En la actualidad, prácticamente todo lo que nos rodea está fabricado con polietileno. De acuerdo a cifras de la ONU cada año se producen más de 400 millones de toneladas de plástico. Estas cifras demuestran que la humanidad emplea ampliamente este elemento.
El consumo generalizado del polietileno inicia en los años 1950, y ha aumentado álgidamente hasta la actualidad. Los países europeos han mantenido una fabricación equilibrada de plástico en los últimos años, no obstante, en los países en subdesarrollo continúa creciendo su elaboración.
Son múltiples los usos que adquiere este material, y por su reducido costo de producción, cuenta con gran popularidad en el mundo. Las fantásticas propiedades de este compuesto lo hacen ideal en áreas científicas, tecnológicas, automotriz, etcétera. A continuación, explicaremos en qué consiste este compuesto, cómo se obtiene, sus múltiples usos y el daño ambiental que genera.
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¿Qué es el polietileno?
Este material corresponde a un compuesto termoplástico originado por un tratamiento de polimerización de la materia prima “etileno”. El tratamiento implica una trasformación del eteno que genera extensas cadenas poliméricas de carbono, con pocas o muchas ramificaciones.
Con la polimerización del hidrocarburo eteno o etileno se obtienen compuestos que varían en las características físicas, pero que mantienen la configuración química elemental de (-CH2-CH2-)n. Las propiedades químicas son similares a los alcanos con aumentado peso molecular (PM). Veamos en el siguiente esquema, cómo cambia la configuración química del etileno al ser polimerizado mediante el siguiente esquema:
La historia del polietileno
Este útil material nace fortuitamente en 1898 durante un ensayo de calentamiento de diazometano, realizado por el especialista en química Hans Von Pechmann. Posteriormente, Bamberger y Tschirner analizaron el material blanquecino y ceroso, descubriendo la conformacion por extensas cadenas de grupos CH3, y lo definieron como “polimetileno”.
El inicial episodio de elaboración en masa del PE fue, otra vez, por un evento casual en el año 1933, en esa ocasión por dos trabajadores la Imperial Chemical Industries (ICI).
La reproducción del compuesto fue complicada al comienzo, especialmente por el influjo del oxígeno en los primeros experimentos. Finalmente, en 1935, un investigador de la ICI, desarrolla la síntesis del PE por elevada presión, convirtiéndose en el fundamento de la fabricación industrial de PE desde el año 1939.
Iniciales aplicaciones del polietileno
Este compuesto se incluye una baja pérdida de características por acción de ondas radiales de intensa frecuencia. Esta condición motivó a que su fabricación industrial fuera suspendida para emplearse como aislante de cableados coaxiales en instrumentos de radar en la segunda Guerra Mundial.
Las investigaciones continuaron, y la Bakelite Corporation y la Du Pont en 1944, inician la fabricación industrial bajo la autorización del ICI.
Avance industrial del tratamiento con catalizadores
La evolución en industrial del PE ve su auge con la añadidura de sustancias catalizadoras que impulsan la polimerización en escenarios moderados de calor y presión. Seguidamente, te mostramos una cronología de los catalizadores que han sido empleados:
- Trióxido de cromo. El primer catalizador empleado por Banks y Hogan, dos químicos de Phillips Petroleum en el 1951, y fue llamado catalizador Phillips.
- Dos años después en 1953 Karl Ziegler inventa un procedimiento catalizador empleando haluros de titanio y agregados de órgano-aluminio, que actuaban en escenarios menos agresivos que el impulsor Phillips.
- En 1970 el procedimiento de Ziegler fue optimizado con la agregación de cloruro de magnesio.
- Seis años más tarde en el 1976 se comenzaron a emplear métodos catalizadores solubles con compuestos metalocenos.
En síntesis, el uso del catalizador Phillips resulta de menos coste y más sencillo de maniobrar, con relación al Ziegler. Pero ambos procedimientos son ampliamente aplicados en la industria. Los métodos con metaloceno y Ziegler, son ideales para la copolimerización de etileno con distintas olefinas.
Estructura química del PE
La configuración química del PE posee una concentración de C del 85,7% y de H de 14,3%. Su configuración típica contrasta de un alcano de serie rectilíneo, porque el PE dispone de una cadena ramificada, con mínimo tres diferentes clases de grupos olefínicos.
Además, puede incluir elementos obtenidos del catalizador empleado para su elaboración, o derivados del etileno.
Estructura física del PE
La cristalinidad parcial del sólido, es efectivamente, uno de los atributos más importantes de la estructura física del polietileno. Cuando no es ramificado, el compuesto es casi translúcido en su totalidad, con un punto de fundición parcialmente neto.
En líneas generales, el material es parcialmente cristalino y amorfo, y sufre cambios graduales en función a la temperatura alta, hasta alcanzar un estado totalmente amorfo cuando está fundido. Se pueden elaborar compuestos con mayor o menor cristalinidad al variar el número de divergencias de la cadena.
El siguiente cuadro muestra los grados de cristalinidad en función a las bifurcaciones de la cadena del polietileno.
Como observamos, mientras más ramificaciones tenga la cadena, tanto la densidad como la cristalinidad disminuyen. Esta última, afecta a características como dureza, punto de reblandecimiento de fluencia por la tracción. Otras características son dependientes del PM.
Clasificación del polietileno
Encontramos variadas clases de polietileno, que se forman porque en algunas moléculas de carbono, se sustituyen los hidrógenos por extensas cadenas de monómeros. En esos casos se generan los polietilenos ramificados, que son también llamados de baja densidad o LDPE.
Los polietilenos sin ramificaciones se configuran con una única cadena, y son llamados polietilenos lineales de alta densidad o HDPE. Este tipo de PE muestra mayor tenacidad que el bifurcado, sin embargo, es más caro y requiere mayor tratamiento para su obtención.
Como mencionamos, este compuesto puede clasificarse en varios tipos, en función a la bifurcación y la densidad. Las cualidades mecánicas son dependientes de la longitud, grado de ramificación, cristalinidad y PM. Mostramos seguidamente, los polietilenos más comunes y sus iniciales en inglés.
- Polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE)
- Polietileno de ultra bajo peso molecular (ULMWPE o PE-WAX)
- Polietileno de alto peso molecular (HMWPE)
- Polietileno de alta densidad (HDPE)
- Polietileno de alta densidad reticulado (HDXLPE)
- Polietileno reticulado (PEX o XLPE)
- Polietileno de media densidad (MDPE)
- Polietileno de baja densidad lineal (LLDPE)
- Polietileno de baja densidad (LDPE)
- Polietileno de muy baja densidad (VLDPE)
- Polietileno clorado (CPE)
Propiedades del polietileno
Los compuestos de elevado PM presentan una típica característica sólida blanca y traslúcida, que al ser seccionado en capas finas es transparente.
A temperaturas comunes es firme y exhibe elasticidad, pero cuando se eleva la temperatura se vuelve blando y consigue fundirse a los 110°C, volviéndose en un elemento transparente. A temperaturas disminuidas se solidifica y se vuelve rígido al punto de no poder torcerse sin fracturarse. En seguida mencionamos, de una manera muy general, las principales propiedades físicas y químicas.
Propiedades físicas
Las bifurcaciones de las cadenas poliméricas influyen directamente en las cualidades físicas del polietileno, tanto en su estado líquido como sólido. Por ello, se describen las propiedades físicas en función a la condición de ramificación del PE y de su PM.
Al alterar los escenarios de polimerización se puede alterar el número de ramificaciones, y generar diversos tipos de polímeros en grandes cantidades.
Al estudiar una fracción de PE con técnicas infrarrojas, se pueden observar los enlaces dobles entre moléculas. Estos enlaces son, con escasa diferencia, similares entre porciones con alto y bajo PM. Además, se determina que las repeticiones de las cadenas laterales no dependen de su peso molecular.
Propiedades químicas
En su mayoría, los PE de baja, media y alta densidad, poseen una óptima tenacidad química, es decir, soportan la acción de fuertes ácidos y bases, oxidantes y sustancias reductoras. La ignición del PE es lenta al aplicar una llamarada azul con punta amarilla, y en el proceso despide un aroma a parafina. Al retirar el fuego, el compuesto continúa ardiendo y genera un goteo del material.
Este elemento logra disolverse a incrementadas temperaturas en compuestos hidrocarbonados bencénicos como el tolueno, o en solventes clorados como el tricloroetano. Asimismo, muestra alta absorción a gases orgánicos y al oxígeno.
Por el contrario, es totalmente insoluble al agua, y únicamente absorbe un pequeño porcentaje al exponerse al calor. En el siguiente cuadro mostramos, a groso modo, unas de las cualidades de los tipos de PE más empleados comercialmente.
Propiedades eléctricas del polietileno
El PE tiene una reducida conductividad eléctrica, un reducido factor de potencia, poca permitividad y resistencia dieléctrica alta. Estas cualidades no son afectadas por la humedad, pues el PE posee muy baja absorción del agua. Sin embargo, el factor de potencia puede aumentar si se expone el compuesto a la oxidación.
Procesos de oxidación aplicables al polietileno
Este compuesto puede ser sometido a oxidación térmica y oxidación fotocatalizada, y en breve describiremos cómo ocurren ambos procesos.
Oxidación térmica
Este proceso es trascendental, especialmente cuando se encuentra fundido PE, básicamente porque interviene en los procesos de polimerización, y establece límites en algunos usos. Este proceso es autocatalítico, esto significa que crece la rapidez de oxidación en función al incremento de la cantidad de oxígeno que es absorbido. Este proceso provoca los siguientes efectos:
- Variación del PM, que se revela por cambio en la viscosidad.
- Deterioro de la tenacidad mecánica.
- Alteración en las cualidades eléctricas.
- Aparición de un olor rancio.
- Alteración del tono a uno amarillo, pardo incluso a negro.
- Una fuerte oxidación a temperaturas extremas provoca degeneración de la cadena y escape de sustancias volátiles.
Oxidación fotocatalizada
Este tipo de proceso implica un mayor problema, pues consiste en la oxidación por exposición del PE a la luz del Sol. Este procedimiento no es tan sencillo de proteger, como ocurre con la oxidación térmica, pues los antioxidantes no son muy efectivos. La reacción es igualmente autocatalítica, y provoca alteración del color, y deterioro de numerosas características físicas y mecánicas.
Aplicaciones del polietileno
Por su gran resistencia, ausencia de olor y toxicidad, impermeabilidad, óptimas características eléctricas y ligereza, tiene gran aceptación en muchas áreas de producción. Gracias a sus formidables propiedades y estructura, este compuesto es empleado en aislamientos, revestimientos, utensilios, juguetes etc. Veamos seguidamente, los principales usos del polietileno.
Cables
Actualmente, el cableado presenta un revestimiento de polietileno, a manera de sustituto del plomo. Los cables submarinos lo poseen por la reducida permitividad e impermeabilidad al agua. Igualmente, se ha empleado como aislante de frecuencias de radio y otros usos militares.
Envases y tubos
Botellas, vasos, recipientes, artilugios, utensilios de cocina, y distintos recipientes, de uso industrial y para uso en hogares, son algunos de los ejemplos de materiales elaborados con PE.
En esta variedad de productos predomina la propiedad de inercia, el peso liviano y la escasa probabilidad de que se rompa o quiebre. Asimismo, tiene amplio uso en frascos de laboratorio, tapas, cierres, etcétera.
Se emplea en la manufactura de tubos gruesos que son extensamente empleados para la transportación de agua. Del mismo modo, para conducir agua caliente en tubos que son colocados bajo un piso de cemento.
Película de polietileno
Bajo esta forma el PE presenta una espesura de 0,025-0,250 mm. Inicialmente, se empleó porque exhibía excelentes cualidades mecánicas, con una reducida permeabilidad al vapor de agua. Esta condición lo hace ideal para el empaquetamiento de comida, con un cómodo uso en temperaturas muy bajas, pues se mantiene flexible.
Se emplea también para proteger objetos metálicos, segmentos grandes de maquinaria pesada, vehículos y equipos eléctricos. Pueden elaborarse bolsas uniendo partes por medio de calor, y se están empleando en la elaboración de globos para estudios a grandes alturas.
Hilos o filamentos
A pesar de que su punto de fusión reduce su empleo como fibra textil, ha sido posible la elaboración de telas con monofilamentos de PE. Estas son usadas para la tapicería de automóviles, pero presenta una desventaja, puesto que se afloja con las altas temperaturas. Además, muestra un desgaste mecánico por acción de la luz solar.
En la sucesiva tabla mostramos un resumen de las utilidades de dos clases de polietileno más empleados
Polietileno verde
Con el interés de brindar más sustentabilidad al planeta, desde hace unos años se viene desarrollando la elaboración del polietileno verde. Esta versión del polietileno de alta densidad se obtiene del etanol, un compuesto originado desde la caña de azúcar. La definición de polietileno verde es porque su origen deriva desde el etanol, a diferencia del original PE que es obtenido desde el gas natural.
El etanol es un compuesto renovable, y esta condición le aporta la característica verde al producto. Sin embargo, no implica que la biodegradabilidad del mismo sea distinta al polietileno convencional.
La elaboración de la versión verde es reciente y ha brindado grandes aportes innovadores en la transformación del plástico. Desde el año 2010 funciona en Brasil una compañía llamada Braskem, que constituyó ser la primera empresa, a nivel mundial, en la fabricación de polietileno verde.
Grandes cualidades tiene Brasil para la fabricación en masa de polietileno verde, principalmente su clima tropical, beneficia en gran medida al cultivo de caña de azúcar. La producción de etanol abastece la demanda local y para demanda internacional, convirtiéndolo en el principal país exportador de etanol en el mundo.
La marca ambiental del PE
Evaluar la acción ambiental que genera el polietileno requiere un análisis de todas las etapas que son necesarias para la fabricación del producto. Desde la obtención de las materias primas, hasta la conversión y tratamiento del residuo.
Esto se resume en el “análisis del ciclo de vida” del PE, donde los pasos de fabricación, aplicación, rescate (del residuo), se correlacionan al control de energía y su afectación a nivel ambiental. Es posible reducir el impacto del PE controlando las etapas claves de su fabricación.
Optimizar los métodos para el tratamiento de residuos plásticos
Esto se logra mediante reciclado mecánico, donde el elemento es fundido y reusado. También por recuperación energética, ya que poseen energía comparable a los combustibles fósiles, pudiendo emplearse para generar energía y calor.
Entre los múltiples avances que se logran en la actualidad se incluyen innovadores métodos de reciclado químico. Con ellos no solo se reciclaría el PE, sino todos los tipos de plástico que existen.
Si las alternativas de reúso y reciclaje no son viables, la mejor opción es enterrar los productos de PE en un relleno sanitario. Los residuos son inocuos para el medio ambiente, pero dejarlos en la superficie ocasiona muchos problemas, es por ello que se recomienda enterrarlos.
Son elementos que no sufren degradación ni emiten gases tóxicos que pudieran perjudicar suelo, aire o agua. No obstante, tanto el PE y los plásticos pueden bloquear ductos, llegar al mar y perjudicar la vida animal por acciones mecánicas. Es por ello, que se enfatiza en su reutilización o descarte mediante el entierro de residuos.
Conclusiones
La humanidad en su búsqueda de hacer más práctica su existencia ha forjado creaciones de gran importancia, y el polietileno es muestra de ello. Con el avance de los años la fabricación de este elemento se ha optimizado, no obstante, el incremento del mismo ha causado un malestar a la naturaleza.
Lo ideal es concienciar a las personas del óptimo empleo del plástico, fomentar su reutilización, pues es un material sumamente valioso. De esta forma, lograremos sacarle el mayor provecho al PE y seremos respetuosos con nuestra madre Tierra.
Referencias:
https://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2012/07/polietileno-pe.html
www.textoscientificos.com/polimeros/polietileno
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