¿Cómo se fabrica el plástico? El viaje de los polímeros hasta el producto final en 5 pasos

A pesar de la creciente conciencia sobre la necesidad de reducir el uso de plásticos, especialmente los de un solo uso, resulta casi impensable imaginar un mundo como el actual sin este versátil material. El plástico ha cambiado nuestra forma de alimentarnos, gracias a los envases que alargan la vida útil de los alimentos, nuestra salud, a usarse en jeringas, catéteres, tubos o bolsas de infusión debido a su capacidad de esterilización, flexibilidad y biocompatibilidad, nuestro trabajo y nuestro entretenimiento, al ser parte fundamental de los dispositivos electrónicos, de movernos, gracias a las mejoras significativas en eficiencia y rendimiento que ha significado su incorporación en el transporte, etc.

En este artículo, enmarcado en nuestra serie de posts sobre plásticos, explicaremos cómo se fabrica el plástico, que es un proceso complejo y fascinante que involucra la transformación de materias primas en productos que satisfacen nuestras necesidades diarias. En este sentido, la industria del plástico ha evolucionado notablemente en los últimos años, con un enfoque cada vez mayor en la sostenibilidad y la economía circular. Se han implementado iniciativas para reducir el consumo de plásticos de un solo uso, fomentar el reciclaje y promover el desarrollo de bioplásticos y materiales compostables.

Además, los avances tecnológicos han permitido mejorar la eficiencia en la producción, reducir las emisiones de carbono y optimizar los procesos de reciclaje. Estos esfuerzos reflejan el compromiso de la industria del plástico en busca de soluciones más responsables y sostenibles, con el objetivo de mitigar los impactos ambientales y fomentar una gestión más responsable de los residuos plásticos.

Los 5 pasos de la fabricación del plástico

Seguramente muchos se imaginan el proceso de fabricación de plástico como algo difícil de entender, porque involucra el petróleo, e imaginar cómo este termina siendo la funda del móvil con el que estamos leyendo este post o la botella de agua que alguna vez hemos llevado en nuestra bolsa es complicado. Por eso, aunque cada proceso puede cambiar mucho dependiendo de lo que se quiera fabricar, se pueden identificar cinco pasos fundamentales en la forma como se fabrica el plástico:

1. Obtención de materias primas

Los plásticos se derivan principalmente de hidrocarburos, que son compuestos orgánicos formados por átomos de carbono e hidrógeno. La principal fuente de hidrocarburos para la fabricación de plásticos es el petróleo crudo, que se extrae de yacimientos subterráneos a través de la perforación de pozos petroleros.

Una vez que se extrae el petróleo crudo, se somete a un proceso de refinación para obtener los productos químicos básicos necesarios para la fabricación de plásticos. Este proceso de refinación implica la destilación fraccionada, donde el petróleo se calienta y se separa en diferentes fracciones según su punto de ebullición. Cada fracción contiene hidrocarburos con propiedades químicas y físicas similares.

Una de las fracciones clave obtenidas durante la refinación es la nafta, que contiene hidrocarburos como el etileno y el propileno, que son los principales bloques de construcción para muchos tipos de plásticos. La nafta se separa y se somete a un proceso llamado craqueo catalítico, donde se descomponen las moléculas de hidrocarburos más grandes en moléculas más pequeñas, como el etileno y el propileno. Estos productos químicos básicos se recolectan y se utilizan como materias primas para la fabricación de plásticos.

Además del petróleo crudo, también existen otras fuentes de hidrocarburos utilizadas en la fabricación de plásticos. Por ejemplo, el gas natural es una fuente importante de etileno, que se puede utilizar para producir polietileno, el plástico más común. El carbón también puede ser utilizado como materia prima a través de un proceso conocido como gasificación, donde se convierte en una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno, que luego se puede utilizar para producir diferentes tipos de plásticos.

Además, en los últimos años, se han desarrollado métodos alternativos de obtención de materias primas para plásticos, con el objetivo de reducir la dependencia del petróleo y promover la sostenibilidad. Estos incluyen el uso de materias primas renovables, como biomasa o aceites vegetales, para producir bioplásticos, así como el reciclaje de plásticos existentes para obtener polímeros reciclados que se pueden utilizar nuevamente en la fabricación de nuevos productos de plástico.

2. Polimerización

Una vez obtenidos los productos químicos básicos, como el etileno o el propileno, se realiza el proceso de polimerización para convertir estos monómeros en largas cadenas de polímeros.

Un monómero es una pequeña molécula que puede unirse con otras moléculas similares para formar una cadena más larga llamada polímero. Debemos imaginar los monómeros como los «ladrillos» individuales y los polímeros como la «pared» construida al unir esos ladrillos. Los monómeros se unen mediante enlaces químicos para formar una estructura más grande y compleja conocida como polímero. Los polímeros pueden tener miles o incluso millones de monómeros unidos en una cadena larga y repetitiva.

Existen dos principales tipos de polimerización utilizados en la fabricación de plásticos, es decir, para construir esa “pared” de la que hablamos: la polimerización por adición y la polimerización por condensación.

• Polimerización por adición: es el método más común utilizado en la fabricación de plásticos. En este proceso, los monómeros se combinan para formar polímeros sin generar subproductos. Se lleva a cabo mediante la iniciación y propagación de reacciones químicas. Para iniciar la reacción, se utilizan iniciadores, que pueden ser sustancias químicas o calor. Estos iniciadores rompen ciertos enlaces en los monómeros, creando radicales libres altamente reactivos. Estos radicales libres reaccionan con los monómeros, uniendo las moléculas y formando cadenas de polímero. A medida que los monómeros se agregan a las cadenas de polímero en crecimiento, se propaga la reacción y se forman cadenas cada vez más largas. Este proceso se controla mediante la temperatura, la presión y el tiempo de reacción para obtener el tamaño y la estructura de cadena deseados. En este vídeo se explica:
• Polimerización por condensación: en este tipo de polimerización, dos monómeros diferentes reaccionan entre sí, liberando un subproducto, como agua o alcohol. Durante la polimerización por condensación, los monómeros se combinan a través de enlaces químicos, conocidos como enlaces de condensación, para formar cadenas de polímero más largas. Este proceso requiere condiciones específicas, como la presencia de catalizadores y la eliminación del subproducto formado. La polimerización por condensación se utiliza en la fabricación de plásticos como el poliéster y el nailon.

3. Agregación de aditivos

Sea cual sea el proceso de polimerización, durante el proceso se pueden agregar otros componentes para mejorar o modificar las propiedades del plástico resultante, como sus propiedades físicas, químicas o estéticas. Los aditivos se incorporan en diferentes etapas del proceso de polimerización para lograr las características deseadas en el plástico final.

Existen diferentes tipos de aditivos utilizados en la fabricación de plásticos. Algunos ejemplos comunes son:

• Estabilizadores: los estabilizadores se utilizan para proteger el plástico de la degradación causada por la exposición a factores externos como la luz ultravioleta, el calor o el oxígeno, y ayudan a prolongar la vida útil del material y a mantener sus propiedades originales durante más tiempo.
• Pigmentos y colorantes: estos aditivos se agregan para dar color al plástico. Se utilizan en una amplia gama de aplicaciones donde se requiere un plástico con un color específico. Los pigmentos y colorantes pueden ser orgánicos o inorgánicos y se agregan en cantidades controladas para lograr la tonalidad deseada.
• Plastificantes: los plastificantes se utilizan para mejorar la flexibilidad y la maleabilidad del plástico. Estos aditivos se agregan para reducir la rigidez del polímero y aumentar su capacidad de estiramiento y deformación sin romperse. Los plastificantes se utilizan comúnmente en plásticos como el PVC (cloruro de polivinilo).
• Retardantes de llama: estos aditivos se añaden a los plásticos para reducir su inflamabilidad y retardar la propagación de llamas en caso de incendio. Los retardantes de llama se utilizan ampliamente en aplicaciones donde se requiere un alto nivel de seguridad contra incendios, como en cables eléctricos o en muebles.
• Agentes de refuerzo: estos aditivos se utilizan para mejorar la resistencia mecánica del plástico, y los más conocidos son las fibras de vidrio o el carbono, que se agregan al polímero para aumentar su rigidez, resistencia a la tracción y resistencia al impacto.

Además de estos ejemplos, existen muchos otros aditivos que se utilizan para mejorar propiedades específicas del plástico, como la resistencia al desgaste, la conductividad eléctrica, la resistencia a los rayos UV, entre otros. La selección y la cantidad de aditivos utilizados dependen de las propiedades requeridas para la aplicación específica del plástico. Los fabricantes realizan pruebas y ajustes en la formulación de aditivos para lograr las propiedades deseadas en el producto final.

Una vez finalizada la polimerización, se obtiene el polímero en forma de resina, que es una sustancia viscosa y de alta densidad. Esta resina se somete a procesos adicionales, como enfriamiento, solidificación y trituración, para convertirla en pellets, gránulos o polvos de plástico que son más fáciles de manejar y transportar, para fabricar productos finales mediante procesamientos como los del punto 4 de este proceso, a continuación.

4. Procesamiento

Después de obtener el polímero con los aditivos deseados y en forma de pellets, gránulos o polvos, el siguiente paso en la fabricación de plásticos es procesar este material para darle forma según las necesidades específicas del producto final. Existen varios métodos de procesamiento utilizados, y cada uno tiene su propio proceso particular. Aquí se mencionan algunos de los métodos más comunes:

• Extrusión: se trata de uno de los métodos de procesamiento más utilizados, donde, el plástico en forma de pellets o gránulos se calienta y se fuerza a través de un troquel con una abertura específica. El calor y la presión hacen que el plástico se vuelva viscoso y fluya a través del troquel, tomando la forma deseada. Luego, el plástico extruido se enfría y se solidifica para mantener su forma.
• Moldeo por inyección: este método se utiliza para producir piezas tridimensionales de plástico. El plástico en forma de pellets se funde y se inyecta a alta presión en un molde con la forma deseada. Una vez que el plástico se enfría y solidifica, se retira del molde, dejando una pieza terminada. El moldeo por inyección se utiliza ampliamente en la producción en masa de componentes plásticos para una variedad de industrias.
• Moldeo por soplado: se usa para fabricar objetos huecos, como botellas o recipientes. El plástico se funde y se coloca en un molde hueco. Luego, se introduce aire comprimido en el molde, lo que hace que el plástico se expanda y tome la forma del molde. Después de enfriarse y solidificarse, el objeto soplado se retira del molde.
• Termoformado: como explicamos en otro post, el termoformado se utiliza para producir piezas plásticas planas o ligeramente curvadas, como envases desechables, bandejas o tapas. En este proceso, una lámina de plástico se calienta hasta que se vuelve maleable y se coloca sobre un molde. Mediante vacío o presión de aire, el plástico se ajusta a la forma del molde. Después del enfriamiento, se retira la pieza termoformada.

Cada método tiene sus propias variaciones y ajustes según las necesidades específicas de la aplicación, y existen otros métodos, como el moldeo por compresión, el moldeo por transferencia y la impresión 3D, que también se utilizan en la fabricación de plásticos, dependiendo de la complejidad y las características requeridas del producto final.

5. Enfriamiento y acabado

Después de que el plástico ha tomado la forma deseada mediante el proceso de procesamiento, es necesario enfriarlo y realizar los acabados finales para obtener el producto final.

• Enfriamiento: una vez moldeado o conformado, el plástico debe enfriarse para que pueda solidificarse y mantener su forma. El método de enfriamiento puede variar según el proceso de procesamiento utilizado. En algunos casos, se utiliza el enfriamiento por aire, donde se deja que el plástico se enfríe naturalmente al contacto con el aire ambiente. En otros casos, se utiliza el enfriamiento por agua, donde el plástico se sumerge en agua fría o se rocía con agua para acelerar el enfriamiento. También existen sistemas de enfriamiento controlado, como cámaras de enfriamiento, que ofrecen un control más preciso de la velocidad de enfriamiento.
• Acabado: una vez enfriado, el plástico puede pasar por etapas adicionales de acabado para mejorar su apariencia y características finales. Estos acabados pueden incluir procesos de recorte o eliminación de rebabas o excesos de material. Se pueden utilizar técnicas de lijado, pulido o acabado superficial para mejorar la suavidad, el brillo o la textura del plástico. Además, se pueden aplicar revestimientos o tratamientos superficiales para agregar propiedades adicionales, como resistencia a los arañazos o a la corrosión.

El enfriamiento y el acabado varían según el proceso de procesamiento utilizado y el tipo de producto final requerido. Algunos plásticos pueden requerir enfriamiento lento y controlado para evitar tensiones internas y deformaciones, mientras que otros pueden requerir un enfriamiento rápido para aumentar la productividad.

Una vez completadas las etapas de enfriamiento y acabado, el producto final de plástico está listo para su uso o para ser sometido a pruebas de calidad y cumplimiento de estándares antes de ser empaquetado y distribuido.

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Nuevas materias primas en la fabricación de plásticos

Como hemos apuntado, en este proceso de fabricación han entrado con fuerza en los últimos años materias primas que aspiran a reducir la dependencia del petróleo en la producción de plásticos. Algunos ejemplos son:

• Almidón: el almidón, que se encuentra en diversas fuentes vegetales como el maíz, la patata, el trigo y la tapioca, se utiliza como materia prima para producir bioplásticos como el ácido poliláctico (PLA). El almidón se extrae de estas fuentes vegetales y se somete a procesos de fermentación y polimerización para obtener el PLA, que es biodegradable y se utiliza en aplicaciones como envases y películas.
• Celulosa: la celulosa, un componente estructural clave en las plantas, se puede utilizar como materia prima para la fabricación de bioplásticos. El acetato de celulosa, por ejemplo, se obtiene al modificar químicamente la celulosa y se utiliza en aplicaciones como películas, recubrimientos y productos de uso médico.
• Aceites vegetales: aceites como el de soja, de girasol o de colza, se pueden utilizar para producir bioplásticos. Estos aceites se someten a un proceso de polimerización para obtener plásticos como el poliuretano vegetal (PUV) o el poliéster polihidroxialcanoato (PHA). Estos bioplásticos tienen propiedades interesantes, como la biodegradabilidad y la resistencia al calor, y se utilizan en diversas aplicaciones, incluyendo envases, películas y materiales de construcción.
• Bacterias y microorganismos: algunos bioplásticos se obtienen a partir de microorganismos y bacterias que tienen la capacidad de producir polímeros naturales. Por ejemplo, el poli-3-hidroxibutirato (PHB) se produce mediante la fermentación bacteriana de azúcares y otros sustratos, es biodegradable y se utiliza en aplicaciones como envases, textiles y productos médicos.

Los bioplásticos ofrecen ventajas potenciales, como la reducción de la dependencia de los combustibles fósiles, la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y la posibilidad de ser biodegradables. Sin embargo, su impacto ambiental no es inocuo y no están extentos de consideraciones éticas, como el hecho de que se requiera sustituir bosques vírgenes por plantaciones específicas para su uso en bioplásticos y que el uso intensivo de fuentes que también se usan en alimentación, como el maíz y los aceites vegetales, pueda repercutir en una alza de su precio que los haga más inaccesibles a parte de la producción mundial que se alimenta de ellos.

Además, es importante destacar que los bioplásticos no son necesariamente completamente libres de hidrocarburos, ya que el carbono es un elemento clave en la estructura de los polímeros. Sin embargo, su principal diferencia radica en que se obtienen a partir de fuentes renovables en lugar de recursos fósiles no renovables como el petróleo.

El uso de las tecnologías de vacío en la fabricación de plástico

Ya hemos visto que en algunos pasos del proceso de fabricación de plásticos hemos mencionado el uso de presión y vacío. Recordemos algunos de los pasos en los que se emplean estas tecnologías:

• Obtención de la materia prima: durante las etapas de obtención de materias primas, se pueden llevar a cabo varios procesos que implican tecnologías de vacío, como la destilación. En este proceso, se reduce la presión en la columna de destilación, lo que permite que los componentes pesados se separen a temperaturas más bajas y se obtengan productos más ligeros y valiosos.
• Polimerización: después de la reacción de polimerización, el polímero puede pasar por un proceso de extracción al vacío o desgasificación al vacío, que consiste en aplicar un vacío controlado para eliminar sustancias no deseadas, como monómeros no reaccionados, disolventes residuales o impurezas que puedan afectar la calidad del polímero final.
• Extrusión: en el proceso de extrusión, donde el plástico se fuerza a través de un troquel con una abertura específica para darle forma, se pueden utilizar tecnologías de vacío. Por ejemplo, en la extrusión de perfiles huecos, se utiliza el vacío para mantener la forma del perfil mientras se extruye. Se utiliza una cámara de vacío en el troquel para aspirar el aire y evitar que las paredes del perfil se colapsen durante el proceso de extrusión.
• Moldeo por soplado: en el moldeo por soplado, se puede emplear el vacío en varias etapas del proceso, como la etapa de soplado, donde se puede utilizar el vacío para mantener la forma del molde mientras se inyecta aire comprimido para expandir el plástico y darle la forma deseada. Además, en el moldeo por soplado de botellas, se puede utilizar el vacío para eliminar el exceso de aire atrapado dentro de la botella durante la fase de enfriamiento.
• Moldeo por inyección: aunque el proceso de moldeo por inyección no implica directamente tecnologías de vacío, se pueden utilizar sistemas de vacío auxiliares para mejorar la calidad del moldeo y eliminar el aire o los gases atrapados en el interior del molde. Estos sistemas de vacío auxiliares pueden estar conectados a las cavidades del molde para extraer el aire o los gases indeseados y así evitar defectos en las piezas moldeadas.
• Termoformado: en este proceso, donde se calienta una lámina de plástico y se ajusta a la forma de un molde, se pueden emplear tecnologías de vacío para crear una diferencia de presión entre la lámina de plástico y el molde y permitir que la lámina se adhiera al molde con precisión y tome su forma. El vacío ayuda a eliminar el aire atrapado y asegura que la lámina de plástico se ajuste correctamente al molde durante el proceso de conformado.
• Enfriamiento: cuando se utiliza el enfriamiento al vacío, se crea un ambiente con baja presión que permite extraer el calor del plástico de manera más eficiente. Al reducir la presión, se disminuye el punto de ebullición del agua presente en el plástico, lo que facilita la evaporación y acelera el enfriamiento del material. Esto ayuda a evitar la formación de burbujas o porosidades en el plástico y mejora la calidad final del producto.