INTRODUCCIÓN En el proceso de formación de un Ingeniero Agroindustrial, es muy importante el conocimiento de la ciencia de los Materiales, ya que ésta proporciona las herram herramien ientas tas necesa necesaria riass para para compre comprende nderr el compo comporta rtamie miento nto genera generall de cualquier material, lo cual es necesario a la hora de desarrollar adecuadamente dise diseño ñoss de comp compon onen ente tes, s, sist sistem emas as y proc proces esos os que que sean sean conf confia iabl bles es y económicos. Los materiales plsticos se han con!ertido en una alternati!a de dise diseño ño impo import rtan ante te reem reempl pla" a"an ando do much muchos os de los los mate materia riale less cono conoci cido dos, s, me#orando propiedades de resistencia y peso. $on la prctica de identificación de pol%meros, adems de conocer algunos méto método doss para para logr lograr ar iden identif tific icar ar fci fcilm lmen ente te los los mate materi rial ales es pls plstitico coss y sus sus aplica aplicacio cione ness a ni!el ni!el indust industria rial,l, se preten pretende de brinda brindarr una herram herramien ienta ta a los estudiantes que les permita generar alternati!as en el diseño de productos y en el me#o me#ora rami mie ento nto de los los proc rocesos esos que conll onlle e!en !en al inc increme rement nto o de la producti!idad, garanti"ando la alta calidad en dichas acti!idades. Los plsticos pueden ser anali"ados cualitati!a y cuantitati!amente mediante dife difere rent ntes es méto método dos. s. &na &na seri serie e de méto método doss senci encillllos os se empl emplea ean n para para identificar, de una forma apro'imada, todos los plsticos utili"ados d%a a d%a. (in embargo, en el caso de los plsticos con aditi!os, la caracteri"ación es mucho ms complicado. En este caso se requiere la ayuda de un laboratorio para reali"ar unos ensayos adicionales. E'amen !isual, mediante microscopio, Estimación del peso)masa, Ensayos de tracción, $omportamiento a la llama, olor, etc.
I. TÍTULO IDENTIFICACIÓN DE MATERIALES DE PLÁSTICO
II.
OBJETIVOS
*amiliari"ar al alumno con los métodos para la identificación de materiales plsticos mediante pruebas destructi!as. Identificar diferentes tipos de materiales plsticos usados en el empacado de alimentos.
III.
MARCO TEÓRICO
III.1 Historia i!"orta#$ia % &os "o&'!ros La definición ms simple de un pol%mero es la repetición de muchas unidades pequeñas, generalmente hidrocarburos+ un pol%mero es como una cadena en la que cada unión es una unidad bsica, hecha de carbono, hidrógeno, o'%geno, y)o silicio. Algunos pol%meros son sustancias naturales de origen !egetal y animal. Esto incluye cuernos de animales, carey de tortuga, secreciones de un insecto asitico, la colofonia de la sa!ia de rboles del pino, mbar que es la resina fosili"ada de rboles y alquitrn obtenido de la destilación de materiales orgnicos como madera. ero debido a su dif%cil recolección, recuperación y purificación, la b-squeda de pol%meros sintéticos era el paso natural a seguir. En el siglo I ocurrió el primer desarrollo, al procesar pol%meros naturales o combinarlos con qu%micos para hacer sustancias -tiles. Estos pol%meros se llamaron /ol%meros naturales modificados0 o 0ol%meros semi1sintéticos2. El primero y ms famoso de éstos es el caucho !ulcani"ado. En 3456, $harles 7oodyear descubrió, después de años de e'perimentación, que la sa!ia del rbol del he!ea 8lte'9 podr%a calentarse con el
a"ufre
para alterar
las
propiedades
f%sicas del
lte'
permanentemente, e!itando sus limitaciones naturales, pues este era quebradi"o en el fr%o y se fund%a a altas temperaturas. Ms tarde, como resultado de un concurso reali"ado en 34:;, en el que el fabricante estadounidense de bolas de billar helan and $ollander ofreció una recompensa de 3;.;;; dólares a quien consiguiera un sustituto aceptable del marfil natural, destinado a la fabricación de bolas de billar,
?ae>eland sinteti"ó un pol%mero de interés comercial, a partir de moléculas de fenol y formaldeh%do y lo bauti"ó con el nombre de baquelita 8o ba>elita9, el primer plstico totalmente sintético de la historia. Estos resultados incenti!aron a los qu%micos y a la industria buscar otras moléculas sencillas que pudieran enla"arse para crear pol%meros.
El hecho que los pol%meros eran moléculas grandes fue propuesto primero por (taudinger en 36@;. ero el concepto no se aceptó totalmente hasta el traba#o de
o
apro!echables.
Las
substancias
naturales
estaban
generalmente disponibles+ por consiguiente, los materiales sintéticos no eran tan necesarios. $omo consecuencia de la guerra, la fuente de lte' se agotaba y el caucho sintético se !ol!ió una necesidad. Las fibras naturales como la seda no se consegu%an en largos tamaños, necesarios para la fabricación de paraca%das, entonces el nylon fue la solución. esde entonces, la industria del pol%mero ha crecido, ha cambiado, y se ha di!ersificado y con!ertido en una de las industrias que ms rpido crece en los Estados &nidos y en el mundo. En la década del 5;, qu%micos ingleses descubrieron que el gas etileno polimeri"aba ba#o la acción del calor y la presión, formando un termoplstico al que llamaron polietileno 8E9. =acia los años B; aparece el polipropileno 89.Al reempla"ar en el etileno un tomo de hidrógeno por uno de cloruro se produ#o el cloruro de poli!inilo 8C$9, un plstico duro y resistente al fuego, especialmente adecuado para tuber%a de todo tipo. Al agregarles di!ersos aditi!os se logra un material ms blando, sustituti!o del caucho, com-nmente usado para ropa impermeable, manteles, cortinas y #uguetes.
Dtro de los plsticos desarrollados en los años 5; en Alemania fue el poliestireno 8(9, un material muy transparente com-nmente utili"ado para !asos y potes. El poliestireno e'pandido 8E(9, una espuma blanca y r%gida, es usado bsicamente para embala#e y aislante térmico.
III.( Estr)$t)ra % &os "o&'!ros Muchas clases comunes de
pol%meros
estn
compuestas
de
hidrocarburos. Estos pol%meros estn espec%ficamente hechos de unidades pequeñas dentro de cadenas largas. La *igura o.3 muestra el diagrama del polietileno, la estructura del pol%mero ms simple.
Aunque la composición bsica de muchos pol%meros es carbono e hidrógeno, 8por e#emplo, polipropileno, polibutileno, poliestireno y polimetilpenteno9, también pueden estar in!olucrados otros elementos tales como el o'%geno, cloro, fl-or, nitrógeno, silicio, fósforo y a"ufre. El cloruro de oli!inilo 8C$9 contiene cloro. El ylon contiene nitrógeno y o'%geno. El teflón contiene el fl-or. El oliéstireno y el olicarbonato contienen o'%geno. El caucho !ulcani"ado y Fhio>ol contienen a"ufre. =ay también algunos pol%meros que, en lugar de tener las moléculas de carbono, tienen silicio o moléculas de fósforo. Gstos son considerados como pol%meros inorgnicos. III.(.1 Po&i!ri*a$i+# , str)$t)ra !o&$)&ar ara la fabricación de ol%meros sintéticos en escala industrial se emplean principalmente las siguientes reaccionesH olimeri"ación por adición, por e#emplo para el polietileno, cloruro de !inilo, acr%lico y poliestireno.
olicondensación, por e#emplo para resinas de fenol1formaldeh%do,
ureaformaldeh%do. Las reacciones transcurren desarrollando considerables cantidades de calor 8e'otérmicas9 y en general se inician por acción de catali"adores. Los procedimientos que pueden efectuarse sonH
a- Po&i!ri*a$i+# "or a%i$i+# La polimeri"ación por adición puede darse en monómeros que contengan al menos un doble enlace, y la cadena polimérica se forma por la apertura de este, adicionando un monómero seguido de otro. La polimeri"ación por adición tiene tres pasos bsicosH iniciación, propagación y terminación. urante la fase de iniciación de la polimeri"ación de polietileno, los enlaces dobles en los monómeros del etileno se rompen y se empie"an a #untar entre ellos. &n catali"ador es necesario para empe"ar a acelerar la reacción. La segunda fase, la propagación, in!olucra la suma contin-a de monómeros pegados en las cadenas. or -ltimo, durante la terminación todos los monómeros pueden ser usados, causando la reacción al cese. &na reacción de la polimeri"ación puede cesar apagando la reacción. (implemente, la polimeri"ación por adición describe el proceso de 0monómeros0 uniendo uno por cada adición adelante y al final del -ltimo monómero, con ayuda de un iniciador de la reacción, que puede ser calor. Los pol%meros formados por polimeri"ación por adición son frecuentemente termoplsticos al natural, que se pueden calentar y hacerse blandos y también ponerse duros cuando son sometidos a un cambio brusco de temperatura. (on de fcil procesamiento y pueden reelaborarse o reciclarse.
- Po&i$o#%#sa$i+# Es el procedimiento clsico para la fabricación de resinas solidificables,
por
e#emplo
para
resinas
fenólicas.
En
la
policondensación la reacción sucede entre monómeros que porten dos o ms grupos funcionales, formando también casi siempre moléculas de ba#o peso molecular como agua, amoniaco u otras sustancias !oltiles. En esta reacción qu%mica, una molécula pequeña es eliminada. Los pol%meros comunes en este grupo incluyen algunos poliésteres y formaldeh%do de urea. Estos pol%meros pueden ser termoplsticos al natural. Los medios de polimeri"ación afectarn la reacción de calor del pol%mero formado+ igualmente, el arreglo de los monómeros dentro de la molécula afectar las caracter%sticas f%sicas del pol%mero formado. Los monómeros unidos en cadenas largas tienen una configuración lineal muy similar a una cadena del su#etapapeles, aunque en las ataduras tetraédricas de la realidad dan un arreglo de "ig"ag a la
III.(.(
molécula. C&asi/i$a$i+# % &os "o&'!ros
Los pol%meros se pueden clasificar en tres grandes grupos como son los termoestables, termoplsticos y elastómeros. Los termoplsticos se ablandan con el calor, poseen grandes cadenas moleculares lineales y ramificadas, poseen gran ductilidad y conformidad al ser calentados+ los pol%meros termoestables son mas resistentes pero a su !e" son frgiles ya que poseen cadenas moleculares r%gidas fuertemente enla"adas. Elastómero es una palabra que significa simplemente 0caucho0. Entre los elastómeros se encuentran el poliisopreno o caucho natural, el polibutadieno, el poliisobutileno, y los poliuretanos. Lo particular de los elastómeros es que pueden ser estirados hasta muchas !eces sus propias longitudes, para luego recuperar su forma original sin una deformación permanente.
i.
Po&'!ros tr!osta&s Los pol%meros termoestables, son aquellos que solamente son blandos o 0plsticos0 al calentarlos por primera !e". espués de enfriados no pueden recuperarse para transformaciones posteriores. Es un material compacto y duro, su fusión no es posible. Insolubles para la mayor%a de los sol!entes, encuentran aplicación en entornos de mucho calor, pues no se ablandan y se carboni"an a altas temperaturas. Esto se debe a su estructura molecular, de forma reticular tridimensional, que constituye una red con enlaces trans!ersales. La formación de estos enlaces es acti!ada por el grado de calor, el tipo y cantidad de catali"adores y la proporción de formaldeh%do en el preparado base.
ii.
E&ast+!ros Los elastómeros son sustancias poliméricas que poseen la particularidad que se pueden deformar en gran medida sin que lleguen a la "ona de deformación plstica. Los elastómeros son compuestos qu%micos cuyas moléculas consisten en !arios miles de moléculas llamados monómeros, que estn unidos formando grandes cadenas, las cuales son altamente fle'ibles, desordenadas y entrela"adas. $uando son estirados, las moléculas son lle!adas a una alineación y con frecuencia toman el aspecto de una distribución cristalina, pero cuando se las de#a de tensionar retornan espontneamente a su desorden natural, un estado en que las moléculas estn enredadas. Esta forma de !ol!er a su estado natural de desorden distingue a los elastómeros de los pol%meros termoestables, los cuales son duros y frgiles.
iii.
Po&'!ros tr!o"&0sti$os Las resinas termoplsticas son fcilmente conformables al aplicarles temperatura y presión. La temperatura m'ima de traba#o para los productos moldeados son bastante ms ba#as que la temperatura de ablandamiento o de fusión, usualmente alrededor de la mitad de la temperatura de fusión correspondiente. Cariaciones en los esfuer"os mecnicos, es decir fatiga, o condiciones ambientales pueden reducir los mrgenes de resistencia del material.
Dtra caracter%stica de estos materiales es su tendencia a absorber agua, ya sea del ambiente o por inmersión.
III. I%#ti/i$a$i+# % "&0sti$os Los materiales termoplsticos pueden ser reutili"ados mediante diferentes procesos de recicla#e, para los cuales, el paso ms importante lo constituye la clasificación de los materiales. Las pruebas de laboratorio pueden ser!ir para determinar los componentes de un material desconocido. Algunos métodos de pruebas muy sencillas se muestran a continuación con el fin de dar las pautas necesarias para identificar fcilmente los tipos bsicos de pol%meros termoplsticos. Las resinas de pol%meros pueden identificarse por las siguientes pruebas fundamentalesH Marca normali"ada Aspecto f%sico Efectos de calor rueba ?elstein (olubilidad ensidad relati!a 1. Mar$a #or!a&i*a%a La (ociedad de la Industria de lsticos 8(I9 introdu#o el código para la identificación de las resinas en 3644 en el afn de reciclar y de#ar de contribuir a la contaminación y as% establecer un sistema uniforme para todo Estados &nidos. Los códigos son moldeados o impresos sobre el fondo de la mayor%a de contenedores plsticos, sin embargo, para la clasificación a gran escala, la identificación !isual no es lo suficientemente prctica.
(. As"$to /'si$o El aspecto f%sico o !isual puede dar una pista para identificar los materiales plsticos. Es ms dif%cil identificar los plsticos como materia prima sin me"clar, o en pellets, que los productos acabados. Los termoplsticos se producen generalmente en forma de pellets, granulados. Los materiales termoestables se suelen obtener como pol!os o resinas. e las resinas termoplsticas ms comunes, el polietileno tereftalato 8EF9 y polipropileno 89 tienen una te'tura transl-cida, cerosa. Los métodos de fabricación y aplicación del producto también describen un plstico. =abitualmente, los materiales termoplsticos se e'truyen o se
someten a conformado por inyección, calandrado, moldeo por soplado y moldeo al !ac%o. El polietileno, el poliestireno y los celulósicos se suelen emplear en la industria de recipientes y en!asados. Las sustancias como polietileno, politetrafluoretileno, poliacetales y poliamidas tienen un tacto ceroso caracter%stico. Los plsticos termoendurecibles se suelen moldear por compresión 8por trasferencia9.
. E/$tos %& $a&or $uando se calientan muestras de plstico en tubos de ensayo, se pueden identificar los olores caracter%sticos de determinados plsticos. La manera particular de quemarse puede dar una pista al respecto. El EF se quema rpidamente, y e'pide olores a parafina y cuando se e'tingue la llama, produce un humo blanco. El polietileno se consume con una llama a"ul trasparente y gotea al fundirse. El cloruro de oli!inilo 8C$9 puede encenderse pero él mismo se e'tinguir en cuanto la fuente de fuego esté ale#ada. El C$ tiene un olor muy agrio al quemar porque el cloruro de hidrógeno es un deri!ado ardiente. El , por otro lado, se consume ms lentamente, los gases alimentan la llama. El oliestireno 8(9 y sus copol%meros desprenden humo negro 8carbono9, se quema rpidamente, tiene un olor de gas fuerte, y produce grandes cantidades de holl%n. El punto de fusión real es otro elemento identificador. Los materiales termo estables no se funden. Algunos termoplsticos en cambio, funden a menos de 36B$. Fambién se puede presionar sobre la superficie de un plstico con un soplete de soldadura eléctrico. (i el material se ablanda y la punta caliente se hunde, ser un termoplstico. (i sigue duro y se carboni"a simplemente se tratara de un termoestable.
2. Pr)a % i&sti# La prueba de ?eilstein es un método simple para determinar la presencia de un halógeno 8cloro, fluor, bromo y yodo9. ara esta prueba hay que calentar un alambre de cobre limpio en una llama de ?unsen hasta que se ponga incandescente. espués se pone en contacto rpidamente el alambre caliente con la muestra de ensayo y se retorna el alambre a la llama. &na llama !erde demuestra la presencia de halógeno. Los plsticos que contienen cloro como ya se hab%a dicho anteriormente son policlorotrifluoretileno, C$, policloruro de !inilideno y otros, que dan
positi!o en el ensayo de halógeno. (i la prueba es negati!a, es posible que el pol%mero esté compuesto solamente de carbono, hidrógeno, o'igeno o silicio.
3. So&)i&i%a% Las pruebas para determinar la solubilidad o insolubilidad de los plsticos son métodos sencillos de identificación. $on la e'cepción de las poliolefinas, los acetales, las poliamidas y los fluorplsticos, se puede considerar que todos los materiales termoplsticos son solubles a temperatura ambiente, el EF por e#emplo es impenetrable a los sol!entes qu%micos mientras el se disuel!e en tolueno caliente. Los termoestables por su parte, son resistentes a los disol!entes. 4. D#si%a% r&ati5a La clasificación por densidad con un sistema de flotación se reali"a comparando las densidades del material plstico y sustancias l%quidas de densidad conocida. (i un plstico flota en una solución con una densidad de ;.6J g)cmK, puede ser un plstico de polietileno de densidad media o ba#a. (i la muestra flota en una solución de ;.6@ g)cmK, puede tratarse de un polietileno de ba#a densidad o polipropileno. (i se hunde en todas las soluciones por deba#o de una densidad de @.;; g)cmK, la muestra ser un plstico de fluorcarbono. La presencia de cargas u otros aditi!os y el grado de polimeri"ación pueden dificultar la identificación de los plsticos por la densidad relati!a, pues pueden hacer que cambie bastante la densidad de un plstico. oliolefinas, iónomeros y poliestirenos de ba#a densidad flotarn en el agua 8que tiene una densidad de 3.;; g)cmK9.
6. Otros !7to%os Algunos métodos ms automati"ados pueden ser la clasificación por densidad en seco con insufladores, que logran separar los materiales con corrientes de aire fuertes para mo!er los finos y materiales contaminantes de poco peso, pero no tanto para mo!er los materiales ms pesados. (e usan también detectores de rayos ', que identifican tomos de cloro en el C$+ detectores ópticos que distingan colores, infrarro#os de onda larga simple para determinar la opacidad y clasificar en lotes transparentes, translucidos u opacos+ o detectores infrarro#os de onda
larga m-ltiple que pueden comparar la constitución qu%mica de un elemento, comparndola con un patrón.
IV.
MATERIALES 8 M9TODOS
IV.1 Matria&s E? 8olietileno de ba#a densidad9. EF 8olietileno tereflatado9. 8olipropileno9. ( 8oliestireno9. C$ 8oli!inilo cloruro9. EA 8olietileno de alta densidad9. Alambre de cobre. Mechero. in"as de metal. Folueno. $ocinilla eléctrica. Fi#eras. egla. ?alan"a anal%tica. Micrómetro. Caso de B; ml.
IV.( Mto%o&o:'a La prctica para de identificación de materiales de plstico, se reali"ó en el laboratorio de Ingenier%a Agroindustrial de la &ni!ersidad acional de &cayali, reali"ando las siguientes pruebasH
IV.(.1 Pr)as F'si$as IV.(.1.1 A&a!r % $or; En esta prueba se procedió a calentar la punta del alambre de cobre y luego se frotó la punta caliente contra la muestra 8lsticosH , ( y C$9, luego se colocó en el mechero. La coloración que se pudo obser!ar de color !erde en algunos casos, indicó la presencia de clroro del material.
IV.(.1.(
<)!ar &os !atria&s , osr5ar; ara esta prueba se tomó un peda"o del material 8lstico @'@ cmH E?, , EF, (9 con la pin"a, luego se acerca a la llama del mechero y se obser!aH (i soporta combustión (e quema por si mismo y se sigue quemando al retirar de la
IV.(.1.
llama El color de la llama $olor del humo (i la pel%cula se enco#e o enrosca Dlor del humo =ra!a>; (e cortó tro"os de cada material 8lstico 3;'3; cmH
EA y E?9 y se pesa para luego obtener una relación de peso por rea.
IV.(.1.2
Es"sor % &os !atria&s; En esta prueba se colocó !arias capas dependiendo del material 8EA y E?9 y se colocó en el micrómetro y se pueda medir el espesor del cada material.
V.
RESULTADOS 8 DISCUSIONES
Los resultados se presentan en los siguientes cuadrosH
C)a%ro N?1. esultados obtenidos luego de la obser!ación de la llama al mechero. M)stra Co&ora$i+# (% se obser!ó coloración !erde. ( o se obser!ó.
C$
o se obser!ó.
En la muestra de 8olipropilenoH Caso de plstico descartable9 s% se obser!ó una coloración !erde al momento de someter a la llama del mechero, lo cual indica la presencia de cloro en este material. As% mismo, en la muestra de ( 8oliestireno9 y C$ 8olicloruro de !inilo9 plato y tubos respecti!amente, no se muestra coloración. (eg-n 8odenas, @;;49 indica que los plsticos de , ( y C$ al ser sometidos a llama, e'presan un color amarilloa"ulado, lo cual indica que algunos plsticos no contienen cloro.
C)a%ro N?(. 7rama#e y espesor. M)stra EA E?
=ra!a> @:$!(;.;BJ3J ;.;;334
D#si%a% @:!&;.;@3J ;.36J4
Es"sor @)!55B 3B
En las pruebas de grama#e, densidad y espesor, se obser!a queH El EA 8En!ase de ogurt9 es mayor que el E? 8?olsa plstica9 en las medidas de 7rama#e 8;.;BJ3J g)cm @9 y Espesor 855B um9, mientras que en ensidad, el E? es mayor con ;.36J4 )ml. (eg-n 8odenas, @;;49 indica que la ensidad del EA es de ;.6: g)ml y el E? es de ;.6@.
C)a%ro N?. rueba de quemado. Cara$tr'sti$a s So"orta a &a $o!)sti+# S )!a "or si !is!o
PEBD
PP
PET
PS
o
o
o
o
(i
(i
o
(i
Amarillo
Amarillo
?lanco
egro
Amarilloa"ulad o Co&or % )!o egro
Co&or % &&a!a
Amarilloa"ulad o egro
P&'$)&a s #$o: o #ros$a
(e enrosca
(e enrosca
(e encoge
(e encoge
O&or %& )!o
$ombustible
$ombustible
lstico
combustible
=oto
(i
(i
o
(i
En la prueba de quemado, se obse!a queH los E?, , EF y ( no soportan a la combustión, es decir arde muy rpidamente+ adems, solo el EF se quema por s% mismo, es decir es inflamable. Las cuatro muestras de plsticos muestran un color amarillo a"ulado, y el color de la llama es negro, e'cepto el EF que es banco. As% mismo, los E? y el al ser sometido al calor,estos se enroscan y el EF y ( se encogen. El olor del humo, todos presentan olor a combustible al ser quemados+ el E?, y ( gotean al ser quemados, mientras que el EF no lo hace.
VI.
CONCLUSIONES 8 RECOMENDACIONES
(e concluye que, los materiales de plstico utili"ados como muestra en la presente prctica, al identificarlos con pruebas destructi!as, presentan caracter%sticas f%sicas que le diferencian una de otras, es decir, permitió
identificar estos materiales de plstico muy claramente. (e concluye queH se pudo identificar que el EA 8En!ase de ogurt9 es recomendable para el en!asado de alimentos, ya que presenta mayor espesor y protege al producto+ y el EF 8?otella de agua9 es el en!ase menos inflamable y es el mas recomendable para el en!asado de productos.
(e recomienda a los estudiantes tener las siguientes precauciones en el
momento de reali"ar la prcticaH &sar obligatoriamente los implementos de seguridad necesarios para la prcticaH gafas de seguridad y pin"as para manipular los plsticos
cuando sea necesario. ecordar que las soluciones pueden ser inflamables, desprender gases
tó'icos o que se pueden absorber a tra!és de la piel. Fener un buen conocimiento sobre la prctica y todo lo relacionado con ésta, como utili"ación de equipos, herramientas y materiales.
VII.
BIBLIO=RAFIA
httpH))NNN.ensinger.es)es)informacion1tecnica)identificacion1de1los plasticos). httpH))NNN.escuelaing.edu.co)uploads)laboratorios)36:;[email protected] . httpH))NNN.sociedadelainformacion.com)3J)plasticos.pdf
