Poliuretano

El poliuretano (PU) es una resina sintética que se obtiene mediante condensación de poliésteres; se caracteriza por su baja densidad y son muy utilizados como aislantes térmicos y espumas resilientes, elástómeros durables, adhesivos y selladores de alto rendimiento, pinturas, fibras, sellos, empaques, juntas, preservativos, partes automotrices, en la industria de la construcción, del mueble y múltiples aplicaciones más.

La resilencia es la "capacidad de memoria" de un poliuretano flexible, es decir, a la resistencia a la deformación por compresión mecánica.

Se pueden mezclar con pigmentos tales como el negro de humo u otro pigmento para aplicaciones en automóviles y muebles modernos.

Su formulación se basa en poliuretanos de bajo número de hidróxilo combinados con isocianatos de bajo contenido en funciones NCO, unido a propelentes especiales y una elevada relación de agua, toda la fórmula está estequiométricamente diseñada para lograr una espuma de curado rápido y con una densidad entre 18 y 80kg/m³.

Algunas aplicaciones de poliuretanos flexibles abarca la industria del packing en que se usan poliuretanos anti-impacto para embalajes de piezas delicadas, su principal característica es que son de celdas abiertas y baja densidad(12-15 kg/m³).

También existen los poliuretanos rígidos o RIM (de Rigid Inyection Molding), son rígidos y de densidad más elevada( 30-50 kg/m³) que las anteriores, pero tienen características muy parecidas.

La capacidad de aislación térmica del poliuretano se debe al gas aprisionado en las celdillas cerradas del entramado del polímero.

Un poliuretano de 25 mm de espesor puede aislar térmicamente un ambiente interno que permanercerá a 20 °C por una cara, mientras que por el lado exterior de la cara pueden fluctuar -5 °C.

Una variedad de los poliuretanos rígidos son los poliuretanos Spray que son formulaciones de alta velocidad de reacción y son usados en revestimientos sujetos a la fuerza de gravedad, tales como aislaciones de edificios, estanques de almacenamiento e incluso Tubos o cañerías.

Otra variedad de rígidos son los poliuretanos PIR que son usados en el revestimientos de cañerías en zonas extremadamente húmedas y además conducen fluidos a alta temperatura, su principal característica es la naturaleza ureíca del polímero.

Poliuretanos rígidos de densidad más elevada (60-200 kg/m³) son usados para elaborar partes de automóviles, yates, muebles y decorados.

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Historia

Otto Bayer consiguió la primera síntesis en 1937 en Alemania. La producción industrial empezó en 1940. Sin embargo y debido a la falta de recursos por la Segunda Guerra Mundial, la producción sólo creció muy lentamente.

En la industria humana

Los poliuretanos flexibles se emplean, sobre todo, en la fabricación de pinturas, de material esponjoso y de elastómeros.   Sus propiedades mecánicas pueden ser variadas en gran medida por el empleo de diferentes isocianatos o dioles como, por ejemplo, el polietilenglicol. La adición de cantidades variables de agua provoca la generación de más o menos cantidad de dióxido de carbono, el cual aumenta el volumen del producto en forma de burbujas. En contra a lo que pasa en las esponjas naturales, se suele tratar de materiales con poro cerrado.

En forma de copolímero, los poliuretanos también se encuentran en fibras como la lycra.

Los poliuretanos rígidos se usan en la industria de la refrigeración, automotriz, del mueble, etc.

Algunos poliuretanos se usan el confección de pinturas aislantes, recubrimientos aislantes del medio etc.

Química del poliuretano

El poliuretano es por lo general la mezcla de dos componentes o sistema bicomponente, el A y el B en una proporción estequiométricamente definida por el químico que diseña la fórmula. Existen además poliuretano monocomponentes que son usados exclusivamente para la industria de la construcción.

Componente A

En el Poliol que es una mezcla cuidadosamente formulada y balanceada de glicoles, alcoholes de elevado peso molecular. Se encuentran en mezcla con agentes espumantes y otros aditivos tales como aminas, agentes siliconados, agua, propelentes y catalizadores organometálicos que son lo que le dan las características a la espuma final. La apariencia es como miel viscosa y puede tener un fuerte olor amoniacal.

Componente B

El componente B es un Isocianato prepolimerizado(pre-iniciado) con un contenido de función NCO que puede variar desde los 18 al 35% en funcionalidad.

Algunos son café marrón muy viscosos(3000-5000 cps-Viscosímetro Brookfield)y otros son casi albos y fluidos y son mantenidos en atmósfera seca de nitrógeno. Tienen además propiedades adhesivas muy apreciadas por lo que también sirven de pegamentos para hacer bloques poli-material.

Reactividad

La reactividad se puede observar en una simple inspección visual y está dividida en los siguientes tiempos, medidos en segundos:

• Tiempo de crema: 5 - 15 s. Formación de monómeros y polímeros.
• Tiempo de hilo: 30 - 70 s. Estructuración, formación de redes cristalinas.
• Tacto Libre: 10 - 50 s después del tiempo de hilo. Formación de piel, finalización de la reacción.

El isocianato y el poliol al mezclarse ocasionan una serie de reacciones químicas que conducen a la producción química de uretanos, poluretanos, alofanatos, ureas modificadas, cianatos prepolimeros etc. en total unas 17 reacciones químicas simultáneas,en que el paquete de catalizadores hace que tome una dirección determinada.

Se genera una exotermia que puede elevar la temperatura hasta 70 °C, que hace que el propelente en disolución en el poliol se convierta en un gas por la exotermia generada, el agua en parte se convierte en dióxido de carbono, esto hace que expanda la mezcla, formándose pequeñas celdas despúes del gelado o cremado. Aunque las celdas de CO2 son parte del reticulado, se entremezclan con las que contienen fluorocarbonos para efectos de la estabilidad dimensional.

Algunos polioles llevan componentes antiflama que hace que sean no-comburentes o no-inflamables. En algunos países es obligatorio el uso de este componente para determinadas aplicaciones y son clasificados bajo normas de seguridad.

Las celdas se van formando a medida que se alcanza en tiempo de hílo, para finalizar en el tiempo de Tack free (toque libre).

Los propelentes son fluorocarbonos modificados ecológicamente tales como el Freón R-141 B, el R-245FA, o el Ciclopentano y que cumplen el Protocolo de Montreal para la preservación de la capa de Ozono atmosférico. También se utilizan en menor medida, propelentes como agua y dióxido de carbono

El freón R-11 así como otros organoclorados fueron descartados debido a su incidencia en la capa de Ozono.

Al terminar la reacción química, la espuma de poliuretano contiene millones de celdas regulares que son las que al final le dan las características de aislamiento térmicas, resilentes y acústicas.

Una espuma de poliuretanos tiene un coeficiente de transferencia térmica de aprox. 0.0183 unidades BTU de transferencia de calor.

La estabilidad dimensional es un aspecto muy importante en la calidad de la espuma formada, muchas veces ha sucedido que fórmulas de polioles mal balanceadas, exceso de agua, mezclas poliol/isocianato deficientes, produzcan contracción del polímero, pandeándose y perdiendo su forma.

La mezcla poliol/isocianato debe ser estequiométricamente balanceada, en general la mezcla esta por un 10% por sobre lo estequiométrico para mayor seguridad; una mezcla mayor en poliol y menor en Isocianato lleva a espumas blandas e inestables; un exceso de Isocianatos conduce a espumas ureícas(Poliuretanos PIR).

Esta industria mueve millones de dólares en todo el mundo y los especialistas en el tema son muy restringidos en número.

El principal mercado es para el rígido en la industria de la aislación térmica(Refrigeradores)y en segundo lugar, la industrias de los flexibles.

Un pequeño porcentaje se usa para moldeado de piezas de automóviles, partes de vehículos, elementos de decoración etc.

Comparación del coeficiente de conductividad térmica entre diferentes materiales.

Fuente: Norma IRAM 11601. Argentina.

Poliuretano termoplástico

Es una de las variedades existentes dentro de los poliuretanos. Es un elastómero termoplástico, que no requiere de vulcanización para su proceso; al contrario, puede ser conformado por algunos de los procesos de conformado para termoplásticos, como inyección y extrusión. El Poliuretano Termoplástico (TPU, Thermoplastic Polyurethane) se caracteriza por su alta resistencia a la abrasión, al desgaste, al desgarre, al oxígeno, al ozono y a las temperaturas muy bajas.