Materiales sinteticos

Los materiales sintéticos son producidos por procesos industriales, generalmente una síntesis química que reproduce las características (composición y propiedades) naturales de otros materiales.

1. Definición de materiales sintéticos.

2. Características técnicas más representativas de este grupo de materiales.

3. Clasificación de los materiales sintéticos por familias.

4. Vías y procesos de obtención.

5. Historia de los materiales sintéticos.

Definición de materiales sintéticos.

Un material sintético es un material creado por el hombre en condiciones controladas hay plásticos y metales (aleaciones) pueden ser sintetizados en laboratorio o en la industria por medio de procesos como laminaciones extrusiones o en caso de los metales fundiciones para mejorar las propiedades mecánicas químicas o físicas de los materiales

Características técnicas

Su estructura molecular consta de cadenas repetidas de enlaces de átomos llamados polímeros, los polímeros son comúnmente hechos de derivados de sustancias químicas en su mayoría como por ejemplo el petróleo ya que el petróleo se puede destilar a diferentes temperaturas para separar sus distintos compuestos y así sacar mas variedad de productos como alcoholes, gases combustibles, fabricación de plásticos, fabricación de asfaltos, etc. Por eso el mundo es muy dependiente del uso de este combustible fósil. Los materiales sintéticos pueden ser modificados molecularmente para formar otros materiales por su maleabilidad y su fácil reestructuración.

Clasificación

Dentro de los sinteticos, podemos encontrar dos grandes familias: los amorfos y los cristalinos.

Amorfos

Los plásticos cuyas cadenas moleculares están fuertemente ramificadas, con cadenas laterales largas, no pueden, por causa de su construcción irregulas, adoptar un estado de empaquetamiento compacto, ni tan siquiera en alguna de sus partes. Tales cadenas moleculares se asemejan a un ovillo de hilo, o a un trozo de algodón en el que los filamentos se encuentran entrelazados en todas direcciones. El plástico carece entonces de todo orden estructural y por ello se denomina termoplástico amorfo.

Debido a que los termoplásticos amorfos son transparentes en estado natural, no coloreado, reciben frecuentemente el nombre de cristales sintéticos u orgánicos.

Por ejemplo, un compact disc está hecho con un termoplástico amorfo. Gracias a que éste es transparente, el láser puede leer por reflexión en la capa de aluminio u oro las pequeñas oquedades (bits) en el plástico, y transmitir luego estas informaciones al reproductor de compact disc, que las transforma en música.

Cristalinos

Si las macromoléculas presentan poca ramificacion, es decir, pocas y cortas cadenas laterales, entonces es posible que determinadas regiones de las cadenas moleculares se ordenen y dispongan en forma compacta unas al lado de otras. Estas regiones con elevado grado de ordenación dentro de la molécula se denominan regiones cristalinas. Hay que tener en cuenta, no obstante, que nunca se produce una cristalización perfecta o completa, ya que la longitud de las cadenas lo impide, incluso durante la polimerización, cuando se inicia el entrecruzamiento de unas con otras.

Por lo tanto, aparte de las regiones ordenadas, siempre queda desordenada una parte de la molécula, con regiones distante unas de otras, llamadas regiones amorfas. Los termoplásticos que presentan tanto regiones cristalinas como amorfas reciben el nombre de termoplásticos parcialmente cristalinos.

No son nunca transparentes, ni tan siquiera cuando están en forma natural, no coloreada, sino que, por causa de la dispersión de la luz en las fronteras entre regiones amorfas y cristalinas del plástico, siempre son algo lechosos o de aspecto turbio.

Clasificacion según su uso

Los plásticos pueden clasificarse además según el tipo de utilización que tengan, lo cual está directamente relacionado con la cantidad producida y con su precio. Así, una primera clasificación consiste en dividir los plásticos en:

Plásticos “commodities”: son plásticos de uso cotidiano, con un consumo masivo y un precio relativamente barato.

Plásticos de altas prestaciones: son plásticos de menor utilización, con unas aplicaciones concretas y un precio relativamente caro.

Esta clasificación es muy general. Existe una clasificación un poco más detallada, según la cual los plásticos pueden dividirse en:

Plásticos estándar: son “commodities” de producción y uso masivos.

Plásticos técnicos: son “commodities” de uso industrial, utilizados en general, para la construcción de piezas.

Plásticos especiales: son plásticos que poseen algunas propiedades concretas muy optimizadas.

Plásticos de altas prestaciones: son plásticos de un gran valor añadido que se usan en aplicaciones muy concretas.

Vías y procesos de obtención

Polímeros sintéticos y naturales

Los polímeros son una estructura compleja formada por la repetición de una unidad molecular llamada monómero. Existen polímeros naturales y polímeros sintéticos. En muchos casos una molécula de un polímero está compuesta de miles de moléculas de monómeros. 

Los monómeros son los pequeños eslabones que se repiten para formar un polímero mediante un proceso llamado polimerización. 

Los polímeros se dividen en dos grandes grupos: aquellos naturales, como celulosa, almidones, ADN y proteínas. Por otro lado, existen aquellos sintéticos que fueron fabricados por el hombre y que incluyen todos los derivados de los plásticos.

Polímeros naturales 

Los polímeros naturales reúnen, entre otros, al almidón cuyo monómero es la glucosa y al algodón, hecho de celulosa, cuyo monómero también es la glucosa. La diferencia entre ambos es la forma en que los monómeros se encuentran dispuestos dentro del polímero. 

Otros polímeros naturales de destacada importancia son las proteínas, cuyo monómero son los aminoácidos. 

Por otro lado, la lana y la seda son dos de las miles de proteínas que existen en la naturaleza, éstas utilizadas comos fibras y telas. 

Todo lo que nos rodea son polímeros. Los tejidos de nuestro cuerpo, la información genética se transmite mediante un polímero llamado ADN, cuyas unidades estructurales son los ácidos nucleicos.

Caucho natural

El caucho natural es un polímero elástico y semisólido, que posee la siguiente estructura:

Caucho natural formado por monómeros de isopreno

El monómero del caucho natural es el isopreno (2-metil-1,3-butadieno), que es un líquido volátil.

Proteínas 

Las proteínas funcionan como material estructural en los animales, tal como la celulosa en las plantas. Todas las proteínas contienen los elementos carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, y casi todas ellas contienen azufre. 

Las proteínas están formadas por cerca de 20 aminoácidos diferentes. Estos tienen dos grupos funcionales: el grupo amino (-NH₂) y grupo el carboxilo (-COOH). El grupo amino está unido a un carbono vecino del grupo carboxilo:

Esquema de un aminoácido

Los aminoácidos forman una proteína a través de un enlace peptídico, enlace entre un carbono del grupo carboxilo y un grupo amino.

Enlace peptídico

Las proteínas son poliamidas. El enlace amida (-CONH-) entre un aminoácido y otro aminoácido se denomina enlace peptídico. Se puede observar que sigue existiendo un grupo amino reactivo a la izquierda y un grupo carboxilo a la derecha. 

Cuando se unen dos aminoácidos, el producto es un dipéptido:

Cuando se combinan tres aminoácidos, se forma un tripéptido.

Serilalanilcisteína

Cada uno de los terminales puede seguir reaccionando para unir más unidades de aminoácidos.

El extremo de la molécula de proteína que tiene un grupo carboxilo libre se denomina terminal C. El extremo que tiene un grupo amino libre se denomina N. 

Una molécula con más de diez unidades de aminoácidos se llama polipéptido. 

Cuando la masa molar de un polipéptido es mayor de 10 000, se denomina proteína. La distinción entre los polipéptidos y las proteínas es arbitraria, y no siempre se aplica. 

Los 20 aminoácidos existentes difieren solo en las cadenas laterales, las cuales pueden ser otros grupos funcionales o cadenas hidrocarbonadas.

Ejemplo de cadenas laterales variables

Los aminoácidos tienen un grupo ácido y uno básico. En solución acuosa, el ión hidrógeno del ácido carboxílico es transferido al grupo básico que es el amino: el producto resultante es una molécula polar.

Dipéptido, con ambos aminoácidos cargados

Polímeros sintéticos

Durante la Segunda Guerra Mundial, Japón cortó el suministro de caucho natural proveniente de Malasia e Indonesia a los aliados. La búsqueda de un sustituto dio como origen el caucho sintético, y con ello surgió la industria de los polímeros sintéticos y plásticos. 

El polibutadieno, un elastómero sintético, se fabrica a partir del monómero butadieno, que no posee un metil en el carbono número dos, siendo esta la diferencia con el isopreno.

CH₂ = CH – CH = CH₂ 
1,3 -butadieno

El polibutadieno tiene regular resistencia a la tensión y muy poca frente a la gasolina y a los aceites. Estas propiedades limitan las posibilidades de fabricar con ellos los neumáticos.

Policloropreno o neopreno

El policloropreno o neopreno, se fabrica a partir del 2-cloro-1,3-butadieno. El neopreno presenta mejor resistencia a la gasolina y los aceites y se utiliza en la fabricación de mangueras para gasolinas y otros artículos usados en las estaciones de servicio. 

Un copolímero es el producto que se forma por la mezcla de dos monómeros, y en cuya cadena existen las dos unidades. El caucho estireno-butadieno (SBR) es un copolímero que contiene un 25% de estireno y un 75% de butadieno. Un segmento de este copolímero es el siguiente:

Este polímero sintético es más resistente a la oxidación y a la abrasión que el caucho natural, pero sus propiedades mecánicas no son tan óptimas. Al igual que el caucho natural, el caucho estireno-butadieno contiene dobles enlaces capaces de formar enlaces cruzados. Este material se usa, entre otras cosas, para la fabricación de neumáticos. 

Se ha logrado sintetizar el poliisopreno, un compuesto idéntico en todos los sentidos al caucho natural, solo que no se extrae del árbol del caucho.

Polimerización 

Para formar un polímero existen dos caminos factibles: polimerización por adición y polimerización por condensación. 

- Polimerización por adición: los monómeros se adicionan unos con otros, de tal manera que el producto polimérico contiene todos los átomos del monómero inicial. Un ejemplo de esto es la polimerización del etileno (monómero) para formar el polietileno, en donde todos los átomos que componen el monómero forman parte del polímero.

Esquema de polimerización por adición

- Polimerización por condensación: en este caso, no todos los átomos del monómero forman parte del polímero. Para que dos monómeros se unan, una parte de éste se pierde.

Esquema de polimerización por condensación.

Historia de los materiales sintéticos

El invento del primer plástico se origina como resultado de un concurso realizado en 1860, cuando el fabricante estadounidense de bolas de billar Phelan and Collarder ofreció una recompensa de 10 000 dólares a quien consiguiera un sustituto del marfil natural, destinado a la fabricación de bolas de billar. Una de las personas que compitieron fue el inventor norteamericano John Wesley Hyatt, quien desarrolló el celuloide disolviendo celulosa (material de origen natural) en una solución de alcanfor y etanol. Si bien Hyatt no ganó el premio, consiguió un producto muy comercial que sería vital para el posterior desarrollo de la industria cinematográfica de finales de siglo XIX.

En 1909 el químico norteamericano de origen belga Leo Hendrik Baekeland sintetizó un polímero de gran interés comercial, a partir de moléculas de fenol y formaldehído. Se bautizó con el nombre de baquelita y fue el primer plástico totalmente sintético de la historia, fue la primera de una serie de resinas sintéticas que revolucionaron la tecnología moderna iniciando la «era del plástico». A lo largo del siglo XX el uso del plástico se hizo popular y llegó a sustituir a otros materiales tanto en el ámbito doméstico, como industrial y comercial.

En 1919 se produjo un acontecimiento que marcaría la pauta en el desarrollo de los materiales plásticos. El químico alemán Hermann Staudinger aventuró que éstos se componían en realidad de moléculas gigantes o macromoléculas. Los esfuerzos realizados para probar estas afirmaciones iniciaron numerosas investigaciones científicas que produjeron enormes avances en esta parte de la química.