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Bienvenido al mundo de las siliconas
EMTEC
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Índice 1. Introducción………………………………………………………….………………3
2. Silicio: la base de las siliconas………………………………………….…………4
3. Silicona....……………………………………………………………………………7
3.1. Historia………………..………………………………………………….10
3.2. Fabricación………………...…………………………………………….12
4. Tipos de silicona………………………..…………………………………………15
4.1. Masillas de rebote………………………………………...…………….16
4.1.1. Práctica……………………….……………………………..…16
4.2. Fluidos de silicona………………………………………………………17
4.2.1. Prácticas ...…………………………………………………….19
4.3. Sílice pirogénica…………………………………………………...……23
4.3.1. Prácticas……………………………………………………….24
4.4. Cauchos de silicona…………………………………………………….31
4.4.1. Práctica………………………………………………………...33
4.5. Silicona como antiespumante……………………………………...….36
4.5.1. Prácticas……………………………………………………….40
4.6. Silicona en la construcción…………………………………………….44
4.6.1. Práctica……………………………………………………......47
4.7. Implantes de silicona……………………………………………...……50
5. Conclusión…………………………………………………………………………52
6. Bibliografía………………………………………………………………...……....53
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1. Introducción
Hemos escogido un tema de química porque es una asignatura que nos parece
muy interesante puesto que podemos experimentar con nuestras propias
manos y al mismo tiempo adquirir conocimientos.
Seguidamente, nos propusieron diferentes ideas para el trabajo y el que más
nos llamó la atención fue el estudio de las siliconas, ya que el seminario de
Física y Química disponía de un Kit completo con el que se podían hacer
diversos experimentos y así conocer bien las propiedades y características de
las siliconas. En este estudio nos hemos dado cuenta de las múltiples
aplicaciones de las siliconas en la vida diaria que nunca habíamos imaginado.
Hemos aprendido muchas cosas de la silicona y creemos que ha sido una
buena elección.
Las siliconas son compuestos químicos que se aplican en la mayoría de los
oficios y sus propiedades físicas y química hacen que sean capaces de
enfrentarse a las necesidades más duras. Sin silicona no podríamos tener la
vida que tenemos, ya que nos encontramos con ella todos los días, pues
forman parte de muchas sustancias y productos habituales.
Algunos ejemplos más cotidianos son: en el champú que nos proporciona brillo
en el pelo; en las lavadoras donde la silicona antiespumante evita que el
detergente produzca demasiada espuma; en los componentes electrónicos de
los coches eléctricos en los que se usa para protegerlos de la humedad y la
suciedad.
También la podemos encontrar en el ámbito de la medicina, dónde se
encuentran en productos de última generación como tubos, yesos, productos
ortopédicos y selladores fiables.
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2. Silicio: la base de las siliconas
El silicio es el elemento más abundante en la Tierra, después del oxigeno ya
que constituye el 26% de la corteza terrestre. A pesar de que es mucho más
abundante que el carbono (que representa el 0,087%), no juega ningún papel
importante en el mundo animado de las biomoléculas.
En el diagrama circular siguiente se muestra la abundancia de los elementos
en la corteza de la Tierra:
El Silicio es un elemento químico metaloide (también se dice semimetal), es
decir, que a veces actúa como metal y otras veces como no metal. Su número
atómico es el 14 y está situado en el grupo IV-A de la tabla periódica de los
elementos. Forma parte de la familia del carbono y su símbolo es Si. El silicio
tiene nueve isótopos, con número másico entre 25 a 33. El isótopo más
abundante es el Si-28 con una abundancia del 92,23%.
Este elemento tiene forma amorfa y cristalina. Normalmente en la naturaleza,
no se encuentra en su forma elemental, sino que aparece combinado con el
elemento más abundante, es decir, el oxígeno, con el cual forman
principalmente óxidos o silicatos.
El conjunto básico de construcción de los silicatos es el tetraedro SiO44-. El
enlace Si-O en la estructura SiO44- es mitad covalente y mitad iónico. Se crean
grandes fuerzas de enlace dentro del tetraedro SiO44-
, y como resultado las
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unidades de SiO44- se encuentran normalmente unidas vértice con vértice, y
raramente arista con arista.
El número de compuestos naturales de silicio es inferior comparado con los
compuestos de carbono. Esto se debe a la reactividad y a la síntesis química
de los compuestos de silicio que no se parecen a los de carbono.
Se utiliza en la preparación de las siliconas, en la industria de la cerámica
técnica y, debido a que es un material semiconductor, tiene un interés especial
en la industria electrónica y microelectrónica como material básico para la
creación de chips que se pueden implantar en transistores, pilas solares y una
gran variedad de circuitos electrónicos.
Todos los compuestos de silicio mencionados hasta ahora tienen una unidad tetraédrica estructural que consiste en un silicio unido a cuatro átomos de oxígeno (como podemos observar en la figura de arriba).
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Elemento: Silicio
Símbolo: Si
Número atómico: 14
Masa molecular: 28,086
Punto de ebullición: 2680
Punto de fusión: 1410
Densidad: 2,33
Valencia: 4
Configuración electrónica: (Ne) 3s2 3p2
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3. Silicona La silicona es un conjunto de polímeros fabricados por el hombre. Estos
polímeros son inorgánicos, es decir, que en su cadena principal no contienen
átomos de carbono. La cadena está formada por átomos de silicio y de oxígeno
intercalados entre sí. Cada silicio tiene dos grupos unidos a él, los cuales
pueden ser grupos orgánicos; por lo tanto se componen de los elementos Si, O,
C y H.
Todos los compuestos se basan en una estructura tetraédrica en la que el
silicio está rodeado por átomos de oxígeno y radicales orgánicos.
Su rendimiento versátil se debe a la estructura química y a su variedad de
formas.
El nombre apropiado para las siliconas es “polisiloxano”, aunque muchos
químicos la conocen como “polidiorganosilano”. Una de las siliconas más
comunes es el “polidimetilsiloxano”:
Polímero de silicona. Polidimetilsiloxano.
Las principales propiedades de las siliconas son las siguientes:
- Resistentes a temperaturas extremas (-60º a 250ºC).
- Resistentes a la intemperie, ozono, radiación y humedad.
- Son hidrófobas, es decir, repelen el agua.
- Resistentes a la deformación.
- Buenas propiedades dieléctricas, lo que les conlleva a ser buenos
aislantes.
- Compatibles con el medio ambiente.
- Puntos de fusión bajos.
- Temperaturas de descomposición bajas.
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Fórmula de la silicona:
Químicamente podemos distinguir cuatro unidades estructurales diferentes:
- Unidades monofuncionales: permiten la interrupción de la cadena.
- Unidades difuncionales: forman la columna vertebral de las cadenas
macromoleculares y los compuestos cíclicos.
- Unidades trifuncionales: producen moléculas ramificadas y forman las
bases de resinas.
- Unidades tetrafuncionales: dan lugar a estructuras reticuladas, es decir,
con forma de red, similares a los silicatos.
Monofuncionales Difuncionales
Trifuncionales Tetrafuncionales
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Los grupos metilo pueden girar libremente alrededor de la cadena de -Si-O-Si-.
En lugar de los grupos metil se pueden unir otros radicales orgánicos diferentes
a la columna vertebral de silicio-oxígeno. Esto explica las distintas propiedades
diferentes de las siliconas (resina de silicona, caucho de silicona).
Las siliconas pueden ser elastómeros y aceites lubricantes. Elastómero
significa simplemente "caucho". Entre los polímeros que son elastómeros se
encuentran hidrocarburos como el polisopreno o caucho natural, el
polibutadieno, el polisobutileno, y los poliuretanos. La particularidad que
destaca a los elastómeros es su facilidad para rebotar y que pueden ser
estirados hasta muchas veces su propia longitud, para luego recuperar su
forma original sin una deformación permanente.
Los enlaces entre un átomo de silicio y los dos átomos de oxígeno unidos, son
altamente flexibles. El ángulo formado por estos enlaces, puede abrirse y
cerrarse como si fuera una tijera, sin demasiados problemas. Esto hace que
toda la cadena principal sea flexible.
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3.1. Historia
En 1823, el químico sueco Jöns Jakob Berzelius, basándose en la hipótesis del
francés Lavoisier, demostró la estructura de la sílice aislando el silicio. Obtuvo
silicio amorfo mediante la reducción de dióxido de silicio con carbono en
presencia de hierro. Cuando añadió ácido clorhídrico para separar el hierro, en
la mezcla de reacción se descubrió la presencia de silicio en forma de polvo.
Durante mucho tiempo, la principal producción de trozos de silicio metálico se
utilizó por el alto punto de fusión de 1410° C.
No fue hasta el descubrimiento y uso generalizado de la electricidad cuando
fue posible un proceso económico para su fabricación. A pesar de estas
dificultades, una serie de químicos estaban investigando la química del silicio
en el siglo XIX. Ellos tenían la esperanza de desarrollar una química del silicio
para competir con la del carbono.
Esto interesó a algunos investigadores a estudiar este nuevo elemento y
durante el siguiente medio siglo, se hicieron numerosos descubrimientos:
Berzelius obtuvo el tetracloruro de silicio SiCI4 y el alemán Wohler el "Silicio-
Cloroformo" SiHCl3; el francés Friedel y el americano Crafts preparaban entre
1863 y 1866 los primeros compuestos de silicio-carbono por reacción del zinc
dietilo Zn(C2H5)2 sobre el tetracloruro de silicio (SiCl4). En 1872 el alemán
Landenburg es el primero en observar la formación de un fluido de polisiloxano
hidrolizado.
A principios del siglo XX el químico inglés FS Kipping empezó un estudio
sistemático del silicio que le llevó más de 40 años. Él sintetizó un gran número
de compuestos de Si-C que no se producen naturalmente. Sus productos eran
productos resinosos que no cristalizaban y no destilaban. Y así se sintetizó la
primera silicona.
Fue en la década de los años 30, donde los rusos Dolgov y Andrianov,
relacionaron estos productos, el enlace Si-0-Si de los silicatos que acababan
de ser descubiertos en química mineral, y las macromoléculas que ya habían
cobrado importancia para la química orgánica.
Pero no supieron llegar más lejos y 10 años más tarde en EEUU se comenzó a
investigar y probar las características de siliconas para materiales bélicos. El
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interés inicial se centró en la fabricación de una goma de protección de los
equipos eléctricos contra las chispas que se producen en los aviones.
A partir de entonces, ya no se detuvo la investigación de las siliconas y el
objetivo fue incorporar determinados grupos orgánicos para ampliar la gama de
las aplicaciones de las siliconas.
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3.2. La fabricación de siliconas
La producción de compuestos orgánicos de silicio poliméricos sólo se convirtió
en económicamente viable después de 1940, cuando fue descubierto el
método de Müller-Rochow para la síntesis directa de metilclorosilano a partir de
silicio elemental y clorometano. Los metilclorosilanos son líquidos incoloros
fácilmente solubles en disolventes orgánicos y son muy volátiles debido a que
tienen un bajo peso molecular. Los metilclorosilanos son en definitiva los
productos de arranque para la fabricación de siliconas.
Las plantas modernas son capaces de producir más de 70,000 toneladas
métricas de silano crudo al año con la siguiente composición:
- 85-90% dimetildiclorosilano (CH3) 2SiCl2.
- 6-10% metiltriclorosilano CH3SiCl3.
- 2-4% trimetilclorosilano (CH3) 3SiCl.
- 4-6% otros silanos.
La mezcla de líquido silano crudo se separa en una serie de columnas de
destilación. Para que este tratamiento sea eficaz requiere un alto grado de
pureza.
En la etapa siguiente de la reacción, la hidrólisis, los grupos hidroxilo sustituyen
los átomos de cloro y se libera cloruro de hidrógeno. Los monómeros se
condensan para formar cadenas de siloxano. El tipo de hidrólisis empleado y la
composición de la mezcla de silano determinan la longitud de la cadena de las
moléculas resultantes de polisiloxano.
La conversión en los productos de silicona industrial se efectúa a través de
policondensación con catalizadores ácidos en torno a 130 º C.
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Una forma fácil de fabricar polisiloxanos es a partir de monómeros como el
octametil ciclotetrasiloxano que se representa a continuación:
Esta molécula en presencia de NaOH, un grupo hidroxilo, cede un par de
electrones a uno de los átomos de silicio del anillo, el cual lo acepta. El único
problema es que el silicio ya tiene ocho electrones compartidos. No puede
tener diez. Por lo tanto debe deshacerse de un par que es el par que forma el
enlace silicio-oxígeno. De esta manera el par se desplaza totalmente hacia el
oxígeno.
Esto rompe el enlace entre el oxígeno y el silicio. Cuando el enlace es
suprimido, el anillo ya deja de ser tal, y se abre.
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Y además, ese oxígeno que ha ganado ese par de electrones y que ahora tiene
una carga negativa puede atacar a una segunda molécula de monómero,
exactamente como el hidróxido atacó la primera.
Se agrega más y más monómero y finalmente, obtenemos una nueva cadena
de polisiloxano.
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4. Tipos de silicona
4.1. Masillas de rebote
Las masillas de rebote son polímeros de silicona con una importante propiedad
llamada viscoelasticidad.
Los polímeros se diferencian con especiales propiedades mecánicas.
Al ser sometido a presión continua, comienzan a fluir como un líquido de alta
viscosidad, pero cuando se expone a una fuerza breve, rápida, se comportan
como cuerpos elásticos. Esta propiedad se conoce como viscoelasticidad y
es causada por las fuerzas intermoleculares.
Este fenómeno puede ser explicado en términos de la estructura del polímero
que figura en el rebote de la masilla. Se trata no sólo de los enlaces siloxano,
típica cadena, sino también grupos de boroxano, que consisten en átomos de
boro y oxígeno.
Las masillas de rebote se utilizan principalmente para fines terapéuticos. Son
ideales para el fortalecimiento de los músculos del brazo, porque cuando se
amasa con la mano que pone la misma cantidad de fuerza de resistencia que
se impone en el intento de amasar.
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4.1.1. Práctica de las masillas de rebote
Práctica 1: La propiedad de la viscoelasticidad
Materiales:
- Martillo.
- Masilla de rebote.
Procedimiento:
Experimentación:
1. Si se comprime la bola lentamente con un martillo, se aplana en un
disco.
2. Si se le golpea de repente con el martillo, el martillo rebota como si
impactara con una pelota de goma dura, sin ningún cambio en la forma de
la masilla.
3. Si la bola de masilla simplemente se deja sobre una superficie plana,
adquirirá la forma de un disco en 30 minutos.
4. Si la bola de masilla es arrojado contra el suelo o contra la pared, rebota
como una pelota de goma.
5. Si un trozo alargado de masilla es rápidamente separado por sus dos
extremos, se rompe limpiamente en dos.
6. Si se tira lentamente, se convierte en una cadena larga pegajosa, al
igual que la pasta normal. Cuando los dos extremos se ponen en contacto,
se fusionan entre sí.
Cuando se amasa la masilla se aprecia que cuanta más fuerza se hace más se
resiste (resistencia a la deformación).
Conclusión:
La masilla está hecha de un material viscoelástico; cosa que en algunos casos
(la exposición a la fuerza de acción lenta), se comporta como un líquido. En
otros, actúa como un material elástico cuando está expuesta a una fuerza
rápida. La viscoelasticidad en este caso es debido a las fuerzas
intermoleculares en la masilla.
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4.2. Fluidos de silicona
Los fluidos de silicona son aquellos que están formados principalmente por
cadenas alternas de silicio y átomos de oxígeno. Como sabemos, el silicio tiene
cuatro enlaces libres; si es terminal tiene tres enlaces disponibles para unirse a
compuestos orgánicos como el metilo, fenilo o grupos amino ya que el enlace
restante está unido al oxígeno. En cambio, si es central solo tiene dos enlaces
libres para unirse a uno de los compuestos anteriores.
Las principales propiedades de los fluidos de silicona son las siguientes: son
líquidos transparentes que no tienen olor ni sabor; son insolubles en agua; su
resistencia térmica es excelente ya que va de los -60º C hasta los 300º C; se
caracteriza por su volatilidad y tensión superficial excesivamente bajas. Una de
las propiedades más importantes es su viscosidad, es decir, la fricción interna
que es la característica básica para que un líquido pueda resistir al
desplazamiento mutuo de las dos capas adyacentes. Esta se encuentra entre
0.65 y 1.000.000mm2/s dependiendo del tipo.
Los fluidos de silicona cuando están modificados se les llama aceites de
silicona. Sus propiedades físicas más elementales son la viscosidad y la
conductividad térmica, siendo constante e independiente de los cambios de
temperatura, y también tienen buena compatibilidad fisiológica.
Los aceites de silicona son ideales para usarlos en la amortiguación de
líquidos, para fotocopiadoras e impresoras láser, para los antiespumantes, en
los desmoldeantes y en el líquido hidráulico.
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Los fluidos de silicona se encuentran en sitios tan usuales como:
- En el tratamiento hidrófobo de vidrio y lana mineral.
- En la impregnación de agentes para los textiles y cueros.
- En pinturas.
- En cosméticos.
- En productos farmacéuticos.
- En la medicina.
Ejemplos de productos que contienen fluidos de silicona:
Suavizante de pelo Cojín
Peluche
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4.2.1. Prácticas de los fluidos de silicona
Práctica 1: Las propiedades hidrófobas
Materiales:
- Papel.
- Metal.
- Cerámica.
- Cuentagotas.
- Vidrio.
- Vaso de precipitado.
Productos:
- Fluido de silicona.
- Agua.
Procedimiento:
Experimentación:
Poner silicona sobre cada material (papel, vidrio, cerámica y metal). Esperar
a que se seque y seguidamente poner unas gotas de agua con el
cuentagotas sobre el fluido de silicona.
Conclusión:
Con este experimento se puede comprobar que la propiedad hidrófoba de los
fluidos de silicona es cierta, ya que se observa que al precipitar unas gotas de
agua sobre ella, la repele y desliza por la superficie del material.
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Práctica 2: La viscosidad
Materiales:
- 4 probetas de 25 ml.
- 1 bola de masa 6,13g.
- Cronómetro.
- Pipeta.
- Cuentagotas.
Productos:
- Agua.
- Aceite.
- Silicona A.
- Silicona B.
Procedimiento:
Montaje:
1. Poner un papel de filtro en la base, para no ensuciar el lugar dónde
hacemos el experimento.
2. Rellenar las probetas, cada una con uno de los distintos fluidos y colocar
sobre el papel de filtro. La primera la rellenamos de agua, la segunda de
aceite, la tercera de Silicona A y por último con la Silicona B
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Experimentación:
Introducir la bola dentro de la probeta que contiene agua. Medir el tiempo
que tarda en llegar al fondo del recipiente. Repetir este proceso con el resto
de probetas.
Conclusión:
Observando el tiempo que tarda en caer la bola, podemos determinar la
viscosidad que tiene cada fluido. Cuanto más viscoso sea el líquido, más
tiempo tarda en llegar la bola al fondo de la probeta.
Fluido Tiempo
Agua 2,03 s
Aceite 12,31 s
Silicona A 3,28 min
Silicona B 20,35 min
Diferencia de posición de la bola en un tiempo determinado con la silicona A:
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Diferencia de posición de la bola en un tiempo determinado con la silicona B:
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4.3. Sílice pirogénica
Los oxácidos de silicio (SiO2 n H2O) se conocen como sílices. Dióxido de silicio (SiO2) es otro
término para denominar la sílice. El dióxido de silicio es uno de los compuestos más
abundantes en la corteza de la Tierra. Se encuentra en la mayoría de las rocas y los
componentes de la tierra, así como en las plantas, las formas de vida animal y las algas.
Las propiedades más importantes son las siguientes: tiene una densidad muy
baja (0.03 Kg/dm³ - 0.2 Kg/dm³), es volátil, sus partículas son pequeñas, tiene
una alta pureza, su estructura es abierta en tres dimensiones (agregados y
aglomerados) y tiene una gran superficie accesible. Estas propiedades se
consiguen en el proceso de producción.
La fabricación de la sílice pirogénica se produce con clorosilanos volátiles elevadas
temperaturas. La hidrólisis se produce a una temperatura elevada, con lo cual se divide la sílice
y se forma la sílice pirogénica.
El cloruro de hidrógeno (HCl) es un subproducto de esta reacción. Para minimizar el impacto
ambiental, el cloruro de hidrógeno se recicla en un circuito cerrado de clorosilanos.
Los Metilclorosilanos, también, pueden ser utilizados para producir sílice
pirogénica. En esta reacción, los subproductos no son sólo HCl, sino también
dióxido de carbono (CO2). La reacción se lleva a cabo a temperaturas
superiores a 1200 º C y es muy rápida.
La forma de partículas típicas en las que se suministra la sílice
(comercialmente en bidones) es el aglomerado que se mantiene unido por
fuerzas de adhesión física.
Los usos más cotidianos son:
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- En la industria farmacéutica.
- Como un aditivo para aumentar la viscosidad de los geles, pastas,
ungüentos y cremas.
- Para facilitar la aplicación de los aceites esenciales, extractos de plantas
y bálsamos.
- En Pinturas y adhesivos, que se deben secar bien y no deben gotear, la
sílice se añade a las tintas de impresión, adhesivos, polímeros y pinturas
para que sean más fácil de aplicar, cuando la viscosidad es baja la
forma tridimensional red que mantiene los pigmentos en suspensión, y
evita que se asiente sobre la parte inferior.
- Cosméticos.
Algunos ejemplos que contienen sílice pirogénica:
Molino de viento Rimmel
Pasta de dientes
4.3.1. Prácticas de la sílice pirogénica
Práctica 1: Comparación de arena natural y sílice pirogénica
Materiales:
- 2 vasos de precipitado.
- Balanza.
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- Espátula.
Productos:
- Arena de playa.
- Sílice pirogénica.
Procedimiento:
Experimentación:
Poner 0,1g de arena de playa en un vaso de precipitados, y en otro poner la
misma cantidad pero esta vez de sílice pirogénica. Así podremos observar
la diferencia de volúmenes entre estas substancias.
Conclusión:
La sílice pirogénica ocupa más volumen que la arena de playa ya que tiene una
densidad muy baja y por tanto si tenemos la misma masa de las dos sustancias
el volumen de la sílice será mucho mayor (V= m/d), como se puede observar
en la siguiente foto:
Esto explica por qué la sílice pirógena tiene propiedades inusuales en compa-ración con la arena.
Práctica 2: El poder de dispersión de la sal
Materiales:
- Erlenmeyer.
- Tapón.
- Probeta.
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- Cuchara.
- Balanza.
- Cuentagotas.
- Espátula.
Productos:
- Sal.
- Agua.
- Sílice pirogénica.
Procedimiento:
Experimentación:
Coger 50g de sal y depositarlos en el erlenmeyer, en el cual hay que añadir
5ml de agua. A continuación depositar 3 cucharadas de sílice pirogénica,
tapar el erlenmeyer y agitarlo bien.
Conclusión:
Se puede observar en la foto que la sal y la sílice pirogénica se unen y forman
una sustancia húmeda. Esto se debe a que la sal absorbe la humedad
atmosférica, en cambio, la sílice pirógena tiene una gran afinidad por el agua y
puede absorber una gran cantidad de agua en sus espacios huecos entre los
átomos de la sal.
Práctica 3: Propiedades de flujo de azufre
Materiales:
- 4 vasos de precipitado.
- Balanza.
- Embudo.
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- Soporte.
- Barita.
Productos:
- Azufre.
- Sílice pirogénica.
Procedimiento:
Experimentación:
Introducir 10g de azufre en un vaso de precipitado, después añadir 0.1g de
sílice pirogénica. En otro vaso de precipitado introducir 10g de azufre.
Pasar por un embudo al mismo tiempo las dos sustancias y dejar caer en un
vaso de precipitado para recuperar la sustancia.
Conclusión:
Se demuestra que el azufre que contiene sílice pirogénica cuando pasa por el
embudo es mucho más fluida y por lo tanto tarda menos tiempo en pasar al
recipiente, mientras que el azufre sólo cuesta mucho que pase por el embudo e
incluso a veces no pasa.
Por lo tanto la sílice pirogénica es una ayuda excelente del flujo libre. La más
pequeña de las adiciones (0,01 a 3% de peso) es suficiente para mejorar el
flujo en las propiedades de los polvos ya que las partículas sólidas se
envuelven en diminutas esferas de silicona para producir un efecto cojinete de
bolas. Por otra parte, la silicona impide que las partículas de polvo se adhieran
entre sí.
Este es el motivo por el que normalmente se utiliza como aditivo en la
pulverización y en la dispersión de azufre. La sílice pirogénica aumenta la
capacidad de flujo y la estabilidad de almacenamiento de polvos por eso se
utiliza esta sílice en la extinción de incendios, en los polímeros en forma de
polvos y en tóners.
Práctica 4.1: Sílice pirogénica como agente espesante
Materiales:
- Tubo de ensayo.
- Varita.
- Espátula.
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Productos:
- Fluido de silicona.
- Sílice pirogénica.
Procedimiento:
Experimentación:
Coger un tubo de ensayo e introducir en él fluido de silicona. Seguidamente
verter poco a poco la sílice pirogénica dentro del tubo de ensayo. Y por
último mezclar con la ayuda de la varita las dos sustancias.
Conclusión:
En este experimento hemos visto que cuanta más sílice pirogénica se deposita
en el interior del tubo de ensayo, más viscoso se volvía el fluido de silicona.
Práctica 4.2: Sílice pirogénica como agente absorbente
Materiales:
- Balanza.
- 4 Vasos de precipitado.
- 4 Probetas.
- Varita.
- Espátula.
Productos:
- Sílice pirogénica.
- Agua.
Procedimiento:
Experimentación:
Pesar 1,2g de sílice pirogénica en 4 vasos de precipitado diferentes. Llenar
las probetas de agua con 5, 10, 15 y 20ml en cada una de ellas y echar el
agua de cada probeta en un vaso de precipitado distinto. Finalmente
remover con una varita la disolución.
Conclusión:
Analizamos en esta práctica que cuanta menos agua ponemos mejor la
absorbe la sílice pirogénica. Y cuanta más agua echamos más viscoso y fluido
se vuelve. Se puede demostrar con las siguientes fotos:
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Recipiente con 5ml de agua. Recipiente con 10ml de agua.
Recipiente con 15ml de agua. Recipiente con 20ml de agua.
Conclusión final:
La explicación de que la sílice pirogénica sea un buen agente espesante i
absorbente es que cuando la sílice pirógena se dispersa en un líquido, se
vuelve más gruesa por la formación de puentes de hidrógeno. Por ello se forma
una red tridimensional de partículas que restringe la movilidad de las
moléculas en el líquido. El líquido almacena en la estructura de sus partículas
estos aglomerados gaseosos y líquidos y las sustancias son absorbidas por la
formación de enlaces de hidrógeno. Esta red puede ser rápidamente destruida
por una fuente de energía mecánica, tal como agitación ya que rompe algunos
de los puentes de hidrógeno que fueron responsables de la estabilidad.
Cuanto más fuerte sea la fuerza y más tiempo actúa, más puntos de
vinculación se rompen, y la sustancia se vuelve más fluida. Por un cierto
tiempo, hasta que se vuelven a formar los puentes de hidrogeno el sistema per-
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manece en estado líquido.
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4.4. Cauchos de silicona
Los cauchos de silicona se forman a partir de la mezcla de masas poliméricas
con la adición de un adecuado catalizador que puede ser vulcanizado (proceso
de formación del caucho) a temperatura alta y la temperatura ambiente para
obtener objetos de forma definitiva. Los compuestos de caucho de silicona
están formados por polisiloxanos de cadena larga y diversos rellenos, como la
sílice pirógena.
Los cauchos de silicona se clasifican en diferentes categorías:
- RTV (Room Temperature Vulcanization): aquellos que necesitan una
temperatura ambiente de vulcanización.
- HTV (High Temperature Vulcanization): aquellos que necesitan
temperaturas altas para vulcanizar por lo general en presencia de un
peróxido orgánico. Tienen un peso molecular elevado. El polímero base
es muy viscoso y tiene longitudes de cadena de 10,000 unidades Si-O.
La rigidez del esqueleto del polímero Si-O puede ser modificado, por lo
que puede variar sus propiedades, mediante la incorporación de grupos
alquilo, grupos de vinilo o fenilo. Estas cadenas de polímeros lineales
son la base de los cauchos de silicona.
Los cauchos de silicona tienen una serie de propiedades especiales. Las más
destacadas son: un buena flexibilidad que se ve afectada por los cambios de
temperatura; una gran resistencia al calor y al frío; propiedades mecánicas que
dependen de los cambios de temperatura; resistentes al fuego; aislamiento
eléctrico; alta resistencia a los productos químicos y al aceite; propiedades
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antiadherentes; agrava la versatilidad, es decir, que sus sustituyentes
orgánicos pueden ser variados; alta permeabilidad a los gases; y con ruido de
choque de amortiguación.
Las aplicaciones más comunes del caucho de silicona son:
- En sellos que se encuentran en cafetera, radiadores, microondas, ollas
de presión, faros, etc.
- En cables que se localizan en lámparas, hornos eléctricos, parrillas,
plancha, calentador, …
- En rodillos como fotocopiadoras, plásticos, textiles, papel, acero,
cerámica, madera, etc.
- En perfiles para marcos de ventana, fachadas, acristalamiento en seco,
etc.
- En teclados de calculadoras, juegos de ordenador, teléfonos, mandos a
distancia, etc.
- En mangueras para sistemas de refrigeración o de calefacción,
cargadores, etc.
Algunos ejemplos de objetos que contienen caucho de silicona:
Biberón Molde de pastel Máquinas de hospital
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4.4.1. Práctica de cauchos de silicona
Práctica 1: Moldes de silicona
Materiales:
- Balanza.
- 4 recipientes viejos.
- 2 Medallas.
- 2 Monedas.
- 4 recipientes con fondo plano.
- Espátula.
- Varilla de vidrio.
- Tijeras.
Productos:
- Silicona 1A + Silicona 1B para obtener Silicona 1.
- Silicona 2.
- Catalizador.
Procedimiento:
Experimentación:
1. Pesar 82g de Silicona 1A y 9g de Silicona 1B en relación de 9:1 en masa
para producir Silicona 1.
2. Mezclar con la varilla los dos componentes hasta obtener un color rojo
vino.
3. Pesar 50,3g de Silicona 2 y añadir 1,3g de Catalizador.
4. Mezclar con varilla para conseguir un compuesto viscoso de color
amarillo.
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5. Colocar las medallas y las monedas cada una en un recipiente diferente.
6. Abocar los distintos compuestos en los recipientes. Teniendo en cuenta
que una moneda y una medalla será con el compuesto Silicona1 y las
dos restantes con Silicona 2.
7. Dejar reposar varios días a temperatura ambiente.
8. Cuando ya está curado, sacar el molde del recipiente con una espátula y
observar el resultado.
Medalla con Silicona 1 Moneda con Silicona 2
Moneda con Silicona 1
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Conclusión:
El molde hecho con Silicona 1 (compuesto rojo) es duro, poco flexible y su
tiempo de curado es pequeño. En cambio el molde creado con Silicona 2
(compuesto amarillo) es flexible, muy pegajoso y tarda el doble de tiempo en
secarse. Los dos compuestos son dúctiles y maleables.
Molde con Silicona 1
Molde con Silicona 2
Moneda con Silicona 1
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4.5. Silicona como antiespumantes
Los antiespumantes son líquidos o emulsiones que tienen una baja tensión
superficial, es decir, que necesita una baja cantidad de energía para aumentar
su superficie por unidad de área.
Los tensoactivos son substancias cuyas moléculas están constituidas por dos
partes bien diferenciadas. Una de ellas es de carácter hidrófilo, es decir,
soluble en agua o substancias polares, y la otra de carácter hidrófobo, soluble
en substancias apolares.
Las soluciones de tensoactivos resultan ser activas al colocarse en forma de
capa mono molecular adsorbida en la superficie entre las fases hidrofílicas e
hidrofóbicas. Esta ubicación "impide" el tráfico de moléculas que van de la
superficie al interior de líquido en busca de un estado de menor energía,
disminuyendo así, el fenómeno de tensión superficial.
Capa superficial de un tensoactivo
sobre una superficie de agua.
Los tensoactivos se componen de una parte hidrófuga y un resto hidrófilo, o
soluble en agua. Al contacto con el agua las moléculas individuales se orientan
de tal modo que la parte hidrófuga sobresale del nivel del agua encarándose al
aire o bien se juntan con las partes hidrófugas de otras moléculas formando
burbujas en que las partes hidrófugas quedan en el centro, y los restos solubles
en agua quedan entonces en la periferia disueltos en el agua. Estas estructuras
se denominan micelas.
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Micela
Los tensoactivos deben cumplir fundamentalmente las siguientes condiciones:
- Su tensión superficial debe ser inferior a la del medio de la formación de
espuma.
- Deben ser insolubles en el medio de la formación de espuma.
- Deben tener un coeficiente de penetración positiva, es decir, permite que
el antiespumante penetre en la lámina de espuma.
- Deben tener un coeficiente positivo de la difusión, es decir, se
desplazará el tensoactivo de la interfaz. Un tensoactivo es una sustancia
que influye por medio de la tensión superficial en la superficie de
contacto entre dos fases (p.ej. dos líquidos insolubles uno en otro).
Los antiespumantes de silicona contienen aceites de silicona que actúan como
líquidos antiespumante. Por ello son ideales por un gran número de razones:
son fáciles de modificar químicamente, en su mayoría son químicamente
inertes; no afectan negativamente a la acción de los tensoactivos. Debido a que
tienen una baja tensión superficial de aprox. 21 mN/m, los antiespumantes de
silicona tienen una fuerte tendencia a extenderse por láminas de espuma.
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También pueden transportar partículas hidrófobas (por ejemplo, sílice
pirogénica) en su estructura.
La adición de determinadas sustancias, como emulsionantes hace que sea aún
más fácil para los aceites de silicona penetrar en la lámina.
Los antiespumantes se encuentran aplicados en una multitud de productos y
procesos industriales:
- En la industria textil durante la fabricación de fibra y la
elaboración, en el lavado y teñido.
- En la industria del cuero.
- En la industria de productos de limpieza para la formación de espuma controlada, en
general, de uso general, vidrio, metal, desinfectantes, limpiadores de alfombras
sanitarias y, en pule-suelos y removedores de pintura.
- En detergentes para la regulación de la formación de
espuma.
- En la fabricación de pinturas para destruir la espuma
durante la mezcla ya que puede causar defectos en la
superficie.
- En la industria petroquímica durante la recuperación del
petróleo.
- En la industria de agroquímicos en la producción de abonos.
- En la industria del papel para mejorar la fabricación de pasta, reducir su
impacto medioambiental y para reducir los costos.
- En la industria farmacéutica en la fabricación de preparados líquidos, en los procesos
de fermentación y como un ingrediente activo para la destrucción de burbujas de gas
en el intestino humano.
Algunos ejemplos de la vida cotidiana:
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Medicamento Toallas Detergente
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4.5.1. Práctica de siliconas como antiespumantes:
Práctica 1:
Materiales:
- Dos erlenmeyers.
- Dos tapones.
- Cuentagotas.
Productos:
- Detergente.
- Silicona antiespumante.
Procedimiento:
Experimentación:
1. Llenar los erlenmeyers de agua dos tercios.
2. Añadir unas gotas de detergente en cada erlenmeyer y cerrarlo con un
tapón.
3. Agitarlos vigorosamente y observar cómo cambia la espuma a medida
que pasa el tiempo.
4. En uno de los erlenmeyer abocar unas gotas de silicona antiespumante
y observar como desaparece la espuma.
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Gracias a estas fotos se observa como va desapareciendo la espuma:
Conclusión:
Se forman soluciones claras cuando se añaden detergentes. Cuando los
frascos se agitan, el tercio superior se llena de espuma. Este principio consiste
en pequeñas burbujas esféricas que poco a poco se unen para formar burbujas
poliédricas más grandes. Al agregar la emulsión antiespumante destruye la
espuma y le impide cambiar de forma. El escaso volumen de antiespumante
añadido no tiene ningún efecto sobre las otras propiedades de la solución de
detergente, como la estabilización de las emulsiones y la reducción de la
tensión superficial del agua.
Cuando se añade el antiespumante, la espuma desaparece muy rápidamente.
La agitación del recipiente causa otra vez un poco de espuma, pero
desaparece inmediatamente.
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Práctica 2:
Materiales:
- 3 tubos de ensayo.
- Una gradilla.
- Probeta.
Productos:
- Aceite.
- Agua.
- Soluciones de la práctica 1.
Procedimiento:
Experimentación:
1. Rellenar cada tubo de ensayo con 4ml de agua y 1ml de aceite.
2. Agitar uno de ellos.
3. Añadir en uno de los tubos la solución del experimento 1 con detergente,
y en el otro la solución con el antiespumante.
4. Observar los cambios.
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Conclusión:
En el tubo de ensayo que sólo hay agua y aceite los líquidos siguen separados.
En la solución de detergente, la emulsión dura más tiempo y no se puede
apreciar la separación, pero sí podemos observar la aparición de espuma.
En el tercer tubo de ensayo que contiene el agente antiespumante actúa igual
que en el anterior con la diferencia de que no se produce espuma.
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4.6. Silicona en la construcción
La humedad es uno de los problemas más críticos que confronta los
constructores y propietarios de la casa tratando de proteger los edificios con
eficacia. Porque, aunque hay muchas formas en que los materiales de
construcción pueden decaer, la absorción de agua siempre está presente. Los
materiales de construcción son permeables a una mayor o menor medida,
exhibiendo diversos tipos de poros, que pueden llenarse con agua. Cuando
esto ocurre, las propiedades térmicas del material de aislamiento se rompen. El
agua absorbida abre la puerta, por así decirlo, a todo tipo de efectos graves,
porque el agua también ayuda a las sales, los contaminantes y
microorganismos para penetrar la estructura del edificio.
El agua puede ser absorbida en dos formas:
a) Como líquido: el agua de lluvia, el agua saturada o la humedad
ascendente.
b) Como vapor: condensación en los capilares, la absorción de la humedad
higroscópica o condensada.
Sea cual sea el mecanismo involucrado, la mampostería (sistema tradicional
que consiste en la construcción de muros y paramentos) se satura y es
susceptibles a todo tipo de agentes atmosféricos, que se resumen a
continuación:
- El agua de lluvia y agua en la superficie hace que el material se
expanda y se contraiga pudiendo producir daños mecánicos.
- El aumento de los daños por heladas produce humedad. La salinización
en la obra daña el yeso y destruye la microestructura de los materiales
de construcción.
- Las heladas y los daños de la salinización en los diferentes terrenos
conduce a la ruptura y desprendimiento.
- Permanentemente las fachadas húmedas pueden sufrir un ataque por el
musgo y los microbios (hongos y algas).
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La forma de prevenir daños a los edificios es evitar que el agua penetre en la
mampostería. Hay dos formas fundamentalmente diferentes de cumplir esto:
- Tratamientos superficiales de Cine: es una formación que incluyen las
soluciones convencionales de resina y las pinturas de coalescentes. A
pesar de sellar la entrada de agua, también obstruye los poros, de modo
que la mampostería pierde su permeabilidad al vapor de agua.
- Repelentes de agua formando una red de resina de silicona hidrófoba
que evita que el agua penetre en material de construcción, pero no
disminuye la permeabilidad del material al vapor de agua. Las siliconas
pertenecen a este grupo.
Las siliconas se utilizan en la industria de la construcción como:
- Repelentes de agua: se aplica a edificios construidos en los que el daño
de la humedad y la sal se puede reducir con eficacia.
- Repelentes al agua y aceites para la protección de la piedra natural
contra el agua y los contaminantes orgánicos, como por ejemplo grasa,
aceite, ceras y adhesivos.
- Agentes químicos húmedos de blindaje para hacer una barrera
horizontal contra la humedad ascendente capilar, particularmente en
edificios antiguos.
Trabajos de mampostería con hidrofugantes de silicona
Las siliconas son materiales semiorgánicos. Las siliconas tienen una estructura
molecular especial. Cada molécula se adhiere de manera que su parte
inorgánica es la más cercana al material de construcción y los sustituyentes
orgánicos se proyectan hacia el exterior. La proyección hacia el exterior de los
sustituyentes orgánicos, que son hidrófobos, consigue formar una barrera
contra el agua.
Sin embargo, el agua a elevada presión puede superar la repelencia al agua
impartida por las siliconas. En consecuencia, los repelentes de silicona utilizada
en la protección de obras no son adecuados para ciertas construcciones.
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Ejemplos de usos de la silicona en la construcción:
Placa de pladur
Tejas
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4.6.1. Práctica de silicona en la construcción
Práctica 1: Tratamiento repelente al agua
Materiales:
- Ladrillo de hormigón.
- Vela.
- Cuentagotas.
- Recipiente de cristal.
- 2 vasos de precipitado.
- Balanza.
- Varita.
Procedimiento:
Experimentación:
En primer lugar, preparar una microemulsión. Añadir 200 ml de agua en un
vaso de precipitado y revolver con 20g de líquido de silicona. La solución
que se forma es de color amarillento.
Sumergir el ladrillo de hormigón en un recipiente con la microemulsión
durante 10 min. Dejar secar al aire un día entero. Frotar con una vela sobre
una parte de la pieza de hormigón para impregnar con la cera de parafina.
Cuando se haya completado el secado, agregar una gota de agua a cada
superficie impregnados y sin tratamiento superficial. Inclinar el material de
construcción para ilustrar cómo la gota de agua corre por la superficie.
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Conclusión:
Las superficies no tratadas absorben el agua. La impregnación de cera de
parafina puede dañar la superficie, y el efecto repelente al agua se pierde como
resultado. Por el contrario, la capa de silicona no daña la superficie, por lo que
la repelencia al agua queda retenida.
El pequeño tamaño de partícula permite a la silicona penetrar profundamente
en el material de construcción. Cuando se seca el material de construcción, el
agua se evapora y deja una capa de silicona impermeable atrás.
La parafina es también altamente repelente al agua. Las ceras de parafina
generalmente no se propagan, así como siliconas y tienen una tensión
superficial más alta que les impide penetrar tan profundamente en el material
de construcción. A diferencia de las moléculas de silicona, las moléculas de
cera de parafina se componen exclusivamente de partes hidrófugas y no puede
interactuar de forma eficaz con la superficie de los materiales de construcción
inorgánicos.
En el caso de las superficies sin tratamiento, el agua penetra fácilmente en el
material de construcción, donde se almacena en los poros.
Ladrillo de hormigón con agua.
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Ladrillo de hormigón con cera de perafina.
Ladrillo de hormigón impregnado en silicona.
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4.7. Implantes de silicona
La silicona se utiliza en implantes en prácticamente la totalidad del cuerpo. Sin
embargo en este estudio nos centramos en los implantes de silicona de mama.
La mayoría de estos implantes tienen una cápsula de silicona, y lo que varia
fundamentalmente es el material del relleno utilizado en los implantes (gel de
silicona, solución salina, aceite de soja, hidromel). Los implantes rellenos de gel
de silicona han sufrido una gran cantidad de cambios desde su introducción.
Siempre que nos referimos a “implantes de silicona”, nos referimos a los
“implantes rellenos de gel de silicona”, por tratarse del enfoque más relevante
en la investigación relacionada con los implantes mamarios.
Complicaciones locales
Los estudios apuntan a las complicaciones locales, incluyendo complicaciones
perioperatorias debidas al propio procedimiento quirúrgico, como el principal
riesgo potencial para la salud de los implantes de mama de silicona. Es notable
la alta frecuencia de estas complicaciones. Aunque normalmente estas no son
peligrosas para la vida, pueden causar malestar, molestias, desfiguración, dolor
y otras alteraciones que pueden llevar a la explantación y, cuando se requieren
procedimientos correctores adicionales, pueden suponer un riesgo potencial
suplementario (por ejemplo, cirugía adicional). Los implantes de mama tienen
una vida limitada, que aún no está bien establecida. En cualquier caso, se
constata que la probabilidad de necesitar una segunda operación es alta y
aumenta con el tiempo.
Riesgos posteriores
Cáncer: parece ser que existen estudios suficientemente consistentes
que apoyan la conclusión de falta de asociación entre el cáncer de
mama e implantes, aunque actualmente se están desarrollando
investigaciones para descartar el riesgo a largo plazo. Mientras tanto, las
pruebas disponibles no permiten determinar la existencia de asociación
entre los implantes de mama de silicona con otras neoplasias malignas
(diferentes a tumores de mama).
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Enfermedad neurológica: Se ha informado acerca de algunas series de
casos de mujeres con implantes de mama que sufren de enfermedad o
síntomas neurológicas. Estos hallazgos no son consistentes con otros
estudios observacionales o experimentales. En general, se puede
concluir que los estudios epidemiológicos mejor diseñados y dirigidos no
obtienen pruebas de que los implantes de silicona causen signos,
síntomas o enfermedades neurológicas.
Enfermedades del tejido conjuntivo (relacionadas con trastornos
autoinmunes): los estudios disponibles, incluyendo los publicados
recientemente, indican que las mujeres con implantes de mama de
silicona no presentan un mayor riesgo de padecer algunas
enfermedades autoinmunes bien definidos (potencialmente
enfermedades del tejido conjuntivo mortales, como esclerodermia, lupus
eritematoso, artritis reumatoide, síndrome de Sjogren, dermatomiositis o
polimiositis, y otros trastornos de salud como, por ejemplo, la
fibromialgia y el síndrome de fatiga crónica).
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5. Conclusión
La realización de este trabajo ha sido importante para nosotras porque no sólo
hemos aprendido muchas cosas sobre la silicona, sino que hemos
profundizado también en el manejo del material y en general en el uso del
laboratorio. Hemos ido trabajando en el laboratorio de manera autónoma con
instrucciones que teníamos que interpretar. Esto ha hecho que en algunos
momentos hayamos tomado decisiones que han hecho mucho más interesante
el trabajo (sin la ayuda de ningún profesor que nos indicara lo que teníamos
que hacer en cada momento).
Con la elaboración de este trabajo de investigación, hemos podido estudiar un
producto químico desde su descubrimiento hasta sus abundantes aplicaciones
más actuales.
Antes de empezar a elaborar este trabajo, cuando escuchábamos el término
silicona, la primera imagen que nos venía a la cabeza era la de las prótesis
mamarias y la de la construcción; y a medida que hemos avanzando el trabajo,
nos hemos dado cuenta que la silicona se encuentra en los sitios más
insospechados, por eso, nos ha sorprendido la amplia gama de aplicaciones
que tiene la silicona. Hasta en los medicamentos que podemos tomar
diariamente nos la encontramos.
Una de las cosas que más trabajo no has costado ha sido traducir dos libros
completos del inglés al castellano. Gracias a estos libros hemos podido hacer
gran parte del trabajo.
No es la única fuente donde hemos extraído información. También fuimos a
diversas universidades dónde nos sentíamos extrañas pero a pesar de esto
encontramos la información necesaria.
El tema de las prácticas nos ha parecido muy interesante ya que hemos
manipulado material y productos que ya conocíamos y, también otros
totalmente desconocidos.
Por último nos gustaría agradecer a la empresa Wacker toda la información
que nos ha facilitado y la oportunidad que nos ha dado de experimentar con
sus productos.
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6. Bibliografía
WACKER kit:
o Wacker silicones. Silicones compounds and properties.
Learning by doing: school experiments with wacker silicones.
o Surface engineering processes on chemical with Nanotecnology.
o Silicones, practice of science.
o Silicon and silicon compounds experimental approach in
chemistry classes, Thesis, Duisburg University.
o Experiments and materials on silicone for teaching chemistry
Libro de la Universidad de Barcelona:
Las Siliconas (química Industrial, Propiedades y aplicaciones).
Autor: Reed, Ch.E.
Edición: Cedel.
Pàgines Web:
o es.wikipedia.org/wiki/Silicona
o http://pscl.ws/spanish/silicone.htm
o http://www.relacionessolidas.net/
o http://www.lenntech.es/periodica/elementos/si.htm
