Los materiales y el medioambiente

7. LOS MATERIALES Y EL MEDIOAMBIENTE

La utilización de los materiales en la fabricación de productos provoca dos problemas:

     1º. Agotamiento prematuro de los materiales

    2º.  Deterioro del medio ambiente producido por la explotación de los recursos naturales y              la acumulación de residuos y basuras.

- Análisis de los problemas derivados de la obtención, uso y desecho de los materiales técnicos

La contaminación que produce todo el ciclo vital de un material técnico se desglosa en tres partes:

• Contaminación en la obtención de la materia prima debido al transporte principalmente.

• Contaminación en la proceso de producción por emisiones de CO2.

• Contaminación cuando el producto ya no se puede usar más debido al mal reciclaje o al vertido de basuras en lugares no autorizados.

- Tipos de Residuos: inertes y tóxicos y peligrosos

Los residuos inertes son aquellos que acabada su vida útil no pueden ser reutilizados. Suelen ser residuos de la construcción.

Los residuos tóxicos y peligrosos son aquellos que pueden alterar la seguridad y salud humana. Suelen ser residuos nucleares y químicos.

- Soluciones a estos problemas:

• Regla de las 3 R

Consiste en:

- Reducir

- Reciclar

- Reutilizar

Esta regla promueve el alargamiento de la vida útil de los materiales. Fomenta el ahorro energético debido a que el material no necesita un nuevo proceso de producción y favorece a la postergación del agotamiento en la naturaleza de dicho material.

• Tratamientos de los residuos: procesos físicos, químicos o biológicos

• Incineración

La incineración de residuos consiste en quemar aquellos residuos que no pueden ser reutilizados. Este método emite grandes cantidades de CO2.

• Vertido controlado

La legislación se encarga de establecer una serie de normas que especifican los lugares y tipos de residuos que pueden ser o no vertidos.

Polímeros y otros materiales

6. POLÍMEROS Y OTROS MATERIALES

- Polímeros: clasificación, propiedades, aplicaciones

• Clasificación:

Los polímeros se pueden clasificar según:

• Su origen:

Naturales, semisintéticos o sintéticos.

• Su estructura molecular:

Termoelásticos, termoestables o termoplásticos.

• Sus reacciones de formación:

Sustancias naturales modificadas, polimerizados, policondensados o poliaductos.

• Propiedades:

Según el tipo de polímero, sus propiedades varían en:

- Solubilidad

- Oxidación

- Disolvencia

- Resistencia química

- Comportamiento ante el fuego

- Envejecimiento

- Densidad

- Reacción ante el calor

• Aplicaciones:

- Lacas y barnices

- Aglomerantes para la construcción

- Objetos decorativos

- Fabricación de fibras

- Aislantes

- Embalajes

- Colas y resinas sintéticas

- Plásticos para exigencias mecánicas, térmicas y médicas

- Principales métodos de transformación de polímeros

• Prensado
• Inyección
• Extrusión
• Soplado
• Colada
• Espumación
• Laminación-calandrado
• Termoconformado

- Piezas que pueden obtenerse con polímeros

• Caucho natural y sintético
• Goma blanda
• Ebonita
• Goma esponjosa
• PF: resinas fenólicas
• UF: resinas de urea
• MF: resinas de melamina
• UP: resinas de poliéster
• EP: resinas epoxi
• PUR: poliuretano
• PVC: policloruro de vinilo
• PE: polietileno
• PS: poliestireno
• PMMA: polimetacrilato
• PA: poliamida
• PTFE: fluorados

- Impacto ambiental de los polímeros

La gran generación de residuos, la contaminación a la hora de su producción y combustión y su larga biodegradación son las principales desventajas de los polímeros.

- Otros materiales de uso técnico: arcillas, cementos, vidrios, madera

• Arcillas: pertenecen a la familia de los materiales cerámicos y son de origen natural (rocas).

• Cementos: pertenecen a la familia de los materiales pétreos y son de origen natural (rocas).

• Vidrios: pertenecen a la familia de los materiales pétreos y son de origen natural (minerales).

• Madera: es de origen natural (plantas y árboles).

- Obtención y utilización

Las arcillas, cementos y arenas y minerales necesarios para hacer vidrio se obtienen de yacimientos, tanto subterráneos como a cielo abierto, en la naturaleza. Sus aplicaciones son diversas aunque la que más destaca es su aplicación en la construcción.

La obtención de la madera también se realiza en la naturaleza, por tala de árboles. Entre sus usos destacan la decoración y el bricolaje.

- Impacto ambiental del uso del vidrio y la madera

Las principales desventajas del uso abusivo de la madera son la deforestación, que afecta directamente al hábitat de la fauna y que contribuye al cambio climático (usa el CO2 para realizar la fotosíntesis), y la contaminación a la hora de realizar su transporte.

En cuanto al vidrio, es más respetuoso con el medioambiente debido a las beneficencias de su reciclaje. Sin embargo, la emisión de CO2 en su producción es un punto en contra.

 

- Reciclado.-Producción y elaboración de materiales industriales en Aragón

El mayor sector de producción de materiales industriales en Aragón es el automovilístico. La empresa General Motors es su clara representante.

En nuestra comarca destaca la producción de polímeros de la empresa Mondo en Borja.

- Identificación de las aplicaciones de los polímeros y otros materiales en función de sus propiedades

La capacidad de ser fácilmente moldeados y deformados es utilizada para fabricar cualquier tipo de objeto de variable forma, tamaño, color, etc.

Metales no férricos

5.  METALES NO FÉRRICOS

- El cobre y sus aleaciones

Se caracteriza por ser uno de los mejores conductores de electricidad. Gracias a su alta conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha convertido en el material más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros componentes eléctricos y electrónicos.

Sus aleaciones más comunes son:

• Bronce: cobre y estaño
• Latón: cobre y zinc

- El aluminio y sus aleaciones

Es un metal muy abundante en la corteza terrestre. Es maleable pero sin embargo es blando y poco resistente a la tracción. Para mejorar estas propiedades se alea con cobre (duraluminio), magnesio, manganeso, zinc y silicio.

- El titanio y sus aleaciones

Tiene alta resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica.

Sus aleaciones más comunes son:

• Ti grado 2: titanio y hierro.
• Ti grado 5: titanio, aluminio y vanadio.
• Ti grado 19: titanio, aluminio, vanadio, cromo, zirconio y molibdeno.
• Ti6246: titanio, aluminio, estaño, zirconio y molibdeno.

- El níquel y sus aleaciones

Conductor de la electricidad y del calor, muy dúctil y maleable. Resistente a la corrosión. Es el principal elemento de aleación, junto con el cromo, del acero inoxidable. También interviene en aleaciones de base cobre y aluminio.

- El zinc y sus aleaciones

Presenta una gran resistencia a la deformación plástica. Su principal aleación es con aluminio, elemento que le proporciona superplasticidad.

- El plomo y sus aleaciones

Es un metal pesado y tóxico. El plomo forma aleaciones con muchos metales, y, en general, se emplea en esta forma en la mayor parte de sus aplicaciones.

- El magnesio y sus aleaciones

Es un metal muy ligero que no se encuentra en estado puro en la naturaleza. Sin embargo, se usa como elemento de aleación de muchas aleaciones.

- Identificación de las aplicaciones de los metales no férricos en función de sus propiedades

Debido a que los metales no ferrosos son, en general, blandos y tienen poca resistencia mecánica, se usan mucho como elementos de aleaciones que además de mejorar las propiedades del producto final, mejoran también las suyas propias.

Metales férricos

4. METALES FÉRRICOS

- El hierro: obtención, propiedades, características

• Obtención:

Primero hay que extraer el mineral de la mina, que suele ser subterránea en el caso del mineral de hierro, aunque el desbordante crecimiento de la construcción ha multiplicado el aprovechamiento de las minas a cielo abierto. Posteriormente se somete a un proceso siderúrgico en el que le son extraídas las impurezas y en el que se obtiene el hierro puro que se usará después.

• Propiedades:

-       Maleable

-       Dúctil

-       Duro

-       Conductor eléctrico

-       Conductor térmico

-       Magnético

-       Tenaz

-       Se oxida

-       Biodegradable

-       Resistente

• Características:

Símbolo químico	Fe
Número atómico	26
Grupo	8
Periodo	4
Aspecto	metálico brillante con un tono grisáceo
Bloque	d
Densidad	7874 kg/m3
Masa atómica	55.845 u
Configuración electrónica	[Ar]3d64s2
Electrones por capa	2, 8, 14, 2
Estados de oxidación	2, 3
Óxido	anfótero
Estructura cristalina	cúbica centrada en el cuerpo
Estado	sólido
Punto de fusión	1808 K
Punto de ebullición	3023 K
Calor de fusión	13.8 kJ/mol

- Derivados del hierro: acero, fundiciones

Los principales derivados del hierro son:

• Acero: es una aleación de hierro y carbono.
• Hierro dulce
• Hierro fundido: existen tres tipos de fundiciones: blanca, gris y atruchada.

- Procedimientos de obtención del hierro y de sus derivados

El proceso de obtención del hierro se lleva a cabo en las industrias siderúrgicas; allí se somete a un proceso de reducción de óxido de hierro del que se obtendrá el hierro puro.

- Clasificación de las fundiciones y definición de sus principales aplicaciones

Las aplicaciones más comunes de la fundición blanca son:

• Levas
• Rodillos de laminación
• Arados
• Cambio de aguja en vías de ferrocarril

Las aplicaciones más comunes de la fundición gris son:

• Culatas
• Pistones
• Estufas
• Hogares

- Identificación de las aplicaciones de los metales férricos en función de sus propiedades

Las aplicaciones más significativas a las que se destinan los materiales ferrosos son: la construcción de puentes, estructuras de edificios, barcos, trenes, coches, utensilios domésticos (ollas, grifos, cucharas, etc.). Estas aplicaciones son tan comunes porque aprovechan la resistencia, la flexibilidad, la dureza, la maleabilidad, la ductilidad y la resistencia a la oxidación (en el caso de los utensilios de acero inoxidable) de los materiales férricos.

- Conocimiento del impacto ambiental del uso de algunos metales férricos

El empleo de productos ferrosos acarrea grandes impactos sobre el medio ambiente, que se pueden dividir en tres momentos:

• A la hora de obtener la materia prima

• Durante la transformación del mineral en producto comercial

• Al desechar o reciclar un producto ferroso usado

- Conocimiento de los procesos de obtención de los metales férricos.

Los procesos de obtención de la materia  prima en la naturaleza son, como ya hemos dicho antes, dos: mediante minas subterráneas y mediante minas a cielo abierto.

Las minas a cielo abierto generan un enorme impacto ambiental, hasta el punto de que genera el 75% de todos los residuos industriales de España.

El proceso de obtención de la materia elaborada se realiza mediante la siderurgia.

Ensayos de los materiales

3. ENSAYOS DE MATERIALES

Se distinguen los siguientes tipos de ensayos:

• Ensayo de tracción:

Mide la resistencia de un material a una fuerza estática o una fuerza aplicada lentamente. El ensayo consiste en someter una probeta o una barra a un esfuerzo de tracción que estira el material hasta que se rompe. Los resultados muestran la relación entre la tensión que se aplica y la deformación que sufre la probeta.

• Ensayo de dureza:

El método consiste en aplicar una fuerza con un penetrador (material que se clava o que raya) y medir la huella que queda. Según la forma del penetrador y la forma de aplicar la fuerza tenemos varios ensayos de dureza, entre los que destacan tres:

• Método Brinell:

Mide la dureza de un material mediante el método de indentación, midiendo la penetración de un objeto en el material a estudiar. El objeto penetrador es una bola de acero.

• Método Vickers:

Mide la huella que ocasiona una punta de diamante de masa variable que actúa de penetrador.

• Método Rockwell:

Este ensayo no analiza la superficie de la huella sino su profundidad. Usa los mismos penetradores que los métodos anteriores.

También se usan el método Martens para los materiales metálicos y la nanoindentación.

                                                           Ensayo de dureza Brinell

• Ensayo de compresión:

Es un ensayo técnico para determinar la resistencia de un material o su deformación ante un esfuerzo de compresión.

Se realiza preparando probetas normalizadas que se someten a compresión en una máquina universal.

• Ensayo de torsión:

Estudia la capacidad elástica del material. El ensayo de torsión consiste en aplicar un par torsor a una probeta por medio de un dispositivo de carga y medir el ángulo de torsión resultante en el extremo de la probeta.

• Ensayo de flexión:

Es un método para medir la ductilidad de ciertos materiales. Analiza el comportamiento de los materiales metálicos al ser sometidos a un esfuerzo de flexión pura.

• Ensayo de fatiga:

Un ensayo de fatiga es aquel en el que la pieza está sometida a esfuerzos variables en magnitud y sentido, que se repiten con cierta frecuencia.

• Ensayo de resilencia:

Estudia el trabajo necesario para deformar un material.

El ensayo más común es el Charpy en el que una probeta de sección cuadrada es sometida a la acción de una carga de ruptura por media de un martillo que se desplaza en una trayectoria circular.

            

Propiedades de los materiales

 2.  PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

PROPIEDADES FÍSICAS

1.1. Mecánicas:

• Elasticidad:

La elasticidad es la propiedad mecánica que caracteriza a los materiales sólidos que sufren una deformación reversible que se produce cuando actúan sobre el material fuerzas exteriores. Si se eliminan estas fuerzas el material recupera su forma original.

• Plasticidad:

La plasticidad es la propiedad mecánica que poseen los cuerpos anelásticos capacitados para deformarse de forma permanente e irreversible cuando se les aplican tensiones mayores a su límite elástico.

• Maleabilidad:

La maleabilidad es la propiedad que permite la obtención de delgadas láminas o planchas a partir de material duro. También es consecuencia de una deformación del material.

• Ductilidad:

La ductilidad es la capacidad para deformarse y formar hilos y cables que podemos encontrar en ciertos materiales.

• Dureza:

La dureza es la oposición de los materiales a dejarse rayar, cortar, penetrar, deformarse permanentemente, etc. La dureza de los materiales se suele medir mediante la escala de Mohs.

• Resistencia mecánica:

La resistencia mecánica es la capacidad que poseen algunos materiales para soportar diferentes fuerzas que se aplican sobre él. La resistencia variará en función de la geometría del material.

• Tenacidad:

Es similar a la resistencia mecánica. Por la tanto es la resistencia de los materiales al corte, doblaje, rotura, desgarre, etc.

• Fragilidad:

La fragilidad es la capacidad que poseen los materiales que pierden su estado original con bastante facilidad. Generalmente, y al contrario que los materiales dúctiles, los materiales frágiles se fracturan tras sufrir escasas deformaciones.

• Porosidad:

La porosidad es la propiedad que permite que los materiales absorban líquidos o gases en función del espacio vacío o huecos que haya en estos materiales.

• Permeabilidad:

La permeabilidad es la capacidad que tiene un material de permitirle a un flujo que lo atraviese sin alterar su estructura interna. Es preciso que un material sea poroso para que sea también permeable.

1.2. Eléctricas:

• Conductividad eléctrica:

La conductividad eléctrica es la capacidad de los materiales para permitir la libre circulación de la corriente eléctrica a través de ellos.

1.3. Térmicas:

• Conductividad térmica:

La conductividad térmica es la propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor.

• Fusibilidad:

Fusibilidad es la facilidad con que un material puede derretirse o fundirse. Es la propiedad que permite obtener piezas fundidas o coladas.

• Soldabilidad:

La soldabilidad es la capacidad que tienen los materiales, de la misma o diferente naturaleza, para ser unidos de manera permanente mediante procesos de soldadura.

• Dilatación:

Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio.

                                              

1.4. Magnéticas:

• Magnetismo:

El magnetismo es un fenómeno físico por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales.

1.5. Ópticas:

• Opacos:

Se oponen totalmente al paso de la luz.

• Transparentes:

Se oponen parcialmente al paso de la luz.

• Translúcidos:

Permiten el paso de la luz a través de ellos.

PROPIEDADES QUÍMICAS

• Oxidación:

Es la propiedad por la cual los materiales (metálicos) pierden electrones al combinarse con el oxígeno y que cambia su composición química.

PROPIEDADES TECNOLÓGICAS

Son las propiedades que nos indican la disposición para trabajar con o sobre un material y aquellas que se relacionan con su proceso de transformación. Son muy similares a las propiedades mecánicas.

PROPIEDADES SENSORIALES

• Conductividad acústica:

Se llama conductividad acústica a la capacidad de un material para transmitir el sonido.

PROPIEDADES ECOLÓGICAS

• Reciclables
• Tóxicos:

Es la propiedad que caracteriza a los materiales que están compuestos por elementos tóxicos.

• Biodegradables:

Es la propiedad que poseen los materiales que tienen facilidad para descomponerse en los elementos químicos que lo forman.