Materiales de uso técnico: metales y plásticos

Para entender por qué usamos un metal y no otro, debemos analizar sus características fundamentales:

• Conductividad: Los metales poseen electrones libres que permiten el paso de la corriente eléctrica y el calor con gran facilidad. El cobre y la plata son los exponentes máximos.
• Ductilidad y maleabilidad: La ductilidad es la capacidad de estirarse en hilos finos (como cables), mientras que la maleabilidad permite formar láminas delgadas (como el papel de aluminio).
• Resistencia mecánica: Es la capacidad de soportar esfuerzos de tracción, compresión o flexión sin romperse.
• Tenacidad: La capacidad de absorber energía frente a un impacto sin fracturarse. Es lo opuesto a la fragilidad.

La mayoría de los metales son sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio) y poseen un brillo característico llamado brillo metálico.

Los metales ferrosos son aquellos cuyo componente principal es el hierro (Fe). Su clasificación depende directamente de la cantidad de carbono que contienen:

1. Hierro puro: Menos del 0,03% de carbono. Es blando y tiene pocas aplicaciones técnicas.
2. Acero: Entre el 0,03% y el 1,76% de carbono. Es el material de construcción por excelencia.
3. Fundición: Entre el 1,76% y el 6,67% de carbono. Es muy duro pero frágil.

El proceso de obtención del acero se realiza en el alto horno, donde el mineral de hierro se combina con carbón de coque y fundente para obtener arrabio, que luego se refina en convertidores para ajustar el nivel de carbono.

Son metales que no contienen hierro o lo contienen en cantidades mínimas. Se utilizan cuando se requiere ligereza, resistencia a la corrosión o alta conductividad.

• Cobre: Excelente conductor. Sus aleaciones principales son el bronce (cobre + estaño) y el latón (cobre + zinc).
• Aluminio: Destaca por su baja densidad y su resistencia a la oxidación. Es fundamental en aeronáutica y envases.
• Magnesio y Titanio: El titanio es extremadamente resistente y ligero, además de biocompatible (usado en prótesis médicas). El magnesio se usa cuando el peso es el factor crítico, aunque es muy inflamable en virutas.

El proceso comienza separando la pieza del material base o eliminando el exceso:

• Sierra de arco: Para cortes rectos manuales.
• Cizalla: Similar a unas tijeras gigantes, corta láminas metálicas por presión.
• Limas: Herramientas de acero templado con estrías para desgastar el metal poco a poco y ajustar dimensiones.
• Esmerilado: Uso de muelas abrasivas para acabados o afilado de herramientas.

Las uniones pueden ser fijas o desmontables:

1. Soldadura blanda: Se usa un soldador eléctrico y estaño (punto de fusión bajo, $< 400^\circ C$). Común en electrónica.
2. Soldadura fuerte: Utiliza soplete y aleaciones de plata o latón para uniones más resistentes.
3. Uniones mecánicas: Los remaches crean uniones fijas permanentes, mientras que la tornillería (tornillo y tuerca) permite el desmontaje.
4. Adhesivos estructurales: Resinas especiales que pegan metales en aplicaciones donde el calor de la soldadura dañaría la pieza.

Para dar forma definitiva a las piezas en la industria se utilizan métodos masivos:

• Laminado: Pasar el metal por rodillos para reducir su espesor (chapas).
• Forja: Golpear el metal (en caliente o frío) para darle forma. Aumenta la resistencia interna del material.
• Extrusión: Forzar el metal a pasar por un orificio con una forma determinada (como sacar pasta de dientes) para crear perfiles largos.
• Fundición: Verter metal líquido en un molde con la forma deseada y dejar que solidifique.

La mayoría de los plásticos provienen de la destilación del petróleo y el gas natural. Mediante un proceso químico llamado polimerización, las moléculas pequeñas se enlazan para formar macromoléculas. Para mejorar sus propiedades, se añaden:

• Plastificantes: Para aumentar la flexibilidad.
• Cargas: (como fibra de vidrio) para aumentar la resistencia.
• Pigmentos: Para dar color.

Son plásticos que se ablandan al calentarse y se endurecen al enfriarse, pudiendo repetir este proceso varias veces. Esto los hace fácilmente reciclables.

• PET: Botellas de agua y bebidas.
• PVC: Tuberías y aislantes eléctricos (es muy resistente).
• Polietileno (PE): Bolsas y envases (el de alta densidad es más rígido).
• Polipropileno (PP): Juguetes y recipientes para microondas.

• Termoestables: Una vez moldeados mediante calor, no pueden volver a fundirse; si se calientan en exceso, se degradan o carbonizan. Ejemplo: Baquelita (mangos de sartenes) y Resinas epoxi (adhesivos).
• Elastómeros: Sus macromoléculas forman una red que puede estirarse y recuperar su forma original. Ejemplo: Caucho (neumáticos) y Neopreno (trajes de buceo).

• Inyección: El plástico fundido se introduce a alta presión en un molde metálico frío. Es el método más común para fabricar piezas complejas como carcasas de móviles.
• Soplado: Se introduce aire a presión dentro de un tubo de plástico caliente (parison) dentro de un molde, obligándolo a pegarse a las paredes. Así se fabrican las botellas y objetos huecos.

• Extrusión: Similar a la metálica, se usa para fabricar tubos, mangueras y marcos de ventanas de forma continua.
• Calandrado: El plástico pasa por una serie de rodillos para producir láminas finas o películas (como el film transparente de cocina).

Se coloca una lámina de termoplástico sobre un molde, se calienta para que se ablande y se succiona el aire (vacío) para que la lámina se adapte perfectamente a la forma del molde. Se usa mucho en hueveras y envases de yogur.

El análisis del ciclo de vida incluye desde la extracción de la materia prima hasta su desecho final. La huella de carbono mide las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas a este proceso. Debemos combatir la obsolescencia programada, que es el diseño de productos para que fallen tras un tiempo determinado, obligando a consumir más recursos.

• Metales: El reciclaje de metales (chatarra) es muy eficiente. Reciclar aluminio ahorra un 95% de la energía necesaria para extraerlo del mineral (bauxita).
• Plásticos: Se identifican mediante un triángulo con un número (código RIC). La economía circular busca que el residuo de un proceso sea la materia prima de otro.

La investigación actual se centra en:

1. Bioplásticos: Fabricados a partir de almidón de maíz o caña de azúcar, que son biodegradables o compostables.
2. Aleaciones eco-eficientes: Metales más ligeros que permiten que los vehículos consuman menos combustible.
3. Sustitución de tóxicos: Eliminación de metales pesados como el plomo o el cadmio en procesos industriales.

El mejor residuo es aquel que no se genera; por ello, la reducción en origen es la prioridad antes que el reciclaje.