UD2. Materiales tecnológicos y su impacto ambiental ♻️

1. Clasificación de los materiales

Nuestro entorno está repleto de toda clase de materiales que utilizamos constantemente, pero ¿cómo se pueden clasificar?

Los objetos que utilizamos habitualmente se fabrican a partir de distintos materiales. Estos materiales tienen su origen en la naturaleza, de donde obtenemos las materias primas, como la lana, la madera, el corcho, la arcilla, el mineral de hierro, etc. A partir de esas materias se obtienen materiales naturales y materiales transformados.

Algunos objetos se pueden construir directamente con los materiales tal y como se obtienen de la naturaleza. Decimos entonces que se han utilizado materiales naturales. Sin embargo, en la fabricación de la mayoría de los objetos, los materiales no se utilizan tal y como se obtienen de la naturaleza, sino que sufren modificaciones mediante algún proceso de transformación. A estos materiales los llamamos materiales transformados, que pueden ser artificiales o sintéticos.

Desde el punto de vista técnico, los materiales que empleamos para fabricar los objetos se pueden clasificar en cinco grandes grupos:

• Maderas. Son materiales naturales que provienen de los árboles. Sus principales derivados son el papel y el cartón.
• Metales. Se obtienen de los minerales extraídos de las minas, que después se transforman para su posterior aplicación.
• Plásticos. Son materiales sintéticos que se obtienen fundamentalmente del petróleo y del carbón.
• Materiales pétreos y cerámicos. Son también de origen natural, los primeros constituidos fundamentalmente por piedra y arena, y los segundos, por arcilla.
• Materiales textiles. Algunos se obtienen directamente de materias primas como el algodón, la lana, el lino, la seda, etc., pero una gran mayoría es de origen artificial y sintético como el rayón, el poliéster, la poliamida, etc.

Con estos materiales se fabrican muebles, ordenadores, automóviles, instrumentos y máquinas diversas; también se utilizan para la construcción de casas, edificios, parques, puentes, etc.

También hay que tener en cuenta que a partir de objetos ya utilizados se pueden generar nuevos materiales, los materiales reciclados. Es decir que, mediante procesos de transformación, los objetos usados se pueden aprovechar para fabricar nuevos objetos.

2. Propiedades de los materiales

En la tabla inferior se relacionan una serie de objetos que han sido diseñados y fabricados con materiales diversos. La elección de estos materiales viene determinada, en cada caso, por sus propiedades. De este modo, cada objeto podrá cumplir con la función para la que ha sido diseñado.

Podemos clasificar las propiedades de los materiales en cinco grupos, que se describen a continuación:

2.1. Propiedades tecnológicas

1. Maleabilidad. Algunos materiales tienen la capacidad de extenderse fácilmente en láminas al aplicar presión sobre ellos. Un ejemplo es el papel de aluminio, pero también son materiales maleables, en general, los metales y los plásticos.
2. Fusibilidad. Esta propiedad de algunos materiales les permite pasar del estado sólido al líquido cuando son sometidos a determinadas temperaturas y, de este modo, pueden ser vertidos en moldes. Son materiales con buena fusibilidad el bronce, el latón y el hierro.
3. Ductilidad. Es la cualidad que tienen algunos materiales de extenderse para formar hilos. Son materiales dúctiles los metales como el oro, la plata, el cobre, el plomo, el aluminio y, también, los materiales plásticos.
4. Soldabilidad. Es la capacidad que poseen algunos materiales de poder ser soldados. Los aceros y los plásticos presentan buenas características de soldabilidad.

2.2. Propiedades mecánicas

1. Dureza. Es la propiedad de algunos materiales que nos indica la resistencia que ofrecen a ser rayados o penetrados. Los materiales duros son capaces de rayar a los blandos.
2. Tenacidad. Es la propiedad que tienen algunos materiales de sufrir golpes o impactos sin romperse. Los materiales que no resisten bien los golpes se denominan materiales frágiles.
3. Elasticidad. Es la propiedad que permite a algunos materiales recuperar su forma original después de haber sido deformados. Los materiales en los que persiste la deformación se llaman materiales plásticos.
4. Resistencia mecánica. Es la propiedad que poseen algunos materiales para soportar esfuerzos sin deformarse excesivamente ni romperse.

2.3. Propiedades físicas y químicas

1. Densidad. Cuando un material de un determinado volumen tiene poca masa decimos que su densidad es baja, y lo contrario cuando tiene mucha masa. La propiedad que nos indica si un material tiene más masa que otro para un determinado volumen es la densidad. Se calcula mediante la expresión:
   densidad = masa(kg) / volumen(m^3)
2. Conductividad térmica. Es la capacidad que tiene un material de transmitir el calor. Los metales son buenos conductores del calor, en cambio, otros materiales como la madera, el plástico y los materiales cerámicos prácticamente no lo dejan pasar, por lo que se consideran aislantes térmicos.
3. Dilatación térmica. Es la propiedad que poseen algunos materiales de aumentar su volumen cuando se calientan. Tiene una especial incidencia en los metales.
4. Temperatura de fusión. Es la temperatura a la cual un material pasa del estado sólido al líquido. El hielo, agua en estado sólido, cuando se extrae del congelador pasa al estado líquido. El punto de fusión del agua se produce a los 0°C.
5. Conductividad eléctrica. Es la capacidad de algunos materiales para dejar pasar la corriente eléctrica. Los metales son buenos conductores de la electricidad. Los materiales que no son buenos conductores, como la madera, reciben el nombre de aislantes.
6. Oxidación. Cuando un material se combina con oxígeno, transformándose en óxido, experimenta una reacción de oxidación. Los materiales metálicos en general, al combinarse con el oxígeno, crean una capa superficial de óxido.
7. Corrosión. Si la oxidación se realiza en presencia de agua se produce la corrosión del material. Es más peligrosa que la oxidación ya que la capa de óxido no se deposita en la superficie del material, sino que se desprende de este.

2.4. Resistencia mecánica: esfuerzos

Los elementos de las estructuras están sometidos a la acción de fuerzas externas que tienden a deformarlos o desplazarlos. De modo que estos elementos están sometidos a unos esfuerzos. Los esfuerzos elementales son:

1. Tracción. Es el esfuerzo al que está sometido un elemento de la estructura cuando las fuerzas que actúan sobre él tienden a estirarlo.
2. Corte (o cizalladura). Es el esfuerzo al que está sometido un elemento de la estructura cuando las fuerzas que actúan sobre él tienden a cortarlo.
3. Compresión. Es el esfuerzo al que está sometido un elemento de la estructura cuando las fuerzas que actúan sobre él tienden a comprimirlo.
4. Flexión. Es el esfuerzo al que está sometido un elemento de la estructura cuando las fuerzas que actúan sobre él tienden a curvarlo.
5. Torsión. Es el esfuerzo al que está sometido un elemento de la estructura cuando las fuerzas que actúan sobre él tienden a retorcerlo.

2.5. Propiedades sensoriales y ecológicas

¿Qué preferimos: un suelo de madera o uno de baldosas cerámicas? ¿Un sofá de piel oscura o uno de un color claro? Aunque parezca que las propiedades sensoriales son las menos importantes, lo cierto es que la mayoría de las veces elegimos un producto por su aspecto o por la impresión que nos produce.

El color, el brillo, la textura, la acústica o el olor son algunas de estas propiedades.

Las propiedades ecológicas indican hasta qué punto un material es perjudicial para la naturaleza, tanto en su obtención como en su transformación o en su uso.

Hay que tenerlas en cuenta cada vez más, pues la explotación excesiva de los recursos naturales, así como unos residuos desbocados, ocasionan daños irreparables en la naturaleza y sus habitantes.

Atendiendo a su impacto sobre la naturaleza podemos distinguir los siguientes aspectos:

1. Reutilizabilidad. Es la propiedad de algunos materiales de volver a ser utilizados para el mismo uso o uno diferente siempre y cuando no deban transformarse. Por ejemplo, la ropa en buen estado que ya no utilizamos la podemos depositar en contenedores para que llegue a personas que la necesiten.
2. Reciclabilidad. Es la propiedad de algunos materiales para que, después de ser usados, puedan pasar por un proceso de transformación para hacerlos útiles de nuevo. Por ejemplo, muebles de madera natural pueden transformarse en tableros artificiales para construir otros muebles.
3. Biodegradabilidad. Es la facilidad que tienen algunos materiales para descomponerse en sustancias más simples sin que sean perjudiciales para la naturaleza. Por ejemplo, si dejamos papel a la intemperie tarda entre 1 y 5 meses en descomponerse mientras que una botella de plástico puede tardar más de 400 años.
4. Toxicidad. Algunos materiales pueden resultar muy nocivos para el medio ambiente y para los seres vivos. Por ejemplo, la uralita, que actualmente está prohibida, era un material que se utilizaba para construir tuberías o tejados, pero contenía amianto, que resultó ser un material muy tóxico.

3. Ciclo de Vida: De la Cuna a la Tumba

El ciclo de vida de un producto describe las etapas por las que pasa un producto desde su creación hasta su retirada del mercado, similar a la vida de un ser vivo.

El concepto "De la Cuna a la Tumba" (Cradle-to-Grave) es una metodología de evaluación conocida como Análisis del Ciclo de Vida (ACV).

Se trata de un análisis exhaustivo y sistemático de todos los impactos ambientales que genera un producto o servicio a lo largo de todas sus etapas, desde la obtención de las materias primas hasta su disposición final.

Nota: Este enfoque contrasta con el modelo de "Cuna a la Cuna" (Cradle-to-Cradle), que busca diseñar productos de manera que, al final de su vida útil, sus materiales puedan ser completamente reutilizados o reciclados, cerrando el ciclo y eliminando la fase de "Tumba".

4. Huella de Carbono y Huella Hídrica

Ambos son indicadores clave de sostenibilidad que miden el impacto ambiental de nuestras actividades, empresas o productos.

A. Huella de Carbono

• Definición: Es la totalidad de Gases de Efecto Invernadero (GEI) emitidos, directa o indirectamente, por una persona, organización, evento o producto.
• Unidad de Medida: Se expresa en masa de dióxido de carbono equivalente (CO₂e).
• Relevancia: Es el principal indicador para medir la contribución al calentamiento global y el cambio climático.

Reducir la huella de carbono implica usar energías limpias y mejorar la eficiencia energética en todo el ciclo de vida.

B. Huella Hídrica

• Definición: Es el volumen total de agua dulce utilizada, directa e indirectamente, para producir los bienes y servicios consumidos por una persona o producidos por una empresa.
• Unidad de Medida: Se expresa en volumen de agua (litros o metros cúbicos).
• Componentes: Se desglosa en tres tipos:
  • Verde: Agua de lluvia almacenada en el suelo (clave en agricultura).
  • Azul: Agua extraída de fuentes superficiales o subterráneas (riego, industria).
  • Gris: Agua necesaria para diluir los contaminantes vertidos hasta un nivel aceptable.
• Relevancia: Ayuda a entender la presión sobre los recursos hídricos locales y globales, promoviendo el uso eficiente y equitativo del agua.

5. Las 5R de la Sostenibilidad

Las 5R representan una jerarquía de acciones orientadas a la gestión de residuos y el consumo consciente, donde la mejor acción es siempre la que previene la generación de residuos.

La adición de más "R" va más allá de las clásicas "3R" (Reducir, Reutilizar, Reciclar).

6. La Madera

La madera es uno de los materiales de uso técnico más utilizados por el hombre a lo largo de la historia, debido a su fácil obtención y a sus propiedades. Es un material de origen vegetal que se obtiene de las partes leñosas de los troncos de los árboles.

Está formada por fibras de celulosa unidas por lignina, una sustancia que proporciona rigidez y dureza. También contiene agua, aceite, resina y sales, que se aprovechan industrialmente.

Estructura del tronco

Fabricación de la madera

Aunque la madera es un material natural, para fabricar los objetos y otros productos es necesario realizar distintos procesos y transformaciones.

6.1. Propiedades de la madera

Según el tipo de madera, pueden variar algunas de sus propiedades, como el color, la textura o la densidad. En general, la madera tiene las siguientes propiedades:

• Es buen aislante eléctrico y térmico, aunque arde con mucha facilidad.
• Es conductor acústico, por lo que se utiliza para hacer instrumentos musicales y como aislante de paredes y techos.
• Tiene una densidad menor que la del agua, por lo que flota.
• Es flexible y resiste esfuerzos de compresión y de tracción.
• Tiene una propiedad llamada hendibilidad, por lo que puede partirse fácilmente en el sentido de las fibras o las vetas.
• La dureza es variable: las maderas fibrosas son las más duras y las porosas, las más blandas.
• Es un material poroso, capaz de absorber o desprender humedad según el medio.
• Esta propiedad de la madera se llama higroscopicidad.

6.2. Tipos de madera

La madera puede clasificarse según el proceso de fabricación y de obtención en maderas naturales y maderas prefabricadas.

Maderas naturales.

Maderas prefabricadas.

Las maderas prefabricadas se obtienen a partir de los restos de la tala y de la poda, sometidos a diversos procesos, como triturado, encolado y secado.

6.3. Derivados de la madera

Papel

El papel se obtiene de la celulosa de los árboles después de un proceso de fabricación formado por varias etapas.

1. Una vez triturada la madera, se mezcla con agua y se forma una pasta de celulosa.
2. Se añaden reactivos químicos para blanquearla y, después, se extiende y se seca.
3. Por último, se pasa por unos rodillos para alisarla y formar grandes bobinas.

También se consideran productos celulósicos el cartón y la cartulina.

Corcho

El corcho se obtiene de la corteza de algunos árboles, como el alcornoque o la encina. Es un material poroso, muy ligero y buen aislante. Se usa para fabricar aislamientos térmicos y acústicos y para otros objetos, como tapones, calzado y complementos.

6.4. Técnicas de mecanizado, unión y acabado

Para construir cualquier objeto de madera, es necesario realizar tareas específicas y utilizar las herramientas adecuadas, como se muestra a continuación:

6.5. Impacto ambiental de la madera

Aunque la madera es un material renovable, biodegradable y reciclable, su explotación y transformación puede generar algunos problemas medioambientales.

• Deforestación: la tala incontrolada da lugar a la deforestación de grandes zonas.
  • Las consecuencias más importantes son la desertización del terreno y la pérdida de biodiversidad.
  • El objetivo de desarrollo sostenible 15 pretende gestionar sosteniblemente los bosques, luchar contra la desertificación, detener e invertir la degradación de las tierras y detener la pérdida de biodiversidad.
  • La industria maderera trabaja con este objetivo desde hace tiempo y se han desarrollado planes para repoblar grandes áreas deforestadas.
• Contaminación: la industria papelera emplea gran cantidad de productos químicos para la eliminación de la lignina y para el blanqueo del papel.
  • Los residuos de estos productos producen la contaminación del agua y del aire.
  • Otro aspecto importante es el gran consumo de agua que necesitan estas industrias.
  • El objetivo de desarrollo sostenible 6 pretende garantizar la disponibilidad de agua, su gestión sostenible y el saneamiento para todos.
  • La industria papelera tomó conciencia hace tiempo de la necesidad de optimizar el consumo de agua y de eliminar los residuos y productos químicos.
  • En las dos últimas décadas, en España se ha reducido más de un 30% el consumo de agua en este sector.

Uso sostenible de la madera

A pesar de los problemas medioambientales que genera el uso y la transformación de la madera, es uno de los materiales más sostenibles que se pueden utilizar, especialmente en la construcción.

Además de ser renovable, el impacto de todas las emisiones de gases de efecto invernadero a lo largo de su ciclo de vida es muy bajo, ya que, en el proceso de crecimiento del árbol, este absorbe CO₂.

7. Metales

Los metales son materiales de gran importancia, debido a sus propiedades y a las cualidades técnicas que presentan, lo cual hace que sean imprescindibles en la fabricación de todo tipo de objetos.

Los metales se encuentran en la naturaleza formando minerales o en estado puro.

El proceso de extracción y transformación de los metales se llama metalurgia.

Existe una gran variedad de materiales metálicos. Aunque algunos se emplean en estado casi puro, como la plata o el oro, la mayoría se combinan entre sí o con otros elementos, formando aleaciones con las que se consigue mejorar sus propiedades.

Las aleaciones son materiales metálicos muy utilizados en la industria. Por ejemplo, acero inoxidable, bronce y latón.

Las formas comerciales más habituales en que se presentan los metales son las barras y los tubos, los alambres, las chapas, los lingotes y los perfiles.

• Barras y tubos
• Alambre
• Perfiles
• Chapa
• Lingote

Los procesos y las transformaciones que sufren los minerales hasta obtener los materiales metálicos suelen ser complejos y costosos:

1. La extracción de los minerales se realiza en minas a cielo abierto o subterráneas. Casi todos los metales se encuentran en estado sólido en la naturaleza, excepto el mercurio y el galio.
2. A continuación, se separa la parte útil, llamada mena, del resto de materiales, llamados ganga. Para ello se tritura, se lava y se criba el mineral.
3. Por último, se realizan transformaciones como el calcinado en hornos o la electrólisis para obtener el metal.

La minería es una industria global que implica importantes recursos humanos, ambientales y económicos.

La extracción de recursos naturales es esencial para asegurar el bienestar y el desarrollo de las comunidades y, por tanto, contribuir a alcanzar los ODS (Objetivos de Desarrollo Sostenible).

7.1. Propiedades y clasificación

Las propiedades más importantes de los metales son las siguientes:

• Son materiales densos y pesados con un brillo característico.
• Tienen gran resistencia mecánica a los esfuerzos.
• Son buenos conductores de la electricidad, del calor y del sonido.
• Son dúctiles y maleables.

La clasificación de los metales no depende de su origen o de su fabricación, sino de su contenido en hierro.

Según esto, distinguimos dos grandes grupos: los metales férricos y los metales no férricos.

A. Metales férricos

El hierro es un material abundante en la naturaleza (representa el 5% de la corteza terrestre), que se puede encontrar en muchos minerales.

El proceso de fabricación de los metales férricos se llama siderurgia y se realiza en los altos hornos.

Se introduce la mena, ya separada del mineral, junto con carbón de coque y piedra caliza.

• Del alto horno se obtiene el arrabio, producto a partir del cual se fabrican los materiales férricos.
• El resto de los materiales se denomina escoria.

El arrabio contiene gran cantidad de carbono, que, una vez afinado, se convierte en la fundición.

Después de pasar por un horno convertidor, se obtiene acero.

Finalmente, se realiza un proceso de electrólisis para obtener hierro puro.

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B. Metales no férricos

Aunque los metales férricos son fáciles de obtener y tienen buena resistencia mecánica, los metales no férricos tienen otras propiedades que los hacen interesantes para otras aplicaciones, como la conductividad térmica y la eléctrica, la resistencia a la oxidación y la facilidad de mecanizado.

7.2. Técnicas de mecanizado y unión de los metales

La fabricación industrial de los metales se realiza con máquinas, como tornos, fresadoras, extrusoras, laminadoras y equipos de soldadura eléctrica. Las técnicas manuales más utilizadas son las siguientes:

7.3. Impacto ambiental de los metales

El mayor impacto ambiental de la minería, tanto de las minas a cielo abierto como de las subterráneas, es la degradación del paisaje, ya que produce importantes modificaciones en él como consecuencia del movimiento de grandes cantidades de materiales, la contaminación del agua y la producción de polvo.

Por otro lado, la industria metalúrgica se considera una de las más contaminantes, debido a la emisión de gases perjudiciales para el medioambiente, al alto consumo de energía y a la producción de residuos que pueden llegar a ser tóxicos.

Uso sostenible de los metales

Además de su gran durabilidad, los metales son reciclables y reutilizables, lo que hace que sean materiales sostenibles.

• El acero es el material más reciclado del mundo, más que el papel o el vidrio.
• El alumnio también es reciclable. En este proceso, el material no pierde ninguna propiedad y se ahorra un 95% de la energía que se empleó en su fabricación.
• El cobre es el tercer metal más reciclado, y no pierde su integridad en ningún proceso.