Hielo reforzado con fibras celulósicas

Introducción

Como se sabe, los materiales se suelen dividir en tres tipos básicos: metales, polímeros y cerámicas. Pero también se pueden construir materiales híbridos con los tres tipos básicos. Se les llama compuestos (aunque a menudo se emplea para ellos el anglicismo composites). Estructuralmente, están constituidos por fases distintas que teóricamente se podrían separar mecánicamente (aunque en la práctica eso pueda resultar en ocasiones muy difícil).

Los materiales compuestos se crean con el objetivo de que sus propiedades sean mejores que las de los componentes por separado. A menudo, una de las propiedades que conviene mejorar en un material es su resistencia a la fractura. Una forma de hacerlo es mezclar el material básico con partículas o fibras de otro material (normalmente polimérico o metálico). Por ejemplo, pequeñas cantidades de cerámica en un metal lo endurecen y disminuyen su plasticidad, y la introducción de fibras de carbono o de vidrio en un polímero aumentan su resistencia a la tracción. Otro modo de obtener materiales compuestos especialmente resistentes es superponiendo láminas de varios materiales.

Un ejemplo muy conocido de material compuesto es el hormigón, formado por un aglomerante (habitualmente cemento), áridos y otros aditivos, y además se le puede dotar de una armadura de acero para que mejore su comportamiento antes diversas combinaciones de cargas. Pero antes de conocer el hormigón el ser humano ya empleaba materiales compuestos en construcción. El ejemplo más universal es el del adobe, usado desde hace milenios. Se trata de una mezcla de arcilla y arena a la que se le añaden a modo de armadura paja, crin de caballo u otras fibras. A la pasta se le da forma de ladrillo pero no se cuece, sino que se deja secar la aire.

Por otro lado, los habitantes de las regiones polares han usado históricamente el hielo como material de construcción. Ahora bien, como las propiedades estructurales del hielo son limitadas, ya que es débil y quebradizo, para darle más resistencia los esquimales han recurrido habitualmente a un material compuesto de hielo y fibra de celulosa procedente de madera, o bien de hielo y líquenes. Quizá en esta idea se basó el inventor inglés Geoffrey Pyke para proponer un material compuesto de agua helada y serrín al que se le denominó pykrete (acrónimo de Pykre y concrete) para construir portaaviones de hielo en la Segunda Guerra Mundial[1]. Con pykrete se han realizado diversas obras de construcción efímera con fines de investigación y recreativas, como la llamada Torre Flamenca, de 30 m de altura, que se muestra en la imagen[2].  

Fundamentos

Se han hecho muchas pruebas con materiales compuestos basados en hielo. Así, además de añadirle algún tipo de fibra de celulosa, se ha probado con fibra de vidrio, amianto, escoria metalúrgica o xantano, que es un polisacárido con propiedades emulsionantes segregado por bacterias. Pero, sorprendentemente, el simple serrín ya aporta al hielo propiedades extraordinarias. Este se puede sustituir por pulpa de madera, algodón e incluso papel higiénico o de periódico. Se han hecho pruebas con proporciones muy variadas de serrín, pero parece que el compuesto con un 14% en peso de serrín tiene excelentes características. El material es especialmente resistente a –15 ^oC. 

En la siguiente tabla se comparan las propiedades mecánicas del pykrete y el hormigón según estudios que hizo Pyke en 1943:

Se dice que el material es aún más resistente si para fabricarlo se usa agua de mar en vez de dulce. Por otra parte, el material compuesto sigue siendo dúctil como lo es el hielo puro; es decir, se deforma bajo presión.

Como es lógico, una construcción a base de pykrete solo tiene sentido en lugares muy fríos, ya que el hielo debe permanecer congelado. Sin embargo, según parece, el serrín ayuda a mantenerlo sólido durante más tiempo, ya que el material tiene una conductividad térmica relativamente baja. Se han hecho pruebas añadiendo componentes que reticulan la fibra de celulosa del serrín, comprobándose que aumenta significativamente la resistencia mecánica[3].

El experimento

La obtención de un compuesto de hielo y otros materiales es un excelente experimento en ciencia de materiales al alcance de cualquiera. Solo hay que echar agua en un recipiente (como una bandeja de aluminio), agregarle serrín (un 14% en peso), removerlo todo muy bien y esperar a que el serrín esté bien mojado (la mezcla se puede hacer en una batidora), colocando finalmente la bandeja en el congelador junto a una bandeja de control que solo contenga agua. Se debería congelar a la temperatura más baja posible y durante varias horas (por ejemplo, de un día para otro).  

El compuesto resultante se puede someter luego a diferentes pruebas de resistencia, comparándola con la que tiene el hielo de control. Suelen funcionar bien como refuerzos los materiales celulósicos. Por ejemplo, se puede probar con tela, geotextiles o simples fragmentos de papel de periódico o higiénico. Si se usa papel de periódico se puede probar a usar hojas enteras o convertirlas en virutas. Si se emplea serrín, pueden probarse distintas proporciones y comparar las propiedades de los materiales compuestos obtenidos.

              Si se emplea agua salada, el experimento puede aprovecharse para comprobar la propiedad coligativa de la disminución del punto de fusión de la disolución (descenso crioscópico) con respecto al del agua pura.

Seguridad

Se trata de un experimento sin riesgos. En todo caso, el hielo debería manipularse con guantes (para protección térmica y para evitar cortes si se hacen pruebas mecánicas).

Utilidad didáctica

Este experimento sirve para ilustrar conceptos de física, tecnología y química como:

• Punto de fusión
• Cambios de fase
• Serrín y otros materiales celulósicos
• Celulosa como polímero
• Fibras vegetales
• Composición del papel
• Conductividad térmica
• Ductilidad
• Propiedades coligativas, descenso crioscópico
• Materiales compuestos
• Hormigón, adobe, maderas laminadas…

[1] Pykrete: una mezcla de serrín y hielo que compite en resistencia con el hormigón – TRIPLENLACE

[2] Hielo reforzado con fibras celulósicas: un sencillo experimento en ciencia de materiales – TRIPLENLACE

[3] J. H. Li et al. Materials and Design 67 (2015) 464–468. dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2014.10.040. 

Este experimento pertenece al libro:

José M.ª Gavira Vallejo: Experimentos de Ciencia de Materiales. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/ecm/ .