ícono neumáticos. Autor: DinosoftLabs. Licencia: Gratis para uso personal o comercial con atribución. 
  • Ícono 1 PET.  Autor: Public Domain Vectors. Licencia: Dominio Público.
  • Ícono 2 HDPE. Autor: Flaticon. Licencia: Gratis para uso personal o comercial con atribución. 
  • Ícono 3 PVC. Autor: Flaticon. Licencia: Gratis para uso personal o comercial con atribución. 
  • Ícono 4 LDPE. Autor: Flaticon. Licencia: Gratis para uso personal o comercial con atribución. 
  • Ícono 5 PP. Autor: Flaticon. Licencia: Gratis para uso personal o comercial con atribución. 
  • Ícono 6 PS. Autor: Flaticon. Licencia: Gratis para uso personal o comercial con atribución. 
  • Plastic trash on a blue background with the sign of recycling garbage. Autor: Marco Verch Professional Photographer. Licencia: CC BY 2.0.

Guía de trabajo:

1. ¿Qué es un polímero? ¿Cómo se puede clasificar a los polímeros?

2. Teniendo en cuenta las propiedades del primer polímero sintético creado, ¿es termoplástico o termorrígido? ¿Cómo lo explicas?

3. Elige uno de los 6 tipos de plásticos citados (seis grandes) e indica qué usos se le da actualmente, la fórmula desarrollada y el nombre de su monómero, la estructura del polímero, algunas de sus propiedades y cuál es el método que se emplea para moldearlo.

4. Muchos de los polímeros sintéticos son sólidos amorfos. Al realizar una gráfica de calentamiento se puede observar que hay una zona en la que se enlentece el aumento de la temperatura del polímero, denominada rango de temperatura de reblandecimiento del sólido. Aproximadamente en la zona media de este rango de temperatura se encuentra la temperatura de moldeo, es importante conocerla al momento de trabajar tecnológicamente los plásticos. Cuando se alcanza la temperatura de moldeo, la fluidez del polímero es la adecuada para inyectarlo en una matriz y así modificar su forma.

Para el caso de la fabricación de los termoplásticos se puede emplear el moldeo por inyección, extrusión, soplado o moldeado al vacío. 

  • Busca información sobre cada uno de estos métodos de moldeo e indica qué tienen en común, en qué difieren y aplicaciones de cada uno.
  • Sabiendo que el PP (de entre un 60 y 70 % de cristalinidad) presenta un intervalo de fusión de 158 a 168 °C, realiza un boceto de cómo podría ser una gráfica que represente su fusión.

5. Observa el siguiente video y contesta las preguntas que se encuentran a continuación:

 

 

  • ¿Qué ventajas se citan el video que presentan los plásticos y han contribuido a su uso tan extendido?
  • ¿Cuáles son las etapas del reciclaje mecánico de plásticos?
  • ¿Qué ventajas y desventajas presenta el reciclado industrial de plásticos?
  • ¿Qué diferencia hay entre reciclar y reutilizar el plástico? Cita dos ejemplos cotidianos en los que reutilizamos plásticos.
  • ¿Cómo podemos clasificar a los plásticos según su origen?

6. Busca en tu hogar un ejemplo de cada uno de los 6 grandes y sácales una foto. 

7. Actividad experimental:

Recuerda realizar las siguientes actividades bajo la supervisión del docente o un adulto responsable.

Objetivo: Clasificar a los diferentes materiales plásticos que encuentras en tu hogar según diversos criterios.

Procedimiento:

A) Ensayo de calentamiento

  1. Calentar a la llama en un mechero una varilla de vidrio.
  2. Acercarla al plástico en estudio.
  3. Observar si se ablanda.

B) Ensayo de densidad

  1. Colocar en agua unos trozos del material a estudiar.
  2. Agregar a ella unas gotas de detergente.
  3. Observar si la muestra flota.

C) Ensayo de Beilstein

  1. Calentar a la llama un alambre de cobre.
  2. Acercarlo al material.
  3. Retirar una pequeña porción y acercar a la llama.
  4. Observar la coloración de la llama.

D) Ensayo de solubilidad

  1. Colocar un trozo de la muestra en un tubo de ensayo.
  2. Agregar 2 mL de propanona (conocida como acetona).
  3. Observar por algunos minutos si hay disolución.

Organiza los resultados en una tabla de datos. Cuentas con el siguiente mapa mental para interpretarlos en el que se indica en celeste el resultado positivo de cada ensayo y con qué polímero se asocia, y en gris el negativo.

Resultados de los ensayos

8. ¿En qué se conecta lo que aprendiste en esta actividad con lo que sabías o pensabas antes? 

¿En qué amplía los límites de lo que pensabas o conocías? 

¿Qué desafíos te plantea?

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Para el docente:

Las siguientes propuestas didácticas pueden ser útiles si se quiere profundizar en el tema con los estudiantes: