Trabajo de Materiales Ceramicos
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República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior Sección: QN Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño” TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES Profesor: Autores:
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materiales ceramicos y sus componentes
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República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior
Sección: QN
Instituto Universitario Politécnico
“Santiago Mariño”
TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES
Profesor: Autores:José Tarache Margeline Lozano C.I:17.537.448
Alfre Millan C.I: 20.052.249
Barcelona, 13 febrero de 2015
INDICE
INTRODUCCIÓN..............................................................................3
MATERIALES CERAMICOS.......................................................4-54
MATERIALES POLIMERICOS..................................................54-90
MATERIALES METALICOS....................................................90-134
CERAMICAS AVANZADAS..................................................134-138
CONCLUSION..............................................................................139
BIBLIOGRAFIA............................................................................................140
INTRODUCCIÓN
Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o
producto. Desde el comienzo de la civilización, los materiales junto
con la energía han sido utilizados por el hombre para mejorar su
nivel de vida. Como los productos están fabricados a base de
materiales, y los materiales más comúnmente encontrados son
madera , hormigón , ladrillo , acero , plástico , vidrio , caucho ,
aluminio , cobre y papel .
La producción de nuevos materiales y el procesado de estos hasta
convertirlos en productos acabados, constituyen una parte
importante de nuestra economía actual. Los ingenieros diseñan la
mayoría de los productos facturados y los procesos necesarios
para su fabricación. Puesto que la producción necesita materiales,
los ingenieros deben conocer de la estructura interna y propiedad
de los materiales, de modo que sean capaces de seleccionar el
más adecuado para cada aplicación y también capaces de
desarrollar los mejores métodos de procesado.
Los ingenieros especializados en investigación trabajan para crear nuevos materiales o para modificar las propiedades de los ya existentes. Los ingenieros de diseño usan los materiales ya existentes, los modificados o los nuevos para diseñar o crear nuevos productos y sistemas . La búsqueda de nuevos materiales progresa continuamente. Por ejemplo los ingenieros mecánicos buscan materiales para altas temperaturas, de modo que los motores de reacción puedan funcionar más eficientemente. Los ingenieros eléctricos procuran encontrar nuevos materiales para conseguir que los dispositivos electrónicos puedan operar a mayores velocidades y temperatura.
MATERIALES CERAMICOS
Es un tipo de material inorgánico, no metálico, buen
aislante y que además tiene la propiedad de tener una temperatura
de fusión y resistencia muy elevada.
Ladrillo:
Es toda pieza, generalmente ortoédrica, obtenida por
moldeo, secado y cocción a temperatura elevada de una pasta
arcillosa, que se utiliza en construcción. La denominación de las
caras y aristas de un ladrillo es lo que a continuación se muestra:
Nomenclatura de las caras y aristas de un ladrillo.
Su forma es la de un prisma rectangular, en el que sus
diferentes dimensiones reciben el nombre de soga, tizón y grueso,
siendo la soga su dimensión mayor. Asimismo, las diferentes caras
del ladrillo reciben el nombre de tabla, canto y testa (la tabla es la
mayor). Por lo general, la soga es del doble de longitud que el tizón
o, más exactamente, dos tizones más una junta, lo que permite
combinarlos libremente. El grueso, por el contrario, puede no estar
modulado.
Existen diferentes formatos de ladrillo, por lo general son
de un tamaño que permita manejarlo con una mano. En particular,
destacan el formato métrico, en el que las dimensiones son 24 ×
11,5 × 5,25 / 7 / 3,5 cm (cada dimensión es dos veces la
inmediatamente menor, más 1 cm de junta) y el formato catalán de
dimensiones 29 × 14 × 5,2 / 7,5 / 6 cm, y los más normalizados que
miden 25 × 12 × 5 cm.
Actualmente también se utilizan por su gran demanda, dado su
reducido coste en obra, medidas de 50 x 24 x 5 cm.
TIPOS DE LADRILLO
El más común es el ladrillo macizo tipo M, cuya medida
varía según los países. No tiene orificios. También hay ladrillos
macizos con depresión o cazoleta, esto es, un hundimiento en una
de las caras, que sirve para rellenar con mortero.
El ladrillo macizo perforado (tipo P), presenta
perforaciones circulares o romboidales en una de sus caras, a
intervalos regulares. Como el mortero penetra en los huecos, el uso
de este ladrillo asegura la resistencia y estanqueidad del muro. Los
ladrillos de cara vista (cuyas características explicamos más abajo)
suelen ser de este tipo.
El ladrillo hueco (tipo H), presenta perforaciones
pasantes, dobles o simples, en las caras laterales. Se usa para
tabiques que no deban soportar grandes cargas, o para muros
dobles, que llevan material aislante entre ambas caras.
El ladrillo refractario, es un tipo de ladrillo especial, que
se usa para cuando es necesario que el muro soporte altas
temperaturas. Es el que se usa en hornos y chimeneas. Los
materiales básicos pueden ser los mismos que en el ladrillo común,
pero en distintas proporciones: generalmente presentan un alto
contenido de sílice y/o alúmina.
El ladrillo llamado “cara vista” (tipo V), es un ladrillo que
se usa para fachadas, debido a su excelente terminación y su
resistencia al agua. Se trata de ladrillos fabricados a máquina, con
arcillas especiales, y a una temperatura tal que elimina
prácticamente toda porosidad, por lo tanto, son más densos, y más
resistentes a la compresión. Debido a su falta de absorción, el
mortero que se usa para su colocación también es especial. Se les
conoce también como ladrillo clinker o ladrillo gresificado. Pueden
tener distintas terminaciones: gres, esmaltado, rústico.
Los ladrillos también pueden clasificarse según su
capacidad para soportar condiciones extremas: los MW soportan
condiciones climáticas adversas moderadas, como escarcha y
heladas. Los ladrillos SW soportan condiciones adversas extremas,
como la congelación. Los ladrillos NW se usan sólo para interiores
porque no están preparados para los cambios climáticos bruscos.
USOS DE LOS LADRILLOS
Los ladrillos son utilizados en construcción en
cerramientos, fachadas y particiones. Se utiliza principalmente para
construir Paredes, muros o tabiques. Aunque se pueden colocar a
hueso, lo habitual es que se reciban con mortero. La disposición de
los ladrillos en el muro se conoce como aparejo, existiendo gran
variedad de ellos.
APAREJOS
Aparejo es la ley de traba o disposición de los ladrillos en
un muro, que estipula desde las dimensiones del muro hasta los
encuentros y los enjarjes, de manera que el muro suba de forma
homogénea en toda la altura del edificio. Algunos tipos de aparejos
son los siguientes:
Aparejo a sogas: los costados del muro se forman por las
sogas del ladrillo, tiene un espesor de medio pie (el tizón) y
es muy utilizado para fachadas de ladrillo cara vista.
Aparejo a tizones o a la española: en este caso los tizones
forman los costados del muro y su espesor es de 1 pie (la
soga). Muy utilizado en muros que soportan cargas
estructurales (portantes) que pueden tener entre 12,5 cm y
24 cm colocados a media asta o soga.
Aparejo a sardinel: aparejo formado por piezas dispuestas
a sardinel, es decir, de canto, de manera que se ven los
tizones.
Aparejo inglés: en este caso se alternan ladrillo a soga y
tizón, trabando la llaga a ladrillo terciado, dando un espesor
de 1 pie (la soga). Se emplea mucho para muros portantes
en fachadas de ladrillo cara vista. Su traba es mejor que el
muro
a tizones pero su puesta en obra es más complicada y
requiere mano de obra más experimentada. El dibujo no se
corresponde con el tipo de aparejo.
Aparejo en panderete: es el empleado para la ejecución de
tabiques, su espesor es el del grueso de la pieza y no está
preparado para absorber cargas excepto su propio peso.
Aparejo palomero: es como el aparejo en panderete pero
dejando huecos entre las piezas horizontales. Se emplea en
aquellos tabiques provisionales que deben dejar ventilar la
estancia y en un determinado tipo de estructura de cubierta.
Exigencias para la colocación de ladrillos:
Colocarlos perfectamente mojados.
Colocarlos apretándolos de manera de asegurar una
correcta adherencia del mortero.
Hiladas horizontales y alineadas.
Las juntas verticales irán alternadas sin continuidad con
espesor de 1,5 cm.
Los muros que se crucen o empalmen deberán ser
perfectamente trabados.
Se controlará el «plomo» y «nivel» de las hiladas.
No se permite el empleo de clavos, alambres o hierros para
la traba de paredes o salientes.
Las paredes irán unidas a las estructuras por armadura
auxiliar (hierro 6mm de diámetro).
Aparejo inglés.
Aparejo a panderete.
Aparejo palomero.
Aparejo a sogas.
Aparejo a tizones.
PROPIEDADES DEL LADRILLO
Resistencia a la compresión:
De los macizos y perforados no debe ser inferior a 100 kg/cm2.
Heladicidad:
Se somete el ladrillo a ciclos hielo/ deshielo 25 veces. Los ladrillos
vistos son no heladizos y los vistos no precisan este requisito.
Defectos de los ladrillos:
Los ladrillos pueden presentar:
- Eflorescencias: manchas superficiales producidas por la
cristalización de sales solubles arrastradas por el agua hacia
el exterior en los ciclos humectación – secado. Los ladrillos
vistos son no eflorecidos o ligeramente eflorecidos. Los no
vistos no precisan este requisito.
- Desconchado por caliche: desprendimiento de una parte
superficial del material que hace un cráter de dimensión
media mayor de 7 mm o caliche. Grano de oxido de calcio
producido durante la cocción que se expansiona al
calentarse produciendo desconchados.
TÉCNICAS DE PROCESADO
Hoy día, en cualquier fábrica de ladrillos se llevan a cabo
una serie de procesos estándar que comprenden desde la elección
del material arcilloso al proceso de empacado final. La materia
prima utilizada para la producción de ladrillos es,
fundamentalmente, la arcilla. Este material está compuesto, en
esencia, de sílice, alúmina, agua y cantidades variables de óxidos
de hierro y otros materiales alcalinos, como los óxidos de calcio y
los óxidos de magnesio.
Las partículas del material son capaces de absorber
higroscópicamente hasta un 70 % de su peso en agua. Cuando
está hidratada, la arcilla adquiere la plasticidad suficiente para ser
moldeada, a diferencia de cuando está seca; estado en el que
presenta un aspecto terroso.
Durante la fase de endurecimiento, por secado o por
cocción, el material arcilloso adquiere características de notable
solidez, y experimenta una disminución de masa, por pérdida de
agua, de entre un 5 y un 15 %.
Una vez seleccionado el tipo de arcilla el proceso puede resumirse
en:
Maduración.
Tratamiento mecánico previo
Depósito de materia prima procesada
Humidificación
Moldeado
Secado
Cocción
Almacenaje
Maduración
Antes de incorporar la arcilla al ciclo de producción hay que
someterla a ciertos tratamientos de trituración, homogeneización y
reposo en acopio, con la finalidad de obtener una adecuada
consistencia y uniformidad de las características físicas y químicas
deseadas.
El reposo a la intemperie tiene la finalidad de facilitar el
desmenuzamiento de los terrones y la disolución de los nódulos
para impedir las aglomeraciones de partículas arcillosas. La
exposición a la acción atmosférica (aire, lluvia, sol, hielo, etc.)
favorece además la descomposición de la materia orgánica que
pueda estar presente y permite la purificación química y biológica
del material.
De esta manera se obtiene un material completamente inerte y
poco dado a posteriores transformaciones mecánicas o químicas.
Tratamiento mecánico previo
Después de la maduración, que se produce en la zona de
acopio, sigue la fase de pre-elaboración, que consiste en una serie
de operaciones que tienen la finalidad de purificar y refinar la
materia prima. Los instrumentos utilizados en la pre-elaboración,
para un tratamiento puramente mecánico suelen ser:
Rompe-terrones: como su propio nombre indica, sirve para
reducir las dimensiones de los terrones hasta un diámetro de
entre 15 y 30 mm.
Eliminador de piedras: está constituido generalmente por
dos cilindros que giran a diferentes velocidades, capaces de
separar la arcilla de las piedras o «chinos».
Desintegrador: se encarga de triturar los terrones de mayor
tamaño, más duros y compactos, por la acción de una serie
de cilindros dentados.
Laminador refinador: está formado por dos cilindros
rotatorios lisos montados en ejes paralelos, con separación,
entre sí, de 1 a 2 mm, espacio por el cual se hace pasar la
arcilla sometiéndola a un aplastamiento y un planchado que
hacen aún más pequeñas las partículas. En esta última fase
se consigue la eventual trituración de los últimos nódulos
que pudieran estar todavía en el interior del material.
Depósito de materia prima procesada
A la fase de pre-elaboración, sigue el depósito de material
en silos especiales en un lugar techado, donde el material se
homogeneiza definitivamente tanto en apariencia como en
características físico-químicas.
Humidificación
Antes de llegar a la operación de moldeo, se saca la arcilla
de los silos y se lleva a un laminador refinador, y posteriormente a
un mezclador humedecedor, donde se agrega agua para obtener la
humedad precisa.
Moldeado
El moldeado consiste en hacer pasar la mezcla de
arcilla a través de una boquilla al final de la estructura. La boquilla
es una plancha perforada que tiene la forma del objeto que se
quiere producir.
El moldeado se suele hacer en caliente utilizando vapor
saturado aproximadamente a 130 °C y a presión reducida.
Procediendo de esta manera se obtiene una humedad más
uniforme y una masa más compacta, puesto que el vapor tiene un
mayor poder de penetración que el agua.
Secado
El secado es una de las fases más delicadas del proceso
de producción. De esta etapa depende, en gran parte, el buen
resultado y calidad del material, más que nada en lo que respecta a
la ausencia de fisuras. El secado tiene la finalidad de eliminar el
agua agregada en la fase de moldeado para poder pasar a la fase
de cocción.
Esta fase se realiza en secaderos que pueden ser de
diferentes tipos. A veces se hace circular aire de un extremo a otro
por el interior del secadero, y otras veces es el material el que
circula por el interior del secadero sin inducir corrientes de aire. Lo
más normal es que la eliminación del agua del material crudo se
lleve a cabo insuflando aire caliente con una cantidad de humedad
variable. Eso permite evitar golpes termohigrométricos que puedan
producir una disminución de la masa de agua a ritmos diferentes en
distintas zonas del material y, por lo tanto, a producir fisuras
localizadas.
Cocción
Se realiza en hornos de túnel, que en algunos casos
pueden llegar a medir hasta 120 m de longitud, y donde la
temperatura de la zona de cocción oscila entre 900 °C y 1000 °C.
En el interior del horno la temperatura varía de forma
continua y uniforme. El material secado se coloca en carros
especiales, en paquetes estándar y es introducido por una de las
extremidades del túnel, saliendo por el extremo opuesto una vez
que está cocido.
Es durante la cocción cuando se produce la sinterización,
de manera que la cocción resulta una de las instancias cruciales
del proceso en lo que a la resistencia del ladrillo respecta.
Almacenaje
Antes del embalaje se procede a la formación de paquetes
sobre pallets, que permitirán después moverlos fácilmente con
carretillas de horquilla. El proceso de embalaje consiste en
envolver los paquetes con cintas de plástico o de metal, de modo
que puedan ser depositados en lugares de almacenamiento, para
posteriormente ser trasladados en camiones.
NUEVAS TECNOLOGIA
Investigadores de la Universidad de Jaén España, están
desarrollando un prototipo de ladrillo formado en base a una
mezcla de arcilla con residuos de celulosa. El resultado es un
bloque resistente, de baja conductividad térmica, con cualidades
aislantes, económico y a favor del medio ambiente.
La industria papelera genera al año toneladas de residuos
en 1991 el 27% de los residuos tóxicos y peligrosos en España
procedían de esta industria, hoy en día esta cifra ha aumentado, es
por esto que los científicos investigaron la posibilidad de unir al
material cerámico los residuos de celulosa que produce la fábrica
de papel –reciclado, en este caso, así como los lodos procedentes
de la depuración de sus aguas residuales y generar así una
solución estructural que es a la vez económica y consciente con el
medio ambiente.
Otra de las ventajas de añadir residuos a los prototipos de
ladrillos es que les aportan energía debido a la presencia de
materia orgánica. Esto puede ayudar a reducir el consumo de
combustible y el tiempo de cocción que se requiere en su
producción.
El método de fabricación consiste en crear una pasta en
base de arcilla y los residuos de celulosa, que luego, a través del
proceso de presión y extrusión en máquinas, dan como resultado
un prototipo de 3x1x6 cm. También se han hecho pruebas con
ladrillos de mayor dimensión, obteniendo resultados similares en
cuanto a sus propiedades resistentes y aislantes.
CEMENTO
Es un conglomerante formado a partir de una mezcla de
caliza y arcilla calcinadas y posteriormente molidas, que tiene la
propiedad de endurecerse al contacto con el agua. Hasta este
punto la molienda entre estas rocas es llamada clinker, esta se
convierte en cemento cuando se le agrega yeso, este le da la
propiedad a esta mezcla para que pueda fraguar y endurecerse.
Mezclado con agregados pétreos (grava y arena) y agua, crea una
mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se endurece,
adquiriendo consistencia pétrea, denominada hormigón (en
España, parte de Suramérica y el Caribe hispano) o concreto (en
México, Centroamérica y parte de Suramérica). Su uso está muy
generalizado en construcción e ingeniería civil.
TIPO DE CEMENTO
Se pueden establecer dos tipos básicos de cementos:
1. De origen arcilloso: obtenidos a partir de arcilla y
piedra caliza en proporción 1 a 4 aproximadamente.
2. De origen puzolánico: la puzolana del cemento puede
ser de origen orgánico o volcánico elemento,
diferentes por su composición, por sus propiedades
de resistencia y durabilidad, y por lo tanto por sus
destinos y usos.
Desde el punto de vista químico se trata en general de una mezcla
de silicatos y aluminatos de calcio, obtenidos a través del cocido de
calcáreo, arcilla y arena. El material obtenido, molido muy
finamente, una vez que se mezcla con agua se hidrata y solidifica
progresivamente. Puesto que la composición química de los
cementos es compleja, se utilizan terminologías específicas para
definir las composiciones.
El cemento portland:
El poso de cemento más utilizado como aglomerante para
la preparación del hormigón es el cemento portland, producto que
se obtiene por la pulverización del clinker portland con la adición de
una o más formas de yeso (sulfato de calcio). Se admite la adición
de otros productos siempre que su inclusión no afecte las
propiedades del cemento resultante. Todos los productos
adicionales deben ser pulverizados conjuntamente con el clinker.
Cuando el cemento portland es mezclado con el agua, se obtiene
un producto de características plásticas con propiedades
adherentes que solidifica en algunas horas y endurece
progresivamente durante un período de varias semanas hasta
adquirir su resistencia característica. El proceso de solidificación se
debe a un proceso químico llamado hidratación mineral.
Con el agregado de materiales particulares al cemento (calcáreo o
cal) se obtiene el cemento plástico, que fragua más rápidamente y
es más fácilmente trabajable. Este material es usado en particular
para el revestimiento externo de edificios.
N ormativa :
La calidad del cemento portland deberá estar de acuerdo
con la norma ASTM C 150. En Europa debe estar de acuerdo con
la norma EN 197-1. En España los cementos vienen regulados por
la Instrucción para recepción de cementos RC-08, aprobados por el
Real Decreto 956/2008 de 6 de junio.
Cementos Portland Especiales:
Los cementos portland especiales son los cementos que se
obtienen de la misma forma que el portland, pero que tienen
características diferentes a causa de variaciones en el porcentaje
de los componentes que lo forman.
Portland Férrico:
El portland férrico está caracterizado por un módulo de
fundentes de 0,64. Esto significa que este cemento es muy rico en
hierro. En efecto se obtiene introduciendo cenizas de pirita o
minerales de hierro en polvo. Este tipo de composición comporta
por lo tanto, además de una mayor presencia de Fe2O3 (oxido
ferroso), una menor presencia de 3CaOAl2O3 cuya hidratación es la
que desarrolla más calor. Por este motivo estos cementos son
particularmente apropiados para ser utilizados en climas cálidos.
Los mejores cementos férricos son los que tienen un módulo
calcáreo bajo, en efecto estos contienen una menor cantidad de
3CaOSiO2, cuya hidratación produce la mayor cantidad de cal libre
(Ca (OH)2). Puesto que la cal libre es el componente mayormente
atacable por las aguas agresivas, estos cementos, conteniendo
una menor cantidad, son más resistentes a las aguas agresivas
que el plástico.
Imagen al microscopio del cemento portland férrico.
CEMENTOS BLANCOS:
Contrariamente a los cementos férricos, los cementos
blancos tienen un módulo de fundentes muy alto, aproximadamente
10. Estos contienen por lo tanto un porcentaje bajísimo de Fe2O3.
EI color blanco es debido a la falta del hierro que le da una
tonalidad grisácea al Portland normal y un gris más oscuro al
cemento ferrico. La reducción del Fe2O3 es compensada con el
agregado de fluorita (CaF2) y de criolita (Na3AlF6), necesarios en la
fase de fabricación en el horno.para bajar la calidad del tipo de
cemento que hoy en día hay 4: que son tipo I 52,5, tipo II 52,5, tipo
II 42,5 y tipo II 32,5; También llamado pavi) se le suele añadir una
cantidad extra de caliza que se le llama clinkerita para rebajar el
tipo, ya que normalmente el clinker molido con yeso sería tipo I.
CEMENTOS DE MEZCLAS:
Los cementos de mezclas se obtienen agregando al
cemento Portland normal otros componentes como la puzolana. El
agregado de estos componentes le da a estos cementos nuevas
características que lo diferencian del Portland normal.
CEMENTO PUZOLÁNICO:
Se denomina puzolana a una fina ceniza volcánica que se
extiende principalmente en la región del Lazio y la Campania, su
nombre deriva de la localidad de Pozzuoli, en las proximidades de
Nápoles, en las faldas del Vesubio. Posteriormente se ha
generalizado a las cenizas volcánicas en otros lugares. Ya Vitruvio
describía cuatro tipos de puzolana: negra, blanca, gris y roja.
Mezclada con cal (en la relación de 2 a 1) se comporta
como el cemento puzolánico, y permite la preparación de una
buena mezcla en grado de fraguar incluso bajo agua.
Esta propiedad permite el empleo innovador del hormigón,
como ya habían entendido los romanos: El antiguo puerto de Cosa
(puerto) fue construido con puzolana mezclada con cal apenas
antes de su uso y colada bajo agua, probablemente utilizando un
tubo, para depositarla en el fondo sin que se diluya en el agua de
mar. Los tres muelles son visibles todavía, con la parte sumergida
en buenas condiciones después de 2100 años.
La puzolana es una piedra de naturaleza ácida, muy reactiva, al ser
muy porosa y puede obtenerse a bajo precio. Un cemento
puzolánico contiene aproximadamente:
55-70 % de clinker Portland
30-45 % de puzolana
2-4 % de yeso
Puesto que la puzolana se combina con la cal (Ca (OH)2),
se tendrá una menor cantidad de esta última. Pero justamente
porque la cal es el componente que es atacado por las aguas
agresivas, el cemento puzolánico será más resistente al ataque de
éstas. Por otro lado, como el 3CaOAl2O3 está presente solamente
en el componente constituido por el clinker Portland, la colada de
cemento puzolánico desarrollará un menor calor de reacción
durante el fraguado. Este cemento es por lo tanto adecuado para
ser usado en climas particularmente calurosos o para coladas de
grandes dimensiones.
Se usa principalmente en elementos en las que se necesita alta
impermeabilidad y durabilidad.
CEMENTO SIDERÚRGICO:
La puzolana ha sido sustituida en muchos casos por la
ceniza de carbón proveniente de las centrales termoeléctricas,
escoria de fundiciones o residuos obtenidos calentando el cuarzo.
Estos componentes son introducidos entre el 35 hasta el 80 %. El
porcentaje de estos materiales puede ser particularmente elevado,
siendo que se origina a partir de silicatos, es un material
potencialmente hidráulico. Ésta debe sin embargo ser activada en
un ambiente alcalino, es decir en presencia de iones OH-. Es por
este motivo que debe estar presente por lo menos un 20 % de
cemento Portland normal. Por los mismos motivos que el cemento
puzolánico, el cemento siderúrgico tiene mala resistencia a las
aguas agresivas y desarrolla más calor durante el fraguado. Otra
característica de estos cementos es su elevada alcalinidad natural,
que lo rinde particularmente resistente a la corrosión atmosférica
causada por los sulfatos.
Tiene alta resistencia química, de ácidos y sulfatos, y una alta
temperatura al fraguar.
CEMENTO DE FRAGUADO RÁPIDO:
El cemento de fraguado rápido, también conocido como
"cemento romano ó prompt natural", se caracteriza por iniciar el
fraguado a los pocos minutos de su preparación con agua. Se
produce en forma similar al cemento Portland, pero con el horno a
una temperatura menor (1.000 a 1.200 °C). Es apropiado para
trabajos menores, de fijaciones y reparaciones, no es apropiado
para grandes obras
porque no se dispondría del tiempo para efectuar una
buena aplicación. Aunque se puede iniciar el fraguado controlado
mediante retardantes naturales (E-330) como el ácido cítrico, pero
aun así si inicia el fraguado aproximadamente a los 15 minutos (a
20 °C). La ventaja es que al pasar aproximadamente 180 minutos
de iniciado del fraguado, se consigue una resistencia muy alta a la
compresión (entre 8 a 10 MPa), por lo que se obtiene gran
prestación para trabajos de intervención rápida y definitivos. Hay
cementos rápidos que pasados 10 años, obtienen una resistencia a
la compresión superior a la de algunos hormigones armados
(mayor a 60 MPa).
CEMENTO ALUMINOSO:
El cemento aluminoso se produce principalmente a partir
de la bauxita con impurezas de óxido de hierro (Fe2O3), óxido de
titanio (TiO2) y óxido de silicio (SiO2). Adicionalmente se agrega
óxido de calcio o bien carbonato de calcio. El cemento aluminoso
también recibe el nombre de «cemento fundido», pues la
temperatura del horno alcanza hasta los 1.600 °C, con lo que se
alcanza la fusión de los componentes. El cemento fundido es
colado en moldes para formar lingotes que serán enfriados y
finalmente molidos para obtener el producto final.
El cemento aluminoso tiene la siguiente composición de óxidos:
35-40 % óxido de calcio
40-50 % óxido de aluminio
5 % óxido de silicio
5-10 % óxido de hierro
1 % óxido de titanio
Su composición completa es:
60-70 % CaOAl2O3
10-15 % 2CaOSiO2
4CaOAl2O3Fe2O3
2CaOAl2O3SiO2
Por lo que se refiere al óxido de silicio, su presencia como
impureza tiene que ser menor al 6 %, porque el componente al que
da origen, es decir el (2CaOAl2O3SiO2) tiene pocas propiedades
hidrófilas (poca absorción de agua).
Reacciones de hidratación
CaOAl2O3+10H2O → CaOAl2O310H2O (cristales hexagonales)
2(CaOAl2O3)+11H2O → 2CaOAl2O38H2O + Al (OH)3 (cristales + gel)
2(2CaOSiO2)+ (x+1) H2O → 3CaO2SiO2xH2O + Ca (0H)2 (cristales
+ gel).
Mientras el cemento Portland es un cemento de naturaleza
básica, gracias a la presencia de cal Ca (OH)2, el cemento
aluminoso es de naturaleza sustancialmente neutra. La presencia
del hidróxido de aluminio Al (OH)3, que en este caso se comporta
como ácido, provocando la neutralización de los dos componentes
y dando como resultado un cemento neutro.
El cemento aluminoso debe utilizarse en climas fríos, con
temperaturas inferiores a los 30 °C. En efecto, si la temperatura
fuera superior, la segunda reacción de hidratación cambiaría y se
tendría la formación de 3CaOAl2O36H2O (cristales cúbicos) y una
mayor producción de Al (OH)3, lo que llevaría a un aumento del
volumen y podría causar fisuras.
PROPIEDADES GENERALES DEL CEMENTO
Buena resistencia al ataque químico.
Resistencia a temperaturas elevadas. Refractario.
Resistencia inicial elevada que disminuye con el tiempo.
Se ha de evitar el uso de armaduras. Con el tiempo aumenta
la porosidad.
Uso apropiado para bajas temperaturas por ser muy
exotérmico.
Está prohibido el uso de cemento aluminoso en hormigón
pretensado. La vida útil de las estructuras de hormigón armado es
más corta.
El fenómeno de conversión (aumento de la porosidad y caída
de la resistencia) puede tardar en aparecer en condiciones de
temperatura y humedad baja.
El proyectista debe considerar como valor de cálculo, no la
resistencia máxima sino, el valor residual, después de la
conversión, y no será mayor de 40 N/mm2.
Se recomienda relaciones A/C ≤ 0,4, alta cantidad de cemento y
aumentar los recubrimientos (debido al pH más bajo).
PROPIEDADES FÍSICAS DEL CEMENTO DE ALUMINATO DE CALCIO
Fraguado: Normal 2-3 horas.
Endurecimiento: muy rápido. En 6-7 horas tiene el 80 % de la
resistencia.
Estabilidad de volumen: No expansivo.
Calor de hidratación: muy exotérmico.
APLICACIONES
El cemento de aluminato de calcio resulta muy adecuado para:
Hormigón refractario.
Reparaciones rápidas de urgencia.
Basamentos y bancadas de carácter temporal.
Cuando su uso sea justificable, se puede utilizar en:
Obras y elementos prefabricados, de hormigón en masa o
hormigón no estructural.
Determinados casos de cimentaciones de hormigón en
masa.
Hormigón proyectado.
No resulta nada indicado para:
Hormigón armado estructural.
Hormigón en masa o armado de grandes volúmenes.(muy
exotérmico)
Es prohibido para:
Hormigón pretensado en todos los casos.
USOS COMUNES DEL CEMENTO DE ALUMINATO DE CALCIO:
Alcantarillados.
Zonas de vertidos industriales.
Depuradoras.
Terrenos sulfatados.
Ambientes marinos.
Como mortero de unión en construcciones refractarias.
Carreteras.
PROCESO DE FABRICACIÓN
El proceso de fabricación del cemento comprende cuatro etapas
principales:
1. Extracción y molienda de la materia prima
2. Homogeneización de la materia prima
3. Producción del Clinker
4. Molienda de cemento
La materia prima para la elaboración del cemento (caliza,
arcilla, arena, mineral de hierro y yeso) se extrae de canteras o
minas y, dependiendo de la dureza y ubicación del material, se
aplican ciertos sistemas de explotación y equipos. Una vez extraída
la materia prima es reducida a tamaños que puedan ser
procesados por los molinos de crudo.
La etapa de homogeneización puede ser por vía húmeda o
por vía seca, dependiendo de si se usan corrientes de aire o agua
para mezclar los materiales. En el proceso húmedo la mezcla de
materia prima es bombeada a balsas de homogeneización y de allí
hasta los hornos en donde se produce el clínker a temperaturas
superiores a los 1500 °C. En el proceso seco, la materia prima es
homogeneizada en patios de materia prima con el uso de
maquinarias especiales. En este proceso el control químico es más
eficiente y el consumo de energía es menor, ya que al no tener que
eliminar el agua añadida con el objeto de mezclar los materiales,
los hornos son más cortos y el clínker requiere menos tiempo
sometido a las altas temperaturas.
El clínker obtenido, independientemente del proceso
utilizado en la etapa de homogeneización, es luego molido con
pequeñas cantidades de yeso para finalmente obtener cemento.
Reacción de las partículas de cemento con el agua
1. Periodo inicial: las partículas con el agua se encuentran en
estado de disolución, existiendo una intensa reacción
exotérmica inicial. Dura aproximadamente diez minutos.
2. Periodo durmiente: en las partículas se produce una
película gelatinosa, la cual inhibe la hidratación del material
durante una hora aproximadamente.
3. Inicio de rigidez: al continuar la hidratación de las
partículas de cemento, la película gelatinosa comienza a
crecer, generando puntos de contacto entre las partículas,
las cuales en conjunto inmovilizan la masa de cemento.
También se le llama fraguado. Por lo tanto, el fraguado sería
el aumento de la viscosidad de una mezcla de cemento con
agua.
4. Ganancia de resistencia: al continuar la hidratación de las
partículas de cemento, y en presencia de cristales de
CaOH2, la película gelatinosa (la cual está saturada en este
punto) desarrolla unos filamentos tubulares llamados
«agujas fusiformes», que al aumentar en número generan
una trama que aumenta la resistencia mecánica entre los
granos de cemento ya hidratados.
5. Fraguado y endurecimiento: el principio de fraguado es el
tiempo de una pasta de cemento de difícil moldeado y de
alta viscosidad. Luego la pasta se endurece y se transforma
en un sólido resistente que no puede ser deformado. El
tiempo en el que alcanza este estado se llama «final de
fraguado».
ALMACENAMIENTO:
Si es cemento en sacos, deberá almacenarse sobre
parrillas de madera o piso de tablas; no se apilará en hileras
superpuestas de más de 14 sacos de altura para almacenamiento
de 30 días, ni de más de 7 sacos de altura para almacenamientos
hasta de 2 meses. Para evitar que el cemento envejezca
indebidamente, después de llegar al área de las obras, el
contratista deberá utilizarlo en la misma secuencia cronológica de
su llegada. No se utilizará bolsa alguna de cemento que tenga más
de dos meses de almacenamiento en el área de las obras, salvo
que nuevos ensayos demuestren que está en condiciones
satisfactorias.
LOZA
En un diccionario especializado, se denomina loza a las
piezas de alfarería de diferentes tipos de barro y arcilla sometidos a
un proceso de esmaltado o barniz y una cocción entre mil y mil
trescientos grados centígrados. La pasta blanca resultante debe
ser fina, porosa, absorbente y opaca.
El uso popular del término loza se aplica o refiere a la
mayoría de los objetos que conforman la vajilla doméstica, cuyo
material original es el barro cocido. Pueden distinguirse dos tipos
genéricos: la loza monocroma (por lo general blanca), y la loza
decorada.
Partiendo de su origen alfarero y a lo largo de la historia de
los procedimientos cerámicos, la loza ha ido dando nombre a
diferentes técnicas artísticas y procedimientos decorativos: loza
verde y morado, loza dorada, loza de cuerda seca, loza pintada con
paleta de gran fuego, loza pintada con paleta de pequeño fuego y
loza fina.
COMPOSICIÓN:
La loza, como todo material de origen cerámico, se fabrica a partir
de:
barro arcilloso (silicato de alúmina) que sirve de aglutinante
plástico.
sílice cristalina (arena cuarzosa), el desgrasante que dará a
la pasta el grado de plasticidad conveniente.
los elementos fundentes, que durante la cochura favorecen
la formación de un 'cemento vítreo' que consigue la cohesión
de los minerales de dicha pasta cerámica. El fundente
primordial es el feldespato.
La pasta para loza está compuesta de varias arcillas blancas
mezcladas con tierras silíceas calcinadas. Según sea la clase de
arcilla así resultará el color después de cocida, que puede ser
amarillo, rojo, pardo o negro.
El impermeabilizado de la loza se consigue con un barniz
fluido que contiene sílice, minio, blanco de plomo y galena, todo
ello molido en agua antes de su cocción. Alcanza una gran dureza
y resistencia, lo que la hace muy indicada para la vajilla doméstica.
TIPOS DE LOZA
Loza verde y morado, también conocida como verde y
manganeso y loza de Elvira, originada en el siglo IX en
Mesopotamia y desarrollada en la Península ibérica durante
el califato.
Loza dorada, más refinada y lujosa, aunque con el mismo
origen y desarrollo que la verdimorada, a la que sucedió
crono-históricamente.
Loza de cuerda seca, otra de las técnicas características de
la cerámica andalusí, aunque desarrollada en toda su
plenitud en la época de los Reyes Católicos, mezclando el
influjo musulmán con el gótico-renacentista.
Loza pintada con paleta de gran fuego, definición técnica de
la mayólica italiana renacentista que se difundió por Europa
a partir del siglo XVI, que en España se desarrolló a lo largo
de los siglos XVII y XVIII, en los alfares de Talavera de la
Reina, El Puente del Arzobispo (Toledo), Cataluña y Teruel.
Por su parte, la loza de Alcora, desarrollada a partir de 1727,
a imitación de la francesa, usó también la técnica
ornamental de la paleta de gran fuego, aunque en muchos
casos las piezas parecen decoradas con la paleta de
pequeño fuego, dada su mayor riqueza de colorido.
Loza pintada con paleta de pequeño fuego difundida por Europa
durante el siglo XVIII, especialmente en centros franceses de
Estrasburgo, Marsella y Sceaux, imitando la decoración de la
porcelana. En España tuvo escaso arraigo y difusión. Loza fina o
tierra de pipa se denomina a uno de los procesos revolucionarios
de los ceramistas ingleses del siglo XVIII. En España, además de
la producción privada de la Real Fábrica de La Moncloa, las
réplicas más importantes se hicieron en las fábricas de Alcora
(Castellón), Cartagena (Murcia), Manises (Valencia), Sargadelos
(Lugo), Sevilla, y Valdemorillo (Madrid). Otros focos productores de
loza fina dignos de mención fueron: Gijón, Oviedo, Busturia y
Pasajes, en la cornisa norte española.
En el siglo XIX, Francisco de Paula Mellado, diferenciaba
los siguientes tipos de loza fina o inglesa, según su composición:
loza fina caliza, loza fina feldespática, cream colour (loza de color
crema o creamware).
CERÁMICA
La cerámica (palabra derivada del griego keramikos,
‘sustancia quemada’) es el arte de fabricar recipientes, vasijas y
otros objetos de arcilla, u otro material cerámico y por acción del
calor transformarlos en recipientes de terracota, loza o porcelana.
También es el nombre de estos objetos. El término se aplica de
una forma tan amplia que ha perdido buena parte de su significado.
No solo se aplica a las industrias de silicatos (grupo de minerales
de mayor abundancia, pues constituyen más del 95 % de la corteza
terrestre), sino también a artículos y recubrimientos aglutinados por
medio del calor, con suficiente temperatura como para dar lugar al
sinterizado. Este campo se está ampliando nuevamente incluyendo
en él a cementos y esmaltes sobre metal.
USOS
Su uso inicial fue, fundamentalmente, la elaboración de
recipientes empleados para contener alimentos o bebidas. Más
adelante se utilizó para modelar figurillas de posible carácter
simbólico, mágico, religioso o funerario. También se empleó como
material de construcción en forma de ladrillo, teja, baldosa o
azulejo, conformando muros o revistiendo paramentos. La técnica
del vidriado le proporcionó gran atractivo, se utilizó también en
escultura. Actualmente también se emplea como aislante eléctrico
y térmico en hornos, motores y en blindaje.
UTENSILIOS
El torno y el horno son los elementos fundamentales e importantes
para la fabricación de la cerámica. Se necesita además pinceles y
varillas para la decoración. Las principales herramientas o
utensilios son:
Palillos de madera para modelar.
Vaciadores.
Herramientas de metal para esculpir
Medias lunas de metal o cuchillas de metal
Cortador de barro
Tornetas
Tornos para ceramistas
Extrusoras
Buriles variados
Jeringa con varias puntas
Marcadores
Cortadores con formas
Pinceles punta de goma
Compás de escultor
Bancos de decoración de cerámica avanzada
TÉCNICAS Y MATERIALES
Las distintas técnicas que se han ido utilizando han dado como
resultado una gran variedad de acabados:
Loza
Terracota
Terracota vidriada
Terracota esmaltada
Fayenza
Mayólica
Porcelana
Gres
Biscuit
La materia prima es la arcilla. Se emplea agua, sílice,
plomo, estaño y óxidos metálicos. Para la cerámica llamada gres
se utiliza una arcilla no calcárea y sal. Otro material importante
para otro tipo de cerámica es el caolín mezclado con cuarzo y
feldespato. También se emplea el polvo de alabastro y mármol.
Para las porcelanas se utilizan los óxidos de potasio, magnesio y
aluminio.
DECORACIÓN
Tanto antes como después de ser cocida, la pieza de alfarería
puede ser adornada sometiéndola a diferentes técnicas de
decoración:
Impresa (cerámica cardial y cultura de la cerámica cordada).
Incisa, como el esgrafiado
Bruñida
En relieve
Pintada
A lustre, identificada con algunas técnicas como la Loza
dorada.
Fabricación
La fabricación de componentes cerámicos tiene lugar de la
siguiente manera:
1. La materia prima es la arcilla. Se emplea agua, sílice, plomo,
estaño y óxidos metálicos (dependiendo del tipo de
cerámica).
2. Se procede a molerlos hasta conseguir un polvo finísimo o
se mezcla en la proporción más adecuada.
3. Se introduce el polvo en el molde que conformará la pieza.
4. Se somete a la prensa estática (llamada así porque actúa en
todas las direcciones) a presiones muy altas, hasta 3.000
kilos por centímetro cuadrado.
5. Se cuece al horno a una temperatura de entre 1.600 y 2.000
grados centígrados. El proceso de prensado y cocción se
denomina sinterización.
6. Sin embargo las piezas no salen absolutamente perfectas de
la prensa y a algunas se las impone un posterior ajuste de
calibración. La enorme dureza del material se convierte
ahora en un inconveniente, ya que solo se puede utilizar el
diamante en su tallado. Incluso con este tipo de
herramientas la remecanización resulta lenta y trabajosa y
desgaste rápidamente el utillaje, lo que encarece
notablemente los costes. Como alternativa se está
investigando nuevos métodos de tratamiento de las
superficies cerámicas basado en ultrasonidos.
7. La última fase del proceso de fabricación es el control de
calidad.
MATERIALES
Los materiales son buenos aislantes y que además tienen
la propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia en
compresión elevadas. Asimismo, su módulo de Young (pendiente
hasta el límite elástico que se forma en un ensayo de tracción)
también es muy elevado (lo que llamamos fragilidad).
Todas estas propiedades, hacen que los materiales sean
imposibles de fundir y de mecanizar por medios tradicionales
(fresado, torneado, brochado, etc). Por esta razón, en las
cerámicas realizamos un tratamiento de sinterización. Este
proceso, por la naturaleza en la cual se crea, produce poros que
pueden ser visibles a simple vista. Un ensayo a tracción, por los
poros y un elevado módulo de Young (fragilidad elevada) y al tener
un enlace iónico covalente, es imposible de realizar.
Existen materiales cuya tensión mecánica en un ensayo de
compresión puede llegar a ser superior a la tensión soportada por
el acero. La razón, viene dada por la compresión de los
poros/agujeros que se han creado en el material. Al comprimir
estos poros la fuerza por unidad de sección es mayor que antes del
colapso de los poros.
Las propiedades de un material cerámico dependen de la
naturaleza de la arcilla empleada, de la temperatura y de las
técnicas de cocción a las que ha sido sometido. Así tenemos:
Materiales porosos. No han sufrido vitrificación, es decir,
no se llega a fundir el cuarzo con la arena. Su fractura (al
romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los
gases, líquidos y grasas. Los más importantes:
- Arcillas cocidas. De color rojizo debido al óxido de hierro
de las arcillas que la componen. La temperatura de cocción
es de entre 700 a 1.000 °C. Si una vez cocida se recubre
con óxido de estaño (similar a esmalte blanco), se denomina
loza estannífera. Se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas,
jarrones, cazuelas, etc.
- Loza italiana. Se fabrica con arcilla entre amarillenta y
rojiza mezclada con arena, pudiendo recubrirse de barniz
transparente. La temperatura de cocción varía entre 1.050 a
1.070 °C.
- Loza inglesa. Fabricada de arcilla arenosa de la que se
elimina mediante lavado el óxido de hierro y se le añade
sílex (25-35 %), yeso, feldespato (bajando el punto de fusión
de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta.
La cocción se realiza en dos fases:
1) Cocido entre 1.200 y 1.300 °C.
2) Se extrae del horno y se cubre de esmalte. El resultado
es análogo a las porcelanas, pero no es impermeable.
- Refractarios. Se trata de arcillas cocidas porosas en cuyo
interior hay unas proporciones grandes de óxido de aluminio,
torio, berilio y circonio. La cocción se efectúa entre los 1.300
y los 1.600 °C. El enfriamiento se debe realizar lenta y
progresivamente para no producir agrietamientos ni
tensiones internas. Se obtienen productos que pueden
resistir temperaturas de hasta 3.000 °C. Las aplicaciones
más usuales son:
a) Ladrillos refractarios, que deben soportar altas
temperaturas en el interior de hornos.
b) Electrocerámicas: Con las que en la actualidad se están
llevando a cabo investigaciones en motores de automóviles,
aviones, generadores eléctricos, etc., con vistas a sustituir
elementos metálicos por refractarios, con los que se pueden
obtener mayores temperaturas y mejor rendimiento. Una
aplicación no muy lejana fue su uso por parte de la NASA
para proteger la parte delantera y lateral del Challenger en el
aterrizaje.
Materiales impermeables y semiimpermeables. Se los ha
sometido a temperaturas bastante altas en las que se
vitrifica completamente la arena de cuarzo. De esta manera
se obtienen productos impermeables y más duros. Los más
destacados:
- Gres cerámico común. Se obtiene a partir de arcillas
ordinarias, sometidas a temperaturas de unos 1.300 °C. Es
muy empleado en pavimentos.
- Gres cerámico fino. Obtenido a partir de arcillas
refractarias (conteniendo óxidos metálicos) a las que se le
añade un fundente (feldespato) con objeto de rebajar el
punto de fusión. Más tarde se introducen en un horno a unos
1.300 °C. Cuando está a punto de finalizar la cocción, se
impregnan los objetos de sal marina. La sal reacciona con la
arcilla y forma una fina capa de silicoalunminato alcalino
vitrificado que confiere al gres su vidriado característico.
- Porcelana. Se obtiene a partir de una arcilla muy pura,
denominada caolín, a la que se le añade fundente
(feldespato) y un desengrasante (cuarzo o sílex). Son
elementos muy duros soliendo tener un espesor
pequeño (de 2 a 4 mm), su color natural es blanco o
translucido. Para que el producto se considere porcelana es
necesario que sufra dos cocciones: una a una temperatura
de entre 1.000 y 1.300 °C y otra a más alta temperatura
pudiendo llegar a los 1.800 °C. Teniendo multitud de
aplicaciones en el hogar (pilas de cocina, vajillas, etc.) y en
la industria (toberas de reactores, aislantes en
transformadores, etc.). Según la temperatura se distinguen
dos tipos:
Porcelanas blandas . Cocidas a unos 1.000 °C, se
sacan, se les aplica esmalte y se vuelven a introducir
en el horno a una temperatura de 1.250 °C o más.
Porcelanas duras . Se cuecen a 1.000 °C, a
continuación se sacan, se esmaltan, y se reintroducen
en el horno a unos 1.400 °C o más. Si se decoran se
realiza esta operación y luego se vuelven a introducir
en el horno a unos 800 °C.
PORCELANA
Es un material cerámico producido de forma artesanal o
industrial y tradicionalmente blanco, compacto, duro, translúcido,
impermeable, resonante, de baja elasticidad y altamente resistente
al ataque químico y al choque térmico, utilizado para fabricar los
diversos componentes de las vajillas (pero no la cubertería) y para
jarrones, lámparas, esculturas y elementos ornamentales y
decorativos. Desarrollado por los chinos en el siglo VII u VIII e
históricamente muy apreciado en Occidente, pasó largo tiempo
antes de que su modo de elaboración fuera reinventado en Europa.
FABRICACIÓN
Al contrario que la loza, que se cuece a una temperatura
más baja que generalmente no pasa de los 1046 Celsius, la
porcelana o gres se cuece a una temperatura mucho más alta,
alrededor de 1200 Celsius. Se obtiene a partir de una pasta muy
elaborada compuesta por caolín, feldespato y cuarzo. El proceso
de cocción se realiza en dos etapas. La primera corresponde a la
obtención del bizcocho (850-900 °C) y la segunda corresponde al
vidriado (a temperaturas que varían según el producto entre 1175 y
1450 °C). En la cocción de la porcelana realizada en hornos de
leña, para mantener su blancura, se protegían las piezas contra los
depósitos de ceniza y las llamas directas, por un sistema de
gacetas refractarias. La porcelana se suele decorar en una tercera
cocción (tercer fuego) con pigmentos que se obtienen a partir de
óxidos metálicos calcinados.
MATERIA PRIMA
La materia prima con que se elaboran las porcelanas es un
compuesto de los siguientes minerales, mezclados en proporciones
adecuadas:
Caolín
Cuarzo
Feldespato
Cuarzo y feldespato molidos, para la cubierta
Óxidos metálicos para los colores
Oro de amalgama en el caso en que se quiera dorar algunas
partes.
VIDRIO
No debe confundirse con el cristal, un sólido cristalino y no
amorfo como el vidrio.
El vidrio es un material inorgánico duro, frágil, transparente
y amorfo que se encuentra en la naturaleza, aunque también puede
ser producido por el ser humano. El vidrio artificial se usa para
hacer ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de productos.
El vidrio es un tipo de material cerámico amorfo.
El vidrio se obtiene a unos 1500 °C a partir de arena de
sílice (Si O 2), carbonato de sodio (Na2C O 3) y caliza (Ca C O 3).
El término "cristal" es utilizado muy frecuentemente como
sinónimo de vidrio, aunque es incorrecto en el ámbito científico
debido a que el vidrio es un sólido amorfo (sus moléculas están
dispuestas de forma irregular) y no un sólido cristalino.
Botella de vidrio coloreado.
La obsidiana es un vidrio natural. Originaria de minerales fundidos
que no se recristalizaron al enfriarse después de su erupción.
VIDRIOS COMUNES
Sílice Vítrea:
Se denomina sílice a un óxido de silicio de fórmula química SiO2.
Se presenta en estado sólido cristalino bajo diferentes formas
enanciotrópicas. Las más conocidas son el cuarzo (la más
frecuente y estable a temperatura ambiente), la cristobalita y las
tridimitas. Además de estas formas, se han llegado a identificar
hasta veintidós fases diferentes, cada una de ellas estable a partir
de una temperatura perfectamente determinada.
Cuando se calienta el cuarzo lentamente, este va pasando por
distintas formas enanciotrópicas hasta alcanzar su punto de fusión
a 1723 °C. A esta temperatura se obtiene un líquido incoloro y muy
viscoso que si se enfría con relativa rapidez, se convierte en una
sustancia de naturaleza vítrea a la que se suele denominar vidrio
de cuarzo.
Este vidrio de cuarzo presenta un conjunto de propiedades de gran
utilidad y de aplicación en múltiples disciplinas: en la investigación
científica, tecnológica, en la vida doméstica y en general en todo
tipo de industria. Se destacan como más relevantes las siguientes:
1. Gran resistencia al ataque por agentes químicos, por
lo que es muy utilizado como material de laboratorio.
Sólo es atacado, de manera importante a temperatura
ambiente, por el ácido fluorhídrico en sus diferentes
formas (gaseosa o disolución). A temperaturas
superiores a 800 °C reacciona a velocidades
apreciables con sales alcalinas o alcalinotérreas, en
particular con sales sódicas, tales como el carbonato
o el sulfato sódicos.
2. Si bien su densidad a temperatura ambiente es
relativamente alta (2,2 g/cm3) su coeficiente de
dilatación lineal medio a temperaturas inferiores a los
1000 °C es extremadamente pequeño: se sitúa en
5,1•10-7 K-1, lo que permite, por ejemplo, calentarlo al
rojo y sumergirlo bruscamente en agua, sin que se
fracture. El número de aplicaciones que esta
propiedad suscita es elevado.
3. Su índice de refracción a la radiación
electromagnética visible es 1,4589, lo que le hace
apto para instrumentos ópticos en general.
4. Su resistividad eléctrica es del orden de los
1020 ohm·cm en condiciones normales lo que le
convierte en uno de los mejores aislantes eléctricos
conocidos, con todas las aplicaciones que de ello se
derivan en la industria moderna.
5. La absorción de la radiación electromagnética del
vidrio de cuarzo muestra una gran transparencia a la
luz visible así como en las bandas correspondientes
al espectro ultravioleta, lo que le hace especialmente
apto para la fabricación de lámparas y otros
instrumentos generadores de este tipo de radiación.
Otras propiedades, sin embargo, dificultan su elaboración y
utilización. En particular, las siguientes:
1. El punto de fusión de la sílice cristalizada depende
de la variedad enanciotrópica que se trate. Para la
variedad estable a partir de los 1470 °C (la α-
cristobalita) este es de 1723 °C. Estas son
temperaturas que no pueden alcanzarse fácilmente,
salvo en instalaciones muy especializadas. Por esta
razón, la fabricación del vidrio de cuarzo ha sido
siempre rara y cara. Industrialmente, su producción es
bastante limitada si se la compara con otros tipos de
vidrio.
2. Su viscosidad en estado vítreo presenta una gran
variación con la temperatura, pasando de valores
superiores a 107 poises (aspecto totalmente sólido)
por debajo de los 1800 °C, a 103,5 poises a 2758 °C
(aspecto pastoso y moldeable).
3. Las viscosidades toman valores tan sumamente
elevados que deben expresarse como potencias de
diez. En general, las viscosidades de los vidrios
suelen darse bajo la forma de su logaritmo decimal.
Para obtener el vidrio de cuarzo es necesario partir de
un cuarzo cristalizado de gran pureza, finamente
molido, que se somete a altas temperaturas. El
líquido que se obtiene presenta gran cantidad de
burbujas diminutas de aire ocluido entre los granos
del cuarzo, que le dan un aspecto lechoso, traslúcido,
al que se suele denominar gres de cuarzo y cuyas
aplicaciones como recipiente resistente al ataque
químico o a los cambios bruscos de temperatura son
frecuentes. Sin embargo, resulta totalmente inútil para
aplicaciones en las que se precise una gran
transparencia (lámparas de rayos UVA, lámparas de
cuarzo y óptica en general). Para estas últimas es
necesario que durante el proceso de fusión se
puedan desprender esas burbujas gaseosas ocluidas.
Para que ese desprendimiento fuera efectivo bajo la
presión atmosférica y a una velocidad aplicable
industrialmente, se precisaría que el líquido
presentara una viscosidad por debajo de los 200
poises, lo que en el caso de la sílice líquida implicaría
temperaturas del orden de los 3600 °C. En la práctica
para poder desgasificar el vidrio de sílice se funde el
cuarzo a temperaturas próximas a los 2000 °C en
recipientes donde se hace el vacío, complicando
mucho la tecnología de su producción y, por
consiguiente, encareciendo el producto.
4. La resistencia a la tracción en estado puro, en
condiciones normales y con una superficie
perfectamente libre de toda fisura, es de unos
60 kbar. Esta gran resistencia (superior a la del acero)
se ve fuertemente disminuida por imperfecciones en
la superficie del objeto, por pequeñas que éstas sean.
5. Su módulo de Young a 25 °C es de 720 kbar y el de
torsión 290 kbar. Cuando se le somete a un esfuerzo
de tracción mecánica a temperaturas próximas a la
ambiente, se comporta como un cuerpo
perfectamente elástico con una función
alargamiento/esfuerzo lineal, pero sin prácticamente
zona plástica cercana a su límite de rotura. Esta
propiedad, unida a la resistencia mecánica a la
tracción anteriormente citada, lo convierten en un
producto frágil. Al golpearlo, o se deforma
elásticamente y su forma no se altera o, si se
sobrepasa su límite de elasticidad, se fractura.
Silicato sódico:
Las sales más comunes de sodio tienen puntos de fusión
por debajo de los 900 °C. Cuando se calienta una mezcla íntima de
cuarzo finamente dividido con una sal de estos metales alcalinos,
por ejemplo Na2CO3, a una temperatura superior a los 800 °C se
obtiene inicialmente una fusión de la sal alcalina, cuyo líquido
rodea a los granos de cuarzo, produciéndose una serie de
reacciones que pueden englobarse en la resultante siguiente:
SiO2 (s) + Na2CO3 (s) Na2SiO3 (s) + CO2 (g) H = -5,12
kcal/mol
Esta reacción, levemente exotérmica, desprende anhídrido
carbónico gaseoso -que burbujea entre la masa en fusión- y
conduce a un primer silicato sódico, de punto de fusión 1087 °C.
De acuerdo con la termodinámica, la mezcla de dos
sustancias de puntos de fusión diferentes presenta un “Punto de
Liquidus” que se sitúa entre los de las dos sustancias en contacto.
De esta forma la mezcla de la sílice y el silicato sódico formado da
lugar a un producto de SiO2 y silicatos, ya en estado líquido a
temperaturas que no sobrepasan los 1200 °C, lejos de los más de
2000 °C necesarios para preparar el vidrio de cuarzo.
Al producto así obtenido se le da corrientemente el nombre
genérico de silicato sódico, si bien con esta denominación se
identifica a un conjunto de productos derivados de la fusión del
cuarzo con sales sódicas (generalmente carbonatos) en diferentes
proporciones de uno y otro componente. Industrialmente se
preparan silicatos sódicos con proporciones molares de cada
componente situadas entre:
3,90 moles de SiO2 / 1 mol de Na2O y 1,69 moles de SiO2 / 1
mol de Na2O
Nota:
La proporción estequiométrica de un metasilicato sódico
puro sería de 1 mol de SiO2 / 1 mol de Na2O
Estos silicatos sódicos presentan un aspecto vítreo,
transparente y muy quebradizo. Para alcanzar una viscosidad del
orden de los 1000 poises (necesaria para su moldeado) se
precisan temperaturas que, en función de su composición, oscilan
entre los 1220 °C para el silicato más rico en SiO2, y los 900 °C
para el más pobre. Son muy solubles en agua: entre un 35 % y un
50 % en peso de silicato, según el contenido en SiO2. Su falta de
rigidez mecánica y su solubilidad en agua les hacen inútiles como
sustitutos del vidrio de cuarzo en ninguna de sus aplicaciones.
Raramente se presentan en la industria en forma sólida,
sino bajo la forma de disolución acuosa. Su solución en agua se
utiliza como pegamento cerámico muy eficaz o como materia prima
para la producción mediante hidrólisis de gel de sílice, sustancia
usada como absorbente de la humedad (torres de secado de
gases, etc.) o como componente de ciertos productos tales como
neumáticos para vehículos y otras aplicaciones en la industria
química.
Su producción se realiza en hornos continuos de balsa calentados
mediante la combustión de derivados del petróleo y frecuentemente
también con energía eléctrica, a temperaturas lo más elevadas
posibles (dentro de una cierta rentabilidad) con el fin de aumentar
la productividad del horno. Estas temperaturas suelen situarse
entre los 1400 °C y los 1500 °C.
Vidrios de silicato sódico:
Con el fin de obtener un producto con propiedades
similares a las del vidrio de cuarzo a temperaturas alcanzables por
medios técnicamente rentables, se produce un vidrio de silicato
sódico al que se le añaden otros componentes que le hagan más
resistente mecánicamente, inerte a los agentes químicos a
temperatura ambiente -muy particularmente al agua- y que guarden
su transparencia a la luz, al menos en el espectro visible.
Estos componentes son metales alcalinotérreos, en
particular magnesio, calcio o bario, además de aluminio y otros
elementos en menores cantidades, algunos de los cuales aparecen
aportados como impurezas por las materias primas (caso del
hierro, el azufre u otros). Las materias primas que se utilizan para
la elaboración de vidrios de este tipo se escogen entre aquellas
que presenten un menor costo:
Para el cuarzo:
o Arenas feldespáticas, de pureza en SiO2 superior al
95 % y con el menor contenido en componentes
férricos posible (entre un 0,15 % y 0,01 % en términos
de Fe2O3)
o Cuarcitas molidas
Para el sodio:
o Carbonatos sódicos naturales (yacimientos de
Estados Unidos y África).
o Carbonato sódico sintético, el más utilizado en
Europa.
o Sulfato sódico sintético, subproducto de la industria
química.
o Nitrato sódico natural (nitrato de Chile).
o Cloruro sódico o sal común.
Estos tres últimos, utilizados en pequeñas
proporciones, debido al desprendimiento de
gases contaminantes durante la elaboración
del vidrio: SOX, NOX, Cl2.
Para el Calcio:
o Calizas naturales.
Para el Magnesio:
o Dolomitas naturales.
Para el Bario:
o Sulfato bárico natural (baritina).
Para el Aluminio:
o Feldespatos naturales (caolines).
La producción industrial de este tipo de vidrios se realiza, al
igual que en el caso de los silicatos sódicos, en hornos para vidrio,
generalmente de balsa, calentados mediante la combustión de
derivados del petróleo con apoyo, en muchos casos, de energía
eléctrica a temperaturas que oscilan entre los 1450 °C y los
1600 °C. En estos hornos se introduce una mezcla en polvo
ligeramente humedecida ( 5 % de agua) y previamente dosificada
de las materias primas ya citadas. Esta mezcla de materias
minerales reacciona (a velocidades apreciables y, evidentemente,
cuanto mayores mejor) para formar el conjunto de silicatos que,
combinados y mezclados, darán lugar a esa sustancia a la que se
denomina vidrio común.
PROPIEDADES DEL VIDRIO
Las propiedades del vidrio común, son una función tanto de
la naturaleza como de las materias primas como de la composición
química del producto obtenido. Esta composición química se suele
representar en forma de porcentajes en peso de los óxidos más
estables a temperatura ambiente de cada uno de los elementos
químicos que lo forman. Las composiciones de los vidrios silicatos
sódicos más utilizados se sitúan dentro de los límites que se
establecen en la tabla adjunta.
Intervalos de composición frecuentes en los vidrios comunes
Componente Desde ... % ... hasta %
SiO2 68,0 74,5
Al2O3 0,0 4,0
Fe2O3 0,0 0,45
CaO 9,0 14,0
MgO 0,0 4,0
Na2O 10,0 16,0
K2O 0,0 4,0
SO3 0,0 0,3
Muchos estudios particularmente en la primera mitad del
siglo XX han intentado establecer correlaciones entre lo que se
denominó la estructura interna del vidrio generalmente basada en
teorías atómicas y las propiedades observadas en los vidrios.
Producto de estos estudios fueron un conjunto de relaciones, de
naturaleza absolutamente empírica, que representan de manera
sorprendentemente precisa muchas de esas propiedades mediante
relaciones lineales entre el contenido de los elementos químicos
que forman un vidrio determinado (expresado bajo la forma del
contenido porcentual en peso de sus óxidos más estables) y la
magnitud representando dicha propiedad. Curiosamente, las
correlaciones con las composiciones expresadas en forma molar o
atómica son mucho menos fiables.
silicato sódico
Composición "tipo" de
vidrio de
SiO2
Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3
73,20 1,51 0,10 10,62 0,03 13,22 1,12 0,20
Los contenidos en MgO, Fe2O3 y SO3 son consecuencia de las
impurezas de la caliza, arena y el sulfato sódico, respectivamente
Coeficientes para el cálculo de propiedades del vidrio
Coeficientes para el cálculo de propiedades del vidrio
Propiedad Valor Unidades Fuente
Densidad a 25 °C(1) 2,49 g/cm³ Gilard & Dubrul
Coeficiente de dilatación
lineal a 25 °C(2)8,72•10−6 °C−1
Wilkelman &
Schott
Conductividad térmica a
25 °C0,002 cal/cm.s.°C Russ
Tensión superficial a
1200 °C319 dinas/cm Rubenstein
Índice de refracción (a
589,3 nm)(3)1,52 - Gilard & Dubrul
Módulo de elasticidad a
25 °C719 kbar Appen
Módulo de Poisson a
25 °C0,22 -
Wilkelman &
Schott
Resistencia a la tracción a
25 °C(4)(900) bar
Wilkelman &
Schott
Constante dieléctrica
(4.5.188 Hz)7,3 -
Appen &
Bresker
Resistencia eléctrica a
1100 °C1,06 Ώ.cm
Resistencia eléctrica a
1500 °C0,51 Ώ.cm
Calor específico a 25 °C 0,20 cal/g/°C Sharp & Ginter
Atacabilidad química DIN
12111(5)13,52
ml de HCl
0,01NR. Cuartas
Coeficientes para el cálculo de propiedades del vidrio
(cuadro)
Logaritmo de la viscosidad según temperaturas (según R. Cuartas).
La absorción (o transparencia) a la luz de los vidrios de silicato
sódico en la zona del espectro visible (0,40 μ a 0,70 μ) depende de
su contenido en elementos de transición (Ni y Fe en el ejemplo).
Sin embargo, tanto en el ultravioleta como en el infrarrojo el vidrio
se comporta prácticamente como un objeto casi opaco,
independientemente de cualquiera de estos elementos.
Notas:
(1) La densidad es algo más elevada que en el cuarzo
fundido 2,5 frente a 2,2 g/cm³).
(2) El coeficiente de dilatación térmica lineal a temperatura
ambiente, es notablemente más alto que el de la sílice
fundida (unas 20 veces más), por lo que los objetos de
vidrios de silicato sódico son menos resistentes al "choque
térmico".
(3) Su índice de refracción es ligeramente mayor que el del
vidrio de cuarzo y puede aumentarse mediante el uso de
aditivos.
(4) La resistencia a la tracción en cualquier tipo de vidrio es
una magnitud que depende extraordinariamente del estado
de la superficie del objeto en cuestión, por lo que su
cuantificación es compleja y poco fiable.
(5) La resistencia al ataque químico o físico (disolución) de
los vidrios comunes es una función de su composición
química fundamentalmente. No obstante, en todos ellos esta
resistencia es elevada. Se suele medir mediante una serie
de pruebas tipificadas internacionalmente. Entre las más
usadas:
o DIN 12116
o DIN 52322
o DIN 12111
o La atacabilidad de los vidrios también se modifica
mediante tratamientos superficiales: con SO2, Sn, Ti,
y otros.
(6) Para moldear un vidrio es necesaria una viscosidad que
se sitúa entre 1000 poises y 5000 poises. En el caso de la
sílice son necesarias temperaturas de más de 2600 °C, en
tanto que para los vidrios comunes basta con 1 200 °C,
aproximadamente.
(7) La absorción de la luz se ve influenciada por la estructura
íntima de estas materias transparentes. En el caso de una
estructura Si-O la absorción de fotones es baja, incluso para
longitudes pequeñas de onda (transparencia a los rayos
UVA). No es así cuando a esta sencilla estructura se le
añaden otros elementos (Na, Mg, Ca, etc.) que inciden
decisivamente en la absorción a las longitudes de onda
pequeñas (menores de 200 nm) y en las infrarrojas
(superiores a 700 nm).
RECICLAJE DEL VIDRIO
El vidrio es un material totalmente reciclable y no hay límite
en la cantidad de veces que puede ser reprocesado. Al reciclarlo
no se pierden las propiedades y se ahorra una cantidad de energía
de alrededor del 30 % con respecto al vidrio nuevo.
Para su adecuado reciclaje el vidrio es separado y
clasificado según su tipo el cual por lo común está asociado a su
color, una clasificación general es la que divide a los vidrios en tres
grupos: verde, ámbar o café y transparente.
El proceso de reciclado después de la clasificación del
vidrio requiere que todo material ajeno sea separado como son
tapas metálicas y etiquetas, luego el vidrio es triturado y fundido
junto con arena, hidróxido de sodio y caliza para fabricar nuevos
productos que tendrán idénticas propiedades con respecto al vidrio
fabricado directamente de los recursos naturales.
En algunas ciudades del mundo se han implementado
programas de reciclaje de vidrio, en ellas pueden encontrarse
contenedores especiales para vidrio en lugares públicos.
En ciertos casos el vidrio es reutilizado, antes que
reciclado. No se funde, sino que se vuelve a utilizar únicamente
lavándolo (en el caso de los recipientes). En acristalamientos,
también se puede aprovechar el vidrio cortándolo nuevamente
(siempre que se necesite una unidad más pequeña).
UTILIDADES DEL VIDRIO
Hoy en día, el vidrio se ha convertido en un aliado perfecto
para la decoración de nuestros hogares. Gracias a su elegancia,
transmisión de la luz exterior y su transparencia, el vidrio hace que
los espacios se conviertan en amplios y limpios. Para ello la
elección del vidrio adecuado es muy importante sobre todo para
arquitectos y diseñadores que son los que hacen utilidad de este
material para la creación de sus proyectos. Además, el vidrio al
tener distintos colores y texturas, hace que su utilidad sea infinita.
Puede ser utilizado en infinidad de sitios:
Mamparas de baño
Mamparas divisorias
Revestimiento de paredes
Barandillas
Cortinas
Vitrinas
Mesas
MATERIALES POLIMERICOS
Son aquellos constituidos por largas cadenas o redes
moleculares que frecuentemente se basa en compuestos
orgánicos.
Estructuralmente no son cristalinos pero algunos constan
de regiones cristalinas y no cristalinas
NAILON
El nailon o nilón, es un polímero artificial que pertenece al
grupo de las poliamidas. Se genera formalmente por
policondensación de un diácido con una diamina. La cantidad de
átomos de carbono en las cadenas de la amina y del ácido se
puede indicar detrás de las iniciales de poliamida. El más conocido,
el PA6.6, es por lo tanto el producto formal del ácido hexanodioico
(ácido adípico) y la hexametilendiamina.
Por razones prácticas no se prepara a partir del ácido y la amina,
sino de disoluciones de la amina y del cloruro del diácido. Entre las
dos fases, se forma el polímero que se puede expandir hasta
formar el hilo de nailon.
Un polímero parecido es el «Perlón» que se forma por apertura y
polimerización de una lactama, generalmente la caprolactama. La
diferencia reside en que en el nailon las cadenas están formadas
por polímeros con la fórmula general ( ..-NH-C (=O)-(CH2) n-C(=O)-
NH-(CH2)m-...) mientras que en el perlón las cadenas tienen la
secuencia (-NH-C (=O)-(CH2)n-NH-C(=O)-(CH2)n-...).
El descubridor del nailon y quien lo patentó por primera vez fue
Wallace Hume Carothers. Lo descubrió el día 28 de febrero de
1935, pero no lo patentó hasta el 20 de septiembre de 1938 (U.S.
Patents 2130523, 2130947 y 2130948). A la muerte de Carothers,
la empresa DuPont conservó la patente. Los Laboratorios DuPont,
en 1938, produjeron esta fibra sintética fuerte y elástica, que
reemplazaría en parte a la seda y el rayón.
El nailon es una fibra textil elástica y resistente, no la ataca la
polilla, no precisa planchado y se utiliza en la confección de
medias, tejidos y telas de punto, también cerdas y sedales. El
nailon moldeado se
utiliza como material duro en la fabricación de diversos utensilios,
como mangos de cepillos, peines, etc.
Con este invento se revolucionó en 1938 el mercado de las medias,
con la fabricación de las medias de nailon, pero pronto se hicieron
muy difíciles de conseguir, porque al año siguiente los Estados
Unidos entraron en la Segunda Guerra Mundial y el nailon fue
necesario para hacer material de guerra, como cuerdas y
paracaídas. Pero antes de las medias o de los paracaídas, el
primer producto de nailon fue el cepillo de dientes con cerdas de
nailon. Las primeras partidas llegaron a Europa en 1945.
PROPIEDADES
Durante la fabricación las fibras de nailon se someten a
extrusión, texturizado e hilado en frío hasta alcanzar cerca de 4
veces su longitud original, lo cual aumenta su cristalinidad y
resistencia a la tracción.
Resistencia:
Su viscosidad de fundido es muy baja, lo cual puede
acarrear dificultades en la transformación industrial, y su exposición
a la intemperie puede causar una fragilización y un cambio de color
salvo si hay estabilización o protección previa.
Al nailon se le puede agregar fibra de vidrio para proporcionar un
incremento en la rigidez.
Es un polímero cristalino ya que se le da un tiempo para que se
organice y se enfríe lentamente, siendo por esto muy resistente.
Las cadenas de nailon con un número par de átomos de carbono
entre los grupos amida son más compactas y sus puntos de fusión
serán más altos que aquellas con un número impar de átomos de
C. El punto de fusión disminuye y la resistencia al agua aumenta a
medida que aumenta el número de grupos metileno entre los
grupos amida.
Punto de fusión y solubilidad:
El nailon es soluble en fenol, cresol y ácido fórmico. Su punto de
fusión es de 263 °C.
Mecanismo de reacción:
El nailon 6,6 tiene un monómero, que se repite n veces,
cuanto sea necesario para dar forma a una fibra. El primer 6 que
acompaña al nailon nos dice el número de carbonos de la amida y
la segunda cifra es el número de carbonos de la cadena ácida.
El nailon 6,6 se sintetiza por condensación en el laboratorio
a partir de cloruro de adipoílo y hexametilenodiamina. Pero en una
planta industrial de nailon se fabrica generalmente haciendo
reaccionar el ácido adípico (derivado del fenol) con la
hexametilenodiamina (derivado del amoniaco).
Cinética:
Como el nailon se produce por condensación, la cinética es
por pasos. Debido a que hay menos masa en el polímero que en
los monómeros originales, se dice que el polímero está
condensado con respecto a los monómeros. El subproducto es
agua y se le denomina condensado.
Estado:
De acuerdo con la funcionalidad F=2, el nailon es una fibra,
generalmente de alta fusión.
La organización de las moléculas y el enfriamiento cuidadoso con
que se hace para este fin determinan que el polímero sea cristalino.
Fuerzas moleculares:
Las fuerzas moleculares del nailon son secundarias.
Presenta fuerzas de London (no polar) y múltiples puentes de
hidrógeno, como se puede ver en la figura anterior.
Los enlaces por puente de hidrógeno y otras interacciones
secundarias entre cadenas individuales mantienen fuertemente
unidas las cadenas poliméricas, lo que dificulta el deslizamiento de
una sobre otra.
Esto significa que cuando se estiran las fibras de nailon no se
extienden mucho, si es que lo hacen. Ello explica por qué las fibras
son ideales para emplearlas en hilos y sogas.
Las fibras también tienen sus inconvenientes. Si bien poseen
buena fuerza tensil, es decir que son resistentes cuando se las
estira, por lo general tienen baja fuerza compresional, o sea, son
débiles cuando se aprietan o se comprimen. Además, las fibras
tienden a ser resistentes en una dirección, aquella en la cual están
orientadas. Si se las estira en ángulos rectos a la dirección de su
orientación, tienden a debilitarse.
Debido a esta extraña combinación de resistencias y debilidades, a
menudo resulta una buena idea emplear las fibras juntamente con
otro material, como un termorrígido.
Las fibras se usan frecuentemente para reforzar los termorrígidos.
Compensan las falencias de los termorrígidos y, a su vez, las
resistencias de los termorrígidos hacen lo propio con las falencias
de las fibras.
Cuando un termorrígido o cualquier otro polímero se refuerzan de
este modo con una fibra, se dice que es un material compuesto.
POLICONDENSACIÓN Y ETAPAS
El nailon se produce por medio de policondensación.
Cuando el oxígeno del carbonilo es protonado, se vuelve mucho
más vulnerable al ataque del nitrógeno de la diamina. El oxígeno
protonado atrae los electrones que comparte con el carbonilo, lo
que deja al carbono del carbonilo deficiente de electrones y listo
para que el nitrógeno de la amina le done un par. El dímero
también puede reaccionar con otros dímeros para formar un
tetrámero. O puede reaccionar con un trímero para formar un
pentámero y a su vez reaccionar con oligómeros más grandes.
Finalmente, cuando esto sucede, los dímeros se transforman en
trímeros, tetrámeros y oligómeros más grandes y estos oligómeros
reaccionan entre sí para formar oligómeros aún más grandes.
Esto sigue así hasta que se hacen lo suficientemente grandes
como para ser considerados polímeros.
Para que las moléculas crezcan lo suficiente como para ser
consideradas polímeros, hay que hacer esta reacción bajo vacío.
En este caso, todo el subproducto agua se evaporará y será
eliminado del medio de reacción. Hay que deshacerse del agua
para favorecer la reacción de Le Châtelier. Como se dijo antes, la
reacción no necesita un catalizador ácido para llevarse a cabo; La
razón por la que se sabe esto es que, al acercarse al final de la
polimerización, donde no hay muchos grupos ácidos remanentes
para comportarse como catalizadores, la reacción aún prosigue. Es
decir, la amina puede reaccionar con los ácidos carboxílicos no
protonados. Si no fuera así, no se podría obtener nailon 6,6 de alto
peso molecular sin un catalizador externo, ya que la reacción se
detendría a conversiones más altas, cuando no haya suficientes
grupos ácidos para actuar como catalizadores.
La materia prima para la producción de nailon 66 es el benceno, el
cual se deriva del craqueo y de la reformación del petróleo.
USOS DEL NAILON
Además de como fibra textil, el nailon se utiliza para:
Piezas de autos (como el depósito de gasolina)
Piezas de máquinas (como engranes y cojinetes)
Cuerdas de guitarra
Cremalleras
Palas de ventiladores industriales
Tornillos
PEAD POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD
El polietileno de alta densidad es un polímero de la familia
de los polímeros olefínicos (como el polipropileno), o de los
polietilenos. Su fórmula es (-CH2-CH2-) n. Es un polímero
termoplástico conformado por unidades repetitivas de etileno. Se
designa como HDPE (por sus siglas en inglés, High Density
Polyethylene) o PEAD (polietileno de alta densidad). Este material
se utiliza, entre otras cosas, para la elaboración de envases
plásticos desechables.
POLIMERIZACIÓN
CARACTERÍSTICAS DEL POLIETILENO DE ALTA
DENSIDAD
El polietileno de alta densidad es un polímero que se caracteriza
por:
1. Excelente resistencia térmica y química.
2. Muy buena resistencia al impacto.
3. Es sólido, incoloro, translúcido, casi opaco.
4. Muy buena procesabilidad, es decir, se puede procesar por
los métodos de conformados empleados para los
termoplásticos, como inyección y extrusión.
5. Es flexible, aún a bajas temperaturas.
6. Es tenaz.
7. Es más rígido que el polietileno de baja densidad.
8. Presenta dificultades para imprimir, pintar o pegar sobre él.
9. Es muy ligero.
10.Su densidad es igual o menor a 0.952 g/cm3.
11.No es atacado por los ácidos, resistente al agua a 100 ºC y a
la mayoría de los disolventes ordinarios.
PROCESOS DE CONFORMADO
Se puede procesar por los métodos de conformados empleados
para los termoplásticos, como son: moldeo por inyección,
rotomoldeo , extrusión y compresión.
APLICACIONES
Algunas de sus aplicaciones son:
Tuberías para distribución de agua potable.
Envases de alimentos, detergentes, y otros productos
químicos.
Artículos para el hogar.
Juguetes.
Acetábulos de prótesis femorales de caderas.
Dispositivos protectores (cascos, rodilleras, coderas...).
Impermeabilización de terrenos (vertederos, piscinas,
estanques, pilas dinámicas en la gran minería).
Empaques para partes automotrices.
Charolas (trays) termoformados con la forma geométrica de
la parte a contener.
Tarimas.
ush (Pallets).
MEZCLAS POLIMÉRICAS
El polietileno de alta densidad se puede copolimerizar con
propileno. Algunas de sus aplicaciones son: Bolsas plásticas.
Envases de alimentos, detergentes, y otros productos químicos.
Artículos para el hogar. Juguetes. Acetábulos de prótesis femorales
de caderas. Dispositivos protectores (cascos, rodilleras, coderas...).
Impermeabilización de terrenos (vertederos, piscinas, estanques,
pilas dinámicas en la gran minería). Empaques para partes
automotrices. Charolas (trays) termoformados con la forma
geométrica de la parte a contener. Tarimas. ush (Pallets).
Coladeras.
PRODUCTOS DERIVADOS
Botella Invertida
Maneral para destapa caños/lavabos
Tarro
Capsuleros
Aislamiento de cables conductores
RECICLAJE
Este material puede ser reciclado, al igual que los demás
termoplásticos. Es identificado con el siguiente símbolo:
El polietileno de alta densidad es reciclable.
PVC POLI CLORURO DE VINILO
PVC es el producto de la polimerización del monómero de
cloruro de vinilo a policloruro de vinilo. Es el derivado del plástico
más versátil. Este se puede producir mediante cuatro procesos
diferentes: Suspensión, emulsión, masa y solución.
Se presenta como un material blanco que comienza a reblandecer
alrededor de los 80 °C y se descompone sobre 140 °C. Es un
polímero por adición y además una resina que resulta de la
polimerización del cloruro de vinilo o cloroeteno. Tiene una muy
buena resistencia eléctrica y a la llama.
El átomo de cloro enlazado a cada átomo de carbono le confiere
características amorfas principalmente e impiden su
recristalización, la alta cohesión entre moléculas y cadenas
poliméricas del PVC se deben principalmente a los momentos
dipolares fuertes originados por los átomos de cloro, los cuales a
su vez dan cierto impedimento estérico es decir que repelen
moléculas con igual carga, creando repulsiones electrostáticas que
reducen la flexibilidad de las cadenas poliméricas, esta dificultad en
la conformación estructural hace necesario la incorporación de
aditivos para ser obtenido un producto final deseado.
En la industria existen dos tipos:
Rígido: para envases, ventanas, tuberías, las cuales han
reemplazado en gran medida al hierro (que se oxida más
fácilmente), muñecas antiguas.
Flexible: cables, juguetes y muñecas actuales, calzados,
pavimentos, recubrimientos, techos tensados...
El PVC se caracteriza por ser dúctil y tenaz; presenta estabilidad
dimensional y resistencia ambiental. Además, es reciclable por
varios métodos.
OBTENCIÓN
Se obtiene a partir del craqueo del petróleo, que consiste en
romper los enlaces químicos del compuesto para conseguir
diferentes propiedades y usos. Lo que se obtiene es el etileno, que
combinado
con el cloro obtenido del cloruro de sodio producen etileno
diclorado, que pasa a ser luego cloruro de vinilo. Mediante un
proceso de polimerización llega a ser cloruro de polivinilo o PVC.
Antes de someterlo a procesos para conformar un objeto el
material se mezcla con pigmentos y aditivos como estabilizantes o
plastificantes, entre otros.
CARACTERÍSTICAS
Tiene una elevada resistencia a la abrasión, junto con una
baja densidad (1,4 g/cm3), buena resistencia mecánica y al
impacto, lo que lo hace común e ideal para la edificación y
construcción.
Al utilizar aditivos tales como estabilizantes, plastificantes
entre otros, el PVC puede transformarse en un material
rígido o flexible, característica que le permite ser usado en
un gran número de aplicaciones.
Es estable e inerte por lo que se emplea extensivamente
donde la higiene es una prioridad, por ejemplo los catéteres
y las bolsas para sangre y hemoderivados están fabricadas
con PVC, así como muchas tuberías de agua potable.
Es un material altamente resistente, los productos de PVC
pueden durar hasta más de sesenta años como se
comprueba en aplicaciones tales como tuberías para
conducción de agua potable y sanitarios; de acuerdo al
estado de las instalaciones se espera una prolongada
duración del PVC así como ocurre con los marcos de
puertas y ventanas.
Debido a los átomos de cloro que forman parte del polímero
PVC, no se quema con facilidad ni arde por si solo y cesa de
arder una vez que la fuente de calor se ha retirado. Los
perfiles de PVC empleados en la construcción para
recubrimientos, cielorrasos, puertas y ventanas, se debe a la
poca inflamabilidad que presenta.
Se emplea eficazmente para aislar y proteger cables
eléctricos en el hogar, oficinas y en las industrias debido a
que es un buen aislante eléctrico.
Se vuelve flexible y moldeable sin necesidad de someterlo a
altas temperaturas (basta unos segundos expuestos a una
llama) y mantiene la forma dada y propiedades una vez
enfriado a temperatura ambiente, lo cual facilita su
modificación.
Alto valor energético. Cuando se recupera la energía en los
sistemas modernos de combustión de residuos, donde las
emisiones se controlan cuidadosamente, el PVC aporta
energía y calor a la industria y a los hogares.
Amplio rango de durezas
Rentable. Bajo coste de instalación.
Es muy resistente a la corrosión
POLIMERIZACIÓN
El policloruro de vinilo se produce a escala industrial por
medio de polimerización radicálica, en bloque, en suspensión o en
emulsión. Los métodos de polimerización en solución tienen menor
importancia
comercial, al menos en Europa. Aunque no se facilitan los detalles
del proceso, según una patente tipo, el cloruro de vinilo es
polimerizado con un 0,8% de peróxido de benzoílo, basado en el
peso del monómero. La operación se realiza a 58 °C durante 17
horas en un cilindro rotativo, en cuyo interior hay bolas de acero
inoxidable. Debido a que el polímero es insoluble en el monómero,
la polimerización en bloque es heterogénea. La reacción es difícil
de controlar y da lugar a una ligera disminución de las propiedades
aislantes y de la transparencia. La forma y el tamaño de las
partículas, así como la distribución de tamaños pueden ser
controlados variando el sistema de dispersión y la velocidad de
agitación.
POLIURETANO
El poliuretano (PU) es un polímero que se obtiene
mediante condensación de bases hidroxílicas combinadas con
diisocianatos. Los poliuretanos se clasifican en dos grupos,
definidos por su estructura química, diferenciados por su
comportamiento frente a la temperatura. De esta manera pueden
ser de dos tipos: Poliuretanos termoestables o poliuretanos
termoplásticos (según si degradan antes de fluir o si fluyen antes
de degradarse, respectivamente). Los poliuretanos termoestables
más habituales son espumas, muy utilizadas como aislantes
térmicos y como espumas resilientes. Entre los poliuretanos
termoplásticos más habituales destacan los empleados en
elastómeros, adhesivos selladores de alto rendimiento, suelas de
calzado, pinturas, fibras textiles, sellantes, embalajes, juntas,
preservativos, componentes de automóvil, en la industria de la
construcción, del mueble y múltiples aplicaciones más.
Es habitual su combinación con pigmentos tales como el negro de
humo y otros.
QUÍMICA DEL POLIURETANO
Reacciones comunes del grupo isocianato (-NCO)
La química del poliuretano tiene como principal
protagonista al grupo isocianato (-NCO). Este grupo contiene un
átomo de carbono altamente electrofílico que puede ser atacado
por diferentes grupos nucleófilos provistos de hidrógenos lábiles,
como es el caso del grupo hidroxilo, amina o tiol para dar uretanos,
ureas o tiocarbamatos respectivamente, o con agua para mediante
el Transposición de Hofmann dar una amina como se puede
observar en la figura de la derecha. El hecho de que se libere CO2
mediante esta última reacción, es aprovechado para la síntesis de
espumas de poliuretano.
POLIMERIZACIÓN
La polimerización se consigue creando moléculas de diisocianato
difuncionales (OCN-R-NCO) con dibases (HO-R´-OH, HN-R´´-NH,
o
HS-R´´ SH, por ejemplo) en proporción estequiométrica (NCO/OH=
1), lo que hace que las moléculas comiencen a unirse por ambos
lados del grupo diisocianato hasta dar lugar a un polímero de alto
peso molecular.
Segmentos de los poliuretanos. Según su grado de segmentación
(balance entre segmentos rígidos y flexibles) se obtienen
materiales muy diversos y con diferentes propiedades.
POLIOLES
Los poliuretanos suelen ser preparados a base de dioles de medio
peso molecular (500-2000 g/mol). Estos suelen comprender
alrededor del 70-60 %masa del peso total del poliuretano, y suelen
ser parte del denominado "segmento flexible". Comercialmente se
presenta como una mezcla cuidadosamente formulada y
balanceada de glicoles (diferentes tipos de dioles para proporcionar
diferentes características). Se pueden formular mezclados con
agentes espumantes y otros aditivos tales como aminas, siliconas,
agua, propelentes y catalizadores organometálicos; condicionan la
reacción y dan las características a la espuma final. La apariencia
es como miel viscosa y en ocasiones puede tener un fuerte olor
amoniacal. Los dioles más comunes son:
- Poliéteres
- Poliésteres
- Policarbonatos
La resistencia a la degradación hidrolítica de los poliuretanos suele
venir determinada, en gran medida, por el diol empleado y esta
sigue la secuencia (de mayor resistencia a menor):
Policarbonatos > Poliéteres > Poliésteres
DIISOCIANATOS
Lista de diisocianatos más comunes
Comercialmente, el segundo componente es una mezcla
de isocianatos, a veces prepolimerizados con algunos dioles, con
un contenido de grupos isocianato, -NCO, que puede variar desde
el 18 al 35% en funcionalidad.
Algunos diisocianatos son como el diisocianato de 4,4´difenil
metano (MDI) son sólidos a temperatura ambiente, mientras que
otros como el diisocianato de 1,6-hexametileno (HDI) son casi
transparentes y fluidos. En ocasiones son mantenidos en atmósfera
seca de nitrógeno.
La estructura molecular del diisocianato es un factor determinante
en las propiedades finales del poliuretano y es un factor importante
que afecta a la cristalinidad y propiedades mecánicas finales. Otras
propiedades como la biodegradabilidad o biocompatibilidad,
cinética de reacción o carácter hidrofílico también varían con el tipo
de diisocianato empleado en su preparación. Los diisocianatos
tienen además propiedades adhesivas muy apreciadas, por lo que
también sirven de aglomerantes para fabricar bloques poli-material.
Un ejemplo de aplicación sorprendente es su uso para aglomerar
piedras y formar rompeolas para proteger costas.
A nivel industrial, los diisocianatos más utilizados son el
diisocianato de tolueno (TDI) y el diisocianato de 4,4´difenilmetano
(MDI), que componen el 95 % de los poliuretanos comerciales. Sin
embargo, debido a su estructura aromática con dobles enlaces
conjugados a lo largo de la cadena del segmento rígido, presentan
inconvenientes como inestabilidad a la radiación ultravioleta, que
los hacen amarillear a corto plazo.
En la tabla de la derecha además de los diisocianatos más
empleados, como el MDI o el TDI, junto con otros de naturaleza
alifática, considerados interesantes en la síntesis de poliuretanos
para aplicaciones biomédicas, tales como el mencionado HDI, el
diisocianato de 4,4´ diciclohexilmetano (H12MDI), el diisocianato de
1,4-ciclohexano (CDI), o el diisocianato de isoforona (IPDI). En la
tabla, también se presenta un diisocianato fluorado, diisocianato de
1,1,6,6-tetrahidroperfluorohexametileno (TFDI), que tiene
aplicaciones en el campo biomédico cuando se requiere baja
actividad trombogénica. También se presenta un diisocianato de
origen renovable, derivado del ácido linoleico, diisocianato de
dimerilo (DDI). Puede considerarse como un precursor para la
obtención de poliuretanos a partir de fuentes renovables.
EXTENDEDOR DE CADENA
Cuando se logra una alta segmentación del poliuretano, se
añade a la formulación algún tipo de extendedor de cadena, bien
como parte de la mezcla de poliol o bien en una etapa posterior.
Los extendedores de cadena son comúnmente dioles o diaminas
de baja masa molecular, los cuales proporcionan enlaces uretano o
urea, respectivamente. Los dioles más utilizados son etilenglicol,
1,4-butanodiol, 2,3-butanodiol o bis (hidroxietil) hidroquinona.
Cuando se persigue el entrecruzamiento y la formación de
poliuretanos reticulados, junto con el extendedor de cadena se
incorporan otras sustancias multifuncionales, tales como glucosa o
sorbitol. De entre las aminas más comúnmente utilizadas destacan
las aminas alifáticas como etilen, propilen o hexametilen diaminas.
También se han empleado aminas aromáticas como diaminas de
tolueno y difenilo.
El extendedor de cadena junto con el diisocianato determina la
estructura y propiedades del segmento rígido, el cual tiene una
influencia dramática en las propiedades finales de los poliuretanos.
FORMULACIÓN Y APLICACIONES
La formulación de los poliuretanos depende mucho de la
aplicación final para la cual quieran ser empleados. En general, la
reacción de formación del polímero, común en todos ellos, es una
policondensación que da lugar a cadenas poliméricas unidas
mediante grupos uretano.
Normalmente su formulación se basa en la combinación de
dioles (ho-r-oh) de baja o media masa molecular (1000-2000 g/mol)
combinados con diisocianatos (nco-r'-nco). Los dioles proporcionan
un carácter elástico, flexible y tenaz al material por lo cual sus
segmentos en la estructura molecular se denominan "segmentos
flexibles". además según la aplicación deseada, los requisitos y las
solicitaciones a las que se verá sometido el material final se
pueden añadir diferentes moléculas con grupos funcionales de
carácter básico y con grupos hidrógeno lábiles (-oh, -nh2, -sh,
principalmente) para conferir a la estructura polimérica segmentada
y con diferentes propiedades. Los diisocianatos junto con estas
otras moléculas difuncionales añadidas forman parte de la
estructura molecular que los químicos denominan "segmentos
rígidos".
ESPUMAS
Su formulación se basa en polioles de bajo número de hidróxilo
(oh) combinados con isocianatos de bajo contenido en grupos
funcionales (nco), unido a propelentes especiales y una cantidad
exactamente medida de agua.
La fórmula está estequiométricamente diseñada para lograr un
material (espumado o no) de curado rápido y con una densidad
entre 18 y 80 kg/m³.
Algunas aplicaciones de poliuretanos flexibles se encuentran en la
industria de paquetería, en la que se usan poliuretanos antiimpacto
para embalajes de piezas delicadas. Su principal característica es
que son de celdas abiertas y de baja densidad (12-15 kg/m³).
También existen los poliuretanos rígidos de densidad 30-50 kg/m³,
utilizados como aislantes térmicos.
La capacidad de aislamiento térmico del poliuretano se debe al gas
aprisionado en las celdillas cerradas del entramado del polímero.
Una variedad de los poliuretanos rígidos son los poliuretanos pir,
que gracias a su mejor comportamiento frente al fuego son usados
en revestimientos de cañerías que conducen fluidos a alta
temperatura en zonas extremadamente húmedas. Su principal
característica es la naturaleza ureica del polímero.
una variedad de los poliuretanos rígidos son los poliuretanos spray,
que son formulaciones de alta velocidad de reacción, usados en
revestimientos sujetos a la fuerza de gravedad, tales como
aislamientos de edificios, estanques de almacenamiento, e incluso
tubos o cañerías.
Otra variedad dentro los "poliuretanos rígidos" son los empleados
para la realización de piezas de imitación madera, con densidades
que oscilan entre los 100-250 kg/m³. También existen
formulaciones con mayor densidad (hasta los 800 kg/m³)
comúnmente denominadas duromeros para la realización de piezas
estructurales
tales como carcas de máquinas industriales, accesorios para
autocares, etc.
REACTIVIDAD
La reactividad se puede observar en una simple inspección visual
y, en el caso de las espumas, está dividida en los siguientes
tiempos, medidos en segundos:
tiempo de crema: 5-15 s. formación de monómeros y
polímeros.
tiempo de hilo: 30-70 s. estructuración, formación de redes
cristalinas.
tiempo de subida: finalización de la expansión.
tacto libre: 10-50 s. formación de piel, finalización de la
reacción. la superficie del material deja de ser adhesiva.
El isocianato y el poliol, al mezclarse, ocasionan una serie
de reacciones químicas que conducen a enlaces de uretanos,
poliuretanos, alofanatos, ureas modificadas, cianatos prepolímeros
etc. en total unas 17 reacciones químicas simultáneas, en que el
paquete de catalizadores hace que se tome una dirección
preferente u otra.
Se genera una exotermia que puede elevar la temperatura hasta
más de 100 °c, que hace que el propelente en disolución en el
poliol se convierta en un gas. La reacción de isocianato con agua
genera dióxido de carbono. Por el calor generado, parte del agua
se convierte en vapor. Todo esto hace que expanda la mezcla,
formándose pequeñas celdas después del gelado o cremado.
Aunque las celdas de co2 son parte del reticulado, se entremezclan
con las que contienen fluorocarbonos para efectos de estabilidad
dimensional.
Algunos polioles llevan componentes antiflama que hace que sean
retardantes de llama. En algunos países es obligatorio el uso de
este componente para determinadas aplicaciones, y son
clasificados bajo normas de seguridad.
Las celdas se van formando a medida que se alcanza el tiempo de
hilo, para finalizar en el tiempo de tack free (tacto libre).
los propelentes son fluorocarbonos modificados ecológicamente
tales como el r-141 b, el r-245fa, o el ciclopentano, que cumplen el
protocolo de montreal para la preservación de la capa de ozono
atmosférico. Evidentemente también se utiliza agua y, en menor
medida, dióxido de carbono. El freón-11 (r-11), así como otros
organoclorados, fueron descartados hace años debido a su
incidencia en la capa de ozono.
Al terminar la reacción química, la espuma de poliuretano contiene
millones de celdas irregulares, que -según sea la formulación
usada- son las que al final le dan las características de aislamiento
térmico, resilencia, acústicas, etc. la estabilidad dimensional es un
aspecto muy importante en la calidad de la espuma formada:
muchas veces ha sucedido que fórmulas de polioles mal
balanceadas, exceso de agua, o mezclas poliol/isocianato
deficientes, producen una contracción del polímero, pandeándose y
perdiendo su forma. La mezcla poliol/isocianato debe ser
estequiométricamente balanceada. En general la mezcla está en
un 10% sobre lo estequiométrico para mayor seguridad; una
mezcla mayor en poliol y menor en isocianato lleva a espumas
blandas e inestables, mientras que un exceso de isocianatos
conduce a espumas ureicas (poliuretanos pir).
La industria del poliuretano mueve millones de dólares / euros en
todo el mundo, y los especialistas en el tema son escasos y muy
valorados.
El principal mercado para el poliuretano rígido es la industria del
aislamiento térmico (refrigeradores, etc.); en segundo lugar, las
industrias de los poliuretanos flexibles (colchones, asientos, etc.).
Un porcentaje menor se usa para moldeado de piezas de
automóviles, partes de vehículos, elementos de decoración, etc.
ESPUMAS COMO AISLANTES TÉRMICOS
Una espuma de poliuretano tiene un coeficiente de transferencia
térmica de aproximadamente 0,0183 unidades btu de transferencia
de calor.
Comparativa de coeficientes de conductividad térmica
materialdensidad
(kg/m³)
conductividad
térmica
(w/m·k)
chapa de
aluminio2.700 2,04
hormigón 2.400 1,63
vidrio plano 2.500 0,81
ladrillo
macizo1.600 0,81
tejas (plana) 1.800 0,76
yeso
(placas)1.000 0,44
hormigón
liviano1.000 0,36
nieve
compactada300 0,23
madera
(pino)700 0,17
lana de
vidrio11 0,041
lana de
vidrio15 0,038
lana de
vidrio35 0,038
lana de
vidrio50 0,032
lana de
vidrio70 0,031
lana de
vidrio100 0,032
poliuretano
rígido35 0,020
poliuretano
proyectado30 0,024
Los poliuretanos rígidos se usan en la industria de la refrigeración,
aislamiento, mueble, etc.
ESPUMAS FLEXIBLES
Los poliuretanos flexibles se emplean, sobre todo, en la
fabricación de espumas blandas, de elastómeros y también de
pinturas. Sus propiedades mecánicas pueden variar en gran
medida por el empleo de diferentes isocianatos o dioles como, por
ejemplo, el polietilenglicol. La adición de cantidades variables de
agua provoca la generación de mayor o menor cantidad de dióxido
de carbono, el cual aumenta el volumen del producto en forma de
burbujas, de diferente manera según el caso. A diferencia de las
esponjas naturales, se suele tratar de materiales con poro algo más
cerrado.
Esponja de poliuretano flexible.
MATERIALES SÓLIDOS
Los poliuretanos rígidos no porosos o de alta densidad
(500-1200 kg/m³) son usados para elaborar componentes de
automóviles, suelas de zapatos, piezas de yates, partes de
monopatines o muebles y decorados mediante técnicas inyección,
colada o incluso por rim (reaction injection molding). En forma de
copolímero, los poliuretanos también se producen como fibras para
la industria textil, tales como el elastano o la lycra.
MATERIALES LÍQUIDOS
Algunos poliuretanos se emplean para confección de
pinturas aislantes, recubrimientos ante abrasivos o recubrimientos
aislantes del medio, o pegamentos o adhesivos que se
comercializan en estado líquido.
POLIURETANO INDUSTRIAL
El poliuretano industrial es por lo general la mezcla de dos
componentes o sistema bicomponente, el a y el b, en una
proporción estequiométrica definida por el químico que diseña la
fórmula.
Existen además poliuretanos monocomponentes, formulados así
para su facilidad de aplicación, como por ejemplo los habitualmente
usados en la industria de la construcción.
POLIURETANO TERMOPLÁSTICO
El poliuretano termoplástico son normalmente elastómeros,
que no requieren de vulcanización para su proceso. La resistencia
mecánica y la estabilidad termo-mecánica viene proporcionada por
los enlaces físicos reversibles entre las cadenas,
fundamentalmente de tipo puentes de hidrógeno. De esta manera
pueden ser conformado mediante los procesos habituales para
termoplásticos, como inyección, extrusión y soplado. El poliuretano
termoplástico, tpu (thermoplastic polyurethane), se caracteriza por
elasticidad, su alta resistencia a la abrasión, al desgaste, al
desgarre, al oxígeno, al ozono y a las conservación de propiedades
mecánicas (elasticidad) a temperaturas muy bajas.
POLIURETANO SEGMENTADO
Fundamentalmente todos los poliuretanos son
segmentados desde el punto de vista de que todos están formados
por al menos dos componentes diferentes (diisocianatos y dioles).
No obstante cuando se emplea más de un diol o di-bases distintas
y estos se combinan secuencialmente se da lugar a un polímero en
bloque, o propiamente dicho un copolímero de bloque, y
particularmente un poliuretano segmentado. Como se ha
mencionado más arriba, el diverso balance entre componentes de
la estructura de las cadenas poliméricas de los poliuretanos
conlleva a diferentes grados de segmentación. Poliuretanos
segmentados se denominan a los poliuretanos en los que se
emplean dos tipos de moléculas dibásicas. Una normalmente un
macrodiol, ho-r-oh, con r aproximadamente de unos 2000 g/mol y
otra una molécula dibásica, bien diol, diamina o dithiol, de bajo
peso molecular. Esta última molécula dibásica de baja masa
molecular también se denomina "extendedor de cadena". El
extendedor de cadena junto al diisocianato forman los segmentos
denominados "rígidos" y el macrodiol los segmentos denominados
"flexibles”.
CELOFÁN
El celofán es un polímero natural derivado de la celulosa.
Tiene el aspecto de una película fina, transparente, flexible y
resistente a esfuerzos de tracción, pero muy fácil de cortar.
FABRICACIÓN
El proceso de fabricación consiste en disolver fibras de
madera, algodón o cáñamo en un álcali para hacer una solución
llamada viscosa, la cual luego es extruida a través de una ranura y
sumergida en un baño ácido que la vuelve a convertir en celulosa.
Por medio de un proceso similar, utilizando un orificio en lugar de
una ranura, se produce una fibra llamada rayón.
El celofán fue inventado por el ingeniero textil suizo Jacques E.
Brandenberger en 1908. Después de ver que se derramaba vino
sobre el mantel de la mesa de un restaurante, Brandenberger tuvo
la idea de producir un recubrimiento transparente para la tela que la
hiciera impermeable.1 Experimentando, encontró una forma de
aplicar la viscosa líquida a la tela, pero la combinación resultó
demasiado rígida como para usarla.
Sin embargo la película transparente se separaba fácilmente de su
respaldo de tela, por lo que abandonó su idea original atraído por
las posibilidades del nuevo material. La baja permeabilidad del
celofán tanto al aire como a la grasa y las bacterias lo hace útil
como material para envoltorio de alimentos.
La compañía de golosinas Whitman de los Estados Unidos
comenzó a utilizar el celofán para envolver golosinas en 1912.
Fueron los mayores consumidores de celofán importado de Francia
hasta cerca de 1924, cuando DuPont construyó la primera planta
norteamericana de Celofán. En 1935 se estableció British
Cellophane Ltd, una empresa conjunta entre La Cellophane S.A. y
Courtaulds, comenzando a operar una fábrica para la manufactura
de celofán en Bridgwater en 1937. La película de celulosa se ha
fabricado desde 1930 hasta la fecha.
PRINCIPALES USOS
Se utiliza principalmente como envoltorio, para envolver y
adornar regalos y ramos florales (dado que además de incoloro
también se fabrica en colores transparentes), aunque también fue
muy utilizado en la elaboración de cintas adhesivas, siendo
sustituido en gran medida por otros polímeros de cualidades más
apropiadas para tal uso. Además de su uso como envoltorio de
alimentos, también tiene usos industriales, tales como cintas
autoadhesivas y membranas semipermeables utilizadas por cierto
tipo de baterías.
Para algunos usos se le aplican recubrimientos para complementar
o modificar sus propiedades.
Con el tiempo, el término celofán se ha generalizado, y se usa
comúnmente para referirse a diversas películas plásticas, aún
aquellas que no están hechas con celulosa.
Actualmente el celofán ha sido sustituido por el polipropileno, que
es un derivado del petróleo ya que por costos de fabricación ha
sido más práctico. A tal grado que prácticamente todo lo que
conocemos popularmente como celofán en realidad es
polipropileno.
Una bolsa y un paquete de celofán
CAUCHO
El caucho es un polímero elástico, cis-1,4-polisopreno,
polímero del isopreno o 2-metilbutadieno. C5H8 que surge como
una emulsión lechosa (conocida como látex) en la savia de varias
plantas, pero que también puede ser producido sintéticamente.
La principal fuente comercial de látex son las euforbiáceas,
del género Hevea, como Hevea brasiliensis. Otras plantas que
contienen látex son el ficus euphorkingdom heartsbias y el diente
de león común.
Se obtiene caucho de otras especies como Urceola elastica de
Asia y la Funtumia elastica de África occidental. También se
obtiene a partir del latex de Castilla elástica, del Kalule patenium
argentatum y de la Gutta-percha palaquium gutta. Hay que notar
que algunas de estas especies como la gutta percha son isómeros
trans que tienen la misma formulación química, es el mismo
producto pero con isomeria diferente.
Estas no han sido la fuente principal del caucho, aunque durante la
Segunda Guerra Mundial, hubo tentativas para usar tales fuentes,
antes de que el caucho natural fuera suplantado por el desarrollo
del caucho sintético.
En la actualidad el Hevea se cultiva en grandes plantaciones, en
algunos casos propiedad de grandes industrias del neumático, en
las que se utilizan injertos de variedades genéticamente
modificadas para optimizar la producción de latex. Las zonas de
mayor producción son China, México, Vietnam y Brasil. Hubo
grandes plantaciones de Heveas en África tropical, Guinea, Liberia
y Congo, pero actualmente el predominio de la producción
pertenece al Sudeste asiático.
USOS
Actualmente se fabrican miles de artículos de caucho para
usos muy diferentes. El caucho es ampliamente utilizado en la
fabricación de neumáticos, llantas, artículos impermeables y
aislantes, por sus excelentes propiedades de elasticidad y
resistencia ante los ácidos y las sustancias alcalinas. Es repelente
al agua, aislante de la temperatura y de la electricidad. Se disuelve
con facilidad ante petrolatos, bencenos y algunos hidrocarburos.
El caucho natural suele vulcanizarse, proceso por el cual
se calienta y se le añade azufre o selenio, con lo que se logra el
enlazamiento de las cadenas de elastómeros, para mejorar su
resistencia a las variaciones de temperatura y elasticidad. El
proceso de vulcanización fue descubierto casualmente en 1839 por
Charles Goodyear, quien mejoró enormemente la durabilidad y la
utilidad del caucho. La vulcanización en frío, desarrollada en 1846
por Alexander Parkes, consiste en sumergir el caucho en una
solución de monocloruro de azufre (Cl2S2). Actualmente más de la
mitad del caucho usado hoy en día es sintético, pero aún se
producen varios millones de toneladas de caucho natural
anualmente.
Desde 1823 se utiliza el caucho como material para
fabricar prendas de vestir, quizás sobre la base de que este tipo de
ropa forma una "segunda piel". El caucho hipoalergénico puede
producirse a partir de guayule. El caucho es una propuesta para el
futuro como aislante en la industria motora. Con el comienzo del
siglo XXI, en vistas de la creciente escasez mundial de petróleo, se
comenzó a investigar en determinadas universidades de Brasil el
potencial que podría tener este material como método de obtención
de energía limpia, como por ejemplo, como refuerzo externo en
determinados tipos de motores a propulsión de sifón.
TÉCNICAS DE MOLDEO DEL CAUCHO
Moldeo por compresión:
El moldeo por compresión es una técnica en la cual la
materia prima en forma de polvo es introducida en un molde
calefactado a una temperatura de entre 140 °C y 160 °C, y
sometida a una elevada presión. El calor y la presión se mantienen
hasta que la reacción finaliza. Al cabo de unos
minutosdeterminados a partir del espesor de la pieza se produce la
plastificación y curado dentro del mismo molde, para luego retirar la
pieza terminada.
Este método de moldeo es utilizado para producir
interruptores de electricidad y portafusibles, electrodomésticos,
maquinarias, medidores de gas y luz, entre otras aplicaciones.
Moldeo por transferencia:
En el moldeo por transferencia el proceso es similar al
anterior, con la diferencia que la materia prima se precalienta antes
de ser introducida en el molde y transferida hidráulicamente. Este
sistema se usa generalmente en moldes con movimientos y que
tenga hoyos, insertos, postizos, etc.
Moldeo por inyección:
En el moldeo por inyección la materia prima es colocada en una
tolva, y por gravedad cae dentro de la máquina que, a través de un
tornillo calefactado, se inyecta a presión dentro del molde cerrado,
con una temperatura inferior a la de la materia prima inyectada.
Después de unos segundos se retira la pieza terminada. La presión
de la inyección es alta, dependiendo del material que se está
procesando.
El moldeo por inyección es un proceso rápido, muy apto para
producir gran cantidad de productos idénticos. Desde componentes
de ingeniería de alta precisión hasta bienes de consumo de uso
común.
Proceso de deshumificación:
La deshumificación es un proceso mediante el cual, a través de un
sistema automático, se coloca la materia prima a utilizar a niveles
deseados de humedad que son propios de cada material y del
producto que se desea fabricar.
Todas las materias primas hidroscópicas deben ser sometidas a
procesos de deshumificación.
Atemperadores de molde:
Los atemperadores son sistemas por medio de los cuales
es posible aumentar o disminuir la temperatura del molde durante
el proceso de premoldeado. La temperatura que debe alcanzar el
molde en esta instancia depende de la materia prima que se va a
utilizar. En la mayoría de los casos la información sobre la
temperatura de premoldeado es suministrada por el fabricante.
MATERIALES METÁLICOS
HIERRO:
El hierro o fierro es un elemento químico de número atómico 26
situado en el grupo 8, periodo 4 de la tabla periódica de los
elementos. Su símbolo es Fe (del latín fĕrrum) y tiene una masa
atómica de 55,6 u.
Este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en
la corteza terrestre, representando un 5 % y, entre los metales, solo
el aluminio es más abundante; y es el primero más abundante en
masa planetaria, debido a que el planeta en su núcleo, se
concentra la mayor masa de hierro nativo equivalente a un 70 %. El
núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel
en forma metálica, generando al moverse un campo magnético. Ha
sido históricamente muy importante, y un período de la historia
recibe el nombre de Edad de Hierro. En cosmología, es un metal
muy especial, pues es el metal más pesado que puede producir la
fusión en el núcleo de estrellas masivas; los elementos más
pesados que el hierro solo pueden crearse en supernovas.
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta
propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura
ambiente y presión atmosférica. Es extremadamente duro y denso.
Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos
minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra
libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se
reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado
para eliminar las impurezas presentes.
Es el elemento más pesado que se produce exotérmicamente por
fusión, y el más ligero que se produce a través de una fisión,
debido a que su núcleo tiene la más alta energía de enlace por
nucleón (energía necesaria para separar del núcleo un neutrón o
un protón); por lo tanto, el núcleo más estable es el del hierro-56
(con 30 neutrones).
Presenta diferentes formas estructurales dependiendo de la
temperatura y presión. A presión atmosférica:
Hierro-α: estable hasta los 911 °C. El sistema cristalino es
una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc).
Hierro-γ: 911 °C - 1392 °C; presenta una red cúbica
centrada en las caras (fcc).
Hierro-δ: 1392 °C - 1539 °C; vuelve a presentar una red
cúbica centrada en el cuerpo.
Hierro-ε: Puede estabilizarse a altas presiones, presenta
estructura hexagonal compacta (hcp).
APLICACIONES
El hierro es el metal duro más usado, con el 95 % en peso de la
producción mundial de metal. El hierro puro (pureza a partir de
99,5 %) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo excepciones para
utilizar su potencial magnético. El hierro tiene su gran aplicación
para formar los productos siderúrgicos, utilizando éste como
elemento matriz para alojar otros elementos aleantes tanto
metálicos como no metálicos, que confieren distintas propiedades
al material. Se considera que una aleación de hierro es acero si
contiene menos de un 2,1 % de carbono; si el porcentaje es mayor,
recibe el nombre de fundición.
El acero es indispensable debido a su bajo precio y tenacidad,
especialmente en automóviles, barcos y componentes estructurales
de edificios.
Las aleaciones férreas presentan una gran variedad de
propiedades mecánicas dependiendo de su composición o el
tratamiento que se haya llevado a cabo.
ACEROS
Los aceros son aleaciones férreas con un contenido máximo de
carbono del 2 %, el cual puede estar como aleante de inserción en
la ferrita y austenita y formando carburo de hierro. Algunas
aleaciones no son ferromagnéticas. Éste puede tener otros
aleantes e impurezas.
Dependiendo de su contenido en carbono se clasifican en los
siguientes tipos:
Acero bajo en carbono: menos del 0,25 % de C en peso.
Son blandos pero dúctiles. Se utilizan en vehículos, tuberías,
elementos estructurales, etcétera. También existen los
aceros de alta resistencia y baja aleación, que contienen
otros elementos aleados hasta un 10 % en peso; tienen una
mayor resistencia mecánica y pueden ser trabajados
fácilmente.
Acero medio en carbono: entre 0,25 % y 0,6 % de C en
peso. Para mejorar sus propiedades son tratados
térmicamente. Son más resistentes que los aceros bajos en
carbono, pero menos dúctiles; se emplean en piezas de
ingeniería que requieren una alta resistencia mecánica y al
desgaste.
Acero alto en carbono: entre 0,60 % y 1,4 % de C en peso.
Son aún más resistentes, pero también menos dúctiles. Se
añaden otros elementos para que formen carburos, por
ejemplo, con wolframio se forma el carburo de wolframio,
WC; estos carburos son muy duros. Estos aceros se
emplean principalmente en herramientas.
Aceros aleados: Con los aceros no aleados, o al carbono,
es imposible satisfacer las demandas de la industria actual.
Para conseguir determinadas características de resiliencia,
resistencia al desgaste, dureza y resistencia a determinadas
temperaturas deberemos recurrir a estos. Mediante la acción
de uno o varios elementos de aleación en porcentajes
adecuados se introducen modificaciones químicas y
estructurales que afectan a la temlabilidad, características
mecánicas, resistencia a oxidación y otras propiedades.
La clasificación más técnica y correcta para los aceros al carbono
(sin alear) según su contenido en carbono:
Los aceros hipoeutectoides, cuyo contenido en carbono
oscila entre 0.02 % y 0,8 %.
Los aceros eutectoides cuyo contenido en carbono es de
0,8 %.
Los aceros hipereutectoides con contenidos en carbono de
0,8 % a 2 %.
Aceros inoxidables : uno de los inconvenientes del hierro
es que se oxida con facilidad. Añadiendo un 12 % de cromo
se considera acero inoxidable, debido a que este aleante
crea una capa de óxido de cromo superficial que protege al
acero de la corrosión o formación de óxidos de hierro.
También puede tener otro tipo de aleantes como el níquel
para impedir la formación de carburos de cromo, los cuales
aportan fragilidad y potencian la oxidación intergranular.
El uso más extenso del hierro es para la obtención de aceros
estructurales; también se producen grandes cantidades de hierro
fundido y de hierro forjado. Entre otros usos del hierro y de sus
compuestos se tienen la fabricación de imanes, tintes (tintas, papel
para heliográficas, pigmentos pulidores) y abrasivos (colcótar).
COMPONENTES
Los dos componentes principales del acero se encuentran en
abundancia en la naturaleza, lo que favorece su producción a gran
escala. Esta variedad y disponibilidad lo hace apto para numerosos
usos como la construcción de maquinaria, herramientas, edificios y
obras públicas, contribuyendo al desarrollo tecnológico de las
sociedades industrializadas. A pesar de su densidad (7850 kg/m³
de densidad en comparación a los 2700 kg/m³ del aluminio, por
ejemplo) el acero es utilizado en todos los sectores de la industria,
incluso en el aeronáutico, ya que las piezas con mayores
solicitaciones (ya sea al Impacto o a la fatiga) solo pueden
aguantar con un material dúctil y tenaz como es el acero, además
de la ventaja de su relativo bajo costo.
ELEMENTOS ALEANTES DEL ACERO Y MEJORAS
OBTENIDAS CON LA ALEACIÓN
Las clasificaciones normalizadas de aceros como la AISI, ASTM y
UNS, establecen valores mínimos o máximos para cada tipo de
elemento. Estos elementos se agregan para obtener unas
características determinadas como templabilidad, resistencia
mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al desgaste, soldabilidad
o maquinabilidad. A continuación se listan algunos de los efectos
de los elementos aleantes en el acero:
Aluminio: se usa en algunos aceros de nitruración al Cr-Al-
Mo de alta dureza en concentraciones cercanas al 1 % y en
porcentajes inferiores al 0,008 % como desoxidante en
aceros de alta aleación.
Boro: en muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,006 %)
aumenta la templabilidad sin reducir la maquinabilidad, pues
se combina con el carbono para formar carburos
proporcionando un revestimiento duro. Es usado en aceros
de baja aleación en aplicaciones como cuchillas de arado y
alambres de alta ductilidad y dureza superficial. Utilizado
también como trampa de nitrógeno, especialmente en
aceros para trefilación, para obtener valores de N menores a
80 ppm.
Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad.
Mejora la resistencia y la dureza en caliente. Es un elemento
poco habitual en los aceros. Aumenta las propiedades
magnéticas de los aceros. Se usa en los aceros rápidos para
herramientas y en aceros refractarios.
Cromo: Forma carburos muy duros y comunica al acero
mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier
temperatura. Solo o aleado con otros elementos, mejora la
resistencia a la corrosión. Aumenta la profundidad de
penetración del endurecimiento por tratamiento
termoquímico como la carburación o la nitruración. Se usa
en aceros inoxidables, aceros para herramientas y
refractarios. También se utiliza en revestimientos
embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia
al desgaste, como émbolos, ejes, etc.
Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta
mucho la profundidad de endurecimiento de acero, así como
su tenacidad. Los aceros inoxidables austeníticos contienen
molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.
Nitrógeno: se agrega a algunos aceros para promover la
formación de austenita.
Níquel: es un elemento gammageno permitiendo una
estructura austenítica a temperatura ambiente, que aumenta
la tenacidad y resistencia al impacto. El níquel se utiliza
mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta la
resistencia a la corrosión.
Plomo: el plomo no se combina con el acero, se encuentra
en él en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese
emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por
arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya
que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje
oscila entre 0,15 % y 0,30 % debiendo limitarse el contenido
de carbono a valores inferiores al 0,5 % debido a que
dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente. Se
añade a algunos aceros para mejorar mucho la
maquinabilidad.
Silicio: aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa
como elemento desoxidante. Aumenta la resistencia de los
aceros bajos en carbono.
Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero,
mantiene estables las propiedades del acero a alta
temperatura. Se utiliza su gran afinidad con el Carbono para
evitar la formación de carburo de hierro al soldar acero.
Wolframio: también conocido como tungsteno. Forma con el
hierro carburos muy complejos estables y durísimos,
soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al
18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible
triplicar la velocidad de corte de los aceros al carbono para
herramientas.
Vanadio: posee una enérgica acción desoxidante y forma
carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero
una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante
en los aceros para herramientas.
IMPUREZAS
Se denomina impurezas a todos los elementos indeseables en la
composición de los aceros. Se encuentran en los aceros y también
en las fundiciones como consecuencia de que están presentes en
los minerales o los combustibles. Se procura eliminarlas o reducir
su contenido debido a que son perjudiciales para las propiedades
de la aleación. En los casos en los que eliminarlas resulte
imposible o sea demasiado costoso, se admite su presencia en
cantidades mínimas.
Azufre: límite máximo aproximado: 0,04 %. El azufre con el
hierro forma sulfuro, el que, conjuntamente con la austenita,
da lugar a un eutéctico cuyo punto de fusión es bajo y que,
por lo tanto, aparece en bordes de grano. Cuando los
lingotes de acero colado deben ser laminados en caliente,
dicho eutéctico se encuentra en estado líquido, lo que
provoca el desgranamiento del material.
Se controla la presencia de sulfuro mediante el agregado de
manganeso. El manganeso tiene mayor afinidad por el
azufre que el hierro por lo que en lugar de FeS se forma
MnS que tiene alto punto de fusión y buenas propiedades
plásticas. El contenido de Mn debe ser aproximadamente
cinco veces la concentración de S para que se produzca la
reacción.
El resultado final, una vez eliminados los gases causantes,
es una fundición menos porosa, y por lo tanto de mayor
calidad.
Aunque se considera un elemento perjudicial, su presencia
es positiva para mejorar la maquinabilidad en los procesos
de mecanizado. Cuando el porcentaje de azufre es alto
puede causar poros en la soldadura.
Fósforo : límite máximo aproximado: 0,04 %. El fósforo
resulta perjudicial, ya sea al disolverse en la ferrita, pues
disminuye la ductilidad, como también por formar FeP
(«fosfuro de hierro»). El fosfuro de hierro, junto con la
austenita y la cementita, forma un eutéctico ternario
denominado «esteadita», el que es sumamente frágil y
posee un punto de fusión relativamente bajo, por lo cual
aparece en bordes de grano, transmitiéndole al material su
fragilidad.
Aunque se considera un elemento perjudicial en los aceros,
porque reduce la ductilidad y la tenacidad, haciéndolo
quebradizo, a veces se agrega para aumentar la resistencia
a la tensión y mejorar la maquinabilidad.
CLASIFICACIÓN
Según el modo de fabricación
Acero eléctrico.
Acero fundido.
Acero calmado.
Acero efervescente.
Acero fritado.
SEGÚN LA COMPOSICIÓN Y LA ESTRUCTURA
Aceros ordinarios.
Aceros aleados o especiales.
Los aceros aleados o especiales contienen otros elementos,
además de carbono, que modifican sus propiedades. Éstos se
clasifican según su influencia:
Elementos que aumentan la dureza: fósforo, níquel, cobre,
aluminio. En especial aquellos que conservan la dureza a
elevadas temperaturas: titanio, vanadio, molibdeno,
wolframio, cromo, manganeso y cobalto.
Elementos que limitan el crecimiento del tamaño de grano:
aluminio, titanio y vanadio.
Elementos que determinan en la templabilidad: aumentan la
templabilidad: manganeso, molibdeno, cromo, níquel y
silicio. Disminuye la templabilidad: el cobalto.
Elementos que modifican la resistencia a la corrosión u
oxidación: aumentan la resistencia a la oxidación: molibdeno
y wolframio. Favorece la resistencia a la corrosión: el cromo.
Elementos que modifican las temperaturas críticas de
transformación:
Suben los puntos críticos: molibdeno, aluminio, silicio, vanadio,
wolframio. Disminuyen las temperaturas críticas: cobre, níquel y
manganeso. En el caso particular del cromo, se elevan los
puntos críticos cuando el acero es de alto porcentaje de
carbono pero los disminuye cuando el acero es de bajo
contenido de carbono.
SEGÚN LOS USOS
Acero para imanes o magnético.
Acero autotemplado.
Acero de construcción.
Acero de corte rápido.
Acero de decoletado.
Acero de corte.
Acero indeformable.
Acero inoxidable.
Acero de herramientas.
Acero para muelles.
Acero refractario.
Acero de rodamientos.
CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS Y TECNOLÓGICAS
DEL ACERO
Representación de la inestabilidad lateral bajo la acción de una
fuerza ejercida sobre una viga de acero.
Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas
del acero debido a que estas varían con los ajustes en su
composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o
mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con
combinaciones de características adecuadas para infinidad de
aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas:
Su densidad media es de 7850 kg/m³.
En función de la temperatura el acero se puede contraer,
dilatar o fundir.
El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y
los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente
principal, el hierro es de alrededor de 1.510 °C en estado
puro (sin alear), sin embargo el acero presenta
frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de
1.375 °C, y en general la temperatura necesaria para la
fusión aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de
carbono y de otros aleantes. (excepto las aleaciones
eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el acero
rápido funde a 1.650 °C.
Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C.
Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las
aleaciones usadas para fabricar herramientas.
Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados
llamados alambres.
Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas
hojalata. La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y
0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma
electrolítica, por estaño.
Permite una buena mecanización en máquinas herramientas
antes de recibir un tratamiento térmico.
Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor
memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico.
La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se
puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos
térmicos o químicos entre los cuales quizá el más conocido
sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto
contenido en carbono, que permite, cuando es superficial,
conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas
frágiles. Aceros típicos con un alto grado de dureza
superficial son los que se emplean en las herramientas de
mecanizado, denominados aceros rápidos que contienen
cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y
vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son
Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros.
Se puede soldar con facilidad.
La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el
hierro se oxida con suma facilidad incrementando su
volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el
progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por
completo.
Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo
mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen
aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los
aceros de construcción «corten» aptos para intemperie (en
ciertos ambientes) o los aceros inoxidables.
Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de
su composición es aproximadamente de 3 · 106 S/m. En las
líneas aéreas de alta tensión se utilizan con frecuencia
conductores de aluminio con alma de acero proporcionando
éste último la resistencia mecánica necesaria para
incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de
la instalación.
Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes
artificiales, ya que una pieza de acero imantada no pierde su
imantación si no se la calienta hasta cierta temperatura. La
magnetización artificial se hace por contacto, inducción o
mediante procedimientos eléctricos. En lo que respecta al
acero inoxidable, al acero inoxidable ferrítico sí se le pega el
imán, pero al acero inoxidable austenítico no se le pega el
imán ya que la fase del hierro conocida como austenita no
es atraída por los imanes. Los aceros inoxidables contienen
principalmente níquel y cromo en porcentajes del orden del
10 % además de algunos aleantes en menor proporción.
Un aumento de la temperatura en un elemento de acero
provoca un aumento en la longitud del mismo. Este aumento
en la longitud puede valorarse por la expresión: δL = α δ t° L,
siendo a el coeficiente de dilatación, que para el acero vale
aproximadamente 1,2 · 10−5 (es decir α = 0,000012). Si
existe libertad de dilatación no se plantean grandes
problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está impedida
en mayor o
menor grado por el resto de los componentes de la
estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay
que tener en cuenta. El acero se dilata y se contrae según
un coeficiente de dilatación similar al coeficiente de
dilatación del hormigón, por lo que resulta muy útil su uso
simultáneo en la construcción, formando un material
compuesto que se denomina hormigón armado. El acero da
una falsa sensación de seguridad al ser incombustible, pero
sus propiedades mecánicas fundamentales se ven
gravemente afectadas por las altas temperaturas que
pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.
APLICACIONES
El acero en sus distintas clases está presente de forma
abrumadora en nuestra vida cotidiana en forma de herramientas,
utensilios, equipos mecánicos y formando parte de
electrodomésticos y maquinaria en general así como en las
estructuras de las viviendas que habitamos y en la gran mayoría de
los edificios modernos. En este contexto existe la versión moderna
de perfiles de acero denominada Metalcón.
Los fabricantes de medios de transporte de mercancías (camiones)
y los de maquinaria agrícola son grandes consumidores de acero.
También son grandes consumidores de acero las actividades
constructoras de índole ferroviario desde la construcción de
infraestructuras viarias así como la fabricación de todo tipo de
material rodante.
Otro tanto cabe decir de la industria fabricante de armamento,
especialmente la dedicada a construir armamento pesado,
vehículos blindados y acorazados.
También consumen mucho acero los grandes astilleros
constructores de barcos especialmente petroleros, y gasistas u
otros buques cisternas.
Como consumidores destacados de acero cabe citar a los
fabricantes de automóviles porque muchos de sus componentes
significativos son de acero.
A modo de ejemplo cabe citar los siguientes componentes del
automóvil que son de acero:
Son de acero forjado entre otros componentes: cigüeñal,
bielas, piñones, ejes de transmisión de caja de velocidades y
brazos de articulación de la dirección.
De chapa de estampación son las puertas y demás
componentes de la carrocería.
De acero laminado son los perfiles que conforman el
bastidor.
Son de acero todos los muelles que incorporan como por
ejemplo; muelles de válvulas, de asientos, de prensa
embrague, de amortiguadores, etc.
De acero de gran calidad son todos los rodamientos que
montan los automóviles.
De chapa troquelada son las llantas de las ruedas, excepto
las de alta gama que son de aleaciones de aluminio.
De acero son todos los tornillos y tuercas.
Cabe destacar que cuando el automóvil pasa a desguace por su
antigüedad y deterioro se separan todas las piezas de acero, son
convertidas en chatarra y son reciclados de nuevo en acero
mediante hornos eléctricos y trenes de laminación o piezas de
fundición de hierro.
COBRE
El cobre (del latín cuprum, y éste del griego kypros), cuyo símbolo
es Cu, es el elemento químico de número atómico 29. Se trata de
un metal de transición de color rojizo y brillo metálico que, junto con
la plata y el oro, forma parte de la llamada familia del cobre, se
caracteriza por ser uno de los mejores conductores de electricidad
(el segundo después de la plata). Gracias a su alta conductividad
eléctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha convertido en el material
más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros componentes
eléctricos y electrónicos.
El cobre forma parte de una cantidad muy elevada de aleaciones
que generalmente presentan mejores propiedades mecánicas,
aunque tienen una conductividad eléctrica menor. Las más
importantes son conocidas con el nombre de bronces y latones.
Por otra parte, el cobre es un metal duradero porque se puede
reciclar un número casi ilimitado de veces sin que pierda sus
propiedades mecánicas.
Propiedades y características del cobre
Propiedades físicas:
El cobre posee varias propiedades físicas que propician su uso
industrial en múltiples aplicaciones, siendo el tercer metal, después
del hierro y del aluminio, más consumido en el mundo. Es de color
rojizo y de brillo metálico y, después de la plata, es el elemento con
mayor conductividad eléctrica y térmica. Es un material abundante
en la naturaleza; tiene un precio accesible y se recicla de forma
indefinida; forma aleaciones para mejorar las prestaciones
mecánicas y es resistente a la corrosión y oxidación.
Propiedades mecánicas:
Tanto el cobre como sus aleaciones tienen una buena
maquinabilidad, es decir, son fáciles de mecanizar. El cobre posee
muy buena ductilidad y maleabilidad lo que permite producir
láminas e hilos muy delgados y finos. Es un metal blando, con un
índice de dureza 3 en la escala de Mohs (50 en la escala de
Vickers) y su resistencia a la tracción es de 210 MPa, con un límite
elástico de 33,3 MPa. Admite procesos de fabricación de
deformación como laminación o forja, y procesos de soldadura y
sus aleaciones adquieren propiedades diferentes con tratamientos
térmicos como temple y recocido. En general, sus propiedades
mejoran con bajas temperaturas lo que permite utilizarlo en
aplicaciones criogénicas.
ALEACIONES Y TIPOS DE COBRE
Desde el punto de vista físico, el cobre puro posee muy bajo límite
elástico (33 MPa) y una dureza escasa (3 en la escala de Mohs o
50 en la escala de Vickers). En cambio, unido en aleación con otros
elementos adquiere características mecánicas muy superiores,
aunque disminuye su conductividad. Existe una amplia variedad de
aleaciones de cobre, de cuyas composiciones dependen las
características técnicas que se obtienen, por lo que se utilizan en
multitud de objetos con aplicaciones técnicas muy diversas. El
cobre se alea principalmente con los siguientes elementos: Zn, Sn,
Al, Ni, Be, Si, Cd, Cr y otros en menor cuantía.
Según los fines a los que se destinan en la industria, se clasifican
en aleaciones para forja y en aleaciones para moldeo. Para
identificarlas tienen las siguientes nomenclaturas generales según
la norma ISO 1190-1:1982 o su equivalente UNE 37102:1984.
Ambas normas utilizan el sistema UNS (del inglés Unified
Numbering System).
PLOMO
El plomo es un elemento químico de la tabla periódica, cuyo
símbolo es Pb (del latín plumbum) y su número atómico es 82
según la tabla actual, ya que no formaba parte en la tabla de Dmitri
Mendeléyev. Este químico no lo reconocía como un elemento
metálico común por su gran elasticidad molecular. Cabe destacar
que la elasticidad de este elemento depende de la temperatura
ambiente, la cual distiende sus átomos, o los extiende.
El plomo es un metal pesado de densidad relativa o gravedad
específica 11,4 a 16 °C, de color plateado con tono azulado, que se
empaña para adquirir un color gris mate. Es flexible, inelástico y se
funde con facilidad. Su fusión se produce a 327,4 °C y hierve a
1725 °C. Las valencias químicas normales son 2 y 4. Es
relativamente resistente al ataque del ácido sulfúrico y del ácido
clorhídrico, aunque se disuelve con lentitud en ácido nítrico y ante
la presencia de bases nitrogenadas. El plomo es anfótero, ya que
forma sales de plomo de los ácidos, así como sales metálicas del
ácido plúmbico. Tiene la capacidad de formar muchas sales, óxidos
y compuestos organometálicos.
CARACTERÍSTICAS GENERALES
Los compuestos de plomo más utilizados en la industria son los
óxidos de plomo, el tetraetilo de plomo y los silicatos de plomo. El
plomo forma aleaciones con muchos metales, y, en general, se
emplea en esta forma en la mayor parte de sus aplicaciones. Es un
metal pesado y tóxico, y la intoxicación por plomo se denomina
saturnismo o plumbosis.
PROPIEDADES DEL PLOMO
El plomo pertenece al grupo de elementos metálicos conocido
como metales del bloque p que están situados junto a los
metaloides o semimetales en la tabla periódica. Este tipo de
elementos tienden a ser blandos y presentan puntos de fusión
bajos, propiedades que también se pueden atribuir al plomo,
dado que forma parte de este grupo de elementos.
El estado del plomo en su forma natural es sólido. El plomo es
un elmento químico de aspecto gris azulado y pertenece al
grupo de los metales del bloque p. El número atómico del plomo
es 82. El símbolo químico del plomo es Pb. El punto de fusión
del plomo es de 600,61 grados Kelvin o de 328,46 grados
celsius o grados centígrados. El punto de ebullición del plomo
es de 2022 grados Kelvin o de 1749,85 grados celsius o grados
centígrados.
APLICACIÓN
El plomo se utiliza principalmente en el elaboración de hilos de
plomo, acumuladores; debido a su resistencia a la corrosión se
utiliza en construcción de cañerías y recipientes para contener
aguas o ácidos, así mismo se emplea en la obtención de ácido
sulfúrico, elaboración de municiones, preparación del cristal de
plomo, blanco de plomo, aleaciones muy fusibles; como hipotensor
juntamente con la bencina (tetraetilo de plomo).
ESTAÑO
El estaño es un elemento químico de símbolo Sn (del latín stannum
y número atómico 50). Está situado en el grupo 14 de la tabla
periódica de los elementos. Se conocen 10 isótopos estables. Su
principal mena es la casiterita.
CARACTERÍSTICAS DEL ESTAÑO
Es un metal plateado, maleable, que no se oxida fácilmente y es
resistente a la corrosión. Se encuentra en muchas aleaciones y se
usa para recubrir otros metales protegiéndolos de la corrosión. Una
de sus características más llamativas es que bajo determinadas
condiciones sufre la peste del estaño. Al doblar una barra de este
metal se produce un sonido característico llamado grito del estaño,
producido por la fricción de los cristales que la componen.
El estaño puro tiene dos variantes alotrópicas: el estaño gris, polvo
no metálico, semiconductor, de estructura cúbica y estable a
temperaturas inferiores a 13,2 °C, que es muy frágil y tiene un peso
específico más bajo que el blanco. El estaño blanco, el normal,
metálico, conductor eléctrico, de estructura tetragonal y estable a
temperaturas por encima de 13,2 °C.
USOS
Se usa como protector del cobre, del hierro y de diversos
metales usados en la fabricación de latas de conserva.
También se usa para disminuir la fragilidad del vidrio.
Los compuestos de estaño se usan para fungicidas, tintes,
dentífricos y pigmentos.
Se usa para realizar bronce, aleación de estaño y cobre.
Se usa para la soldadura blanda, aleado con plomo.
Se usa en aleación con plomo para fabricar la lámina de los
tubos de los órganos musicales.
Tiene utilidad en etiquetas.
Recubrimiento de acero.
Se usa como material de aporte en soldadura blanda con
cautín, bien puro o aleado. La directiva RoHS prohíbe el uso
de plomo en la soldadura de determinados aparatos
eléctricos y electrónicos.
El estaño también se utiliza en la industria de la cerámica
para la fabricación de los esmaltes cerámicos. Su función es
la siguiente: en baja y en alta es un opacificante. En alta la
proporción del porcentaje es más alto que en baja
temperatura.
Es usado también en el sobretaponado de botellas de vino,
en forma de cápsula. Su uso se extendió tras la prohibición
del uso del plomo en la industria alimenticia. España es uno
de los mayores fabricantes de cápsulas de estaño.
OBTENCIÓN
El estaño se obtiene del mineral casiterita en donde se presenta
como óxido (óxido de estaño (IV) o dióxido de estaño). Dicho
mineral se muele y se enriquece en dióxido de estaño por flotación,
después se tuesta y se calienta con coque en un horno de
reverbero con lo cual se obtiene el metal.
ALEACIONES
Las aleaciones con base de estaño, también conocidas como
metales blancos, generalmente contienen cobre, antimonio y
plomo. Estas aleaciones tienen diferentes propiedades mecánicas,
dependiendo de su composición.
Algunas aleaciones de estaño, cobre y antimonio son utilizadas
como materiales antifricción en cojinetes, por su baja resistencia de
cizalladura y su reducida adherencia.
Las aleaciones estaño y plomo se comercializan en varias
composiciones y puntos de fusión, siendo la aleación eutéctica
aquella que tiene un 61,9 % de estaño y un 38,1 % de plomo, con
un punto de fusión de 183 °C.2 El resto de aleaciones estaño-plomo
funden en un rango de temperaturas en el cual hay un equilibrio
entre la fase sólida y la fase líquida durante los procesos de fusión
y de solidificación, dando lugar a la segregación de la fase sólida
durante la solidificación y, por tanto, a estructuras cristalinas
diferentes. La aleación eutéctica, que necesita menor temperatura
para llegar a la fase líquida es muy utilizada en la soldadura blanda
de componentes electrónicos para disminuir las probabilidades de
daño por sobrecalentamiento de dichos componentes.
Algunas aleaciones basadas en estaño y plomo tienen además
pequeñas proporciones de antimonio (del orden del 2,5 %). El
principal problema de las aleaciones con plomo es el impacto
ambiental potencial de sus residuos, por lo que están en desarrollo
aleaciones libres de plomo, como las aleaciones de estaño-plata-
cobre o algunas aleaciones estaño-cobre.
El peltre es una aleación de estaño, plomo y antimonio utilizada
para utensilios decorativos. El estaño también es utilizado en
aleaciones de prótesis dentales, aleaciones de bronce y aleaciones
de titanio y circonio.
ALUMINIO
El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número
atómico 13. Se trata de un metal no ferromagnético. Es el tercer
elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los
compuestos de aluminio forman el 8 % de la corteza de la tierra y
se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la
vegetación y de los
animales. En estado natural se encuentra en muchos silicatos
(feldespatos, plagioclasas y micas). Como metal se extrae
únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por
transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a
continuación en aluminio metálico mediante electrólisis. Este metal
posee una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en
ingeniería de materiales, tales como su baja densidad (2700 kg/m³)
y su alta resistencia a la corrosión. Mediante aleaciones adecuadas
se puede aumentar sensiblemente su resistencia mecánica (hasta
los 690 MPa). Es buen conductor de la electricidad y del calor, se
mecaniza con facilidad y es muy barato.
Por todo ello es desde mediados del siglo XX2 el metal que más se
utiliza después del acero.
Fue aislado por primera vez en 1825 por el físico danés H. C.
Oersted. El principal inconveniente para su obtención reside en la
elevada cantidad de energía eléctrica que requiere su producción.
Este problema se compensa por su bajo coste de reciclado, su
extendida vida útil y la estabilidad de su precio.
ESTRUCTURA ATÓMICA
El aluminio tiene número atómico 13. Los 13 protones que forman
el núcleo están rodeados de 13 electrones dispuestos en la forma:
1s22s22p63s23p1
La valencia es 3 y las energías de ionización de los tres primeros
electrones son, respectivamente: 577,5 kJ/mol, 1816,7 kJ/mol y
2744,8 kJ/mol. Existen en la naturaleza dos isótopos de este
elemento, el 27Al y el 26Al. El primero de ellos es estable mientras
que el segundo es radiactivo y su vida media es de 7,2×105 años.
Además de esto existen otros siete isótopos cuyo peso está
comprendido entre 23 y 30 unidades de masa atómica.
El 26Al se produce a partir del argón a causa del bombardeo por la
radiación altamente energética de los rayos cósmicos, que inciden
en la atmósfera sobre los núcleos de este elemento. Al igual que el 14C, la medida de las abundancias del 26Al es utilizada en técnicas
de datación, por ejemplo en procesos orogenéticos cuya escala es
de millones de años o para determinar el momento del impacto de
meteoritos. En el caso de estos últimos, la producción de aluminio
radiactivo cesa cuando caen a la tierra, debido a que la atmósfera
filtra a partir de ese momento los rayos cósmicos.
El aluminio posee tres radios iónicos en su estado de oxidación +3,
dependiendo del número de coordinación del átomo. Dicho esto,
tenemos que para un número de 4 el radio es 53,0 pm, para 5 es
62,0 pm y para 6 es 67,5 pm.
Características
Características físicas:
El aluminio es un elemento muy abundante en la naturaleza, solo
aventajado por el oxígeno. Se trata de un metal ligero, con una
densidad de 2700 kg/m³, y con un bajo punto de fusión (660 °C).
Su color es blanco y refleja bien la radiación electromagnética del
espectro visible y el térmico. Es buen conductor eléctrico (entre 35
y 38 m/ (Ω mm²)) y térmico (80 a 230 W/(m·K)).
Características mecánicas:
Es un material blando (escala de Mohs: 2-3-4) y maleable. En
estado puro tiene un límite de resistencia en tracción de 160-200
N/mm² (160-200 MPa). Todo ello le hace adecuado para la
fabricación de cables eléctricos y láminas delgadas, pero no como
elemento estructural. Para mejorar estas propiedades se alea con
otros metales, lo que permite realizar sobre él operaciones de
fundición y forja, así como la extrusión del material. También de
esta forma se utiliza como soldadura.
Características químicas
La capa de valencia del aluminio está poblada por tres electrones,
por lo que su estado normal de oxidación es III. Esto hace que
reaccione con el oxígeno de la atmósfera formando con rapidez
una fina capa gris mate de alúmina Al2O3, que recubre el material,
aislándolo de ulteriores corrosiones. Esta capa puede disolverse
con ácido cítrico. A pesar de ello es tan estable que se usa con
frecuencia para extraer otros metales de sus óxidos. Por lo demás,
el aluminio se disuelve en ácidos y bases.
Reacciona con facilidad con el ácido clorhídrico y el hidróxido
sódico.
APLICACIONES Y USOS
La utilización industrial del aluminio ha hecho de este metal uno de
los más importantes, tanto en cantidad como en variedad de usos,
siendo hoy un material polivalente que se aplica en ámbitos
económicos muy diversos y que resulta estratégico en situaciones
de conflicto. Hoy en día, tan solo superado por el hierro/acero.
El aluminio se usa en forma pura, aleado con otros metales o en
compuestos no metálicos. En estado puro se aprovechan sus
propiedades ópticas para fabricar espejos domésticos e
industriales, como pueden ser los de los telescopios reflectores. Su
uso más popular, sin embargo, es como papel aluminio, que
consiste en láminas de material con un espesor tan pequeño que
resulta fácilmente maleable y apto por tanto para embalaje
alimentario. También se usa en la fabricación de latas y tetrabriks.
Por sus propiedades eléctricas es un buen conductor, capaz de
competir en coste y prestaciones con el cobre tradicional. Dado
que, a igual longitud y masa, el conductor de aluminio tiene poco
menos conductividad, resulta un componente útil para utilidades
donde el exceso de peso es importante. Es el caso de la
aeronáutica y de los tendidos eléctricos donde el menor peso
implica en un caso menos gasto de combustible y mayor
autonomía, y en el otro la posibilidad de separar las torres de alta
tensión.
Además de eso, aleado con otros metales, se utiliza para la
creación de estructuras portantes en la arquitectura y para fabricar
piezas industriales de todo tipo de vehículos y calderería. También
está presente en enseres domésticos tales como utensilios de
cocina y herramientas. Se utiliza asimismo en la soldadura
aluminotérmica y como combustible químico y explosivo por su alta
reactividad. Como presenta un buen comportamiento a bajas
temperaturas, se utiliza para fabricar contenedores criogénicos.
Cuanto más puro, será más liviano y en algunas piezas de
aviación, tendrá una alta resistencia gracias al oxígeno que lo
compone. Es conocido como "Aluminio oxigenado o Aero
Aluminio".
El uso del aluminio también se realiza a través de compuestos que
forma. La misma alúmina, el óxido de aluminio que se obtiene de la
bauxita, se usa tanto en forma cristalina como amorfa. En el primer
caso forma el corindón, una gema utilizada en joyería que puede
adquirir coloración roja o azul, llamándose entonces rubí o zafiro,
respectivamente. Ambas formas se pueden fabricar artificialmente.
y se utilizan como el medio activo para producir la inversión de
población en los láser. Asimismo, la dureza del corindón permite su
uso como abrasivo para pulir metales. Los medios arcillosos con
los cuales se fabrican las cerámicas son ricos en aluminosilicatos.
También los vidrios participan de estos compuestos. Su alta
reactividad hace que los haluros, sulfatos, hidruros de aluminio y la
forma hidróxida se utilicen en diversos procesos industriales tales
como mordientes, catálisis, depuración de aguas, producción de
papel o curtido de cueros. Otros compuestos del aluminio se
utilizan en la fabricación de explosivos.
ALEACIONES
El aluminio puro es un material blando y poco resistente a la
tracción. Para mejorar estas propiedades mecánicas se alea con
otros elementos, principalmente magnesio, manganeso, cobre, zinc
y silicio, a veces se añade también titanio y cromo.
EXTRUSIÓN
La extrusión es un proceso tecnológico que consiste en dar forma o
moldear una masa haciéndola salir por una abertura especialmente
dispuesta para conseguir perfiles de diseño complicado.
Se consigue mediante la utilización de un flujo continuo de la
materia prima, generalmente productos metalúrgicos o plásticos.
Las materias primas se someten a fusión, transporte, presión y
deformación a través de un molde según sea el perfil que se quiera
obtener.
El aluminio debido a sus propiedades es uno de los metales que
más se utiliza para producir variados y complicados tipos de
perfiles que se usan principalmente en las construcciones de
carpintería metálica. Se puede extruir tanto aluminio primario como
secundario obtenido mediante reciclado.
Para realizar la extrusión, la materia prima, se suministra en
lingotes cilíndricos también llamados “tochos”. El proceso de
extrusión consiste en aplicar una presión al cilindro de aluminio
(tocho) haciéndolo pasar por un molde (matriz), para conseguir la
forma deseada. Cada tipo de perfil, posee un “molde” llamado
matriz adecuado, que es el que determinará su forma.
El tocho es calentado (aproximadamente a 500 °C, temperatura en
que el aluminio alcanza un estado plástico) para facilitar su paso
por la matriz, y es introducido en la prensa. Luego, la base del
tocho es sometida a una llama de combustión incompleta, para
generar una capa fina de carbono. Esta capa evita que el émbolo
de la prensa quede pegado al mismo. La prensa se cierra, y un
émbolo comienza a empujar el tocho a la presión necesaria, de
acuerdo con las dimensiones del perfil, obligándolo a salir por la
boca de la matriz. La gran presión a la que se ve sometido el
aluminio hace que este eleve su temperatura ganando en
maleabilidad.
Los componentes principales de una instalación de extrusión son:
el contenedor donde se coloca el tocho para extrusión bajo presión,
el cilindro principal con pistón que prensa el material a través del
contenedor, la matriz y el portamatriz.
Del proceso de extrusión y temple, dependen gran parte de las
características mecánicas de los perfiles, así como la calidad en los
acabados, sobre todo en los anodizados. El temple, en una
aleación de aluminio, se produce por efecto mecánico o térmico,
creando estructuras y propiedades mecánicas características.
Acabado del extrusionado
A medida que los perfiles extrusionados van saliendo de la prensa
a través de la matriz, se deslizan sobre una bancada donde se les
enfría con aire o agua, en función de su tamaño y forma, así como
las características de la aleación involucrada y las propiedades
requeridas. Para obtener perfiles de aluminio rectos y eliminar
cualquier tensión en el material, se les estira. Luego, se cortan en
longitudes adecuadas y se envejecen artificialmente para lograr la
resistencia apropiada. El envejecimiento se realiza en hornos a
unos 200 °C y están en el horno durante un periodo que varía entre
4 a 8 horas. Todo este proceso de realiza de forma automatizada.
TEMPLE DE LOS PERFILES
Los procesos térmicos que aumentan la resistencia del aluminio.
Hay dos proceso de temple que son el tratamiento térmico en
solución, y el envejecimiento. El temple T5 se consigue mediante
envejecimiento de los perfiles que pasan a los hornos de
maduración, los cuales mantienen una determinada temperatura
durante un tiempo dado. Normalmente 185 °C durante 240 minutos
para las aleaciones de la familia 6060, de esta forma se consigue la
precipitación del silicio con el magnesio en forma de siliciuro de
magnesio (Mg2Si) dentro de las dendritas de aluminio,
produciéndose así el temple del material. La temperatura de salida
de extrusión superior a 510 °C para las aleaciones 6060 más el
correcto enfriamiento de los perfiles a 250 °C en menos de cuatro
minutos, es fundamental para que el material adquiera sus
propiedades, a este material se le considera de temple 4 o T4 o
también conocido como sin temple.
VANADIO
El vanadio es un elemento químico de número atómico 23 situado
en el grupo 5 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es
V. Es un metal dúctil, blando y poco abundante. Se encuentra en
distintos minerales y se emplea principalmente en algunas
aleaciones. El nombre procede de la diosa de la belleza Vanadis en
la mitología escandinava.
Es un metal suave, de color gris plateado y de transición dúctil. La
formación de una capa de óxido del metal estabiliza al elemento
contra la oxidación.
El elemento se encuentra naturalmente en minerales; hay cerca de
65 diferentes tipos y en los depósitos de combustibles fósiles. Se
produce en China y Rusia, otros países lo producen o bien por el
polvo de combustión de aceite pesado, o como un subproducto de
la minería de uranio. Se utiliza principalmente para producir
aleaciones de aceros especiales, tales como aceros para
herramientas de alta velocidad. El pentóxido de vanadio se utiliza
como catalizador para la producción de ácido sulfúrico. El vanadio
se encuentra en muchos organismos, y es utilizado por algunas
formas de vida como un centro activo de las enzimas.
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
El vanadio es un metal de transición blanco, dúctil y brillante. Este
metal de transición presenta una alta resistencia a las bases, al
ácido sulfúrico (H2SO4) y al ácido clorhídrico (HCl). Se obtiene de
distintos minerales, así como de petróleos. También se puede
obtener de la recuperación del óxido de vanadio (V) en polvos
procedentes de procesos de combustión. Tiene algunas
aplicaciones nucleares debido a su baja sección de captura de
neutrones. Es un elemento esencial en algunos seres vivos,
aunque no se conoce su función.
En sus compuestos presenta variados estados de oxidación,
siendo los más comunes +2, +3, +4 y +5.
COMPUESTOS DEL VANADIO
Los haluros son conocidos por los estados de oxidación +2, +3 y
+4. El tetraclorhidro de vanadio (VCl4) es el más importante de
manera comercial. Este líquido se utiliza principalmente como
catalizador para la polimerización de dienos.
APLICACIONES
Aproximadamente el 85% del vanadio producido se emplea como
ferrovanadio o como aditivo en aceros.
Se emplea en acero inoxidable usado en instrumentos
quirúrgicos y herramientas, en aceros resistentes a la
corrosión, y mezclado con aluminio en aleaciones de titanio
empleadas en motores de reacción. También, en aceros
empleados en ejes de ruedas y cigüeñales, engranajes, y
otros componentes críticos.
Es un importante estabilizador: se utiliza en los vehículos
para darle un mayor agarre en las llantas y así tener una
mayor capacidad de carburos en la fabricación de aceros.
Se emplea en algunos componentes de reactores nucleares.
Forma parte de algunos imanes superconductores.
Algunos compuestos de vanadio se utilizan como
catalizadores en la producción de anhídrido maleico y ácido
sulfúrico. Concretamente, es muy usado el pentóxido de
vanadio, V2O5, que también se emplea en cerámica.
La mayor parte del vanadio se utiliza como ferrovanadio como
aditivo para mejorar los aceros. El ferrovanadio se produce
directamente por la reducción de una mezcla de óxido de vanadio,
óxidos de hierro y de hierro en un horno eléctrico. El vanadio
termina en arrabio producido a partir de la magnetita de vanadio.
Durante la producción de acero, el oxígeno es soplado en la
fundición de hierro, la oxidación del carbono y la mayoría de las
otras impurezas, formando escoria. Dependiendo del mineral
utilizado, la escoria contiene hasta un 25% de vanadio.
El vanadio metálico se obtiene a través de un proceso de múltiples
pasos que comienza con la calcinación de mineral triturado con
NaCl o Na2CO3 en alrededor de 850 °C para dar metavanadato de
sodio (NaVO3). De un extracto acuoso de este sólido se acidifica a
dar "pastel rojo", una sal polivanadiata, que se reduce con el calcio
metálico. Como una alternativa para la producción de pequeña
escala, el pentóxido de vanadio se reduce con hidrógeno o
magnesio. Muchos otros métodos también están en uso, en todos
los cuales el vanadio se produce como un subproducto de otros
procesos. La purificación de vanadio es posible por el proceso de
barra de cristal desarrollado por Anton Eduard van Arkel y Jan
Hendrik De Boer en 1925. Se trata de la formación del yoduro de
metal, en este ejemplo de vanadio (III) de yoduro (VI3), y la
posterior descomposición para producir metal puro.
LITIO
El litio es un elemento químico de símbolo Li y número atómico 3.
En la tabla periódica, se encuentra en el grupo 1, entre los
elementos alcalinos. En su forma pura, es un metal blando, de
color blanco plata, que se oxida rápidamente en aire o agua. Es el
elemento sólido más ligero y se emplea especialmente en
aleaciones conductoras del calor, en baterías eléctricas y, sus
sales, en el tratamiento del trastorno bipolar.
Es el metal más ligero, su densidad es la mitad de la del agua. Al
igual que los demás metales alcalinos es univalente y muy reactivo,
aunque menos que el sodio, por lo que no se encuentra libre en la
naturaleza. Acercado a una llama la torna carmesí pero, si la
combustión es violenta, la llama adquiere un color blanco brillante.
APLICACIONES
Por su elevado calor específico, el litio se emplea en aplicaciones
de transferencia de calor, y por su elevado potencial electroquímico
constituye un ánodo adecuado para las baterías eléctricas.
También se le dan los siguientes usos:
El cloruro de litio y el bromuro de litio tienen una elevada
higroscopicidad por lo que son excelentes secantes. El
segundo se emplea en bombas de calor de absorción, entre
otros compuestos como el nitrato de litio.
Las sales de litio, particularmente el carbonato de litio
(Li2C O 3) y el citrato de litio, se emplean en el tratamiento de
la manía y la depresión bipolar, así como en otras
psicopatologías. Es un estabilizador del estado de ánimo. Es
el único fármaco antimaníaco. Sus mecanismos de acción
son varios: 1. Bloquea la liberación de dopamina bloquea la
hipersensibilidad de los receptores dopaminérgicos; 2.
Bloquea resultados en la neurona posináptica bloquea la
reutilización de grupos fosfatos del trifosfato inositol que
activa la liberación de calcio; 3. Reemplaza el sodio en el
canal sináptico por ser más pequeño y el potencial de acción
se hace más lento, haciendo que el paciente se calme. El
litio no es sustrato para la bomba sustrato sodio potasio AT
Pasa que impide el paso de los iones de sodio,
reemplazando la concentración del sodio, lo cual en altas
concentraciones puede resultar tóxico.
El estearato de litio es un lubricante de propósito general en
aplicaciones a alta temperatura.
El litio es un agente altamente empleado en la síntesis de
compuestos orgánicos, usado para la coordinación de
ligandos a través del intermedio litiado.
El hidróxido de litio se usa en las naves espaciales y
submarinos para depurar el aire extrayendo el dióxido de
carbono.
Es componente común de las aleaciones de aluminio,
cadmio, cobre y manganeso empleadas en la construcción
aeronáutica, y se ha empleado con éxito en la fabricación de
cerámicas y lentes, como la del telescopio de 5,08 m de
diámetro (200 pulgadas) de Monte Palomar.
También tiene aplicaciones nucleares.
CobaltoEl cobalto (del alemán kobalt, voz derivada de kobold, término
utilizado por los mineros de Sajonia en la Edad Media para
describir al mineral del cual se obtiene) es un elemento químico de
número atómico 27 y símbolo Co situado en el grupo 9 de la tabla
periódica de los elementos.
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
El cobalto es un metal ferromagnético, de color blanco azulado. Su
temperatura de Curie es de 1388 K. Normalmente se encuentra
junto con níquel, y ambos suelen formar parte de los meteoritos de
hierro. Es un elemento químico esencial para los mamíferos en
pequeñas cantidades. El Co-60, un radioisótopo de cobalto, es un
importante trazador y agente en el tratamiento del cáncer.
El cobalto metálico está comúnmente constituido de una mezcla de
dos formas alotrópicas con estructuras cristalinas hexagonales y
cúbica centrada en las caras siendo la temperatura de transición
entre ambas de 722 K.
Se emplea sobre todo en superaleaciones de alto rendimiento,
siendo éstas normalmente más caras que las de níquel. Es un
metal eminentemente de aleación, al igual que el níquel o el zinc,
por ejemplo. Dichos metales suelen agregarse a otros que actúan
de base, aunque cuando el Cobalto actúa de base suele hacerlo en
aleaciones con cromo. Su principal característica es su elevadísima
dureza y resistencia al desgaste. Son aleaciones normalmente
poco usadas ya que su virtud no compensa la gran cantidad que
hay que abonar por ellas. El cobalto posee características muy
similares a sus elementos vecinos, hierro y níquel, con los cuales
comparte más rasgos que con los elementos de su propio grupo en
la tabla periódica. Ni cobalto ni níquel suelen mezclarse con la plata
ni el mercurio (siendo ambos raras excepciones) además de que
comparten el efecto magnético del hierro. El cobalto es el metal
más escaso de estos tres, es el menos rentable y también el más
caro. Encuentra pocos usos en la industria en comparación a sus
vecinos inmediatos. Se trata de uno de los pocos elementos
químicos monoisotópicos. El cobalto tiene poca resistencia química
aunque es más estable que el hierro ya que se mantiene en aire y
agua siempre que no se encuentren otros elementos corrosivos en
dichos medios.
APLICACIONES
Aleaciones entre las que cabe señalar superaleaciones usadas
en turbinas de gas de aviación, aleaciones resistentes a la
corrosión, aceros rápidos, y carburos cementados y herramientas
de diamante. Herramientas de corte en procesos de fabricación
para fresadoras.
Imanes (Alnico, Fernico, Cunico, Cunife) y cintas magnéticas.
Catálisis del petróleo e industria química.
Recubrimientos metálicos por deposición electrolítica por su
aspecto, dureza y resistencia a la oxidación.
Secante para pinturas, barnices y tintas.
Recubrimiento base de esmaltes vitrificados.
Pigmentos (cobalto azul y cobalto verde).
Electrodos de baterías eléctricas
Cables de acero de neumáticos.
El Co-60 se usa como fuente de radiación gamma en
radioterapia, esterilización de alimentos (pasteurización fría) y
radiografía industrial para el control de calidad de metales
(detección de grietas).
COMPUESTOS
Debido a los varios estados de oxidación que presenta, existe un
abundante número de compuestos de cobalto. Los óxidos CoO
(temperatura de Néel 291 K) y Co3O4 (temperatura de Néel 40 K)
son ambos antiferromagnéticos a baja temperatura.
NÍQUEL
El níquel es un elemento químico de número atómico 28 y su
símbolo es Ni, situado en el grupo 10 de la tabla periódica de los
elementos.
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
Es un metal de transición de color blanco plateado con un ligero
toque dorado, conductor de la electricidad y del calor, muy dúctil y
maleable por lo que se puede laminar, pulir y forjar fácilmente, y
presentando ferromagnetismo a temperatura ambiental. Es otro de
los metales altamente densos como el hierro, iridio y osmio. Se
encuentra en distintos minerales, en meteoritos (aleado con hierro)
y, en principio, hay níquel en el interior de la Tierra principalmente
en su núcleo, donde se trata del segundo metal más abundante por
detrás del hierro, metal con el que comparte numerosas
características similares. El níquel es aleado con hierro para
proporcionar tenacidad y resistencia a la corrosión, en los aceros
austeníticos el níquel es esencial puesto que al ser un metal
gammágeno estabiliza la austenita. Es resistente a la corrosión y
se suele utilizar como recubrimiento, mediante electro deposición.
El metal y alguna de sus aleaciones, como la aleación Monel, se
utilizan para manejar el flúor y algunos fluoruros debido a que
reacciona con dificultad con éstos productos. Su coste roza la
mayoría de las veces el primer puesto entre los precios de los
metales comunes en los mercados dedicados a los metales.
Es un producto absolutamente esencial para el desarrollo de la
industria, además de uno de los metales más demandados.
Reacciona con dificultad en medios agresivos y se considera
resistente a la corrosión; no sufre el llamado efecto "galleo" el cual
sí padece el cobre, por ejemplo. Su estado de oxidación más
normal es +2. Puede presentar otros, se han observado estados de
oxidación 0, +1 y +3 en complejos, pero son muy poco
característicos.
PRINCIPALES MINERALES DE NÍQUEL
La niquelina (NiAs), la garnierita (Si4O13[Ni, Mg]2•2 H2O), este
último es uno de los minerales más utilizados en la extracción
del níquel, también existen los sulfuros, de ellos los más
importantes son los sulfuros de hierro y níquel, pentlandita y
pirrotita (Ni, Fe) xSy, otros minerales que se encuentran en la
naturaleza son los arseniuros, silicatos, sulfoarseniuros.
APLICACIONES
Aproximadamente el 65% del níquel consumido se emplea en la
fabricación de acero inoxidable austenítico y otro 12% en
superaleaciones de níquel. El restante 23% se reparte entre otras
aleaciones, baterías recargables, catálisis, acuñación de moneda,
recubrimientos metálicos y fundición:
Alnico , aleación para imanes.
El mu-metal se usa para apantallar campos magnéticos por
su elevada permeabilidad magnética.
Las aleaciones níquel-cobre (monel) son muy resistentes a
la corrosión, utilizándose en motores marinos e industria
química.
La aleación níquel-titanio (nitinol-55) presenta el fenómeno
de efecto térmico de memoria (metales) y se usa en
robótica, también existen aleaciones que presentan
superplasticidad.
Crisoles de laboratorios químicos.
Níquel Raney : catalizador de la hidrogenación de aceites
vegetales.
Se emplea para la acuñación de monedas, a veces puro y,
más a menudo, en aleaciones como el cuproníquel.
El metal es la opción más económica para hacer oro blanco.
El níquel, un metal blanco y de tonalidad mate y de tacto
suave, es un metal que encuentra mucha facilidad para
«blanquear» a otros metales. Esto se traduce en que un
mínimo de 30% de níquel en masa puede dar una apariencia
plateada a la aleación. Por ejemplo en aleaciones de cobre,
incluso con un 40% en masa de zinc o aluminio el metal
sigue teniendo una coloración dorada, mientras que con un
sólo 30% de níquel en masa adquiere su característico tono
blanco.
Es posible encontrarlo en joyería actualmente, pero no se
recomienda su uso, ya que es cancerígeno y altamente
tóxico. El níquel ha sido vetado en numerosos estados,
donde su uso se ve cada vez más reducido. Se halla sobre
todo en perforaciones corporales y joyería de acero
inoxidable, donde suele representar alrededor del 13% en
masa. Estos aceros no son peligrosos para la salud puesto
que son inertes químicamente y no reaccionan. Sin embargo
el uso de una joya enchapada en níquel (típico de las joyas
de fantasía) sí puede presentar un riesgo serio de alergia o
infección, pero ambos casos son raros.
Se utiliza níquel para fabricar los volantes de los relojes
mecánicos, no todos pero la mayoría de los relojes rusos
antiguos y algunos suizos
TITANIO
El titanio es un elemento químico de símbolo Ti y número atómico
22. Se trata de un metal de transición de color gris plata.
Comparado con el acero, aleación con la que compite en
aplicaciones técnicas, es mucho más ligero (4,5/7,8). Tiene alta
resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica, pero es
mucho más costoso que aquél, lo cual limita sus usos industriales.
Es un metal abundante en la naturaleza; se considera que es el
cuarto metal estructural más abundante en la superficie terrestre y
el noveno en la gama de metales industriales. No se encuentra en
estado puro sino en forma de óxidos, en la escoria de ciertos
minerales de hierro y en las cenizas de animales y plantas. Su
utilización se ha generalizado con el desarrollo de la tecnología
aeroespacial, donde es capaz de soportar las condiciones
extremas de frío y calor que se dan en el espacio y en la industria
química, por ser resistente al ataque de muchos ácidos; asimismo,
este metal tiene propiedades biocompatibles, dado que los tejidos
del organismo toleran su presencia, por lo que es factible la
fabricación de muchas prótesis e implantes de este metal.
CARACTERÍSTICAS DEL TITANIO
Características físicas:
Entre las características físicas del titanio se tienen las siguientes:
Es un metal de transición.
Su densidad o peso específico es de 4507 kg/m 3 .
Tiene un punto de fusión de 1675 °C (1941 K).
Su masa atómica es de 47,867 u.
Es de color plateado grisáceo.
Es paramagnético, es decir que presenta ligera
susceptibilidad a un campo magnético.
Forma aleaciones con otros elementos para mejorar las
prestaciones mecánicas.
Es resistente a la corrosión.
Refractario .
Poca conductividad térmica y eléctrica: no es buen
conductor del calor ni de la electricidad.
Características mecánicas:
Entre las características mecánicas del titanio se tienen las
siguientes:
Mecanizado por arranque de viruta similar al acero
inoxidable.
Permite fresado químico.
Maleable , permite la producción de láminas muy delgadas.
Dúctil , permite la fabricación de alambre delgado.
Duro. Escala de Mohs 6.
Muy resistente a la tracción.
Gran tenacidad.
Permite la fabricación de piezas por fundición y moldeo.
Material soldable.
Permite varias clases de tratamientos tanto termoquímicos
como superficiales.
Mantiene una alta memoria de su forma.
Características químicas:
Se encuentra en forma de óxido, en la escoria de ciertos
minerales y en cenizas de animales y plantas.
Presenta dimorfismo, a temperatura ambiente tiene
estructura hexagonal compacta (hcp) llamada fase alfa.
Por encima de 882 °C presenta estructura cúbica centrada
en el cuerpo (bcc) se conoce como fase beta.
La resistencia a la corrosión que presenta es debida al
fenómeno de pasivación que sufre (se forma un óxido que
lo recubre). Es resistente a temperatura ambiente al ácido
sulfúrico (H2SO4) diluido y al ácido clorhídrico (HCl) diluido,
así como a otros ácidos orgánicos, también es resistente a
las bases, incluso en caliente. Sin embargo se puede
disolver en ácidos en caliente. Asimismo, se disuelve bien
en ácido fluorhídrico (HF), o con fluoruros en ácidos.
A temperaturas elevadas puede reaccionar fácilmente con el
nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno , el boro y otros no
metales.
Sus iones no tienen existencia a pH básicos.
PROCESOS TECNOLÓGICOS DEL TITANIO
La fundición de piezas de titanio se realiza cuando se trata de
piezas de diseño complejo que hace difícil el forjado o mecanizado
de las mismas. Hay muchas aplicaciones donde se utilizan piezas
fundidas desde piezas muy voluminosas hasta piezas muy
pequeñas de aplicaciones biomédicas.
Hay dos métodos principales para la fundición de piezas:
Fundición por moldeo de grafito apisonado, recomendado
para la fundición de piezas de gran tamaño por ser el
procedimiento más económico porque no hay necesidad de
fabricar moldes especiales.
Fundición a la cera perdida, es el método más apropiado
para fundir piezas pequeñas y de gran precisión con
acabados de alta calidad.
En el desarrollo de las diferentes prótesis óseas y dentales se
recurre a la fundición de los componentes en hornos muy
sofisticados para obtener una gran precisión y calidad de las piezas
fundidas, a partir de los moldes adecuados. Debido a la afinidad del
titanio líquido por el oxígeno, nitrógeno e hidrógeno, así como la
reactividad con los crisoles y moldes metálicos, se requiere que la
fusión sea al vacío y en crisoles de grafito.
Las propiedades mecánicas de las piezas de fundición son muy
similares a las de las piezas forjadas y del titanio en general. Se
funden piezas de hasta 600 kg, tanto de titanio comercial puro
como de las diferentes aleaciones.
La verificación de piezas fundidas se realiza mediante líquidos
penetrantes, rayos X o ultrasonidos.
CERAMICAS AVANZAS
NITRURO DE ALUMINIO:
En los últimos años se ha realizado un esfuerzo importante en la
búsqueda de nuevos materiales con estructuras cada vez más
complejas, que presenten a la vez propiedades de conducción
iónica y electrónica. Este tipo de materiales, como el nitruro de
aluminio, tienen aplicaciones en campos importantes de la
tecnología como componentes de diversos dispositivos
optoelectrónicos. De entre los nuevos materiales estudiados se
destacan los nitruros metálicos. En este tipo de compuestos no
existe todavía un conocimiento profundo de los mecanismos de
transporte de carga por lo que se hace necesario un estudio
fundamental en muestras de gran calidad cristalina.
Como película policristalina orientada en el eje c, el nitruro de
aluminio (AlN) se puede implementar como componente en
sensores ópticos en el rango de ultravioleta (UV), así como en
dispositivos óptico-acústicos.
Existe un amplio interés en el nitruro de aluminio hexagonal por su
aplicación en LED's y detectores en el azul y ultravioleta, debido a
su notable estabilidad térmica y química, también es conveniente
para su aplicación en ambientes extremos de altas temperaturas.
Es de gran importancia para el país el estudio y desarrollo de
nuevas técnicas de investigación como la deposición por láser
pulsado (PLD) ya que se pueden generar nuevos materiales
nanoestructurados como es en este caso el de los nitruros del
grupo III-V uno de ellos el AlN pues está siendo objeto de estudio
debido a sus amplias perspectivas de aplicación en dispositivos
semiconductores en las regiones de las longitudes de onda del azul
y el ultravioleta; además de que se crean jóvenes investigadores
que pueden contribuir a la ciencia y desarrollo del país con la
ayuda de las universidades que trabajan en estos temas y de los
grupos que existen en estas líneas de investigación posibilitando
avances tecnológicos necesarios para la industria nacional.
CARBURO DE SILICIO
Descubierto por Edward Goodrich Acheson, el carburo de silicio,
también llamado carborundo, (SiC) es un carburo covalente de
estequiomería 1:1 y que tiene una estructura de diamante, a pesar
del diferente tamaño del C y Si, que podría impedir la misma.
Debido en parte a su estructura, es casi tan duro como el diamante,
alcanzando durezas en la escala de Mohs de 9 a 9,5.
También es conocido como «carborindón», palabra formada por
carbo- y corindón, mineral famoso por su dureza.
Es un compuesto que se puede denominar aleación sólida, y que
se basa en que sobre la estructura anfitrión (C en forma de
diamante) se cambian átomos de éste por átomos de Silicio,
siempre y cuando el hueco que se deje sea similar al tamaño del
átomo que lo va a ocupar.
El Carburo de Silicio es un material semiconductor (~ 2,4V) y
refractario que presenta muchas ventajas para ser utilizado en
dispositivos que impliquen trabajar en condiciones extremas de
temperatura, voltaje y frecuencia, el Carburo de Silicio puede
soportar un gradiente de voltaje o de campo eléctrico hasta ocho
veces mayor que el silicio o el arseniuro de galio sin que
sobrevenga la ruptura, este elevado valor de campo eléctrico de
ruptura le hace ser de utilidad en la fabricación de componentes
que operan a elevado voltaje y alta energía como por ejemplo:
diodos, transistores, supresores..., e incluso dispositivos para
microondas de alta energía. A esto se suma la ventaja de poder
colocar una elevada densidad de empaquetamiento en los circuitos
integrados.
Gracias a la elevada velocidad de saturación de portadores de
carga (2,0x107 cm−1) es posible emplear SiC para dispositivos que
trabajen a altas frecuencias, ya sean Radiofrecuencias o
Microondas. Por último una dureza de ~9 en la escala de Mohs le
proporciona resistencia mecánica que junto a sus propiedades
eléctricas hacen que dispositivos basados en SiC ofrezcan
numerosos beneficios frente a otros semiconductores.
OBTENCIÓN
El carburo de silicio se obtiene de arenas o cuarzo de alta pureza y
coque de petróleo fusionados en horno eléctrico a más de 2000 ºC
con la siguiente composición:
SiO2 + 3 C → SiC + 2 CO
Luego pasa por un proceso de: Selección, molienda, lavado,
secado, separación magnética, absorción del polvo, cribado,
mezclado y envasado. Luego con este producto en distintos granos
(o grosores de grano) y distintos aditivos, soportes y aglomerantes,
se elaboran las lijas, discos de corte de metal, pastas para pulir,
Etc.
NITRURO DE SILICIO
Cerámico de fórmula molecular Si3N4 que se prepara por una
reacción de silicio en polvo con nitrógeno gas a temperaturas muy
elevadas. El producto obtenido se prensa en caliente y se dopa con
un 1-5% de MgO. Entre las cerámicas avanzadas es el material
que presenta una mejor combinación de propiedades y está siendo
investigado para aplicaciones en motores cerámicos de alta
temperatura.
Básicamente se distinguen dos tipos de este material: Unido
mediante una reacción limitada, que puede contener hasta 20 % de
porosidad y prensado en caliente, que puede llegar a tener hasta
un 100 % de la densidad teórica.
El nitruro de silicio unido mediante una reacción tiene la ventaja de
ser más económico, debido al método que se usa para sintetizar-lo,
mucho más barato que el prensado en caliente. Otra ventaja es
que pueden realizarse piezas muy precisas que conservan su
forma original. La desventaja de este material es la porosidad, que
disminuye fuerza y otras propiedades mecánicas. Frecuentemente
se usa para piezas de horno y similares cuando la alta resistencia
no es un factor crítico. Las propiedades que diferencian nitruro de
silicio de otras cerámicas usadas en la ingeniería son las
siguientes:
No hay pérdida de fuerza en el aire a temperaturas de hasta
1000 º C
Mayor resistencia al choque térmico que muchas otras
cerámicas
Densidad más baja que la mayoría de otras cerámicas de
ingeniería (un tercio del peso del acero)
Baja expansión termal
Mejor dureza que el carburo de silicio y óxido de aluminio
Más rígido que el acero (50 %)
Elevada resistencia a la compresión
Elevada resistencia al desgaste, tanto por impacto como por
fricción
Buena resistencia al ataque químico
APLICACIONES
El nitruro de silicio se usa ampliamente como un material para
herramientas de corte en forma de placas de cerámica, también se
utiliza para piezas de turbinas de gas que deben resistir el ciclismo
termal, Otras aplicaciones incluyen piezas para los motores diesel,
partes de la bomba donde se requiere resistencia química y al
desgaste, cojinetes, boquillas térmicas, tubos de reacción, rodillos
de imprenta, piezas anti desgaste.
Otras aplicaciones son:
Cojinetes, pistones de prensado en caliente, componentes para
plantas químicas, crisoles (crucibles), boquillas de dibujo (drawing
nozzles), herramientas de corte, válvulas, elementos para turbinas
de gas y turbocompresores, bolas para rodamientos (balls for ball
bearings), puntas de soldadura, mangas del termopar (termocouple
sleeves).
CONCLUSIÓN
Los materiales se clasifican generalmente en cinco grupos:
metales, cerámicos, polímeros, semiconductores y materiales
compuestos. Los materiales de cada uno de estos grupos poseen
estructuras y propiedades distintas.
Metales. Tienen como característica una buena conductividad
eléctrica y térmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad. Son
particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las
aleaciones (combinaciones de metales) conceden alguna
propiedad particularmente deseable en mayor proporción o
permiten una mejor combinación de propiedades.
Cerámicos. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son
usados a menudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque
frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen
que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura
para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de
este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la
porcelana, los refractarios y los abrasivos.
Polímeros. Son grandes estructuras moleculares creadas a partir
de moléculas orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y
térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas
elevadas.
Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares
no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductibilidad y
conformabilidad; en cambio, los polímeros termoestables son más
resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente
enlazadas los hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones,
entre ellas en dispositivos electrónicos.
Semiconductores. Su conductividad eléctrica puede controlarse
para su uso en dispositivos electrónicos. Son muy frágiles.
Materiales compuestos. Como su nombre lo indica, están
formados a partir de dos o más materiales de distinto grupos,
produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los
materiales de forma individual.
Hay muchas formas de clasificar los materiales, según su
composición, por su origen, de acuerdo con sus propiedades
físico – químicas, desde el punto de vista de la fabricación, etc;
según su origen, los materiales se pueden clasificar en materiales
naturales y materiales artificiales, dependiendo de que se
encuentren directamente en el medio natural o sean el resultado de
algún proceso de fabricación, como el granito, que es un material
natural, mientras que el acero es un material artificial; según su
composición, los materiales se pueden clasificar en elementos y
compuestos, homogéneos y heterogéneos, metálicos y no
metálicos, inorgánicos y orgánicos, etc.; según sus propiedades,
los materiales se pueden clasificar en rígidos y flexibles, tenaces y
frágiles, conductores y aislantes, reciclables y no reciclables, etc.
BIBLIOGRAFÍA
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Fecha: 05 de febrero del 2015.
Hora: 8:00 pm
http:// www.buenastareas.com/search_materiales
poliméricos
Fecha: 09 de febrero del 2015.
Hora: 11:30 am
http:// es.slideshare.net/search/slideshow?search-
ceramicas+avanzadas
Fecha: 12 de febrero del 2015.
Hora: 4:30 pm
http:// es.wikipedia.org/wiki/Materiales metálicos
Fecha: 12 de febrero del 2015.
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