Historia de los polímeros: el origen

Periódicamente recibo correos electrónicos preguntándome si he oído hablar de eventos históricos particulares relacionados con la industria del plástico. Una de las historias que recibe mucha atención es la de John Wesley Hyatt, inventor estadounidense a quien se le atribuye la creación de un material que a menudo se conoce como el primer plástico.

Historia de la invención del celuloide

El material fue patentado en 1869 con el nombre de celuloide. La parte de la historia que parece atraer la mayor atención es el hecho de que Hyatt recibió un premio de 10,000 dólares, propuesto por Michael Phelan, maestro jugador de billar preocupado ―a principios de la década de 1860― por la escasez de marfil y el impacto que esto presentaba en el costo de las bolas de billar.

La historia es muy atractiva por un par de razones. En primer lugar, refuerza la idea, muy arraigada en nuestra industria, de que los materiales sintéticos creados a través de la química han desplazado y mejorado los materiales derivados de fuentes naturales. El otro factor es el tamaño del premio monetario, equivalente a casi 200,000 dólares de la actualidad.

Como de costumbre, la historia de la invención del celuloide es mucho más complicada y se basó en gran medida en logros anteriores. Y su introducción fue acompañada por otro invento notable que ha tenido un impacto mucho mayor en nuestra industria que el material en sí.

Si bien los logros asociados con la creación de materiales sintéticos son principalmente los de la ciencia, están entrelazados con el mundo de los negocios y, como resultado, porque el dinero está involucrado, con los abogados. Esta serie de artículos estará dedicada a ofrecer una mirada más exigente de la historia de nuestra industria y cómo hemos llegado hasta aquí.

Origen y propiedades del caucho natural

El mundo de los materiales sintéticos se inspiró en el de los materiales que se pueden encontrar en la naturaleza. El material que parece haber iniciado todo el proceso fue el caucho natural, una sustancia derivada de ciertos árboles y conocida químicamente como poliisopreno.

Las estructuras químicas para dos arreglos diferentes de los átomos en la molécula, conocidos como isómeros, se muestran en la imagen adjunta.

El mundo de los materiales sintéticos parece haberse iniciado con el caucho natural, una sustancia derivada de ciertos árboles y conocida químicamente como poliisopreno. Aquí se muestran las estructuras químicas de dos disposiciones diferentes de los átomos en la molécula, conocidas como isómeros.

Los exploradores europeos que viajaron al Caribe y Mesoamérica en los siglos 16 y 17 encontraron civilizaciones que utilizaron este material para hacer bolas sólidas, así como para confeccionar telas impermeables.

La existencia de una bola sólida hecha de un material con lo que hoy llamaríamos propiedades elastoméricas fue una revelación para las personas del norte de Europa, que solo habían experimentado bolas hechas de una vejiga inflada de cuero. El isómero cis originó todos estos productos. Llegaremos al transisómero en breve.

Un explorador francés encontró un material similar cuando viajó a Perú en la década de 1730, y para 1751 se había presentado el primer artículo científico sobre este nuevo material. Pero en este punto la química del material no se entendía bien.

En particular, el efecto de la temperatura en sus propiedades creó barreras para el uso comercial en Europa. A diferencia de los climas de Mesoamérica, en los que las fluctuaciones de temperatura eran relativamente pequeñas, los cambios de temperatura en Europa de invierno a verano eran más significativos. A temperaturas frías, el material se volvía duro y quebradizo, mientras que las altas temperaturas del verano hacían que el material fuera muy suave y pegajoso.

El uso más creativo para el producto en la última parte del siglo 18 fue el de una goma para borrar las marcas de lápiz de plomo en el papel. El nombre caucho proviene de esa cualidad en particular.

Descubrimientos y avances en el caucho

El progreso en esta era de la química fue en gran medida una cuestión de descubrimientos accidentales provocados a través de prueba y error. En 1820, dos hombres de negocios en campos muy diferentes descubrieron ―independientemente― por medio de tales accidentes, que el poliisopreno era soluble en nafta y trementina.

El caucho disuelto podría aplicarse al algodón para hacer ropa impermeable. Esto funcionaba bien siempre y cuando el clima no se calentara demasiado. Cuando lo hacía, las telas recubiertas se volvían pegajosas y perdían su forma.

Los límites de temperatura para el uso del poliisopreno continuaron siendo un problema hasta las décadas de 1830 y 1840, cuando Charles Goodyear, utilizando métodos experimentales tan aleatorios como los de sus predecesores, se topó con dos técnicas que abordaron primero los problemas de rendimiento a altas temperaturas y luego, tres años más tarde, el proceso más conocido de vulcanización, que mejoró las propiedades del material a bajas temperaturas.

Goodyear no entendía la química detrás del proceso de entrecruzamiento que mejoró drásticamente el rendimiento del material. Incluso, el término vulcanización fue acuñado por un competidor británico que descubrió el enfoque de Goodyear y solicitó patentes en Inglaterra mientras Goodyear las solicitaba en Estados Unidos.

La composición del caucho, la modificación de las propiedades del material a través de la adición de plastificantes y rellenos, todavía estaba a décadas de distancia. Pero se habían establecido las bases para el mundo de los polímeros.

Curiosamente, los nativos de Mesoamérica habían aprendido a estabilizar las propiedades del caucho cientos de años antes al fumar el látex crudo, presumiblemente introduciendo de una manera menos controlada pero igual de efectiva los nitratos y compuestos de azufre necesarios para entrecruzar el material.

Del caucho natural a la gutapercha

Al mismo tiempo que los casos judiciales entre Goodyear y sus homólogos británicos se libraban en la década de 1850, un cirujano británico que ejercía en el sudeste asiático observó a los pueblos indígenas en esa parte del mundo extraer la savia de unos árboles que crecían en esa parte del mundo.

Ablandaban el material en agua caliente y lo moldeaban en una variedad de productos útiles, como mangos de herramientas y bastones. Llamado gutta percha por la especie de árbol que produjo la savia, es químicamente el transisómero del poliisopreno.

Esta es una ilustración temprana y excelente de la importancia del isomerismo en la determinación de las propiedades de los polímeros, principio del que hacemos un uso extensivo en la química moderna de polímeros. El isómero cis es amorfo y muy sensible a los cambios de temperatura. Esto hace que el entrecruzamiento sea necesario para que el material resulte útil. El transisómero es capaz de cristalizar.

Por lo tanto, a pesar de tener la misma temperatura de transición vítrea subambiente que el isómero cis, presenta propiedades sólidas útiles por encima de la temperatura ambiente.

Si bien la gutapercha era otro material conocido y utilizado por las culturas indígenas durante cientos de años, en manos de los europeos se adoptó rápidamente como material aislante para cables telegráficos submarinos. En este sentido mostró algunas similitudes, pero también algunas diferencias importantes con el caucho cis-isómero.

La estructura no polar de ambos materiales los convierte en buenos aislantes eléctricos. Pero la estructura amorfa del caucho, incluso en su forma entrecruzada, dio como resultado un material que carecía de resistencia química al agua salada. La gutapercha tenía las propiedades eléctricas deseables, pero al mismo tiempo era resistente al agua salada, así como a muchos otros productos químicos.

Este principio de resistencia química mejorada que surge de la cristalinidad también es bien conocido en el mundo de los polímeros y posibilitó nuevas aplicaciones muy temprano en la historia de nuestra industria.

Esto también pone de relieve otro aspecto muy importante asociado con el uso de materiales: la relación entre el desarrollo de nuevas químicas y la invención de métodos de procesamiento. Si bien este material se utilizó para recubrir el cable eléctrico, la capacidad de hacerlo fue posible gracias a un invento muy importante: el extrusor.

En la próxima entrega continuaremos la narrativa de nuestro progreso hacia el celuloide y su intersección con otro desarrollo muy importante en el procesamiento.

Acerca del autor

Michael Sepe.

Michael Sepe

Consultor independiente sobre materiales y procesamiento, a nivel global, cuya compañía, Michael P. Sepe, LLC, tiene su sede en Sedona, Arizona. Tiene más de 40 años de experiencia en la industria del plástico y asesora sus clientes en selección de materiales, diseño para manufactura, optimización de procesos, solución de problemas y análisis de fallos. Contacto: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com