Tipos de materiales
Los materiales están divididos en tres grupos principales: materiales metálicos, poliméricos, y cerámicos.
Materiales metálicos
Los metales son materiales con múltiples aplicaciones que ocupan un lugar destacado en nuestra sociedad. Se conocen y utilizan desde tiempos prehistóricos, y en la actualidad constituyen una pieza clave en prácticamente todas las actividades económicas.
Obtención de los metales
Los metales son materiales que se obtienen a partir de minerales que forman parte de las rocas.
La extracción del mineral se realiza en minas a cielo abierto, si la capa de mineral se halla a poca profundidad, por el contrario si es profundo recibe el nombre de mina subterránea.
En ambos tipos de explotaciones se hace uso de explosivos, excavadoras, taladradoras y otra maquinaria, a fin de arrancar el mineral de la roca.
Técnicas de separación
Tamizado. Consiste en la separación de las partículas sólidas según su tamaño mediante tamices.
Filtración. Es la separación de partículas sólidas en suspensión en un líquido a través de un filtro.
Flotación. Se trata de la separación de una mezcla de partículas sólidas de un líquido.
Tipos de metales
Metales ferrosos. Son aquellos cuyo componente principal es el hierro.
Metales no ferrosos. Son materiales metálicos que no contienen hierro o que lo contienen en muy pequeñas cantidades.
Propiedades de los metales
La gran cantidad de aplicaciones que presentan los metales se debe a sus notarias propiedades, principalmente las mecánicas, térmicas y eléctricas.
Propiedades físicas
Las propiedades físicas se ponen de manifiesto ante estímulos como la aplicación de fuerzas, la electricidad, calor o la luz.
Propiedades mecánicas
Son las relativas a la aplicación de fuerzas.
Dureza: los metales son duros no se rayan ni pueden perforarse fácilmente; además resisten los esfuerzos a los que son sometidos.
Plasticidad y elasticidad: algunos metales se deforman permanentemente cuando actúan sobre ellos fuerzas externas. Otros muestran un fuerte carácter elástico y son capaces de recuperar su forma original tras la aplicación de una fuerza externa.
-Maleabilidad: ciertos metales pueden ser extendidos en láminas muy finas si llegar a romperse.
-Tenacidad: muchos metales presentan una gran resistencia a romperse cuando son golpeados.
-Ductilidad: algunos metales pueden ser estirados en hilos largos y finos.
Propiedades térmicas
Las propiedades térmicas son las relativas a la aplicación del calor.
Conductividad eléctrica: todos los metales presentan una gran conductividad térmica.
Fusibilidad: los metales tienen la propiedad de fundirse, aunque cada metal lo hace a temperatura diferente.
Dilatación y contracción: los metales se dilatan cuando aumenta la temperatura se contraen si disminuye la temperatura.
Soldabilidad: muchos metales pueden soldarse con facilidad a otras piezas del mismo metal o de otro diferente.
Propiedades eléctricas y magnéticas
Los metales permiten el paso de la corriente eléctrica con facilidad; son, por tanto buenos conductores de la electricidad.
Algunos metales presentan un característico comportamiento magnético, que consiste en su capacidad de atraer a otros metales.
Propiedades químicas
La propiedad química más importante de los metales es su elevada capacidad de oxidación, que consiste en su facilidad para reaccionar con el oxígeno y cubrirse de una capa de
Óxido al poco tiempo de estar a la intemperie.
Propiedades ecológicas
El impacto medioambiental de los materiales tecnológicos puede llegar a ser muy grave; aunque la mayoría de ellos son reciclables.
Otras propiedades
Otras propiedades de los metales que permiten usos específicos son las siguientes:
Los metales son muy buenos conductores de las ondas acústicas.
Los metales son impermeables.
Metales ferrosos
El metal más empleado en la actualidad es el hierro en cualquiera de sus presentaciones, ya que tanto las técnicas de extracción del mineral como los procesos de obtención del metal son relativamente económicos. Minerales que contienen mucho hierro: la magnetita, la hematites, la limonita y la siderita.
Materiales no ferrosos
El hierro es el metal más utilizado en la actualidad. Sin embargo, algunas de sus propiedades hacen que resulte poco adecuado para determinados usos. Por ello, se utilizan otros muchos materiales metálicos no procedentes del hierro.
Cobre: El cobre se obtiene a partir de los minerales cuprita, calcopirita y malaquita. Presenta una alta conductividad eléctrica y térmica, así como una notable maleabilidad y ductilidad. Es un metal blando, de color rojizo y brillo intenso. Se oxida en su superficie, que adquiere entonces un color verdoso.
Latón: Es una aleación de cobre y cinc. Presenta una alta resistencia a la corrosión y soporta el agua y el vapor de agua mejor que el cobre.
Bronce: Es una aleación de cobre y estaño. Este metal presenta una elevada ductilidad y una buena resistencia al desgaste y a la corrosión.
Plomo: Se obtiene de la casiterita. Es un metal de color blanco brillante, muy blando, poco dúctil, pero muy maleable, y no se oxida a temperatura ambiente. Emite un ruido característico cuando se parte, denominado “grito de estaño”.
Cinc: Se obtiene de la blenda y la calcamina. Es un metal de color gris azulado, brillante, frágil en frío y de baja dureza.
Aluminio: Se obtiene de la bauxita, un minera muy escaso, motivo por lo que el cual el aluminio no se ha conocido hasta fechas relativamente recientes. Es un metal blanco y plateado, que presenta una alta resistencia a la corrosión. Es muy blando, de baja densidad y gran maleabilidad y ductilidad. Presenta una alta conductividad eléctrica y térmica.
Titanio: Este metal se extrae de dos minerales, el rutilio y la ilemita. Es de color blanco plateado, brillante ligero, muy duro y resistente.
Magnesio: El magnesio se extrae de diferentes minerales, como el olivino, el talco, el abesto y la magnesita. Es un metal de color blanco brillante similar a la plata, muy ligero, blando, maleable y poco dúctil.
Técnicas de conformación
Para obtener piezas de diferentes formas y productos industriales, se somete el material a una serie de procesos de conformación, que se eligen en función del metal y de la aplicación que se vaya a dar al mismo.
Metalurgia de polvos
Esta técnica consta de los siguientes pasos:
1. El metal es molido hasta convertirlo en polvo.
2. Se prensa en matrices de acero.
3. Se calienta en un horno a una temperatura próxima al 70% de la temperatura de fusión del metal.
4. Se comprime la pieza para que adquiera el tamaño adecuado.
Moldeo
Consiste en introducir el metal en un recipiente que dispone de una cavidad interior, puede estar fabricado a base de arena, acero o fundición.
El moldeo se realiza siguiendo estos pasos.
1. Se calienta el metal en un horno hasta que se funde .
2. El metal líquido se vierte en el interior del molde.
3. Se deja enfriar hasta que el metal se solidifica.
4. Se extrae la pieza del molde.
Deformación
Comprende un conjunto de técnicas en las que se modifica la forma de una pieza metálica mediante la aplicación de fuerzas externas. La deformación se puede llevar a cabo tanto en frío como en caliente.
Existen diversas técnicas que son:
Laminación: Se hace pasar la pieza por unos laminadores, disminuye su grosor y aumenta su longitud.
Forja: Se somete la pieza a esfuerzos de compresión repetidos y continuos mediante un martillo o maza. La forja manual es una técnica antiquísima que se lleva a cabo en fraguas.
La forja industrial reemplaza a la forja manual, la pieza se coloca sobre una plataforma que hace varias veces de yunque.
Extrusión: Se hace pasar la pieza metálica por un orificio que tiene la forma deseada, aplicando una fuerza de compresión mediante un pistón. Se pueden obtener así piezas largas con el perfil apropiado.
Estampación: Se introduce una pieza metálica en caliente entre dos matrices cuya forma coincide con la que se desea dar al objeto. A continuación, se juntan las dos matrices, con lo que el material adopta su forma interior.
Embutición: consiste en golpear una plancha de forma que se adopte al molde o matriz con la forma deseada.
Doblado: Se somete una plancha a un esfuerzo de flexión a fin de que adopte una forma curva con un determinado radio de curvatura.
Trefilado: Se hace pasar la punta afilada de un alambre por un orificio con las dimensiones y la forma deseada. A continuación, se aplica una fuerza de tracción mediante una bobina de arrastre giratoria y al atravesar el alambre el orificio aumenta su longitud y disminuye su sección.
MATERIALES POLIMÉRICOS
Introducción
La palabra `polímero' procede del griego y significa literalmente `muchas partes'. En ciencia y tecnología se considera material polimérico a aquel que contiene muchas unidades enlazadas entre sí químicamente.
En la naturaleza hay diversas sustancias poliméricas que intervienen en procesos vitales. Los organismos vivos son capaces de sintetizarlas a partir de pequeñas moléculas que quedan unidas por la actividad celular en macromoléculas poliméricas. Son los denominados biopolímeros.
Desde hace más de un siglo, la tecnología química ha producido polímeros sintéticos sencillos mediante reacciones de polimerización de compuestos químicos en su mayor parte de origen orgánico. Debido al gran aumento de la producción y aplicaciones de estos materiales, en los últimos años han sustituido a los polímeros naturales e, incluso, a otro tipo de materiales como los metales y aleaciones en determinadas circunstancias.
Porcentaje de utilización de plásticos en Europa occidental en 1995
Obtención de materiales poliméricos
La polimerización es el proceso por el cual pequeñas moléculas se enlazan covalentemente para constituir cadenas moleculares largas. Estas moléculas simples se llaman monómeros, y la molécula de cadena larga formada por los monómeros, se llama polímero.
Los mecanismos de polimerización son los siguientes:
Polimerización por adición Una molécula de hidrocarburo de bajo peso molecular que contiene un doble enlace entre átomos de C, llamada monómero, es activada por efecto del calor, la presión y/o un catalizador. La doble unión entre los átomos de C se rompe, de manera de cada átomo de C presenta un enlace incompleto. En este estado, la molécula se denomina `mero'. Cuando un mero se combina con otro, los enlaces se completan formando una cadena (polímero).
Polimerización por condensación Difiere de la anterior en que tiene lugar la pérdida de una molécula pequeña, generalmente agua, que es necesario separar del medio de reacción, además, no es necesario que el monómero contenga un doble enlace.
Polimerización reticular Se forman redes tridimensionales debido a la existencia de más de dos lugares activos, que permiten que las cadenas crezcan en tres direcciones, por enlaces covalentes. Da lugar a un tipo de polímeros especiales llamados `termoestables'.
Industrialmente la reacción de polimerización se produce en reactores donde se introducen como materia prima los monómeros correspondientes y el catalizador. Según el proceso, se les da presión y/o temperatura, agitando la mezcla para favorecer la reacción, obteniéndose el polímero. Estos productos poliméricos se obtienen en forma de gránulos, granza, polvos o líquidos, que serán nuevamente procesados para convertirlos en los productos definitivos. Muchos productos poliméricos pueden ser polimerizados por varios métodos. Los más importantes son:
Polimerización en masa o en bloque
Polimerización de precipitación
Polimerización en disolución
Polimerización en suspensión
Polimerización en emulsión
Clasificación y caracterización de los polímeros
La clasificación más habitual es la que se realiza según el comportamiento del polímero. Así pues, los polímeros pueden ser:
Termoplásticos: Se ablandan y plastifican, pudiendo ser conformados varias veces por el efecto combinado de la presión y temperatura.
Termoestables: Son materiales duros y rígidos incluso a temperaturas elevadas, aunque por encima de los 400ºC se degradan.
Elastómeros: Presentan alta deformación elástica al aplicar una fuerza sobre ellos, pudiendo recuperar total o parcialmente su forma cuando cesa la fuerza.
Aparte de las peculiaridades de cada uno, los polímeros tienen las siguientes características generales:
Resistentes a la corrosión
Solubles, en su mayoría, en disolventes orgánicos
Baja conductividad térmica (entre 100 y 1000 veces menor que en los metales)
Baja conductividad eléctrica
Coeficiente de dilatación muy superior al de los metales
Alta capacidad calorífica
Envejecimiento por acción del oxígeno y la luz solar
Su principal limitación es que sólo pueden usarse a temperaturas moderadas, por otro lado, a bajas temperaturas resultan casi siempre frágiles.
Polímeros usados en la edificación
TERMOPLÁSTICOS
Polietileno (PE): Versátil y transformable por inyección, soplado, extrusión, rotomoldeo. Irrompible, resistente a las bajas temperaturas, liviano, impermeable, atóxico e inerte. Aplicaciones: tuberías de distribución, evacuación y alcantarillado, cañerías para agua potable, telefonía, drenaje y uso sanitario, paneles geomembranas, geotextiles, recubrimientos de arcilla geosintéticos para rellenos sanitarios, cables e instalaciones eléctricas, enchufes, cubiertas impermeabilizantes, cobertores de seguridad en edificios en construcción y sistemas de encofrado.
Polipropileno (PP): Rígido, de alta cristalinidad y elevado punto de fusión, excelente resistencia química, baja densidad, impermeable, atóxico, irrompible y liviano Aplicaciones: tuberías de distribución, evacuación y alcantarillado, cañerías para agua potable, cables e instalaciones eléctricas, enchufes, membranas y rellenos sanitarios, membranas de asfalto modificado.
Policarbonato (PC): Laminado traslúcido aislante, buena claridad óptica, excelente comportamiento ante el fuego, alta transmisión de luz, impide el 98% de los rayos UV. Respecto al vidrio, posee mayor resistencia al impacto, menor peso propio, facilidad de curvar en frío y mayor aislamiento térmico. Aplicaciones: cubiertas y acristalamientos laterales industriales, invernaderos, solarios, piscinas, cerramientos de terrazas, bóvedas y lucernarios en naves industriales, polideportivos, centros comerciales, etc. (`acristalamientos' de seguridad)
Politereftalato de etileno (PET): Material resistente a la radiación UV, atóxico, resistente al impacto, transparente, liviano, irrompible e impermeable. Aplicaciones: Apto para la elaboración de productos usados en decoración de interiores (alfombras, cortinas, tapicerías), geotextiles (pavimentación/caminos), etc.
Polibuteno (PB): Alta resistencia al ataque químico, estabilidad a la luz y al calor, nivel de resistencia a la inflamabilidad satisfactorio, plasticidad permanente, índice de alta viscosidad, alta hidrofobicidad, no permeabilidad a gases y vapor, buenas propiedades eléctricas, baja pérdida de evaporación a temperaturas normales y vulcanización completa bajo altas temperaturas, sin dejar residuos. Aplicaciones: tuberías para calefacción de pavimentos, tuberías de ACS, tuberías de gran diámetro y cubiertas para cables de alta tensión.
Policloruro de vinilo (PVC): Ligero, inerte, impermeable, aislante, de alta transparencia, ignífugo, resistente a la intemperie, fácilmente transformable y reciclable. Aplicaciones: conformado de perfiles para marcos de ventanas y puertas, listones de persianas, claraboyas, placas onduladas, planchas expandidas, pozos de ventilación, membranas para impermeabilizar suelos o estructuras, canaletas, tubería en general, revestimiento de cables, sanitarios, suelos, zócalos y molduras, etc.
Poliestireno (PS): Baja conductividad térmica, resistencia a compresión y poder amortiguador elevados, sencillas trabajabilidad y manipulación, elevada resistencia química y excelente estabilidad dimensional. Aplicaciones: fabricación de materiales aislantes para techos, paredes y pisos, producción de hormigón ligero y ladrillos celulares, bovedillas para forjados, pisos flotantes, sistemas de calefacción, cámaras frigoríficas, encofrados, aislamiento acústico, aislamiento térmico y luminarias para interiores.
Copolímero acrilonitrilo - butadieno - estireno (ABS): Alta resistencia mecánica y dureza, opaco, higroscópico, resistente al choque, atacable por ácidos, altas temperaturas de autoignición a pesar de arden fácilmente. Se pueden usan en aleaciones con otros plásticos. Aplicaciones: fabricación de tuberías, juntas, carcasas de electrodomésticos, etc.
Polimetilmetacrilato (PMMA): Polímero vinílico, formado por polimerización vinílica de radicales libres a partir del monómero metil metacrilato. Plástico claro usado en sustitución del cristal por su menor peso y mayor resistencia al impacto (entre 10 y 20 veces más). Mayor transparencia que el vidrio, manteniéndola en grosores de hasta 33 cm. Resistencia a la intemperie. Aplicaciones: mamparas, piscinas, aseos, superficies de bañeras, piletas de cocina, duchas de una sola pieza, ventanas, cubiertas transparentes, lucernarios, claraboyas y planchas segmentadas dobles y triples para cubiertas de invernaderos.
Poliamidas (PA): Buena resistencia mecánica, tenacidad y resistencia al impacto elevadas. Buen comportamiento al deslizamiento y buena resistencia al desgaste. Absorben y despiden humedad de forma reversible lo cual implica una alteración de sus propiedades. Aplicaciones: herrajes, bisagras, cadenas de cierre, muebles de jardín con recubrimiento protector, tacos de pared, recubrimientos, regletas de aislamiento térmico.
TERMOESTABLES
Resinas fenólicas (PF) Dureza, rigidez, resistencia a los ácidos, excelentes propiedades aislantes, se pueden usar continuamente hasta temperaturas de 150ºC. Más baratas y moldeables. Escasa plastodeformación. Existen muchas formulaciones con varios refuerzos y aditivos. Los refuerzos pueden ser aserrín de madera, aceites y fibra de vidrio. Las tuberías de fibra de vidrio con resinas fenólicas pueden operar a 150ºC y presiones de 10 kg/cm². Aplicaciones: adhesivos, material aislante, laminados para edificios y tableros, pinturas, masillas aglutinantes, espumas…
Resinas uréicas (UF): Obtenidas por policondensación de la urea con el formaldehído. Características similares a las resinas fenólicas aunque poseen menor resistencia a la humedad y menor estabilidad dimensional. Pueden colorearse y tienen una resistencia muy elevada a las corrientes de fuga superficiales. Aplicaciones: Paneles aislantes, adhesivos…
Resinas de melamina (MF) Formadas por policondensación de la fenilamina y del formol. Color rojizo o castaño, alto punto de reblandecimiento, escasa fluidez, insolubles a los disolventes comunes, resistencia a los álcalis, poco factor de pérdidas a alta frecuencia, excelentes resistencia al aislamiento y rigidez dieléctrica. Aplicaciones: material para equipos de radiofonía, componentes de televisores, laminados y tableros, etc.
Resinas de poliéster (UP): Hechas a partir de anhídridos maleico y ftálico con propilenglicol y uniones cruzadas con estireno. El uso de estas resinas con refuerzo de fibra de vidrio ha reemplazado a materiales muy diversos como pueden ser: termoplásticos de alta resistencia, madera, acero al carbón, vidrio y acrílico, lámina, cemento, yeso, etc. La industria de la construcción ocupa el 30% de estas resinas. Aplicaciones: claraboyas, planchas onduladas y perfiladas, planchas de invernadero, perfiles de balcón, planchas de fachada, piscinas, tejados, revestimientos, tuberías de gran diámetro, molduras, cubiertas y muros, másticos, masillas, restauración de elementos, vigas…
Resinas epoxídicas: Se hacen a partir del bisfenol A y la epiclorhidrina. Alta resistencia a temperaturas de hasta 500°C, elevada adherencia a superficies metálicas y excelente resistencia a los productos químicos. Aplicaciones: adhesivos, pinturas de protección superficial y recubrimientos, pegado de piezas de hormigón, revestimientos muy sólidos, reparación de piezas de madera…
ELASTÓMEROS
Poliisopreno (PIP o NR): Es el caucho natural. Se puede sacar de la naturaleza (árbol Hevea brasilienis), pero además se puede sintetizar en el laboratorio aunque no es tan elástico como el natural. Aplicaciones: suelos antideslizantes, juntas de dilatación y estanqueidad, pavimentos especiales, pinturas…
Polibutadieno (BR): Gran elasticidad y resistencia a la oxidación. Adecuado para aplicaciones que requieren exposición a bajas temperaturas.
Poliisobutileno: Polímero vinílico, de estructura muy similar al polietileno y al polipropileno. Impermeable a los gases. Aplicaciones: depósitos de gas.
Poliuretano (PU): Puede ser flexible o rígido. El flexible se obtiene cuando el di-isocianato se hace reaccionar con diglicol, triglicol, poliglicol, o una mezcla de éstos. El rígido se consigue utilizando trioles obtenidos a partir del glicerol y el óxido de propileno, el cual le confiere mayor resistencia a la humedad. Duros, resistentes a la abrasión, a los aceites y a la oxidación, aislante, alta resistencia en relación al peso y resistente al fuego. Aplicaciones: Pinturas, aislamiento térmico y acústico, sellado de grietas, barnices, sellado de puertas, ventanas y saneamientos, elemento decorativo, impermeabilización, vigas, etc.
Policloropreno (CR): Caucho diénico en el que un átomo de cloro sustituye al hidrógeno del butadieno. Se conoce habitualmente como neopreno. Autoextinguibles, gran resistencia al fuego, a los disolventes, al envejecimiento y al calor. Aplicaciones: aislantes, mangueras, montajes de máquinas, ropa protectora, juntas de estanqueidad, aparatos de apoyo, adhesivos, protección de cables de baja tensión, etc.
Poli (estireno-butadieno-estireno) (SBR): Es el más barato por lo que es el que en mayores cantidades se produce. Gran resistencia a la abrasión y a los disolventes. Se trata de un copolímero aleatorio de estireno y butadieno. Se usan mayores proporciones de estireno en grados especiales de `refuerzo' para mezclas que mejoran la tenacidad y la resistencia a la abrasión. Aplicaciones: armadura para membranas asfálticas.
Caucho nitrílico (NBR): El hidrógeno del butadieno se sustituye por un grupo nitrilo (CN), para dar el acrilonitrilo, el cual se copolimeriza luego con el butadieno. Es el que más resiste a los aceites de todos los productos de caucho comercializados. Hay diferentes grados del caucho nitrílico según el contenido de nitrilo. Aplicaciones: técnicas y sistemas de aislamiento, protección de tuberías, depósitos, instalaciones de refrigeración, frío industrial y climatización, juntas de estanqueidad…
Caucho butilicio (IIR): Tiene propiedades opuestas a las del butadiénico. Posee muy alta histéresis y muy baja resiliencia, aunque similar a la del caucho natural a 100 C. Aplicaciones: geomembranas.
Caucho de etileno-propileno (EPM, EPDM, EPD): Los cauchos etilenpropilénicos son copolímeros del etileno y el propileno. Contienen un 60 a 80% de etileno y la función principal del propileno es evitar la cristalización del etileno. Buena resistencia a la intemperie, excelente resistencia a la oxidación, el calor y el ataque químico. Aunque son muy costosos su consumo está creciendo. Aplicaciones: impermeabilización cubiertas, insonorización, juntas de estanqueidad.
Aplicaciones constructivas
 
Acondicionamiento acústico de Sistema de encofrado de polietileno moldeable
polietileno espumado bajo parquet
Tuberías de polipropileno Encofrado permanente de polipropileno para piscinas
Bloque de poliestireno Cúpulas de poliestireno para forjado sanitario
Espuma de poliestireno aislante Planchas de poliestireno para suelo radiante
Casetones de poliestireno para forjado reticular Forjado con bovedillas de poliestireno
Cielorraso lineal en PVC Puerta plegable en PVC
Cielorraso modular en PVC Revestimiento de pared en PVC
Tabiques en PVC Cubierta de PVC
Ascensor de PVC Tuberías de PVC
Junta de dilatación de PVC Canaletas de PVC
Cubierta de policarbonato Perfil de policarbonato
Aplicación en fisuras de PMMA Resinas fenólicas en revestimientos
Tabiques con resinas fenólicas Pinturas a base de resinas de melamina
Recubrimiento de resina de poliéster Perfiles estructurales de
para cubierta transitable resinas de poliéster y epoxi
Cubierta ondulada de resina de poliéster Refuerzo de vigas con resina epoxi (Técnica Beta)
Pintura antipolvo para suelos a base de resina epoxi Capa de adherencia de resina epoxi
Junta de dilatación de poliisopreno Junta de estanqueidad de poliisopreno
Pasto sintético guarnecido con gránulos de poliisopreno Pavimento de poliisopreno
Aislamiento térmico con spray de poliuretano Impermeabilización con poliuretano
Inyección de espuma de poliuretano Vigas de poliuretano
Juntas de pavimento de policloropreno Aparatos de apoyo para puentes de policloropreno
Aislamiento de tuberías para frío de caucho nitrílico
Losetas de EPDM Mantas de EPDM para formación de balsas
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