Plásticos, su desarrollo histórico
Desarrollo Histórico de la Industria de los Plásticos
Autor: J. Eduardo Morales Méndez
“Si fuéramos a bautizar a nuestra edad por los materiales que la caracterizan, como ocurrió con las edades de piedra y de bronce, podría llamársele la edad de los plásticos, ya que los plásticos hechos de moléculas gigantes sintéticas son una influencia dominante en la moderna sociedad industrial”
Dr. Giulio Natta (1963)
En algunas civilizaciones se conocían resinas como el betún, la goma laca, el ámbar, la gutapercha. Quizá el primer plástico reforzado de que se tiene noticias fue, el utilizado para fabricar la cesta (de juncos calafateados de betún y pez), en la que pusieron a moisés siendo bebe, en el río nilo, según el antiguo testamento.
En 1839, Charles Goodyear de Estados Unidos, Macintosh y Hancock de Inglaterra, obtuvieron la vulcanización del hule.
Alexander Parkes
En 1859 Joule en Inglaterra demostró los principios termodinámicos de la elasticidad del hule. Un plástico semisintético como la “parkesina” es obtenida en 1862 por Alexander Parkes mediante la reacción de desperdicios de algodón (con alto contenido de Celulosa) con ácido nítrico y sulfúrico, obteniéndose la nitrocelulosa, la cual mezclada con aceite de ricino y colorantes se podía moldear en cualquier forma.
John Wesley Hyatt
En 1870, John Wesley Hyatt, descubrio el celuloide, polímero basado en la celulosa, con el que fabrico bolas de billar
La primera hipótesis de la existencia de macromoléculas fue desarrollada en 1877 por Friedrich A. Kekulé. Él presento la posibilidad de que estas substancias orgánicas naturales podrían ser constituidas de moléculas muy grandes, y tener propiedades especiales. Con base en esta hipótesis, en 1893, Emil Fisher sugirió que la estructura de la celulosa natural podría ser formada por cadenas constituidas por unidades de glucosa, mientras que los polipeptidos serían largas cadenas de poliaminoácidos asociadas, unidas.
En 1894 Charles Frederick Cross y Edward John Bevan, sacaron una patente para la fabricación de acetato de celulosa - este se convertiría en el proceso industrial para su fabricación.
Frederick Stanley Kipping
En 1899, el químico Frederick Stanley Kipping, estudia los compuestos organo-silicio, y sienta las bases para el desarrollo de los polímeros de silicón, trabajos que a la postre se veran reflejados en la empresa Dow Corning, que en 1943 fabricará polímeros de silicón. En este período Arthur Smith patenta la resina de fenol-formaldehído para aislantes eléctricos.
Adolf von Baeyer
En 1907, Leo H. Baekeland perfeccionó el proceso de producción de la resina fenol-formaldehído, desarrollada unos años antes por Adolf von Baeyer (Premio Nobel de Química en 1905), y creo la bakelita, el primer plástico calificado como termofijo o termoestable: plástico que puede ser fundido y moldeado mientras está caliente, pero que no pueden ser ablandados por el calor y moldeado de nuevo una vez que han fraguado.
S. V. Lebedev
De 1900 a 1943, se desarrollan los hules sintéticos; Sergei Vasiljevich Lebedev fue el primero en investigar la polimerización de los dienos; sintetizo el butadieno en 1910 , para 1914 estudio la polimerización de monómeros de etileno, desarrollando métodos industriales para fabricar el Hule (caucho) butilo y poliisobutileno. Se convirtió en la referencia clave para todos los estudios sobre hule sintético. El ruso I. Ostromislensky patenta la polimerización de cloruro de vinilo para dar PVC, ya en 1913 Klatte produce acetato de polivinilo. En 1918, Hans Johns desarrolla la reacción de la urea con el formaldehído, thiourea o resinas de melamina, produce termoestables, conocidos colectivamente como aminoplastos.
En esta época se crea la primera planta para rayón en Estados Unidos.Los resultados alcanzados por los primeros plásticos, incentivaron a los químicos y a la industria a buscar otras moléculas sencillas que pudieran enlazarse para crear polímeros. De aquí que, a principios de los 20´s, es cuando la química de los polímeros se convirtió en rama aparte de la química general.
En 1920 se crearon lacas para automóviles a partir de nitrato de celulosa. se descubren los plásticos biodegradables, el poli b-hidroxibutirato, PHB. Descrito por vez primera por Lemoigne en el 1923.
Hermann Staudinger
Hermann Staudinger de Alemania, en 1924, formuló la hipótesis de que los poliéster y el hule natural eran constituidos de estructuras químicas lineales, independientes y muy largas, proponiendo nombrarlas de macromoléculas. Posteriormente recibió el Premio Nobel en Química en 1953, por haber sido el pionero en la elucidación de la estructura química de las macromoléculas. Los investigadores sabiendo las características de los polímeros, entonces, pudieron empezar a crear polímeros a su antojo, incluso algunos que no existían en la naturaleza. “Estos descubrimientos fueron la base de las hoy importantísimas industrias del plástico, de las fibras y del hule sintético”, Natta, G (1963).
Reginald Gibson y Eric Fawcett
En la década de los 30´s, se inicia el desarrollo de la tecnología de los plásticos, En marzo de 1933, los químicos ingleses Reginald Gibson y Eric Fawcett de la ICI, llevaron a cabo un experimento para reaccionar etileno con benzaldehído, el equipo básico utilizado manejo presiones de hasta 2.000 atmósferas a los 170°C, crearon un termoplástico al que llamaron polietileno (PE). Se desarrolla el PVC, Hules polisulfuros, fibras de acetato de celulosa, resinas alquidálicas, resinas de urea formaldehído, Hules estireno-butadieno (SBR), etc. En 1932 Rowland Hill y John Crawford, cada uno por su parte desarrollan el polimetacrilato de metilo (PMMA). En 1933 Henkel patenta melamina para la fabricación del polímero melamina-formaldehido.
En 1936 Pierre Castan produjo un color ámbar, de baja fusión sólida de la reacción del bisfenol A con epiclorohidrina (la resina epoxi), que podría ser termoestable por reacción con anhídrido phtalico.
Otro de los plásticos desarrollados en los años 30 en Alemania fue el poliestireno (PS), un material muy transparente comúnmente utilizado para vasos. El poliestireno expandido (EPS), una espuma blanca y rígida, es usado básicamente para embalaje y aislante térmico. El departamento de polímeros de Dupont es un gran impulsor de esta área.
Julian Werner Hill
Dupont, crea la primera fibra artificial, el nylon. Su descubridor fue el químico Julian Werner Hill. Si bien Hill, trabajaba en el departamento encabezado por Wallace Carothers (que investigó el programa que condujo al descubrimiento del proceso de fabricación de fibras de nylon), como empleado no tuvo ningún derecho de patente y su nombre ni siquiera aparece en la solicitud de patente que se hizo en 1937. Descubrió que dos sustancias químicas como el hexametilendiamina y ácido adípico podían formar un polímero que bombeado a través de agujeros y estirados podían formar hilos que podían tejerse. Su primer uso fue la fabricación de paracaídas para las fuerzas armadas estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial, extendiéndose rápidamente a la industria textil en la fabricación de medias y otros tejidos combinados con algodón o lana.
Walace Carothers en los laboratorios de Dupont
Carothers, en 1931 generalizo el concepto de que la polimerización es una reacción que posee funcionalidad, capaz de procesos indefinidos y describe los polímeros en relación con la repetición de sus unidades estructurales.
Al nylon, le siguieron otras fibras sintéticas como por ejemplo el orlón y el acrilán. El grupo de investigación de Carothers desarrolló,policloropreno (neopreno), poliésteres y poliamidas.
Paul J. Flory
Un miembro del grupo de Carothers, Paul J. Flory, recibió, en 1974, Premio Nobel de Química por su contribución en la investigación teórico-experimental de la química-física de los polímeros. En 1939, propuso el mecanismo de polimerización por reacción en cadena y explico el mecanismo para producir ramificaciones en polímeros de vinilo lineales.
En la época de los 30´s a 40´s, Kunh, Guth y Mark en Alemania, derivan modelos matemáticos para la configuración de los polímeros, se desarrolla la teoría de la elasticidad del hule. Se analizan de forma sistemática y científica a los polímeros por Debye y Flory, se desarrolla la teoría de polimerización en emulsión por Harkins, se estudian esfuerzos normales en el flujo de los polímeros por Weissenberg. En 1940 Du Pont, presenta el poliacrilonitrilo (PAN); Whitfield y Dickson, sintetizan el polietilen tereftalato (PET).
Después de la segunda guerra mundial, la fabricación y la comercialización de los materiales poliméricos tuvo un gran impulso con el surgimiento de las resinas epoxi, silicón, polímeros fluorocarbonados, ABS, SBR, desarrollo del los poliuretanos, entre otros.
Roy J. Plunkett
En 1941, el químico Roy J. Plunkett investigador de DuPont, trabajando con refrigerantes de fluorocarbonos, descubre por accidente el politetrafluoroetileno (Teflon)
Kart Ziegler Giulio Natta
Hacia los años 50 aparece el polipropileno (PP). Otro paso significativo en el estudio de la química de polímeros ocurrió en 1953, con el descubrimiento de la polimerización estereoespecífica, por los investigadores Karl Ziegler y Giulio Natta ( por este descubrimiento ambos recibieron el Premio Nóbel de Química en 1963). Natta, reconoció por primera vez la presencia de una regularidad estereo-específica en los polímeros de vinilo.La polimerización con catalizadores Ziegler – Natta tiene dos ventajas importantes: origina moléculas polimeras lineales y permite en control estereoquímico. En este mismo año H, Schnell de Bayer y D, Fox de General Electric producen en forma independiente el policarbonato (PC). En esta época se desarrollaron polímeros inteligentes y de condensación interfacial por Swarc. Se desarrollan los lentes de contacto en plásticos por Norman Bier en 1954, E.stados Unidos.
En esta década, los plásticos incursionan en la medicina, en el área de la odontología incursionan las prótesis dentales. E 1955 Du Pont patenta el copolímero de etileno-acetato de vinilo y en 1959 a instancias del trabajo de R. McDonald lanza el poliformaldehido
Robert Bruce Merrifield
De los 60´s a 70´s, se desarrollan procesos y modelos matemáticos, para las caracterizaciones de los polímeros. En los 60´s Robert Bruce Merrifield, de la Universidad Rockefeller de Nueva York, publico los resultados de la investigación y desarrollo en el procedimiento que permitió la síntesis de grandes moléculas orgánicas (peptidos, enzimas, etc), utilizando un soporte o matriz polimérica entrecruzada, recibió el premio Nobel de Química por este descubrimiento en 1984. En esta época DuPont presenta poliimidas y General Electric patenta el óxido de polietileno (PPO). Union Carbide, 3M e ICI, producen polisulfona, polímeros de ingeniería.
En los 70´s se descubren polímeros conjugados que presentan propiedades semiconductoras, que anteriormente eran sólo reconocidas en materiales inorgánicos. Una aplicación de este desarrollo se da en la fabricación de pantallas. Shirakawa H, Heeger A y MacDiarmid A, publicaron sus resultados en materia de conductividad de polímeros orgánicos en 1977, recibieron el premio Nóbel de Química en el 2000 por este descubrimiento. En 1965, Charles C. Price de la Universidad de Pennsylvania, predijo que, el éxito en la síntesis de los polímeros, permitirá modificar plantas y algas para sintetizar alimentos, fibras y anticuerpos, o mejorar el crecimiento o las propiedades de plantas y animales e incluso las características del hombre mismo. “Los químicos de los polímeros están ciertos de sólo un hecho: han logrado cruzar los linderos de otra gran frontera científica cuyas dimensiones son incalculables”, Herman F. Mark (1966).
En los 80´s, se desarrolla la era dorada de los catalizadores metalocenos. Estos catalizadores sólo tienen un único centro activo en el que se unen entre si las moléculas de partida, lo que permite un proceso limpio y ordenado de generación de cadenas moleculares prácticamente idénticas. Esto facilitó decisivamente la mejora de las poliolefinas existentes y el desarrollo de otras nuevas. Starzewski científico de Bayer Company, dice que en el mundo de los polímeros los metalocenos son una auténtica revolución.En esta misma década, se desarrollan los polímeros biodegradables a partir de vegetales y frutos entre otros: en la Universidad de Michigan se desarrolla el polihidroxibutirato (PHB). En esta época el Instituto Politécnico Nacional de México, obtiene Látex del fruto de la Papaya.
Joseph Vacanti y Robert Langer
A principio de los 80´s el físico Joseph Vacanti y el ingeniero químico Robert Langer desarrollan la tecnología de lo que hoy se conoce como tejidos artificiales.La piel artificial desarrollada en el laboratorio en estructuras formadas por largas cadenas de moléculas denominadas polímeros puede curar las heridas de pacientes con úlceras provocadas por la falta de riego sanguíneo. La ciclosporina A, provocó una oleada de transplantes y sentó las bases para los grandes avances actuales en "ingeniería de tejidos", tal y como denominan los científicos a la construcción de órganos artificiales completos. El físico Joseph Vacanti y el ingeniero químico Robert Langer unieron sus fuerzas a principios de la década de 1980 para crear tejidos artificiales . En pocos años consiguieron desarrollar células hepáticas en un armazón de polímeros, dando origen al campo de la ingeniería de tejidos.
En la década de los 90´s, se utiliza la nanotecnología para al desarrollo de los polímeros. Estos materiales se utilizan actualmente en diferentes áreas industriales. El impacto comercial más importante se ha reflejado en el área biomédica. La nanotecnología y los polímeros biodegradables, crecen en aplicaciones día a día.
Shirakawa, Heeger, Diarmid
En el 2000, Shirakawa H, Heeger A y MacDiarmid A, recibieron el premio Nobel de Química por el descubrimiento y el desarrollo de polímeros conductores. Anteriormente se pensaba que los plásticos por sus características, no conducían electricidad, de hecho se utilizan como aislantes de conductores eléctricos. Los galardonados, descubrieron que después de ciertas modificaciones realizadas a los polímeros, estos pueden hacerse eléctricamente conductores. Las principales aplicaciones se presentan como materiales antiestáticos para las películas fotográficas, blindajes para pantallas de los ordenadores contra la radiación electromagnéticas.
Fenn, Tanaka, Wulthrich
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En el 2002 , Fenn J, Tanaka K y Wulthrich K, fueron galardonados con el premio Nóbel de química, por el desarrollo de los métodos para los análisis de la identificación y de la estructura de macromoléculas biológicas.
En el 2003, la compañía Dupont fue premiada por la Agencia de Protección Ambiental (EPA por sus siglas en ingles) por su innovador desarrollo tecnológico en polímeros, utilizando materiales biodegradables, como el maíz, y de esta forma sustituir los procesos convencionales basados en petróleo. El polímero desarrollado es el Sorona (1,3 propanediol o PDO).
Los nuevos descubrimientos en nanotecnología están desarrollando materiales que sustituyan órganos del cuerpo, materiales que puedan hacer las veces de tejidos nerviosos y de tejidos musculares entre otros. En el 2005 se desarrollan, músculos artificiales basados en nanotubos de carbóno y polímero conductor , dirigido por investigadores del Nano Tech Institute of the University of Texas.