Historia de los plásticos

Los polímeros son moléculas grandes que están constituidas por unidades que se repiten, denominadas monómeros. El término polímero proviene del griego (poli “muchos” y meros “partes”). En consecuencia, los polímeros engloban a todas aquellas estructuras que tienen un tamaño grande con una unidad que se repite, incluyendo a los plásticos. Así, un plástico es un polímero que además contiene otros componentes como, por ejemplo, cargas, refuerzos, pigmentos, colorantes, estabilizantes, antioxidantes, retardantes, plastificantes, lubricantes, compatibilizantes, etc. Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una muy buena resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas interaccionan entre sí, y son esas interacciones causantes de sus propiedades.

Los polímeros pueden ser naturales, cuando proceden de seres vivos, sintéticos, cuando se preparan íntegramente por reacciones química de polimerización de monómeros, y modificados, cuando provienen de la modificación química de polímeros naturales. Evidentemente, los naturales los producen los seres vivos y tienen una función específica. Esta función es en muchos casos estructural, como los polisacáridos celulosa o quitina. Se pueden emplear como tales o modificarlos químicamente para dar lugar, por ejemplo, al poliacetato de celulosa o celofán, rayón o viscosa, o al quitosano.

En cuanto a los polímeros totalmente sintéticos, los monómeros que los constituyen provienen generalmente del petróleo, que es una mezcla compleja de unas 17.000 sustancias. A partir de él, por diversos procesos de craqueo, se obtienen unos 40 compuestos básicos de los que derivan los 40.000 productos químicos que se utilizan tanto para la síntesis de polímeros, como para la elaboración de medicinas, acondicionamiento de alimentos, limpieza del hogar o cuidado corporal. Ejemplos de polímeros sintéticos son las poliamidas, el poliestireno, el polietileno, el tetrafluoroetileno o las siliconas, entre muchos otros.

La palabra plástico también proviene del griego y significa “que se puede moldear”. Para ello es necesario aportar calor y en este sentido el comportamiento térmico de los polímeros es un parámetro clave en su procesado para dar forma a los plásticos. Atendiendo a este comportamiento térmico, los polímeros se clasifican en termoplásticos, cuando al calentarlos se reblandecen y pueden moldearse a presión, o termoestables, cuando no funden, de modo que al calentar no se pueden moldear.

Por otro lado, existe una nueva tendencia que consiste en la introducción de nuevos polímeros biodegradables, materiales que se degradan por acción de organismos vivos, con el objetivo de disminuir la cantidad de residuos de plástico en el medio ambiente.

Por su origen, los polímeros biodegradables se pueden clasificar en:

De origen natural: extraídos de animales, vegetales e incluso bacterias, como el almidón, la celulosa, proteínas o hidratos de carbono.

Naturales modificados: como el acetato de celulosa.

Sintéticos: entre los que destacan el ácido poliláctico y la policaprolactona, de fácil obtención y procesamiento.

Mezclas de los anteriores: formadas por polímeros naturales y sintéticos, también llamados copolímeros, como la mezcla de almidón y poliestireno. Son materiales con propiedades mecánicas diversas y que permiten controlar la velocidad de degradación del polímero.

Por su parte, los tipos de plástico más comunes son:

PVC: este polímero, preparado a partir de policloruro de vinilo, es el plástico más empleado por detrás del PE, y debido a sus características de resistencia química y aislamiento, se emplea en multitud de elementos de la construcción que requieren una gran vida útil (más de 50 años). Por otro lado, debido a su alto grado de inflamabilidad, actualmente se están buscando materiales plásticos alternativos.

PET: poli(tereftalato de etileno) de alto nivel de transparencia. Impide la entrada de oxígeno, por lo que su uso más extendido es en botellas de agua y refrescos. Es totalmente reciclable a un coste bajo y susceptible de usarse para generar plásticos de igual o mejor calidad en el proceso.

Polipropileno: plástico de resistencia media al calor, esterilizable y con escasa flexibilidad. Forma parte de envases, envoltorios y utensilios y recipientes de cocina. Puede someterse a procesos de reciclado.

Poliestireno: sus cualidades aislantes y resistentes lo han convertido en un material muy utilizado en la construcción. Su dureza y solidez han supuesto que sea un plástico frecuente en productos que requieren transparencia, como envases de alimentación y equipos de laboratorio. Su combinación con otros plásticos y aditivos aumenta sus usos en electrodomésticos, juguetes y elementos de jardinería, así como protector para envases de transporte. Su reciclado requiere de un alto gasto energético dado que se realiza mediante altas temperaturas.

HDPE: Polietileno de alta densidad muy utilizado por su alta resistencia. Es el plástico que solemos ver en productos de limpieza, garrafas, barriles, botellas de leche y botes y tubos de cremas, por su alta maleabilidad y versatilidad. Su reciclaje permite su reutilización para cubos de basura y reciclaje domésticos y otros envases.

LDPE: Polietileno de baja densidad elástico y transparente. Su producción es de las más baratas, por lo que es ampliamente utilizado. Es el material de las bolsas de plástico, el film transparente o el aislante de los cables eléctricos. Reciclado, sirve para fabricar los mismos objetos.

En 1912, Fritz Klatte mezcló acetileno y ácido clorhídrico formando mediante una reacción química el PVC. No obstante, en aquel momento no se le concedió un posible uso, llegando a expirar su patente en 1925. Actualmente, sin embargo, el PVC es uno de los plásticos que más se ha usado en tuberías y ventanas, entre otras aplicaciones. Sin embargo, la gran eclosión de los plásticos comenzó en la década de los treinta del siglo XX. Unos años antes, en 1920, Hermann Staudinger, desarrolló el concepto de macromolécula y explica que los polímeros son grandes cadenas de moléculas –monómeros- que se repiten, generando aceptación en cuanto a la estructura molecular de los polímeros. Estos hallazgos le valieron ser merecedor del Premio Nobel de Química en 1953. Fue en el periodo de entreguerras y durante la Segunda Guerra Mundial cuando se produjo un importante salto en el terreno de la investigación, que trajo consigo un importante avance tecnológico aplicable a muchas otras disciplinas. La industria de los plásticos desarrolló adhesivos, pinturas, diferentes tipos de polímeros, convirtiéndose en una referencia en cuanto su desarrollo científico.

En los años posteriores, gracias a los avances de Debye, Ziegler y Natta, Wallace Carothers, Herman Mark y Kurt Meyer entre otros se avanzó en el conocimiento de diferentes materiales poliméricos se introdujeron los plásticos como materiales de gran consumo y se aplicó al campo de la ingeniería. Este uso masivo sigue estando un tanto descompensado con el establecimiento de las bases científicas para el estudio de los polímeros hasta Paul J. Flory, que articula la ciencia de los polímeros.

Durante la segunda mitad del siglo XX la ciencia de los polímeros experimentó un avance imparable ligado a las demandas de la sociedad, aumentando el consumo de plásticos de manera significativa. En 1991 se premia a Pierre-Gilles de Gennes por desarrollar una teoría generalizada de las transiciones de fase con aplicaciones particulares para describir el orden y las transiciones de fase en polímeros.

Con la llegada del nuevo milenio, las investigaciones en polímeros no descansan. Se siguen descubriendo nuevos polímeros por síntesis de nuevos monómeros y modificación de cadenas poliméricas existentes. También se está consiguiendo establecer nuevas características para estos materiales, como demostraron Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid, e H. Shirakawa, con el descubrimiento de plásticos conductores.

España no ha vivido ajena al impacto de este material y por ello, en 1947 se crea la sección de plásticos del Instituto de Química Orgánica “Alonso Barba”, que cambiará de nombre hasta consolidarse en 1987 con la denominación de Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros (ICTP), perteneciente al CSIC. La importancia del desarrollo de los polímeros motivó que en la década de los noventa surgieran centros de I+D de polímeros en las empresas y en las universidades. Actualmente, muchos centros universitarios, tanto públicos como privados, tienen grupos de investigación dedicados al estudio y desarrollo de nuevos polímeros.

Electrodomésticos, ordenadores o teléfonos móviles son algunos de estos artefactos electrónicos que nos hacen la vida más fácil. Actualmente, todos disponemos de estos aparatos para nuestro uso personal. El plástico les da forma y les dota de identidad. El mejor ejemplo es el teléfono fijo que existía hasta los primeros años del siglo XXI. El soporte del auricular y el micrófono forman parte ahora de los iconos de nuestros smartphones, aunque a las generaciones que no convivieron con este útil les resulta difícil identificarlo con su uso original. Las pantallas de estos dispositivos tienen en el vidrio un componente esencial pero el plástico está adquiriendo también esta funcionalidad. Diferentes marcas están investigando en prototipos de pantallas LCD de plástico aplicables a diferentes productos móviles. La ventaja principal radica en la limitación del grosor y del peso, pudiéndose llegar a dos tercios de la profundidad del aparato y la quinta parte de su peso.

Hoy por hoy, el horizonte del plástico aspira a conformar al 100% todos estos objetos. La industria electrónica está desarrollando componentes electrónicos plásticos. La plastrónica está incorporando nuevas dimensiones del plástico, integrando cualidades electrónicas a objetos realizados en polímeros especiales. Algunas de estas ideas estaban planteadas hace más de una década, pero han tenido que esperar hasta este momento para alcanzar una cualidad conductiva que les permita resolver estas nuevas necesidades. Esta nueva tecnología se plantea como una respuesta económicamente más viable que la electrónica del silicio, aunque todavía está en una fase de consolidación. Uno de los elementos en los cuales se destaca esta aplicación es en las nuevas pantallas flexibles de los teléfonos móviles que se están presentando últimamente.

El plástico es un buen aislante. Por este motivo se utiliza sistematicamente en todo tipo de cableados eléctricos.
En las instalaciones eléctricas domésticas encontramos cables de tres colores:

• Color verde y amarillo para la Tierra
• Color negro, marrón o gris para la Fase.
• Color azul para el Neutro.

Desde la Revolución Industrial, el desarrollo económico ha permitido hacer accesible todo tipo de productos a la sociedad. El plástico ha sido clave en esta idea, puesto que su fabricación y desarrollo ha permitido abaratar los costes de extracción y evitar los materiales naturales, que son finitos. La industria del plástico requiere de una inversión inicial en maquinaria y química para la creación de la materia prima, que se amortiza según aumenta la producción. Además, el reemplazo de materiales naturales por plástico ha hecho más accesibles muchos de los bienes que son fundamentales en la sociedad actual, gracias a la disminución de sus costes.

Los plásticos, gracias a su versatilidad, han sustituido a otros materiales para complementar herramientas. Han reemplazado a la madera en los mangos de las herramientas; han suplantado a los metales en tuberías; han reemplazado a los morteros para unir diversos materiales constructivos; conforman fibras textiles, sirven como envases y escribimos en ellos a través de nuestros aparatos electrónicos. El plástico ha permitido conseguir una flexibilidad en el diseño que optimiza los recursos gracias a su maleabilidad. Esta capacidad permite conseguir formas con unas características especiales difíciles de obtener con otros materiales, redundando en la optimización de los espacios y desarrollando el diseño estético y el del producto. Los objetivos de diseño de un producto pueden afectar hasta en un 90% en los costes de fabricación y en el 80% del impacto ambiental generable.

Por su parte, la optimización energética tiene en el plástico a uno de sus mejores aliados. El gasto energético es uno de los grandes retos de la sociedad actual. La actual normativa del Código de la Edificación convierte al aislamiento térmico en uno de los objetivos básicos de un proyecto, tanto en obra nueva como en rehabilitación de edificios, sin renunciar al confort. Elementos como el poliespán – o poliestireno expandido- y los poliuretanos permiten conseguir una solución aislante barata y eficaz para conservar el calor en nuestros hogares, así como reducir notablemente el peso en automóviles, aviones, ferrocarriles y otros medios de transporte.

La producción mundial de plástico en el año 2015 fue de 322 millones de toneladas, aumentado así al doble desde la década de 1960. Solo en Europa se consumieron 49 millones de toneladas, de las cuales un 40% fueron destinadas a embalajes y envases, casi el 20% a la construcción, cerca del 9% a la fabricación de automóviles y el 5,8% a aparatos electrónicos.

De esta manera, los polímeros actualmente forman parte de una amplia gama de materiales estructurales, funcionales y de aplicaciones especiales, que encuentran aplicación en la industria de la construcción, aeronáutica, automovilística, del envase y embalaje, electrónica, en aplicaciones médicas, etc., adquiriendo una gran importancia en la economía y en el bienestar social. Sin duda, los plásticos son esenciales para la vida moderna. Estos materiales han hecho posible el desarrollo de ordenadores, telefonía móvil o el instrumental médico encargado de salvar vidas, propio de la medicina moderna contemporánea. Su importancia es tal que los plásticos representan aproximadamente el 20% de los materiales que componen dichos aparatos.

Gracias a los avances de la ciencia aplicada al estudio de los plásticos, las innovaciones son constantes y cada vez surgen nuevos tipos y nuevas aplicaciones basadas en su funcionalidad. El Viton es un ejemplo de ello. Este fluorelastómero tiene variedad de usos industriales y aeroespaciales gracias a sus características mecánicas y químicas, entre las que destacan la resistencia a altas temperaturas, a la presión o su baja reactividad. Su potencialidad es tan grande que en 2015 DuPont generó The Chemours Company para gestionar este nuevo producto. En 2019, Basf implantó en el interior de un coche la tecnología Ultramid® Vision. Este producto está conformado por un tipo de poliamida semicristalina. La ventaja que ofrece este nuevo plástico es la alta trasmisión de luz con muy poca distorsión, lo cual implica que este material puede ser muy funcional en la industria automovilística para el diseño de ventanas, faros o espejos retrovisores, por ejemplo.

El gran desarrollo tecnológico alcanzado durante la segunda mitad del siglo XX provocó la generación de muchos residuos que el ser humano no supo tratar en su momento, lo que provocó el surgimiento de problemas medioambientales de carácter global cuyas consecuencias aún perduran.

Por esta razón, desde finales de la década de los 80 del siglo pasado, se ha apostado por el reciclaje como una de las maneras de paliar el impacto ambiental del ser humano sobre el ecosistema. En algunos materiales el éxito comienza a ser patente, como en los metales y el vidrio, donde se están consiguiendo unas tasas de reciclaje de entre el 50 y el 90 por ciento, frente al 10% de los plásticos.

Uno de los retos a los que se enfrenta la industria del plástico es conseguir reciclar un mayor porcentaje del plástico. Muchos de los aparatos eléctricos y electrónicos que manejamos normalmente no están diseñados para su reutilización y ello complica considerablemente la reutilización de los plásticos. Por estos motivos, en 2020 se espera que unas 2,5 millones de toneladas del plástico desechado provengan de aparatos electrónicos.

Este impacto no es solo perceptible a nivel de generación de materiales, sino también en cuanto a consumo energético, puesto que las mejoras en el reciclaje permitirían reducir un 80% el consumo energético respecto a la fabricación de polímeros desde materias primas. Los procesos de reciclaje del plástico más utilizados son:

• Reciclaje mecánico: granulado de las piezas plásticas para su tratamiento posterior.
• Reciclaje químico: degradación del plástico por calor para obtener moléculas simples con las que fabricar otros plásticos o combustibles.
• Reciclaje energético: conversión del plástico para su aprovechamiento energético, reutilizando su capacidad calorífica para la obtención de energía calorífica o eléctrica.

Hoy en día están surgiendo propuestas que buscan una participación integral de la sociedad en el reciclaje de los polímeros. Este es el caso de PolyCE, una iniciativa de la Unión Europea para fomentar el reciclaje de polímeros en elementos de alta tecnología dentro del ámbito de una economía circular. Este proyecto trata de concienciar a productores y consumidores sobre la importancia del reciclado de plásticos y su aceptación para el consumo. Actualmente se encuentra liderada por Fraunhofer IZM e integrada por diversas universidades como la Universidad de las Naciones Unidas de Bonn, la Universidad de Gante, la Universidad Técnica de Berlín, la Universidad de Northampton, el European Environmental Bureau y varias empresas, entre las que destacan Philips y Whirlpool. Sus socios tienen su sede u operan en nueve países europeos: Bélgica, Holanda, Italia, Alemania, Austria, España, Finlandia, Estados Unidos y el Reino Unido. Este proyecto está financiado a través de la Comisión Europea, con el respaldo de la ONU.

La ciencia está avanzando para obtener plásticos más seguros y sostenibles, con el menor impacto ambiental posible. Se están desarrollando bioplásticos, hechos de cultivos de plantas en lugar de combustibles fósiles para crear sustancias más ecológicas. Otros están trabajando para hacer plásticos que sean 100% biodegradables, como los compostables o los bioplásticos. Entre estos podemos encontrar desde los hilos de sutura reabsorbibles a los cartuchos de caza biodegradables.

Aunque a corto y medio plazo la preocupación imperante de la industria plástica es la sostenibilidad, la ciencia de los polímeros sigue su desarrollo. Los principales objetivos de la investigación científica en polímeros se centran en la preparación de materiales de gran fortaleza mecánica y térmica, resistentes a la oxidación, no inflamables y que respondan a diferentes estímulos externos (polímeros inteligentes). Otros campos de investigación se relacionan con la obtención de polímeros biocompatibles (para aplicaciones en medicina) y polímeros biodegradables. La ciencia de polímeros pretende estudiar a nivel molecular la química de los materiales para comprender sus propiedades a mayor escala.