Plásticos en los coches: polimerización y reciclaje

Hay muchos adolescentes interesados en los coches, los cuales contienen una gran cantidad de plásticos: polímeros obtenidos a partir del crudo o de materiales renovables. Podemos aprovechar este interés para introducir el tema de plásticos y polímeros, por ejemplo, en las lecciones de química orgánica.

Lleva a tus alumnos a ver coches. ¿Saben algo sobre los plásticos que se usan para fabricar coches? ¿Qué les gustaría saber? Podrían clasificar sus ideas en función de las diferentes partes del coche (ver Tabla 1, abajo).

Tabla 1: El uso de plásticos en coches

• ¿Hacen los plásticos que el coche sea más ecológico? (menor consumo de combustible, reciclado de partes plásticas).
• Faros delanteros y luces traseras
• Ruedas de verano y de invierno
• Cinturones de seguridad reforzados
• Plásticos termorresistentes cerca del motor
• Espuma en los asientos

La cuestión está en los requerimientos específicos de cada componente del coche: por ejemplo un cinturón de seguridad tiene que ser fuerte y flexible a la vez. Por ello sus constituyentes deben tener unas características específicas (por ejemplo el material del cinturón no debe desgarrarse). Para conseguirlo es necesario usar materiales específicos (por ej. politereftalato de etileno). Si los estudiantes no logran hacer estas conexiones por sí solos pregúntales por qué no basta con usar un sólo tipo de plástico para fabricar un coche.

Las actividades que se encuentran en este artículo tratan sobre dos de los tópicos que aparecen en Tabla 1: plásticos para las luces traseras y cómo se reciclan los plásticos de los coches. Cada actividad incluye una hoja de cálculo e información de base. Las actividades son parte de una planificación didáctica más larga (ver el cuadro) adecuada para estudiantes a partir de 16 años que deben trabajar en grupos de dos o tres. Prever una o dos clases de 45 minutos para cada actividad.

Polimerización: plástico para faros de coche

Las luces de los coches tienen cubiertas de plástico para que se mantengan limpias y secas y, en algunos casos, para proporcionarles un color (p.ej. rojo para las luces traseras y naranja para los intermitentes). El material usado debe ser transparente, ligero, coloreable, fácilmente moldeable y razonablemente fuerte. En esta actividad vamos a sintetizar el plástico usado: PMMA o polimetacrilato de metilo.

El polimetacrilato de metilo es conocido comúnmente como vidrio acrílico cristalino o plexiglás y pertenece al grupo de plásticos denominado 'polymerisates'. Su característica común está en que sus unidades monoméricas básicas contienen uno o más enlaces dobles. Bajo la influencia de radicales (moléculas con un electrón libre desapareado), estas unidades sufren la polimerización de sus radicales resultando en macromoléculas de largas cadenas.

Las características de la macromolécula dependen del tipo de cadena lateral que tiene, lo cual depende del monómero utilizado. Utilizando diferentes monómeros en la formación de plásticos 'polimerisates' podemos crear plásticos con diferentes aplicaciones en los coches. Por ejemplo, las voluminosas cadenas laterales del PMMA impiden la formación de estructuras cristalinas cuando solidifica, lo cual haría que la luz se reflejara. En su lugar este plástico amorfo es transparente lo cual hace que sea un útil sustituto del vidrio: más ligero, más maleable y con menos tendencia al estallido.

El tanque de gasolina es de polietileno, nos puede servir como ejemplo de una polimerización de radicales. El polietileno se forma a partir de monómeros de etileno (o eteno, C₂H₄) en una reacción iniciada por peróxido de benzoílo. A 90 grados centígrados el peróxido de benzoílo se divide en dos radicales. Cuando uno de esos radicales encuentra una molécula de etileno, el doble enlace de la molécula de etileno se rompe y se une al radical peróxido formando un nuevo radical más grande. De esta manera empieza una reacción en cadena que sólo se detiene cuando dos radicales reaccionan entre sí.

En nuestro experimento utilizamos peróxido de benzoílo para iniciar un proceso similar: en lugar de usar etileno usaremos 2-metilproenoato de metilo para producir polimetacrilato de metilo.

Ficha del estudiante 1: sintetizando un polímero transparente

Materiales

• 2-metilproenoato de metilo (también conocido como metacrilato de metilo; C₅H₈O₂)
• Peróxido de benzoílo (C₁₄H₁₀O₄)
• Tinte rojo de sudán
• Agua
• Acetona (propanona, C₃H₆O)

Equipamiento por grupo

• Una balanza
• Una placa calefactora
• Un tubo de ensayo
• Un vaso de precipitados
• Un vidrio de reloj
• Una espátula
• Una pipeta
• El soporte de aluminio de una vela de té

 

Nota de seguridad

Usar guantes, gafas de seguridad y trabajar bajo una campana de gases. El 2-metilpropenoato de metilo, el peróxido de benzoílo y la acetona son inflamables; la acetona es además irritante. Los tres deben ser usados con cuidado. El resto del Rojo de Sudán no debe ser vertido por la fregadera.

Ver también la nota de seguridad general.

Procedimiento

1. Introducir 0,2 g de peróxido de benzoílo en el tubo de ensayo.
2. Añadir 10ml de 2-metilpropenoato de metilo.
3. Para colorear el plástico resultante añadir un poco de Rojo de Sudán (una punta de espátula).
4. Poner el tubo en un vaso de precipitados lleno de agua a 90 °C y posar sobre la placa calefactora; ver Figura 3, abajo.

La reacción va a durar unos 20 minutos, a partir de ese momento la mezcla se volverá visiblemente viscosa. Mientras tanto lee la información que se encuentra bajo el título ‘'Polimerización: plástico para los faros del coche’ e intenta deducir el mecanismo de reacción para la polimerización de radicales del 2-metilpropenoato de metilo.

5. Vierte la solución en el soporte de aluminio de la vela de té.

Si el plástico se empieza a solidificar en el tubo de ensayo, pues disolverlo con acetona. Entonces puedes continuar con el experimento tal y como está descrito, dando un tiempo adicional para la evaporación de la acetona.

6. Cubre el soporte de aluminio con el vidrio de reloj para mantener el plástico caliente y permitir que se endurezca más rápidamente.
7. Deja solidificar el polimetacrilato de metilo durante 24 h y sácalo del soporte de aluminio.

¿Cómo evaluarías las propiedades de tu plástico y las compararías com las del vidrio?

Reciclando los plásticos del coche

En esta actividad los estudiantes primero van a aprender cómo pueden ser reciclados los plásticos de los coches y a continuación van a hacer su propia experiencia de reciclaje transformado una botella de plástico en una pieza de plástico moldeada.

¿Qué pasa cuando se acaba la vida de un vehículo? Enseguida nos acordamos de esos montones de coches oxidados y de esos neumáticos usados destinados al vertedero, sin embargo muchas partes del coche se reciclan para recuperar valiosos recursos, especialmente los metales.

Los plásticos de un coche también pueden ser reciclados, y se hace de tres maneras: como partes, como componentes químicos o como combustible.

1. Algunas piezas de plástico usadas se pueden reutilizar para reparaciones, como por ejemplo los parachoques. Sin embargo, los plásticos con el tiempo cambian sus características y se vuelven inapropiados para su reutilización, por ejemplo, la radiación solar hace que se vuelvan frágiles. Afortunadamente algunos plásticos pueden ser fundidos y remoldeados en artículos cuyos requisitos de calidad sean menores, como, por ejemplo, postes o vallas de jardín.
2. A través de procesos químicos algunos polímeros pueden ser divididos en sus componentes monoméricos, quedando así disponibles para nuevas síntesis. Los plásticos también se pueden usar como fuente de otros recursos para la industria química, por ejemplo el reciclaje de una tonelada de ciertos tipos de plásticos proporciona unos 600 kg de metanol. El metanol es un importante recurso en la industria de los plásticos y además se utiliza en las pilas de combustible para liberar energía.
3. Los plásticos troceados pueden ser usados directamente como combustible, sustituyendo al petróleo y al carbón, por ejemplo en las plantas de producción de energía a partir de residuos. También pueden reemplazar al coque en los hornos siderúrgicos (ver Figura 4).

Ficha del estudiante 2: reciclando plástico en la clase

En esta actividad vas a reciclar botellas de plástico en piezas moldeadas. Lo que hagas con ellas está limitado sólo por tu imaginación: llaveros, pendientes, decoraciones de Navidad.

Materiales por grupo

• Un trípode con malla de alambre
• Un trípode con malla de alambre
• Moldes de galleta de diferentes formas
• Papel de aluminio
• Un cuchillo
• Residuos de plástico (preferiblemente botellas de PET)
• Una selección de tintes

 

Nota de seguridad

Usar gafas de seguridad y trabajar bajo la campana de humos. No permitir que la llama entre en contacto con el plástico. Ten cuidado de no cortarte.

Ver también la nota de seguridad general.

Procedimiento

1. Utilizar el cuchillo para trocear el plástico lo más pequeño posible.
2. Cubrir el fondo y los laterales de los moldes de galleta con el papel de aluminio y rellenar con los trozos de plástico hasta una altura de 0.5 cm. Si quieres puedes añadir un poco de tinte.
3. Una vez frío extraer el plástico y separar el papel de aluminio.
4. Una vez frío extraer el plástico y separar el papel de aluminio.

Compara las características del plástico antes y después del reciclaje. Qué conclusiones sacas sobre el reciclaje de plásticos?

En tu grupo, discute los tres métodos de reciclaje descritos en el apartado ‘Reciclando plásticos de coches’ y compara sus posibles aplicaciones. Reflexiona sobre el experimento que has realizado : ¿Cuáles son las posibles aplicaciones de tu plástico?

Estudiando plásticos con rayos X

En la European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)^w2, llevan más de una década estudiando fibras de alto rendimiento como el plástico Kevlar^® . Cinco veces más resistentes que el acero, peso por peso, el Kevlar se usa en ruedas de bicicleta, armaduras, barcos de regatas y líneas de amarre.

Gran parte del trabajo del ESRF sobre fibras de alto rendimiento se centra en su morfología piel-núcleo: las diferencias en estructura entre las capas exteriores de la fibra y su centro. Estas diferencias pueden influir en las propiedades mecánicas de la fibra, así que entendiendo la morfología piel-núcleo es posible diseñar a medida las propiedades de las fibras durante el proceso de manufactura.

En el ESRF se usa rutinariamente haces de rayos X micro focales para realizar nuevos estudios sobre estos notables materiales, tanto para investigación académica como industrial. No existe ninguna otra técnica que dé una información similar sin seccionar la fibra ni alterar potencialmente su microestructura interna. Para más información ver Capellas Espuny, 2009.

ESRF es un miembro de EIROforum^w3, editor de Science in School.