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El Poliestireno

Poliestireno –  El Polímero de las mil caras-

Cuando hablamos del Poliestireno, realmente estamos hablando de una familia de polímeros cuyo “padre” es el monómero estireno y al polimerizarlo obtenemos sus “descendientes familiares” los cuales son muy variantes, desde rígidos a espumosos,   pasando por transparente y frágiles como el cristal, inclusive existen resistentes al alto impacto:

· Poliestireno Cristal o de Uso General (PS)
· Poliestireno Grado Impacto (PS-I)
· Poliestireno Expansible (EPS)
· Estireno/Acrilonitrilo (SAN)
· Copolímero en Bloque de Estireno/Butadieno/Estireno (SBS)
· Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS)

Pero como a nosotros nos interesan las relaciones con el mundo de empaque, nos concentraremos en los tres primeros.

Los orígenes de este multifacético material está en el mundo de la perfumería, específicamente en el árbol Liquidambar orientalis, es una especie perteneciente a la familia Altingiaceae, también conocido como “oriental sweetgum” o “Turkish sweetgum” por ser común en el suroeste de Turquía.

De este árbol se extrae una resina conocida como Estoraque (Storax) ampliamente conocida en el mundo de la perfumería debido a su fragancia persistente y su capacidad de ralentizar la evaporación de otros compuestos que contribuyen al olor general. Este efecto “fijador” mantiene la fragancia original para un tiempo más largo.

En 1839, Eduard Simon, un boticario alemán estaba tratando de separar los componentes del estoraque por medio de la destilación. Una de las fracciones que obtenía era una sustancia aceitosa que parecía ser un sólo compuesto; Simon le dio el nombre de estireno y lo almacena en una botella que estuvo expuesta a la luz solar;  para su sorpresa, unos días más tarde observó que su estireno había cambiado de un aceite en una masa translúcida dura. Como no había agregado nada a la muestra, pensó que debía haber reaccionado con el oxígeno, y apodó el nuevo material como Styroloxyd (óxido de estireno)

Al final resultó que Eduard estaba equivocado; por 1845 August Wilhelm Hofmann, químico alemán  y colega de Justus von Liebig, así como el químico de origen jamaiquino Jhon Buddle Blyth  realizaron las mismas experiencia pero en ausencia de oxígeno, demostrando que el estireno no se oxidaba, por lo que cambiaron el nombre de la sustancia a Metastyrol. En 1866 Marcelin Berthelot identificó la formación de Metastyrol/ Styroloxyd de estireno como un proceso de unión de varias cadenas.

Parkesina, Celuloide, Baquelita, PVC y ahora el subproducto del estireno, fueron todos  resultados del azar en los laboratorios. Por supuesto que estas nuevas sustancias y su potencial  despertaron la curiosidad científica. En 1920 el químico alemán Hermann Staudinger se aventuró a afirmar la teoría de las macromoléculas o teoría de la polimerización, en la cual postuló que los compuestos de alto peso molecular, como el caucho, se deben a la vinculación de un gran número de pequeñas moléculas, lo cual denominó como polimerización: unidades de repetición individual que se unen entre sí por enlaces covalentes.

Su teoría desató una fuerte controversia y fue rechazada por la comunidad científica de la época. No obstante, Staudinger continuó su trabajo y se dio cuenta que el principio no aplicaba únicamente a los polímeros naturales sino también a los sintéticos; en uno de sus experimentos calentó el estireno generando la reacción en cadena que produce las macromoléculas; esto confirmó su teoría y apodó con el  nombre de Poliestireno a esta sustancia, dejando a un lado los nombres anteriores (Styroloxyd/ Metastyrol) que se basaban en la oxidación del estireno. Staudinger fue recompensado con el Premio Nóbel de Química en 1953.

En Ludwigshafen,  Alemania, la empresa Badische Anilin & Soda-Fabrik mejor conocida como BASF  y que en 1931 se había fusionado con las 5 principales empresas química de Alemania: Bayer, Afga, Hoechst,  Chemische Fabrik vorm y la Chemische Fabrik Griesheim-Elektron (la misma donde Fritz Klatte polimerizó el Policloruro de Vinilo, PVC),  dan origen al consorcio IG Farben; lamentablemente este consorcio químico que se inició en la fabricación de colorantes, tuvo un papel muy “negro” durante la Alemania nazi entre 1933 y 1945 por acusaciones de esclavitud laboral y además por producir el gas Zyklon B que era utilizado en las cámaras de gas. El consorcio fue disuelto durante los Juicios de Núremberg, quedando las cuatro más grandes que conocemos hoy en día: BASF, Bayer, Hoechst y Agfa,

Pero regresando a nuestra historia del Poliestireno, la BASF, entre 1929 y 1931 y durante la dirección de Kurt Meyer y Herman Mark desarrolló un reactor para la producción de poliestireno extruido en forma de gránulos, y comenzó la fabricación de piezas que anteriormente eran fabricadas en zinc. Había nacido el poliestireno genérico (PS).

Científicos de IG Farben en 1929 

Al otro lado del Atlántico,  la industria química fundada por  Herbert  H. Dow,  la Dow  Chemical Company inició sus investigaciones sobre el mundo de los polímeros desde 1930  y gracias a varios investigadores entre los cuales se encontraba la Dra. Sylvia Stoesser, considerada la primera química de sexo femenino en los Estados Unidos, (análoga de Marie Curie en Francia); el equipo desarrolló un inhibidor que fue clave en el proceso de comercialización para la producción de estireno con alta pureza y bajo costo. A partir de 1937 se permitió la producción de un poliestireno tan transparente que la gente decía que parecía de cristal; le dieron el nombre comercial de Styron.

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Pero las investigaciones de Dow Chemical Company con el nuevo material continuaron y en 1941, los investigadores del laboratorio de Físico-Química dirigidos por Ray McIntire descubren la forma de hacer una espuma a base de poliestireno, pero se dan cuenta que ese mismo método lo había patentado el inventor sueco Carl Georg Munters  y Dow adquiere los derechos exclusivo de uso de las patentes y encontró maneras de producir grandes cantidades de poliestireno extruido en forma de espuma de celda cerrada que resiste la humedad.

La tecnología desarrollado por McIntire consistía en calentar poliestireno blanco granulado hasta 200ºC en un extrusor utilizando clorometano como agente espumante; la masa se obligaba a salir por una pequeña apertura a la salida del extrusor.

Este nuevo material Dow lo registró  en 1943 como Styrofoam, una marca registrada de la espuma de poliestireno extruido de célula cerrada (XPS). Hay que hacer la acotación que hoy en día se confunde mucho con el poliestireno expandido (EPS) que más adelante comentaremos. Hoy en día el Styrofoam es utilizado principalmente en la construcción como paneles aislantes de espuma.

La historia nos hace regresar nuevamente a la empresa BASF AG en Alemania pero después de la segunda guerra, específicamente al año 1949, cuando el químico Fritz Stastny que trabajaba en el desarrollo de diferentes productos sintéticos para su uso en aglutinantes, plastificantes y productos similares a la goma, se orientó a la investigación de productos especializados en el sector de las espumas. Su invento más importante fue el desarrollo de un proceso para transformar el poliestireno en una espuma porosa con lo cual obtuvo perlas de poliestireno pre expandidas mediante la incorporación de hidrocarburos alifáticos como el pentano. Estas perlas son la materia prima para piezas de moldeo o en hojas de extrusión. BASF y Stastny solicitaron una patente titulada  “Proceso para la producción de materiales porosos o piezas moldeadas porosas de polímeros” que fue presentada en 1950 y otorgada en 1952. El producto comercialmente se conoce como Styropor (poliestireno expandido EPS).

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La BASF tuvo una genial idea para promocionar la facilidad de moldeo del Styropor, al obsequiar durante la feria del plástico de Düsseldorf en 1952 un barco de unos 10 cm de largo y 4 cm de ancho hecho de Styropor a sus visitantes; la publicidad atrajo considerablemente la atención.

 El Poliestireno expandido estuvo destinado a la conquista de los mercados del mundo; esta espuma plástica es rellena con 98% de aire por lo que captura sus beneficios: liviano y aislante, estas propiedades muy bien acogidas por la industria de la construcción y del empaque. Su uso para  envases lo podemos ver especialmente en vasos, por su propiedad como aislante térmico; y en embalajes en productos, por su excelente propiedad de amortiguamiento a impactos, además de su posibilidad de moldeo en formas complicadas.

Styropor ejemplo

Posiblemente en este punto todavía algunos lectores no tengan claro de cual material estamos hablando, y esto es debido a que su nombre en español cambia de país a país en Latinoamérica; aquí les dejo esta curiosidad de nuestro idioma:

Argentina: Telgopor Bolivia: Plastoformo. Brasil: Isopor.
Colombia: Icopor. Costa Rica: Estereofón Chile: plumavit, aislapol
Cuba: Poliespuma Ecuador: Espuma-flex El Salvador: Durapax
España: poliexpanporexpan, corcho blanco Guatemala: Duroporthermopor Honduras: Durapax
Nicaragua: Poroplás México: Poliestirenounicel,  foamy hielo seco Panamá: Foam y hielo seco
Paraguay: Isopor Perú: Tecnopor Puerto Rico y República Dominicana: Fon
Portugal: Esferovite. Uruguay: Espuma plast Venezuela: Anime

Desde su nacimiento el poliestireno cristal tenía la gran desventaja de su fragilidad, por eso su nombre “cristal”; se sabía que había que reforzarlo con caucho natural, pero la producción industrial era complicada debido a la tendencia del caucho a reticular en los reactores formando geles.

Tras varios experimentos fallidos en 1954, Dow logró resolver el problema al añadir en su proceso una etapa de “prepolimerización” bajo fuerte agitación; con esta tecnología se logra la producción del Poliestireno de Alto Impacto. La empresa Monsanto casi de forma de simultánea patenta la misma tecnología, lo cual llevó a varios pleitos entre ellos.

El poliestireno de alto impacto  es muy utilizado en el mundo del empaque en bandejas para alimentos, el tradicional empaque de los compact disc y muy posiblemente lo encontraremos en el bolso de todas las mujeres.

Ejemplo Poliestireno alto impacto

A nivel ambiental, el poliestireno al igual que el resto de los plásticos, es cuestionado por el tema de polución; actualmente no es biodegradable pero cuando hablamos del tema de salud, en el caso particular del Poliestireno hay un agravante y es su uso en el microondas, ya que no todos los envases de poliestireno son aptos para ser utilizados en microondas.

Similar a los demás polímeros, el multifacético poliestireno no sólo tiene un sitial en el mundo del empaque sino una fuerte presencia en el área de la construcción especialmente el EPS y XPS por sus excelentes propiedades de relleno aislante. Hay que hacer notar que dentro del vertiginoso mundo que nos rodea, nuestro estilo de vida nos ha llevado a alimentarnos fuera de la cocina de nuestro hogar: establecimientos de comida rápida, comemos y bebemos mientras caminamos, tomamos el café matutino en nuestro vehículo, y en todos estos sitios encontraremos presente el poliestireno.

Bibliografía y Webgrafía

ABC-Pack-com: http://www.abc-pack.com/enciclopedia/historia-del-poliestireno-expandidoeps/

Textos científicos.com:  http://www.textoscientificos.com/polimeros/poliestireno-expandido

“Enciclopedia del Plástico 2000”; Centro Empresarial del Plástico

The Human Touch of Chemistry:   http://humantouchofchemistry.com/the-history-of-polystyrene.htm

Inventors About.com:  http://inventors.about.com/od/pstartinventions/a/styrofoam.htm

The Plastic Portal: http://www.plasticseurope.es/que-es-el-plastico/historia-de-los-plasticos.aspx

Dow Chemical Company:  http://www.dow.com/company/aboutdow/history/timeline.htm

Styron.com : http://www.styron.com/company/history/polystyrene.htm

BASF.com:  http://www.basf.com/group/corporate/es/about-basf/history/1865-1901/index

Plastic Historical Society:  http://www.plastiquarian.com/index.php?id=74

History of Chemistry in The Dow Chemical Company by Etcyl Blair. May 18, 2006 : http://midlandacs.org/uploads/images/about_us/HistoryChemistryDow.pdf

Wikipedia:  http://www.wikipedia.org

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Policloruro de Vinilo (PVC)

Por alguna extraña razón,

el amado y odiado PVC tuvo que ser descubierto varias veces

para dejar de ser un poco más valioso que la basura…

 Policloruro de Vinilo (PVC), qué paradoja tenemos con este centenario polímero !!  Que uno de los polímeros para empaques menos estable sea uno de los de mayor utilidad para la humanidad, su fortaleza, que es la de poder modificar sus propiedades según la aplicación gracias a estabilizantes y aditivos, es a la vez su principal cuestionamiento en el mundo del empaque para bebidas y alimentos, por el potencial riesgo de contaminarlos, y adicionalmente siempre se encuentra en el “ojo del huracán” por los grupos ambientalistas. Pero también hay un hecho: es el material más compatible para almacenar nuestra sangre!!!!

 

Giessen, Alemania 1835,  Justus Von Liebig descubre el monómero del cloruro de vinilo y asigna a un estudiante francés que se encontraba de paso por su laboratorio,  Henri Victor Regnault, la confirmación de la reacción, como Justus no le veía el potencial al descubrimiento le permitió al joven estudiante el crédito del descubrimiento.

Regnault produjo en 1838 el cloruro de vinilo cuando trataba dicloroetano con una solución alcohólica de hidróxido de potasio. También descubrió, accidentalmente, el poli(cloruro de vinilo), por medio de la exposición directa del monómero a la luz del día. Sin embargo, no advirtió la importancia de sus descubrimientos, ni comprendió que el polvo blanco contenido en el vaso de precipitados de vidrio, era el polímero del líquido obtenido al comienzo.

Pasaron 34  años (1872) para que Eugene Baumann en Alemania hiciera el mismo descubrimiento que Regnault; estudió la reacción de varios haluros de vinilo y acetileno en un tubo sellado los cuales expuso a la luz solar, y al polimerizar originaron un producto blanco que no era afectado por los solventes ni por los ácidos.

El material de partida para la producción del PVC es cloruro de vinilo (VC), un hidrocarburo clorado gaseoso, que surge de la reacción de acetileno con cloruro de hidrógeno ( ácido clorhídrico ). A finales del siglo XIX ambas materias primas se producían en masa; el acetileno se producía porque era la principal fuente de iluminación para las famosas lámparas de acetileno; y el cloruro de hidrógeno, también era abundante porque se obtiene como exceso de la industria química del cloro. Pero a partir de 1882 cuando Thomas Alva  Edison instala el primer sistema eléctrico para la iluminación incandescente en los Estados Unidos y la industria química comienza a generar altos niveles de contaminación; la producción de acetileno debe buscar otras aplicaciones y los desechos del cloro deben ser orientados a otros productos.

Nuevamente en Alemania pero en 1913 aparece otro nombre en la historia de PVC, el inventor alemán  Fritz Klatte, que en muchos casos se toma como el nacimiento oficial del Policloruro de Vinilo debido a su patente de un método para la polimerización del PVC con luz solar, aunque su investigación en la Chemische Fabrik Griesheim-Elektron (en 1951 se transformó en la Hoechst AG) estaba orientada a la obtención de un método de almacenamiento del gas cloro por los problemas de contaminación que originaba la producción de Soda Cáustica en 1890.

Pero igual a sus antecesores, Klatte no tenía aplicaciones para este naciente nuevo producto; la investigación de Fritz Klatte fue muy anticipada a las grandes aplicaciones del PVC;  por esa razón su patente no fue utilizada y expira en 1925 sin que nadie haya hecho uso de ella. El PVC no logró salir del laboratorio porque Europa estaba sumida en la primera Guerra Mundial.

La cuarta persona que aparece en nuestra lista de benefactores, es Waldo Lonsbury Semon, al igual que sus antecesores, fue catedrático del área de química pero en el nuevo continente.

Waldo, oriundo de Alabama, luego de obtener su doctorado en la Universidad de Washington en Seattle, se siente atraído por la empresa BFGoodrich e ingresa en 1926; la BFGoodrich bien conocida por la fabricación de neumáticos estaba realizando investigaciones para sustituir el caucho natural por sintético,  y le asigna a Waldo un proyecto para hallar nuevos recubrimientos de caucho sintético sobre metales. Luego de agotar todas las opciones de caucho sintético conocidos, comienza a experimentar con los polímeros orgánicos sintéticos, incluyendo cloruro de polivinilo o PVC, un material considerado “un poco más valioso que la basura”.

waldo lab

El primer objetivo de Waldo con el PVC es disolverlo, para lo cual lo calienta en un disolvente con un punto de ebullición alto; el resultado fue una gelatina con propiedades elásticas después del enfriamiento, pero no tenía propiedad adhesiva, por lo que debía ser descartada, pero la intuición le indica a Waldo que debía continuar experimentando con el PVC aunque se desviaría del objetivo de su investigación.

Waldo siguió experimentando con el PVC elástico, casi de forma secreta porque la BFGoodrich  después de la caída de la bolsa de 1929  tenía fuertes restricciones de presupuesto y quería enfocarse únicamente en neumáticos.

Nuevamente la persistencia es premiada y luego de varios accidentes en su laboratorio, Waldo logra en una primera etapa  transformar el gel maleable en una tela o cortina con buenas propiedades mecánicas, no conductor de calor y resistente al agua; y por fin se le consiguió una aplicación:  paraguas, abrigos impermeables y cortinas de baño!.  Su segundo gran avance que llegó fue moldearlo en cualquier forma que lo requiere como suelas de zapatos, mangos de herramientas, cables y muchos otros artículos. A nivel del público se conoció este material como Vinyl oVinilo (si el mismo de los antiguos discos)  y la empresa BFGoodrich lo comercializó como “Geon”  y “Koroseal”.

Waldo Semon patentó el proceso en 1933  (es una de las 116 patentes en Estados Unidos que llevan su nombre); Semon nunca descansó en los laureles de su laboratorio; en 1934 había superado con creces su proyecto original y había inventando más de cien métodos de fijación de goma sintética sobre metal.

 Hoy en día el material que era considerado “un poco más valioso que la basura” es un material versátil y de bajo costo porque es un subproducto del petróleo (etileno) y el agua de mar (cloruro de sodio) que producen etileno diclorado, que pasa a ser luego cloruro de vinilo. Posteriormente mediante un proceso de polimerización llega a ser cloruro de polivinilo o PVC. Antes de someterlo a procesos para conformar un objeto el material se mezcla con pigmentos y aditivos como estabilizantes o plastificantes, entre otros, los cuales le otorgan muchas de las propiedades como ser flexible ó rígido.

El PVC  es el segundo polímero de mayor producción en el mundo, lo podemos encontramos en tuberías, paneles de construcción, ventanales, techos, juguetes, aislante de los cables, suelas de zapatos, pelotas de golf, tejidos impermeables, bolsas médicas para transfusión de sangre y suero y por supuesto en empaques.

Dentro del mundo del empaque, gracias a sus características de ser flexible o rígido según la necesidad, liviano, transparente, de bajo costo, fuerte, seguro, buenas propiedades de barrera al oxígeno y agua; lo podemos encontrar en casi todas las industrias del empaque:

Alimentos: en botellas rígidas, envolturas de caramelos, tapas, sellos de tapas metálicas como plastisoles; envolturas transparentes.

Medicinas: Blister para cápsulas, botellas rígidas, jeringas desechables, bolsas y mangueras para plasma.

Juguetes: Blister o empaques tipo clamshell, ventanas transparentes para cajas.

Cosméticos: botellas rígidas. Etiquetas para botellas, bandas de seguridad.

Como comentara al principio, el PVC tiene la paradoja de ser también uno de los materiales más cuestionados del punto de vista ambiental, por la molécula de cloro que contiene y la cantidad de aditivos tóxicos (como los ftalatos o los metales pesados) que pueden migrar a los alimentos que contienen.

Posiblemente el PVC tienda a desaparecer como material de empaque en las próximas décadas, y se afiance su imagen como excelente material para el área de la construcción, pero mientras haya petróleo en nuestro planeta el PVC seguirá acompañando a la humanidad.

Videos:

Fritz Klatte Hermann Staudinger y el PVC

 

Bibliografía y Webgrafía

The History of PVC: Morris Kaufman

Massachusetts Institute of Technology: http://web.mit.edu/invent/iow/semon.html

 PVC. org: http://www.pvc.org/en/p/history

Plasticker , The home of plastic.: http://plasticker.de/fachwissen/history_people_detail.php?id=9.

Plastic Europe .org: http://www.plasticseurope.org/what-is-plastic/types-of-plastics-11148/polyvinyl-chloride.aspx.

Foro Andino del PVC: http://www.foroandinopvc.org.co/creador_paginas.php?pagina_id=113

Tecnologías de los Plásticos: http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2011/06/pvc.html

Escuela de Ingenierías Industriales de la Universidad de Vallalodid : http://www.eis.uva.es/~macromol/curso07-08/pvc/historiadelpvc.html

Wikipedia: http://www.wikipedia.org/

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