Guia de Materials Industrials: Polímers, Fusta i Ceràmica

1. Polímers i plàstics

Naturals: es troben a la natura (cel·lulosa, cautxú).

Artificials: s’obtenen modificant polímers naturals (cel·luloide).

Sintètics: es fabriquen industrialment a partir de substàncies simples (PVC, polietilè, niló).

Importància: Són fonamentals en la vida quotidiana i en la indústria (tèxtil, construcció, electrònica, automoció) gràcies a la gran varietat de propietats que poden presentar.

Propietats generals:

• Baix cost de producció i facilitat de fabricació.
• Lleugeresa (menor densitat que els metalls).
• Resistència a la corrosió i als agents atmosfèrics.

Inconvenient: no són biodegradables i generen contaminació.

1.2 Elaboració dels plàstics

A) Síntesi dels polímers

Els polímers es fabriquen principalment a partir de petroli, gas natural i carbó.

Tipus de polimerització:

• Poliaddició: els monòmers s’uneixen en cadena sense generar subproductes (ex: polietilè).
• Policondensació: es produeix una reacció química amb eliminació de substàncies com l’aigua (ex: niló, polièster).

El grau de polimerització (nombre de monòmers units) determina les propietats: a més grau, més resistència i rigidesa.

B) Processos de conformació

Transformen el polímer en productes finals:

• Extrusió: obtenció de peces llargues (tubs, perfils).
• Extrusió i bufament: objectes buits (ampolles).
• Injecció: peces complexes (carcasses, peces d’automòbil).
• Escumeig: materials lleugers amb aire (aïllants).
• Buit: envasos i formes fines.
• Compressió: peces termoestables.
• Calandratge: làmines i films.

1.3 Estructures moleculars dels polímers

• Lineal: cadenes llargues i flexibles.
• Ramificada: menor resistència mecànica.
• Entrecreuada: estructura en xarxa flexible (elastòmers).
• Reticulada: estructura rígida tridimensional (termoestables).

Classificació segons el comportament tèrmic:

• Termoplàstics: s’estoven amb la calor i es poden reutilitzar.
• Termoestables: no es poden fondre un cop formats.
• Elastòmers: gran elasticitat.

1.4 Additius

Són substàncies que s’afegeixen per modificar propietats:

• Càrregues: augmenten la resistència i redueixen costos.
• Plastificants: augmenten la flexibilitat.
• Estabilitzants: protegeixen contra la radiació UV i l’oxidació.
• Colorants: aporten color.
• Ignífugs: redueixen la inflamabilitat.
• Lubrificants i desemmotllants: faciliten el processament.

1.5 Propietats dels polímers

• Menor resistència que els metalls però més ductilitat.
• Gran variabilitat segons l’estructura i la composició.

Comportament tèrmic:

• A baixa temperatura: fràgils.
• A temperatura intermèdia: comportament dúctil.
• A alta temperatura: baixa resistència.

També tenen:

• Baixa conductivitat tèrmica i elèctrica (bons aïllants).
• Alta resistivitat elèctrica.

1.7 Polímers més comuns i aplicacions

• Polietilè (PE): bosses, tubs, envasos.
• Poliestirè (PS): envasos, aïllants (Porexpan).
• PVC: canonades, cables, finestres.
• PET: ampolles de begudes.
• Polipropilè (PP): recipients, mobles.
• Tefló (PTFE): superfícies antiadherents.
• Niló (PA): tèxtils i peces mecàniques.
• Policarbonat (PC): lents, cascos.
• Resines epoxi i fenòliques: adhesius i components elèctrics.
• Poliuretà: escumes.
• Cautxú: pneumàtics.
• Silicones: aïllants i segellants.

1.8 Reciclatge dels polímers

La producció de plàstics és molt elevada i genera un gran impacte ambiental.

• No biodegradables.
• Dependència del petroli.
• Contaminació.

Tipus de reciclatge:

• Mecànic: reutilització directa del material.
• Químic (piròlisi): obtenció de matèries primeres.
• Energètic: incineració per obtenir energia.

Dificultats: gran varietat de plàstics i necessitat de classificació prèvia.

2. Les fustes

La fusta està formada principalment per:

• Cel·lulosa: aporta resistència.
• Lignina: actua com a aglutinant i dona rigidesa.

És un material no homogeni i anisòtrop (les propietats depenen de la direcció).

2.1 Tipus de fusta segons l’arbre

Fustes toves

Exemple: pi, avet.

• Creixement ràpid.
• Menys densitat.
• Més fàcils de treballar.

Fustes dures (frondoses)

Exemple: roure, faig.

• Més densitat.
• Més resistents.
• Més cares.

Estructura i resistència

La fusta presenta tres direccions principals:

1. Longitudinal (paral·lela a les fibres).
2. Radial.
3. Tangencial.

La resistència és màxima en direcció longitudinal.

Humitat i assecatge

• Fusta verda: acabada de tallar, amb molta humitat.

Cal un procés d’assecatge per poder-la utilitzar:

• Natural: a l’aire (lent).
• Artificial: en forns (ràpid).

Propietats i problemes

• Material porós: absorbeix humitat.
• Pot ser atacada per fongs i insectes.
• Cal protegir-la amb vernissos i pintures.

2.2 Fusta artificial

Són materials fabricats a partir de fusta natural transformada, normalment en forma de taulers.

1. Contraplacat (taulers de xapes)

• Xapes encolades amb fibres creuades (90°).
• Alta resistència en totes direccions.
• Bon acabat decoratiu.
• Usos: mobles, estructures, cobertes.

2. Aglomerat (taulers de partícules)

• Encenalls + resines.
• Menys resistent que la fusta natural.
• Sensible a la humitat (pot inflar-se).
• Usos: mobles econòmics, envans.

3. Taulers de fibres

Tablex:

• Fibres premsades humides.
• Dur però poc resistent.
• Molt sensible a la humitat.

DM (densitat mitjana):

• Fibres amb resina.
• Molt homogeni i fàcil de treballar.
• Bon acabat superficial.
• Usos: mobles, revestiments.

4. Taulers enllistonats

• Llistons de fusta + xapes externes.
• Resistència intermèdia.
• Usos: mobles i estructures lleugeres.

Revestiments (xapes)

• Naturals: làmines fines de fusta real.
• Sintètiques: resines (melamina, fòrmica). Són més resistents i ofereixen una gran varietat de colors i textures.

2.3 Transformació de la fusta

Procés industrial des de l’arbre fins al producte final:

1. Tala de l’arbre.
2. Transport a la serradora.
3. Desbrancatge i tall en troncs.
4. Serrat en taulons o peces.
5. Assecatge.
6. Mecanització i acabats (polir, tallar, tractar).

3. Les ceràmiques

Els materials ceràmics són inorgànics i no metàl·lics, obtinguts mitjançant processos de cocció a altes temperatures. Es caracteritzen per ser durs, resistents a la compressió, fràgils i bons aïllants tèrmics i elèctrics.

3.1 Argiles

Les argiles són materials naturals que, en barrejar-se amb aigua, es tornen plàstics i modelables. Després d’un procés d’assecatge i cocció, adquireixen gran duresa i estabilitat.

Procés:

1. Barreja amb aigua → massa plàstica.
2. Assecatge → eliminació d’aigua.
3. Cocció (700–1400 °C) → canvis químics i enduriment.

• Argiles estructurals: maons, teules, rajoles.
• Porcellanes: color blanc després de la cocció. Usos: vaixelles, sanitaris, aïllants.

3.2 Ciments

Són materials ceràmics que, en barrejar-se amb aigua, formen una massa plàstica que s’endureix amb el temps.

Característica clau: Alguns són hidràulics (endureixen sota l’aigua).

• Tipus: Ciment Pòrtland, calç, guix.
• Fabricació: Barreja d’argila i calcària; escalfament a uns 1400 °C (clínquer); trituració + guix.
• Usos: Morter (ciment + sorra) i Formigó (ciment + sorra + grava).
• Aplicacions: Construcció (fonaments, pilars, estructures).

3.3 Refractaris

Són ceràmiques capaces de suportar temperatures molt elevades sense degradar-se.

• Propietats: Resistència a altes temperatures, resistència química i bon aïllament tèrmic.

Tipus:

• Refractaris d’argila: fins a 1580 °C; poc resistents mecànicament.
• Refractaris àcids (rics en sílice): fins a 1650 °C; bons mecànicament.
• Refractaris bàsics (rics en magnèsia): resistents a escòries bàsiques.

Usos: revestiment de forns, indústria metal·lúrgica i aïllament tèrmic.

3.4 Vidres

Els vidres són ceràmiques amorfes (sense estructura cristal·lina) obtingudes per fusió de sílice amb altres òxids.

• Propietats: transparència, fragilitat, duresa i alta viscositat.
• Fabricació: fusió de materials (sorra de sílice, sosa, calç), conformació i refredament controlat.

Tècniques de conformació: laminatge, bufament, premsatge, estirament i trefilatge.

Tractaments tèrmics:

• Recuita: refredament lent per evitar tensions internes.
• Tremp: refredament ràpid per augmentar la resistència.

Tipus de vidre: vidre comú, Pyrex (resistent al xoc tèrmic), fibra de vidre, vidre òptic i vitroceràmica.

3.5 Abrasius

Són materials ceràmics utilitzats per polir, tallar i esmolar altres materials.

• Propietats: molt durs, resistents al desgast, tenaços i resistents a altes temperatures.
• Formes d’ús: paper de vidre, moles, discs de tall i eines de precisió.

4. Les fibres tèxtils

Les fibres tèxtils són materials amb forma molt prima i allargada que es poden utilitzar soltes (farciments) o transformades en fils mitjançant la filatura. Posteriorment, els fils es transformen en teixits mitjançant el tissatge.

Característiques generals:

• Gruix: molt petit (micròmetres).
• Longitud: variable (fins a centenars de mm).
• Es poden torçar per augmentar la resistència.

Aplicacions:

• Roba de vestir i de la llar.
• Entapissats i cordes.
• Aïllants i filtres industrials.
• Materials compostos.

4.1 Classificació de les fibres tèxtils

1. Fibres naturals

S’obtenen directament de la natura.

• A) Vegetals (cel·lulosa): del fruit (cotó), de la tija (lli, cànem, jute) o de la fulla (espart, pita). Són higroscòpiques i transpirables.
• B) Animals (proteïnes): llana (ovella), seda, caixmir, moher, angora. Tenen bones propietats tèrmiques i elasticitat moderada.

2. Fibres artificials

S’obtenen a partir de productes naturals transformats, principalment la cel·lulosa.

3. Fibres sintètiques

S’obtenen industrialment a partir de productes químics (polímers).

• Exemples: poliamides (niló), polièsters (Tergal), acríliques (Orló), poliuretans (Licra).
• Característiques: gran resistència, baixa absorció d’humitat i fàcil manteniment.

4.2 Propietats de les fibres tèxtils

Les propietats determinen la qualitat i l’ús del teixit: resistència a la tracció, elasticitat i uniformitat.