Una mirada a un siglo desde la aparición de los plásticos

Descubra los avances tecnológicos e innovaciones que han moldeado la historia de los plásticos y su papel en nuestra vida cotidiana.

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Hace cien años que la baquelita, considerada como la primera sustancia plástica sintética, fue desarrollada por el químico belga Leo Baekeland. Hacer una revisión de lo que ha ocurrido en la industria plástica desde entonces, equivale a mirar el transcurso del siglo XX. Cuando el siglo estaba naciendo, la industria de los plásticos vivía la generación de las resinas de origen celulósico.

Siguió después la generación de los productos de síntesis química, por medio de las reacciones de adición y condensación principalmente, y que fue el soporte de la creación de nuevos plásticos hasta el final de la primera mitad del siglo.

En la segunda mitad del siglo, los productos estrella de la industria vinieron como resultado de la generación de los catalizadores heterogéneos, que permitieron fabricar nuevos polímeros “hechos a la medida” como resultado del conocimiento y dominio de la arquitectura de este tipo de catalizadores. A este grupo pertenecen los catalizadores Ziegler-Natta y, especialmente, los metalocénicos. En el presente estamos viviendo la generación de los catalizadores metalocénicos.

Evolución y desarrollo: de la baquelita al PET

Las resinas de celulosa se derivaban de las fibras naturales, por lo que su costo era normalmente alto, y no fue posible desarrollar aplicaciones de consumo masivo. John Wesley Hyatt desarrolló hacia 1866 el Celluloid, una mezcla termoplástica de colodión y alcanfor. Colodión es un nitrato de celulosa, tóxico y altamente inflamable, que pudo ser neutralizado con alcanfor para fabricar bolas de billar y películas flexibles para cine y fotografía.

Otra resina celulósica conocida en inicio del siglo XX fue el Rayón, inventado por el conde de Chardonnet, Francia, y perfeccionado por Tophan. El propósito de este desarrollo fue la fabricación de un sustituto para la seda natural. Quizás la primera aplicación en empaques fue propuesta en 1910 por el ingeniero Jacques Brandenberger, Suiza, cuando descubrió el celofán a partir de la viscosa, un derivado de un xantato de celulosa tratado con ácido.

En un comienzo, debido a su alto costo, el celofán se usó para empacar perfumes, pero durante la primera guerra mundial se hizo uso de sus propiedades impermeables para recubrir máscaras protectoras contra los gases tóxicos. Después, con los años, el celofán revolucionó los empaques para confites y cajetillas de cigarrillos.

La generación de los productos celulósicos se interrumpió con el descubrimiento del primer polímero fabricado por el hombre de manera totalmente sintética. Este fue la baquelita, descubierta en 1907 por el químico belga Leo Baekeland. Esta sustancia, un material termofijo, podía ser moldeada a voluntad en el momento de fabricación pero luego retenía sus propiedades en condiciones variadas de temperatura, humedad y ambientes agresivos.

Este comportamiento fue diferente al encontrado hasta el momento con los materiales celulósicos. Las industrias beneficiadas fueron principalmente la militar durante la segunda guerra mundial, eléctrica y productos para el hogar. La baquelita inició así el desarrollo de productos de consumo masivo sintéticos de la era de los plásticos. 

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La generación de los polímeros vía adición y condensación

La experiencia ha demostrado que el éxito de una tecnología está, entre otras cosas, en el conocimiento que se tenga de las ciencias básicas que la soportan. El desarrollo de nuevas resinas plásticas no es la excepción. Se requirió del conocimiento de los aspectos esenciales de la química de polimerización para llegar a contar con los materiales plásticos que hoy en día son tan comunes entre nosotros. Estos no existían comercialmente a principios del siglo XX.

A comienzos de la década de 1920 el científico alemán H. Staundinger (premio Nóbel 1953) propuso la existencia de las macromoléculas y hacia finales de la misma década el químico Wallace Carothers, quien trabajaba para DuPont, construyó sobre esta teoría. En esencia, Carothers estableció un método sistemático para generar nuevos polímeros, lo que le permitió a él y a su grupo de trabajo desarrollar, entre otros, el neopreno (el primer caucho sintético) y las poliamidas.

De esta manera, se iniciaba el desarrollo industrial de la química de polimerización por condensación. Entre las primeras aplicaciones del nylon estuvieron los cepillos dentales (1939) y las medias para mujer. Estas últimas presentaron un crecimiento asombroso a partir de 1940, cuando fueron lanzadas al mercado.

Durante la segunda guerra mundial, el nylon fue profusamente empleado para hacer paracaídas y refuerzos para llantas vehiculares. Otras resinas resultado de la química de condensación fueron los poliésteres, incluyendo el Dacrón, en los años cuarenta. La empresa alemana Bayer A. G. fue la pionera en la fabricación de productos de poliuretano. 

El conocimiento de las reacciones de polimerización por adición fue dilucidado por el científico Flory en 1937 (premio Nóbel 1974), que permitió lograr un mayor dominio de los grupos terminales de los polímeros. Sin embargo, con anterioridad a este año ya había hecho aparición el PVC, descubierto accidentalmente por Waldo Semon, químico de B. F. Goodrich. Desde ese momento el PVC demostró ser un material económico que ofrecía características de resistencia al fuego, impermeabilidad al agua, resistencia química y facilidad de moldeo.

Entre los productos que se fabricaron inicialmente con este material estuvieron las mangueras de agua, carrocerías vehiculares y los discos LP. También, en 1933, Ralph Wiley en Dow Chemical encontró otro material clorado que ofrecía propiedades impermeables especiales: el Sarán. Las aplicaciones inmediatas ocurrieron en la industria automotriz, militar y de empaques.

Contemporáneo es otro material de adición en cadena, el poliestireno, que fue producido comercialmente por Dow Chemical en 1938, pero que se popularizó a partir de 1945. El proceso inicial, de polimerización por suspensión, se usa hoy en día para fabricar resinas de intercambio iónico. El principal método de fabricación de poliestireno es de solución, en el cual se incorpora adición de polibutadieno para obtener el HIPS. En 1945 se demostró que la empresa alemana I. G. Farben también había desarrollado durante la guerra un sistema de producción a gran escala de poliestireno.

El gigante de las resinas de consumo masivo, el polietileno de baja densidad, apareció comercialmente después de que dos químicos de la compañía inglesa ICI descubrieran el método para fabricar esta resina en 1933. Ellos fueron E.W. Fawcett y R.O. Gibson. Como se sabe, la reacción ocurre en fase gaseosa a muy altas presiones y en presencia de iniciadores de la polimerización. En las pruebas iniciales, estos científicos se extrañaron por la disminución de la presión en el reactor de prueba. Luego comprobaron que se debía a la formación del polímero.

En 1936 ICI inició la producción industrial de este material, el cual jugó un papel muy importante durante la segunda guerra mundial como material aislante para cables eléctricos y como protector contra la humedad de equipos de radar y de las cajas con suministros y alimentos. Al finalizar la guerra se inició un crecimiento gigantesco en la capacidad de producción de la resina. Su uso se extendió a los empaques. 

Otro material plástico de adición con características extraordinarias resultó ser el Teflón, descubierto en los laboratorios de DuPont por Roy Plunkett en 1938, mientras estudiaba el gas refrigerante Freón. Sus usos iniciales fueron los de material protector contra la corrosión, luego se expandieron a la fabricación de utensilios de cocina, recubrimientos y textiles. El desarrollo de los plásticos acrílicos es también de esta época.

La generación de los catalizadores heterogéneos

Esta es la generación de plásticos que continúa siendo desarrollada y que se inició en la década de 1950. En ese momento no existían el HDPE, PP o el LLDPE. Estas resinas aparecieron comercialmente a raíz del trabajo inicial del científico K. Ziegler en Alemania, quien desarrolló un catalizador sólido con base en óxido de titanio y cuya estructura superficial promovía la formación de HDPE con reactantes en fase gaseosa. La actividad catalítica del sólido es tal que no se requiere llevar a cabo la reacción usando presiones elevadas, como sí ocurre con la formación del LDPE.

Por otro lado, la estructura molecular del HDPE es lineal, mientras que la del LDPE es ramificada, indicando la ocurrencia de un sistema molecular más ordenado en el primero. El HDPE fue fabricado en un principio por Celanese, Phillips, Spencer y W. R. Grace. Una de sus aplicaciones fue la producción de botellas por soplado, que compitieron exitosamente con las botellas hechas de vidrio. En 1966 se introdujo la botella de HDPE para leche, la cual ha dominado el mercado hasta ahora. 

El profesor italiano Giulio Natta produjo por primera vez la resina de polipropileno isotáctico en 1954, empleando un catalizador del mismo tipo empleado por Ziegler. Hasta ese entonces se había logrado producir polipropileno atáctico a nivel de laboratorio, un material sin ninguna propiedad de importancia comercial. En cambio, las propiedades del isómero isotáctico se acercaban bastante a las del HDPE y por lo tanto se le abrían muchas posibilidades de uso.

Al igual que con la polimerización de los polietilenos de baja y alta densidad, este último isómero muestra un mayor ordenamiento molecular que el atáctico, indicando la presencia de una acción muy específica por parte del catalizador sólido. La empresa Hoechst inició en 1957 la producción comercial de polipropileno y su crecimiento se expandió a través muchas más compañías.

En las últimas décadas, su crecimiento ha sido consistente a un nivel del 6% al 7% anual. Entre las aplicaciones más destacadas han estado la fabricación de tapas para botellas, bandejas de uso industrial, estibas, empaques para diversos tipos de productos como los alimentos, productos del hogar, cuidado personal y de bebé, partes automotrices, cajas para discos CD y DVD, tubería para construcción, muebles, elementos para microondas, lazos y juguetería. 

En la década de 1970 se introdujo por primera vez el LLDPE, una versión lineal del polietileno de baja densidad ramificado. A diferencia del segundo, y debido al empleo de un catalizador tipo Ziegler-Natta, la reacción de producción se pudo hacer en el mismo tipo de reactor empleado para fabricar HDPE. Las propiedades del LLDPE superan a las del LDPE y ha permitido que el segundo pueda ser sustituido parcialmente por el primero, llevando a la reducción de costos por disminución de calibre y sin restar la calidad de los productos. 

En las décadas de los años 1980 y 1990 vino una revolución en materia de catalizadores sólidos para fabricación de todo tipo de polímeros de adición. Fue el desarrollo de los catalizadores denominados metalocénicos, materiales sólidos que contienen óxidos de titanio y zirconio. La diferencia excepcional con respecto a los catalizadores Ziegler-Natta está en el nivel de conocimiento que se tuvo desde el principio sobre la estructura morfológica de la superficie de los catalizadores metalocénicos.

Por tal motivo, las industrias de polimerización pudieron diseñar y fabricar catalizadores metalocénicos con estructuras totalmente homogéneas y consistentes, capaces de generar siempre el mismo tipo de reacción química y llevando a la producción de polímeros “hechos a la medida” de las necesidades. Una versión de estos catalizadores metalocénicos se denominó de un “solo tipo de sitios activos” en la superficie.

De esta manera, se incrementó en gran medida la posibilidad de aumentar el ordenamiento molecular de los mismos tipos de polímeros que ya se fabricaban con los catalizadores Ziegler-Natta, lo cual, a su vez, se tradujo en mejores propiedades y desempeños de los nuevos plásticos.

El conocimiento detallado de la estructura superficial y, por ende, de los sitios activos de los catalizadores metalocénicos permitieron la fabricación de resinas que antes no existían, como por ejemplo: el polipropileno sindiotáctico y el poliestireno sindiotáctico. El primero es un material más transparente y con mayores propiedades de tenacidad mecánica que el isómero isotáctico. Y el segundo es considerado como un material de ingeniería por sus mejores propiedades mecánicas. 

Con respecto a la producción de polietilenos con catalizadores metalocénicos, los desarrollos más interesantes se han dado en el campo de los LLDPE. Estos catalizadores ejercen un control del contenido de los comonómeros, definiendo especialmente la longitud del crecimiento de las ramificaciones en estructuras moleculares.

Las ramificaciones son en la práctica injertos constituidos por cadenas de comonómeros que modifican propiedades tan importantes como la densidad, transparencia, temperatura de fundición y facilidad de procesamiento. En general, los polímeros fabricados con estos catalizadores son más tenaces (con mayor resistencia al impacto), más transparentes y con un comportamiento más predecible en estado fundido.

Los comonómeros que se emplean junto con el etileno en los procesos metalocénicos no se limitan únicamente a los alkenos tradicionales. También se han usado con éxito las cicloolefinas. El primer producto comercial ha sido un copolímero de etileno-norboneno, denominado Topas por sus fabricantes Hoechst y Mitsui Petrochemicals.

Estos materiales tienen un menor punto de fusión, mayor transparencia, mejores propiedades ópticas, así como también mayor estabilidad al calor y resistencia química; en comparación con las poliolefinas tradicionales. Se espera que estos copolímeros puedan competir con el policarbonato en aplicaciones de archivos de datos, y equipos médicos y ópticos.