catálogo de materiales
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El presente trabajo engloba la información referente a los materiales estructurales, tal como sus propiedades mecánicas, químicas, térmicas, ópticas, etcétera.TRANSCRIPT
Catalogo de Materiales
Jaime Medina Padilla
Expediente 687903
Ingeniería Civil
Materiales para el Diseño y la Construcción
Primer Semestre
Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Occidente
1
Índice
1) Introducción………………………………………………………………………
5
2) Marco de Referencia….
………………………………………………………..5
3) Justificación……………………………………………………………………….
5
4) Contexto del Trabajo.
…………………………………………………………..6
5) Objetivo
General………………………………………………………………...7
6) Objetivo
Particular……………………………………………………………….7
7) Importancia de los
Materiales………………………………………………...7
a) Clases de
Materiales………………………………………………………..7
i) Naturales…………………………………………………………………..
7
ii) Artificiales y
Sintéticos…………………………………………………..9
b) Elección de los
Materiales………………………………………………..11
i) Propiedades……………………………………………………………..1
1
(1) Físicas…………………………………………………………………
11
(a) Mecánicas.....................................................................
.....11
2
(i) Tensión…………………………………………………….1
1
(ii) Compresión…………………………………………..
….11
(iii) Torsión……………………………………………………..1
1
(iv) Cizalladura……………………………………………….1
1
(v) Elasticidad………………………………………………..1
1
1. Módulo de
Young……………………………………...11
2. Materiales elásticos……………………………………
12
3. Materiales plásticos……………………………………
12
(vi) Dureza…………………………………………………….1
2
(vii) Ductilidad………………………………………………...1
2
(viii) Maleabilidad………………………………………….…12
(ix) Fatiga……………………………………………………...1
3
(x) Fragilidad…………………………………………………
13
(xi) Resilencia………………………………………………...1
3
(2) Eléctricas…………………………………………………………….1
3
3
(a)Conductividad………………………………………………...1
3
(i) Conductores…………………………………………...1
3
(ii) Aislantes…………………………………………………
13
(iii) Semiconductores……………………………………..1
3
(iv) Superconductores…………………………………….1
4
(3) Térmicas……………………………………………………………..1
4
(a)Calor específico………………………………………………
14
(b)Conductividad
térmica……………………………………..14
(c)Temperatura de fusión………………………………………
14
(4)
Magnéticas………………………………………………………….1
4
(a) Materiales
paramagnéticos……………………………….14
(b) Materiales diamagnéticos…………………………………
14
(c) Materiales
ferromagnéticos……………………………….14
(5)
Ópticas……………………………………………………
………….15
4
(6) Tipos de
Materiales………………………………………………...
15
(a)
Transparente……………………………………………
…….15
(b)
Translucido………………………………………………
…….15
(c) Opaco………………………………………………………....15
(7)
Químicas…………………………………………………
…………..15
(a)
Corrosividad………………………………………………
…..15
(b)
Oxidabilidad………………………………………………
….15
(c) Aleabilidad……………………………………………………15
(8)
Tecnológicas……………………………………………
………......16
(a) Colabilidad…………………………………………………...16
(b) Forjabilidad……………………………………………………
16
(c)
Soldabilidad………………………………………………
…..16
5
(d) Maquinabilidad………………………………………………
16
(9) Sensoriales……………………………………………………………
16
(a)
Tacto…………………………………………………………...1
6
(i)
Textura……………………………………………………...16
(ii)
Dureza……………………………………………………...17
(b)
Vista…………………………………………………………….17
(i) Propiedades
ópticas…………………………………….17
(ii) Color,
brillo………………………………………………...17
(c) Olfato y
gusto………………………………………………...17
(i)
Olor………………………………………………………….17
(ii)
Sabor……………………………………………………….17
(d)
Oído…………………………………………………………
….17
(10)
Ecológicas………………………………………………………….17
(a) Aspecto Negativo…………………………………………….176
(b) Aspecto
Positivo……………………………………………….18
8) Descripción………………………………………………………………………
18
9) Recopilación Temática de
Materiales……………………………………..18
a)
Cerámicos…………………………………………………………………..1
8
b)
Vidrios………………………………………………………………………..2
8
c)
Pétreos……………………………………………………………………….3
5
d) Maderas…………………………………………………………………….66
e) Papel…………………………………………………………………………
90
f)
Metales……………………………………………………………………..11
9
g) Plásticos……………………………………………………………………
133
e)
Pieles………………………………………………………………………..14
4
f)
Textiles……………………………………………………………………….1
73
7
Bibliografía……………………………………………………………………………..18
8
1)Introducción
El presente trabajo engloba la información referente a los materiales
estructurales, tal como sus propiedades mecánicas, químicas, térmicas,
ópticas, etcétera. Antes de analizar cada tipo de material a fondo, se ve
de manera específica cada propiedad de manera aislada, es decir, de
manera independiente a cualquier contexto definido.
2)Marco de Referencia
Los temas tratados a lo largo del trabajo tendrán un enfoque hacia la
ingeniería civil a medida que se avance, de modo que se analizan,
principalmente, las propiedades mecánicas y químicas de los materiales,
aunque no se menosprecian las características que influyen en sus usos
ornamentales. Siempre tomando en cuenta el contexto de los materiales
para la construcción y como se han ido empleando dadas sus
propiedades, se busca emplear información actual y fidedigna, de modo
que los datos proporcionados sean aplicables hoy en día, es decir, de
trata de evadir información que pudiese ser considerada como obsoleta.
Los grandes grupos de materiales que se tocan a lo largo del presente
documento son: cerámicos, vidrios, pétreos, maderas, papel, metales,
plásticos, textiles y pieles.
3)Justificación
Compilar la información de diferentes fuentes bibliográficas consultadas
para así tener una referencia sobre los aspectos que hay que considerar
8
en la ingeniería civil, para hacer la elección de los materiales idóneos de
acuerdo a las necesidades específicas que se busquen satisfacer.
4)Contexto del Trabajo
Las posesiones materiales de nuestros antepasados eran probablemente
sus herramientas y sus armas. El modo más común de determinación de
cada era en las primeras civilizaciones humanas es en términos de los
materiales con los que hacían estas herramientas y armas (Edad de
Piedra, Edad de Bronce, Edad de Hierro, etcétera).
Algunas veces se denomina a la cultura moderna en la segunda
mitad del siglo XX como la del plástico, en una referencia a los
materiales poliméricos con los que se hacen tantos productos. Otros han
sugerido que este mismo período debería designarse como la Edad del
Silicio dado el gran impacto de los equipos electrónicos modernos
basados en la tecnología del silicio.
La rápida evolución tecnológica de los últimos tiempos puede
comprobarse al notar que el papel de metálicas alcanzó un máximo tras
la Segunda Guerra Mundial. Desde la década de los sesenta se ha
llegado a una creciente demanda de nuevos y sofisticados materiales no
metálicos.
Actualmente se usan los procesos de forja y moldeo en los
materiales metálicos; procesos en estado sólido, en esta líquido, y
estados de deposición en los materiales cerámicos; los procesos de
colada en fusión y moldeo en barbotina en los vidrios, sin mencionar la
calcinación, el conformado, la desvitrificación controlado y el proceso
sol-gel; la polimerización por adición o por condensación se emplea en
los materiales plásticos, además del moldeo por inyección, el moldeo
por extrusión, el moldeo por soplado y el moldeo por compresión y el
9
moldeo por transferencia; finalmente, se llevan a cabo procesos de
refinado por zonas, la epitaxia (homoepitaxia y heteroepitaxia) en los
materiales semiconductores.
5)Objetivo General
Analizar los materiales en función de su origen, sus diferentes tipos de
propiedades y sus aplicaciones principalmente en la construcción,
aunque sin dejar de lado los posibles usos que tienen en ámbitos
diferentes a la misma.
6)Objetivo Particular
Analizar el comportamiento físico (mecánico, eléctrico, térmico,
magnético, óptico), químico, tecnológico, sensorial y ecológico de los
materiales cerámicos, los vidrios, los pétreos, las maderas, el papel, los
metales, los plásticos, los textiles y las pieles; así como ilustrar y
ejemplificar la información recopilada al respecto mediante un catalogo
de materiales.
7)Importancia de los Materiales
a)Clases de Materiales
i) Naturales
Los materiales naturales son aquellos que se pueden encontrar
en la naturaleza ya sea en su estado bruto, o habiendo pasado
por un proceso de purificación. De acuerdo a su procedencia, los
materiales naturales se pueden dividir en materiales minerales,
vegetales y animales.
Materiales de Origen Mineral
10
Son aquellos que se obtienen de rocas y minerales (como la
arena, la roca, el hierro y el cobre). A su vez, estos de dividen en
metales (hierro, cobre, aluminio, titanio) y no metales.
Metales
Los metales son materiales que presentan características como
buena conductividad eléctrica y térmica, brillo, opacidad, dureza,
opacidad, plasticidad, etc. Se puede dividir a los metales en
ferrosos (magnetita, hematites, limonita y siderita) y no ferrosos
(estaño, aluminio, magnesio y berilio).
Los materiales ferrosos o férricos son aquellos que contienen
como base el hierro, aunque pueden llevar otros elementos en
pequeñas proporciones.
Los materiales no ferrosos son los demás metales y sus
aleaciones. Se pueden clasificar en pesados (estaño, cobre, zinc),
ligeros (aluminio, titanio) y ultra ligeros (magnesio, berilio).
No metales
Los materiales no metálicos carecen de las características y de
similitud con los materiales metálicos. Se pueden clasificar en
materiales cerámicos (derivados de la arcilla como el ladrillo, las
baldosas y las tejas), de construcción y vidrio.
Los cerámicos se forman mediante la combinación de arcilla
con agua, esto forma una masa plástica y uniforme que cuando
se seca adquiere rigidez, después se somete la masa a cocción,
Este tipo de materiales soportan altas temperaturas y la acción
de muchos agentes químicos, sin embargo, son frágiles y resisten
muy poca tensión.
11
Los de construcción pueden ser divididos en cementos,
material que permite ser moldeado a casi cualquier forma que se
desee y que adquiere rigidez para producir estructuras sólidas;
en yeso, que se obtiene deshidratando el mineral llamado de
igual forma y que una vez amasado con agua se puede usar
directamente; y los áridos, que se obtienen de minerales como la
grava y la arena, su principal aplicación es de relleno para
estructuras o como base para carreteras.
El vidrio es un material frágil que carece de conductividad
eléctrica, además de tener una muy alta resistencia a las
acciones de los agentes químicos, por lo que se emplea para
recipientes de todo tipo, así como ventanas de diferentes formas
y tamaños. El vidrio se obtiene mediante la fusión de la arena de
sílice, carbonato de sodio y caliza.
Materiales de Origen Vegetal
Son aquellos materiales que provienen de las plantas. Su
variedad es muy amplia, así como sus propiedades y
características, por la misma razón sus aplicaciones y usos son
difieren mucho de un material a otro – podemos ir desde usarlos
como combustible hasta aprovecharlos para fabricar prendas. El
más importante se podría decir que es la madera, sin embargo
también podemos encontrar al algodón, el cáñamo, la goma y la
celulosa.
Materiales de Origen Animal
Al igual que los materiales de origen vegetal, estos tienen
características y propiedades diversas. Este tipo de materiales
son aquellos que obtenemos a partir de los animales, tales como
el cuero, la lana, la seda y el marfil. Aunque varios de los
materiales de origen animal también se usan en la fabricación de
12
prendas, se pueden encontrar más frecuentemente empleados
con fines ornamentales.
ii)Artificiales y Sintéticos
Los materiales sintéticos son aquellos derivados del petróleo, son
fabricados por el hombre y los elementos que los componen, por
lo general, no se pueden encontrar en la naturaleza. Algunos
ejemplos de materiales sintéticos son el poliéster, el nylon, la
baquelita y la fibra. Representaron un gran avance, ya que hasta
antes de su descubrimiento, el vidrio, el papel y la madera eran
los materiales más usados con todo tipo de fines.
Por otro lado, los materiales artificiales, aunque también son
fabricados por el hombre, vienen de elementos naturales que son
transformados. Algunos ejemplos son el cemento, el vidrio, y el
papel. Las propiedades de cada material artificial varían, sin
embargo, los tres tipos de propiedades que uno puede encontrar
en los materiales son las siguientes:
Propiedades mecánicas: estas determinan como responde el
material al aplicársele una fuerza o esfuerzo (la fuerza dividida
entre el área transversal sobre la cual actúa). Entre otras
propiedades mecánicas podemos encontrar la ductilidad, la
rigidez del material y la ductilidad.
Propiedades físicas: Entre ellas podemos encontrar el
comportamiento eléctrico, magnético, óptico, térmico y elástico.
Propiedades químicas: estás están comprendidas
principalmente por la fuerza de enlace y la corrosividad
(comportamiento ante medios agresivos).
De acuerdo a las propiedades que posea cada material, este
puede ser utilizado bien para la construcción, o para la
13
elaboración de vasos o recipientes, o para la elaboración de
cuadernos o libretas.
De las definiciones anteriores, se pueden señalar las similitudes y
diferencias entre los materiales artificiales y los materiales
sintéticos. Unos son creados a partir de el procesamiento de
materiales naturales, mientras que otros se obtienen de
materiales que no se hallan en la naturaleza, sin embargo, ambos
tipos de materiales son creados por el hombre.
b) Elección de los Materiales
i) Propiedades
(1) Físicas
(a) Mecánicas
(i) Tensión
Esta propiedad de los materiales se define como la
capacidad de soportar cargas opuestas dirigidas
opuestamente al objeto.
(ii) Compresión
Se trata de la capacidad de los materiales para soportar
cargas en sentidos opuestos, dirigidas de manera
paralela a alguno de sus ejes.
(iii) Torsión
Ocurre al someter un material a fuerzas de distinta
dirección y magnitud, a partir de su sección transversal,
generando en sí tensión, compresión y una distorsión
angular de la sección geométrica.
(iv) Cizalladura
Se define como una fuerza que es directamente
proporcional a la carga aplicada sobre el material sobre
el área de la muestra paralela (en lugar de
perpendicular) a la dirección de aplicación de la carga.
14
(v) Elasticidad
1. Módulo de Young
También conocido como módulo elástico, representa
la rigidez del material (su resistencia a la deformación
elástica), y se manifiesta como la cantidad de
deformación sufrida durante la utilización normal del
material por debajo de su límite elástico y también
como el grado de recuperación elástica del material
durante el conformado.
2. Materiales elásticos
Se trata de los materiales que tienen la capacidad de
someterse a tensión y ser deformados de manera no
permanente, es decir, se recupera completamente al
retirar la carga.
3. Materiales plásticos
Se trata de los materiales que, frente a tensión, sufren
una deformación permanente, es decir, no se
recuperan al retirar la carga, aunque sí se recupera
una pequeña componente de deformación elástica.
(vi) Dureza
Es la resistencia de la superficie de un material a la
penetración de un objeto duro. Es un término que no
se define con precisión, y dependiendo del contexto,
puede representar resistencia al rayado o
penetración y una medida cualitativa de la resistencia
del material.
(vii) Ductilidad
Se trata de la capacidad de un material de conservar
sus propiedades trabajando bajo cualquier sección
15
geométrica. Es la capacidad de los materiales de ser
estirados o doblados sin romperse.
(viii) Maleabilidad
Es la capacidad de un material de ser deformado
mecánicamente a temperaturas relativamente bajas.
(ix) Fatiga
Es el fenómeno general de fallo del material tras
varios ciclos de aplicación de un nivel de tensión
inferior a la resistencia a tracción.
(x) Fragilidad
Este término se refiere a los materiales que no se
deforman, que carecen de ductilidad y cuya
deformación elástica es prácticamente nula.
(xi) Resiliencia
Se trata de la energía que se puede recuperar de un
cuerpo deformado cuando la carga que está
produciendo la fuerza es retirada.
(2) Eléctricas
(a) Conductividad
La conductividad es el inverso del coeficiente de la
resistividad eléctrica, es decir, se trata del producto de la
densidad de portadores de carga, la carga de los mismos y
la movilidad de cada portador.
(i) Conductores
Los materiales conductores son aquellos que tienen
altos valores de conductividad, es decir, con un nivel
substancial de conducción eléctrica.
(ii) Aislantes
16
Son aquellos materiales con baja conductividad. Aquí
entran, aproximadamente, 80% del mercado de
cerámicos industriales mundial.
(iii) Semiconductores
Son materiales que tienen una conductividad
intermedia entre los conductores y los aislantes.
(iv) Superconductores
Son los materiales cuyos valores de conductividad no
decaen conforme la temperatura decrece, es decir,
que aun a temperaturas bajas presentan
conductividad infinita.
(3) Térmicas
(a) Calor Específico
Es el calor que se requiere para cambiar un grado la
temperatura de un peso unitario de material.
(b) Conductividad Térmica
Es la velocidad de transferencia de calor a través de un
área debido a un gradiente de temperatura.
(c) Temperatura de Fusión
Indica la temperatura de un material sólido a la que debe
ser sometido para proporcionarle la energía térmica
suficiente para que se produzca la rotura de sus enlaces
cohesivos.
(4) Magnéticas
(a) Materiales Paramagnéticos
Son materiales que alinean sus fibras acomodándose a
cualquier campo electromagnético. Es decir, son atraídos
por los campos magnéticos.
(b) Materiales Diamagnéticos
17
Son aquello materiales repelidos por la fuerza de los
campos electromagnéticos.
(c) Materiales Ferromagnéticos
Son los materiales capaces de generar un campo
electromagnético, ya sea natural o artificialmente, y a su
vez contienen hierro.
(5) Ópticas
Son aquellas propiedades de los materiales que se relacionan
con la refracción de luz, y que a su vez influyen en aspectos
como el color y la apariencia de los mismos.
(6) Tipos de Materiales
(a) Transparente
Este término hace referencia a la cantidad de luz que deja
pasar un material. Un material transparente no permite que
los fotones interactúen con las imperfecciones dentro del
material.
(b) Translucido
Dentro de esta clasificación entran aquellos materiales que
dejan pasar la luz en cantidades intermedias a los
materiales transparentes y opacos.
(c) Opacos
Los materiales opacos son aquellos que no dejan pasar
ninguna o poca cantidad de luz, es decir, son materiales
que cuentan con una alto índice de reflectividad.
(7) Químicas
(a) Corrosividad
Es la propiedad de los materiales que se refiere a la
resistencia química bajo la acción de sales y ácidos.
(b) Oxidabilidad
18
Es la capacidad de algún material de resistir la acción del
oxígeno sobre su estructura.
(c) Aleabilidiad
Es la capacidad de un material de mezclarse con algún otro
elemento por medio de un proceso de fundición y conservar
sus propiedades después de la misma.
(8) Tecnológicas
(a) Colabilidad
Es un proceso en el cual el material es llevado al estado
fluido y después volcado (colado) en un molde, dejando que
solidifique. La colabilidad es que la facilidad de un material
a ser sometido a tal proceso.
(b) Forjabilidad
El proceso de forja deforma el material en la cavidad de
una matriz, dado, troquel o molde, produciendo formas
relativamente complicadas. La forjabilidad es la facilidad de
un material a ser sometido a este proceso.
(c) Soldabilidad
Durante este proceso, dos piezas de material se funden
parcialmente en las cercanías de la unión. La soldabilidad
refiere a la capacidad de un material de ser sometido a
este proceso.
(d) Maquinabilidad
Este término refiere a la capacidad de los materiales a ser
sometidos a procesos mecánicos.
(9) Sensoriales
Es importante resaltar que ninguna de las propiedades
mencionadas a continuación son determinantes en el
comportamiento de los materiales, ya que se trata de
propiedades perceptibles para los sentidos humanos.
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(a) Tacto
(i) Textura
Es la sensación de un material al tacto.
(ii) Dureza
La definición es la misma que la propiedad física,
excepto que aquí se refiere a las limitaciones que
presentan las capacidades de apreciación humanas.
(b) Vista
(i) Propiedades Ópticas
Engloban la transparencia, la translucidez y la
opacidad, así como las limitaciones del ojo humano
en su apreciación.
(ii) Color, brillo
El color refiere a la gama de luz que es capaz de
apreciar el ojo humano; el brillo es la capacidad de
algunos materiales de reflejar los fotones de luz a
través de sus imperfecciones.
(c) Olfato, gusto
Se refieren a las capacidades asociadas a la nariz y la boca,
respectivamente, que pueden ser usadas para distinguir
algunos materiales. No son de una utilidad realmente
inmediata para la construcción.
(d) Oído
Se refiere a las ondas de sonido que es capaz de apreciar el
oído humano para así distinguir algunos materiales de
otros.
(10)Ecológicas
20
Estas propiedades engloban características de los materiales
como el ser biodegradables, reciclables, el haber sido
obtenidos mediante procesos ecológicos, etcétera.
(a) Aspecto negativo
Es realmente difícil, sino es que imposible, el lograr obtener
una material completamente ecológico, ya que el controlar
todos los procesos a los cuales es sometido es complicado
y no siempre se garantiza un resultado amigable para el
medio ambiente.
(b) Aspecto positivo
Un material ecológico representa un avance en aspectos de
la construcción — que se trata de una actividad altamente
contaminante —, además de que trae beneficios a corto y
largo plazo para el planeta Tierra.
8) Descripción
Los materiales vistos en clase fueron analizados enfocados hacia el
ámbito constructivo, encaminados hacia la ingeniería civil. Se
explican sus propiedades y cómo influyen las mismas en su uso en la
construcción, además de aspectos externos a considerar en caso de
que se relacionen con los materiales.
9) Recopilación Temática de Materiales
(a) Cerámicos
Fabricación
Las cerámicas comerciales se fabrican calentando polvos cristalinos a
alta temperatura, hasta que forman un producto denso y resistente. El
producto obtenido tiene una porosidad residual, que se corresponde con
21
los huecos entre las partículas de polvo, antes de la consolidación a alta
temperatura.
Una reducción significativa de la porosidad se consigue con la
adición de una pequeña cantidad de impurezas, produciendo una
densificación total. La mayor parte de los cerámicos tradicionales
comerciales son compuestos químicos constituidos por al menos un
elemento metálico y uno no metálico.
Propiedades
Un material cerámico tiene buena estabilidad química, es resistente a
altas temperaturas. La naturaleza de estos materiales no da lugar a un
comportamiento mecánico único. Los materiales cerámicos no suelen
sufrir deformación plástico durante un ensayo de tracción típico.
Los materiales cerámicos tienen fractura frágil, es decir, son
débiles en tracción, pero relativamente resistentes en compresión. El
parámetro de resistencia es el módulo de rotura, valor que se calcula a
partir de los datos de un ensayo de flexión. El módulo de rotura toma en
cuenta los valores de la fuerza aplicada y las dimensiones de la pieza.
El comportamiento mecánico de los cerámicos estructurales se
debe a la concentración de tensiones que se produce en el frente de las
grietas. Una carga de compresión tiende a cerrar los defectos, y en
consecuencia no disminuye la resistencia inherente e un material con
enlace iónico o covalente.
Enlaces en Cerámicos
Las cerámicas tienen una composición atómica cristalina (si son
cristalinos) o amorfa (si son vítreos). Los poros de una cerámica y sus
granos constituyen su micro estructura. Lo anterior aunado a sus
detalles varía de acuerdo al uso de la cerámica profesional y del proceso
al que se someta. Existen cerámicas iónicas y covalentes.
22
Cerámicas iónicas y covalentes
Las cerámicas iónicas son usualmente compuestas de un metal
con un metal con cargas diferentes, lo que contribuye mucho a formar el
enlace. Los iones se agrupan de manera densa, manteniendo tan cerca
como se puedan las cargas, bajo la condición de que los iones del mismo
tipo jamás deben tocarse.
Por otro lado, los enlaces covalentes son enlaces entre dos no
metales, en ocasiones elementos puros, que se da mediante la
compartición de electrones entre vecinos, dando así un número fijo de
enlaces direccionales. Las estructuras, así como las propiedades, de las
cerámicas covalentes difieren considerablemente en comparación a las
iónicas. La energía no se minimiza por cómo se agrupan los iones de
manera densa sino por la formación de cadenas, láminas o entramados
dimensionales.
Cerámicas iónicas sencillas
Quizá el mejor ejemplo de un enlace iónico sencillo en las
cerámicas sea el Cloruro Sódico (sal de roca) NaCl. EN este enlace cada
átomo de sodio pierde un electrón mientras que cada tomo de cloro
gana un electrón, cumpliendo la restricción de que ninguna carga igual
se toca.
23
Otra cerámica iónica sencilla es la Magnesia (MgO), pero está tiene
una estructura diferente, ya que contiene huecos octaédricos (huecos
grandes por cada átomo de oxígeno) y tetraédricos (dos por cada átomo
de oxígeno). De este modo, aunque uno puede apreciar iones
semejantes relativamente cerca, la atracción entre los iones de cargas
opuestas de Magnesio y Oxígeno es mayor que la repulsión entre iones
con cargas iguales. Esto hace que la magnesia sea un sólido fuerte y con
alto punto de fusión.
Cerámicas
Covalentes Sencillas
Un ejemplo excelente de cerámica covalente sencilla es el
diamante. Tiene una elevada resistencia al desgaste y une elevada
resistencia. La estructura del diamante es cubica, y cada átomo se
enlaza a cuatro vecinos, es decir, cada átomo está en el centro del
tetraedro con sus cuatro enlaces dirigidos a cuatro vértices del
tetraedro. Al no tratarse de una estructura compacta, su densidad es
baja.
24
Sílice y Silicatos
De todos los materiales usados por el hombre, es sílice es el más
extendido, abundante y barato. Su estructura está formada por cuatro
átomos enlazados a un átomo de silicio. Este tetraedro formado podría
considerarse como el tetraedro base de todos los sílices. La estructura
de una sílice podría entenderse como tetraedros base unidos entre ellos
mediante un ion metálico.
El primer paso para la polimerización de los monómeros es hacer
que dos tetraedros compartan un oxígeno (oxígeno puente). Cuando
esto sucede pueden darse cadenas, y entramados dimensionales.
Cuando la cantidad de óxido metálico se disminuye y la polimerización
aumenta se forman cadenas de tetraedros unidos. En la figura, dos
oxígenos de cada tetraedro se comparten, los otros forman enlaces
iónicos entre cadenas. Estos silicatos se denominan fibrosos ya que son
los enlaces más débiles.
25
Si se comparten tres
oxígenos de cada tetraedro, se forman cadenas laminares. Estas
cadenas están polarizadas e interactúan fuertemente con el agua. El
agua es atraída entre las láminas dándole plasticidad a las arcillas, ya
que las hojas de silicato se deslizan fácilmente unas sobre otras
habiendo sido lubricadas por el agua. Las láminas de silicato son muy
fuertes como láminas, pero son muy débiles entre ellas ya que se
resquebrajan fácilmente.
La sílice pura forma un entramado dimensional ya que no contiene
iones metálicos y cada oxígeno se convierte en un puente entre dos
átomos de silicio. La composición atómica varía de acuerdo a la
temperatura. Cuando la temperatura es alta, se parece a la composición
cubica de un diamante, pero a temperatura ambiente, adquiere más
26
complejidad, aunque bajo la premisa sencilla de que cada oxígeno sirve
de puente entre los silicios.
Vidrios de Silicato
Los vidrios comerciales están hechos con los mismos tetraedros
en que se basan los silicatos cristalinos, con la diferencia de que estos
son amorfos y los enlaces se hacen entre los tetraedros y los vértices
arrojan un entramado al azar. La sílice pura forma un vidrio con alta
temperatura de ablandamiento, alta resistencia y estabilidad, baja
expansión térmica aunque con una alta viscosidad.
El problema de la viscosidad se arregla en los vidrios comerciales
agregando
modificadores de red. Se trata de
óxidos metálicos que aportan iones
positivos a la estructura y
rompen la estructura reticular. Está
27
disminución del entramado reduce la temperatura a la cual la viscosidad
alcanza un valor tan alto que el vidrio es un sólido (temperatura de
transición vítrea:
Aleaciones Cerámicas
Al igual que en los metales, los cerámicos también se pueden
combinar para crear aleaciones con la finalidad de sinterizar alcanzando
densidades próximas a las teóricas o mejorar la tenacidad a la fractura.
Los óxidos metálicos (cerámicos) tienen elevadas solubilidades en otros
sólidos – lo que los hace buenos flujos, disolviendo impurezas
indeseables en una escoria inocua. Durante el enfriamiento se solidifican
en soluciones sólidas o nuevos compuestos.
28
En un sistema sílice-alúmina, considerando los componentes como
óxidos puros SiO2 y Al2O3, en lugar de considerarlos como tres elementos
por separado. Hay un compuesto, la mullita, que es más estable que la
solución solida sencilla. Así las combinaciones de los óxidos resultan en
mezclas de mullita y alúmina, o mullita y sílice.
Micro estructura de las Cerámicas
Las cerámicas cristalinas forman micro estructuras poli cristalinas.
Cada grano es un cristal casi perfecto, y se encuentra con sus vecinos
en los bordes de grano. En cada grano de la micro estructura los iones
con la misma carga deben evitarse y estar tan lejos como sea posible.
Muchas cerámicas no son completamente densas, de hecho,
porosidades hasta del 20% se consideran normales en la micro
estructura. Los poros, lógicamente, debilitan la estructura, no obstante,
si se encuentran bien redondeados se reduce la tensión que inducen.
Por otro lado, las grietas son más perjudiciales, y están siempre
presentes en todas las cerámicas. Dichas grietas determinan la
resistencia del material y surgen durante el procesado de la cerámica,
por lo que se ha tratado de perfeccionar este procesado al grado de
arrojar piezas de cerámica con resistencias a la tracción tan altas como
algunos metales.
29
Cerámicas Vítreas
Las piezas de alfarería perduran desde hace más de 5000 años
gracias a su alta resistencia a la corrosión y a la durabilidad que poseen.
Las cerámicas vítreas son las base de la producción actual de ladrillos,
baldosas, azulejos y sanitarios. Todos están hechos de arcilla: silicatos
laminares como aluminio-silicato hidratado. Cuando se humedece, la
arcilla lleva agua entre las láminas de silicato volviéndola plástica y
fácilmente conformable. Cuando se seca, pierde su plasticidad
haciéndola fácil de manejar previo a la cocción. La cocción entre los
800° y los 1200° elimina el agua remanente y hace que la sílice se
combine con impurezas que forman un vidrio líquido que moja el resto
del sólido. El vidrio solidifica durante el enfriamiento (aunque se
mantiene como vidrio) proporcionando resistencia al material
compuesto final de silicatos cristalinos unidos por enlaces vítreos. La
cantidad de vidrio formado durante la cocción es crucial, ya que si es
demasiado la adhesión será pobre, mientras que si es demasiada los
productos se desmoronarán o fundirán completamente.
Ya que la mayoría de las cerámicas vítreas son porosas, se sella la
superficie aplicando un barniz y recociéndolas a una temperatura más
baja que la de la cocción. El barniz no es más que polvo de temperatura
de baja fusión que se absorbe a los poros, le da impermeabilidad al
agua, suavidad y libra de agujeros que fácilmente producirían una grieta
la cerámica.
Procesado
Algunas cerámicas son procesadas mediante la colada en fusión, que es
un proceso equivalente a la colada de los metales, aunque no es una
técnica predominante en los cerámicos debido a sus altas temperaturas
de fusión. 30
El moldeo en barbotina es una técnica más típica de procesado de
cerámicos. La colada se realiza a temperatura ambiente. La barbotina es
una mezcla de polvo y agua que se vierte en un molde poroso. La mayor
parte del agua es absorbida por el molde, dejando una preforma de
polvo relativamente rígida que se puede extraer del molde.
La calcinación se hace a temperaturas más altas, la mayor parte
de la pieza calcinada se debe a la difusión en estado sólido. En muchos
cerámicos intervienen otras reacciones a altas temperaturas.
El procesado biomimético es el nombre que se le da a las
estrategias de fabricación de cerámicos de ingeniería que imitan los
procesos naturales, es decir, síntesis acuosa y a baja temperatura de
óxidos, sulfuros y otros cerámicos mediante la adaptación de principios
biológicos.
(b) Vidrios
Materiales no Cristalinos
Los ejemplos tradicionales de este tipo de material son los vidrios de
silicato. La fabricación de los vidrios requiere óxidos, y estos se pueden
clasificar como generadores de red, modificadores de red e intermedios.
Los generadores de red son óxidos que forman poliedros, con
bajos números de coordinación. Estos óxidos pueden conectarse con la
red de tetraedros asociados a la sílice vítrea.
Los óxidos de elementos alcalinos y alcalinotérreos no forman
poliedros óxidos en la estructura del vidrio sino que tienden a romper la
continuidad de la red de sílice. La rotura de la red es el origen del
término modificadores de red.
Algunos óxidos no son, por sí mismos, formadores de vidrios, pero
al catión puede sustituir al ión de la red de tetraedros, contribuyendo
31
por lo tanto a estabilizar dicha red. Tales óxidos se conocen como óxidos
intermedios.
Naturaleza de los Principales Vidrios de Silicato Comerciales
La sílice vítrea de alta pureza puede soportar temperaturas de
servicio superiores a los 1000 °C debido a la ausencia de
modificadores de red. Se utiliza típicamente en crisoles de alta
temperatura y ventanas de horno.
Los vidrios de borosilicato poseen en la red una combinación de
poliedros triangulares y de tetraedros. Añadir al vidrio en torno al
5 por ciento en peso de Na2O le proporciona buena
conformabilidad sin sacrificar la durabilidad asociada a los óxidos
formadores de vidrios.
La composición del vidrio E representa una de las fibras de vidrio
más comunes. Es un ejemplo de fibra reforzante en los materiales
compuestos modernos.
Los esmaltes cerámicos son recubrimientos de vidrio aplicados a
cerámicos tales como la alfarería y productos de arcilla.
Proporcionan una superficie bastante más impermeable en
comparación con el material sin recubrimiento.
Los esmaltes metálicos son recubrimientos vítreos aplicados a los
metales. Es importante por suponer una barrera contra los
ambientes corrosivos que rodean al metal, más que por la
apariencia superficial que proporciona.
Los vidrios de óxidos no silicatos tienen poca importancia
comercial debido a su reactividad con ambientes típicos como el vapor
de agua. Sin embargo, pueden emplearse como adiciones a los vidrios
de silicato.
Estructura
32
Una estructura simple de un vidrio podría ser aquella que se encuentra
centrada en el cuerpo, y se construye sobre la rede de Bravais cúbica
simple con dos iones asociados a cada punto reticular. Existen dos iones
en cada cela unidad.
Una estructura, que se da de manera más común en vidrios
comerciales, es aquella que se puede considerar como la
interpenetración de dos estructuras FCC, una formada por iones de sodio
y otra por iones de cloro (NaCl). Se trata de una red de Bravais FCC con
dos iones asociados a cada punto reticular. En cada celda unidad hay
ocho iones.
La sílice, que es
tan ampliamente
33
usada en la ingeniería, carece de una estructura sencilla. De hecho, no
se trata de una simple estructura, sino de muchas. Un ejemplo es la
cristobalita, que se construye sobre una red de Bravais FCC en la que
hay seis iones asociados a cada punto reticular. Esto hace que en cada
celda unidad haya 24 iones.
Propiedades
Al igual que los cerámicos, los vidrios también poseen fragilidad. La
importancia de los virios en la ingeniería reside en otras propiedades
como su capacidad para transmitir luz visible.
Al igual que los materiales cerámicos, los vidrios tienen fractura
frágil, es decir, son débiles en tracción, pero relativamente resistentes
en compresión. El parámetro de resistencia es el módulo de rotura de
igual
34
manera. Así mismo, el comportamiento de los vidrios no es único, y
depende ampliamente de los defectos que posee.
Procesado de Vidrios
Durante un proceso típico de conformado de vidrio la naturaleza viscosa
del estado vítreo juega un papel muy importante en su secuencia de
pasos. La desvitrificación controlada lleva a la formación de vitro
cerámicas.
El procesado sol-gel se encuentra entre las nuevas tecnologías
para la fabricación de vidrios. Este método permite la formación de
partículas uniformes y finas de alta pureza a temperaturas
relativamente bajas. La característica fundamental de la técnica es la
formación de una disolución organometálica.
La fase dispersa sol se convierte en un gel rígido que, a su vez, se
reduce hasta su composición final por medio de diversos tratamientos
térmicos. Una ventaja de este proceso es que el producto que se forma
inicialmente mediante este procedimiento de fase líquida puede ser
calcinado a temperaturas más bajas.
Comportamiento térmico del vidrio
Durante la fabricación de los vidrios la temperatura a la que se maneje
influye directamente en sus propiedades finales. La gráfica siguiente
muestra la curva de templado de un vidrio tipo pyrex, en la que el límite
superior es el estado líquido del vidrio en el que fluye fácilmente,
mientras que el límite inferior es el punto de temperatura en el que se
puede enfriar rápidamente sin adquirir una tensión permanente.
35
Otro factor que
depende de la
temperatura del vidrio es la viscosidad, que se define como la
resistencia que presenta un líquido al fluir. Lo que se busca en un vidrio,
36
es que sus valores de viscosidad sean constantes (invariables), por lo
que depende de la temperatura a la que se trate el material, los valores
de viscosidad que va adquiriendo como se muestra en las gráficas.
37
Otro factor dependiente de la temperatura es la densidad, aunque
afecta al comportamiento de un vidrio en conjunto con la composición
química del material. De manera similar, las diversas fuerzas que
pueden actuar sobre el vidrio dependen de la temperatura a la que se
encuentre ya que esta afecta de manera directa a los enlaces químicos
del mismo.
Una de las propiedades características de los vidrios es su resistencia a
la corrosión. A pesar de parecer materiales inertes, los vidrios
comerciales reaccionan a diversas sustancias, sólo que lo hacen muy
lentamente y eso les da mucha practicidad para ser empleados en una
gran variedad de trabajos. Los recubrimientos de vidrio son resistentes a
todas las concentraciones de ácido clorhídrico a temperaturas menores
a 200°C; a todas las concentraciones de ácido nítrico hasta el punto de
ebullición; el ácido sulfúrico diluido hasta el punto de ebullición y
concentrado hasta los 300°C.
Por otro lado, se sabe que a temperaturas bajas, los vidrios multi
componentes son aislantes, a todas las temperaturas son conductores
electrolíticos, y de 25 a 1200° C su resistividad es variable. La
resistividad de un vidrio disminuye considerablemente cuando la
temperatura aumenta y se comporta como un semiconductor.
38
Coloración del Vidrio
Los vidrios adquieren color si a las mezclas se les añaden impurezas de
metales de transición que no afectan ninguna de sus propiedades, y que
además le suman a los usos del vidrio el del ornamental.
El cobre en estado de oxidación +1 da un color rojo rubí; en +2 da un
color verde; el cobalto produce un color azul; el selenio combinado con
sulfuro de cadmio proporciona un color rojo; el rubí también se puede
producir con oro y cobre en su estado elemental; impurezas de óxido de
hierro hacen que se vea verdoso; el níquel brinda colores azul, violeta y
negro dependiendo de la concentración; el morado se obtiene a partir de
cuarzo amatista; el cromo da un color verde.
(c) Pétreos
Ingeniería Geológica
Mecánica de Rocas
Se trata del estudio teórico y práctico del comportamiento y las
propiedades del material rocoso y el las reacciones que presenta ante
las acciones que hay en su entorno físico. Sus aplicaciones se pueden
agrupar en aquellas en las que el material rocoso forma parte de la
estructura, cuando la roca es el soporte de la estructura, y cuando el
material rocoso se emplea como material de construcción.
39
Las masas rocosas aparecen generalmente alteradas por
discontinuidades o superficies de debilidad en la matriz rocosa (roca
intacta) formando en conjunto los macizos rocosos. Dichas
discontinuidades son las que definen el carácter diferencial de la
mecánica de rocas comparado con estudio de suelos.
Las características, comportamiento y deformacional de los
materiales rocosos y macizos varía mucho debido a los factores tan
diferentes de los que dependen. Lo que busca la mecánica de rocas es el
predecir el comportamiento de los materiales rocosos ante las fuerzas
internas y externas que se ejercen sobre ellos. Cuando se realiza una
excavación en un macizo rocoso, sus propiedades pueden cambiar en
diferentes niveles y zonas.
Saber las tensiones y deformaciones que puede sufrir un material
rocoso ante ciertas condiciones puede ayudar a evaluar su
comportamiento mecánico, permitiendo relacionar el diseño de
estructuras y las obras de ingeniería, que subsecuentemente describe el
comportamiento de las diferentes rocas depende de los materiales y las
condiciones a las que estén sometidos.
Las propiedades físicas abarcan las propiedades resistentes y
deformacionales en la roca sana y son el resultado de la génesis y
procesos tectónicos y geológicos que sufren las rocas en su historia. El
comportamiento mecánico de los macizos influye además en sus
características geológicas. A ambas escalas, la respuesta mecánica
depende mucho de otros factores (ambientales, meteorológicos,
climatológicos, etc.) y dan lugar a procesos de alteración y
meteorización, modificando las propiedades iniciales de las rocas sanas.
La estructura geológica y el estudio de las discontinuidades son
importantes ya que los planos de debilidad existentes controlan los
40
procesos de deformación y rotura en los macizos de manera superficial,
que es donde se realizan las obras de ingeniería.
La cantidad de influencia de los bloques de matriz rocosa en el
comportamiento general de los macizos dependerá de sendas
propiedades relativas, del número, naturaleza y características de sus
discontinuidades y el ámbito para el cual sea considerado. Al evaluar
estos aspectos en ingeniería civil, se debe considerar la magnitud de la
obra, la del macizo rocoso y el espacio entre las discontinuidades.
Las obras de ingeniería modifican el estado tensional al que están
sometidos los macizos rocosos en un tiempo muy corto si se le compara
con los procesos geológicos, por ello es importante saber los estados de
tensión previos y evaluar su influencia sobre las obras.
El agua que se encuentra en los macizos altera muchas de sus
propiedades, lo que dificulta su excavación superficial y subterránea.
Para evaluar la influencia del agua en la roca se debe saber la
permeabilidad y flujo del mismo así como las propiedades del agua
subterránea.
El tiempo a escala humano y el tiempo geológico son diferentes.
Esto se debe tener en cuenta ya que las obras aceleran algunos
procesos cambiando las propiedades de los macizos rocosos, de modo
que se deben evaluar cada cierto tiempo observando la evolución que
tienen los cambios generados por las condiciones a las que están
sometidos.
La meteorización desintegra y descompone los macizos rocosos,
principalmente los arcillosos, es el factor tiempo-dependiente más
importante, también se puede dar expansión en algunas rocas por
liberación de tensión o por reacciones químicas. Materiales rocosos
blandos o intensamente fracturados pueden sufrir procesos de fluencia
41
en los que pierden resistencia con el paso del tiempo bajo las
condiciones a los que están sometidos (comportamiento reológico).
Si se desea predecir el comportamiento de un macizo rocoso en
alguna situación dada que altere sus propiedades iniciales es necesario
saber sus propiedades globales y su comportamiento mediante métodos
de investigación y estudio que abarcan conocimiento geológico y la
observación de campo para poder evaluar las condiciones de la
mecánica de rocas. En todos los casos, la experiencia es un factor
importante para la correcta interpretación y valoración de los diferentes
aspectos.
Los ensayos de laboratorio permiten cuantificar las propiedades
físicas y mecánicas de la matriz rocosa que definen su comportamiento
mecánico, como la naturaleza de la roca, la resistencia ante la rotura, la
deformación a corto y largo plazo, la influencia del agua en el
comportamiento, el comportamiento ante la meteorización y el
comportamiento en función del tiempo.
Rocas y Suelos
Las rocas son agregados duros y compactos de partículas naturales con
fuertes uniones cohesivas permanentes. Los suelos son agregados
naturales de granos minerales unidos por fuerzas de contacto normales
y tangenciales, a las superficies de partículas adyacentes, separado por
medios mecánicos de poca energía o por la agitación en agua.
A diferencia de las rocas, los suelos tienen menos características
variables, lo que hace que su análisis mediante pruebas de laboratorio
sea más sencillo. Algunas propiedades físicas diferenciales de las rocas
son:
Generación de mecanismos y superficies de fractura en procesos
de deformación
42
Módulos de deformación altos
Baja permeabilidad
Los macizos rocosos se ven afectados en su sitio por fuerzas
tectónicas, mientras que los suelos están sometidos a estados de
esfuerzo relativamente bajos. Una manera de diferenciar una roca de un
suelo es el valor de resistencia a compresión simple. Existe una zona de
transición en la cual se pueden hallar los suelos duros y las rocas
blandas. Las rocas se pueden clasificar de la siguiente manera de
acuerdo a su composición, relaciones geométricas de sus partículas y
características genéticas en los siguientes grupos:
Rocas sedimentaria: detríticas y no detríticas
Rocas ígneas: plutónicas y volcánicas
Rocas metamórficas
Macizos Rocosos
Las discontinuidades de un macizo rocoso separa en bloques la
matriz rocosa. Esta estructura en bloques le da una naturaleza
discontinua a los macizos rocosos en cuanto a sus propiedades y su
comportamiento. Esto hace que los macizos rocosos sean anisotrópicos
y además la variación de propiedades y comportamiento se da en varias
zonas de un mismo macizo rocoso. Estas variaciones se dan inclusive a
nivel microscópico.
Las superficies de discontinuidad condicionan la resistencia del
conjunto y los mecanismos y zonas de deformación y rotura. Este control
de las discontinuidades es definitivo en macizos de rocas duras y
resistentes, donde la resistencia de los bloques de matriz es muy
superior a la de los bloques que los separan. En macizos rocosos esta
diferencia puede no ser tan importante e incluso llegar a gobernar el
comportamiento del macizo en la matriz rocosa.
43
Al realizar obras sobre un terreno se modifican las propiedades
iniciales del macizo rocoso debido a las fuerzas tanto externas como
internas que actúan sobre él, controlando su comportamiento mecánico
y sus modelos de deformación y rotura. Los factores geológicos que
dominan el comportamiento y las propiedades mecánicas de los macizos
rocosos son:
La litología y propiedades de la matriz rocosa
La estructura geológica y las discontinuidades
Los esfuerzos a los que está sometido el material
El grado de alteración o meteorización
Las condiciones hidrogeológicas
El tipo de roca y su alteración representan las propiedades
resistentes de la matriz rocosa. Los esfuerzos que actúan sobre las rocas
los determinan los modelos de deformación y comportamiento mecánico
del conjunto del macizo; el estado de esfuerzos es consecuencia de la
historia geológica. Al construir una obra, se debe considerar que algunas
rocas blandas se alteran con el simple paso del tiempo o al estar
expuestos a ciertas condiciones atmosféricas. La importancia de las
alteraciones que pueda sufrir un macizo rocoso deberá ser considerada
en función de la obra que se planea construir.
Propiedades físicas de matriz rocosa
Estas propiedades se pueden determinar mediante varios procesos para
poder llegar a una descripción geológica de la roca, además de que para
interpretar las propiedades físicas es necesario realizar un estudio
petrofísico.
Las propiedades físicas (propiedades índices) de la roca se
determinan en laboratorio, las más importantes son la porosidad, el peso
específico, la permeabilidad, la alterabilidad, la resistencia y la velocidad
de propagación de ondas sónicas. 44
La porosidad es la relación entre el volumen ocupado por los poros
y huecos de la roca y el volumen total. Es la propiedad que más afecta
las propiedades mecánicas y físicas, y tiende a disminuir con la
profundidad y la edad de las rocas. La porosidad eficaz es la relación
entre los poros interconectados y el volumen de la muestra. En las rocas
la porosidad real suele ser mayor que la eficaz ya que los poros no
suelen estar interconectados.
El peso específico (peso unitario) de la roca se define como el peso
por unidad de volumen. Depende de sus componentes y se usa, a veces,
el término densidad para referirse a lo mismo.
La permeabilidad es la capacidad de transmitir agua de una roca.
En general es baja en las rocas, pero el flujo de agua en ellas depende
45
de factores internos (como la porosidad) así como el grado de
meteorización, su anisotropía y los esfuerzos a los que esté sometido.
La durabilidad (alterabilidad) se refiere a que tan resistente es la
roca a procesos de desintegración y alteración. La durabilidad de una
roca aumenta con la densidad y se reduce con el contenido del agua.
La resistencia a la compresión simple es la relación entre la fuerza
compresiva aplicada y el área de aplicación. La resistencia a la tracción
es el máximo esfuerzo que soporta la roca ante la rotura por tracción.
La velocidad de propagación de las ondas elásticas al atravesar la
roca depende de la densidad y de las propiedades elásticas del material,
y arroja información como la porosidad.
Clasificación de las rocas con fines geotécnicos
Estas clasificaciones aportan la composición mineralógica, textura y
fábrica de las rocas, así como su anisotropía o isotropía estructural.
Estos factores influyen sobre las propiedades físicas y resistentes de las
rocas. También es importante incluir el comportamiento del material
rocoso en algunos procesos geológicos. No obstante, estas
clasificaciones no aportan información cuantitativa sobre las
propiedades, mismas que pueden variar aunque la clasificación sea
similar.
La resistencia a la compresión simple es la propiedad más medida
en las rocas y se usa para clasificarlas de acuerdo a su valor. Otro valor
usado para clasificar las rocas es el módulo relativo, que es la relación
entre su módulo de elasticidad y su resistencia a la compresión simple.
El grado de meteorización de la matriz rocosa permite clasificar las rocas
de manera cualitativa, ya que aporta una idea sobre sus características
mecánicas o geotécnicas.
46
Clasificación de macizos rocosos
Esta clasificación se basa en alguno de los factores que define su
comportamiento mecánico:
Propiedades de la matriz rocosa
Frecuencia y tipo de discontinuidades
Grado de meteorización o alteración
Estado de tensiones
Presencia de agua
Otro parámetro que se emplea en la clasificación es el índice de
velocidad relativa, que relaciona el índice de velocidad relativas medidas
y se utiliza como criterio de calidad.
El grado de meteorización se emplea también como parámetro
cualitativo de clasificación, porque influye en su resistencia y sus
propiedades mecánicas.
Meteorización de materiales rocosos
La meteorización es la alteración o desintegración de los materiales
geológicos en superficie, e incluye las alteraciones físicas y químicas que
modifican las características y propiedades de los materiales. Este
proceso da lugar a los suelos, que pueden permanecer en el lugar de
47
origen sobre la roca madre (suelos residuales) o pueden ser
transportados (suelos transportados). De acuerdo al grado de
meteorización que haya sufrido un material, este puede adquirir
propiedades de roca o de suelo. De aquí suele surgir un problema a la
hora de definir si un material es suelo o roca, y se establece por al grado
de compactación o cementación y por la durabilidad.
La meteorización está condicionada por el entorno climático y sus
variables donde se encuentre el material, ya que se define el grado de
alteración física y química que lo transforma. Las acciones de origen
físico producen la fracturación mecánica de las rocas, las más
importantes controladas por el clima son:
Formación de hielo: el agua rellena poros y grietas, y al aumentar
su volumen con el cambio de temperatura produce fracturas.
Insolación: Se producen fracturas debido a cambios de
temperatura en periodos cortos de tiempo (sobre todo en lugares
áridos).
Formación de sales: Cuando se forman sales en las porosidades y
grietas y los cristales se expanden se provocan fracturas.
Hidratación: algunos materiales (arcillas) aumentan su volumen al
hidratarse, deformándose y generando fracturas.
Capilaridad: los minerales con estructuras hojosas permiten el flujo
del agua en sus fisuras, y con los cambios de temperatura
combinado con los coeficientes de dilatación puede producir
fracturas.
Los procesos químicos se dan en presencia de agua, y causan la
formación de nuevos minerales o compuestos a partir de los existentes.
Los más importantes son:
48
Disolución: Se descomponen los materiales gracias a la acción del
agua, teniendo como consecuencia la desintegración del material
involucrando procesos químicos.
Hidratación: Se forman nuevos compuestos químicos o minerales
por la acción del agua.
Hidrólisis: Descomposición de un mineral por la acción del agua
que depende de los iones en el proceso.
Oxidación y Reducción: Formación de nuevos minerales por la
ganancia o pérdida, respectivamente, de oxígeno.
Meteorización de la matriz rocosa
La acción y efectos de meteorización serán diferentes según sea la
composición mineralógica de la roca así como sus propiedades
estructurales. Mientras la meteorización química da lugar a la formación
de nuevos minerales, la física debilita y rompe la roca, exponiéndola a la
atmosfera y al agua. Mientras mayor sea la diferencia entre las
condiciones bajo las cuales se forma una roca y las condiciones a las que
esté expuesta será más fácil su meteorización.
Las rocas arcillosas son las que más sufren la meteorización física
y las que más sufren su influencia en sus propiedades físicas y
mecánicas, sin embargo, estas rocas no tienden a ser tan susceptibles a
la meteorización química. El caso inverso son las rocas ígneas o
metamórficas, ya que son muy resistentes a la meteorización química,
no así a la meteorización química. Por otro lado, las más resistentes a la
meteorización física son las rocas sedimentarias.
Uno de los efectos de la meteorización química sobre las rocas
más importante es el de la pérdida de resistencia, que aumenta junto
con la intensidad de la meteorización. Diferentes ensayos de laboratorio
permiten analizar la resistencia de una roca frente a la meteorización,
así como los análisis mineralógicos permiten determinar el grado de
49
meteorización de la matriz rocosa. La clasificación de las rocas de
acuerdo a su grado de meteorización se lleva a cabo mediante
descripciones visuales e índices estándar.
Meteorización de macizos rocosos
Estos procesos afectan a los planos de matriz rocosa superficiales y a las
discontinuidades existentes. Este proceso puede abrir las
discontinuidades existentes o crear nuevas por donde el agua pasa
fácilmente, dando pauta a la meteorización química y física. El producto
final de la meteorización del macizo rocoso son los suelos residuales, y
según el grado del proceso sufrido se pueden comportar como matrices
rocosas o como suelos en sí. Entre más tiempo este expuesta una
litología a los agentes atmosféricos, mayor será el proceso de
meteorización.
La profundidad de la meteorización depende el tipo de clima, tipo
de roca y el tiempo de actuación de los procesos. Un aspecto importante
de el proceso de meteorización son los procesos de descarga por erosión
que forman una estructura en capas, este fenómeno es más importante
en aquellos materiales que presentan planos de debilidad existentes.
Las rocas arcillosas se encuentran frecuentemente en la superficie,
cuando sufren procesos de descarga por erosión se abren sus juntas
tectónicas exponiéndose al agua y a la meteorización de la roca. No
obstante, en las profundidades de la roca arcillosa las juntas se hallan
cerradas y libres de meteorización.
En los macizos calizos los procesos de meteorización causan
formaciones de relieves irregulares en los cuales coexisten diferentes
tipos de suelos y rocas.
La exposición de rocas ígneas da lugar a fracturas que permiten la
meteorización química, produciéndose una alteración mineralógica de la
matriz rocosa. Las discontinuidades son las zonas preferenciales a la 50
alteración, y entre ellas los bloques de matriz meteorizan esféricamente
en capas, dejando la parte central intacta.
Los macizos basálticos tienden a meteorizarse por los planos de
fractura, de manera esferoidal, alterando sus minerales a arcilla y óxido
de hierro.
El grado de meteorización puede obtenerse a partir del parámetro RQD,
siendo indicativo el número de discontinuidades de la predisposición a la
alteración. Otro indicativo de su grado de alteración es la velocidad a la
que atraviesan las ondas sónicas por el macizo.
El agua subterránea
La permeabilidad puede ser definida como la capacidad del medio
rocoso para que el agua fluya a través de sus huecos o vacíos
interconectados. Es una propiedad intergranular de las matrices rocosas,
el agua se transmite por los poros y micro fisuras interconectados
recibiendo el nombre de permeabilidad primaria. En los macizos rocosos
el agua fluye a partir de las superficies de discontinuidad y recibe el
nombre de permeabilidad secundaria.
En los macizos rocosos permeables se establece un nivel de agua
en el cual los poros o micro fisuras están llenos, esta superficie (nivel
freático) se adapta a la topográfica y está condicionada por sus cambios.
El flujo de agua de un macizo rocoso depende de sus discontinuidades y
que tan abiertas estén, y a cierta profundidad se encuentran totalmente
cerradas. La permeabilidad de una matriz rocosa se define mediante
pruebas de laboratorio, mientras que las del macizo rocoso se hacen
mediante pruebas en el sitio.
Efectos sobre las propiedades del macizo rocoso
51
El agua influye en su comportamiento mecánico y sus reacciones ante
las fuerzas que se aplican, las más importantes son:
Influye en la resistencia de rocas blandas y materiales
meteorizados
Reduce la resistencia de la matriz rocosa en las rocas porosas.
Rellena las discontinuidades de los matrices rocosos y afecta su
resistencia
Las fallas, discontinuidades, y zonas meteorizadas o alteradas son
caminos para el agua.
Produce meteorización química en matrices y macizos rocosos.
Es un agente erosivo
Produce reacciones químicas que pueden cambiar la composición
del agua.
La presencia del agua reduce los esfuerzos normales actuando en las
partículas minerales, por lo tanto la resistencia de la roca disminuye si
tiene poros rellenos de agua.
Tensiones y deformaciones en las rocas
Las rocas poseen diferentes defectos en su composición, además de que
poseen discontinuidades y zonas meteorizadas, lo que hace que sus
respuestas a las fuerzas que se aplican varíen.
El estado mecánico de un sistema está caracterizado por:
La posición de cada una de sus partes definido por sus
coordenadas.
Las fuerzas que actúan sobre y entre las partes de un sistema.
La velocidad con que las partes cambian de posición.
La diferencia entre dos estados mecánicos se define por el
desplazamiento, las deformaciones y los cambios en el estado tensional
o de esfuerzos.
52
El desplazamiento es el cambio de posición de una partícula. La
deformación es la relación entre la variación de longitud y la longitud
inicial entre partículas. El estado tensional de un sistema es la
consecuencia de las fuerzas actuando sobre él; al variar las fuerzas,
varia el estado de tensiones. Las fuerzas son las principales definidoras
del estado y comportamiento mecánico de un sistema. Sobre un cuerpo
rocoso, actúan dos fuerzas: la fuerza gravitatoria o volumétrica, y las
fuerzas superficiales que son ejercidas por el material que lo rodea.
Origen y formación de los suelos
Los suelos tienen su origen en macizos rocosos preexistentes que
constituyen la roca madre, sometida a la acción ambiental disgregadora
de la erosión en sus tres facetas:
Física: Los cambios térmicos y el agua rompen la roca inicial y la
dividen en fragmentos cada vez más pequeños, creando las
partículas que forman el suelo.
Química: Diferentes fenómenos tienden a cementar o a disgregar
la roca, es decir, puede unir o dividir particular tamaño suelo, sin
embargo, destruye más de lo que une.
Biológica: Las bacterias inducen putrefacciones de materiales
orgánicos mezclando el producto con otras partículas de origen
físico químico.
Todo lo anterior da lugar a fenómenos de disgregación y
transformación de la roca creando el perfil de meteorización. En este
perfil la roca madre es la parte más baja y alejada de la superficie y el
suelo la más alta. Cuando el suelo formado se queda en el lugar de la
roca madre se le llama suelo residual, cuando sufre algún tipo de
movilización se denomina suelo transportado.
Suelos en ingeniería geológica
53
Los suelos tienden a comportarse de manera distinta dependiendo de
factores de la naturaleza que los rodea y de la acción que ejerce el
humano sobre ellos. Si el terreno es un macizo rocoso, la respuesta
viene condicionada por propiedades físicas y químicas, pero si se trata
de un suelo, la situación cambia sustancialmente:
Los suelos están formados por partículas indeformables
En esas partículas no cementadas ocupan un volumen total del
orden del volumen ocupado por ellas
Un suelo es un sistema multifase
Los huecos del suelo pueden estar llenos de agua (saturados) o de
agua y aire (semis aturado) lo que condiciona sus respuestas.
La materia que constituye el suele presenta propiedades de
acuerdo a la materia que la haya dado origen, de modo que se pueden
encontrar diferentes componentes en el.
El suelo se define como un agregado de minerales unidos por
fuerzas débiles de contacto fáciles de separar. La respuesta del suelo
frente a las acciones que ejercen las obras de ingeniería sobre el supone
un movimiento de partículas que depende de:
La proporción de materia sólida que exista en un volumen unitario
de suelo de referencia.
El tamaño y distribución de las partículas.
El volumen relativo de huecos
El tamaño medio de los huecos.
Todo lo anterior hace necesario que en los suelos se tenga que analizar:
Los problemas de deformabilidad que introducen las cargas y
fuerzas exteriores.
Los problemas de flujo de agua en el interior del suelo que
condicionan su respuesta.
54
Estado de los suelos
La metodología del análisis de suelos frente a las acciones exteriores es
la siguiente:
Identificación del tipo de suelo, determinando su granulometría y
plasticidad.
Determinación de su estado real (las proporciones de sólidos,
agua, etc.).
Cambios en el estado tensional que inducen las acciones
exteriores.
Los primeros índices para determinar el estado inicial del suelo son
su porosidad el índice de huecos o poros (relación entre el volumen de
huecos y el volumen de sólidos). Para estimar la concentración relativa
entre sólidos y agua se usan varios parámetros:
Peso específico de partículas: valor medio de los correspondientes
a diversas partículas.
Peso específico aparente seco: relación entre el peso aparente de
los sólidos de la muestra y el volumen que ocupan aparente.
Peso específico aparente saturado: Es la relación entre el peso de
los sólidos más el peso del agua en los huecos y el volumen
aparente del volumen de referencia.
Peso específico aparente: Relación entre el peso de la muestra y
su volumen aparente.
Peso específico del agua: el fluido intersticial.
Humedad: relación entre el peso del agua que contiene la muestra
y el peso de sus sólidos.
Grado de Saturación: relación entre el peso del agua que contiene
la muestra y el que contendría si estuviera saturado.
Definir el contenido de humedad equivale a identificar la consistencia
inicial del suelo.55
Mecánica de Rocas
Un ingeniero debe saber reconocer los minerales y rocas que son más
comunes en su área de trabajo. A su vez, debe considerar que aunque
hay más de 1000 tipos de minerales, es mejor saber identificar los que
se encuentra en su trabajo, además de relacionarse con personas que
estén especializadas en el área de los pétreos.
Minerales formados de rocas
Estos tienden a ser típicamente silicatos, carbonatos y sales como
sulfatos y cloruros. Los minerales de silicato se forman a partir del
tetraedro (SiO4), en diferentes estructuras con otros iones diferentes.
Los tetraedros con estructura en forma de isla no comparten las
esquinas, son los de más alta temperatura de su grupo y son sensibles a
la erosión y al desgaste cuando se exponen a la atmosfera. Los de
estructura de hoja se fracturan fácilmente en una dirección y tienen baja
resistencia en dirección paralela a las hojas. Los de estructura de cadena
y de red generalmente son muy durables y bastante resistentes.
Los carbonatos con muy poco solubles en agua, a no ser que el
agua haya sido filtrada a través del suelo o contaminada por desechos
industriales. Las rocas compuestas de estos minerales se comportan de
manera plástica, ya que los carbonatos tienden a duplicarse fácilmente
al deslizarse en superficies intracristalinas. Otras sales, por el contrario,
son altamente solubles en el agua. Las rocas comunes compuestas de
minerales son las siguientes:
Silicatos: Cuarzo, feldespato, mica, clorita, anfíboles, piroxena y
olivino.
Carbonatos: Calcita y dolomita.
Otros: Yeso, anhidrita, halita, pirita, y grafito.
Otros minerales importantes
56
Pocos minerales son aquellos que causan problemas que interfieren con
las rocas. La mayoría de las dificultades tienen que ver con la
contaminación, corrosión rápida, abolladuras, ataques químicos de rocas
cercanas, conducta dañina en el concreto y fricción muy baja. Muchos
de estos minerales son difíciles de identificar, sin embargo se debe
aprender a reconocer y nombrarlos, apoyándose en diferentes reportes
geológicos. Algunos de los problemas que causan los minerales son los
siguientes:
Minerales solubles: calcita, dolomita, yeso, anhidrita, halita y
zeolita.
Minerales inestables: marcasita y pirrotita
Minerales potencialmente inestables: nontronita nefelina, leucita y
micas ricas en hierro.
Minerales que liberan acido sulfúrico al corroerse: pirita, pirrotita y
otros sulfuros.
Minerales con bajo coeficiente de fricción: arcillas, talco, clorita,
serpentina, micas, grafito y molibdenita.
Minerales potencialmente susceptibles a las abolladuras:
montmorillonitas, anhidrita y vermiculita.
Minerales que interfieren con el cemento Portland: opal, vidrio
volcánico, algunos cuarzos, yeso, zeolita y mica.
57
58
Identificación de Rocas Comunes
Para poder asignar el nombre correcto a todas las rocas encontradas en
un proyecto de ingeniería se necesitaría tener conocimientos amplios en
geología y petrología. No obstante, hay una manera más fácil de
identificar rocas de manera práctica y concisa, aunque no siempre es
infalible.
59
60
La división mayor se encuentra entre tocas cristalinas y clásticas (en
cuanto a su textura). No obstante se debe tener cuidado respecto a los
rocas analizadas, ya que algunas tienen poros, y estos poros podrían
tener que ser rellenados para darle rigidez a la roca; en ocasiones los
poros contienen arcilla; y en otras ocasiones, el contenido de los poros
es tan diminuto que se debe someter la roca a pruebas diferentes.
Otra clasificación usada en las tablas es la dureza. Esto corresponde
a si es más duro o no que la navaja de un cuchillo. Es importante saber
que esta prueba no es infalible y que no se puede aplicar a todas las
rocas, por ejemplo, a las que han sufrido erosión o alteraciones
químicas. Sin embargo, esta prueba puede ser muy útil para diferenciar
algunas rocas de otras, sin embargo algunas rocas también deben ser
sometidas a otras pruebas diferentes.
La tercera clasificación es la isotropía y anisotropía. Generalmente,
las rocas metamórficas presentan anisotropía extrema en todas sus
propiedades físicas. Algunas rocas sedimentarias poseen fuerte
anisotropía. Mientras que en otras, sus propiedades las vuelven
aparentemente isotrópicas. No obstante, algunas rocas del mismo grupo
pueden ir de una característica a otra, en su caso, se suelen clasificar de
acuerdo al tamaño de su grano.
Considerando grupos individuales de rocas se debe saber que se
pueden clasificar de acuerdo al tamaño de sus cristales: aquellas con
variedades en sus granos son de origen ígneo plutónicas; aquellas cuyos
cristales son invisibles para el ojo humano son de origen volcánico; y
aquellas que tienen un granulado fino y uniforme son originadas de
algún banco de tierra o arena. Las rocas anisotrópicas cristalinas duras
tienden a ser fuertes, mientras que las suaves no tanto debido a la
influencias de otros minerales.
61
Las rocas isotrópicas cristalinas (incluyendo evaporitas y rocas
ígneas alteradas) presentan características de debilidad y
deformabilidad. Esto se debe a que están asociadas a minerales débiles
o que poseen poca resistencia.
Naturalmente, las rocas más difíciles de identificar son aquellas
cuyos granos y cristales son difíciles de apreciar. De manera general,
entre una roca sea más vieja, tiende a ser más dura y cementada,
aunque hay algunas excepciones drásticas.
Ingeniería de Cimentaciones
Clasificación de Suelos
De manera general, los suelos se clasifican en dos grandes grupos de los
cuales se clasifican los suelos de acuerdo a características más
específicas. Estos dos grupos son los suelos de partículas gruesas
(cuando más del 50% es retenido por la malla no. 200) y los suelos de
partículas finas (el 50% o más pasa la malla no. 200).
Suelos de partículas gruesas
Del lado de los suelos con partículas gruesas, encontramos dos
clasificaciones más: gravas y arenas. Se dice que un material es grava
cuando más del 50% de la fracción gruesa es retenida por la malla no. 4;
y se dice que un material es arena cuando el 50% o más de la fracción
gruesa pasa la malla no. 4.
En las gravas encontramos que cuando están compuestos de
menos del 5% de suelos finos, se llaman gravas limpias, que a su vez se
subdividen en gravas bien graduadas (GW) y gravas mal graduadas
(GP). Cuando la grava tiene más del 12% de finos, se le llama grava con
finos, que a su vez se subdividen en grava limosa (GM) – está se clasifica
como ML o MH – y grava arcillosa (GC) – está se clasifica como CL o CH.
La nomenclatura final que reciben las gravas varía según su
62
composición. Si el suelo contiene 15% o más, se debe agregar “con
arena” al nombre del grupo; si los finos se clasifican como ML o CL, se
debe usar el símbolo dual GC-GM o SC-SM; si los finos son orgánicos, se
añade “con finos orgánicos” al final del nombre del grupo.
Del lado de las arenas, se clasifican bajo el mismo criterio que las
gravas respecto a los finos que las componen en arenas limpias y arena
con finos. En las arenas finas encontramos a las arenas bien graduadas
(SW) y arenas mal graduadas (SP). En las arenas con finos (ML, MH o CL,
CH), se halla la arena limosa (SM) y la arena arcillosa (SC). Además de
las nomenclaturas usadas en las gravas, si una arena contiene 15% o
más de grava, se debe agregar “con grava” al final del nombre del
grupo.
Suelos de partículas finas
Aquí encontramos a los limos y arcillas con límite líquido mayor a 50; así
como limos y arcillas con límite líquido menor que 50. Dentro de la
primera categoría encontramos a las sub clasificaciones de orgánicos e
inorgánicos. En los inorgánicos encontramos a la arcilla de baja
plasticidad (ligera), símbolo CL, es cuando el PI es mayor a 7; y el limo,
símbolo ML, es cuando el PI es menor a 4. Por otro lado tenemos los
orgánicos, que se dan cuando se cumple la siguiente condición:
((Límite líquido - secado en horno) / (límite líquido – no secado)) < 0.75
El símbolo del grupo anterior es OH, y se podría llamar de la
siguiente forma:
Arcilla orgánica / Limo orgánico
En el ámbito de la nomenclatura se debe considerar lo siguiente: si
el suelo contiene 15 a 29% mayor de la malla no. 200 se debe añadir
“con arena” o “con grava”, el que sea predominante; si el suelo contiene
63
30% o más mayor de la malla no. 200, predominantemente grava,
añada “arenoso” o “gravoso” al nombre del grupo.
Depósitos naturales del suelo y exploración del subsuelo
Para diseñar la cimentación adecuada de una edificación se deben
conocer los depósitos del suelo, además de considerar que los suelos
difícilmente serán homogéneos. Aunque el realizar una evaluación
inteligente de un suelo se aprende mediante la experiencia, es
importante conocer los procesos geológicos de la formación de suelos.
Origen del Suelo
Casi todos los suelos se forman gracias al interperismo de las rocas, sea
este mecánico o químico. El interperismo mecánico se da cuando las
rocas se fracturan en piezas de menor tamaño debido a fuerzas físicas.
EL interperismo químico es el que se da gracias a la descomposición
química de la roca original. En el interperismo mecánico, no importa que
tanto o que tan poco se fracture la roca original, esta jamás pierde sus
propiedades químicas, mientras que del lado del interperismo químico,
el material transformado puede diferir mucho de la roca original
químicamente hablando. Casi todos los interperismos de las rocas se
dan de manera combinada.
El suelo producido por interperismos puede clasificarse de dos
maneras según sea el caso: se dice que un suelo es transportado
cuando alguna fuerza física lo mueve del lugar en que se formó; y se
dice que un suelo es residual si este se queda en el lugar de formación
original. Además, también existen los suelos orgánicos y las turbas, que
se originan de la descomposición de materiales orgánicos.
A su vez, los suelos transportados pueden clasificarse en función
de la fuerza que los movió: aluviales o fluviales si los mueve alguna
64
corriente de agua, glaciales si son depositados por la acción de los
glaciales, o eólicos si son transportados gracias a la acción del viento.
Suelo Residual
Los depósitos de suelo residual son comunes en los trópicos, y su
naturaleza depende naturalmente de la roca madre. Cuando rocas como
el granito y el gneis sufren de interperismo, los materiales residuales
tienden a quedar en su lugar. Estos suelos poseen generalmente una
capa de suelo arcilloso o de arcilla limosa y debajo se pueden encontrar
capas de suelo limoso o arenoso; debajo se encuentra roca parcialmente
interperizada y después roca sana.
Las rocas químicas están formadas por mineral de calcita. Estás
rocas tienen grandes cantidades de materiales solubles. Los suelos
residuales generados a partir de rocas químicas poseen una zona
gradual de transición el lecho de roca. Casi todos estos suelos tienen un
color gris uniforme, y la intemperización puede variar según la
profundidad. Los suelos residuales inmediatamente arriba del lecho
rocoso suelen estar consolidados. Por esta razón, cuando la cimentación
sobre estos suelos es muy grande, está puede sufrir grandes
asentamientos.
Depósitos aluviales
Estos depósitos causados por corrientes de agua se dividen en dos
partes, los depósitos de corrientes entrelazadas (anastomosadas) y los
causados por el serpenteo meándrico de las corrientes.
Las corrientes entrelazadas son de flujo rápido, gradiente pronunciado,
altamente erosivas y arrastran muchos sedimentos. Un cambio pequeño
en la velocidad del flujo ocasionará un depósito de sedimentos y así
generan canales convergentes y divergentes separados por bancos de
65
arena e islotes. Las características comunes de un depósito de este tipo
son las siguientes:
Los tamaños de partícula varían entre las gravas y los limos,
partículas con tamaños asociados a las arcillas no se suelen
encontrar en estos depósitos.
El suelo es bastante uniforme a pesar de la variación del tamaño
de partícula.
La relación de vacíos y el peso específico pueden variar mucho en
poca distancia lateral, pero estas variaciones se pueden detectar
durante la exploración del suelo previa a la cimentación.
Los depósitos meándricos se denominan así debido a la sinuosidad
de las corrientes de un río por las cuales de forman. En un río
meándrico, el suelo se erosiona continuamente donde es cóncavo y se
deposita en puntos donde tiene forma convexa. Estos depósitos son
bancos de arena y son conformados por arena y partículas del tamaño
de los limos. Durante las lluvias, los ríos se desbordan arrastrando los
limos y las arenas y depositándolas en las orillas, de manera que forman
bordos naturales. Las partículas más finas son llevadas a planicies de
inundación, sedimentándose a diferentes velocidades formando
depósitos pantanosos.
Depósitos Glaciales
Durante el avance de los glaciares del periodo Pleistoceno, se
arrastraron grandes cantidades de arcilla, limo, y boleos. Los depósitos
dejados atrás por los glaciares se llaman Derrubio; al depósito no
estratificado ubicado debajo de los glaciares al derretirse se llama barro
glaciar. Las características físicas de estos depósitos varían de glaciar a
glaciar.
Los accidentes geomorfológicos ocurridos a partir de los barros
glaciares se llaman morrenas. Una morrena terminal es una cresta de 66
barro glaciar que determina el límite máximo de avance glaciar. Las
morrenas de retroceso se forman a distancias variables de la morrena
terminal. El material de barro glaciar depositado entre las morrenas se
llama morrena de fondo.
Los materiales arrastrados por el agua derretida del frente de un
glaciar se llaman materiales de fusión. Según un patrón similar al de los
depósitos de agua de corrientes entrelazadas, el agua derretida deposita
el material de fusión formando llanuras de aluvión, llamados también
depósitos glaciofluviales.
El agua glaciar arrastra diferentes materiales con diferentes tamaños de
partículas. El agua se queda en numerosas depresiones formando lagos.
Las partículas de limo se sedimentan en el fondo cuando el agua está en
reposo. Cuando el agua se congela, las partículas de arcilla se
sedimentan en el fondo. Cuando el agua se derrite, el proceso se repite,
formando varias capas de limo y arcilla, a este proceso se le llama arcilla
estratificada. La mayor parte de estas láminas son sensibles y
consolidadas, la permeabilidad vertical es menor que la horizontal
aunque muy poco y tienen poca resistencia de carga, además de que se
asientan muy fácilmente.
Depósitos eólicos
67
Cuando grandes áreas de arena se encuentran expuestas, el viento las
puede mover y depositar generalmente en forma de dunas. Una vez
formada la duna, la arena es desplazada sobre la cresta por el viento,
más allá de la cresta, la arena rueda por la pendiente. Este proceso
tiende a formar un depósito compacto de arena sobre el lado expuesto
al viento (barlovento) y un depósito suelto sobre el lado opuesto al
viento (sotavento), de la duna.
Algunas de las propiedades típicas de las dunas son las siguientes:
La granulometría de la arena es sorprendentemente uniforme en
toda la duna gracias a la acción distribuidora del viento.
Entre más lejos explores, las partículas serán más pequeñas y que
el viento mueve con mayor dificultad a las partículas grandes.
La compacidad relativa de la arena depositada sobre el barlovento
va de 50 a 65%, mientras que en el sotavento va de 0 a 15%.
El loess es un depósito eólico de partículas de tamaño del limo. Su
granulometría es uniforme, su cohesión deriva en un recubrimiento
arcilloso sobre las partículas de limo, lo que genera una estructura
estable del suelo en un estado no saturado. Esta cohesión también
puede darse por la precipitación de lixiviados químicos arrastrados por
la lluvia. El loess es muy colapsable ya que cuando se satura pierde su
resistencia adherente entre las partículas.
Suelo Orgánico
Este suelo se encuentra generalmente en regiones bajas donde el nivel
freático esta cerca o por arriba del terreno. Este suelo se encuentra
generalmente en regiones costeras y glaciales. Algunas de sus
características son las siguientes:
Pueden tener entre un 200 y un 300% de humedad.
Son altamente compresibles.
68
Gran porcentaje del asentamiento se deriva de la consolidación
secundaria cuando están bajo carga.
Propósitos de la exploración del subsuelo
La exploración del subsuelo se puede definir como identificar las capas
de los depósitos que subyacen a una estructura propuesta y sus
características físicas. La exploración del subsuelo ayuda a seleccionar
el tipo y profundidad de cimentación adecuada para una estructura,
evaluar la capacidad de carga de una cimentación, detectar problemas
potenciales de la cimentación, determinar la posición del nivel freático,
predecir el empuje lateral de tierra y establecer métodos de
construcción para condiciones cambiantes del subsuelo. Se debe tomar
en cuenta todo lo anterior también cuando se piensa modificar una
estructura ya existente.
Programa de Exploración del Subsuelo
La exploración del subsuelo está conformada por varias etapas:
recolección de información preliminar, el reconocimiento y la
investigación del sitio.
En la primera etapa se abarca el tipo de construcción y su uso
general, cargas aproximadas en las columnas y espaciamiento, reglas
locales de construcción, y requisitos para el sótano. En el caso de los
puentes es necesario saber la longitud del claro y las cargas de los
pilares y estribos.
El reconocimiento consiste en una inspección visual para obtener
información como la topografía general del sitio, existencia de zanjas de
drenado, tiraderos de escombro abandonados, grietas de contracción
profundas y que sigan un patrón; la estratificación del suelo en cortes
profundos; huellas de vegetación del sitio que indique la naturaleza del
suelo; huellas de crecidas de agua en edificios y en estribos de puentes
69
cercanos; niveles de agua subterránea; los tipos de construcciones
vecinas y la existencia de grietas en muros u otros problemas.
La investigación del sitio es el hacer la planeación, realizar
sondeos de prueba y recolección de suelos para hacer pruebas de
laboratorio. La profundidad mínima de los sondeos debe
predeterminarse bajo las reglas que correspondan a la localidad donde
se planea edificar, ya que estas pueden variar de un sitio a otro.
(d) Maderas
La madera fue uno de los principales materiales utilizados por el hombre
para la construcción. Lo anterior lo propiciaron lo avances que
permitieron el uso de energía eléctrica (y de otros tipos) para poder
cortar árboles y darle formas estandarizadas de modo que se pudo darle
un uso constructivo.
Ciclo de Producción Forestal
Antes de poder ser explotada, la madera tiene que pasar por una
serie de etapas:
1. Selección de Especies: Se trata de seleccionar aquellas especies
que pueden sobrevivir a las condiciones bioclimáticas de la zona.
2. Producción de Plantas: Se obtienen las plantas necesarias, ya sea
por reproducción vegetativa o por semilla e injerto. Después se
pueden criar las plantas en vivero o a raíz desnuda.
La producción en vivero es el criar la planta en sus primeros
estados hasta que crezca lo suficiente para poder ser
trasplantada. Involucra la localización del terreno, obtención
de semillas, almácigo y platabanda.
La producción a raíz desnuda es el criar una planta
directamente en el suelo y esperar hasta que crezca lo
70
suficiente por sí misma para poder ser trasplantada, aunque
esto se recomienda en zonas de mucha precipitación.
3. Después se procede a la plantación, que se trata de la acción de
forestar o reforestar un una zona, Después de efectuar la
plantación se llevan a cabo los cuidados como la fertilización y el
riego.
4. Se llevan a cabo podas y radeo1 hasta que los árboles toman el
tamaño y el crecimiento que se desea.
5. Se procede a realizar la cosecha, extracción y transporte para
proceder a transformar la madera y darle un uso específico
(industrial, ornamental, etc.). En esta etapa entra la tala y la
transportación de la materia prima.
Componentes de la Madera
A través de investigaciones se pudieron determinar las
propiedades y los componentes de la madera. Los cuatro componentes
de cualquier tipo de madera son los siguientes:
1. La celulosa: Es el 70% de la madera. La alfacelulosa es
la base para hacer productos de papel, pulpas, textiles y plásticos;
la hemicelulosa se usa muy poco en la actualidad.
2. Lignina: Es del 18 al 28% de la madera y le aporta su
rigidez y resistencia.
3. Extractivos: No son parte de la madera y no afectan
sus propiedades de manera significativa (excepto su color, olor,
sabor y resistencia al deterioro) y consisten en aceites, resinas,
grasas, colorantes, tanino, almidón y ceras.
4. Minerales formadores de ceniza: Son una mínima parte
de la madera, pero forman parte de su estructura.
1 Se fomenta la competencia entre las plantas por la luz y el agua para que las más fuertes sobrevivan. 71
La estructura de la madera y su contenido de humedad son
aspectos que determinan sus propiedades mecánicas.
Expansión Térmica y Humedad
El coeficiente de expansión térmico de la madera es omisible ya
que es muy pequeño comparado a otros cambios que sufre la madera
debido a la humedad. Sin embargo, es importante siempre considerar
las necesidades que se buscan satisfacer al usar la madera, ya que solo
entonces se puede determinar que características y propiedades se
pueden despreciar.
El contenido de humedad altera la madera: cuando absorbe se
hincha y cuando se seca se contrae. El agua que hay en la madera se
puede dividir en agua libre y agua absorbida. El agua libre está en las
cavidades celulares y espacios intercelulares de la madera, y cuando se
elimina queda solamente el agua absorbida (se llega al punto de
saturación de fibra). Esta última es importante en relación con la
contracción2. La madera se altera de diferente manera dependiendo de 2 Considerando que el porcentaje de hinchamiento en relación con el peso de la madera es del 30%, se puede deducir que cada 1% de contenido de humedad equivale a 1/30 de peso de la madera.
72
en
que parte de la estructura se encuentra, pero tiende a deformarse más
en dirección de los anillos de crecimiento y menos a través de ellos.
Como se mencionó, el contenido de humedad altera las
propiedades de la madera, por lo que se debe considerar la manera y el
punto al cual se va a secar dependiendo del uso que se le planee dar.
Tipos de Madera
A la madera recién cortada se le denomina madera verde, y esta
debe ser curada ya sea mediante secado por aire o por estufa. El primer
método permite que se reduzcan los ataques de hongos e insectos, se
reducen el peso y la contracción, así como el agrietamiento, la porosidad
y el torcimiento, se aumenta la resistencia y mejora la capacidad de
retener pintura, clavos y recibir conservadores; por otro lado, usando el
segundo método se reduce aun más el peso y se tiene un control sobre
la humedad de la madera, se destruyen los hongos e insectos y se secan
las resinas; sin mencionar que hay menor degradamiento3.
3 Alteración de las propiedades de la madera ya sea por contracción desigual (grietas, porosidad, torcedura, aflojamiento de nudos y colapso) o la acción de los hongos (agujeros, manchas y deterioro).
73
Algunas maderas (indiferentemente si son blandas o duras) son
resistentes al deterioro, otras necesitan tratamiento mediante
conservadores. Las primeras, desde luego, son las idóneas para
emplearse en caso de que existan un riesgo de deterioro.
La madera comercial se puede encontrar en forma de vigas,
tablas, pilotes chapeado y laminada, y el pie-tablón es su unidad de
medida:
[Largo * ancho (en pulgadas) * largo (en pies)] / 12
Ó
[Largo * ancho (en pulgadas) * largo (en metros)] / 3.657
La madera contrachapada es aquella madera que está hecha con
capas de madera unidas entre sí permanentemente. Una madera
contrachapada está construida de manera balanceada cuando hay un
número par de hojas de madera a los lados de la capa central o núcleo.
La madera contrachapada es dúctil tiene mayor resistencia al
agrietamiento y la rajadura, y tiene menor cambio dimensional respecto
al cambio de humedad.
La madera contrachapada se puede clasificar en dos categorías:
para construcción e industriales y para construcción decorativa. Las
maderas contrachapadas recubiertas son aquellas que tienen
recubrimientos con hojas de pulpa o de papel o tejido impregnado con
resinas sintéticas. Aquellas con panel de fibra de lignocelulosa, que
cuenta con varias clasificaciones que varían principalmente en la
resistencia del adhesivo a condiciones de servicio severas. Las maderas
contrachapadas especiales son aquellas que requieren procesos de
fabricación especiales y se usan principalmente en la aeronáutica y en
las embarcaciones.
74
75
Maderas Estructurales
Entre las diferentes propiedades de la madera estructural se
puede hallar a los factores de resistencia, propiedad que se ve afectada
por la manera de ser aserrada, el contenido de humedad, carga, el
tamaño y número de las imperfecciones,
La densidad afecta directamente a la resistencia, ya que
dependiendo de esta característica junto con la parte del tronco que se
trabaje se le asigna una resistencia. El efecto del curado afecta la
resistencia ya que si se pierde humedad, la resistencia de las piezas
incremente así como su endurecimiento. La madera es capaz de
sostener cargas grandes por periodos cortos de tiempo, mientras es
capaz de soportar cargas menores por periodos más prolongados.
Madera Laminada Estructural
Un laminado se puede definir como una construcción hecha por
varias capas de madera unidas con adhesivo con las fibras de todas las
hojas aproximadamente paralelas.
Al elegir este tipo de madera se deben evitar los esfuerzos
internos, causados por torsión o contracción o combadura, mediante la
selección de hojas que se contraigan de manera proporcional y en la
misma dirección y eligiendo madera aserrada curada.
El contenido de humedad de la madera debe ser considerado
dependiendo de la localización en la que la madera estaría, además de
que se debe también valorar si se deben aplicar productos para
favorecer la conservación de la madera. Las uniones de la madera se
deben evaluar mediante una prueba de esfuerzo cortante de bloque.
Actualmente se puede lograr casi cualquier forma estructural con
la madera laminada estructural, pero es importante considerar la
76
edificación que se planea construir así como la forma básica y las
limitaciones de la madera.
Molduras, vistas y formas ornamentales
El uso de esta categoría va en aumento dado el cambio en la
arquitectura actual. Las maderas que se emplean con estos fines son de
la mejor calidad, deben ser fáciles de trabajar, no se deben combar,
expandir o agrietar fácilmente, y se le deben dar acabados de igual
manera. Se usan para evitar el paso de humedad, agua y aire en los
edificios causados por diferentes factores.
Panel de Fibras de Lignocelulosa y Conglomerado de Padecería de
Madera
Se define como un panel fabricado con fibras de lignocelulosa
tramadas en forma de fieltro y consolidadas mediante calor y presión en
una prensa caliente, y al cual durante el proceso de fabricación de le
pueden agregar otros materiales para mejorar ciertas propiedades.
Hay dos tipos de estos paneles: básico y cubiertas laterales de
paneles lignocelulosa pre acabados. Estos últimos se dividen en cinco
tipos: templado, estándar, templado para servicio, templado e industrial.
El panel básico de lignocelulosa se obtiene perforado conforme a varios
diseños.
Los paneles para exteriores se usan en cubiertas laterales,
paneles, plafones, aleros y puertas; en interiores para muros, plafones,
reforzamiento de sustratos, gabinetería, sustratos de anuncios,
clavijeros, tratamientos acústicos y otros.
El conglomerado se define como un panel fabricado con
lignocelulosa, combinada con resinas sintéticas u otros adhesivos
consolidados mediante calor y presión, mediante un proceso en que la
aglutinación inter particular completa se logra por el adhesivo. Durante
77
su fabricación se pueden agregar otros materiales para mejorar sus
propiedades.
Se puede clasificar como de densidad baja y de densidad media.
Existen conglomerados para interiores y para exteriores. El
conglomerado tiene grosor y densidad uniformes, estabilidad
dimensional y excelentes características da adhesividad por encolado.
El conglomerado también se puede hacer usando serrín y usando
adhesivo de resina con calor y presión se forma en láminas que tienen
resistencia isotrópica.
Recubrimientos Exteriores y Paneles
Casi todos estos recubrimientos se hacen de madera siempre
verde y se diseñan para proporcionar cobertura de la intemperie al
exterior de los edificios. Los paneles se obtienen de cualquier tipo de
madera y cumplen con la misma función. El principal uso de los
recubrimientos es el residencial, mientras que el de los paneles abarca
todo tipo de edificios. La principal diferencia entre ambos es el grosor y
el hecho de que los paneles no necesitan protección contra la
intemperie.
Tejas o Ripias
Tienen superficies tersas o estiradas, aserradas por cuartos o
aserradas sencillas y con empalmes gruesos o delgados. Se pueden
hacer de duramen o de duramen y albura. Las de duramen son más
resistentes al deterioro. Las tejas cortadas por cuartos y de empalme
grueso tienen más resistencia a la combadura y al torcimiento. A
diferencia de la duela, las tejas o ripias son aserradas por ambas caras.
Aserrado de Maderas78
Un tronco puede ser aserrado de tres maneras diferentes: en hilos
paralelos al diámetro, en cuartos o discontinuamente. El aserrado simple
es aquel que se hace de manera tangencial a los anillos de crecimiento
anual. El aserrado por cuartos es aquel que se hace de manera radial
respecto a los anillos. El aserrado discontinuo es similar al último,
excepto que el corte tiene un ángulo ligero para evitar el efecto de
combadura.
Existen dos clases principales de madera: la madera decidua –
aquella que se despoja de sus hojas al final de cada estación de
crecimiento –, y la madera siempre verde – que no se despojan de sus
hojas. También reciben el nombre de madera dura y madera blanda,
respectivamente, pero es importante resaltar que este nombre no tiene
nada que ver con sus propiedades físicas ni mecánicas.
La calidad de los distintos tipos de madera se ha tratado de
estandarizar mediante un grado que va en función de las imperfecciones
que alteran sus propiedades mecánicas así como su vida útil, sin
embargo, el que una madera tenga imperfecciones no significa
necesariamente que esta carezca de una utilidad amplia. La madera
dura se clasifica en función de la cantidad de madera utilizable que hay
en una pieza, hay madera de primera y segunda clase así como las de
cara de clase selecta y cumplen con los requisitos respecto a
79
imperfecciones. La madera blanda se divide de acuerdo a distintas
normas de graduación estadunidenses.
La madera blanda también se clasifica en función de su uso:
construcción y fabricación. La primera clase de madera está pensada
para fines constructivos y está cortada y cepillada. La segunda está
concebida para ser alterada y puede tener un final diferente al de un
producto ya terminado, como acabados en las puertas. Además, está
madera se clasifica según su uso:
Madera de patio: construcción ordinaria y procesos
constructivos generales.
Madera para fabricar y tallar: usos principalmente
encontrados en la carpintería.
Otra clasificación es aquella que va en función de su acabado. La
madera burda es la que no ha sido labrada; y la madera labrada que es
la que ha sido cepillada con una máquina allanadora.
Uniones de la madera
La madera se puede unir de distintas formas para adaptarse a
varias estructuras, y se recomienda consultar a un especialista sobre los
métodos y materiales para hacerlo, ya que el hecho de si se empleará
en el interior o exterior determinará el tipo de unión y recubrimiento
idóneo para usarse así como el material de la unión elegido.
Los principales efectos del clima en la madera son el cambio de
color, el deterioro y el agrietamiento de la superficie, así como el
ahuecamiento y aflojamiento de los dispositivos de sujeción; no
obstante, la madera no se erosiona rápidamente. Esto se debe
considerar al elegir la unión ya que debe adaptarse a las contracciones e
hinchazones que la madera sufra independientemente de si es una
madera para exterior o interior.
80
Los clavos se utilizan como uniones ya que dan mayor resistencia
a las uniones cuando se clavan por un lado de la fibra. Se deben utilizar
para aprovechar su resistencia lateral y no su resistencia al aflojamiento.
Los tornillos tienen más resistencia al aflojamiento que los clavos, pero
su resistencia a la tensión varía con la densidad de la madera.
La unión de madera con adhesivos depende de la especia de
madera y su preparación, la clase y calidad del adhesivo y la
preparación para su uso, el proceso de aplicación, los tipos de uniones,
el condicionamiento de uniones y el uso final o funciones de las mismas.
El contenido de humedad de la madera influye directamente en el
comportamiento de la unión una vez aplicado el adhesivo. La superficie
de la madera que ira unida mediante adhesivo debe de estar libre de
imperfecciones.
Los adhesivos para unir madera y metal son combinaciones de
resinas de termo fraguado y una resina o elastómero termoplástico, el
vehículo puede ser algún disolvente. Uno de los métodos de aplicación
es el cubrir las superficies a unirse y evaporar el disolvente para
efectuar la unión con calor y presión. También se puede hacer en dos
etapas: primero se rocía el material sobre metal y se cura a altas
temperaturas y después se une el material a la superficie de la madera,
usando como adhesivo una resina que seque a una temperatura
ambiental.
Se pueden dividir las uniones de madera en dos tipos: uniones
efectuadas en obra y uniones efectuadas en condiciones de planta, taller
o fábrica. Estos últimos también se clasifican en uniones para interior y
uniones para exterior. Las uniones para exterior deben considerar
primordialmente aspectos de mantenimiento, resistencia a la
intemperie, efectos del clima y diseño en general; mientras que las
uniones estructurales deben poner en primer plano los requisitos
81
estructurales; las uniones para interiores se detallan tomando en cuenta
únicamente loas aspectos de diseño.
La madera es el material idóneo para trabajarse cuando se
requiere un material fuerte, resistente y fácil de trabajar, además ofrece
variedad en colores y texturas. Por el otro lado, no es resistente al fuego
(excepto cuando se trabaja con este fin), además de que no es
apropiada cuando el diseño requiere áreas grandes, sin divisiones ni
tersas.
Acabados de madera
La madera puede adquirir distintos acabados: aserrado burdo,
cepillado grueso y cepillado. En maderas duras, sus acabados se pueden
clasificar como de poro grande y de poro pequeño. La madera blanda se
clasifica de acuerdo a los requerimientos de su acabado.
A su vez, los acabados para madera se pueden dividir en acabados
para interior y acabados para exterior. Los acabados para exterior se
usan para proteger de los efectos del clima, del deterioro y de la
humedad; los acabados para interior persiguen fines más ornamentales
y decorativos.
A las madera con acabados para exteriores se le aplican distintos
productos (como pinturas y fungicidas) dependiendo de la función
específica que se les asigne. A las maderas con acabados para interiores
se les aplican también productos, pero dado su uso, se busca darle más
estética mediante brillo y color.
Canales de Madera
Un producto importante fabricado con madera son los canales, se
necesitan tramos largos de madera sin nudos o cualquier otra
imperfección. Los canales de madera se usan cuando las bajadas de un
edificio requieren que armonicen con el carácter de madera de la
82
estructura, cuando la bajada se construye como parte del edificio y para
techos de residencia con techos no muy grandes.
Conservadores para Madera
La madera se puede tratar para prevenir la acción de diferentes
factores que causarían la disminución de su calidad y vida útil. El
deterioro es el enmohecimiento y las manchas causadas por los hongos,
su formación depende de la temperatura y la humedad.
Hay varios insectos que atacan la madera, los más comunes son
los siguientes:
Termitas subterráneas: viven en la tierra y construyen
túneles para llegar a su alimento. Se comen la madera, y para
evitarlas se recomienda instalar una protección de metal o
materiales a prueba de termitas; tratando la madera para que sea
a prueba de termitas; o envenenando el suelo adyacente al
edificio.
Termitas no subterráneas: No son tan comunes, y el
único método para evitar que se coman la madera es usar tipos de
madera que hayan sido tratados para ser a prueba de termitas.
Hormigas carpinteras, abejas y escarabajos: No se
comen la madera, sin embargo, al construir sus refugios en ella la
dañan severamente. Para eliminarlos se recomienda emplear
insecticida.
Los conservadores con los cuales se trata la madera, de manera
general, se dividen en aceites y sales. Los aceites se usan comúnmente
para madera que está en contacto con el suelo y con el agua. Cuando se
necesita, la madera se puede tratar para que se vuelva resistente al
fuego. Hay tres métodos para lograr esto: el primero es recubriendo la
madera con un compuesto o material, el segundo es impregnar la
madera, y el tercero es aplicar pintura con un recubrimiento orgánico. 83
Pilotes y Piloteado
Un pilote es un miembro vertical que se hinca en la tierra para
ayudar a soportar la carga vertical de cualquier estructura apoyada en
ellos. El piloteado es una manera de incrementar la capacidad de carga
de cualquier tipo de suelo si es necesario. Si se va a pilotear usando
madera, esta debe estar completamente sumergida o completamente
seca para que su vida sea igual a la de un edificio. El único material que
no requiere una manera especial de ser piloteado es el concreto.
Pintura (Recubrimientos Orgánicos)
Todos los recubrimientos orgánicos tienen buen flujo y nivelación,
proporción de aspersión y grosor de película satisfactorios, secado
rápido, alta impermeabilidad, buena adhesión, flexibilidad y dureza,
resistencia a la abrasión y durabilidad. Todos los recubrimientos
orgánicos deberían de formar una película sólida por uno de los cinco
métodos:
1. Conversión química por absorción de oxígeno.
2. Solidificación simple después de la evaporación del
disolvente.
3. Polimerización térmica por calentamiento a temperaturas
elevadas.
4. Uso de catalizadores que reaccionan químicamente para
producir la película.
5. Coalescencia de las partículas de látex con la evaporación
del agua contenida en el fluido.
Pigmentos (Sólidos para pintura blanca)
En un inicio, los pigmentos se usaban simplemente para darle
color a la pintura, pero hoy en día se aplican para alterar las
propiedades de la pintura. El poder de cubrimiento de una pintura
84
determinar que tan capaz es de cubrir al material subyacente, y entre
más decrece esta medida, la pintura tiende a ser transparente.
El tamaño y forma de las partículas afecta el poder de cubrimiento
así como brinda tersura, reforzamiento, densidad e impermeabilidad a la
película de la pintura. Las formas de las partículas se clasifican como
nodular o redondeada, acicular o forma de aguja, y laminar o forma de
placa.
La reactividad química de la pintura puede darle estabilidad
química tanto a la pintura como a la película que forma, además
también puede dar efectos inhibidores de moho, u opacar o dar
texturas. El agredamiento se controla actualmente para que la lluvia
lave las escamas que se forman con el tiempo junto con la suciedad,
prolongando así la vida útil de la pintura. Los pigmentos extensores de
la pintura son utilizados para controlar el brillo y ajustar la consistencia y
la facilidad de aplicarlas. Los plastificadores son materiales no secantes
que se combinan con sólidos de pintura blanca y adhesivos para formar
películas duras y suavizar e incrementar su flexibilidad.
Vehículo de la Pintura
El vehículo contiene elementos volátiles y no volátiles. Los
primeros facilitan la aplicación y al evaporarse influyen en el secado de
la pintura sin volverse parte de ella. Los no volátiles hacen que la
pintura a la superficie del sólido a la cual se aplica.
Aceites Desecadores
La desecación se refiere a la evaporación de los ingredientes
volátiles y al endurecimiento de las partículas cuando se exponen a la
atmosfera. Esto se debe a la oxidación y/o polimerización. Algunos
aceites desecantes se usan en su estado natural, pero se refinan para
85
mejorar sus propiedades favorables y reducir sus características
inconvenientes.
Resinas
Son ingredientes no volátiles de vehículos y pueden ser naturales
y sintéticos. El más común de los naturales es el barniz y se usa tanto
para interiores como exteriores; sin embargo las resinas naturales están
siendo reemplazadas por las sintéticas ya que ofrecen mejores
propiedades y están innovándose constantemente.
Disolventes
El ingrediente volátil del vehículo disuelve a los no volátiles e
incluyen a los líquidos que actúan como suspensores. Los disolventes
facilitan la aplicación de la resina para que se seque y se vuelva una
película, controlan la viscosidad de la pintura, influyen en la
consistencia, nivelación, secado, adhesión y durabilidad de la pintura. La
mayoría de los disolventes son inflamables y se deben manejar con
precaución.
Selladores
Hay selladores transparentes y compuestos repelentes al agua,
consisten básicamente en sustancias insolubles en agua o repelentes al
agua disuelta en algún disolvente, son efectivos protectores contra la
humedad y la lluvia.
Los selladores de pisos son especiales para acabados de pisos de
madera, los de tipo laca se usan para pisos tratados con aceite antes de
barnizarlos encerarlos ya que adelgazan mayores cantidades de
disolvente para obtener propiedades de penetración.
Los selladores re sanadores se usan para sellar nudos y
depresiones de las vetas de la madera para evitar manchas y
descascaramiento de la pintura terminada.
86
Desecadores
Aceleran el secado de la pintura o el barniz, emplean sales de
metales que se oxidan más rápido que los aceites y transmiten el
oxigeno del aire al aceite en el vehículo. Se debe de tener cuidado
cuando se trabajan pinturas en obra; la mayoría de las pinturas actuales
ya contienen la cantidad idónea de secador.
Pinturas Pigmentadas
Se adquieren como un sólido para pintura blanca y un vehículo,
sus aplicaciones son muy variadas. Actualmente, los fabricantes cuentan
con sistemas de colores estandarizados que permiten la reproducción de
manera exacta de un color de manera indefinida.
Los esmaltes son pinturas pigmentadas que usan barniz como
vehículo. El uso de resinas reforzadoras en las pinturas ha derivado en la
casi nula diferenciación entre las pinturas y los esmaltes.
Los esmaltes horneados siempre se aplican en fábrica porque
requieren temperaturas elevadas para poder crear una película seca.
Fraguan térmicamente y están hechos de resinas sintéticas.
Recubrimientos transparentes
Son menos durables que los recubrimientos pigmentados, y tienen
fines más estéticos que no afecten las apariencias naturales de las
superficies donde se apliquen. Un barniz es una combinación de aceites
desecantes y resinas fortificadas que secan bajo la acción química del
secado por aire u horneado, la evaporación del disolvente y la oxidación
y la polimerización de las resinas y aceites desecantes. Se usa como
vehículo en pinturas para obtener un secado rápido y una superficie
tersa. Los aceites brindan elasticidad y las resinas dureza a la película.
Una laca contiene como elemente básico no volátil la nitrocelulosa,
que tiene un olor distintivo y un secado rápido; también se incluye en el
87
término cualquier compuesto trasparente cuya base es la nitrocelulosa o
resinas celulosas modificadas. Los plastificadores le dan flexibilidad a la
película de laca, sin embargo, la laca no es tan resistente a la
intemperie.
El barniz de gomalaca es una solución de resina de laca refinada
en alcohol desnaturalizado que seca rápidamente por la evaporación del
alcohol; se usa para obtener un acabado transparente en trabajos de
madera, sellar nudos y manchas de resina antes de pintar la madera, y
para sellar recubrimientos bituminosos antes de aplicar pinturas
pigmentadas.
Recubrimientos Bituminosos
Se fabrican de alquitrán de hulla y asfalto, y se usan para crear
una barrera contra la infiltración de humedad y oxígeno. Debe tener una
consistencia fluida para aplicarlo, comúnmente se aplica en metales
aunque su uso es muy limitado ya que es muy susceptible a los efectos
negativos causados por el clima y la temperatura. Cuando la resina de
alquitrán de hulla se combina con minerales se llama esmalte de
alquitrán de hulla y se debe de aplicar caliente. Existen pinturas de
alquitrán de hulla que se pueden aplicar en frío, y que solo difieren de
las otras en el proceso de fabricación y pueden brindar propiedades y
características muy similares.
Las pinturas de emulsión de resina de alquitrán de hulla se
adhieren a superficies húmedas y casi no tienen olor, no tienen
consistencia acuosa y son resistentes a la luz solar, además de que
pueden proteger más tipos de superficies y tienen más formas de ser
aplicadas. Los recubrimientos asfálticos son más resistentes a
temperaturas extremas, a los efectos ambientales pero menos
resistentes a la penetración de humedad. Se usan para impermeabilizar
superficies de mampostería.
88
Recubrimientos de Mortero de Cemento
Consisten en cemento Portland con cal, con vehículo de agua y
pigmentos colorantes, repelentes al agua y pigmentos extendedores. Se
usan como impermeabilizantes, por lo que se usan comúnmente en
áreas expuestas a la humedad ya que además previenen el
enmohecimiento.
Tintas
Se consideran un tipo de pintura pigmentada, pero con bajo
contenido de pigmento que no oscurecen la veta natural de madera,
además de que tienen baja viscosidad y alta cualidad de penetración.
Las tintas de agua están compuestas de ingredientes secos con un
vehículo de agua, son permanentes pero levantan la veta de la madera.
Las tintas que no realzan la veta tienen ingredientes que usan como
vehículo el alcohol pero no son tan permanentes como las de agua. Las
tintas de aceite son ingredientes secos con aceites desecantes y
disolventes como vehículo, tienen buen color pero se decoloran con la
luz solar y se dilatan bajo el recubrimiento terminado. Las tintas
pigmentadas son similares a las de aceite, pero estás se aplican y se
pulen para producir los efectos deseados.
Tipos Especiales de Recubrimientos Orgánicos
Estos recubrimientos se pueden obtener mediante aspersión con
flama, mezclando los ingredientes en una combinación de uno que actúa
como catalizadora y otra que forma una película por reacción química,
por resinas pulverizadas que se mantienen en una suspensión esponjosa
mediante aire, y dispersión coloidal de resinas sintéticas en un
plastificador.
El caucho y algunos materiales sintéticos se emplean cuando son
relevantes la dureza, la flexibilidad y la alta resistencia a los elementos
89
naturales, sustancias químicas, o cuando otros recubrimientos no
funcionan. Los recubrimientos orgánicos de colores (esmaltes) son
pinturas para interiores que suspenden gotas multicolores que dan
acentuados a los fondos sobre otros colores.
Algunos recubrimientos con vehículos experimentales se pueden
hallar en el mercado y tienen mejor poder de cubrimiento y la capacidad
de cubrir irregularidades en las superficies.
Pinturas Preventivas Contra Oxidación
Estas pinturas deben caracterizarse por ser inhibidoras de
oxidación, tener baja permeabilidad ante agentes corrosivos, baja
absorción de agua y la capacidad de impregnar la superficie sobre la
cual se aplicará, ya sea cualquiera de los dos tipos de pintura que
existen: imprimadores, que consisten una base de pintura para las
pinturas terminadas; y recubrimientos acabados.
Pinturas Resistentes al Fuego y a la Flama
Estas pinturas pueden impedir la combustión o bien impedir la
transmisión de calor hacia otras superficies. Se pueden aplicar sobre
metales y sobre maderas, y siempre es importante analizar la razón por
la cual se colocará la pintura, los reglamentos locales contra incendios y
quién será el aplicador del recubrimiento.
Pinturas Resistentes a Hongos, Insectos y Antibacterianas
Se logran estos recubrimientos agregando ingredientes contra
restantes y son igualmente efectivos para cualquiera de los insectos,
hongos o bacterias, además de que representan el ahorro de agentes
complementarios para pinturas que tengan los mismos fines.
Materiales Accesorios
Los re llenadores de pasta para madera se usan cuando se quieren
rellenar los poros de la madera de grano abierto. Los removedores de 90
barniz y pintura aflojan el recubrimiento de la madera de tal manera que
se puede desprender. Los colores en aceite se usan cuando se quiere
dar un color en particular en la madera. Los desecadores se agregan a
las pinturas cuando se desea acelerar su secado. El mastique se aplica
en la madera para rellenar hoyos y grietas antes de pintar la madera.
Los compuestos para calafatear se usan para sellar uniones en las que el
metal y la madera se unen a la mampostería.
Proceso de Fabricación de la Pintura
La variedad de fabricantes de pintura que hay en la actualidad
impide generalizar el proceso de fabricación de la pintura, sin embargo,
cada producto pasa por una serie de fases y pruebas antes de poder ser
vendidas.
Durante la operación de mezclado se mezclan las materias primas
en una secuencia y cantidades dictadas por una fórmula de laboratorio
con el fin de darle la consistencia adecuada a la pintura antes de pasar a
la siguiente fase. La operación de pulverización se trata de la dispersión
a velocidad de las partículas para que todas se mojen en el vehículo de
la pintura.
Durante la etapa de teñido, adelgazamiento y tamizado, se le da la
viscosidad deseada a la pintura, se le da el color deseado y finalmente
se mezcla una vez más para ser vertida en latas para que se puedan
etiquetar y empacar. Posteriormente se le agrega pintura blanca y
pigmentos para obtener colores deseados que pueden ser igualados de
manera exacta y que se adaptan a un código de color.
Aplicación de Pintura
La aplicación de los recubrimientos se puede hacer para proteger
o bien decorar superficies, y se recomiendo aplicar una capa primero del
91
mismo color del acabado para poder apreciar de manera más fácil las
irregularidades e imperfecciones de la superficie.
Herramientas y Técnicas
La aspersión de pintura con aerosol se realiza con aire comprimido
sobre la superficie, sin embargo este método es dañino para la capa de
ozono del planeta. La pintura de planta, taller o fábrica puede aplicar por
varios métodos que dependen de la superficie que se quiere cubrir. La
aplicación mediante baño consiste en sumergir el material que se desea
cubrir; la aplicación con rodillo consiste en aplicar con rodillos el
recubrimiento; el volteado en tambor consiste en colocar objetos
pequeños en un barril que gira junto con el recubrimiento; el
centrifugado consiste en colocar objetos pequeños en un recipiente con
hoyos en el que se sumerge el recubrimiento y luego se centrifuga; la
aspersión se efectúa con pistolas atomizadoras en cabinas especiales; la
aplicación con pantalla de seda implica un tamiz de seda a través del
cual se aplica un recubrimiento; en el recubrimiento con cuchillas el
barniz se extiende bajo una cuchilla y hoja que entre en contacto con el
material; y el recubrimiento satinador en el cual se aplican una capa
seca a base de calor y rodillos de metal.
Uso Industrial de Pintura
Aquí se incluyen aquellos para mantenimiento de fábrica,
aplicación de pintura para condiciones especiales, aplicación de pintura
en industrias de ferrocarriles y transportes, pintura para artículos
duraderos y de madera, aislamiento y piel, textiles y piel, estaño
decorativo, y otros tipos de aplicación de pintura que no son de planta,
obra o taller.
Aplicación de Pintura en Construcción Ordinaria
92
En el campo de la construcción, se puede aplicar la pintura en
obra, se puede hacer la pintura en planta, taller o fábrica sobre metales
que llegan listos para su instalación, o se pueden pre pintar en planta,
fábrica o taller. Además de que se puede ampliar está categoría en
función de la superficie sobre la cual se aplicará la pintura.
Pintura de Mantenimiento
Hay que considerar que todos los recubrimientos tienen una vida
relativamente corta y que llega un momento en el cual hay que re pintar
algunas superficies y mantener la pintura. Es necesario tomar en cuenta
que hay que quitar toda la pintura suelta; hay que quitar y nivelar todas
las ampolletas y grietas; se deben rellenar, lijar y sanar las
irregularidades de la superficie pintada existentes; se deben de eliminar
los resanes antes de aplicar nuevas capas; y hay que asegurarse que el
nuevo recubrimiento se pueda aplicar sobre el ya existente.
Color de la Pintura
Los colores de tinte varían de un lote a otro de pintura, por lo que los
tintes deben ser igualados. Esta necesidad ha derivado en la creación de
varios sistemas de colores. La visibilidad a cierta distancia varía con los
diferentes colores: el negro sobre amarillo es más visible que el negro
sobre el blanco, y el rojo se puede apreciar a mayor distancia que el azul
o el verde.
Hay varios códigos de seguridad que especifican los colores que se
deben usar en función de lo que se pinte, es decir, si es equipo contra
incendios, si es una instalación peligrosa, etcétera.
(e) Papel93
Materias Primas Fibrosas
La materia prima fundamental para la fabricación del papel, es la
celulosa. Esta se encuentra en los vegetales en forma de fibras, la unión
de estas fibras forman en conjunto lo que conocemos como cuerpo de
los vegetales. Las fibras en los vegetales están unidas entre sí, por un
material cementante de carácter termoplástico, denominado lignina
localizada en la lámina media de las fibras, proporcionándole rigidez y
resistencia al tejido vegetal. La principal fuente de fibras celulósicas
para la fabricación de papel es la madera. Las fibras de acuerdo a su
procedencia se pueden clasificar en dos grupos, el primer grupo lo
forman las fibras vegetales y el segundo grupo lo forman las fibras no
vegetales.
Las fibras vegetales son las más importantes, y las que más
posibilidades de aprovechamiento presentan, siendo también las que
tienen mayor variedad de fibras y elementos celulares. Entre este grupo
de vegetales, se pueden distinguir las especies de los vegetales leñosos
y las especies de los vegetales anuales, que son los más utilizados en la
fabricación del papel.
Vegetales Leñosos
Estos vegetales son los denominados como plantas superiores y
tienen las siguientes características: son plantas vasculares, perennes
(viven más de dos años), y cuentan con un tallo principal provisto de
crecimiento secundario. Para estas especies existen diferentes tipos de
células formadas por el cambium las cuales como se mencionó
anteriormente, tienen funciones muy específicas. Se pueden distinguir
cuatro principales elementos celulares; células de parénquima, fibras,
traqueidas y vasos.
Las células de parénquima sirven de almacén y transporte del
agua y alimento. Las fibras son los elementos de soporte que 94
proporcionan rigidez a la estructura del árbol. Las traqueidas y los vasos
funcionan como conductores del agua y también le dan soporte al árbol.
Existen diferencias entre las fibras libriformes y las traqueidas, en donde
las primeras tienen una función meramente mecánica, y las segundas
tienen una labor de conducción. Los vegetales leñosos se dividen en dos
tipos, las maderas de coníferas denominadas también maderas blandas
o resinosas y las maderas de frondosas denominadas también maderas
duras, hojosas o latifoliadas. En las maderas de coníferas las traqueidas
resinosas y radiales, forman el tejido prosenquimatoso o inerte. El tejido
parenquimatoso lo forman las células epiteliales, radios leñosos y los
elementos de los canales resiníferos. Estas maderas no tienen gran
variedad de elementos celulares, además tienen las siguientes
particularidades, no contienen vasos, son de fibra larga y las traqueidas
presentan puntuaciones.
En madera de frondosas el tejido parenquimatoso está compuesto
por las células epiteliales y por los rayos o células de parénquima, el
tejido prosenquimatoso lo componen los vasos, traqueidas y fibras. Las
particularidades de estas maderas son las siguientes, son de fibra corta
con un alto contenido en células no fibrosas y particularmente una gran
cantidad de elementos celulares denominados vasos.
Vegetales Anuales y Textiles
Los vegetales anuales (pajas) a diferencia de los vegetales
leñosos, no están provistos de crecimiento secundario, por lo que es
difícil que sobrevivan de un año a otro. Las fibras textiles utilizadas
ampliamente en la confección de ropa también son utilizadas en la
fabricación de papeles especiales, en los que no influye tanto su
composición fibrosa, ya que normalmente son de fibras muy largas. La
composición fibrosa de estos vegetales presentan una gran variedad de
células como en los vegetales anuales, sin embargo, la ventaja de estos
95
es su longitud de fibra ya que incluso ni las fibras de pino alcanzan estas
dimensiones.
Estructura y Composición Química de las Fibras
La estructura de la fibra y su composición química se encuentra
relacionada entre sí y sus efectos pueden observarse durante el pulpeo
y la fabricación del papel. La estructura de la pared celular en la fibra así
como su arreglo físico responden sobre los efectos de unión que se
producen entre las fibras y que ayudan a la consolidación del papel. El
contenido de hernicelulosas (carbohidratos de cadena corta) se localizan
a partir de la pared primaria, (cuadro 4); estos carbohidratos son los que
hay que conservar para beneficiar la fabricación de papel, debido a que
favorecen la fibrilación, necesaria para producir los enlaces en el papel.
Normalmente el contenido de hemicelulosas se incrementa hacia el
centro de la fibra.
Las hemicelulosas parecen no estar unidas químicamente a la
celulosa, sin embargo están estrechamente asociadas a ella mediante
entrelazamientos físicos y puentes de hidrógeno. Por otro lado, entre las
hemicelulosas y la lignina existe una unión química, por lo tanto, es
imposible separar la lignina sin afectar una porción de hemicelulosas.
Por esta razón los procedimientos de cocción y blanqueo que tienen
como objetivo disolver y remover la lignina deben cuidar ~ moderar las
condiciones del tratamiento ya que de no hacerlo se corre el riesgo de
disolver la lignina junto con las hemicelulosas así como su arreo.
Teoría de la Deslignificación
La lignina se encuentra en mayor cantidad, entre célula y célula, al
cual se le denomina lamela media, aquí se encuentra una apreciable
cantidad de hernicelulosas. La deslignificación se debe al efecto que
producen los reactivos químicos durante cualquier cocción o proceso de
96
pulpeo, al actuar sobre la lignina contenida en la lamela media,
disolviéndola Y favoreciendo la separación de las fibras.
De esta manera las principales reacciones químicas que ocurren
en un proceso de pulpeo son las reacciones de la lignina, reacciones que
permiten transformarla en una substancia soluble. Para efectuar esta
transformación se usan reactivos inorgánicos, por ejemplo soluciones de
sulfito o hidrosulfitos de diferentes metales (calcio, magnesio, sodio,
amonio, etc.) y soluciones de hidróxido de sodio e hidrosulfuro de sodio.
Se conocen otros reactivos inorgánicos y orgánicos que pueden servir
para solubilizar la lignina, uno de ellos es el cloro y sus derivados, el cual
se usa en procesos técnicos (blanqueo de pulpas) no para deslignificar
directamente la madera, sino para remover la lignina que se encuentra
en las pulpas ya cocidas. Sin embargo, al solubilizar la lignina también
ocurren reacciones con la celulosa y hemicelulosas, pero
fundamentalmente las reacciones más importantes son aquellas que
tienen lugar con la lignina.
Como una definición de lo que es la lignina, se puede agregar lo
siguiente: la lignina es un polímero termoplástico que se encuentra
dentro del espacio existente entre las células del tejido vegetal, en
donde desempeña la función de aglomerante, dándole rigidez al tejido
fibroso de los vegetales.
Las reacciones generalmente se dividen en dos categorías, las que
contribuyen a la fragmentación y disolución de la lignina y las que se
oponen a estos procesos tales como las reacciones de condensación y
polimerización. La primera categoría comprende la ruptura de diferentes
tipos de enlaces, así como la introducción de grupos hidrófilos y en
menor parte la ruptura de los enlaces carbono-carbono. En la segunda
categoría se encuentran las reacciones de condensación y
polimerización, así como la eliminación de grupos hidrófilos.
97
Normalmente durante la cocción estos dos tipos de reacciones ocurren
simultáneamente, prevaleciendo una más que la otra de acuerdo a los
parámetros aplicados.
En la mecánica de deslignificación las reacciones principales son
las de las ligninas, existiendo también las reacciones con la fracción de
carbohidratos. Por lo tanto las hemicelulosas y celulosas que forman
está fracción son susceptibles de ser degradadas y disueltas durante la
cocción. En base a lo anterior se deduce que no es posible solubilizar
totalmente la lignina sin alterar las características o aptitudes a las
pulpas. Por esta razón, las condiciones de cocción que prevalecen
durante el tratamiento deberán ser las adecuadas para evitar
condensaciones de lignina o degradaciones en los carbohidratos.
Procesos de Obtención de Celulosa
En los pulpejos, la celulosa o pulpa, es el producto principal de
separación, de fibras en la madera siendo el producto intermedio en la
fabricación del papel. La obtención de la celulosa se puede realizar
mediante procesos químicos, mecánicos o químico-mecánicos.
En los procesos mecánicos los constituyentes químicos presentes
en la madera permanecen sin cambios importantes a excepción de los
solubles en agua y de una pequeña parte de la lignina que es separada
por reblandecimiento. En los procesos químicos se pretende remover
selectivamente los constituyentes no fibrosos y solubles en los reactivos
químicos, principalmente la lignina, la cual compacta y une las fibras.
En los procesos químico-mecánicos, existe una combinación de los
dos anteriores buscando principalmente reblandecer la unión de las
fibras mediante el procedimiento químico y terminar la separación con el
proceso mecánico.
98
Por consiguiente, el objetivo principal de un proceso de obtención
es el de separar las fibras que están unidas, disolviendo el material que
las mantiene unidas, con una degradación mínima en los constituyentes
elementales de la fibra como son, la fracción de carbohidratos formados
por las hemicelulosas y celulosa. Las características finales dependerán
de las condiciones impartidas a la pulpa durante el proceso de cocción y
a la materia prima usada durante el proceso.
Procesos mecánicos
Con el nombre de pasta mecánica se conoce a las pulpas
obtenidas por procesos mecánicos sin la utilización de reactivos
químicos, para este fin existen 3 diferentes procesos; pasta mecánica de
molino de piedra (SGW), pulpa termo mecánica (TMP) y pulpa mecánica
de refinadores (RMP). El proceso TMP y el proceso RMP, emplean astillas
de madera en lugar de los troncos usados en la obtención de pulpa
mecánica de molino de piedra, lo cual es una ventaja distintiva en el
aprovisionamiento y manejo del material. Estos procesos producen
pulpas con altos rendimientos y probabilidades de sustituir en muchos
casos a las pulpas químicas.
En los pulpeos químicos el reactivo es usado para disolver y
remover la lignina presente en la madera aunque también es posible
esto al usar un método mecánico para desintegrar la madera en sus
partes fibrosas sin hacer uso del reactivo. La fabricación de pasta
mecánica de molino de piedra se presentó como el mejor tratamiento
para producir pulpas a partir de troncos de madera sin requerir otro tipo
de tratamiento. Este proceso consiste en tratar la madera húmeda en un
molino con una pieza cilíndrica rotatoria donde los troncos de madera
por rozamiento son reducidos a fibras, haces fibrosos y finos. La pasta
mecánica de molino difiere de la pulpa química en el contenido de
lignina, la cual prácticamente permanece como en la madera original,
99
las fibras normalmente no se encuentran enteras en su totalidad sino
que se producen paquetes fibrosos, fibras rotas, finos y fragmentos de
fibras, su rendimiento es de alrededor del 95 por ciento sobre la madera
original, contra un50 por ciento de las pulpas químicas.
En la obtención de pasta mecánica de molino existen dos pasos
principales, en el primero ocurre una desfibración, en la que las fibras de
madera son separadas por la acción de frotamiento entre el tronco y la
piedra. El calor generado por fricción reblandece las uniones de lignina,
con lo cual se ve favorecida la separación, sin embargo, este mismo
calor es el que obscurece la lignina, haciendo que la pulpa obtenga un
color amarillento. En el segundo paso, el cual ocurre simultáneamente al
anterior, las fibras y paquetes fibrosos producidos en el primer paso son
refinados al volver a la zona de fricción. La intensidad de desfibración en
este paso depende de la superficie de la piedra, en donde la cantidad de
material remolido (finos) puede ser de 15 a 20 por ciento o más en
algunos casos. Altas consistencias y grandes irregularidades en la
superficie de la piedra producen más finos, la piedra puede ser natural o
artificial, con la ventaja de realizar una acción de desfibrado más
selectiva con la piedra artificial. A continuación se muestran algunas
variables del proceso.
En los procesos de pulpa mecánica de refinadores, termo
mecánicas y químico termo mecánicas, a diferencia del molino de
piedra, utilizan como elemento principal un refinador de discos a presión
atmosférica o presurizado, con los parámetros respectivos que dan el
nombre al proceso. Fundamentalmente estos procesos son mecánicos
total o parcialmente según el caso, solo que a diferencia del proceso de
molino de piedra, en lugar de troncos se utilizan astillas de madera, ya
que así lo requiere el refinador.
100
La pulpa de refinadores (RMP) se da la reducción de astillas a
pulpa en dos etapas. En la primera etapa denominada desfibración, la
estructura original de la madera es separada a simples fibras. En la
segunda etapa llamada fibrilación, se reduce una porción de estas fibras
a fragmentos de la pared celular. La pulpa producida en las primeras
etapas tiene haces fibrosos y elementos que no han sido totalmente
desfibrados, pero en la segunda etapa estos haces fibrosos son
reducidos a fibras y finos. La etapa de fibrilación requiere de un alto
consumo de energía y además de una alta consistencia para prevenir los
cortes excesivos en las fibras.
El proceso TMP termo mecánico a diferencia del de refinadores,
utiliza vapor como complemento durante un tiempo relativamente corto,
con esto la unión de las fibras se suaviza y la refinación se hace menos
severa, logrando la separación de las fibras sin daño considerable en su
estructura. También aquí se distinguen dos pasos principales, aunque
estos se realizan por separado. En el primer paso las astillas son
precalentadas con el propósito de reblandecer la lignina, esto hace que
las fibras se deslicen y se separen con mayor facilidad. La aplicación del
vapor hace que la fibra sea más flexible y oponga menos resistencia al
refinador, con lo que se logra una mayor cantidad de fibras largas y
menor contenido de fragmentos de fibras. El precalentamiento no debe
exceder el punto de cristalización de la lignina, si esto sucede la astilla
se hace rígida y quebradiza al momento de refinarla. En el segundo paso
la astilla precalentada se desfibra y fibrila en el refinador, aquí se
requiere de una aplicación de energía mecánica soportada por una alta
consistencia. Con este paso se logra abrir la pared secundaria de la fibra
sin cortes o daños considerables en las demás capas, ocasionando la
fibrilación, sin embargo, la aparición de material fragmentado (finos) no
es eliminada totalmente. Las principales características de las pulpas
101
obtenidas por el proceso TMP son las relativas a la longitud de fibra,
flexibilidad y la distribución por tamaño de fibras y finos.
El objetivo del proceso químico termo mecánico es el de obtener
en las pulpas altos rendimientos con un aumento en las características
físico mecánicas. En el proceso químico termo mecánico el
ablandamiento de las astillas se lleva a cabo con la impregnación de las
astillas en sulfito de sodio (pH 9·10), después de haberse impregnado se
procede a calentarlas en vapor en el tubo digestor a 130-170°C, la
refinación se realiza a presión con las mismas condiciones del tubo
digestor. Las propiedades de las pulpas CTMP pueden tener variaciones
de acuerdo a los parámetros del proceso, tales como la temperatura de
precalentamiento, la cantidad de sulfito de sodio aplicado y la energía
de refinación aplicada. El rendimiento de estas pulpas es de solo 2 a 3
por ciento abajo del rendimiento de las pulpas termo mecánicas, a
temperaturas menores de 135°C el rendimiento es de 95 por ciento.
Aunque si la temperatura sube hasta 170°C el rendimiento se reduce
hasta un 90 por ciento. Las diferencias básicas entre los procesos de
obtención mecánicos y químicos son los rendimientos y las
características finales obtenidas en las pulpas, además de que en los
primeros solo son usadas maderas de fibra larga, aunque existen
algunas excepciones cuando se maneja el proceso químico termo
mecánico en el que se utiliza, bagazo de caña y algunas maderas duras.
Procesos Semi-químicos
Los procesos semi-químicos fueron desarrollados con el propósito
de producir pulpas con altos rendimientos. Como en el caso de las
pulpas mecánicas, aunque aquí se conserva la estructura física de la
fibra, y se producen menos cortes y finos. Uno de los propósitos del
desarrollo de este tipo de procesos es el de producir pulpas a partir de
102
maderas duras con propiedades parecidas a las obtenidas por otros
procesos convencionales.
Dentro de los procesos semi-químicos existe uno sobre el cual se
concentra más la atención, este proceso es el que se conoce como
sulfito neutro o NSSC, el cual consiste de dos etapas, en la primera, las
astillas de madera se someten a un tratamiento con reactivo químico a
elevada temperatura, hasta ablandar y disolver parcialmente las uniones
lignocelulósicas entre fibras. Después como segunda etapa mediante un
refinador de discos se aplica el tratamiento mecánico para completar la
separación de las fibras.
El rendimiento en este proceso generalmente se encuentra entre
10 y 40 por ciento más alto que el de los procesos químicos
convencionales, debido a que solo el 40 por ciento de lignina y el 35 por
ciento de hemicelulosas de la madera son disueltas. Mientras que en los
procesos químicos las cifras van de 90 por ciento de lignina y 65 por
ciento de hemicelulosas que se disuelven durante la cocción. El reactivo
usado es una solución de sulfito de sodio y carbonato de sodio para
mantener el pH en 7 durante la cocción, logrando con esto que el
rendimiento de la pulpa obtenida sea alto. Precisamente la utilización de
un pH 7 es el que le ha dado el nombre a este proceso sulfito neutro.
El procedimiento actual para obtener las pulpas semi-químicas se
hace tratando las astillas de madera en un digestor continuo con
reactivo químico y ajustando las siguientes condiciones o parámetros.
Tiempo de cocción, temperatura y la relación reactivo madera para
obtener las pulpas deseadas. Condiciones de cocción:
Vaporeo de las astillas por media hora a presión atmosférica.
Introducción del reactivo e incremento de la presión a 7 kg.
Temperatura a 120 - 1250C por hora.
Remover el exceso de licor no absorbido.
103
Digestión a 140 - 1600C por l ó 6 horas.
Después de haber hecho la cocción en forma continua, el material se
somete a una desintegración y fibrilación en los refinadores de disco,
normalmente el sistema se hace continuamente hasta obtener la pulpa
y formar el papel.
Los reactivos químicos comúnmente usados en el sulfito de sodio,
el hidróxido de sodio, el carbonato de sodio y el licor verde del proceso
al sulfato. A partir de estos reactivos surgen los siguientes procesos para
la obtención de pulpas semi-químicas:
Proceso al sulfito ácido, para papel periódico con rendimiento de
entre 60 - 70 por ciento, usado en procesos TMP YCTMP.
Proceso al bisulfito, produce pulpas con rendimientos entre 53 – 70
por ciento, usándose en lugar de los anteriores y también para la
elaboración de cartón corrugado.
Proceso al sulfito alcalino, produce pulpas con alta resistencia
especial para papel liner, con rendimiento superior en 8 por ciento
a las pulpas kraft.
Proceso al sulfato, las pulpas son obscuras, baja resistencia, su
rendimiento varía entre 65 a 80 por ciento, normalmente usado
con maderas de coníferas para papeles corrugados y liner.
Proceso a la sosa en frío, este proceso es utilizado para producir
pulpas para corrugados y papeles de impresión a partir de
maderas duras, con rendimientos de 85 a 92 por ciento.
Procesos Químicos
Este tipo de procesos no requieren tratamiento mecánico, ya que
su principal función es disolver mediante reactivo químico el material
intercelular (Iignina). En estos procesos es indispensable un recipiente
de reacción (digestor) en el cual las astillas de madera junto con el
reactivo químico son cocidas a alta presión y temperatura. El tiempo de 104
cocción es característico en estos procesos, ya que la duración del
cocimiento identifica a cada tipo de proceso de obtención, normalmente
éste se encuentra comprendido entre dos o doce horas de cocción.
Actualmente los procesos químicos están divididos en dos tipos
generales, unos denominados alcalinos y otros denominados ácidos. En
los procesos alcalinos se encuentran los de la sosa y sulfato o kraft, en
los que se utiliza hidróxido de sodio y sulfuro de sodio. En los procesos
ácidos se en cuenta el proceso al sulfito y bisulfito [sodio, magnesio,
calcio, etc.). La aplicación de cualquier proceso de cocción influye sobre
las características finales del papel, por ello se pueden obtener una gran
variedad de tipos de papeles con características físico mecánicas
diferentes.
EI proceso al sulfito ha sido uno de los principales procesos
químicos de obtención de celulosa durante los últimos 100 años sin
embargo, a partir de los años 1935 el proceso al sulfato (Kraft) lo ha
venido desplazando, ya que éste presenta más ventajas en cuanto al
proceso, una de ellas es la recuperación del reactivo. Este proceso fue
descubierto por B.C. Tilghman, quién encontró que las pulpas
presentaban buena apariencia de blancura al ser tratada la madera a
elevada presión y temperatura, con una solución de ácido sulfuroso y
bisulfito de calcio. La mezcla de estos reactivos y las condiciones de
temperatura y presión, le dan a este licor un carácter altamente
corrosivo, por lo que los digestores para este proceso deben ser
especiales con recubrimientos anticorrosivos. La razón principal para la
comercialización del proceso al sulfito fue la alta blancura de las pulpas
obtenidas, permitiendo que sean usadas en diferentes grados de papel
con y sin blanquear. El blanqueo de estas pulpas es relativamente fácil,
sin embargo, este proceso se limita a un solo tipo de madera (coníferas)
no tiene sistema de recuperación de reactivos, además con el desarrollo
en los procedimientos del blanqueo (1950) el proceso al sulfato 105
actualmente es el principal proceso para producir pulpas blanqueadas y
sin blanquear.
Los procesos alcalinos usados para la cocción de madera, son los
de a la sosa y al sulfato (Kraft). En ambos el hidróxido de sodio (NaOH)
es el reactivo químico principal, aunque en el proceso al sulfato también
se utiliza como reactivo químico el sulfuro de sodio (Na2Sl. el cual
proporciona el nombre al proceso.
El proceso a la sosa es el más viejo, usado ocasionalmente para
producir pulpas de características Similares a las del proceso al sulfato,
solo que el material optimo para este proceso es el bagazo de caña y
plantas anuales, ya que con otro tipo de maderas no produce muy
buenos resultados. Normalmente no es muy utilizado, solo en pequeñas
producciones, ya que el proceso al sulfato lo ha desplazado produciendo
pulpas con mayores resistencias físico mecánicas y mayor rango de
adaptabilidad en especies vegetales.
El proceso al sulfato surge como una modificación del proceso a la
sosa, el cual fue descubierto por un químico alemán en 1879 (DAHL),
este encontró que cuando se pierde el álcali durante el proceso, el NaOH
consumido puede ser reemplazado mediante la adición de sulfuro de
sodio por hidrólisis de este. La acción del sulfuro de sodio regula el
ataque y degradación de la celulosa y hemicelulosas dando también una
disolución más efectiva de la lignina, sin que con esto se quiera decir
que no existen degradaciones o disoluciones de los componentes de la
pared celular de las fibras. Entre algunas ventajas que presenta el
proceso al sulfato sobre otros procesos se pueden mencionar las
siguientes:
Cualquier especie de madera puede ser usada.
Tiempos de cocción relativamente cortos.
Recuperación de reactivos.
106
Aprovechamiento de sub productos.
Pulpas de excelente resistencia.
Preparación de Pastas
Durante la separación de pastas se busca fundamentalmente
aislar las fibras, eliminar las impurezas y poner en condiciones óptimas
el material, para su utilización en máquina de papel. Las fibras una vez
obtenidas en los procesos de cocción, pueden llegar a los sistemas de
preparación de pasta en varias formas, en láminas secas o húmedas,
fardos prensados, papel desperdicio y como pulpa cuando la fábrica está
integrada.
Características Generales del Papel
Fibras largas, tales como el algodón, lino y cáñamo refinadas por
largo tiempo, proporcionan al papel hecho con ellas las mejores
características de resistencia. Las pulpas al sulfato de maderas blandas,
también logran este objetivo. Las fibras de esparto son resistentes a la
refinación, con lo cual aún después de tratado en el refinador, conserva
su forma, de esta manera produce alto volumen específico en el papel.
Las fibras más flexibles proporcionan buena superficie, se puede
obtener una hoja muy compacta y de buena superficie, utilizando fibras
cortas de maderas latilofiladas. Las fibras de bagazo y pajas son las que
se recomiendan para dar el efecto de rigidez en los papeles
Independientemente de la refinación. En la producción de papel, en cada
caso el efecto perseguido puede predecirse a partir de la naturaleza de
la fibra, sin embargo, es necesario tratar las fibras adecuadamente en
los procesos de obtención y preparación, de la pasta, con el fin de
optimizar las características requeridas. Con la ayuda de las técnicas de
tratamiento, la química de aditivo recubrimientos, se ha hecho posible
sustituir en muchos casos las pulpas clásicas.
107
Desintegración
El primer paso de la preparación de pastas es el de desintegración,
con lo cual se logra desbaratar cualquier paquete o agrupación de fibras
existentes en la suspensión de pulpa. Los equipos utilizados para este
tratamiento dependiendo del material se pueden desintegrar, se pueden
mencionar en los siguientes: los despastilladores, los pulpers y en cierta
manera los agitadores de pasta.
Despastilladores fundamentan sus efectos de desintegración por
choques violentos y pasos por conductos estrechos, que son los que
rompen los paquetes fibrosos sin cortes en las fibras. Para calidades que
requieren una desfibración completa, estos equipos son los ideales, ya
que se obtiene una mejor eficiencia en el paso por los refinadores, al
consumir menor energía y tiempo de tratamiento.
Los Tanques agitadores no son precisamente desintegradores,
pero hacen un papel complementario para lograr los mejores resultados
en la preparación de pastas. Los tanques agitadores sin un diseño
adecuado producen la separación de la pasta, ocasionando
acumulaciones, lo cual origina defectos en el papel fabricado.
Generalmente se utilizan como depósitos o almacén de asta para
mantener una alimentación constante hacia la máquina, esto a final de
cuentas es una contribución a la producción de papel.
Refinación
El refinador es el elemento mecánico que se encarga de fibrilar,
abrir y cortar las fibras por medio de una acción de frotamiento cepillado
que ejercen los elementos refinadores, (rotor y estator) recubiertos por
estrías barras. El paso de las fibras entre estos dos elementos, es lo que
se denomina como efecto de refinación. Es importante establecer qué es
refinación y qué sucede durante esta, en primer lugar se consideran las
fibras y en segundo lugar el refinador. Las fibras son esencialmente 108
tubos largos, compuestos por dos capas de micro fibras, las micro
fibrillas son las que se rompen o se desmadejan durante la acción de
refinación; originando los enlaces y uniones que dan la resistencia al
papel.
La aceptación de agua solo procede en las regiones o áreas
amorfas (ramificaciones de celulosa-hemicelulosas), esto ocasiona un
hinchamiento en la fibra, benéfico para lograr una buena fibrilación. La
cantidad de agua absorbida dependerá de las irregularidades de la
superficie de la fibra, así como el tamaño del lumen de las fibras. Las
estructuras cristalinas (cadenas rectas de celulosa) hexosanos, son
áreas ordenadas en forma de red para impedir un hinchamiento
ilimitado. El efecto de la acción mecánica, incrementa la velocidad de
aceptación del agua, con lo cual se logran más superficies de contacto,
posteriormente se produce el acortamiento y la destrucción de las fibras.
La operación de refinación a final de cuentas, es energía aplicada
sobre las fibras, y la transformación de éstas dependerá de la energía
aplicada y de la manera como sea aplicada. La transformación física
final puede lograrse mediante el cepillado o corte de las fibras.
Depuración
La depuración ayuda a limpiar o eliminar impurezas de carácter
ajeno a la pasta. Es una de las operaciones finales en la preparación de
la pasta, fundamentada en la eliminación de impurezas mediante la
aplicación de corrientes a presión y por efecto de la gravedad, así como
por la selección de tamaños y formas a través de orificios o ranuras. Sus
principales objetivos son los de conseguir un papel libre de impurezas,
aumentar la producción, ayudar al mantenimiento del equipo y máquina
de papel en general. El tipo de impureza deberá determinar el equipo
que será usado para la limpieza de la pasta, para este tratamiento se
109
pueden distinguir dos tipos de procesos para depurar; la depuración
mecánica, y la depuración centrífuga o ciclónica.
En la depuración mecánica, las cribas, tamices cribas presurizadas
equipos que componen este tipo de tratamiento, basado en la
clasificación por tamaños a través de una placa ranurada o de orificios.
Estos equipos son selectivos para determinado tipo de impurezas y
actúan en función de su tamaño y forma de partícula, por lo que existe
una variedad de cribas aplicables a papeles finos o papeles reciclados.
La depuración ciclónica o centrífuga, se hace mediante el siguiente
principio: cualquier material o partícula con un peso específico más
grande que el de las fibras, es separado de la suspensión de pulpa. Las
diferencias de estos equipos respecto a las cribas, es que la consistencia
de la pulpa (grs. pulpa/l00 mi de agua) es mucho mayor en las cribas,
también el tamaño de impurezas que elimina la criba es mayor que la
del depurador centrifugo. El depurador centrífugo, consiste de un
recipiente cónico, en el cual se localizan 3 orificios, uno de entrada
tangencial y dos de salida, correspondientes a la pasta aceptada, por la
parte de arriba y los rechazos que salen por la parte inferior del aparato.
La separación de partículas en función de su peso, depende de dos
factores, el primero es la aplicación de fuerzas para originar un
movimiento entre dos componentes (agua y material a depurar), el
segundo es la resistencia que experimentan las partículas, dependiendo
de la forma de estas y de la intensidad del flujo.
Máquina de Papel
Todos los productos papeleros se forman a partir de fibras
celulósicas de varias materias primas vegetales, las cuales
primeramente se someten a un proceso de cocción para separar el
material fibroso del material no fibroso. Después de haber obtenido la
separación y preparado, las fibras como primer paso, son puestas en
110
suspensión con agua, y mediante agitación se mantienen dispersas; a
esta acción se le denomina mezclado de material. Posteriormente
mediante una tela entretejida se efectúa la separación de fibras yagua,
quedando las primeras en forma de colchón sobre la tela, y el agua se
elimina por gravedad a través de los espacios que hay en la tela, este
efecto se conoce como drenado. Como el agua no ha sido eliminada
totalmente se hace necesario un sistema para exprimir el agua que lleva
la hoja húmeda, a este paso se le conoce como prensado. Finalmente
para que el agua excedente sea eliminada se hace necesario otro paso
llamado secado, en el que por medio de calor indirecto el agua en
exceso se evapora, quedando solo la que le permite estar en equilibrio
con el medio ambiente.
Independientemente de los tipos de papel que se han de fabricar
la máquina de papel se compone de las tres secciones siguientes:
Mesa de formación o forma redonda.
Prensas húmedas.
Secadores (lisas y enrolladores)
La mesa de formación consiste en la caja de entrada de pasta o pulpa
dispuesta en la cabeza de la máquina, tela, rodillo cabecero, rodillos
desgotadores, foils, cajas aspirantes, rodillo aspirante, prensa manchón
y rodillos guías de la tela. Para que la tela pueda formar una superficie
plana desde el rodillo cabecero hasta el cilindro aspirante, la tela está
sostenida por los rodillos desgotadores y por las cajas aspirantes. La
suspensión de pasta (0.2 al 1.4 por ciento de consistencia) se deposita
sobre la tela en movimiento mediante la caja de entrada, la cual debe
asegurar una buena distribución de las fibras a lo ancho de la tela. La
velocidad con que está corriendo la tela deberá ajustarse a la velocidad
de salida de la pasta en la caja de entrada, aunque se obtiene buena
111
formación del papel cuando la salida de la pasta es ligeramente menor a
la velocidad de la tela.
Control de Calidad en los Papeles
En la actualidad la fabricación de papel y la gran variedad de
papeles existentes, requieren de métodos de control en los cuales se
puedan examinar las materias primas, los procedimientos de fabricación
y los productos acabados. Las exigencias de calidad de un papel vienen
determinadas esencialmente por el empleo posterior previsto para este
producto. Cuando se desea controlar una fabricación de papel, se
comienza por medir un cierto número de propiedades.
Peso base (gramaje): Todos los papeles, cartulinas y cartones
están compuestos por fibra de celulosa y otros componentes no fibrosos,
y para poder llevar un control de estos componentes es necesario
conocer el peso base o peso por unidad de área. El peso base es una
relación entre el peso de un área determinada de papel referida a un
metro cuadrado, utilizando para su determinación una balanza de
péndulo en la cual se lee directamente en su escala el valor del peso
base, siempre y cuando se mantengan las medidas en el papel.
El grado de refinación se efectúa a las pulpas que han sido
tratadas en el refinador y que presentan un grado de fibrilación y
acortamientos en sus fibras. Se hace pasar una suspensión de fibras y
agua de consistencia estándar a través de una malla sobre la cual se
forma un colchón libroso que impide la drenabilidad del agua en función
del grado de fibrilación y corte existente en las fibras.
El largo de ruptura se define como la longitud en metros de una
banda de papel de anchura uniforme, que suspendida por uno de sus
extremos se puede romper bajo su propio peso. La realización del
ensayo se reproduce en el aparato de tensión mediante la aplicación de
una carga sobre los extremos de una tira de papel, sujeta por unas 112
pinzas sobre las cuales se aplica la tracción que hace que la tira de
papel se rompa.
La explosión (Mullen) representa una característica de medición de
la solidez del papel en todas direcciones, ya que la aplicación de la
presión sobre la superficie del papel se reparte uniformemente sobre
toda el área expuesta al ensayo. Cuando actúa una presión lentamente
sobre la superficie del papel, esta se Curva hasta que la presión
encuentra una debilidad sobre su superficie y lo hace reventar,
indicando esta presión como la resistencia del papel a ser reventado en
kilogramos por centímetro cuadrado o en libras por pulgada cuadrada.
Al esfuerzo de rasgado están sometidos normalmente todos los
papeles, sobre todo en los bordes. Aquí se pueden considerar dos clases
rasgados o desgarros, el inicial y el secundario. El inicial es un punto
débil previamente existen rupturas de donde parte un desgarro, y el
secundario es el que se da como una consecuencia de haber iniciado el
desgarro.
Se entiende por resistencia a él doblez el número de veces que se
dobla una tira de papel de determinado ancho hasta que se rompe. El
ensayo de doblez es uno de los más ilustrativos, pues corresponde a el
trabajo a que generalmente están sometidos los papeles, especialmente
en el papel moneda en el que se requieren valores muy altos de dobles
para poder asegurar su circulación y uso por temporadas más o menos
largas sin que el papel presente enmendaduras y rupturas.
Al afieltrarse las fibras formando el papel, dejan espacios que son
los que ocasionan la porosidad, esta porosidad depende del grado de
refinación obtenido en el papel. Mientras más refinada sea una pulpa
con la que se fabrique el papel, éste tendrá menos porosidad, debido
principalmente a que la fibrilación y los residuos de fibras cubren los
espacios que producen la porosidad.
113
La superficie del papel no es perfectamente plana y presenta
varias ondulaciones por las dos caras, además el espesor es una d las
causas en la diferencia de gramaje. El espesor es una medida entre las
dos superficies o caras del papel o cartón. La medida de esta
característica se realiza mediante un micrómetro de pinzas, colocando el
papel entre las pinzas se mide la distancia entro las caras superficiales
del papel.
La blancura es la capacidad de un papel de reflejar la luz que se
hace incidir sobre él, de esta reflexión depende el tanto por ciento de
blancura. El ajuste del aparato se realiza mediante un patrón de
blancura ya estandarizado para poder compararlo con las muestras de
papel a medir. La opacidad es debida a la reflexión difusa que sufren los
rayos luminosos incidentes en el papel. La onda luminosa penetra en la
partícula de papel, una proporción de luz es absorbida y otra es
esparcida en todas direcciones, la correlación entre estas dos porciones
de luz indican el tanto por ciento de opacidad en el papel.
La prueba de Cobb determina la absorción de agua por la
superficie del papel o cartón. El índice Cobb es la cantidad de agua
absorbida por una cara del papel, expresada en gramos por metro
cuadrado en un minuto de exposición empleando una superficie de 100
cm2 y 100 ml. de agua destilada a 20°C.
Paneles de Pulpa
Las características físicas de los materiales de cartones y paneles
de pulpa varían ampliamente. Pueden consistir ya sea en cartones y
paneles de pulpa laminados, o bien, en una sola capa homogénea de
pulpa de madera. Los paneles y cartones de pulpa pueden ser
recubiertos con hoja metálica, revestidos de plástico o película;
impregnados con materiales asfálticos o resinas sintéticas; y laminados
en combinaciones de hojas de metal o bien hojas y espumas plásticas.
114
Los cartones y paneles de pulpa que consisten en una sola capa
homogénea de pulpa se utilizan como material de cubierta de pequeñas
construcciones, con hoja de aluminio en la superficie, impregnados de
materiales asfálticos o simples. Los cartones y paneles de pulpa
laminados con espuma plástica u hoja metálica o diversas
combinaciones se usan para aislamiento de techos y como parte de los
sistemas de techado.
Las características físicas y químicas de los materiales de
construcción de hoja de pulpa varían mucho. Éstos pueden consistir en
hojas laminadas o en una sola hoja homogénea de pulpa de madera; se
pueden chapear con una película plástica u hoja de aluminio y pueden
tener un tratamiento superficial liso, modelado, coloreado o decorativo.
Las hojas se pueden reforzar con fibras de vidrio o de plástico. Pueden
tener un alma de papel corrugado o de espuma plástica, y se pueden
hacer muy densas y duras aplicándoles calor y presión. Algunos tipos
vienen impregnados con varias resinas sintéticas o con asfalto, lo cual
aumenta la durabilidad y resistencia. Las hojas comunes o las
rigidizadas así tratadas, también son resistentes a la humedad.
El material de hoja laminada se utiliza extensamente en la
construcción para el acabado de superficies de muros y plafones
interiores y como material estructural en forma lisa, corrugada o celular,
para la construcción de paneles sándwich, puertas, divisiones y
muebles. Las hojas de pulpa laminada, que es un importante material de
ingeniería arquitectónica, estructural y mecánica, y en despachos de
construcción, se usan para todo tipo de dibujo, incluyendo dibujos de
detalles y tipo presentación. La hoja de pulpa ya sea para proyectos o
presentación debe ser de preferencia una que tenga la superficie de
papel hecha 100% de desecho de tela o que sea de una pulpa de papel
tratada especialmente con resinas sintéticas, ya que estos tipos pueden
resistir borraduras fuertes sin que se dañe la superficie terminada.115
Productos de Pulpa
La mayoría de los productos de papel y pulpa están formados por
fibras procesadas mecánica y químicamente a partir de materias primas
celulosas. Las únicas excepciones son los papeles especiales hechos de
fibras minerales, por ejemplo, de asbesto y fibras sintéticas. También se
ha usado el plástico como componente de productos de papel y pulpa.
La fuente principal de esta materia prima celulosa es la madera de
coníferas (madera blanda) y de árboles de hoja ancha (madera dura),
pero predominantemente del grupo de las coníferas.
La madera está formada por celulosa, lignina, carbohidratos,
proteínas, resinas y grasas. De éstos, la celulosa es el componente más
importante y la base de la pulpa. Las propiedades importantes de los
productos de papel y pulpa, son: absorción del agua, densidad,
resistencia a la tensión y porosidad. Estas propiedades varían de
acuerdo con la clase de fibra, proceso de reducción a pulpa, y las
subsecuentes operaciones de fabricación y acabado. El papel se puede
tratar para resistir el fuego o la flama, el agua y el vapor de agua,
insectos, roedores, mohos, hongos y bacterias. También se puede hacer
a prueba de desgarre.
Los materiales de construcción incluyen fieltros para techos, papel
para construcción, uniones, aislamiento térmico y acústico, y una gran
variedad de papeles y cartones, ambos de carácter compuesto y
laminado, que por lo general se venden bajo un nombre comercial
registrado. El papel también sirve para empacar y proteger otros
materiales.
Puede ser en forma de bolsa, cajas, cartones, envolturas, todo tipo de
papeles protectores para trabajo en concreto, y cubiertas y hojas para
proteger materiales ya instalados.
116
Los papeles a prueba de fuego no pueden ser en realidad
totalmente a prueba de fuego, pero los productos de pulpa se pueden
hacer suficientemente resistentes al fuego, para cumplir con los
requisitos de muchos reglamentos respecto al fuego. El principio
consiste en prevenir que el papel o el producto de pulpa se deshaga con
la acción de las flamas cuando queda expuesto a altas temperaturas, ya
que cuando se calienta la celulosa produce gases combustibles. Cuando
estos materiales se hacen retardadores de flamas, son difíciles de
encender, no alimentan la combustión y se auto extinguen cuando se
retira la fuente de calor.
El papel maché se inventó en Francia en 1740; el término se
refiere a productos fabricados de pulpa o de papel saturado con agua
que se convierte en pulpa, luego se agrega un adhesivo (goma animal o
vegetal), lo cual se moldea en cualquier forma deseada. Al papel maché
se le pueden dar formas por medios mecánicos o a mano sobre un
marco de apoyo de cualquier tipo. Una vez seca, la pieza se puede
pintar, recubrir o teñir de cualquier color. El papel maché se ha usado
para hacer juguetes, platos, artículos de fantasía y escaparates, y
también como medio para hacer modelos a gran escala de obras
escultóricas.
Los pasos fundamentales para la fabricación de papel son los
siguientes:
1. El proceso de preparación de la pulpa, o preparación de las fibras
para obtener una suspensión uniformemente distribuida en agua,
para que forme una hoja de fibras entrelazadas sobre una criba
rotatoria a través de la cual se cuela el agua.
2. Formación de la lámina de papel sobre rodillos y, después,
eliminación mediante presión y evaporación de la humedad a un
punto de equilibrio con la atmósfera.
117
3. Acabado de la superficie según requerimiento específico, el que
puede incluir pasos adicionales para laminar capas de papel juntas
o con otros materiales.
Para hacer pulpa mecánica, la madera se muele literalmente hasta
pulpa. Después de limpiarla, cribarla y espesarla, está lista para el
proceso de fabricación de papel. Para producir pulpa química, primero la
madera se tritura en pequeños pedazos y luego se digiere mediante el
proceso de sulfito o sulfato (Kraft). El método más antiguo para convertir
madera en pulpa es el proceso de sosa, pero actualmente se usa con
menos frecuencia.
En el proceso batido se utiliza un batidor donde se mezclan la fibra
y otros materiales, se muelen y baten para hacer una masa de
consistencia correcta para que en las máquinas procesadoras las fibras
se unan entre sí y dejen salir el agua más lenta y uniformemente.
Durante este proceso de batido, que es el principal punto de control
para establecer la composición del papel, se agregan otros materiales
como resina, resinas sintéticas, alumbre, tinte, arcilla y greda,
dependiendo del tipo de papel que se va a hacer.
De la batidora, la masa líquida de pulpa fluye hacia la máquina para
hacer papel, donde pasa primero por una malla sin fin de alambre sobre
rodillos, por la cual se drena el agua y se forma una hoja de papel.
Proceso de Marca de Agua sobre Papel
El uso de marcas de agua es casi tan antiguo como el papel, y su
fin tiene como objetivo principal el evitar que se pueda falsificar o copiar
la información de manera tan fácil, así como darle un medio de
identificación único a un documento. Este método ha ido llegando a la
digitalización en los documentos, ya que en la actualidad es más fácil
reproducir copias exactas de información.
118
Existen varias modalidades para otorgarle textura a un papel. Si la
textura de un papel se realiza en la máquina, es decir, durante el
proceso de fabricación, se la denomina “gofrado en húmedo” o “marca
de agua”. Estos son los procesos más utilizados en la máquina de papel.
El gofrado en húmedo se realiza durante el proceso de fabricación
mediante un rodillo texturizado y otro que puede contener o no una
textura. El papel ya formado pero todavía con un alto contenido de
humedad pasa entre ambos rodillos que presionan y a la vez transmiten
el dibujo al papel.
La marca de agua se realiza con máquinas especiales que trabajan
a baja velocidad, con mucha precisión. Dentro de la máquina, durante el
proceso de fabricación, un rodillo llamado rodillo bailarín imprime la
“marca de agua”. Para distinguirla, se puede observar la hoja de papel a
contraluz y advertir un área más clara y más oscura, que generalmente
contiene un nombre o un logotipo.
Al Dandy-Roll o rodillo bailarín se le aplica un diseño grabado con
un logotipo emblema que supera ligeramente su superficie. Cuando
toma contacto con el papel húmedo, modifica la superficie del soporte,
rebordeando las fibras, sin debilitar la hoja de papel ni cambiar sus
características. Finalmente queda impresa una forma muy sutil y casi
imperceptible que transparenta la marca o el logotipo contenido en el
rodillo. A ese mismo rodillo se le puede agregar una filigrana, que dará
una textura sutil.
La marca de agua puede ser dibujo lineal o sombreado. La forma
lineal se logra con un grabado en alto relieve para que las fibras del
papel se desplacen, permitiendo que la marca se dibuje suavemente
como un contorno. La marca de agua sombreada o clara oscura, se
realiza con un grabado en bajo relieve. La pulpa de papel fluye hacia las
119
hendiduras, haciéndose más densa en esas zonas y logrando que la
marca de agua a trasluz se vea como si tuviera profundidad.
Marcas de Agua Digitales
La técnica de marca de agua requiere la introducción de la firma o
marca en la información a proteger y la extracción o identificación de la
marca. La marca de agua es un medio de identificación en el papel,
generalmente imperceptible, que contiene información del autor,
distribuidor, etc. Una marca de agua debe cumplir con ciertas
características:
Robustez: la marca de agua debe ser difícil de eliminar o de ser
distorsionada hasta hacerse indetectable, para lograr esto la clave
es introducirla en las componentes perceptiblemente más
significativas de la señal o de su espectro.
Ambigüedad: se refiere a que la probabilidad de un falso positivo
en la detección de la marca ha de ser muy baja.
Imperceptibilidad: dependerá del sentido del receptor, y se referirá
siempre a la comparación con la original.
La mayoría de las marcas de agua, actualmente, se basan en
introducir la marca en las componentes espectrales perceptivamente
significativas de una imagen, que son las bajas frecuencias. La
modificación de dichas imágenes ha de ser lo suficientemente pequeña
como para no se puede percibir a simple vista.
Un sistema de marcas de agua estándar está compuesto por dos
módulos principales, que realizan los procesos de codificación (o
inserción) de la marca y decodificación (o extracción e identificación) de
la misma. El módulo codificador realiza la inserción de la marca de agua
X en la información original I para crear la información marcada I, que
debe ser visualmente y/o auditivamente similar a I.
120
Las técnicas de inserción existentes se pueden clasificar en dos
grupos, en función del tipo de elemento de la imagen al que la marca de
agua afecta de manera directa:
Técnicas en el dominio del espacio: la marca modifica
directamente el valor de luminancia y/o crominancia de los
pixeles.
Técnicas en el dominio de la frecuencia: la marca modifica
directamente el valor de los coeficientes espectrales de la imagen.
La mayor parte de las técnicas desarrolladas en este dominio
están inspiradas en métodos de codificación y compresión.
El módulo decodificador realiza en primer lugar la extracción de la
marca X de una información, cuyos derechos de propiedad se desean
probar, I, posiblemente manipulada o distorsionada, haciendo uso o no
de la información original I. A continuación establece el parecido entre la
marca extraída X y la marca original X, calculando el valor de un índice
de similitud entre ambas. Finalmente utiliza una función de comparación
para determinar si la información test I es una versión marcada de la
información original I.
También las técnicas de decodificación de la marca de agua se
pueden clasificar en dos grupos, según necesiten o no a la información
original I para extraer la marca. Los sistemas de marcas de aguas en
que se utilizan la información original para la detección de la marca se
denominan sistemas privados, en caso contrario reciben el nombre de
sistemas públicos.
Una vez que la marca de agua ha sido introducida en un
documento digital, es susceptible de un amplio abanico de ataques que
la distorsionarán, así como al documento en el que está inserta. Según
la causa y objetivo que los origina, éstos se pueden agrupar en ataques
no intencionados e intencionados.121
Los ataques no intencionados son aquellos a los que la marca de
agua está sometida de manera casi inevitable. Ejemplos claros son:
El propio proceso de re cuantificación del documento marcado
antes de ser expedido.
El ruido introducido por el canal de transmisión por el que se envía
dicho documento marcado.
Los ataques intencionados son las manipulaciones que realiza un
pirata o "hacker" sobre el documento marcado con el fin de eliminar las
protecciones de Derechos de Autor. Los objetivos fundamentales son
dos:
Manejar información libre de cualquier firma. Estos ataques consisten
en la manipulación del documento marcado con la finalidad de
distorsionar la marca embebida en él, de forma que ésta se haga
indetectable. Como se ha comentado, la marca de agua ha de ser más
resistente que la información en sí, es decir, la degradación perceptible
de dicha información ha de ocurrir antes de que el nivel de distorsión
sufrido por la marca como consecuencia de las manipulaciones sea tal,
que la marca deje de ser detectable
Poner su propia firma. Estos ataques pueden dar lugar a confusión en
la determinación de la propiedad de dichos derechos. El objetivo del
agresor en este caso es introducir su firma en la imagen para reclamar
que él es el propietario de la imagen original. Por lo tanto la robustez
de una marca no es suficiente para garantizar una adecuada protección
de los Derechos de Autor.
Las técnicas de marcas de agua actuales suelen resultar robustas frente
a la mayoría de los ataques descritos hasta ahora. El verdadero "cuello
de botella" de la robustez de las marcas de aguas son los ataques que
dan lugar a una interpolación de la señal digital que representa la
122
información. En el caso de imágenes estos ataques pueden realizarse
mediante rotación, traslación de un número no entero de pixeles y
cambios de escala.
(f) Metales
Historia
La Edad de Bronce representa el inicio de la metalurgia, es un
periodo de tiempo comprendido entre los años 2000 a. C. y 1000 a. C.
Se descubrieron aleaciones de cobre y estaño que permitían fabricar
mejores armas y herramientas. La edad de Hierro es el periodo
comprendido entre los años 1000 a. C. y 1 a. C., y las aleaciones de
hierro habían reemplazado a la de bronce en los productos fabricados en
Europa.
Obtención
En la actualidad, los procesos de obtención de metales se pueden
clasificar como piro metalúrgicos, hidro metalúrgicos y
electrometalúrgicos.
Dentro de los piro metalúrgicos encontramos al secado y
calcinado, que es un proceso mediante el cual se elimina el agua
contenida en sustancias por evaporación. En el calcinado se eliminan
agua y otros gases. En ambos procesos se debe administrar calor a una
temperatura relativamente elevada, ya que se trata de procesos
endotérmicos.
La tostación de sulfuros es la oxidación de sulfuros metálicos para
producir óxidos metálicos y dióxidos de azufre, siendo este último un
subproducto de la tostación.
La aglomeración son los procesos en los que los materiales de
granulometría fina son transformados en terrones más gruesos. La
aglomeración puede ser:
123
Briquetado: compactación a temperatura ambiente de mineral con
aglutinante inorgánico, para después someterse a un
calentamiento en horno.
Sinterización: es la aglomeración y compactación de partículas
finas y sueltas en una masa compacta y porosa mediante fusión.
Pelletización: Primero se forman aglomerados esféricos por
desmenuzamiento y adición de agua en un tambor giratorio y
posteriormente se endurece el aglomerado por el tratamiento
químico en horno.
Nodulización: El mineral se transforma en nódulos en un horno
giratorio por el balanceo de la carga caliente a una temperatura
próxima a la de fusión.
La hidrometalurgia son aquellos procesos utilizados para el
aislamiento y recuperación de metales por medio de disoluciones
acuosa, se basan en reacciones iónicas en un medio acuoso.
La lixiviación es la disolución de los metales con ayuda de un
disolvente apropiado. Este proceso puede variar de acuerdo al grueso de
los granos de los elementos involucrados.
El intercambio iónico emplea intercambiadores de iones, que son
sólidos en los cuales existen iones débilmente enlazados. Cuando se
sumergen los elementos en sustancias acuosas puede haber
intercambio de iones.
La extracción con disolventes se usa en metales que presentan
elevada solubilidad en disolventes orgánicos, lo que hace posible la
separación de los elementos metálicos.
La electrometalurgia abarca el beneficio o extracción electrolítica,
y es importante en metales ligeros altamente activos. El electro
beneficio ocurre cuando dos electrodos se conectan a una fuente de
voltaje y se sumergen en una disolución que contiene iones, lo iones 124
positivos emigran al electrodo que tiene exceso de electrones (cátodo),
los iones negativos emigran al electrodo deficiente de electrones
(ánodo).
En el electro refinado un metal se transfiere desde un ánodo
impuro o desde una aleación o compuesto hacia un compuesto de hecho
de un metal puro. Es decir, consiste en la transferencia, de una mol de
cobre desde el ánodo impuro hasta el cátodo.
De estos res métodos de obtención de metales se derivan metales
que no están listos para su utilización dado que tienen impurezas, por lo
que deben de ser refinados. Hay tres maneras principales de hacer la
refinación:
1. Metal-escoria: El proceso importante es la oxidación y la
eliminación de la escoria de los elementos menos nobles.
2. Metal-metal: Se realiza la licuación y refinación por zonas,
este proceso se usa para fabricar metales de alta pureza.
3. Metal-gas: Se destilan los metales volátiles, como el zinc.
Propiedades
Químicamente, un material metálico tiene un enlace en el cual hay
una distribución compartida de electrones y es no direccional. O sea, los
electrones de valencia son electrones des localizados, es decir, la
probabilidad de que estén asociados a uno cualquiera de un gran
número de átomos adyacentes es la misma. En metales típicos, esta
deslocalización está asociada a todo el material, lo que brinda la base de
la alta conductividad eléctrica de los materiales metálicos.
Una de las tres principales estructuras cristalinas de los metales es
la cúbica centrada en el cuerpo (bcc), que tiene un átomo en centro de
la celda unidad y un octavo de átomo centrado en cada uno de los ocho
vértices de la celda unidad. Por tanto, existen dos átomos de cada celda
125
unidad bcc. El factor de empaquetamiento representa la fracción de
volumen de la celda unidad por los átomos de cada celda bcc.
Otra de las estructuras
cristalinas de los metales es la cúbica centrada en las caras (fcc), en la
que hay medio átomo (un átomo partida por dos celdas unidad) en el
centro de cada cara de la celda unidad, y un octavo de átomo en cada
uno de los vértices de la celda unidad, lo que hace un total de cuatro
átomos en cada celda unidad fcc. El factor de empaquetamiento de
estas estructuras tiende a ser ligeramente mayor que en las estructuras
cúbicas centradas en el cuerpo, por lo que a estas se les denomina como
cúbicas de empaquetamiento compacto.
La estructura hexagonal compacta (hcp) es más compleja: hay un
átomo centrado de la celda unidad y varias fracciones de átomos en los
vértices de la celda unidad (cuatro 1/6 átomos y cuatro 1/12 átomos), lo
126
que proporciona un total de dos átomos por celda unidad. Esta
estructura es tan eficiente como la estructura fcc, y están formadas por
apilamientos regulares de planos compactos. Sin embargo, la
disposición fcc es tal que el cuarto plano que se apila está situado sobre
el primer plano, mientras que la hcp el tercer plano es el que se halla
exactamente sobre el primero. Y estas diferencias afectan el
comportamiento mecánico de los metales.
Un material metálico es resistente y puede ser conformado
fácilmente; tiene gran capacidad de deformación permanente
(ductilidad) que es un factor que le permite deformarse poco frente a
cargas súbitas y elevadas; la superficie de un material metálico recién
cortado muestra un brillo característico; un material metálico es buen
conductor de corriente eléctrica.
Para determinar sus propiedades mecánicas, los metales son
sometidos a diferentes pruebas que arrojan diferentes resultados. El
someter a una pieza de metal a tensión ingenieril curvas diferentes. La
deformación elástica que sufre el material metálico es una deformación
no permanente, se recupera completamente al retirar la carga. La zona
elástica de la curva tensión-deformación es el tramo lineal inicial. La
deformación plástica es una deformación permanente, no se recupera al
127
retirar la carga. La zona plástica es el tramo no lineal que se obtiene una
vez que la deformación total supera el límite de deformación elástica.
Es relativamente difícil definir en qué punto de la curva se aparta
de la linealidad entra en la zona plástica, por lo que se busca encontrar
el límite elástico, que es la tensión necesaria para producir una pequeña
deformación permanente. La pendiente de la curva tensión-deformación
en la zona elástica es el módulo elástico. El módulo elástico representa
la rigidez del material (su resistencia a la deformación elástica),
mientras que el límite elástico representa la resistencia del metal a la
deformación permanente.
Las tensiones residuales son importantes en el comportamiento
mecánico del metal, y se definen como las tensiones que quedan dentro
del material después de que se aplica y retira una carga; suelen
aparecer tras distintos tratamientos termo mecánicos como el soldeo o
el mecanizado.
Conforme avanza la deformación plástica para valores de tensión
por encima del límite elástico, la tensión ingenieril sigue aumentando
hasta llegar a un máximo. Esta tensión máxima se llama resistencia a la
128
tracción, y el fenómeno de que crezca junto con la deformación se llama
factor durecimiento por deformación.
La ductilidad del metal se cuantifica como el alargamiento
porcentual a rotura. Otra definición es el porcentaje de reducción de are.
Los valores de ductilidad tienden a variar, y esto se debe a la pieza que
se usa para someter a prueba. La ductilidad indica la capacidad general
del metal para ser deformado plásticamente.
La tenacidad de un metal describe la combinación de las
propiedades de resistencia y ductilidad.
Dilatación en los metales
Un aumento de temperatura origina una mayor vibración térmica de los
átomos del material y un aumento de la distancia media de separación
entre átomos adyacentes. En general, la dimensión total del material en
una determinada dirección aumentará al hacerlo la temperatura. Lo
anterior se ve reflejado por el coeficiente de dilatación lineal, que tiende
a ser menor en los cerámicos y los vidrios que en lo metales. El módulo
elástico está directamente relacionado con el coeficiente.
129
Fractura en Materiales Metálicos
La tenacidad a la fractura es el valor crítico del factor de
intensidad de tensiones en el frente de una grieta necesario para
producir un fallo catastrófico bajo una carga uniaxial. Un material con
poca capacidad de deformación plástica tiene valores bajos de
tenacidad a la fractura y son susceptibles a sufrir fallos catastróficos.
Una aleación de metal elevada ductilidad puede experimentar una
deformación plástica importante previa a la rotura tanto a escala
microscópica como a escala macroscópica. La principal finalidad de la
mecánica de fractura en la metalurgia consiste en la caracterización de
aleaciones con valores medios de ductilidad que pueden experimentar
un fallo catastrófico por debajo de su límite elástico debido al efecto de
concentración de tensiones en los defectos estructurales.
130
Aleaciones
Existen tres tipos de aleaciones en los metales: las aleaciones
férreas, que son los aceros al carbono y los aceros de alta aleación los
aceros de baja aleación; las aleaciones no férreas que son los metales
que no contienen hierro como constituyente mayoritario; y las
aleaciones ligeras que tienen como base el aluminio, magnesio, titanio y
berilio.
Las aleaciones férreas son los metales más utilizados por el
hombre, y dependiendo de la cantidad de carbono se pueden clasificar
en aceros o fundiciones. Los aceros al carbono (tienen un porcentaje en
peso de carbono desde 2,002 a un 2,1%) pueden alcanzar resistencias
de 690 MPa, pero con una elevada pérdida de ductilidad y tenacidad,
además, tienen poca resistencia a la corrosión y la oxidación y muy poca
templabilidad.
Cuando un acero al carbono contiene menos del 5% de otros
elementos (como Ni, Cr, Mo, v; Si, Cu, etc.) se llama acero de baja
aleación. Tienen suficiente ductilidad para ser conformados con
facilidad, hacen productos resistentes y duraderos. Los aceros de alta
resistencia y baja aleación tienen muy bajo carbono y otros elementos,
son laminados en caliente para obtener una estructura de grano muy
fino, con valores elevados de límite elástico y resistencia, junto con una
baja temperatura de transición dúctil-frágil.
Los aceros de alta aleación son aquellos en los cuales el total de
elementos diferentes al carbono suman más del 5%. Las aleaciones con
cromo mayor al 12% en peso, constituyen los aceros inoxidables, que
forman capas de óxido impermeables y además son resistentes a la
corrosión y a la oxidación a alta temperatura. Los aceros inoxidables
austeníticos tienen baja resistencia y gran capacidad de deformación, no
son ferro magnéticos y tienen la mejor resistencia la corrosión. Los
131
aceros inoxidables ferríticos son ferro magnéticos, aunque no tan
resistentes a la corrosión. Los aceros inoxidables mastenstíticos también
son ferro magnéticos y poseen alta resistencia aunque baja resistencia a
la corrosión. Los aceros inoxidables endurecibles por precipitación tienen
alta resistencia y tenacidad.
Las fundiciones son aleaciones Fe-C-SI con, generalmente, hasta
3% en peso de silicio. Las fundiciones blancas son duras, resistentes al
desgaste, y muy frágiles, difíciles de mecanizar, no se pueden forjar ni
templar. Las fundiciones grises tienen grafito y son frágiles. Las
fundiciones dúctiles (o nodulares) tienen ductilidad aumentada, buena
fluidez y moldeabilidad, se mecanizan muy bien y tienen buena
resistencia al desgaste.
Las aleaciones no férreas son metales y aleaciones cuya base no
es el hierro y no tienen baja densidad. Las aleaciones de cobre
presentan altas temperaturas de fusión, excelente conductividad
eléctrica y térmica. Los latones son aleaciones de cobre con cinc, con
menor conductividad eléctrica y térmica, mejor resistencia pero menor
resistencia a la corrosión, son fáciles de mecanizar pero son frágiles. Los
bronces son aleaciones de cobre-estaño con buena resistencia a la
tracción, deformables, y más resistentes a la corrosión que los latones.
Las cuproaluminios son aleaciones de cobre-aluminio que tienen buenas
propiedades mecánicas y son resistentes a la corrosión. Los
cuproberilios son aleaciones de cobre-berilio con alta resistencia a la
tracción, tienen bajo módulo elástico y alta resistencia a la corrosión.
Las aleaciones ligeras son aleaciones de aluminio y magnesio, que
reducen el peso de diferentes estructuras y componentes, tienen bajas
densidades y tienen elevadas relaciones resistencia/peso y alta rigidez
específica. A pesar de que el aluminio tiene baja densidad, coeficiente
de dilatación alto, buena conductividad térmica y eléctrica, módulo de
132
elasticidad bajo, baja dureza y resistencia, los elementos de aleación
tienden a alterar sus propiedades, en ocasiones, empeoran las buenas.
El magnesio posee bajas temperaturas de fusión y ebullición. Tiene un
gran coeficiente de dilatación y un elevado calor específico, sin
embargo, la buena conductividad térmica y eléctrica es deteriorada por
los elementos de aleación.
Procesado
A pesar de que existen muchas maneras de procesar un material
metálico, todos tienen en común el hecho de que las materias primas se
mezclan y se funden, proporcionando una forma bruta de colada.
Después la pieza se somete a deformación hasta obtener la forma final
del producto.
Los procesos de fundición consisten en llevar un material a un
estado fluido por calentamiento, para después volcarlo en un molde
dejando que solidifique. Las desventajas de este proceso es que tienden
a formarse piezas aniso trópicas, sin mencionar que las características
geométricas y mecánicas no son muy buenas.
El enfriamiento rápido del fundido durante el proceso de molde
puede dar lugar a micro estructuras de no equilibrio. Durante la
solidificación no todos los puntos de la pieza se enfrían a igual velocidad,
de modo que las zonas que solidifican primero serán las de alto punto de
fusión, mientras que las que solidifican después tendrán uno menor, lo
que le puede dar inconvenientes relacionados con la heterogeneidad de
las propiedades.
Otras micro estructura de no equilibrio es la estructura dendrítica,
que se caracteriza porque el frente de solidificación no es plano, ya que
por una parte el cristal tiene direcciones preferentes de crecimiento, y
por otra los granos que se van formando no poseen la misma
133
composición del centro a su periferia. Esta estructura puede ser fuente
importante de defectos como porosidad o cavidades de contracción.
En los diseños estructurales complejos, la forja consiste de varias
etapas: es decir, de fabrican pequeñas piezas que después se unen. La
forma más común de unirlas es la soldadura, en la que las piezas que se
van a unir se funden parcialmente en las cercanías de la unión. En la
soldadura fuerte el metal de aporte se funde, pero las piezas que se
unen puede que no lo hagan, la unión se produce muy a menudo
mediante la difusión en estado sólido de ese metal de aporte hacia las
piezas unidas; la soldadura débil no precisa fusión ni la difusión en
estado sólido, la unión se consigue por lo general por la adhesión del
material de aporte fundido a la superficie de cada pieza metálica.
La pulvimetalurgia consiste en la unión de estado sólido de un
polvo de grano fino para convertirse en un producto policristalino. Si la
difusión en estado sólido es suficiente, se puede llegar a un producto
completamente denso, pero casi siempre se presentan porosidades. Un
avance en el campo de la pulvimetalurgia es la compresión isostática en
caliente, en la que se aplica una presión uniforme a la pieza por medio
de un gas inerte a alta temperatura.
El conformado supe plástico es un proceso reciente y económico
desarrollado para conformar geometrías complejas, está muy
relacionado con la deformación por fluencia.
Uso en la Industria
Uno de los usos más comunes del acero estructural es la
construcción de puentes. Las aleaciones férreas del metal se usan en
diseños que requieren soportar cargas estructurales o la transmisión de
potencia. Los aceros de baja aleación tienen una aplicación que va
desde los cojinetes de bolas hasta la carrocería de los automóviles. Los
aceros de alta resistencia y baja aleación surgieron como respuesta al 134
requisito de reducción del peso de los vehículos. Los aceros de alta
aleación se usan en herramientas para darles la dureza requerida para
aplicaciones de mecanizado. Los aceros inoxidables marstentíticos son
ideales para cuberterías o muelles. Los aceros inoxidables endurecibles
por precipitación se usan en piezas resistentes a la corrosión con
responsabilidad estructural. Las fundiciones blancas se utilizan en forros
y palas de molinos, o en rodillos de la laminación. El cobre es ideal para
cables eléctricos, así como radiadores o cambiadores de calor. El latón
se emplea en bisutería, tuberías, instrumentos musicales, monedas y en
arquitectura. Los metales refractarios se emplean cuando se requiere
trabajar a más de 1000°C dados sus altos puntos de fusión y el hecho de
que mantienen sus propiedades a altas temperaturas. La industria
nuclear requiere metales altamente reactivos como el uranio, que es
radioactivo y se oxida fácilmente. En la industria de la joyería, se usan
metales preciosos tales como el oro, el iridio, la plata, el platino, el rodio,
el rutenio, el osmio y el paladio.
135
136
(g)Plásticos
Historia
El nylon, o poli-hexametilen-adipamida, pertenece a la familia de
polímeros sintéticos conocidos como poliamidas, descubiertos en 1935
por la empresa Dupont. El Nylon fue uno de los primeros polímeros
comerciales, empleado como cerdas en los cepillos de dientes (1938) o
como alternativa a las medias de seda (1940). Desarrollado como una
fibra sintética a la seda, su producción fue en aumento desde el
principio de la segunda Guerra Mundial.
La producción mundial de plástico alcanzó en 1990 la cota de las
100 millones de toneladas, volumen superior al de los aceros. El mayor
impacto sobre la moderna tecnología sobre la vida cotidiana ha sido
realizado por la categoría de materiales denominados polímeros.
Propiedades físicas
Los polímeros se distinguen de otros materiales por tener una
densidad baja, lo que hace que cada vez tengan más aplicaciones en
diferentes sectores industriales. Si bien los materiales plásticos no
tienen altas prestaciones como los metales, destacan los plásticos
reforzados con fibra que consiguen propiedades específicas muy altas
debido a la baja densidad del plástico y la fibra que lo constituyen. Las
bajas densidades son consecuencia de la estructura interna de los
materiales poliméricos, tienen átomos ligeros, dejan huecos en su
estructura por lo que tienen grado de compactación bajo.
El grado de cristalinidad es un factor de incidencia sobre la
densidad. La formación de estructuras cristalinas en el seno de los
polímeros aumenta la densidad al incrementarse el grado de
empaquetamiento de las cadenas poliméricas, presentando una
estructura más compacta, con menos huecos.
137
El tipo de átomos que constituyen las cadenas poliméricas
también afecta en gran medida a los valores de densidad. Átomos más
pesados que el carbono y el hidrógeno provocan un incremento en la
densidad. La presencia de cargas, que tienen diferentes densidades y
naturalezas, también altera la densidad del material.
El comportamiento mecánico superficial de los plásticos es
complejo dada su variedad. El valor del coeficiente de rozamiento
depende de la naturaleza de las dos superficies, habiéndose
comprobado que el estático correspondiente a las condiciones límites
previas a la iniciación del deslizamiento es siempre superior al dinámico.
El contacto entre los cuerpos se establece a través de los resaltes de las
superficies, que a nivel microscópico son irregulares, provocando la
aparición de esfuerzos de cortadura antes de iniciarse el movimiento y
que pueden producir los fenómenos de arranque de material y
deformación elástica y/o plástica.
El coeficiente de rozamiento depende de la temperatura, en tanto
los polímeros presentan un comportamiento visco elástico, acentuado
por la temperatura, y en consecuencia, también se ve afectado por la
velocidad de deslizamiento entre las dos superficies. El material no
responde de la misma manera si se provoca un deslizamiento a alta
velocidad, donde no se le da tiempo para fluir, que si el proceso de
deslizamiento es lento. El calor que se genera en el proceso de
rozamiento ocasiona fenómenos de fluencia en el plástico.
Propiedades Químicas
La permeabilidad de los polímeros es decisiva en aquellas
aplicaciones que requieren mantener gran cantidad de gases disueltos.
Dada la naturaleza de los materiales poliméricos, con gran cantidad de
huecos en su interior, es posible que ciertas moléculas de tamaños
138
pequeños pasen a través provocando alguna alteración o no en su
estructura.
Las propiedades de impermeabilidad de los plásticos dependen de
forma general de aspectos como su naturaleza química y del medio que
se pretende impermeabilizar; la concentración o presión del fluido del
que se pretende impermeabilizar; temperatura; la superficie del
material; y el espesor del material. La permeabilidad de un medio viene
determinada por el producto de su difusividad y su solubilidad.
Los factores que más influyen en la permeabilidad son su
porcentaje de cristalinidad/densidad, que representan con un alto grado
de empaquetamiento, estas zonas tan compactas dificultan en gran
medida la entrada de gases y por lo tanto reducen la permeabilidad del
polímero, la difusión a través de las zonas amorfas siempre es más fácil
que a través de las zonas cristalinas; y naturaleza de sus enlaces, ya
que es decisiva en la absorción de agua, si el polímero es polar existe
una gran afinidad entre ambos componentes, provocando la
incorporación del vapor de agua o humedad ambiental a la estructura
del polímero.
Los plásticos no están sometidos a corrosión, por lo que se
emplean como recubrimientos superficiales y pinturas para metales. El
tipo de ataque químico característico de los plásticos son los siguientes:
- El ataque químico directo aparece cuando el polímero está en
contacto con ácidos fuertemente oxidantes y en altas
concentraciones, únicamente se da a altas temperaturas y
produce la disolución total.
- El ataque químico preferente suele producirse en polímeros
semicristalinos donde la fase amorfa es más susceptible de
experimentar procesos de degradación debido a la diferencia de
139
grado en el empaquetamiento con las zonas cristalinas que
ofrecen mayor resistencia al ataque químico.
- La rotura por contacto ambiental en condiciones de tensión no es
realmente un efecto químico, sin embargo, hay casos en los que
se producen procesos de fragilización debidos a descomposiciones
químicos provocadas por procesos mecánicos o químicos.
- Ataque superficial: en muchas ocasiones, la composición de la
superficie difiere de la del interior de una pieza de plástico, y que
pueden ocurrir fenómenos de migración de plastificantes, o
durante el proceso de enfriamiento pueden darse gradientes que
conducen a zonas con distinto comportamiento. En estas
ocasiones las reacciones químicas se pueden dar en la superficie y
no en el interior.
- El hinchamiento se da cuando un medio orgánico penetra en la
zona amorfa y el producto no es capaz de desencadenar una
reacción química.
Un disolvente puede provocar solvatación, disolución total o
parcial o extracción en un plástico. Los disolventes perjudican
considerablemente la consistencia del material polimérico. Los
disolventes no polares perjudican especialmente a los polímeros poco
polares, mientras que los disolventes fuertemente polares dañan los
polímeros.
Un disolvente puede causar la extracción del plastificante del
polímero, provocando una fuerte reducción en su flexibilidad inicial y un
deterioro en sus propiedades generales.
De igual manera, la solubilidad se ve afectada por el grado de
cristalinidad/densidad y la naturaleza de los enlaces del material
plástico. En algunos polímeros el agua actúa como plastificante, en otras
puede ser muy perjudicial. La absorción de agua implica una alteración
140
de las características de la pieza, tales como la reducción de la
resistencia y la dureza, el aumento de tenacidad, el empeoramiento del
comportamiento dieléctrico del polímero, hinchamiento y la aparición de
rugosidad y porosidad superficial.
Los materiales poliméricos pierden sus características físicas a
temperaturas altas. A altas temperaturas, las cadenas moleculares
empiezan a romperse, se separan las moléculas sencillas, se da un
desprendimiento de gases que pueden ser tóxicos.
El punto de ignición representa la temperatura a la que la
combustión de mantiene de forma indefinida en un plástico, y se
produce cuando el calor deprendido en las reacciones de combustión
supera al calor consumido en las reacciones de pirolisis o rotura térmica
de la cadenas poliméricas. Un aspecto esencial es la facilidad o dificultad
que ofrece un material a la propagación del fuego una vez comenzado.
Propiedades Ópticas
El índice de refracción permite conocer comparativamente la
transparencia de diferentes polímeros. Se define como la relación que
existe entre la velocidad de propagación de la luz en el vacío y la del
medio considerado.
Los materiales poliméricos absorben luz en algún grado debido a
la interacción de los fotones de la luz con la estructura electrónica de los
átomos y macromoléculas. La fracción de luz transmitida depende pues
de la cantidad de luz absorbida y la reflejada. La cantidad de luz
reflejada depende del índice de refracción.
El grado de transmisión de la luz o el factor de transmisión directa
de un determinado material polimérico, se mide por la relación entre la
intensidad de luz transmitida y la intensidad de luz incidente sobre el
mismo.
141
La transparencia de un material polimérico define muchas veces
sus aplicaciones. Ésta se define como la facilidad de percepción de
objetos a través del mismo. Se trata de la fracción de luz incidente
transmitida a través de una muestra con una desviación menor de 0,1°.
Los polímeros amorfos suelen ser transparentes, mientras que los
semicristalinos no suelen presentar transparencia. Las aplicaciones
ópticas de los polímeros son el transporte de luz a través de los mismos.
Habitualmente, los polímeros amorfos presentan elevada
transparencia, mientras que los semicristalinos son traslucidos u opacos
según sea el grado de cristalinidad. Los termoplásticos presentan una
coloración blanca lechosa de intensidad que varia con su cristalinidad.
Otros polímeros adquieren coloraciones pardas.
Propiedades Térmicas
La conductividad térmica de los materiales es bastante baja, se
asimila a la de la madera y es muy inferior a la del vidrio. Los factores
que afectan la conductividad térmica son variados.
Cuanto mayor es el grado de cristalinidad es un polímero, tanto
mayor es la conductividad térmica. La conductividad térmica aumenta
con el peso molecular promedio, ya que el grado de empaquetamiento
es más alto. Las cargas de naturaleza cerámica o metálica mejoran
ostensiblemente la conductividad térmica. La temperatura afecta la
conductividad, sobre todo en la zona cercana en el punto de fusión, ya
que en este rango de temperaturas se produce la rotura de la estructura
compacta.
El calor específico se define como la cantidad de calor que hay que
aportar a 1 kg de masa para producir un incremento de temperatura de
un grado. Los termoplásticos cristalinos con alto grado de
142
empaquetamiento necesitan un aporte de calor proporcional a dicha
fracción para que se produzca un cambio de estado fusión-cristalización.
Por su parte, los sólidos amorfos no cambian su estado, por lo que
se requiere una aportación de calor adicional. El valor del calor
específico a presión constante depende de la estructura del polímero, su
historia térmica, su peso molecular y la presencia de cargas o aditivos.
El coeficiente de dilatación térmica lineal se define como el
incremento de longitud que experimenta una muestra de polímero
debido a un incremento en la temperatura, a presión constante.
El coeficiente de dilatación se ve directamente influenciado por la
naturaleza de los enlaces, la estructura (si es amorfa o cristalina), el
grado de entrecruzamiento y la presencia de cargas y rellenos.
Procesos de Producción
La existencia de los materiales poliméricos se fundamenta en la
obtención de materiales de alto peso molecular a partir de estructuras
más sencillas. La polimerización es el proceso por el cual pequeñas
moléculas se enlazan covalentemente para constituir cadenas
moleculares largas. Estas moléculas simples se denominan monómeros,
ya cadena larga formada por los monómeros se llama cadena
polimérica.
Mediante los procesos de síntesis de polímeros lineales se
obtienen macromoléculas de peso molecular infinito y por lo general,
elevado. Los polímeros que se obtienen mediante estos procesos suelen
llegar a fluir por el efecto de la temperatura.
Los procesos de obtención de redes tridimensionales conducen a
la formación de estructuras tridimensionales con un peso molecular que
abarca la totalidad de las unidades que constituyen la red. Los polímeros
143
que se obtienen suelen presentar buena estabilidad a la temperatura y
no suelen fluir.
El proceso de polimerización por adición pretende obtener cadenas
más o menos lineales con peso molecular finito y por lo general elevado.
Durante la polimerización que activa un hidrocarburo por el efecto del
calor, presión o un catalizador se obtienen polímeros con cadenas
lineales, pero debido a reacciones paralelas suelen formarse cadenas
más o menos ramificadas.
Mediante el proceso de polimerización por condensación se
pueden obtener tanto macromoléculas de peso molecular elevado y
finito como estructuras de redes tridimensionales que pueden
considerarse de peso molecular infinito. La longitud de la cadena
depende de la facilidad con que los meros pueden difundirse hacia los
extremos e intervenir en la reacción de condensación.
Algunos polímeros se obtienen combinando los dos procesos
anteriores, primero se polimeriza mediante condensación para obtener
cadenas lineales de poliéster con presencia de instauraciones, luego de
polimeriza por adición para que las cadenas lineales se entrecrucen con
otras con segmentos de estireno, dando lugar a una red tridimensional.
Clasificación de Polímeros
De acuerdo a su monómero base, los plásticos pueden tener tres
diferentes clasificaciones, en las cuales la disposición de los monómeros
habitual es aleatoria:
Homopolímero: cuando la cadena polimérica está formada por la
repetición de un mismo tipo de monómero.
Copolímero: Cuando se emplean dos o más monómeros distintos a
la vez, obteniéndose cadenas poliméricas en las que existen
ambos monómeros con diferentes ordenaciones.
144
Terpolímeros: Similar a los copolímeros, pero empleando tres
monómeros distintos.
De acuerdo a su estructura interna, los polímeros también se
pueden clasificar de dos diferentes maneras: hidrocarburos y bencenos.
Los hidrocarburos son compuestos orgánicos constituidos por C e
H, formando cadenas que pueden incorporar otros elementos per en
menor cantidad. Los hidrocarburos se clasifican en función de los tipos
de enlaces que aparecen en la cadena principal de hidrocarburos
saturados e insaturados. Se denominan saturados a los compuestos de
cadena abierta y simple que forman series homólogas agrupando los
compuestos de propiedades químicas similares; se denominan
insaturados a aquellos que engloban todas aquellas cadenas de átomos
de C e H que contienen enlaces insaturados dobles o triples.
La clasificación que va, de igual manera que la anterior, en función
de su estructura y que se usa de manera más extendida es la siguiente:
Polímeros lineales: con peso molecular elevado finito, este grupo
engloba prácticamente a la totalidad de los materiales
termoplásticos, formados por el agrupamiento en forma de ovillo
de multitud de cadenas poliméricas lineales con determinados
niveles de ramificación.
Redes tridimensionales: con peso molecular infinito, son los
denominados materiales termoestables.
Polímeros lineales entrecruzados: aquellos polímeros con
estructura lineal que para mejorar sus prestaciones mecánicas se
someten a procesos de entrecruzamiento entre las cadenas. Se
trata del grupo de los elastómeros.
De acuerdo a su reacción se síntesis, los polímeros se pueden
clasificar en aquellos obtenidos por adición, condensación o de manera
combinada, y los procesos se especificaron en el apartado anterior. 145
Código de Plásticos
Algunas de las abreviaturas de los plásticos son las siguientes:
PET ó PETE:
Poletilentereftalato
PEAD: Polietileno de Alta
Densidad
PVC: Policloruro de Vinilo
PEBD: Polietileno de Baja
Densidad
PP: Polipropileno
PS: Poliestireno
PAN: Poliacritonitrilo
PMMA: Polimecratilato de
Metilo
BUNA: Polibutadienio
POM: Polióxido de Metileno
PTFE: Teflón
PVOH: Polialcohol Vinílico
PVAc: Poliacetato de Vinilo
PMA: Polimetil Acrilato
PVDC: Policroruro de
Vinilideno
PVDF: Polifluoruro de
Vinilideno
PA: Poliamida
PAI: Poliamida Imida
PUR: Poliuretano Lineal
PC: policarbonato
POM: Poliacetal
PPO: Polióxido de Fenileno
PEOX: Polióxido de Etileno
PEEK: Poliéter Cetona
PBT: Polibutileno
Tereftalato
CA: Acetato de Celulosa
CP: Propionato de Celulosa
EC: Etil Celulosa
CN: Nitrato de Celulosa
PEI: Poliéter Imida
PPS: Polisulfuro de Fenilo
PSU: Polisulfona
PES: Poliéter Sulfona
EP: Resinas Epoxi
PF: Fenol Formaldehido
146
Principales Usos
Los polímeros en estado puro son raramente empleados, en
general, necesitan un aditivo para tener un uso industrial. Un aditivo es
cualquier sustancia que mejore las propiedades físicas, químicas o
mecánicas de un polímero, o que reduzca su coste. Los aditivos se
clasifican en aquellos ayudantes del procesado y los modificadores de
propiedades del producto.
Los ayudantes del procesado facilitan el flujo de plástico fundido,
evitando su adherencia al molde; y funcionan como estabilizantes para
evitar la degradación térmica y oxidativa del polímero durante el
proceso de transformación, durante el cual se va sometiendo a altas
temperaturas.
Es igualmente frecuente el empleo de copolímeros y de mezclas
de polímeros como procedimientos simples del fabricante para ofrecer
un mayor abanico de propiedades.
Una aplicación tecnológica de los polímeros es su capacidad de
unir, de forma temporal o permanente, materiales de todo tipo. Las
uniones hechas con polímeros (adhesivos), que se realizan
correctamente, pierden sus características con el tiempo en
comparación a las uniones por soldadura o remaches.
Las espumas plásticas engloban a todos los plásticos en los que se
encuentra ocluido un gas en forma d burbujas. Básicamente, las
espumas se clasifican en función de la estructura de las celdillas que
contienen el gas:
Espumas de Celdilla Abierta: Estas se producen cuando las
burbujas de gas se encuentran comunicadas unas con otras
Espumas de Celdilla Cerrada: Cada burbuja de gas posee una piel
individual.
147
Por otro lado, las espumas plásticas también se pueden clasificar
en función de la distribución de las burbujas en el seno del plástico:
Espumas Propiamente Dichas: Las celdillas está distribuidas
uniformemente en toda la sección, y por lo tanto, se obtiene una
densidad uniforme a lo largo de toda la espuma.
Espumas Integrales: Presentan una distribución asimétrica de
celdillas. Mientras que en el centro existen multitud de celdillas,
cuando se avanza hacia el margen su número desciende. La capa
exterior está compuesta prácticamente de polímero macizo. Esta
distribución de celdillas es posible gracias a un procedimiento
especial de espumado.
e) Pieles
A lo largo de la historia, el hombre ha utilizado las pieles de los animales
y los pueblos nómadas aún las emplean para construir refugios,
vestidos, armas y recipientes para guardar los alimentos. Las técnicas
de curtición tienen un origen muy primitivo en la historia humana,
cuando las pieles se trataban con jugos extraídos de la corteza de los
árboles. La piel es una porción bastante significativa del peso del animal
vivo y en consecuencia es uno de los subproductos más valiosos
obtenidos de los animales.
Comercio de Pieles y Cuero
La mayor parte de las pieles de vacuno se aprovechan y es obvio que
constituyan un apartado significativo de la exportación. Por el contrario,
en el caso de las pieles de oveja y cordero se producen importaciones
para convertirlas en cuero.
Clasificación
Las pieles se clasifican de acuerdo con su peso, por el hecho de tener o
no tener marcas, así como por la localización de las marcas, por el sexo,
nivel de engrasamiento del animal, defectos y habilidad de los
148
trabajadores que hayan obtenido la piel. Las categorías de las pieles son
las siguientes:
1- Piel sin agujeros, cortes, rebanaduras o desgarros, sin defectos
visibles y que tenga sustancialmente la forma correcta y esté
suficientemente curada. Excepcionalmente, puede tener un orificio
por debajo del corvejón inferior a 25 mm de largo. Si posee un
orificio o incisión en la parte posterior de una marca de fuego aún
puede ser una piel del número 1 si el resto de las características
son satisfactorias.
2- Piel con forma no regular o que tenga un agujero, corte,
rebanadura o desgarro inferior a 152 mm, o defectos de grano o
raspaduras inferiores a un pie cuadrado (929 centímetros
cuadrados), localizados por encima de una línea que separa los
flancos delantero y trasero.
3- Piel conteniendo cinco o más agujeros, cortes, raspaduras o
desgarros, o con orificios o cortes de 152 mm o superiores, que
esté insuficientemente curada, con cualquier tipo de defecto que
afecte a 0,093 m' o más de la piel.
Se denominan «Skin» las pieles de menor tamaño y en el caso de las
pieles de vacuno, se incluyen en este grupo las pieles que pesen menos
de 13,62 kg después de curadas. Las pieles «Colorado» y «Texas»
indican que poseen marcas en el anca o en el flanco y una piel «nativa»
es una piel sin marca. Las pieles «Big-Packer» son las elaboradas por
grandes mataderos con trabajadores especializados y las pieles «small-
packer» o «country» son las obtenidas por trabajadores menos
especializados. Una piel «renderer» o «murrain» es una piel obtenida de
un animal muerto antes de que pudiera ser sacrificado en el matadero.
Composición de las Pieles
149
El espesor de la piel varía con la especie, edad, sexo y región del cuerpo
(es más gruesa en la espalda y en las partes exteriores de los miembros;
más delgada en la región ventral y en las superficies de flexión). La piel
se compone de tres capas principales: la epidermis superficial
pigmentada, el tejido conectivo subyacente, denominado corion, y la
capa profunda o dermis. La epidermis es delgada y cubre la superficie,
extendiéndose hacia abajo en forma de invaginaciones tubulares,
formando la superficie de los folículos pilosos. El corion está asociado a
los folículos pilosos; en su parte superior contiene glándulas sebáceas,
los músculos lisos eréctiles de los folículos y fibras de colágeno, elastina
y reticulina. La parte profunda del corion está formada por una serie de
fibras entrelazadas de colágeno.
La dermis o subcutis consiste en una red membranosa de fibras de
colágeno y elastina. En esta región se localizan depósitos grasos
(especialmente en el cerdo), que determinan la tersura o rigidez de la
piel.
La composición química de la varia con la edad del animal, su sexo, nivel
de engrasamiento y tratamiento que la piel haya recibido una vez
separada de la canal. En general, las pieles poseen poca grasa y
minerales y son muy ricas en proteínas (colágeno). El contenido en
proteínas aumenta considerablemente y llega a constituir el principal
componente cuando la piel se convierte en cuero. El pelo se compone
casi completamente de una proteína denominada queratina
Curado de las Pieles
La calidad del cuero depende en gran medida de las técnicas utilizadas
para separar la piel (desollado). Y los procesos de preparación en la
matadero. La preparación de las pieles en el matadero incluye su
separación de la canal, la conservación, descarnado, recortado,
selección y clasificación, almacenamiento y transporte. En ocasiones, el
descarnado y el recortado se hacen antes de la conservación. Todas
150
estas operaciones se han de realizar adecuadamente para que la calidad
final del cuero sea buena. En la actualidad, en los mataderos más
modernos las pieles se separan por tracción ya que de esta forma no se
necesita una mano de obra especializada y se producen menos daños,
se requiere menos mano de obra por cada animal sacrificado, se reduce
la contaminación de la canal y se consigue un rendimiento superior en
un 2% en las canales de vacuno en comparación con el desollado
manual con cuchillo.
Además de los posibles desgarros durante el depilado, las pieles
escaldadas son un 10% más delgadas y con una menor resistencia a la
tensión del orden del 10-23%. Cuando el escaldado es excesivo, los
pelos se «sientan», haciéndolas imposibles de depilar, debido a la
contracción de la piel sobre la base de los pelos, lo que dificulta su
separación. Cuando el escaldado es aún más intenso la piel se cuece,
quedando inutilizada para la fabricación cuero y con frecuencia las
canales son decomisadas, inutilizables para alimento humano.
Existen diversos agentes químicos que se pueden utilizar en el agua de
escaldado para facilitar la separación de los. Las sustancias químicas
aprobadas incluyen la sosa cáustica (hidróxido sódico), la cal (en agua
se convierte en hidróxido cálcico), el carbonato sódico (sosa de lavar), el
hexametafosfato sódico, ellaurilbenceno sulfonato sódico, el n-alquil-
benceno sulfonato (el sodio es reemplazado por grupos alquilo, con
frecuencia cadenas de 12 y 13 carbonos), el fosfato trisódico, el dioctil
sulfosuccinato sódico, el sulfato sódico, el lauril sulfato sódico (SDS), el
tripolifosfato sódico, la metilpolisilicona, el metasilicato sódico y la
sacarosa.
Después del escaldado, las canales de cerdo se colocan en una máquina
de depilar durante 15-30 segundos; esta máquina consta de unos
cilindros rotatorios con protuberancias de goma que llevan adosados
unos dedos metálicos. La canal es posicionada en unos soportes en
151
forma de U y la acción de los dedos la hace girar al tiempo que la acción
rascadora, en conjunción con un chorro de agua caliente elimina los
pelos. En los lugares de difícil acceso el pelo se elimina manualmente. El
pelo residual se chamusca en una llama, teniendo cuidado de que el
fuego no actúe durante demasiado tiempo en un mismo área, para
evitar que la piel se queme.
Después de obtenidas, todas las pieles tienen que curarse con rapidez
para impedir la descomposición enzimática y bacteriana. Para conservar
las pieles se suele emplear la desecación o, lo que es más común, la
salazón. Existen cuatro técnicas básicas de conservación de las pieles:
desecación al aire, salazón en pilas, mezcla con salo salmuera e
inmersión en tanques de salmuera.
En zonas de baja humedad relativa ambiente las pieles se pueden
desecar al aire. De acuerdo con Aten el al. (1955) los métodos de
desecación al aire se clasifican en:
1. Desecación en el suelo, con las pieles sujetas con contrapesos al
suelo para evitar su retracción. Dado que el aire sólo fluye por una
de las caras de la piel, este método tiene un alto porcentaje de
pieles deterioradas y no es recomendable.
2. Desecación por suspensión en un marco angular adecuadamente
orientado al sol (desecación en marco).
3. Desecación por suspensión de la piel, con la cara carnosa hacia
arriba, sobre cuerdas o alambres delgados. Hay que evitar que las
dos caras revestidas de piel que quedan enfrentadas se toquen,
para favorecer al máximo el flujo de aire (desecación en línea). La
desecación sobre postes o vigas puede resultar en la putrefacción
de la zona de contacto del soporte con la piel, al retrasarse la
desecación en dicha zona.
152
4. Desecación en tienda o parasol. Las pieles se suspenden en unos
soportes de alambre en forma de paraguas, sujetos al suelo por
tirantes.
El método más antiguo de curación en sal y que aún se emplea en un
pequeño porcentaje de pieles es la salazón en pilas. Este procedimiento
consiste simplemente en el apilado de las pieles con la parte carnosa
hacia arriba (usualmente en pilas de alrededor de 1 metro de altura) con
aproximadamente 1 kg de sal (la de un tamaño de grano de 2-3 mm es
la mejor) por cada kg de piel, extendida uniformemente sobre la parte
carnosa de cada una de la pieles en la pila. Las pieles se amontonan de
forma que en los extremos de la pila se dobla la piel (con un espesor
mínimo de sal en el interior del doblez de 2,5 cm y añadiendo sal extra
sobre la parte con pelo que queda incluida en la pila mirando hacia
arriba) para que la parte externa quede a mayor altura que el centro. De
esta forma se retiene la máxima cantidad de salmuera, para reducir la
retracción y conseguir un mejor curado. Este nivel salino controla el
crecimiento microbiano y extrae la humedad de las pieles, que escurre
por el suelo. En este procedimiento también se emplean conservadores,
utilizándose con éxito el fluoruro sódico (que es un veneno y hay que
evitar la inhalación del polvo) o el naftaleno con ácido bórico.
Usualmente la sal sólo se emplea una vez, porque puede contaminarse
con bacterias halófilas; caso de reutilización, hay que esterilizarla por el
calor (de esta manera también se eliminan las proteínas por floculación)
o mezclarla con un desinfectante y desecarla.
La mezcla con sal empleando una mezcladora (procesador de pieles) se
utiliza actualmente en particular en las instalaciones pequeñas, en las
que se dispone de poco espacio. La mezcladora funciona como una
hormigonera y puede cargarse por medio de cintas transportadoras,
carretillas elevadoras o manualmente. Lo normal es que además de la
sal se añada hipoclorito o cualquier otra sustancia antiséptica y
153
fungicida. Las pieles se mantienen en rotación en la mezcladora de seis
a doce horas (3-3,5 rpm). Esta rotación es continua en la primera parte
del ciclo de curación, pero se reduce su funcionamiento a 5 minutos
cada hora en la última parte del mismo. Cuando las pieles salen de la
mezcladora están húmedas y hay que quitarles el exceso de agua, lo
que se consigue pasándolas por una máquina de escurrido (dobladas por
la mitad, con la cara carnosa hacia fuera) o bien dejándolas colgadas
para que escurran el agua por gravedad.
El curado en tanques de salmuera con paletas rotativas es el
procedimiento más común actualmente. El tanque de curado se
mantiene en agitación mediante dos ruedas de paletas colocadas en su
parte superior (cada rueda tiene un metro de diámetro con seis paletas
que entran 25-40 cm en la salmuera y giran a 12-16 rpm.). De esta
forma, se consigue mantener la salmuera en circulación y las pieles en
movimiento.
Se ha comprobado que la adición de fluoruro sódico a concentraciones
del 0,3% del peso de las pieles puede ser útil. Existen varias
formulaciones patentadas con nombres comerciales. Las pieles se
mantienen en los baños de curación con paletas aproximadamente
durante 16 horas. Cuando las pieles se sacan de los tanques están
húmedas, como en el caso de la técnica de curado en mezcladora, y se
pasan por una máquina para escurrirlas o se cuelgan en soportes para
dejarlas drenar. El curado en fosos o pozas es una técnica intermedia
entre el curado con paletas móviles y el curado en sal; las pieles se
colocan hacia abajo en una fosa de 1-1,5 m de profundidad con sal en el
fondo y se rellena de salmuera saturada. En este procedimiento la
salmuera no se agita y las pieles se mantienen durante 24-33 horas. No
es un procedimiento tan popular como el de curación con paletas
móviles porque es más lento y no se consigue un curado uniforme.
154
El descarnado es otra de las etapas importantes en el procesado de las
pieles de calidad. Las máquinas de descarnar separan alrededor de 9-11
kg de material por unidad de piel (aproximadamente 18 kg de grasa y
carne porcada 100 kg de piel, siendo el resto pelo y estiércol).
Normalmente se aceptan una pérdidas comerciales del 16% como
consecuencia del descarnado. Las máquinas de descarnar trabajan a un
ritmo de 90-125 pieles a la hora. Aunque originalmente esta operación
se hacía manualmente y era una labor lenta que exigía una gran
cantidad de mano de obra especializada, en la actualidad se emplean
máquinas. Las máquinas de descarnar tienen dos cilindros rotativos: el
superior posee una cuchilla helicoidal afilada (véase la Fig. 4.8) que
separa la carne y la grasa de la piel al pasar entre los cilindros. La piel
tiene que pasar dos veces por la máquina, descarnándose la mitad en
cada pasada. Al mismo tiempo que la cuchilla superior descarna la piel,
la inferior, que posee unas cuchillas embotadas, elimina el estiércol y las
materias extrañas adheridas al pelo. La distancia entre los dos cilindros
hay que ajustarla (usualmente de forma automática) para evitar que las
pieles sufran daños y para acomodar las distintas longitudes del pelo y
cantidad de estiércol adherido. La operación de descarnado hay que
hacerla antes del curado (normalmente es preferible a menos que haya
una demora temporal considerable) o en todo caso después del curado
(con el mayor incremento en la contaminación de las salmueras y de las
carnes que se vayan a separar de la piel, con lo que se obtienen pieles
más oscuras). No obstante, el orden de las operaciones no parece tener
influencia en la calidad de los productos finales. Si el descarnado se
hace antes que el curado, cuando la piel está aún caliente y muy
flexible, se le puede dar consistencia a la carne y la grasa simplemente
pasando las pieles por un baño de agua fría. Las pieles consistentes son
más fáciles de descarnar.
Los residuos del descarnado y los recortes de las pieles se aprovechan
también en las industrias. La fusión en seco a temperatura elevada no
155
se puede emplear con estos productos porque los recortes de piel
provocan la gelatinización del contenido de las calderas, lo que, junto
con su elevado contenido acuoso, hace muy costoso eliminar el agua por
evaporación. Los sistemas de fusión húmeda son más adecuados y el
sistema Lycoil, que es el que más se emplea, es un equipo de fusión
húmeda centrífugo automático. La materia prima se pica, la grasa y el
agua se separan de los residuos sólidos por centrifugación y la grasa se
separa del agua también por centrifugación (aunque también se pueden
separar simplemente por decantación en caliente). El producto
desgrasado y parcialmente desecado (50% de humedad) se pasa a un
desecador en el que se elimina gran parte del agua hasta conseguir una
harina para piensos que tiene del 40 al 60% de proteína, dependiendo
de la materia prima inicial. Los rendimientos dependen de la
composición de la materia prima, pero están alrededor de 25 kg de
grasa y 10 kg de harina por cada 100 kg de piel 01,8 kg de grasa y 1,1
kg de harina por cada piel (hay un 20% de incremento en las pieles de
animales bien cebados y un 40% de reducción en los animales mal
alimentados). Las grasas así obtenidas difieren en la composición en
ácidos graso s de las demás grasas de origen animal y usualmente se
emplean en las industrias para obtener jabón y otros derivados
químicos.
El recortado es otra de las operaciones claves en la obtención de cuero
de calidad. El recortado se puede hacer antes o después del descarnado
y, por lo tanto, antes o después del curado. El objetivo del recortado es
eliminar las porciones de piel que no tengan valor como cuero y adaptar
la piel al modelo normal de la industria. Las partes de la piel que se
quitan con cuchillo son las orejas, la base de la orejas, los morros
(labios), los sacos escrotales, las ubres, el rabo, la piel de la cara, la
grasa y los músculos laterales de la cabeza y los girones de piel
desgarrados de la zona ventral.
156
Las pieles se clasifican después de curarlas, para poder suministrarlas a
los curtidores de acuerdo con sus requerimientos. La clasificación se
hace en base al sexo, al peso y a que las pieles estén marcadas o no.
Las categorías básicas incluyen: pieles de ternera, marcadas y sin
marcar (nativas); pieles de novillo, nativas y marcadas; pieles de vaca,
nativas y marcadas; y pieles de buey, nativas y marcadas. El marcado
reduce el valor de las pieles ya que las zonas marcadas no pueden
emplearse como cuero en los productos finales.
Las diferencias de calidad se deben al número y tipo de defectos que
presenten. Las pieles de los números 2 y 3 tienen varios niveles de los
defectos mencionados, así como otros, como mordeduras de larvas y
orugas.
Otros defectos y daños de las pieles son los descritos por Aten et al.
(1955) y el «Marketing Economics Division» de la USDA (1964):
1. Escoriaciones - producidas por clavos, alambres de espino, púas y
cuernos, que afectan al granulado de la piel
2. Marcas - afectan al granulado de la piel, aunque las marcas por
frío (criornarcado) no son tan perjudiciales como las marcas a
fuego
3. Espinas - algunas plantas tienen espinas que pueden perforar la
piel y dañar el granulado
4. Sarna - provocada por diversos parásitos produce manchas de
alopecia, engrosamientos de la piel y formación de arrugas, con
vacíos internos, daño en el granulado y orificios
5. Costras - los parásitos producen lesiones y la piel se engruesa y
forma pliegues
6. Garrapatas - parásitos chupadores de sangre que hacen orificios
en la piel, con manchas blancas en la parte carnosa, que no se
tiñen; las infecciones secundarias también pueden afectar a la
calidad de la piel
157
7. Pulgas -los parásitos mordedores o chupadores provocan
desgarros, con daños en el granulado de la piel
8. Exantemas - los parásitos dañan la piel
9. Sanguijuelas - son anélidos acuáticos chupadores de sangre
10. Larvas -las larvas de algunas moscas hacen orificios en la
piel
11. Defectos de fibras verticales - son orientaciones anormales
verticales propias de las fibras del corion que hacen que el cuero
se debilite
12. Manchas fúngicas - el desarrollo de hongos en la piel hace
que se caiga el pelo y se formen placas con daño en el granulado
13. Viruela - enfermedad infecciosa, usualmente limitada a la
piel de la ubre y zonas delicadas, que producen manchas oscuras
en el cuero
14. Hiperqueratosis - enfermedad debida a la ingestión de
productos químicos clorados, con engrosamiento de la piel,
pérdida del pelo y daños en el granulado
15. Peste bovina - producida por un virus, causa la muerte en las
vacas sensibles
16. Tripanosomiasis - parásito de las moscas tse-tse produce
una enfermedad que con frecuencia mata los animales
17. Streptotricosis - enfermedad que provoca costras córneas en
las pieles afectadas, con daños en el granulado
18. Enfermedad del sudor - debida a las garrapatas, hace que el
animal se frote la piel, provocando daños en el granulado
19. Antrax - los esporos del Bacillus anthracis son letales para
los animales y los manipuladores de pieles
Daños durante el curado, salazón o desecación (daños de procesado)
1. Emporcado - con sangre y estiércol que provoca daños en el
granulado
158
2. Moratones - extravasación de sangre en la piel alrededor de la
zona dañada por golpes, con daños en el granulado
3. Desangramiento inadecuado -la sangre que queda en la piel
favorece el desarrollo bacteriano
4. Granulado sometido a rozamientos o arrastramientos
5. Cortes durante el desollado, marcas y orificios de ganchos
6. Recortado mal hecho
7. Desgarros producidos por ganchos o pinzas - daños mecánicos
debidos a una inadecuada manipulación en el desollado mecánico
8. Descarnado inadecuado
9. Daños de tableteo - producidos por las máquinas de descarnar que
no tengan un buen mantenimiento
10. Retrasos en la limpieza, desecación o curación - putrefacción
intensa
11. Caída del pelo - debido a la acción bacteriana, que daña el
granulado y puede extenderse a toda la superficie de la piel
12. Estiramientos y distorsiones - se producen principalmente en
las pieles desecadas cuando se contraen
13. Dobleces - cuando se doblan las pieles muy secas se pueden
agrietar
14. Curado incompleto - la sal no penetró en la piel
15. Podredumbre - cuando la distribución de la sal no es
homogénea o las pieles se almacenan en locales con elevada
humedad relativa, lo que hace que la sal se extraiga de la piel en
forma de salmuera
16. Coloraciones anormales - debidas a la suciedad o pigmentos
de origen bacteriano
17. Colores fijos - pigmentaciones que están incrustadas en la
piel y no se pueden eliminar.
Daños durante el almacenamiento y transporte
159
Rozamientos durante el transporte
1. Humedecimientos en tránsito - hay pérdida de sal en las pieles
saladas y aumento de la humedad en las pieles desecadas, que
pueden permitir el crecimiento bacteriano
2. Daños pormordeduras - debidos a roedores, que también
contaminan con sus excrementos
Daños debidos a los insectos
1. Larvas de escarabajos (<<Ososde lanas») Dermestes maculatus,
2. D. lardarius
3. Hormigas blancas
Las pieles clasificadas se espolvorean con aproximadamente medio kg
de sal (sal de seguridad) para prevenir la alteración durante el
almacenamiento y transporte. Seguidamente se doblan individualmente,
formando fardos con la cara carnosa hacia el exterior. Los fardos de
pieles se atan con cuerdas de distintos colores, o se les pone una
etiqueta, para identificar el tipo y la calidad de la piel. Los fardos se
apilan en sistemas de paletizadores con una altura máxima de un metro,
para que escurra la humedad residual con el peso. Se almacenan en una
nave a la espera de su expedición (véase la Fig. 4.11). Antes de
despacharlas, las pieles se pesan, determinando así su precio por kg.
Las pieles se pueden transportar en camión, ferrocarril o en
contenedores en barco, pero independientemente del sistema de
transporte, el vehículo hay que inspeccionarlo para asegurarse de su
limpieza y de que no tiene escarabajos de las pieles. Estos insectos
pueden dañar las pieles durante el transporte, especialmente en el
verano, por lo que los vehículos hay que tratarlos con insecticidas antes
de cargar las pieles.
Curtido
160
Cuando las pieles llegan a las tenerías se llevan a las naves de
recepción, bien ventiladas y refrigeradas. Los fardos se abren y las
pieles se vuelven a recortar si es preciso, cortándolas por la mitad de la
cabeza a la cola, para conseguir dos lados. Como la operación de curtido
es discontinua, las pieles se clasifican y agrupan en lotes homogéneos
de 2 a 4 Tm, de forma que los procesos se puedan ajustar a las
características de las pieles.
El paso siguiente es el remojado, que restaura la humedad original de
las pieles, que se había reducido para controlar el crecimiento bacteria
no en las operaciones de curado. La humedad es necesaria para que la
curtición pueda ser satisfactoria. El remojado se hace en baños
cilíndricos en los que a las pieles se les añade agua, detergentes y
desinfectantes; las pieles se mueven mediante una paleta giratoria
similar a la de los tanques de curado. La agitación flexibiliza y ablanda
las pieles.
El remojado es una operación que se prolonga durante 8 a 20 horas para
que las pieles reabsorban el agua necesaria (las pieles más gruesas se
remojan más tiempo). La etapa final del remojado consiste en lavar las
pieles con agua limpia que entra por un extremo del baño con salida por
el otro extremo. Con este lavado se eliminan la suciedad, el estiércol, la
sal y la sangre de las pieles. Después de lavarlas, las pieles se sacan del
baño, se apilan para que escurran y, si aún no se han descarnado o el
descarnado ha sido insuficiente, se procede a su descarnado en las
máquinas previamente descritas. Si las pieles se van a curtir sin pelo o
lana, el paso siguiente consiste en «pelarlas». Originalmente esta
operación se hacía mediante el «sudado», colocando las pieles en una
nave oscura y los enzimas bacteria nos eran los encargados de
desprender el pelo. En este proceso existía siempre el riesgo de que se
dañase el granulado de la piel y ya no se emplea.
161
El proceso de eliminación de los pelos es fundamentalmente de tipo
químico, pero existen equipos mecánicos de pelado que se utilizan a
veces después de la depilación química. Los agentes depilatorios
químicos más comunes son: solución saturada de hidróxido cálcico (cal
hidratada que debilita la base de los folículos) y sulfuro de sodio (que
disuelve el pelo) o sulfhidrato sódico. Otras mezclas empleadas para
eliminar el pelo pueden incluir la lechada de cal (preparada diluyendo
cal hidratada al 10% en agua) fortificada con sulfuro sódico, sulfhidrato
sódico, sulfuro de arsénico o dimetilamina.
La concentración de depilatorio, la temperatura y la agitación
determinan la duración del proceso. Si los pelos se van a aprovechar se
emplean concentraciones más bajas y temperaturas inferiores, de forma
que sólo se debiliten las raíces. En dos o tres días los pelos se pueden
recoger, se lavan repetidamente en agua y después con agua
conteniendo ácido acético (1%) y se desecan. Se emplean como lijantes
en escayolas, se pueden utilizar en materiales aislantes y en la
fabricación de textiles, alfombras y mantas. Si se emplean soluciones
más concentradas, o valores de pH más elevados (superiores a 11,5) y
temperaturas más altas, el pelo se puede disolver en sólo unas horas.
El proceso siguiente en la curtición es el «apaleado» (bating) que
elimina los depiladores químicos alcalinos (pH aproximado de 12,5) y
otras sustancias indeseables de la estructura del cuero. La primera
etapa del apaleado es la «descalcificación», que se realiza en grandes
cilindros giratorios de madera, dotados de ejes centrales y una puerta
lateral que se puede quitar. Estos cilindros se emplean además en varias
de las operaciones de curtición y giran a una velocidad aproximada de
16 ppm. La operación de descalcificación consiste en un lavado en el
que el agua se bombea dentro del cilindro a través de un orificio en el
eje y se deja salir por una puerta perforada, que se coloca en la abertura
de la puerta lateral, que previamente se ha quitado. Al agua se le
162
añaden sales del tipo del sulfato amónico o cloruro amónico y a veces
fosfato trisódico o ácido sulfúrico para convertir el calcio residual en
compuestos solubles que se puedan extraer con el lavado. Si la factoría
está sometida a controles rígidos de amonio en las aguas residuales, es
posible emplear sulfato magnésico como tampón alternativo. El cloruro
amónico penetra con mayor rapidez que el sulfato correspondiente y se
consigue una piel más suave. El sulfato amónico se emplea en la
elaboración de cuero para las palas superiores del calzado porque el
producto final es más firme y resistente. En las operaciones de
descalcificación se reduce el pH desde 10-13 hasta aproximadamente 8-
9. Con ello se rebaja el hinchamiento alcalino y el pH queda en el
margen apropiado para que el apaleado enzimático pueda tener lugar.
Los enzimas empleados en este proceso son similares a los que se
encuentran en el sistema digestivo y su función es digerir los
componentes residuales del pellejo que son indeseables en el cuero,
como son los folículos pilosos y los pigmentos de la capa granular.
Durante el apaleado se digieren y disuelven los constituyentes proteicos
distintos del colágeno y que no son esenciales en el cuero.
Originalmente se hacía el apaleado mediante «ernporcado» (puering)
añadiendo a las pieles una infusión diluida de excrementos de perro, que
se dejaban fermentar. Pero esta mezcla con frecuencia estaba
contaminada de bacterias que podían dañar las pieles. Posteriormente
se observó que las mezclas de sales amónicas y enzimas bacterianos
derivados del estiércol eran muy buenas con esta finalidad. El
descubrimiento siguiente consistió en emplear cloruro amónico con
enzimas extraídos del páncreas y otros que se conseguían de la madera.
La tripsina es un enzima que se ha visto que tiene actividad proteoiítica
capaz de digerir las proteínas desnaturalizadas en medio alcalino.
Actualmente las soluciones para el apaleado son soluciones de enzimas
de origen microbiano, fúngico, vegetal (con frecuencia del salvado) o
animal. En el paleado la piel se suaviza, limpia y flexibiliza. En este
163
proceso también se eliminan los restos de sustancias pegajosas que se
encuentran junto a las fibras de colágeno que, si se dejan en el cuero, le
dan una consistencia dura y áspera.
La etapa siguiente es el curado, que consiste en poner las pieles en
ácido (pH inferior a 3) con el fin de rebajarle el pH para poder tratarlas
después con las sustancias químicas de la curtición que no son solubles
en medio alcalino. El ácido más utilizado es el sulfúrico, pero se pueden
emplear otros muchos. La primera etapa en el proceso de curado es la
adición de sal. Lo más común es emplear cloruro sódico, pero otras sales
también sirven satisfactoriamente. De esta manera, se previene el
hinchamiento de las pieles (hinchamiento ácido) extrayendo el exceso
de humedad. Después de añadir la sal se echa el ácido en los cilindros y
en unas pocas horas las sustancias del curado penetran en el seno del
pellejo. Dado que esta etapa tiene también un efecto conservador, las
pieles pueden almacenarse después sin problemas durante el tiempo
que se desee.
El paso siguiente en la curtición convierte las fibras de colágeno de la
piel en cuero, un material no putrescible. El cuero tiene muchas
propiedades deseables, como la estabilidad dimensional, resistencia a la
abrasión, resistencia química, resistencia térmica, flexibilidad y
capacidad de soportar ciclos periódicos de humedecimiento y
desecación.
El curtido al cromo es el método más popular en la actualidad por su
rapidez y porque le da al cuero unas propiedades físicas y químicas
deseables (estabilidad y resistencia térmica). El problema es la
eliminación de los residuos de cromo de la factoría ya que es una
sustancia tóxica. Si las pieles se han almacenado después del curado se
vuelven a poner en salmuera en los cilindros rotativos. El pH se ajusta a
2,8 y se añade la cantidad apropiada de sustancias químicas curtientes.
El estado químico de los curtientes también es importante para
164
conseguir un producto uniforme. Las sales de cromo (por ej., el
dicromato sódico) se hacen reaccionar con un azúcar reductor (por ej.,
maltosa) y ácido sulfúrico para que se reduzcan las sales a sulfato
crómico básico (también llamado «cromo»). Esta sustancia se añade a
las pieles en el cilindro rotativo (en una proporción usualmente del 1,5 al
3%), además de un antiséptico (0,02-0,1% de una sal sódica de fenol
clorado). Seguidamente se eleva el pH (basificación) del contenido de
los cilindros hasta 3,4-3,6 añadiendo bicarbonato sódico o cualquier otro
álcali (cada uno de los cuales tiene un efecto propio sobre la calidad del
cuero), con lo que se aumenta la alcalinidad y la afinidad del colágeno
por el cromo. La teoría del curtido al cromo es que se establecen enlaces
cruzados por unión de los diversos iones crómicos a los grupos
carboxílicos libres de las cadenas laterales del colágeno. Los álcalis
favorecen el proceso al exponer grupos carboxilo adicional por hidrólisis
de los enlaces amino lateral.
Si la basificación es débil no se fija el cromo y si es excesiva se produce
un granulado grueso indeseable. La operación de curtición requiere de 4
a 6 horas (más tiempo para las pieles de mayor espesor). La velocidad
de curtición se puede seguir por la temperatura de retracción húmeda
de la piel o por otras pruebas químicas.
La etapa siguiente para conseguir el cuero es el «exprimido» o
«asentado», a veces denominado «igualado», cuyo propósito es eliminar
el exceso de humedad, suavizar el granulado y eliminar las arrugas que
puedan existir en el cuero. El equipo empleado es similar al descrito
previamente para escurrir las pieles y la operación consiste en pasar los
cueros entre dos grandes cilindros. Además de eliminar la humedad, en
esta etapa se comprime la piel, aunque pronto recupera su espesor
normal. Sin embargo, un exprimido excesivo puede hacer que la piel se
vuelva demasiado delgada y puede reducir tanto la humedad que se
deseque excesivamente.
165
Después del exprimido, las dos operaciones siguientes son el «rebajado»
y el <<afeitado», cuyo objetivo es ajustar el espesor de la piel al
deseado de acuerdo con destino final. El espesor de las pieles puede
variar entre animales entre otras cosas por la edad y también puede
variar en distintas zonas de la piel de un mismo animal. La principal
operación de ajuste del espesor es el «rebajado», que se realiza en una
cortadora horizontal dotada de un cuchillo flexible muy afilado. La piel se
introduce en la máquina con la parte granular (externa) hacia arriba y
ésta es la que se rebaja.Un0 conjunto de tornillos ajustables arriba y
debajo del cuchillo es el que controla el espesor definitivo del granulado.
La capa inferior de la piel se denomina «rebaje» (no contiene granulado
alguno) y con frecuencia tiene suficiente espesor para emplearla la
elaboración de suelas de zapatos. Estos rebajes se procesan con
posterioridad en curtidurías especializadas. El rebaje también se puede
emplear como materia prima para la elaboración de tripas artificiales de
colágeno.
Las porciones granuladas de la piel se afeitan, lo que supone pasarlas
por máquinas dotadas de cuchillas helicoidales. En el rebajado puede
que parte de la piel no tenga espesor suficiente para contactar con la
cuchilla y el afeitado tiene como objetivo limpiar dichas áreas de
cualquier material carnoso y conseguir al mismo tiempo ajustar la
uniformidad total del espesor de la piel. Con frecuencia, las pieles se
vuelven a curtir, haciendo uso de las propiedades combinadas deseables
de más de un agente de la curtición. Las sustancias más populares para
la curtición doble son los extractos vegetales y las «syntans». Los
extractos vegetales son los más antiguos empleados por el hombre y se
extraen de los árboles y arbustos con agua caliente. El curtiente
comercial de corteza de árbol se obtiene a partir de las virutas de la
corteza de los troncos, que usualmente se emplean como cama para el
ganado o como fertilizantes. La sustancia curtiente es el tanino (ácido
166
tánico), que se encuentra en su forma activa en más de 300 especies de
plantas, aunque lo normal es que se empleen menos de 20.
Los taninos son compuestos polifenólicos de dos tipos. Los taninos
hidrolizables derivados del pirogalol y los taninos condensados que son
derivados del catecol. La curtición vegetal probablemente se debe a la
unión de los enlaces de hidrógeno de los grupos fenólico y los enlaces
peptidicos de las cadenas proteicas. En algunos casos se incorpora a la
piel hasta el 50% del peso de los taninos.
La recurtición vegetal da solidez, consistencia y uniformidad al cuero
curtido al cromo. Este efecto es muy importante en las pieles de cerdo
para modificar las diferencias de textura de distintas partes de la piel.
Las syntans son sustancias químicas sintéticas obtenidas a partir de la
condensación de ácidos sulfónicos o fenoles con formaldehído, pero
también pueden ser del tipo de las resinas acrílicas. Estas sustancias se
emplean para elaborar cueros suaves y para darle al cuero tonos
blancos o pastel ya que tienen un efecto decolorante sobre las pieles de
color verde-azulado curtido al cromo.
Para el recurtido, las pieles se vuelven a echar en el cilindro rotativo. Se
procede primero a su lavado y neutralización con un álcali suave para
ajustar el pH al nivel más apropiado para el material de recurtición
seleccionado. Entonces se añade el agente curtiente y se mantiene en
contacto con el cuero durante 1-2 horas.
La etapa siguiente es la «tinción», para producir el color deseado. La
tinción es aún un arte ya que los cueros toman los colorantes de distinta
forma según la especie de la que provengan y la mayor parte de las
pieles no tienen una pigmentación ni un granulado uniformes, aunque
siempre se desea que el producto final sea lo más uniforme posible. No
obstante, se acepta e incluso se busca esa ligera falta de uniformidad
167
del producto natural que es muy difícil duplicar en los materiales
sintéticos.
Existen cientos de colorantes y productos auxiliares y usualmente las
pieles se tiñen con mezclas para obtener los colores deseados. La
profundidad de penetración y la velocidad de combinación de los
colorantes de las mezclas son factores muy importantes ya que los
distintos colorantes de las mezclas tienen que actuar conjuntamente
para producir los resultados deseados. También en este caso, los
fabricantes controlan el valor del pH para establecer el efecto de
afinidad de los colorantes por las fibras.
Las categorías de colorantes empleados son:
- colorantes ácidos - penetran fácilmente, colores brillantes,
- colorantes de la anilina - se combinan con las fibras de la piel,
- colorantes básicos - coloración superficial, tonos brillantes,
- colorantes directos - coloración superficial, tonos intensos,
- colorantes metalizados - coloración a distintos niveles, colores
desvaídos.
El objetivo de la tinción no es sólo conseguir el correcto tono e
intensidad del color sino que también se tiene en cuenta que los colores
sean resistentes a la pérdida de intensidad, que no despinten y que
puedan limpiarse al seco o lavarse. Después de la tinción, las pieles se
lavan para eliminar los residuos del colorante para ajustar el pH y para
conseguir la temperatura adecuada (usualmente a52°q para el paso
siguiente, denominado «engrasado», que tiene como finalidad ajustar la
firmeza o textura del cuero lubricando las fibras. El engrasado también
puede incrementar la resistencia del cuero. Los ingredientes básicos
(compuestos «esponjeantes») en este proceso son los aceites, de origen
vegetal, animal (como el aceite de tuétano), de pescado o minerales;
también se suele añadir glicerina y otras sustancias grasas afines,
jabones, yema de huevo y, a veces, ceras o arcillas. En general, son
168
sustancias químicas que reaccionan con los aceites para aumentar su
solubilidad en agua, de carácter emulgente, que dispersan los aceites no
polares en emulsiones estables. Otras sustancias que se pueden agregar
incluyen la lignina en polvo, el sintano de naftaleno, las sales de Epsom,
el azúcar de maíz, las sales de ácidos orgánicos, bicarbonatos y bórax.
Algunos de estos compuestos son mezclas de aceites altamente
sulfatados, para hacerlos más miscibles en agua. Los líquidos aniónicos
empleados en esta fase son mezclas de aceites sulfatados o sulfonados
con aceites crudos. Las mezclas catiónicas son mezclas de aminas
alquílicas de cadena larga con aceites crudos. La operación de egrasado
de las pieles dura alrededor de una hora a temperaturas elevadas en el
cilindro rotatorio. Seleccionando el tipo y la cantidad de agente
engrasante se pueden conseguir varias calidades de textura a partir del
mismo tipo de cuero curtido. Las pieles de cerdo usualmente requieren
un mayor engrasado que las de vacuno.
El proceso siguiente con el cuero se denomina «asentamiento» y tiene
como objetivo suavizarlo y reforzarlo, al tiempo que se comprime y se
extrae el exceso de humedad y grasa que pueda tener. El asentamiento
se consigue con un equipo similar al empleado en el descarnado, con
una cuchilla diseñada para ejercer presión y suavizar el granulado. En el
equipo se comprime el cuero (que se mantendrá comprimido durante la
desecación posterior) y se obtiene un producto con aproximadamente
un 60% de humedad.
La etapa que sigue es la «desecación», cuyo objetivo es eliminar todo el
agua que no esté en equilibrio con la humedad ambiente. Existen tres
procedimientos de desecación distintos y el que se elija tiene
repercusiones sobre la calidad final del cuero.
El método más simple es el de «colgado», en el que los cueros se
cuelgan, como la ropa, en un tendedero que se hace pasar con
169
frecuencia por un horno de desecación mantenido a menos de 54°C para
evitar la retracción.
Otro procedimiento de desecación es el denominado «toggling», en el
que los cueros se estiran y se fijan a un marco metálico perforado
mediante una serie de ganchos denominados «toggles». Al otro lado del
marco se puede colocar otro cuero. Estos marcos se introducen después
en hornos de desecación.
La técnica de desecación más popular es la denominada «encolado», en
la que las pieles realmente se encolan con engrudo a grandes placas de
acero inoxidable, de porcelana o de vidrio. Las placas se lavan y se
desecan previamente, se les pulveriza una pasta de aglutinante
(material similar al almidón) que se adhiere a las pieles húmedas, pero
que se despega muy fácilmente cuando las pieles se secan, y a
continuación se montan las pieles, con la capa granular hacia el engrudo
adhesivo, ejerciendo una presión sobre la placa, de forma que la piel es
suavizada al mismo tiempo, utilizando unas cuchillas especiales
denominadas «slickers». Seguidamente las placas se colocan en un
horno a 60-66°C y 40% de HR durante 4-6 horas.
Otra técnica que se puede emplear es la desecación a vacío, en la que
las pieles se desecan a vacío después de colocarlas en una placa de
acero caliente. Después de desecarlas, las pieles deben tener un 10-12%
de humedad. La operación siguiente es el «acondicionamiento» o
«humectación» y supone la introducción en la piel de una cantidad
controlada de humedad. Las pieles desecadas son duras y poco
adecuadas para muchas aplicaciones y los consumidores finales
normalmente desean cierto grado de flexibilidad (lo que se denomina
«ternperamento»), La humedad se aplica con boquillas perforadas y las
pieles entonces se apilan y se cubren con un material impermeable para
permitir que las pieles se «remojen» durante aproximadamente 16 horas
170
durante las que la acción capilar distribuye la humedad uniformemente.
El nivel de humedad se eleva aproximadamente a un 25%.
La siguiente etapa de flexibilización y adecuación del cuero se denomina
«machacado», siendo esta etapa, junto con la de engrasado
previamente descrita, la principal determinante del temperamento final
del cuero. El equipo de machacado contiene una especie de mandíbulas
que se abren y cierran y se mueven hacia adelante y atrás, mientras un
trabajador va cambiando el cuero de posición manualmente durante
aproximadamente un minuto por pieza de cuero. La combinación de
estiramientos y dobleces de la máquina de machacar impone una
intensa tensión física y flexión de las fibras del cuero. Después de esta
etapa de nuevo se deja airear el cuero para eliminar el exceso de
humedad, pudiéndose emplear cualquiera de los procedimientos de
desecación previamente descritos.
A continuación, los cueros se someten al «lijado», que tiene como
finalidad suavizar la superficie granular por medio de un cepillado
mecánico para mejorar el aspecto del cuero y reducir cualquier desgarro
que pudiera existir (a veces también se hace el cepillado por la cara
carnosa de la piel). Los equipos de cepillado emplean un disco o una
banda abrasiva de carborundo, cuyo grado controla la intensidad del
proceso. Si el cuero no se lija se denomina «con todo su granulado». Si
el lijado es suave se denomina «granulado corregido». Con un lijado
medio se consigue el cuero «rapado» y si el lijado es intenso se habla de
cuero «lijado», El polvo de cuero que se genera en esta etapa se elimina
por cepillado, por aspiración de aire con extractores o por vacío y
usualmente los equipos de lijado disponen de sistemas incorporados de
eliminación del polvo.
La etapa siguiente es el «acabado», consistente en la aplicación de
sustancias de revestimiento que le dan al cuero una cierta resistencia a
la abrasión y a la decoloración. Estas sustancias pueden tener un efecto
171
mejorante del color (estos productos pueden ser desde transparentes a
opacos) y facilitan el cuidado posterior del cuero. El tipo de acabado
viene determinado por la clase de piel (las pieles de cerdo son las más
difíciles de tratar y con frecuencia requieren un 30% más de sustancias
de acabado) y el destino final de aplicación del cuero.
La etapa siguiente en el proceso es el «planchado», que afina la
superficie granular o produce una gran variedad de texturas. Después se
puede aplicar otra capa revestimiento y repetir el planchado; este ciclo
se puede repetir varias veces en período de 4-5 días. La operación de
planchado se realiza en prensas que ejercen una presión de más de 25
Tm/m' a una temperatura de más de 1OO° C y con una aplicación de
varios segundos. En esta etapa también se puede proceder al grabado
de la piel con placas que estampan un modelo permanente cuando se
aplica presión. Los modelos grabados se mantendrán después durante
todo el período de utilidad de la piel.
Dado que el cuero se comercializa por superficie, la etapa siguiente es
medir las pieles, que tienen una forma irregular. Para ello se emplea un
planímetro que integra la superficie total del cuero al dibujar su
contorno.
La etapa final es la clasificación, que determina la calidad final del cuero.
En la clasificación se tiene en cuenta el temperamento, la uniformidad
de espesor y el color y la presencia de defectos. Los cueros clasificados
se agrupan en lotes de 4-5 pieles, enrolladas en un fardo, cubierto con
papel; a veces, este paquete se coloca en una caja madera. El tiempo
medio necesario para convertir una piel en cuero es de unas cuatro
semanas.
Los cueros elaborados con las pieles de los animales de mayor tamaño
se suelen dividir en secciones más pequeñas para su más fácil manejo,
también se hace esta división en base a que las distintas partes de la
piel se adaptan mejor a diferentes usos.
172
Propiedades Físicas del Cuero
El cuero tiene unas características propias muy valiosas, que en gran
parte se pueden atribuir a su estructura interna. El cuero posee una
gran resistencia a la tracción (resistencia al estiramiento sin romperse),
teniendo en cuenta su flexibilidad. El cuero tiene tradicionalmente una
resistencia de 140-281 kg/cm', lo que le hace ser uno de los materiales
flexibles más fuertes conocido. El cuero también tiene una gran
resistencia al desgarro. Esta resistencia se debe a que las fibras están
dispuestas principalmente de acuerdo con orientación al azar y no
tienen un modelo fijo de distribución que permita su fácil ruptura en un
determinado sentido. Esto significa que el cuero usualmente no es
desgarrable y no es necesario reforzar los bordes de los orificios que se
le hagan. Sin embargo, las pieles de cerdo son mucho más débiles en
cuanto a la resistencia al desgarro y no se pueden utilizar en productos
que estén expuestos a este riesgo.
La elongación (máximo estiramiento sin que se rompa) del cuero puede
controlarse del 15 al 73% seleccionando los procesos más apropiados de
curtido y engrasado. En condiciones normales el cuero se somete a
estiramientos del 15·25%. El cuero además tiene una excelente
flexibilidad en un amplio margen de humedades y temperaturas
haciendo que sea ideal para la elaboración de artículos que se vayan a
exponer a condiciones duras de trabajo. El cuero también proporciona
una característica de seguridad adicional en razón de su resistencia a la
punción (capacidad de resistir la penetración de un objeto afilado). Esta
propiedad también contribuye a su duración en el uso. El cuero puede
absorber y ceder humedad y tiene la propiedad de «respirar» (la piel de
cerdo es particularmente útil a este respecto), la capacidad de enfriar en
climas cálidos y de aislar en climas fríos, siendo también resistente al
viento, lo que lo hace ideal para vestidos y zapatos. El cuero también
posee la capacidad de ser moldeable, reteniendo sus restantes
173
propiedades incluso después de haber sido deformado
permanentemente en nuevas formas, propiedad que es muy
significativa en la fabricación de zapatos. Esta combinación de
propiedades hace que el cuero sea un material único para muchas
aplicaciones.
Efluentes de las Tenerías
Dado que el curado y curtido eliminan proteínas y grasas de las pieles y
estos procesos emplean grandes cantidades de sal y compuestos
químicos diversos, los efluentes de las fábricas de cuero o tenerías son
altamente contaminantes; en consecuencia, su depuración supone un
gasto considerable. Algunos curtidores reciclan el cromo con
procedimientos de precipitación resolubilización, mediante
incineraciones y extracciones, mediante la adición complementaria de
cromo a los líquidos ya usados o mediante la extracción de los Iodos
efluentes. También pueden constituir un problema otros materiales
presentes en los efluentes de las tenerías como el plomo (de los
pigmentos de acabado), el zinc y el cobre.
Curtido de Pieles
Curtir es un proceso que abarca desde la selección del animal en vida o
de la piel cruda, hasta el terminado de belleza de la piel ya curtida. El
objetivo de la curtiduría es hacer de un material putrescible, como lo es
la piel cruda, uno prácticamente imputrescible, además de darle una
vista agradable y una consistencia adecuada.
Tipos de Curtientes
Actualmente hay muchas y muy variadas técnicas para curtir, al igual
que diversos tipos de curtido. En cuanto a técnica se refiere, los hay
desde altamente industrializadas hasta puramente artesanales. Los
curtidos se pueden hacer con curtientes minerales, vegetales o animales
y sus combinaciones, tanto a nivel industrial como artesanal, aunque los
174
curtientes sintéticos han estado desplazando a los naturales sobre todo
en la industria.
Dentro de los curtidos minerales, los más conocidos son los hechos con
base de alumbre, cal (pergamino) y últimamente cromo, entre otros.
Los curtientes vegetales son los taninos, sustancias astringentes
presentes en mayor o menor grado en casi todas las plantas, y cuya
concentración varía de acuerdo a la parte del árbol o la planta de donde
extrae, de modo que solamente se utiliza la parte más apta para
trabajar.
Los curtidos de origen animal se realizan con grasas que se hacen con
aceites o grasa animales, utilizándose principalmente los aceites de
pescado y sesos y tuétano de cerdos, reses y chivos. El tipo de curtido
con grasas más conocido es la gamuza.
La Piel
Las pieles están compuestas de tres partes: la dermis, la epidermis y la
hipodermis. La dermis es la piel verdadera o corion. Es la parte de en
medio de la piel; arriba de ella está la epidermis y debajo la hipodermis.
La epidermis es la capa exterior de la piel, la que contiene los pelos, sus
células inferiores, que están en contacto con la dermis, son células vivas
germinales auto reproductoras, las que al irse reproduciendo van
subiendo hacia la parte exterior de la piel hasta desprenderse
totalmente de la misma cuando ya son viejas. La hipodermis es el tejido
subcutáneo, es la parte de la piel que sea cual sea el curtido a seguir, se
tiene que eliminar para que sea completo.
Los Procesos de Curtido
Selección - Antes de elegir una piel hay que saber su uso y si se curtirá
con o sin pelo. Si se requiere con pelo hay que revisar que este no se
caiga., que este parejo, sedoso, brillante, retráctil y que sus colores sean
firmes además de que sea una piel bonita. Si se requiere una piel para
175
depilar, se debe escoger el tamaño y grosor de acuerdo al uso que se le
vaya a dar.
Sacrificio - Por lo general se trata de hacer de la manera más rápida y
que menos haga sufrir al animal, además de que se cuida en todo
momento el no dañar la piel. El sangrado se debe hacer en seguida, ya
que la sangre puede pudrir la piel y reducir su calidad.
Desuello - Consiste en separar la piel del animal después del sangrado.
Aquí la rapidez y el cuidado que se tengan al cortar la piel es importante
ya que tienen gran impacto en las propiedades que adquiere y en los
procesos posteriores del curtido.
Conservación - La conservación consiste en eliminar la humedad de la
piel para evitar su putrefacción. Se pude hacer por salazón, secado al
aire o ambos, pero debe haber un equilibrio, es decir, no puede ser ni
muy rápido ni muy lento.
Reverdecimiento o Remojo - Consiste en darle suavidad y flexibilidad a
las fibras de la piel usando agua, y es el paso de preparación para la
curtición de la piel.
Encalado - Es el paso químico mediante el cual se eliminan pelos,
nervios, la epidermis, venas, y grasa para que quede limpia de
cualquier material indeseable.
Depilado - Es un paso físico que retira el pelo de la piel, y por lo general
no suele presentar mayor dificultad.
Descarnado - En este paso se separa la epidermis de la piel. Se debe
tener extremo cuidado de no hacer cortes que demeriten la piel tratada.
Rebaje - Se trata de darle un grosor uniforme a la piel para facilitar su
uso y además darle una apariencia más adecuada.
Desencalado y purga - Se trata de retirar los residuos de pasos
anteriores química y físicamente para facilitar el proceso de curtido.
176
Curtido - Es la parte más importante del proceso, y aquí la piel de
convierte en cuero. El proceso involucra diferentes tipos de curtientes
que penetran el cuero en su totalidad después de varios días. Pueden
ser minerales, vegetales y animales, y cada tipo de curtiente le da
diferentes tipos de coloración a las piezas tratadas.
Engrasado - Esta lubricación se usa para mejorar las propiedades del
cuero, pero si se usa engrasante en exceso la piel se ve afectada de
manera negativa.
Aflojado o Suavizado - El engrasado por lo general causa perdida de
flexibilidad en las fibras de la piel, por lo que en este paso se ablandan
de nuevo mediante procesos físicos.
f) Textiles
En la actualidad, las fibras textiles están en nuestra vida de manera
diaria e importante. Las fibras naturales vienen de fuentes animales,
vegetales o minerales. Las fibras manufacturadas se logran mediante
procesos tecnológicos y se clasifican en fibras regeneradas y fibras
sintéticas. Las primeras se pueden hacer de fibras minerales que en su
forma bruta no pueden tener una aplicación textil, pero que pueden ser
regeneradas mediante procesos químicos. Las fibras sintéticas son
sintetizadas de sustancias químicas.
Polímeros
Para entender los textiles es necesario saber acerca de los polímeros.
Aspectos como el modo de obtención de un polímero y su estructura
química afectan las diversas propiedades de un material de fibras
textiles. Por ejemplo, la cristanilidad de un polímero afecta la fuerza de
la fibra. También se ven involucrados aspectos como la humedad y el
acabado de las fibras.
La estructura de una fibra se ve afectada cuando se estira, ya que al
elongarse más, su estructura se alinea y ordena, volviéndose cristalina.
177
El tipo de enlaces que se hallen dentro de la composición química
afectan al polímero de manera relevante, ya que afectan la resiliencia, y
delimitan el uso de cada fibra textil para determinados productos.
Clasificación Genérica de las Fibras
La clasificación genérica de las fibras se basa en las unidades químicas
repetitivas de los polímeros que componen las fibras. Las fibras que se
encuentren clasificadas dentro de un mismo grupo tendrán propiedades
y comportamiento similar. A pesar de pertenecer a una misma familia de
fibras, estas se suelen diferenciar por el nombre de la compañía que
realiza la manufactura.
Identificación de las Fibras Textiles
Una fibra natural es aquella que se puede encontrar en su estado
natural. Una fibra manufacturada es cualquiera que sea derivada de un
proceso de manufactura de alguna sustancia que no sea una fibra.
Estas clasificaciones fueron establecidas de acuerdo a las propiedades
químicas y físicas de cada fibra, así como sus requerimientos de cuidado
y su rendimiento.
En la actualidad, todos los productos textiles deben de contar con un
etiqueta en la cual se especifiquen las fibras que lo componen, así como
objetivos específicos de cada fibra si es que los tiene.
Propiedades de las Fibras Textiles
El uso de un material para crear fibras textiles depende de su
comportamiento físico, químico y mecánico. Las propiedades de una
fibra son determinadas por una serie de pruebas estandarizadas.
Propiedades Físicas
Estas características son observadas con un microscopio, ya que el ojo
humano no es capaz de apreciar de manera precisa las propiedades de
una fibra dado su tamaño individual.
178
Color – El color de una fibra varía de acuerdo a sus pigmentos, y este
puede ser removido con blanqueador.
Forma – La forma de una fibra puede ser examinada desde diferentes
ángulos y secciones, y desde luego, estas varían en cada fibra. El patrón
y la uniformidad de la forma de una fibra le brindan diferente apariencia
debido a la forma en que estas reflejan la luz.
Lustro – Es la cantidad de luz que refleja una fibra. Es una propiedad que
no siempre es deseada en una fibra, pero que va de acuerdo a la moda
en los productos textiles.
Poder de Cubrimiento – Se trata de la capacidad de una fibra de ocultar
u obscurecer algo. Esta propiedad depende principalmente de la
transparencia y la cantidad de fibra necesaria para cumplir con su
función.
Rizo - Se refiere a la estructura física ondulada que poseen algunas
fibras, y que influye en sus capacidades térmicas y de resiliencia.
Largo – El largo de las fibras es también un parámetro de clasificación.
Las fibras con largo relativamente corto son fibras cortadas, mientras
que las que tienen largo indefinido son fibras de filamento. El largo de
una fibra afecta de manera importante su capacidad de ser trabajada.
Diámetro – Es el largo que hay de un extremo de la sección de un fibra
al otro. Las únicas fibras que cuentan con un diámetro uniforme en todo
su largo son las manufacturadas. Un avance tecnológico importante fue
la creación de micro fibras, que son fibras extremadamente finas.
179
Densidad y Gravedad Específica – Ambos son términos que se relacionan
con el peso de las fibras. La densidad es la relación de la masa de una
sustancia con su volumen. La gravedad específica es una alternativa que
refiere a la densidad de de la fibra en relación a la densidad de un
volumen igual de agua a una temperatura de 4°C.
Propiedades Mecánicas
Las propiedades mecánicas de los textiles son aquellas que definen el
comportamiento de las fibras frente a deformación y la aplicación de
alguna fuerza.
Fuerza – La fuerza requerida para romper una fibra al estirarse es la
definición de este término.
Módulo – Es la resistencia inicial a la fuerza de tracción, antes de
romperse. Si la resistencia inicial es baja, se requerirá poca fuerza para
estirarlo.
180
Elongación y Recuperación Elástica – La elongación es la cantidad de
estiramiento de una fibra bajo una fuerza de tracción, y no implica que
la fibra regrese a su forma original. La recuperación elástica viene en la
capacidad de una fibra de recuperar su forma original cuando es
estirada.
Resiliencia – Es la capacidad de una fibra de regresar a su posición
inicial después de haber sido doblada o comprimida.
Flexibilidad – Es una cualidad esencial en las fibras textiles, se trata de
su capacidad de ser dobladas fácilmente.
Propiedades Químicas
Absorbencia – Es la habilidad de una fibra de absorber agua, que afecta
varios aspectos de su uso. Una fibra con gran capacidad de absorbencia
se denomina hidrofilica; por el contrario, a aquellas con baja capacidad
de absorbencia se les llama hidrofobicas.
Conductividad Eléctrica – Se refiere a la habilidad de una fibra de
transferir electricidad, y esta propiedad tiene impactos importantes en
su uso en prendas de vestir.
Calor – El comportamiento frente al calor depende de la composición
química de las fibras, y es importante ya que en varios momentos de su
vida útil se ven sometidos a procesos que involucran calor. La
inflamabilidad está estrechamente relacionada al comportamiento
térmico de las fibras.
Resistencia y Reactividad Química – Los efectos que un ácido puede
tener sobre una fibra no solo dependen de la fibra sino del ácido
también, por lo que algunas fibras son tratadas para soportar dichos
efectos. Por otro lado, las bases se usan como tratamiento para fibras ya
que mejoran las propiedades físicas de las mismas sin dañarlas. La
oxidación se refiere a la reacción que tienen algunas fibras ante el
oxígeno y que puede ser sumamente dañino. El efecto que tienen los
181
solventes químicos en las fibras textiles es otro parámetro de
clasificación para las mismas.
Propiedades Ambientales
Estas propiedades se refieren a los cambios que puede sufrir una fibra
textil en la intemperie, tales como perder fuerza después de estar
expuesta durante un determinado periodo de tiempo al sol, o perder
coloración debido a lo mismo.
Otras Propiedades
Estabilidad Dimensional – Se refiere a que algunas fibras no se encogen
ni se expanden a pesar de estar expuestas al sol o a condiciones de
humedad.
Resistencia a la Abrasión – Es una propiedad la cual toma en cuenta la
resistencia de las fibras ante el rozamiento y la fricción con otros
materiales.
Procedimiento de Cuidado en las Fibras
El cuidado que se le debe dar a una fibra, y que viene especificado en la
etiqueta mencionada anteriormente, se define en base al
comportamiento de una fibra tomando en cuenta todas las propiedades
anteriores.
Productos Textiles
El comportamiento de un producto textil lo definirán las fibras que lo
compongan. No obstante hay tres aspectos que son los más relevantes
en este ámbito.
La durabilidad es quizá el aspecto más importante y envuelve a
propiedades como la fuerza, la elongación, la recuperación elástica y la
resistencia a la abrasión.
182
La apariencia es un factor muy relevante, y se relaciona estrechamente
con las propiedades de estabilidad dimensional y la resistencia a las
arrugas y al encogimiento.
El confort tiene su influencia en factores como el comportamiento
térmico de las fibras, la permeabilidad al aire y al agua, la resistencia a
la humedad y la suavidad.
Procesado de Textiles
Algodón- Cuando el algodón llega a la planta desmotadora, se carga en
el edificio por medio de conductos colocados en los camiones y
remolques. En muchos casos, pasa primero por una secadora que
reduce el contenido de humedad para facilitar las siguientes
operaciones. A continuación pasa a unas máquinas que separan del
algodón toda la materia extraña: suciedad, restos de hojas, etc. El
algodón limpio entra en las desmontadoras, que separan la fibra de las
semillas. Por último, las fibras se empaquetan en balas, luego viene el
proceso que implica básicamente la apertura, mezcla, cardado (en
algunos casos también peinados), estirado y torcido para producir el
material de los telares. A continuación tiene lugar el hilado propiamente
dicho. Este puede ser manual con el huso y la rueca, o con un torno de
hilar. Sin embargo a nivel comercial se utilizan las hiladoras mecánicas.
En todos los casos lo que se persigue es que se agrupen y tuerzan los
filamentos continuos para formar hilos de varias hebras. Además de
prendas de vestir y objetos domésticos, el algodón se usa en productos
industriales como filtros para acondicionadores de aire, balsas
salvavidas, cintas transportadoras, carpas, neumáticos de automóvil,
piscinas, cascos de seguridad o ventiladores de mina.
Kapok - Se utiliza para el relleno de almohadones y edredones, por su
flexibilidad y poco peso, así como para la fabricación de salvavidas, el
acolchado de trajes y la fabricación de fieltros. También se emplean en
la fabricación de cartones calorífugos e insonorizantes.
183
Lino - Las principales operaciones que hay que efectuar para obtener la
hilaza son el enriado: se realiza introduciendo los tallos de lino en agua a
fin de que la putrefacción actué sobre ellos disolviendo la lignina que
existe entre la hilaza. Posteriormente se realiza el secado de la hilaza;
agramado o triturado: en esta operación se quiebran los tallos de lino
para separar la cañamiza de la hilaza; espadillado: en esta fase se
realiza un raspado y sacudido simultáneo en los tallos ya quebrados al
objeto de desprender totalmente la cañamiza de la hilaza,
denominándose hilaza en bruto. Posteriormente esta hilaza recibe un
proceso de limpieza llamado asedado. Recientemente se ha usado al
lino como comida por sus propiedades beneficiosas para la salud, sin
mencionar su diferentes usos en la industria como agente secador de
pinturas, por ejemplo.
Yute- Los hilos de fibra de yute se utilizan para tejer arpilleras para
sacos, embalajes y cinchas y cordelería, así como esteras, tapices y
alfombras. Una vez cortadas las plantas se tan en haces y se procede a
su secado para posteriormente retirar las hojas y las ramas. El proceso
siguiente consiste en enriar los haces. Proceso en el que se separan las
partes leñosas de los que son las fibras de yute a unos 30° C. Esto suele
durar tres semanas ya que es necesario que se realice correctamente ya
que, en caso contrario, la fibra quedara pegajosa, difícil de hilar y con
poco brillo. Se vuelve a dejar secar la fibra y se dobla por el centro para
luego comprimirla en balas que será la forma en la que estará lista para
su venta.
Ramio - El proceso de obtención del ramio comienza deshojando primero
las hojas y quitándole la corteza externa a los tallos con un cuchillo
curvo. A continuación se los deja en remojo en agua para eliminar la
resina y luego se los seca al sol. Cuantas veces más se repita este
proceso, se obtiene una mejor calidad de ramio. El procedimiento para
obtener el hilo es masticar con los dientes los tallos previamente
184
humedecidos para dividirlos en tiras, las cuales son divididas a su vez en
filamentos del grosor del cabello humano. A continuación, se unen las
puntas de las fibras retorciéndolos con las palmas de la mano para
obtener un hilo continuo. Es usado para varias clases de artículos del
hogar incluyendo ropa de cama.
Cáñamo - Desde el siglo V antes de Cristo hasta finales del siglo XIX el
90% de las cuerdas y velas para navegación, así como las redes para
pesca se hicieron con cáñamo. El primer paso en la extracción de la fibra
sigue siendo el enriado. Una vez que concluyó el proceso de enriado, las
fibras son recolectadas, sacadas y embaladas para pasar a la próxima
etapa donde se realiza la extracción de las fibras. Los tallos son
introducidos en una máquina (machacadora) y pasan entre dos rodillos
donde son aplastados y rompen la parte leñosa en pequeños pedazos
(cañamiza). En el agramado las fibras cortas (denominadas estopa) se
separan de las fibras largas (denominadas: fibra de hilo y fibra de hilo
larga).
Kenaf - Proporciona una fibra basta que se usa para producir cuerdas,
cordones y sacos. Al igual que otras fibras, el kenaf requiere ser enriado,
así como pasar por el proceso de separación y cardado.
Agave- Uno de los usos de las fibras del agave, además de la producción
del tequila, es el del papel y artesanías, y se puede obtener de las
diferentes clases de agave, ya sea mediante los procesos de cocción de
pencas; inmersión en agua a cielo abierto; y fermentación con o sin
“agua miel”.
Coco- Las fibras del coco se extraen del mesocarpio de los frutos del
cocotero y sirven para la fabricación de cordeles, tapetes
y esteras; no teniendo otra aplicación en la industria textil. Los cocos
tienen un revestimiento formado por una capa de filamentos de entre 10
y 35 cm. De longitud, que una vez separados del futo, se esturan y se
peinan.
185
Henequén - Existen algunas fábricas de sogas donde se producen
también jarcias y cordeles. Las hojas cosechadas deben ser procesadas
antes de las 24 horas de haber sido recogidas, para que la fibra que
pueda limpiar de la manera debida. La fibra de henequén es separada
de la hoja mediante máquinas que extraen la pulpa y al mismo tiempo
lavan la fibra en agua, después esta fibra se expone al calor (sol) de 1-3
días para secarla y blanquearla.
Sisal – La extracción se lleva a cabo de forma primitiva, mediante el
secado de la hoja al sol, tras lo cual se somete a operaciones de
magullamiento, batido, raspado y rastrillado. Se utiliza para la
confección de tejidos bastos, como sacos y esteras, y en la confección
de cepillos.
Yuca - El más conocido y tradicional uso industrial de la yuca es como
base para la producción de almidones, los cuales, a su vez, se emplean
en la fabricación de alimentos, pegantes, bases de tinta y pinturas y en
la industria textil, entre otros usos.
Pina - El tejido de piña se elabora a partir de los hilos que se extraen de
las hojas de esta fruta. Posteriormente, los filamentos se enlazan a
mano hasta formar una delicada trama que hay que dejar secar durante
muchas horas. En un día se hacen solamente tres centímetros
cuadrados. Para proceder a su extracción se utilizan platos rotos de
porcelana con los que se raspan las hojas a modo de cardado separando
las fibras de la pulpa. Después, los hilos se anudan de uno en uno,
siendo esta la parte más costosa del proceso, consiguiendo un filamento
continuo, terminando en ovillos para el telar. Pero hay algunos
diseñadores, que la han incluido en sus vestidos de novia, lo mismo que
para camisas por resultar un tejido muy fresco.
Asbesto - El mineral se extrae junto con su roca madre. Generalmente
en minas a cielo abierto. El contenido en fibras de las vetas más ricas
puede llegar hasta un 30%. Se realiza en primer lugar una clasificación
186
previa para enriquecer el mineral útil, se machaca éste y se le deseca
en un horno giratorio, con objeto de facilitar la separación de las fibras,
lo que se verifica haciéndolo pasar por harneros vibratorios en
pendiente. Al tener las fibras una menor velocidad de caída que las
partículas más compactas, se eliminan estas últimas por la parte
inferior de los harneros mientras que las fibras se elevan mediante
succión aplicada a la parte superior de ellos. Repitiendo este proceso
suficiente número de veces se consigue un producto comercial y una
clasificación de fibras por longitudes. La variedad más empleada es el
crisotilo, si bien la amosita se usa con preferencia en el aislamiento
térmico y la crocidolita, por su resistencia mecánica, en las tuberías a
presión y por su comportamiento ante los ácidos, como carga reforzante
de algunos plásticos.
Seda - se separa cada capullo de seda, quitándole la borra y las
impurezas. Como la crisálida sigue viva se 'ahoga' con vapor o aire
caliente (tradicionalmente una sábana al sol), y si es necesario se
procede al secado y a la selección de los capullos para su venta o hilado.
En este punto finaliza el trabajo de los agricultores. Con esta actividad
se inician las labores de la industria textil o del artesano sedero. Para
deshilar el capullo se cuece en una caldera de cobre con agua a una
temperatura de 80 a 100 grados centígrados, para que quede limpio
del gres y aflojen el hilo de seda, momento en que el artesano los
deshila con una escobilla para pasarlos a un torno manual que va
formando madejas. Las madejas se colocan en la devanadera grande, y
de ahí a la zarja. En este momento se introduce un huso en el cañón que
se gira para formar con las 2 o 4 hebras un único hilo de mayor
consistencia. Para evitar las asperezas de la seda y que coja más
torcedura se humedecen las hebras. Finalmente se obtienen madejas.
Las madejas se cuecen y blanquean con agua y jabón para quitarles las
asperezas debida a la sericina, removiéndolas para que se blanqueen
por igual. Se aclaran con agua y se secan al sol. En este momento se
187
puede proceder a teñir la seda con tintes naturales o dejarla en su color
original (blanco, amarillo, verde o rosa pálido). Todavía en madejas, la
seda vuelve a los cañones para hacer la urdimbre. La trenza obtenida
pasa al telar donde empieza la tejeduría. La buena absorción de la seda
hace que sea cómodo de llevar ropa elaborada con este tejido en climas
cálidos y en situaciones de actividad física.
Lana - Las plantas manufactureras realizan sobre las lanas sucias, o
grasientas, antes de someterlas a los distintos procesos industriales, una
clasificación que tiene dos finalidades: separación de los vellones por
finura y determinación del tipo industrial. Lavado: Tiene como finalidad
separar de las fibras la grasa y otras sustancias extrañas, pero sin
remover la materia vegetal. Eliminación de las materias vegetales: A
través de químicos o dispositivos mecánicos se destruye las materias
vegetales sin afectar las fibras. Cardad: En este proceso se utiliza una
máquina que transforma las fibras en mechas circulares que luego se
arrollan en bobinas. Luego se hace pasar la lana por las cardas. Peinado:
En este paso se somete la lana a la acción de las máquinas peinadoras,
para mejorar así su uniformidad. Finalmente, pasa por una máquina de
estirar, produciéndose bobinas conocidas también como "tops". Hilado:
La transformación de lanas cardadas y peinadas en hilos constituye la
etapa previa para sus usos industriales. Consiste en el estirado, la
torsión y el plegado. La magnitud del estirado difiere según se trate de
lanas cardadas o peinadas. En las primeras, el estirado llega a
cuadruplicar su longitud original, mientras que para las peinadas el
estirado puede llegar de seis hasta dieciséis veces. Algunos de los
productos que se fabrican son pantuflas, gorros, bufandas, guantes,
entre otros.
Cashmere - Se obtiene de las fibras del pelo de las cabras de raza
kasmir. Los pelos gruesos de la cabra, son separados de las fibras largas
y suaves mediante un proceso mecánico denominado dehairing. Es uno
188
de los materiales más costosos del mercado textil; con él se
confeccionan bufandas y suéteres de alta calidad, entre otras prendas
clásicas.
Camello- Los hilos exportados son usados para la producción de una
amplia variedad de prendas de vestir – sobretodos, trajes, abrigos,
chaquetones, chaquetas y suéteres - y accesorios de invierno como
guantes, gorros y bufandas. La lana de camello se hila y se elabora sin
teñido.
Mohair- El término mohair se refiere al material que proviene del pelo
de la Capra Hircus. La esquila es el procedimiento por el cual se realiza
cada año la cosecha de la producción de fibra mohair de los caprinos de
Angora. Esto se lleva adelante por el sistema de tijeras en forma manual
ó por el uso de máquinas de esquilar. El vellón de los caprinos de Angora
va cambiando sus características a medida que el animal tiene más
edad. También dentro del vellón de animales de la misma categoría,
podremos observar fibra mohair de distintas condiciones de finura,
largo, contenido de kemp, resistencia, contenido de grasa, resistencia,
etc. Por ello, es necesario realizar el proceso de diferenciación de estos
distintos tipos de fibra, mediante el trabajo de clasificación del mohair.
Esto nos permite distinguir diferentes categorías de fibra según su
finura, como kid, joven, adulto fino, adulto fuerte, acondicionado ó pelo
cruza. También nos permitirá separar fibras de distintos largos y
contenido de kemp. El objetivo práctico de este trabajo de clasificación
es separar fibras de diferentes características que se manifiestan en
precios diferenciados. Se usa principalmente en hilos para tejido de
punto y crochet, y en telas para estolas, bufandas y tapicería durable.
Quiviut - El buey almizclero proporciona un fibra llamada «quiviut»,
considerada la más cálida y ligera de las fibras animales, su aspecto es
parecido a la «Angora»; el yak también se esquila para obtener fibra con
la que tejer prendas de abrigo.
189
Alpaca – El vellón de la alpaca se esquila, para poder proceder al hilado,
que consiste en reunir las fibras con el objetivo de formar un hilo
continuo. De ahí en adelante el proceso es prácticamente el mismo que
el de la lana. Entre los productos de esta fibra están los guantes,
ponchos y gorros.
Llamas y Vicuñas – Al igual que las alpacas y las ovejas, los procesos de
obtención de las fibras con bastante similares. La diferencia entre cada
una, a pesar de que se obtienen muchos productos dentro de los mismo
ramos, está en las características de las fibras. Las fibras obtenidas de
las llamas y las vicuñas se denominan fibras textiles especiales.
Huarizo - En el Perú se denomina generalmente Huarizo al cruce de una
Alpaca con una Llama. El resultado es un animal híbrido que tiene fibra
algo gruesa y características fenotípicas tanto de la alpaca como de la
llama. Para efectos industriales, Huarizo es una calidad de fibra de
Alpaca que no necesariamente proviene del híbrido descrito
anteriormente. Se designa con este nombre al producto (top e hilado)
que en promedio tiene entre 28 y 29 micras pero que puede provenir
enteramente de una Alpaca pura.
Guanaco - Específicamente, la fibra de guanaco es demandada por
empresas textiles que fabrican prendas de alta calidad y con tradición
en el uso de la fibra de cabra cachemira.
Cashgora - Del cruzamiento entre cabras de Angora y Pashmina se
obtiene una nueva fibra denominada cashgora, de 18-24 micras de
diámetro y 8-12 cm de longitud. Con las fibras de cashgora se elaboran
prendas de vestir como suéteres de alta calidad.
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