Materiales (clasificacion)

INDICE

3.1 Metales y Aleaciones

 Aleaciones de Aluminio

 Cobre y Zinc

3.2 Polímeros

 Algodón/Lana/Seda/Hule/Caucho

 Poliestireno

 Polibutadieno

3.3 Cerámicos

 Zirconia

 Sílice y Cuarzo

3.4 Materiales Compuestos

 Polímeros con fibras de carbono

 Hormigón o Concreto

3.5 Materiales Semiconductores

 Germanio

 Silicio

3.1 Metales y Aleaciones

Aleaciones de Aluminio

A pesar de que el aluminio puro es un material poco usado se da la paradoja de que las aleaciones de este material son ampliamente usadas en una grandísima variedad de aplicaciones tanto a nivel industrial como a otros niveles. Por ello pasamos a ver su clasificación, estados y designaciones más comunes:

Clasificación por su proceso

• Aluminios forjados

• Aluminios fundidos

Clasificación por su estado

F: Estado bruto. Es el material tal como sale del proceso de fabricación.

O: Recocido. Se aplica a materiales ya sea de forja como de fundición que han sufrido un recocido completo.

O1: Recocido a elevada temperatura y enfriamiento lento.

O2: Sometido a tratamiento termomecánico.

O3: Homogeneizado. Esta designación se aplica a los alambrones y a las bandas de colada continúa, que son sometidos a un tratamiento de difusión a alta temperatura.

W: Solución tratada térmicamente. Se aplica a materiales que después de recibir un tratamiento térmico quedan con una estructura inestable y sufren envejecimiento natural.

H: Estado de Acritud. Viene con materiales a los que se ha realizado un endurecimiento por deformación.

H1. Endurecido por deformación hasta obtener el nivel deseado y sin tratamiento posterior.

H2. Endurecido en exceso por deformación y recocido parcial par recuperar suavidad sin perder ductilidad.

H3. Acritud y estabilizado.

H4. Acritud y lacado o pintado. Son aleaciones endurecidas en frio y que pueden sufrir un cierto recocido en el tratamiento de curado de la capa de pintura o laca dada. 7En ésta clasificación se usa un segundo dígito (en ocasiones es necesario un tercer dígito) que indica el grado de endurecimiento por deformación.

T: Denomina a materiales que has sido endurecidos por tratamiento térmico con o sin endurecimiento por deformación posterior. Las designaciones de W y T solo se aplican a aleaciones de aluminio ya de forja o de fundición que sea termotratables.

T1: Enfriado desde un proceso de fabricación realizado a una elevada temperatura y envejecido de forma natural.

T2: Enfriado desde un proceso de fabricación realizado a una alta temperatura, trabajado en frío y envejecido de forma natural.

T3: Solución tratada térmicamente, trabajada en frío y envejecida a También hasta alcanzar una condición estable.

T4: Solución tratada térmicamente y envejecida a También hasta alcanzar una condición estable. Es un tratamiento similar a T3 pero sin el trabajo en frío.

T5: Enfriado desde un proceso de fabricación a alta temperatura y envejecida artificialmente.

T6: Solución tratada térmicamente y envejecida artificialmente. Son designados de esta forma los productos que después de un proceso de conformado a alta temperatura (moldeo o extrusión) no son endurecidos en frío sino que sufren un envejecimiento artificial.

T7: Solución tratada térmicamente y sobre envejecida para su completa estabilización.

T8: Térmicamente tratada por disolución, trabajada en frío y envejecida artificialmente.

T9: Solución tratada térmicamente, envejecida artificialmente y trabajada en frío.

T10: Enfriado desde un proceso de fabricación realizado a una elevada temperatura, trabajado en frío y envejecido artificialmente hasta una condición sustancialmente estable.

Existen variantes del estado T, a estas variantes se les añaden a la T dos dígitos. Estos dos dígitos son específicos para cada producto y se usan para estado de alivio de tensiones en productos fabricados mediante el proceso de forja.

Series de aluminios según sus aleantes

Las aleaciones de aluminio (tanto las forjadas como las moldeadas) se clasifican en función del elemento aleante usado (al menos el que esté en mayor proporción). Los elementos aleantes más usados son:

Serie 2xxx. En estas aleaciones el principal elemento aleante es el Cu, pero a veces también se le añade Mg. Las características de esta serie son: buena relación dureza-peso y mala resistencia a la corrosión. En lo referente a la primera característica decir que algunas de las aleaciones de esta serie tienen que ser sometidas a TT de solubilidad y a veces de envejecimiento para mejorar sus propiedades mecánicas. Una vez hecho esto la serie 2xxx tiene unas propiedades mecánicas que son del orden y, a veces superiores, que las de los aceros bajos en carbono. El efecto de los TT es el aumento de la dureza con una bajada de la elongación. En lo referente a la segunda característica estas aleaciones generalmente son galvanizadas con aluminio de alta pureza o con aleaciones de la serie 6xxx para protegerlas de la corrosión y que no se produzca corrosión intergranular. Los usos más frecuentes que se le dan a estos aluminios son (generalmente son usados en lugares donde sea necesario una alta relación dureza-peso) en las ruedas de los camiones y de los aviones, en la suspensión de los camiones, en el fuselage de los aviones, en estructuras que requieran buena dureza a temperaturas superiores a 150 ºC. Para finalizar decir que salvo la aleación 2219 estas aleaciones tienen una mala soldabilidad pero una maquinabilidad muy buena.

Serie 3xxx. En estas aleaciones el principal elemento aleante es el Mn. Estas aleaciones tan solo tienen un 20% más de dureza que el aluminio puro. Eso es porque el Mn solo puede añadirse de forma efectivan en solo un 1.5%. Por ello hay muy pocas aleaciones de esta serie. Sin embargo los aluminios 3003, 3×04 y 3105 son muy usados para fabricar utensilios que necesiten dureza media y que sea necesario buena trabajabilidad para fabricarlos como son botellas para bebidas, utensilios de cocina, intercambiadores de calor, mobiliario, señales de tráfico, tejados y otras aplicaciones arquitectónicas.

Serie 4xxx. En esta serie el principal elemento aleante es el Si que suele añadirse en cantidades medianamente elevadas (por encima del 12%) para conseguir una bajada del rango de fusión de la aleación. El objetivo es conseguir una aleación que funda a una temperatura más baja que el resto de aleaciones de aluminio para usarlo como elemento de soldadura. Estas aleaciones en principio no son tratables térmicamente pero si son usadas en soldadura para soldar otra aleaciones que son tratables térmicamente parte de los elementos aleantes de las aleaciones tratables térmicamente pasan a la serie 4xxx y convierten una parte de la aleación en tratable térmicamente. Las aleaciones con un elevado nivel de Si tienen un rango de colores que van desde el gris oscuro al color carbón y por ello están siendo demandadas en aplicaciones arquitectónicas. La 4032 tiene un bajo coeficiente de expansión térmica y una alta resistencia al desgaste lo que la hace bien situada para su uso en la fabricación de pistones de motores.

Serie 5xxx. Esta serie usa como principal elemento aleante el Mg y a veces también se añaden pequeñas cantidades de Mn cuyo objetivo es el de endurecer el aluminio. El Mg es un elemento que endurece más el aluminio que el Mn (un 0.8 de Mg produce el mismo efecto que un 1.25 de Mn) y además se puede añadir más cantidad de Mg que de Mn. Las principales características de estas aleaciones son una media a alta dureza por endurecimiento por deformación, buena soldabilidad, buena resistencia a la corrosión en ambiento marino y una baja capacidad de trabajo en frío. Estas características hacen que estas aleaciones se usen para adornos decorativos, ornamentales y arquitectónicos, en el hogar, iluminación de las calles y carreteras, botes, barcos y tanques criogénicos, partes de puentes grúa y estructuras de automóviles.

Serie 6xxx. En estas aleaciones se usan como elementos aleantes el Mg y el Si en proporciones adecuadas para que se forme el Mg2Si. Esto hace que esta aleación sea tratable térmicamente. Estas aleaciones son menos resistentes que el resto de aleaciones, a cambio tiene también formalidad, soldabilidad, maquinabilidad y resistencia a la corrosión. Estas aleaciones pueden moderarse por un TT T4 y endurecido por una serie de acciones que completen el TT T6. Su uso suele ser el de aplicaciones arquitectónicas, cuadros de bicicletas, pasamanos de los puentes, equipo de transporte y estructuras soldadas.

Serie 7xxx. El Zn añadido en proporciones que van desde el 1 al 8 % es el elemento aleante en mayor proporción en estas aleaciones. A veces se añaden pequeñas cantidades de Mg para hacer la aleación tratable térmicamente. También es normal añadir otros elementos aleantes como Cu o Cr en pequeñas cantidades. Debido a que la principal propiedad de estas aleaciones es su alta dureza se suele usar en las estructuras de los aviones, equipos móviles y otras partes altamente forzadas. Debido a que esta serie muestra una muy baja resistencia a la corrosión bajo tensión se le suele aplicar levemente un TT para conseguir una mejor mezcla de propiedades.

Cobre y Zinc

COBRE

PROPIEDADES Y USOS.

Tienen excelentes propiedades mecánicas y es el segundo mejor conductor después de la plata a la que aventaja por su bajo precio. Tiene buena resistencia a la corrosión y extraordinaria ductilidad lo que permite transformarlo en alambres de hasta 0,025mm.

Se utiliza en cables y líneas de alta tensión, en el cableado eléctrico, en interiores, enchufes y maquinaria eléctrica en general, generadores, motores, reguladores, equipos de señalización, aparatos electromagnéticos y sistemas de comunicaciones.

Es también el mejor conductor del calor lo que explica su uso en situaciones en las que se desee calentar o enfriar rápidamente como refrigerantes, intercambiadores de calor, pailas, utensilios de cocina, etc.

No tiene propiedades magnéticas lo que permite su uso en construcción eléctrica, electrónica, armamentos, relojería, etc.

Al ser un metal resistente a las condiciones ambientales se utiliza en techo grandes estructurales, cúpulas.

METODOS DE OBTENCION:

Sus métodos de obtención se agrupan en dos grupos: por vía seca, que consiste en una serie de oxidaciones, fusiones y reducciones de minerales, con el fin de aumentar su contenido en cobre y obtener un metal casi puro; y por vía húmeda, en el que se tuestan primero los minerales con el sulfato de hierro o pirita, transformándose el cobre en sulfato, y posteriormente que el metal libre por reducción de esa sal con chatarra de hierro.

PRINCIPALES ALEACIONES UTILIZADAS EN LA INDUSTRIA:

Aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción de entre 3 y 20%.

ZINC

PROPIEDADES

El cinc puro es un metal cristalino, insoluble en agua caliente y fría, y soluble en alcohol, en los ácidos y en los álcalis. Es extremadamente frágil a temperaturas ordinarias, pero se vuelve maleable entre los 120 y los 150 °C, y se lamina fácilmente al pasarlo entre rodillos calientes. No es atacado por el aire seco, pero en aire húmedo se oxida, cubriéndose con una película carbonada que lo protege de una posterior corrosión. Tiene un punto de fusión de 420 °C, un punto de ebullición de 907 °C y una densidad relativa de 7,14. Su masa atómica es 65,38.

METODO DE OBTENCION

La producción del cinc comienza con la extracción del mineral, que puede realizarse tanto a cielo abierto como en yacimientos subterráneos. Los minerales extraídos se trituran con posterioridad y se someten a un proceso de flotación para obtener el concentrado.

Los minerales con altos contenidos de hierro se tratan por vía seca: primeramente se tuesta el concentrado para transformar el sulfuro en óxido, que recibe la denominación de calcina, y a continuación se reduce éste con carbono obteniendo el metal (el agente reductor es en la práctica el monóxido de carbono formado).

Otra forma más sencilla y económica de reducir el óxido de cinc es con Carbono. Se colocan los dos moles o porciones molares de óxido de cinc (ZnO), y un mol de Carbono (C), en un recipiente al vacío para evitar que el metal se incendie con el aire en el momento de purificarse, dando como resultado nuevamente óxido de cinc. En esta etapa, la reducción del óxido de cinc, se expresa de la siguiente manera:

Por vía húmeda primeramente se realiza el tueste obteniendo el óxido que se lixivia con ácido sulfúrico diluido; las lejías obtenidas se purifican separando las distintas fases presentes. El sulfato de cinc se somete posteriormente a electrólisis con ánodo de plomo y cátodo de aluminio sobre el cual se deposita el cinc formando placas de algunos milímetros de espesor que se retiran cada cierto tiempo. Los cátodos obtenidos se funden y se cuela el metal para su comercialización.

PRINCIPALES USOS Y APLICACIONES:

La principal aplicación del cinc —cerca del 50% del consumo anual— es el galvanizado del acero para protegerlo de la corrosión, protección efectiva incluso cuando se agrieta el recubrimiento ya que el cinc actúa como ánodo de sacrificio. Otros usos incluyen

• Baterías de Zn-AgO usadas en la industria aeroespacial para misiles y cápsulas espaciales por su óptimo rendimiento por unidad de peso y baterías cinc-aire para computadoras portátiles.

• Piezas de fundición inyectada en la industria de automoción.

• Metalurgia de metales preciosos y eliminación de la plata del plomo.

• Utilizado en fabricación de pinturas al óleo, para fabricar el color blanco de cinc, utilizado para crear transparencias en la pintura.

• Utilizado en la fabricación de latón, junto con cobre.

3.2 Polímeros

Algodón/Lana/Seda/Hule/Caucho

ALGODÓN

El algodón es una fibra vegetal natural de gran importancia económica como materia prima para la fabricación de tejidos y prendas de vestir.

La generalización de su uso se debe sobre todo a la facilidad con que la fibra se puede trenzar en hilos. La resistencia, la absorbencia y la facilidad con que se lava y se tiñe también contribuyen a que el algodón se preste a la elaboración de géneros textiles muy variados.

El algodón es un cultivo muy valorado porque solamente el 10% de su peso se pierde en su procesamiento y muy valorado dada la amplitud de aplicaciones que posee, como són la elaboración de fibras textiles, pólvora, aceite, etc... . Una vez que otros elementos como cera y proteína pura. Esta celulosa es ordenada de cierta manera que le da al algodón propiedades únicas de durabilidad, resistencia y absorción. Cada fibra está compuesta de 20 ó 30 capas de celulosa, enrolladas en una serie de resortes naturales. Cuando la cápsula de algodón (cápsula de las semillas) se abre las fibras se secan enredándose unas con otras, ideal para hacer hilo.

La composición del algodón es celulosa casi pura. Su color es blanco, amarillo pálido o ligeramente rojizo. Su fibra es más o menos sedosa, fuerte en mayor o menor grado y de longitud y grueso variables. Según sea su longitud, se clasifican en el comercio en algodones de fibra corta ylarga. Los primeros son de 20 a 39 mm. de largo. En cuanto al grueso, varía de 6 a 29 centésimas de milímetro por fibra. El algodón de fibra larga sirve para la fabricación de tejidos finos, muselinasy percales. El de fibra corta es más difícil de trabajar y propio para toda clase de tejidos más bastos, indianas, etc. La homogeneidad de éstas, su elasticidad, resistencia y color son las cualidades que más directamente influyen en la mayor o menor estimación del algodón.

La composición del algodón es celulosa casi pura. Su color es blanco, amarillo pálido o ligeramente rojizo. Su fibra es más o menos sedosa, fuerte en mayor o menor grado y de longitud y grueso variables. Según sea su longitud, se clasifican en el comercio en algodones de fibra corta y larga. Los primeros son de 20 a 39 mm. de largo. En cuanto al grueso, varía de 6 a 29 centésimas de milímetro por fibra. El algodón de fibra larga sirve para la fabricación de tejidos finos, muselinas y percales. El de fibra corta es más difícil de trabajar y propio para toda clase de tejidos más bastos, indianas, etc. La homogeneidad de éstas, su elasticidad, resistencia y color son las cualidades que más directamente influyen en la mayor o menor estimación del algodón.

El algodón ha sido utilizado desde hace mucho tiempo para hacer ropa ligera en regiones de climas tropicales. Algunas personas afirman que los egipcios utilizaron algodón desde el año 12000 a. C., y que se han encontrado evidencia de algodón en cavernas mexicanas con edades de hasta 7000 años. Pero la referencia escrita más vieja proviene de la India.

Aunque es la fibra más común en la actualidad, fue la última fibra natural en alcanzar importancia comercial. En el siglo V a.c. ya se usaba en Grecia proveniente de la India.

Aunque los antiguos griegos romanos la utilizaban para toldos, velas y prendas de vestir, en Europa no se extendió su uso hasta varios siglos después.

El algodón fue cultivado desde hace miles de años en el Perú pre incaico y destacan los famosos textiles de laCultura Paracas tan valorados en diversos museos del mundo. Una pieza de textil Paracas de grandes dimensiones se encuentra exhibida en la planta de ingreso del edificio de las Naciones Unidas en Nueva York. La COPROBA, organismo del gobierno del Perú, ha declarado el algodón peruano uno de losproductos bandera del Perú el 28 de julio de 2004.

El algodón ha sido plantado en la India durante más de tres mil años, y es referenciado en el "Rigveda", escrito en 1500 a. C. Mil años después el gran historiador Griego Heródoto escribió sobre el algodón hindú: "Allá hay árboles que crecen silvestres, de los cuales el fruto es una lana mejor y más bella que el de una oveja. Los Hindúes hacen su ropa de la lana de este árbol." La industria algodonera hindú fue eclipsada durante la revolución industrialInglesa, cuando la invención del "Spinning Jenny" en 1764 y el marco giratorio en 1769 permitieron la producción masiva en el Reino Unido. La capacidad de producción fue mejorada por la invención del "cotton gin" por Eli Whitney en 1793.

Hoy en día el algodón se produce en muchas partes del mundo, incluyendo Europa, Asia, África, América yAustralia utilizando plantas de algodón que han sido genéticamente modificadas para obtener más fibra. El algodón genéticamente modificado fue un desastre comercial en Australia. Los dividendos fueron mucho menores de lo esperado y las plantas de algodón convencional se polinizaron con variedades transgénicas causando problemas legales para los cultivadores.

La industria algodonera utiliza una gran cantidad de químicos (fertilizantes, insecticidas, etc.), contaminando el medio ambiente. Debido a esto algunos agricultores están optando por el modelo de producción orgánico.

El 50% del algodón que utiliza el mundo proviene solo de tres países: EEUU, China y la India.

Desmote del algodón

El desmote moderno del algodón es un proceso continuo que comienza con la recepción del algodón crudo, y termina con el embalaje de las fibras del algodón procesado. El desmote del algodón produce grandes cantidades de desperdicios sólidos en la forma de semillas (que pueden servir como alimento para animales) y los desperdicios del desmotador, emite contaminantes como polvo de algodón y pelusa. Con el fin de reducir la incidencia del gusano rosado del algodón en los desperdicios, en ciertos países, se regula estrictamente el movimiento y eliminación de la semilla de algodón y la basura. Donde permitan los reglamentos, se envía la semilla a los molinos que extraen el aceite. Se puede eliminar la basura producida por el desmotador, convirtiéndola en abono, o sujetándola a fumigación, esterilización o incineración. En algunos países se quema la basura al aire libre, causando molestias, contaminación atmosférica y problemas de olor.

El problema principal para la salud que surge del desmote se relaciona con el polvo. La exposición a niveles excesivos de polvo de algodón causa bisionosis, una enfermedad respiratoria grave. Además, el excesivo ruido puede ser un problema en esta industria.

LANA

La lana es una fibra natural utilizada en la industria textil que es obtenida de las ovejas. La esquila o trasquila (corte de la lana) generalmente se realizauna vez al año, en primavera o a comienzos del verano, aunque puede realizarse dos veces al año en las regiones con clima templado. Este proceso utiliza esquiladoras mecánicas que cortan la lana en una sola pieza, llamada vellón. Pequeñas cantidades de lana son obtenidas también de los corderos sacrificados para su consumo, la cual se clasifica como lana de segunda.

Generalmente una oveja produce anualmente de uno a tres kilogramos de lana fina o de dos a seis kilos de lana gruesa, según se trate de la raza. En

México, los borregos de la raza Merino producen entre 10 y 18 kg de lana. La oveja criolla, es decir, aquella que no tiene una raza definida (cruzas) apenas llega a los 2 kg de lana por esquila.

La lana en vellón, suele presentar impurezas (lana sucia) y está impregnada del sebo del animal, el cual varía entre un 15% y 75% de su peso total. De la maquinaria de lavado son recuperadas sales,que constituyen la suarda y la grasa de la lana. De las sales se obtiene la potasa, y purificando la grasa se extrae la lanolina, que constituye una materia prima de uso comercial y de gran valor para la preparación de cosméticos y productos de la industria farmacéutica.

Una vez que la lana está limpia, se desenreda y se procesa para obtener dos productos: lana cardada y lana peinada, que son dos procesos de hilado. La raza y las condiciones de vida de las ovejasdeterminan su calidad, la cual se define por la longitud, finura, regularidad en el grado de ensortijado, uniformidad, resistencia, alargamiento, elasticidad, flexibilidad, color, brillo y rendimiento.

Al generalizarse el uso del algodón en la industria textil, mucho del mercado de la lana fue desplazado, debido a que el algodón presenta menores costos de producción.

SEDA

La seda es una fibra de la que se compone el capullo que cubre al gusano de seda, valiosa por su uso en tejidos de alta calidad y otros productos textiles. Científicamente, el gusano de seda es de hecho una oruga y no un gusano. Aunque muchos insectos se envuelven en capullos de fibra. Sólo los de la mariposa de la seda de las moráceas,Bombyx mori, y los de otras pocas especies próximas se emplean en la industria de la seda.

La sericultura, o cría del gusano de seda, implica la incubación de los diminutos huevos de la mariposa de la seda hasta que se transforman en gusanos. Cuando salen del huevo se ponen bajo una capa de gasa. Durante seis semanas los gusanos comen, de modo casi continuo, hojas de morera finamente picadas.

Al final de este periodo, están listos para elaborar sus capullos y entonces se introducen ramas de árboles y arbustos en los criaderos. Los gusanos suben a las ramas y fabrican el capullo con un único hilo continuo, proceso que dura alrededor de ocho días. La cantidad de seda utilizable en cada capullo es pequeña, por lo que son necesarios alrededor de 5.500 gusanos para producir 1 kg de seda cruda.

Una vez recogidos los capullos enteros, el primer paso de la fabricación de la seda consiste en eliminar los insectos que hay en su interior. Así, pues, los capullos se hierven o se tratan en hornos, lo que mata a los insectos por efecto del calor. La fibra de seda se obtiene de los capullos mediante un delicado proceso llamado devanado o hiladura.

Se exponen al vapor de agua hirviendo para disolver la sustancia gomosa que fija el filamento. A continuación, se unen y enrollan los filamentos de entre cuatro y ocho capullos, y se combinan con una serie de filamentos similares para dar lugar a un hilo que se recoge en una bobina. Cuando se completa el devanado de cada capullo, se sustituye con otro. El hilo resultante, llamado seda cruda, normalmente está formado por 48 fibras individuales de seda. El hilo es continuo y, al contrario de lo que ocurre con los hilos de otras fibras naturales, como el algodón y la lana, está compuesto por fibras muy largas.

Los capullos dañados por la salida de la mariposa, necesaria para la reproducción de los gusanos; la parte exterior y áspera del capullo, que se elimina antes de la hiladura, y la parte interna del capullo, que queda tras el devanado de la seda cruda, se mezclan para producir una seda de baja calidad conEl siguiente paso en la elaboración de la seda es enrollar dos o más hilos de seda cruda para obtener un hilo suficientemente resistente como para confeccionar telas o hacer punto o ganchillo. Este procedimiento recibe el nombre de torcer.

Así, pueden producirse cuatro tipos diferentes de hilo de seda: organín o torzal de seda, crepé, hilo de trama y torcidos sencillos. La que se fabrica la hilaza.

HULE

DESCRIPCIÓN

El Hule es un polímero caracterizado por sus moléculas largas y filoformes, el cual se obtiene a partir de una secreción (látex natural) que mana del tronco de algunas especies vegetales (especialmente de la Hevea brasiliensis o árbol del hule). Es un árbol monoico que alcanza de 15 a 30 m de altura y de 20 a 60 cm de diámetro. La copa es esférica o piramidal. El tronco es recto y cilíndrico. La corteza es de color crema o marrón claro. Las ramitas terminales son de color verde.

CLIMA

El Hule Hevea se cultiva en las tierras bajas tropicales de 0 a 1,100 msnm. Una precipitación pluvial de 2,000 a 3,000 mm anuales, uniformemente distribuida, es considerada como ideal. La cantidad anual de días lluviosos debe ser de 100 a 150, puesto que es difícil operar la plantación por encima de este rango, a menos que se aumente la intensidad del sangrado para compensar la pérdida de la producción. La temperatura media anual óptima está en el rango de 25 a 30° C y a medida que ésta disminuye por efecto de mayor altitud del mar, el desarrollo es más lento sin afectar la producción.

SIEMBRA

El árbol requiere suelos profundos mínimo de 1 m de profundidad efectiva, fértiles y permeables para su mejor desarrollo. Estas condiciones físicas pueden ser naturales o proporcionadas artificialmente con drenaje, riego, control de la erosión, cultivos de cobertura y asociados. Además es necesario un programa de fertilización de aquellos suelos de fertilidad media a baja, puesto que estos árboles extraen gran cantidad de nutrientes durante su vida productiva que es de aproximadamente 30 años. El Hule Hevea puede desarrollarse en suelos que varían en su reacción química, desde muy ácida (PH 4) hasta ligeramente alcalina (PH 7.5) con una variación óptima del PH entre 4.5 y 6.

COSECHA

El caucho se obtiene del árbol por medio de un tratamiento sistemático de "sangrado", que consiste en hacer un corte en forma de ángulo a través de la corteza profundizando hasta el cambium. Una pequeña vasija que cuelga en el tronco del árbol para recoger el látex, jugo lechoso que fluye lentamente de la herida del árbol. El desarrollo genético sobre clones de Hevea ha acortado el plazo para cosecha de hule en 4 a 6 años, las primeras picas se pueden realizar y los ingresos por concepto de látex empiezan a entrar en esta etapa.

USOS

Industrial, se producen entre 40 y 50 mil artículos de hule, entre los que sobresalen las llantas, cámaras, bandas transportadoras, mangueras, empaques, soportes, globos, guantes, entre muchos otros. El hule es un producto especialmente útil por varias razones: retiene el aire, es repelente al agua, no conduce electricidad, tiene larga duración y es elástico.

SINÓNIMOS Árbol de Caucho, Árbol del Hule.

CAUCHO

El caucho es un polímero elástico, cis -1,4-polisopreno, polímero del isopreno o 2 metilbutadieno. C5H8 que surge como una emulsión lechosa (conocida como látex) en la savia de varias plantas, pero que también puede ser producido sintéticamente. La principal fuente comercial de látex son las euforbiáceas, del género Hevea, como Hevea brasiliensis. Otras plantas que contienen látex son el ficus euphorkingdom heartsbias y el diente de león común. Se obtiene caucho de otras especies como Urceola elastica de Asia y la Funtamia elastica de África occidental. También se obtiene a partir del latex de Castilla elástica, del Kalule patenium argentatum y de la Gutta-percha palaquium gutta. Hay que notar que algunas de estas especies como la gutta percha son isómeros trans que tienen la misma formulación química, es el mismo producto pero con isomeria diferente. Estas no han sido la fuente principal del caucho, aunque durante la Segunda Guerra Mundial, hubo tentativas para usar tales fuentes, antes de que el caucho natural fuera suplantado por el desarrollo del caucho sintético.

En la actualidad el Hevea se cultiva en grandes plantaciones, en algunos casos propiedad de grandes industrias del neumático, en las que se utilizan injertos de variedades genéticamente modificadas para optimizar la producción de latex. Las zonas de mayor producción son China, México,Vietnamy Brasil. Hubo grandes plantaciones de Heveas en África tropical, Guinea, Liberia y Congo, pero actualmente el predominio de la producción pertenece al Sudeste asiático.

Usos:

Actualmente se fabrican miles de artículos de caucho para usos muy diferentes. El caucho es ampliamente utilizado en la fabricación de neumáticos, llantas, artículos impermeables y aislantes, por sus excelentes propiedades de elasticidad y resistencia ante los ácidos y las sustancias alcalinas. Es repelente al agua, aislante de la temperatura y de la electricidad. Se disuelve con facilidad ante petrolatos, bencenos y algunos hidrocarburos.

El caucho natural suele vulcanizarse, proceso por el cual se calienta y se le añade azufre o selenio, con lo que se logra el enlazamiento de las cadenas de elastómeros, para mejorar su resistencia a las variaciones de temperatura y elasticidad. El proceso de vulcanización fue descubierto casualmente en 1839 por Charles Goodyear, quien mejoró enormemente la durabilidad y la utilidad del caucho. La vulcanización en frío, desarrollada en 1846 por Alexander Parkes, consiste en sumergir el caucho en una solución de monocloruro de azufre (Cl2S2). Actualmente más de la mitad del caucho usado hoy en día es sintético, pero aún se producen varios millones de toneladas de caucho natural anualmente.

Desde 1823 se utiliza el caucho como material para fabricar prendas de vestir, quizás sobre la base de que este tipo de ropa forma una "segunda piel". El caucho hipoalergénico puede producirse a partir de guayule. El caucho es una propuesta para el futuro como aislante en la industria motora. Con el comienzo del siglo XXI, en vistas de la creciente escasez mundial depetróleo, se comenzó a investigar en determinadas universidades de Brasil el potencial que podría tener este material como método de obtención de energía limpia, como por ejemplo, como refuerzo externo en determinados tipos de motores a propulsión de sifón

Caucho natural

En estado natural, el caucho aparece en forma de suspensión coloidal en el látex de plantas productoras de caucho. Una de estas plantas es el árbol de la especie Hevea Brasiliensis, de la familia de las Euforbiáceas, originario del Amazonas. Otra planta productora de caucho es el árbol del hule, Castilloa elastica, originario de México (de ahí el nombre de hule), muy utilizado desde la época prehispánica para la fabricación de pelotas, instrumento primordial del juego de pelota,deporte religioso y simbólico que practicaban los antiguos mayas. Indonesia, Malaysia, Tailandia,China y la India producen actualmente alrededor del 90% del caucho natural.-

El caucho en bruto obtenido de otras plantas suele estar contaminado por una mezcla de resinas que deben extraerse para que el caucho sea apto para elconsumo. Entre estos cauchos se encuentran la gutapercha y la balata, que se extraen de ciertos árboles tropicales.-

Recolección del látex

Para recoger el látex de las plantaciones, se practica un corte diagonal en ángulo hacia abajo en la corteza del árbol. El corte tiene una extensión de un tercio o de la mitad de la circunferencia del tronco. El látex exuda desde el corte y se recoge en un recipiente. La cantidad de látex que se extrae de cada corte suele ser de unos 30 ml. Después se arranca un trozo de corteza de la base del tronco para volver a tapar el corte, normalmente al día siguiente. Cuando los cortes llegan hasta el suelo, se deja que la corteza se renueve antes de practicar nuevos cortes. Se plantan unos 250 árboles por hectárea, y la cosecha anual de caucho bruto en seco suele ser de unos 450 kg por hectárea. En árboles de alto rendimiento la producción anual puede llegar a 2.225 kg por hectárea, y se ha conseguido desarrollar ejemplares experimentales que alcanzan los 3.335 kg por hectárea. El látex extraído se tamiza, se diluye en agua y se trata con ácido para que las partículas en suspensión del caucho en el látex se aglutinen. Se prensa con unos rodillos para darle forma de capas de caucho de un espesor de 0,6 cm, y se seca al aire o con humo para su distribución.-

Propiedades físicas y químicas

El caucho bruto en estado natural es un hidrocarburo blanco o incoloro.-

El compuesto de caucho más simple es el isopreno o 2-metilbutadieno, cuya fórmula química es C5H8. A la temperatura del aire líquido, alrededor de -195 ºC, el caucho puro es un sólido duro y transparente. De 0 a 10 ºC es frágil y opaco, y por encima de 20 ºC se vuelve blando, flexible y translúcido. Al amasarlo mecánicamente, o al calentarlo por encima de 50 ºC, el caucho adquiere una textura de plástico pegajoso. A temperaturas de 200 ºC o superiores se descompone.-

El caucho puro es insoluble en agua, álcali o ácidos débiles, y soluble en benceno, petróleo, hidrocarburos clorados y disulfuro de carbono. Con agentes oxidantes químicos se oxida rápidamente, pero con el oxígeno de la atmósfera lo hace lentamente.-

Origen histórico

Algunas propiedades y usos del caucho ya eran conocidas por los indígenas del continente americano mucho antes de que, en 1492, los viajes de Colón llevaran el caucho a Europa. Los indios peruanos lo llamaban cauchuc, 'impermeable', de ahí su nombre. Durante muchos años, los españoles intentaron imitar los productos resistentes al agua de los nativos (calzados, abrigos y capas) sin éxito. El caucho fue en Europa una mera curiosidad de museo durante los dos siglos posteriores.-

En 1731, el gobierno francés envió en una expedición geográfica a América del Sur, al geógrafo matemático Charles Marie de La Condamine. En el año 1736, hizo llegar a Francia varios rollos de caucho crudo junto con una descripción de los productos que fabricaban con ello las tribus del valle del Amazonas. Esto reavivó el interés científico por el caucho y sus propiedades. En 1770, el químico británico Joseph Priestley descubrió que frotando con caucho se borraban las marcas y trazos hechos con lápices, y de ahí surgió su nombre en inglés, rubber. La primera aplicación comercial del caucho la inició en 1791 el fabricante inglés Samuel Peal, que patentó un método para impermeabilizar tejidos, tratándolos con caucho disuelto en trementina. Charles Macintosh, químico e inventor británico, fundó en 1823 una fábrica en Glasgow para manufacturar tejidos impermeables y ropa para la lluvia, que lleva desde entonces su nombre.-

Plantaciones de caucho

Durante la mayor parte del siglo XIX, los árboles tropicales de América del Sur continuaron siendo la fuente principal de obtención del caucho. En 1876, el explorador británico Henry Wickham recolectó unas 70.000 semillas del H. brasiliensis y, a pesar del rígido embargo que había, logró sacarlas de contrabando fuera de Brasil. Consiguió germinarlas con éxito en los invernaderos de los Reales Jardines Botánicos de Londres y las empleó para establecer plantaciones en Ceilán, y posteriormente en otras regiones tropicales de Asia. Desde entonces se han creado plantaciones similares, en un área que se extiende unos 1.100 km a ambos lados del ecuador. Aproximadamente un 99% de las plantaciones de caucho están localizadas en el Sureste asiático. Intentos de introducir plantaciones en zonas tropicales de Occidente han fracasado a causa de la desaparición de árboles por una plaga en sus hojas.-

Desarrollo de los procesos de producción

En 1834, el químico alemán Friedrich Ludersdorf y el químico estadounidense Nathaniel Hayward descubrieron que si le añadían azufre a la goma de caucho, reducían y eliminaban la pegajosidad de los artículos de caucho. En 1839, el inventor estadounidense Charles Goodyear, basándose en las averiguaciones de los químicos anteriores, descubrió que cociendo caucho con azufre desaparecían las propiedades no deseables del caucho, en unproceso denominado vulcanización. El caucho vulcanizado tiene más fuerza, elasticidad y mayor resistencia a los cambios de temperatura que el no vulcanizado; además es impermeable a los gases y resistente a la abrasión, acción química, calor y electricidad. También posee un alto coeficiente de rozamiento en superficies secas y un bajo coeficiente de rozamiento en superficies mojadas por agua.-

Recuperación de desechos

Poco después de la invención de la llanta de neumático en 1877, el fabricante estadounidense Chapman Mitchel fundó una nueva rama de la industriaintroduciendo un proceso de recuperación del caucho de desecho con ácido, reciclándolo para usarlo en nuevos productos. Para ello empleó ácido sulfúrico que destruye los tejidos incorporados al caucho, y después, al calentarlo, consiguió que el caucho adquiriera la plasticidad suficiente para incorporarlo en lotes de caucho crudo. Alrededor de 1905, el químico estadounidense Arthur H. Marks inventó el proceso de recuperación alcalina y estableció el primer laboratorio de fábrica de caucho. Este método permitió la producción de grandes cantidades de caucho, de gran demanda, sin rebajar sustancialmente la calidad del producto acabado. Al año siguiente, el químico estadounidense George Oenslager, que trabajaba en el laboratorio de Marks investigando el uso de caucho de baja graduación en los procesos de manufacturación, descubrió los aceleradores orgánicos de la vulcanización, como la fenilamina y la tiocarbanilida. Estos aceleradores no sólo reducían en un 60-80% el tiempo necesario de calentamiento para la vulcanización, sino que además mejoraban la calidad del producto.-

Prolongación de la vida del caucho

El siguiente gran avance en la tecnología del caucho llegó una década más tarde con la invención del horno acelerador de la vida del caucho para medir su deterioro. Este horno conseguía duplicar en pocos días los resultados de años de uso corriente. Ello permitió a los técnicos medir rápidamente el deterioro causado por ciertas condiciones, en especial la exposición al oxígeno de la atmósfera.

Aditivos

En la mayoría de los casos, el caucho bruto se mezcla con numerosas sustancias que modifican sus características. Existen sustancias aditivas que estiran el caucho pero no lo endurecen materialmente, como el carbonato de calcio y la baritina o sulfato de bario. Otros aditivos reforzantes también se añaden para dar dureza al producto final, como el negro de humo, óxido de cinc, carbonato de magnesio y ciertas arcillas. Otras sustancias que se emplean son pigmentos, como el óxido de cinc, el litopón y muchos tintes orgánicos, y ablandadores, que se usan cuando el caucho es demasiado rígido para mezclarse con otras sustancias, como son ciertos derivados del petróleo (aceites y ceras), la brea de pino o los ácidos grasos.-

El principal agente vulcanizante sigue siendo el azufre. El selenio y el teluro también se emplean, pero generalmente con una elevada proporción de azufre. En la fase de calentamiento del proceso de vulcanización, se mezcla el azufre con el caucho a la vez que con el resto de aditivos. La proporción azufre-caucho varía entre un 1:40 para el caucho blando hasta un 1:1 en el caucho duro. La vulcanización en frío, que se utiliza para fabricar artículos de caucho blando como guantes y artículos de lencería, se lleva a cabo por exposición al vapor de cloruro de azufre (S2Cl2).

Poliestireno

PROPIEDADES:

Los polietilenos son termoplásticos muy versátiles que se han ganado un sinfín de usos en muchas áreas de aplicación, particularmente en películas y en el moldeado por inyección. Cada uso final requiere condiciones balanceadas entre las variables. Las más importantes de estas condiciones son la temperatura de fusión, la densidad, el peso molecular, la distribución de pesos moleculares y el grado de ramificación. Se requiere un equilibrio adecuado de aquellas variables de propiedad en la determinación de la mejor resina para una aplicación en particular. A fin de caracterizar una resina particular adecuadamente, deben conocerse al menos tres propiedades fundamentales. Éstas son la temperatura de fusión, la densidad y la distribución de pesos moleculares. No obstante, los efectos de la ramificación con cadenas largas son muy importantes para la comprensión de la naturaleza.

METODO DE OBTENCION:

El proceso más utilizado en la actualidad para el poliestireno se basa en la polimerización radical en masa. "Radical" significa que la reacción es iniciada por radicales libres, generados bien térmicamente bien mediante moléculas específicas denominadas iniciadores. "En masa" significa que el medio de reacción está formado esencialmente por estireno y poliestireno, añadiéndose a veces otro hidrocarburo inerte perfectamente miscible con el estireno, a menudo etilbenceno, que sirve para moderar la velocidad de reacción. Las líneas basadas en procesos en emulsión y en solución han quedado anticuadas hoy día, siendo reservadas a la producción de grados de especialidad.

USOS Y APLICACIONES:

Las ventajas principales del poliestireno son su facilidad de uso y su costo relativamente bajo. Sus principales desventajas son su baja resistencia a la alta temperatura (se deforma a menos de 100 °C, excepto en el caso del poliestireno sindiotáctico) y su resistencia mecánica modesta. Estas ventajas y desventajas determinan las aplicaciones de los distintos tipos de poliestireno.

El poliestireno choque se utiliza principalmente en la fabricación de objetos mediante moldeo por inyección. Algunos ejemplos: carcasas de televisores, impresoras, puertas e interiores de frigoríficos, maquinillas de afeitar desechables, juguetes. Según las aplicaciones se le pueden añadir aditivos como por ejemplo sustancias ignífugas o colorantes.

El poliestireno cristal se utiliza también en moldeo por inyección allí donde la transparencia y el bajo coste son importantes. Ejemplos: cajas de CD, perchas, cajas para huevos. Otra aplicación muy importante es en la producción de espumas rígidas, denominadas a veces "poliestireno extruido" o XPS, a no confundir con el poliestireno expandido EPS. Estas espumas XPS se utilizan por ejemplo para las bandejas de carne de los supermercados, así como en la construcción.

En Europa, la mayor aplicación del poliestireno es la elaboración de envases desechables de productos lácteos mediante extrusión-termoformado. En estos casos se suele utilizar una mezcla de choque y de cristal, en proporción variable según se desee privilegiar la resistencia mecánica o la transparencia. Un mercado de especial importancia es el de los envases de productos lácteos, que aprovechan una propiedad casi exclusiva del poliestireno: su secabilidad. Es esto lo que permite separar un yogur de otro con un simple movimiento de la mano.

La forma expandida (poliestireno expandido) se utiliza como aislante térmico y acústico y es ampliamente conocido bajo diversas marcas comerciales (Poliexpan, Telgopor, Emmedue, Icopor, etc.).

La forma extruida (poliestireno extruido) se emplea como aislamiento térmico en suelos, debido a su mayor resistencia mecánica, y también como alma en paneles sandwich de fachada. Pero su uso más específico es el de aislante térmico en cubiertas invertidas, donde el aislamiento térmico se coloca encima del impermeabilizante, protegiéndolo de las inclemencias del tiempo y alargando su vida útil.

Otras aplicaciones menores: indumentaria deportiva, por ejemplo, por tener la propiedad de flotar en agua, se usa en la fabricación de chalecos salvavidas y otros artículos para los deportes acuáticos; o por sus propiedades ligeras y amortiguadoras, se usa en la fabricación de cascos de ciclismo; también se utiliza como aglutinante en ciertos explosivos como el RDX y en el Napalm (por ejemplo en el MK77 ).

Polibutadieno

El polibutadieno es un elastómero o caucho sintético, el polibutadieno llamado "alto-cis" tiene una alta elasticidad y es muy apreciado. Con una producción anual de 2,1 millones de toneladas, el polibutadieno es el segundo caucho sintético en volumen, por detrás del caucho estireno-butadieno. Su principal aplicación es la fabricación de neumáticos, la cual consume alrededor del 70% de la producción. Otro 25% se utiliza como aditivo para mejorar la resistencia mecánica de plásticos como el poliestireno. También se emplea para fabricar pelotas de golf y objetos elásticos diversos.

El polibutadieno es el polímero más importante para el procesamiento del caucho sintético. Éste posee propiedades muy semejantes a las del caucho natural y se vende como sustituto de este último. Su importancia surge de la gran disponibilidad de butadieno, su fácil polimerización y copolimerización con otros monómeros y polímeros. Su principal inconveniente se presenta cuando el piso está mojado. Para eliminar este obstáculo, se suele mezclar con SBR o con caucho natural en cantidades variables según la aplicación. Así por ejemplo, las cubiertas de los automóviles de pasajeros se fabrican con una mezcla de butadieno con SBR, mientras que las de los camiones por lo general están constituidas por mezclas de polibutadieno con caucho natural.

El proceso para producir el polibutadieno es el siguiente:

* Purificación del butadieno y del disolvente: se eliminan ciertas impurezas porque desactivan el catalizador , esto se realiza mediante lechos de alumina.

*reacción: es se te introduce en uno o varios reactores , el disolvente reduce la viscosidad y aumenta la inercia térmica.

*coagulación: Se añade agua para detener la reacción y a continuación se evaporan el disolvente y el butadieno no reaccionado, quedando una pasta de polibutadieno y agua denominada slurry.

*secado: Se separa el agua del slurry, quedando copos de polibutadieno.

3.3 Cerámicos

Zirconia

El zirconio o zirconia (del árabe “zargun”, que significa “color dorado”), en estado puro existe en dos formas: la forma cristalina, un metal blando, blanco y dúctil; y la forma amorfa, un polvo negro-azulado.

Es uno de los elementos más abundantes, ocupa el lugar 18 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre, es muy reactivo químicamente y sólo se halla combinado. En la mayor parte de las reacciones se enlaza con oxígeno en preferencia sobre otros elementos, encontrándose en la corteza terrestre.

Propiedades físicas del zirconio.

El zirconio es un metal blanco grisáceo, brillante, muy resistente a la corrosión y es más ligero que el acero. Cuando está finamente dividido puede arder espontáneamente en contacto con el aire (reacciona antes con el nitrógeno que con el oxígeno), especialmente a altas temperaturas (aproximadamente a 500 °C). Es un metal resistente frente a ácidos, pero se puede disolver con ácido fluorhídrico. El zirconio se funde cerca de los 2715 ºC. Se estima que su punto de ebullición es a los 4377 ºC, pero ciertas observaciones sugieren que es cerca de los 8600 ºC.

Obtención

El zirconio no se encuentra en la naturaleza como metal libre, pero sí formando parte de numerosos minerales. La principal fuente de circonio se obtiene del mineral zircón, que se encuentra en depósitos en Australia, Brasil, India, Rusia y Estados Unidos. También se encuentra en otros minerales, como la baddeleyita.

Propiedades físicas del zircón tabla

Símbolo: zr

Punto de fusión: 2711 ºC.

Punto de ebullición: 4377 ºC.

Apariencia: blanco grisáceo

Densidad: 6511kg. m3

resistencia ala flexión: 1200 MPa

Sílice y Cuarzo

El cuarzo es un mineral compuesto de dióxido de silicio (SiO2) (también llamado sílice). No es susceptible de exfoliación, porque cristaliza en el sistema trigonal (romboédrico). Incoloro en estado puro, puede adoptar numerosas tonalidades si lleva impurezas (alocromático). Su dureza es tal que puede rayar los aceros comunes.

El cuarzo se forma primariamente durante la cristalización lenta de los magmas terminales muy ácidos, los que quedan de forma residual cuando durante el ascenso se van segregando en regiones profundas los silicatos ferromagnéticos, oscuros. Como resultado, el cuarzo es uno de los minerales que caracterizan la composición de las rocas magmáticas plutónicas que forman el zócalo o basamento de los continentes, especialmente el granito. El cuarzo es el último de los minerales en solidificarse durante la formación de estas rocas, así que su forma se adapta a la de los cristales prexistentes de los otros componentes, y sus caras no reflejan su estructura cristalina.

USOS Y APLICACIONES MÁS IMPORTANTES:

Es muy importante en la elaboración del "Cristal de Cuarzo", de grandes placas para la radiotecnia y en la fabricación del vidrio. El cuarzo macrocristalino se emplea en numerosos aparatos de óptica.

PROPIEDADES:

El cuarzo se conoce por sus propiedades piezoeléctricas: cuando se comprime se produce una separación de cargas eléctricas que genera a su vez una diferencia de tensión y, de manera recíproca, reacciona mecánicamente cuando se somete a un cierto voltaje. Este efecto lo convierte en un elemento de gran utilidad para gran variedad de transductores, desde encendedores o mecheros hasta micrófonos. La reciprocidad de este fenómeno permite usarlo para construir altavoces para frecuencias sonoras altas, es decir, si aplicamos un campo eléctrico variable, mediante una corriente eléctrica alterna sobre las caras opuestas de un cristal de cuarzo, éste vibra con la misma frecuencia de la corriente.

METODOS DE OBTENCION:

Se obtiene en el horno eléctrico, por fusión de cristales de cuarzo hialino de primera calidad. La materia prima se lava y se tritura, escogiendo cuidadosamente las porciones que serán tratadas. Para conseguir el de máxima calidad hay que distinguir dos fases. Los cristales de cuarzo se cargan tan apretados como se posible en un crisol de grafito o de carbono, de modo tal que, al quebrarse los cristales, por efecto del calor, no puedan separarse sus fragmentos, evitando la entrada de pequeñas cantidades de gas que originarían burbujas y fallas en los cuencos.

3.4 Materiales Compuestos

Polímeros con fibras de carbono

La FC está compuesta por muchos hilos de carbono en forma de hebra. Existen muchas clases de FC con propiedades diversas, adaptadas a muchas aplicaciones.

Para hacernos una idea, basta comparar la FC con el acero:

Característica FC Acero

Mód. de resistencia a la tracción 3,5 1,3

Resistencia específica 2,0 0,17

Densidad 1,75 7,9

Su resistencia es casi 3 veces superior a la del acero, y su densidad es 4,5 veces menor.

En cuanto a módulo de elasticidad hay una amplia gama de FC desde 240 hasta 400.

Otras propiedades muy apreciables en la fibra de carbono son la resistencia a la corrosión, al fuego e inercia química y la conductividad eléctrica. Ante variaciones de temperatura conserva su forma.

Es un caso común de metonimia, en el cual se le da al todo el nombre de una parte: el nombre de las FC que refuerzan la matriz de resina.

La fibra de carbono es un polímero convertido en fibra. En la mayoría de los casos, las FC permanecen como carbón no grafítico. El término fibra de grafito solo está justificado, cuando las FC han sido sometidas a un tratamiento térmico de grafitización (2000-3000 ºC),que les confiere un orden cristalino tridimensional, observable mediante rayos X.

La cristalografía de rayos X nos permite conocer la estructura exacta de cada tipo de FC. Nos resulta extraño, pero nos recuerda mucho al grafito: una estructura hexagonal. El grafito, la mina de lápiz, es todo lo contrario: blando y frágil. Es un alótropo del carbono.

A nivel atómico no podemos comprender las diferencias entre la fibra de carbono y el grafito, pero la estructura es diferente: observamos muchos cambios en la superposición de las fibras y las cintas en la FC y en el grafito.

El grafito tiene una estructura plana triangula con enlaces triples y queda un electrón libre. Este electrón libre explica que el grafito es una de las pocas estructuras no metálicas que conducen la electricidad. La fibra de carbono también es conductora.

La fibra de grafito cristaliza en el sistema hexagonal, el panal de abeja. La mayoría de las fibras no son de grafito sino de carbono, obtenidas a menor temperatura.

La FC se clasifica por el número de filamentos, en miles, de que consta la hebra. Una FC 3k (3000 filamentos)es 3 veces más resistente que una de solo 1k, pero también pesa 3 veces más.

PROPIEDADES

La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, consistente en láminas de átomos de carbono ordenados en un patrón regular hexagonal. La diferencia está en la manera en que esas hojas se entrecruzan. El grafito es un material cristalino en donde las hojas se sitúan paralelamente unas a otras de manera regular. Las uniones químicas entre las hojas es relativamente débil, lo que proporciona al grafito su blandura y brillo característicos. La fibra de carbono es un material amorfo: las láminas de átomos de carbono se colocan al azar, apretadas o juntas. Esta integración de las láminas de carbono es responsable de su alta resistencia.

La densidad de la fibra de carbono es de 1.750 kg/m3. Es conductor eléctrico y de baja conductividad térmica. Al calentarse, un filamento de carbono se hace más grueso y corto.

Su densidad lineal (masa por unidad de longitud, con la unidad * 1 tex = 1 g/1000 m) o por el número de filamentos por yarda, en miles.

Una fibra de carbono es una hebra larga y delgada de material sobre 0.0002-0.0004 en (0.005-0.010 mm) de diámetro y compuesto principalmente de átomos de carbono. Los átomos de carbono están unidos entre sí en cristales microscópicos que son paralelas más o menos alineado con el eje largo de la fibra. La alineación de cristal hace que la fibra increíblemente fuerte para su tamaño. Varios miles de fibras de carbono están trenzados juntos para formar un hilo, que puede ser utilizado por sí mismo o tejidos en una tela. El hilo o tejido se combina con epoxi y herida o moldeada en forma para formar varios materiales compuestos.

Carbonización

Para conseguir una fibra de alta resistencia se recurre al tratamiento térmico de carbonización: el PAN se calienta a 2500-2000 ºC en atmósfera sin oxígeno, se alinean las cadenas del polímero hasta formar hojas de grafeno, cintas delgadísimas, bidimensionales, y se logra una resistencia a la tracción de 5.650 N/mm2.

La naturaleza nos da lecciones en el uso de materiales compuestos.

Grafitización

Si calentamos el PAN a 2500-3000 ºC conseguimos la resistencia máxima de la FC: 531 000 N/mm2.

Ahora es el momento de tejer la fibra, para formar láminas y tubos, que serán luego impregnados en una resina epoxi en un molde. Una vez la resina curada, endurecida, hay que darle forma mecánicamente, para conseguir el producto acabado, por ejemplo: la pala de una hélice. Hay varios tipos de fibras, a partir de las temperaturas de tratamiento:

La fibra de alto módulo

Es la más rígida y requiere una temperatura mayor de tratamiento. Su módulo de elasticidad supera los 300 y aun los 500 GPa. Mejor todavía, el monocristal de “grafito” tiene un módulo de 1050 GPa. El módulo de elasticidad 390 GPa es 70 veces superior al de las aleaciones de aluminio.

La fibra de alta resistencia a la tracción

Se carboniza a la temperatura que da mayor resistencia a tracción, con valores superiores a 300 GPa.

La fibra estándar

Es la más económica y de estructura isótropa. La rigidez es menor que en las anteriores; la temperatura de tratamiento es más baja. Se comercializa como fibras cortas.

La fibra de carbono activada

Tiene una velocidad de adsorción 100 veces superior a la de los carbones clásicos activados. Se obtiene mediante carbonización y activación física y química de distintos precursores: breas, rayón, poli acetatos, etc. Presenta una gran superficie específica y tamaño de poros muy uniforme. La fibra se presenta en forma de fieltros o telas.

FC crecida en fase de vapor

Esta fibra se obtiene mediante un proceso catalítico de depósito superficial químico en fase de vapor (en inglés: VGCF vapour ground carbon fibres). Por su variedad de tamaños son un puente entre la FC convencional y la nano fibra.

El proceso para la fabricación de fibras de carbono es parte químico y parte mecánica. El precursor se introduce en largas hebras o fibras y luego se calienta a una temperatura muy alta con Salida permitiendo que entre en contacto con el oxígeno. Sin oxígeno, la fibra no se puede quemar. En su lugar, la alta temperatura hace que los átomos en la fibra a vibrar violentamente hasta que la mayoría de los átomos que no son carbono son expulsados. Este proceso se llama carbonización y deja una fibra compuesta de largo, fuertemente

Las fibras están cubiertas para protegerlas de daños durante el bobinado o del tejido. Las fibras recubiertas se enrolla en cilindros llamados bobinas.

Inter-bloqueados cadenas de átomos de carbono con sólo unos pocos átomos de carbono no restantes.

USOS Y APLICACIONES IMPORTANTES

De fibra de carbono reforzada con materiales compuestos se utilizan para hacer piezas de aviones y naves espaciales, las carreras de carrocerías, club de golf ejes, cuadros de bicicletas, cañas de pescar, resortes automotrices, mástiles de barco de vela, y muchos otros componentes donde el peso ligero y de alta resistencia son necesarios.

Las fibras de carbono se desarrollaron en la década de 1950 como un refuerzo para alta temperatura de componentes moldeados de plástico en misiles. Las fibras se fabricaron por primera hebras de rayón de calefacción hasta que se carboniza. Este proceso resultó ser ineficaz, ya que las fibras resultantes contenían sólo un 20% de carbono y tenía una baja resistencia y propiedades de rigidez. En la década de 1960, se desarrolló un proceso utilizando poliacrilonitrilo como materia prima. Esto produjo una fibra de carbono que contenía aproximadamente 55% de carbono y tenía propiedades mucho mejores. El proceso de conversión de poliacrilonitrilo se convirtió rápidamente en el principal método para la producción de fibras de carbono.

Durante la década de 1970, el trabajo experimental para encontrar materias primas alternativas conducido a la introducción de fibras de carbono realizadas a partir de una brea de petróleo derivadas de la transformación de petróleo. Estas fibras contenía aproximadamente 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la flexión. Desafortunadamente, sólo tenían resistencia a la compresión limitada y no fueron aceptadas ampliamente.

Hoy en día, las fibras de carbono son una parte importante de muchos productos, y nuevas aplicaciones se están desarrollando cada año. Los Estados Unidos, Japón y Europa Occidental son los principales productores de fibras de carbono.

Hormigón o Concreto

El hormigón presenta dos estados fundamentales desde el punto de vista práctico. El estado fresco o plástico en el que admite ser manipulado para su adaptación a los encofrados previstos y el estado endurecido en el que ha adquirido una rigidez tal que impide su manipulación sin producir fracturas visibles o no irreversibles. Estos estados son sinónimos de las fases de colocación en obra y de uso.

Propiedades del hormigón fresco:

El hormigón fresco es el producto inmediato del amasado de sus componentes. Desde el primer momento se están produciendo en su masa reacciones químicas que condicionan sus características finales como material endurecido. Reacciones que se prolongan sustancialmente hasta un años después de su amasado. El hormigón fresco es un masa heterogénea de fases sólidas, líquidas y gaseosas que se distribuyen en igual proporción si está bien amasado.

Consistencia: Es la capacidad del hormigón fresco de deformarse. Principalmente se mide mediante el descenso en centímetros en el ensayo del cono de Abrams.

Docilidad: Es sinónimo de trabajabilidad del hormigón fresco. Es su capacidad de ser puesto en su lugar de destino con los medios de compactación de que se dispone. Principalmente se mide mediante el descenso en centímetros en el ensayo del cono de Abrams.

Homogeneidad: Es la cualidad de distribución por toda la masa de todos los componentes del hormigón en las mismas proporciones. A la cualidad de homogeneidad se opone el defecto de la segregación o decantación. Se mide por la masa específica de porciones de hormigón fresco separadas entre sí.

Masa específica: Es la relación entre la masa del hormigón fresco y el volumen ocupado.

Puede medirse con el hormigón compactado o sin compactar. La densidad del hormigón fresco compactado es una medida del grado de eficacia del método de compactación empleado. Se mide en kg/m3

Tiempo abierto: Es el período de tiempo que transcurre entre el amasado del hormigón y el principio del fraguado. Es una propiedad muy importante pues es en el que se puede manipular el hormigón sin merma de sus características.

Propiedades del hormigón endurecido

El carácter de hormigón endurecido lo adquiere el hormigón a partir del final de fraguado.

El hormigón endurecido se compone del árido, la pasta de cemento endurecido (que incluye el agua que ha reaccionado con los compuestos del cemento) y las red de poros abiertos o cerrados resultado de la evaporación del agua sobrante, el aire ocluido (natural o provocado por un aditivo). Las propiedades del hormigón endurecido son:

La densidad: Es la relación de la masa del hormigón y el volumen ocupado. Para un hormigón bien compactado de áridos normales oscila entre 2300- 2500 kg/m3

En caso de utilizarse áridos ligeros la densidad oscila entre 1000-1300 kg/m3. Y en caso de utilizarse áridos pesado la densidad oscila entre 3000-3500 kg/m3.

Compacidad: Es la cualidad de tener la máxima densidad que los materiales empleados permiten. Un hormigón de alta compacidad es la mejor protección contra el acceso de sustancias perjudiciales.

Permeabilidad: Es el grado en que un hormigón es accesible a los líquidos o a los gases.

El factor que más influye en esta propiedad es la relación entre la cantidad de agua añadida y de cemento en el hormigón (a/c). Cuanto mayor es esta relación mayor es la permeabilidad y por tanto más expuesto el hormigón a potenciales agresiones.

Resistencia: El hormigón endurecido presenta resistencia a las acciones de compresión, tracción y desgaste. La principal es la resistencia a compresión que lo convierte en el importante material que es. Se mide en Mpa (Megapascales) y llegan hasta 50 Mpa en hormigones normales y 100 Mpa. en hormigones de alta resistencia. La resistencia atracción es mucho más pequeña pero tiene gran importancia en determinadas

Aplicaciones. La resistencia a desgaste, de gran interés en los pavimentos se consigue

Utilizando áridos muy resistentes y relaciones agua cemento muy bajas.

Dureza: Es una propiedad superficial que en el hormigón se modifica con el paso del tiempo debido al fenómeno de carbonatación. Un método de medirla es con el índice de rebote que proporciona el esclerómetro Smichtd.

Retracción: Es el fenómeno de acortamiento del hormigón debido a la evaporación progresiva del agua absorbida que forma meniscos en la periferia de la pasta de cemento, y el agua capilar. Es el agua menos fijada en los procesos de hidratación. Además en el hormigón endurecido está presente el agua en distintos estados: ƒ Agua combinada químicamente o de cristalización, Agua de gel Agua zeolítica o intercristalina.

Fórmula para el C3A

Se parte de la base que el Al2O3 remanente, es decir, el que queda luego de formarse el C4AF, se combina como C3A. En aquel compuesto, como se ve en (1), se tiene:

Al2O3 = 102 = 0,64

Fe2O3 160

Osea, que por cada parte de Fe2O3 se requieren 0,64 partes de Al2O3. Así pues el Al2O3 remanente será:

% Al2O3 remante = % Al2O3 - 0,64 x % Fe2O3 (2)

El peso molecular del C3A es:

3 CaO • Al2O3 = 270

168 + 102 =

C3A = 270 = 2,65

Al2O3 102

= 1,65 (% Al2O3 - 0,64 x % Fe2O3)

= 1,65 x % Al2O3 - 1,06 x % Fe2O3,

pues aquí hay que tener presente que el Al2O3 que entra a formar el C3A es el Al2O3 remanente dado por la expresión (2).

% CaO para el CaSO4 = CaO = 56 = 0,70

SO3 80

= 0,70 x % SO3

Por consiguiente, la cal consumida en la formación de estos tres compuestos, es:

(1,40 x % FeO3) + (1,65 x % Al2O3 - 1,06 x % Fe2O3) + (0,70 x % SO3) = (0,34 x % Fe2O3 + 1,65 x % Al2O3 + 0,70 x % SO3)

La cal remanente vendrá dada por la siguiente expresión:

% CaOrem. = %CaO - (0,34 x %Fe2O3 s 1,65 x %Al2O3 + 0,70 x %SO3) (3)

Esta es la cal que irá a constituir el C3S y el C2S. Para determinar cuánto se forma de uno y otro es necesario desarrollar el siguiente racinio: si llamamos X el porcentaje del SiO2 que se combina como C3S e Y el porcentaje de SiO2 que lo hará como C2S, tendremos:

3 CaO + SiO2 = 3 CaO • SiO2

168 + 60

168 = 2,80 pudiéndose establecer la ecuación:

60

% C3S = 2,80 X + X = 3,80 X (4)

De igual manera:

2 CaO + SiO2 = 2 CaO • SiO2

112 + 60

112 = 1,87, pudiéndose establecer la ecuación:

60

% C2S = 1,87 Y + Y = 2,87 Y (5)

De lo anterior se desprende el siguiente par de ecuaciones:

X + Y = % SiO2 (dado por análisis)

CaOrem. + % SiO2 = 3,80 X + 2,87 Y

cuya resolución nos da:

X = 1,075 X % CaOrem. - 2,011 X % SiO2

Y = 3,011 X % SiO2 - 1,075 X % CaOrem.

Reemplazando el valor de X en la ecuación (4):

% C3S = 3,80 (1,075 x % CaOrem. - 2,011 x % SiO2)

= 4,08 x % CaOrem. - 7,64 x % SiO2 (6)

De igual modo, reemplazando el valor de Y en la ecuación (5):

% C2S = 2,87 (3,011 x % SiO2 - 1,075 x % CaOrem.)

= 8,64 x % SiO2 - 3,08 x % CaOrem. (7)

Si en la ecuación (6) sustituimos el % CaOrem. por el dado en la ecuación (3), tenemos:

% C3S = 4,08 (% CaO - (0,34 x % Fe2O3 + (8)

1,65 x % Al2O3 + 0,70 x % SO3))- 7,64 x % SiO2

= 4,08 x % CaO - (1,39 x % Fe2O3 + 6,73 x % Al2O3 +

+ 2,86 x x % SO3) - 7,64 x % SiO2

% C3S = 4,08 x % CaO -

- (7,64 x % SiO2 + 6,73 x % Al2O3 + 1,39 x % Fe2O3 + 2,86 x % SO3)

(C)

Si en la ecuación (7) procedemos de idéntica manera:

% C2S = 8,64 x % SiO2 - 3,08 (% CaO - (0,34 x % Fe2O3 + (9)

+ 1,65 x % Al2O3 + 0,70 x % SO3))

= 8,64 x % SiO2 - (3,08 x % CaO - (1,05 x % Fe2O3 +

+ 5,08 x % Al2O3 + 2,16 x % SO3 ))

Nótese que el factor 3,08 de la ecuación (9), que afecta todo el sustraendo o corchete, es igual a 0,755 del factor 4,08 que afecta a todo el minuendo o corchete de la ecuación (8), que da el valor del C3S. Por consiguiente, restando al minuendo de la ecuación (10), o sea, a 8,64 X % SiO2, la cantidad 0,755 (7,64 x % SiO2) = 5,77 x % SiO2, y haciendo otro tanto con el sustraendo o corchete de la misma ecuación, podemos escribir:

% C2S = (8,64 x % SiO2 - 5,77 x % SiO2) - ((3,08 x % CaO - (1,05 x % Fe2O3 + 5,08 x % Al2O3 + 2,16 x % SO3))- (5,77 x % SiO2))

= 2,87 x % SiO2 - (3,08 x % CaO - (1,05 x % Fe2O3 + 5,08 x % Al2O3 + 2,16 x % SO3 + 5,77 x % SiO2)) (11)

Pero por lo dicho anteriormente el corchete o sustraendo de la ecuación (11) es exactamente igual a 0,755 veces el valor de la ecuación (C) que nos da el valor del C3S. Por consiguiente:

% C2S = 2,87 x % SiO2 - 0,755 x % C3S (D)

3.5 Materiales Semiconductores

Germanio

Elemento químico, metálico, gris plata, quebradizo, símbolo Ge, número atómico 32, peso atómico 72.59, punto de fusión 937.4ºC (1719ºF) y punto de ebullición 2830ºC (5130ºF), con propiedades entre el silicio y estaño. El germanio se encuentra muy distribuido en la corteza terrestre con una abundancia de 6.7 partes por millon (ppm). El germanio se halla como sulfuro o está asociado a los sulfuros minerales de otros elementos, en particular con los del cobre, zinc, plomo, estaño y antimonio.

El germanio tiene una apariencia metálica, pero exhibe las propiedades físicas y químicas de un metal sólo en condiciones especiales, dado que está localizado en la tabla periódica en donde ocurre la transición de metales a no metales. A temperatura ambiente hay poca indicación de flujo plástico y, en consecuencia, se comporta como un material quebradizo.

El germanio es divalente o tetravalente. Los compuestos divalentes (óxido, sulfuro y los halogenuros) se oxidan o reducen con facilidad. Los compuestos tetravalentes son más estables. Los compuestos organogermánicos son numerosos y, en este aspecto, el germanio se parece al silicio. El interés en los compuestos organogermánicos se centra en su acción biológica. El germanio y sus derivados parecen tener una toxicidad menor en los mamíferos que los compuestos de estaño o plomo.

Las propiedades del germanio son tales que este elemento tiene varias aplicaciones importantes, especialmente en la industria de los semiconductores. El primer dispositivo de estado sólido, el transistor, fue hecho de germanio. Los cristales especiales de germanio se usan como sustrato para el crecimiento en fase vapor de películas finas de GaAs y GaAsP en algunos diodos emisores de luz. Se emplean lentes y filtros de germanio en aparatos que operan en la región infrarroja del espectro. Mercurio y cobre impregnados de germanio son utilizados en detectores infrarrojos; los granates sintéticos con propiedades magnéticas pueden tener aplicaciones en los dispositivos de microondas para alto poder y memoria de burbuja magnética; los aditivos de germanio incrementan los amper-horas disponibles en acumuladores.

METODOS DE OBTENCION

Se obtiene como subproducto en los procesos de obtención de cobre, zinc y en las cenizas de ciertos carbones. Para la purificación ulterior se utiliza el proceso llamado fusión por zonas.

USOS Y APLICACIONES MÁS IMPORTANTES

 Se utiliza como semiconductor.

 El germanio dopado con arsénico, galio, u otros elementos se utiliza como transistor.

 Por ser transparente a la radiación infrarroja se emplea en forma de monocristales en espectroscopios infrarrojos (lentes, prismas y ventanas) y otros aparatos ópticos entre los que se encuentran detectores infrarrojos extremadamente sensibles.

 El óxido de germanio se aplica en lentes gran angular de cámaras y en objetivos de microscopio.

 El germanio se utiliza como detector de la radiación gamma.

 Los compuestos organogermánicos se están utilizando en quimioterapia, pues tienen poca toxicidad para los mamíferos y son eficaces contra ciertas bacterias.

Silicio

Símbolo Si, número atómico 14 y peso atómico 28.086. El silicio es el elemento electropositivo más abundante de la corteza terrestre. Es un metaloide con marcado lustre metálico y sumamente quebradizo. Por lo regular, es tetravalente en sus compuestos, aunque algunas veces es divalente, y es netamente electropositivo en su comportamiento químico. Además, se conocen compuestos de silicio pentacoordinados y hexacoordinados.

El silicio elemental crudo y sus compuestos intermetálicos se emplean como integrantes de aleaciones para dar mayor resistencia al aluminio, magnesio, cobre y otros metales. el silicio metalúrgico con pureza del 98-99% se utiliza como materia prima en la manufactura de compuestos organosilícicos y resinas de silicona, elastómeros y aceites. Los chips de silicio se emplean en circuitos integrados. Las células fotovoltaicas para la conversión directa de energía solar en eléctrica utilizan obleas cortadas de cristales simples de silicio de grado electrónico. El dióxido de silicio se emplea como materia prima para producir silicio elemental y carburo de silicio. Los cristales grandes de silicio se utilizan para cristales piezoeléctricos. Las arenas de cuarzo fundido se transforman en vidrios de silicio que se usan en los laboratorios y plantas químicas, así como en aislantes eléctricos. Se emplea una dispersión coloidal de silicio en agua como agente de recubrimiento y como ingrediente de ciertos esmaltes.

El silicio natural contiene 92.2% del isótopo de masa número 28, 4.7% de silicio-29 y 3.1% de silicio-30. Además de estos isótopos naturales estables, se conocen varios isótopos radiactivos artificiales. El silicio elemental tiene las propiedades físicas de los metaloides, parecidas a las del germanio, situado debajo de él en el grupo IV de la tabla periódica. En su forma más pura, el silicio es un semiconductor intrínseco, aunque la intensidad de su semiconducción se ve enormemente incrementada al introducir pequeñas cantidades de impurezas. El silicio se parece a los metales en su comportamiento químico. Es casi tan electropositivo como el estaño y mucho más positivo que el germanio o el plomo. De acuerdo con este carácter más bien metálico, forma iones tetrapositivos y diversos compuestos covalentes; aparece como un ion negativo sólo en unos pocos siliciuros y como un constituyente positivo de oxiácidos o aniones complejos.

Forma varias series de hidruros, diversos halogenuros (algunos de los cuales contienen enlaces silicio-silicio) y muchas series de compuestos que contienen oxígeno, que pueden tener propiedades iónicas o covalentes.

El silicio se encuentra en muchas formas de dióxidos y en innumerables variaciones de los silicatos naturales. Para un análisis de las estructuras y composiciones de las clases representativas.

Por su abundancia, el silicio excede en mucho a cualquier otro elemento, con excepción del oxígeno. Constituye el 27.72% de la corteza sólida de la Tierra, mientras que el oxígeno constituye el 46.6%, y el siguiente elemento después del silicio, el aluminio se encuentra en un 8.13%.

Se sabe que el silicio forma compuestos con 64 de los 96 elementos estables y probablemente forme siliciuros con otros 18 elementos. Además de los siliciuros metálicos, que se utilizan en grandes cantidades en metalurgia, forma compuestos importantes y de empleo frecuente con hidrógeno, carbono, los halógenos, nitrógeno, oxígeno y azufre. Además, se han preparado derivados organosilícicos de gran utilidad.

Efectos del Silicio sobre la salud

El silicio elemental es un material inerte, que parece carecer de la propiedad de causar fibrosis en el tejido pulmonar. Sin embargo, se han documentado lesiones pulmonares leves en animales de laboratorio sometidos a inyecciones intratraqueales de polvo de silicio. El polvo de silicio tiene pocos efectos adversos sobre los pulmones y no parece producir enfermedades orgánicas significativas o efectos tóxicos cuando las exposiciones se mantienen por debajo de los límites de exposición recomendados. El silicio puede tener efectos crónicos en la respiración. El silicio cristalino (dióxido de silicio) es un potente peligro para la respiración. Sin embargo, la probablilidad de que se produzca dióxido de silicio durante los procesamientos normales es muy remota. LD50 (oral)-3160 mg/kg. (LD50: Dosis Letal 50. Dosis individual de una sustancia que provoca la muerte del 50% de la población animal debido a la exposición a la sustancia por cualquier vía distinta a la inhalación. Normalmente expresada como miligramos o gramos de material por kilogramo de peso del animal.)

El silicio cristalino irrita la piel y los ojos por contacto. Su inhalación causa irritación de los pulmones y de la membrana mucosa. La irritación de los ojos provoca lagrimeo y enrojecimiento. Enrojecimiento, formación de costras y picores son características de la inflamación cutánea.

El cáncer de pulmón está asociado con exposiciones a silicio cristalino (especialmente cuarzo y cristobalita) en lugares de trabajo. En estudios realizados a mineros, trabajadores con tierra de diatomeas, trabajadores del granito, trabajadores de cerámica, trabajadores de ladrillos refractarios y otros trabajadores se ha documentado una relación exposición-respuesta.

Diversos estudios epidemiológicos han informado de números estadísticamente significativos de exceso de muertes o casos de desorden inmunológico y enfermedades autoinmunes en trabajadores expuestos al silicio. Estas enfermedades y trastornos incluyen scleroderma, artritis reumatoide, eritematosis sistémica y sarcoidosis.

Estudios epidemiológicos recientes han informado de asociaciones estadísticamente significativas de exposiciones ocupacionales a silicio cristalino con enfermedades renales y cambios renales subclínicos.

El silicio cristalino puede afectar el sistema inmunitario, resultando en infecciones micobacterianas (tuberculosas y no tuberculosas) o fúngicas, especialmente en trabajadores con silicosis.

La exposición ocupacional al silicio cristalino respirable está asociado con bronquitis, enfermedad crónica de obstrucción pulmonar (COPD) y enfisema. Algunos estudios epidemiológicos sugieren que estos efectos sobre la salud pueden ser menos frecuentes o ausentes en los no fumadores.

Efectos ambientales del Silicio

No se ha informado de efectos negativos del silicio sobre el medio ambiente.

Características

Sus propiedades son intermedias entre las del carbono y el germanio. En forma cristalina es muy duro y poco soluble y presenta un brillo metálico y color grisáceo. Aunque es un elemento relativamente inerte y resiste la acción de la mayoría de los ácidos, reacciona con los halógenos y álcalis diluidos. El silicio transmite más del 95% de las longitudes de onda de la radiación infrarroja.

Se prepara en forma de polvo amarillo pardo o de cristales negros-grisáceos. Se obtiene calentando sílice, o dióxido de silicio (SiO2), con un agente reductor, como carbono o magnesio, en un horno eléctrico. El silicio cristalino tiene una dureza de 7, suficiente para rayar el vidrio, de dureza de 5 a 7. El silicio tiene un punto de fusión de 1.411 °C, un punto de ebullición de 2.355 °C y una densidad relativa de 2,33(g/ml). Su masa atómica es 28,086 u(unidad de masa atómica).

Se disuelve en ácido fluorhídrico formando el gas tetrafluoruro de silicio, SiF4 (ver flúor), y es atacado por los ácidos nítrico, clorhídrico y sulfúrico, aunque el dióxido de silicio formado inhibe la reacción. También se disuelve en hidróxido de sodio, formando silicato de sodio y gas hidrógeno. A temperaturas ordinarias el silicio no es atacado por el aire, pero a temperaturas elevadas reacciona con el oxígeno formando una capa de sílice que impide que continúe la reacción. A altas temperaturas reacciona también con nitrógeno y cloro formando nitruro de silicio y cloruro de silicio, respectivamente.

El silicio constituye un 28% de la corteza terrestre. No existe en estado libre, sino que se encuentra en forma de dióxido de silicio y de silicatos complejos. Los minerales que contienen silicio constituyen cerca del 40% de todos los minerales comunes, incluyendo más del 90% de los minerales que forman rocas volcánicas. El mineral cuarzo, sus variedades (cornalina, crisoprasa, ónice, pedernal y jaspe) y los minerales cristobalita y tridimita son las formas cristalinas del silicio existentes en la naturaleza. El dióxido de silicio es el componente principal de la arena. Los silicatos (en concreto los de aluminio, calcio y magnesio) son los componentes principales de las arcillas, el suelo y las rocas, en forma de feldespatos, anfíboles, piroxenos, micas y ceolitas, y de piedras semipreciosas como el olivino, granate, zircón, topacio y turmalina.

Aplicaciones

Se utiliza en aleaciones, en la preparación de las siliconas, en la industria de la cerámica técnica y, debido a que es un material semiconductor muy abundante, tiene un interés especial en la industria electrónica y microelectrónica como material básico para la creación de obleas o chips que se pueden implantar en transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos. El silicio es un elemento vital en numerosas industrias. El dióxido de silicio (arena y arcilla) es un importante constituyente del hormigón y los ladrillos, y se emplea en la producción de cemento portland. Por sus propiedades semiconductoras se usa en la fabricación de transistores, células solares y todo tipo de dispositivos semiconductores; por esta razón se conoce como Silicon Valley (Valle del Silicio) a la región de California en la que concentran numerosas empresas del sector de la electrónica y la informática. También se están estudiando las posibles aplicaciones del siliceno, que es una forma alotrópica del silicio que forma una red bidimensional similar al grafeno. Otros importantes usos del silicio son:

• Como material refractario, se usa en cerámicas, vidriados y esmaltados.

• Como elemento fertilizante en forma de mineral primario rico en silicio, para la agricultura.

• Como elemento de aleación en fundiciones.

• Fabricación de vidrio para ventanas y aislantes.

• El carburo de silicio es uno de los abrasivos más importantes.

• Se usa en láseres para obtener una luz con una longitud de onda de 456 nm.

• La silicona se usa en medicina en implantes de seno y lentes de contacto.

Se utiliza en la industria del acero como componente de las aleaciones de silicio-acero. Para fabricar el acero, se desoxida el acero fundido añadiéndole pequeñas cantidades de silicio; el acero común contiene menos de un 0,30% de silicio. El acero al silicio, que contiene de 2,5 a 4% de silicio, se usa para fabricar los núcleos de los transformadores eléctricos, pues la aleación presenta baja histéresis (ver Magnetismo). Existe una aleación de acero, el durirón, que contiene un 15% de silicio y es dura, frágil y resistente a la corrosión; el durirón se usa en los equipos industriales que están en contacto con productos químicos corrosivos. El silicio se utiliza también en las aleaciones de cobre, como el bronce y el latón.

El silicio es un semiconductor; su resistividad a la corriente eléctrica a temperatura ambiente varía entre la de los metales y la de los aislantes. La conductividad del silicio se puede controlar añadiendo pequeñas cantidades de impurezas llamadas dopantes. La capacidad de controlar las propiedades eléctricas del silicio y su abundancia en la naturaleza han posibilitado el desarrollo y aplicación de los transistores y circuitos integrados que se utilizan en la industria electrónica.

La sílice y los silicatos se utilizan en la fabricación de vidrio, barnices, esmaltes, cemento y porcelana, y tienen importantes aplicaciones individuales. La sílice fundida, que es un vidrio que se obtiene fundiendo cuarzo o hidrolizando tetracloruro de silicio, se caracteriza por un bajo coeficiente de dilatación y una alta resistencia a la mayoría de los productos químicos. El gel de sílice es una sustancia incolora, porosa y amorfa; se prepara eliminando parte del agua de un precipitado gelatinoso de ácido silícico, SiO2•H2O, el cual se obtiene añadiendo ácido clorhídrico a una disolución de silicato de sodio. El gel de sílice absorbe agua y otras sustancias y se usa como agente desecante y decolorante.

El silicato de sodio (Na2SiO3), también llamado vidrio, es un silicato sintético importante, sólido amorfo, incoloro y soluble en agua, que funde a 1088 °C. Se obtiene haciendo reaccionar sílice (arena) y carbonato de sodio a alta temperatura, o calentando arena con hidróxido de sodio concentrado a alta presión. La disolución acuosa de silicato de sodio se utiliza para conservar huevos; como sustituto de la cola o pegamento para hacer cajas y otros contenedores; para unir gemas artificiales; como agente incombustible, y como relleno y adherente en jabones y limpiadores. Otro compuesto de silicio importante es el carborundo, un compuesto de silicio y carbono que se utiliza como abrasivo.

El monóxido de silicio, SiO, se usa para proteger materiales, recubriéndolos de forma que la superficie exterior se oxida al dióxido, SiO2. Estas capas se aplican también a los filtros de interferencias.

Abundancia y obtención

El silicio es uno de los componentes principales de los aerolitos, una clase de meteoroides.

Medido en peso, el silicio representa más de la cuarta parte de la corteza terrestre y es el segundo elemento más abundante por detrás del oxígeno. El silicio no se encuentra en estado nativo; arena, cuarzo, amatista, ágata, pedernal, ópalo y jaspe son algunos de los minerales en los que aparece el óxido, mientras que formando silicatos se encuentra, entre otros, en el granito, feldespato, arcilla, hornblenda y mica.

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