Poliuretano

Síntesis de poliuretano, en los grupos de uretano −NH−(C=O) O link - las unidades moleculares

Una esponja de cocina hecha de espuma de poliuretano

Poliuretano (a menudo abreviado como PUR y PU) hace referencia a una clase de polímeros compuestos por unidades orgánicas unidas por enlaces de carbamato (uretano). A diferencia de otros polímeros comunes como el polietileno y el poliestireno, el poliuretano se produce a partir de una amplia gama de materiales de partida. Esta variedad química produce poliuretanos con diferentes estructuras químicas que conducen a muchas aplicaciones diferentes. Estos incluyen espumas rígidas y flexibles, barnices y revestimientos, adhesivos, compuestos de encapsulado eléctrico y fibras como el spandex y el laminado de poliuretano (PUL). Las espumas son la aplicación más grande y representan el 67 % de todo el poliuretano producido en 2016.

Por lo general, un poliuretano se produce al hacer reaccionar un isocianato con un poliol. Dado que un poliuretano contiene dos tipos de monómeros, que se polimerizan uno tras otro, se clasifican como copolímeros alternos. Tanto los isocianatos como los polioles utilizados para fabricar un poliuretano contienen dos o más grupos funcionales por molécula.

La producción mundial en 2019 fue de 25 millones de toneladas métricas, lo que representa alrededor del 6 % de todos los polímeros producidos ese año. El poliuretano es un plástico básico.

Historia

Prof. Otto Bayer en 1952 demostrando su creación

Otto Bayer y sus compañeros de trabajo en IG Farben en Leverkusen, Alemania, fabricaron poliuretanos por primera vez en 1937. Los nuevos polímeros tenían algunas ventajas sobre los plásticos existentes que se fabricaban polimerizando olefinas o por policondensación, y no estaban cubiertos por las patentes obtenidas por Wallace. Carothers sobre poliésteres. Los primeros trabajos se centraron en la producción de fibras y espumas flexibles y las PU se aplicaron a escala limitada como revestimiento de aeronaves durante la Segunda Guerra Mundial. Los poliisocianatos estuvieron disponibles comercialmente en 1952 y la producción de espuma de poliuretano flexible comenzó en 1954 mediante la combinación de diisocianato de tolueno (TDI) y polioles de poliéster. Estos materiales también se utilizaron para producir espumas rígidas, caucho de goma y elastómeros. Las fibras lineales se produjeron a partir de diisocianato de hexametilen (HDI) y 1,4-butanodiol (BDO).

DuPont introdujo los poliéteres, específicamente el poli(tetrametileno éter) glicol, en 1956. BASF y Dow Chemical introdujeron los polialquilenglicoles en 1957. Los poliéter polioles eran más baratos, más fáciles de manejar y más resistentes al agua que los poliéster polioles. Union Carbide y Mobay, una empresa conjunta estadounidense Monsanto/Bayer, también comenzaron a fabricar productos químicos de poliuretano. En 1960 se produjeron más de 45.000 toneladas métricas de espumas de poliuretano flexible. La disponibilidad de agentes de soplado de clorofluoroalcano, polioles de poliéter económicos y diisocianato de metileno difenilo (MDI) permitió que las espumas rígidas de poliuretano se usaran como materiales aislantes de alto rendimiento. En 1967, se introdujeron las espumas rígidas de poliisocianurato modificado con uretano, que ofrecen una estabilidad térmica y una resistencia a la inflamabilidad aún mejores. Durante la década de 1960, los componentes de seguridad interior de los automóviles, como los paneles de instrumentos y puertas, se producían rellenando revestimientos termoplásticos con espuma semirrígida.

En 1969, Bayer exhibió un automóvil totalmente de plástico en Düsseldorf, Alemania. Partes de este automóvil, como la fascia y los paneles de la carrocería, se fabricaron utilizando un nuevo proceso llamado moldeo por inyección de reacción (RIM), en el que los reactivos se mezclaron y luego se inyectaron en un molde. La adición de rellenos, como vidrio molido, mica y fibras minerales procesadas, dio lugar a RIM reforzado (RRIM), que proporcionó mejoras en el módulo de flexión (rigidez), reducción en el coeficiente de expansión térmica y mejor estabilidad térmica. Esta tecnología se usó para fabricar el primer automóvil con carrocería de plástico en los Estados Unidos, el Pontiac Fiero, en 1983. Se obtuvieron aumentos adicionales en la rigidez mediante la incorporación de placas de vidrio colocadas previamente en la cavidad del molde RIM, también conocido ampliamente como moldeo por inyección de resina., o RIM estructural.

A principios de la década de 1980, las espumas flexibles microcelulares sopladas con agua se utilizaron para moldear juntas para paneles de automóviles y sellos de filtros de aire, reemplazando a los polímeros de PVC. Las espumas de poliuretano se utilizan en muchas aplicaciones automotrices, incluidos los asientos, los reposacabezas y los reposabrazos y los revestimientos del techo.

La espuma de poliuretano (incluida la gomaespuma) a veces se fabrica utilizando pequeñas cantidades de agentes de soplado para dar una espuma menos densa, mejor amortiguación/absorción de energía o aislamiento térmico. A principios de la década de 1990, debido a su impacto en el agotamiento del ozono, el Protocolo de Montreal restringió el uso de muchos agentes espumantes que contienen cloro, como el triclorofluorometano (CFC-11). A fines de la década de 1990, los agentes espumantes como el dióxido de carbono, el pentano, el 1,1,1,2-tetrafluoroetano (HFC-134a) y el 1,1,1,3,3-pentafluoropropano (HFC-245fa) se usaban ampliamente en América del Norte. Estados Unidos y la UE, aunque los agentes espumantes clorados siguieron utilizándose en muchos países en desarrollo. Más tarde, el HFC-134a también se prohibió debido a las altas lecturas de ODP y GWP, y el HFC-141B se introdujo a principios de la década de 2000 como agente espumante alternativo en los países en desarrollo.

Química

Los poliuretanos se producen mediante la reacción de diisocianatos con polioles, a menudo en presencia de un catalizador o tras la exposición a la luz ultravioleta. Los catalizadores comunes incluyen aminas terciarias, como DABCO, o jabones metálicos, como dilaurato de dibutilestaño. La estequiometría de los materiales de partida debe controlarse cuidadosamente, ya que el exceso de isocianato puede trimerizarse y dar lugar a la formación de poliisocianuratos rígidos. El polímero suele tener una estructura molecular muy reticulada, lo que da como resultado un material termoendurecible que no se funde al calentarlo; aunque también se producen algunos poliuretanos termoplásticos.

La aplicación más común del poliuretano es como espumas sólidas, lo que requiere la presencia de un gas o agente de expansión durante el paso de polimerización. Esto se logra comúnmente mediante la adición de pequeñas cantidades de agua, que reacciona con los isocianatos para formar gas CO₂ y una amina, a través de un grupo ácido carbámico inestable. La amina producida también puede reaccionar con isocianatos para formar grupos urea y, como tal, el polímero contendrá tanto estos como enlaces de uretano. La urea no es muy soluble en la mezcla de reacción y tiende a formar un "segmento duro" fases que consisten principalmente en poliurea. La concentración y organización de estas fases de poliurea pueden tener un impacto significativo en las propiedades de la espuma.

El tipo de espuma producida se puede controlar regulando la cantidad de agente de expansión y también agregando varios tensioactivos que cambian la reología de la mezcla de polimerización. Las espumas pueden ser de "celda cerrada", donde la mayoría de las burbujas o celdas originales permanecen intactas, o de "celda abierta", donde las burbujas se han roto pero los bordes de las burbujas están intactos. suficientemente rígidos para conservar su forma, en casos extremos se pueden formar espumas reticuladas. Las espumas de celda abierta se sienten suaves y permiten que el aire fluya, por lo que son cómodas cuando se usan en cojines de asientos o colchones. Las espumas de celda cerrada se utilizan como aislamiento térmico rígido. Las espumas microcelulares de alta densidad se pueden formar sin la adición de agentes de expansión espumando mecánicamente el poliol antes de su uso. Estos son materiales elastoméricos resistentes que se utilizan para cubrir volantes de automóviles o suelas de zapatos.

Las propiedades de un poliuretano están muy influenciadas por los tipos de isocianatos y polioles utilizados para fabricarlo. Los segmentos largos y flexibles, aportados por el poliol, dan un polímero blando y elástico. Grandes cantidades de reticulación dan polímeros duros o rígidos. Las cadenas largas y el entrecruzamiento bajo dan un polímero que es muy elástico, las cadenas cortas con muchos entrecruzamientos producen un polímero duro, mientras que las cadenas largas y el entrecruzamiento intermedio dan un polímero útil para hacer espuma. Las opciones disponibles para los isocianatos y polioles, además de otros aditivos y condiciones de procesamiento, permiten que los poliuretanos tengan una amplia gama de propiedades que los convierten en polímeros tan ampliamente utilizados.

Materias primas

Los principales ingredientes para fabricar un poliuretano son los diisocianatos y triisocianatos y los polioles. Se añaden otros materiales para ayudar a procesar el polímero o para modificar las propiedades del polímero. La formulación de espuma de PU a veces también tiene agua añadida.

Isocianatos

Los isocianatos utilizados para fabricar poliuretano tienen dos o más grupos isocianato en cada molécula. Los isocianatos más utilizados son los diisocianatos aromáticos, el diisocianato de tolueno (TDI) y el diisocianato de metileno difenilo (MDI). Estos isocianatos aromáticos son más reactivos que los isocianatos alifáticos.

TDI y MDI son generalmente menos costosos y más reactivos que otros isocianatos. El TDI y el MDI de grado industrial son mezclas de isómeros y el MDI a menudo contiene materiales poliméricos. Se utilizan para hacer espuma flexible (por ejemplo, espuma en bloque para colchones o espumas moldeadas para asientos de automóviles), espuma rígida (por ejemplo, espuma aislante en refrigeradores), elastómeros (suelas de zapatos, por ejemplo), etc. Los isocianatos pueden modificarse haciéndolos reaccionar parcialmente con polioles o introduciendo otros materiales para reducir la volatilidad (y por lo tanto la toxicidad) de los isocianatos, disminuir sus puntos de congelación para facilitar el manejo o mejorar las propiedades de los polímeros finales.

Los isocianatos alifáticos y cicloalifáticos se usan en cantidades más pequeñas, con mayor frecuencia en recubrimientos y otras aplicaciones donde el color y la transparencia son importantes, ya que los poliuretanos fabricados con isocianatos aromáticos tienden a oscurecerse con la exposición a la luz. Los isocianatos alifáticos y cicloalifáticos más importantes son el 1,6-hexametileno diisocianato (HDI), el 1-isocianato-3-isocianatometil-3,5,5-trimetil-ciclohexano (isoforona diisocianato, IPDI) y el 4,4′-diisocianato diciclohexilmetano. (H₁₂MDI o MDI hidrogenado). Otros isocianatos más especializados incluyen el diisocianato de tetrametilxilileno (TMXDI).

Polioles

Los polioles son polímeros por derecho propio y tienen en promedio dos o más grupos hidroxilo por molécula. Pueden convertirse en polioles de poliéter copolimerizando óxido de etileno y óxido de propileno con un precursor de poliol adecuado. Los polioles de poliéster se fabrican mediante la policondensación de ácidos carboxílicos multifuncionales y compuestos polihidroxilados. Se pueden clasificar según su uso final. Los polioles de peso molecular más alto (pesos moleculares de 2000 a 10 000) se usan para fabricar poliuretanos más flexibles, mientras que los polioles de peso molecular más bajo hacen productos más rígidos.

Los polioles para aplicaciones flexibles utilizan iniciadores de baja funcionalidad como dipropilenglicol (f = 2), glicerina (f = 3) o una solución de sorbitol/agua (< i>f = 2,75). Los polioles para aplicaciones rígidas utilizan iniciadores de alta funcionalidad como sacarosa (f = 8), sorbitol (f = 6), toluenodiamina (f = 4), y bases de Mannich (f = 4). Se añade óxido de propileno y/u óxido de etileno a los iniciadores hasta que se alcanza el peso molecular deseado. El orden de adición y las cantidades de cada óxido afectan muchas propiedades de los polioles, como la compatibilidad, la solubilidad en agua y la reactividad. Los polioles elaborados solo con óxido de propileno tienen grupos hidroxilo secundarios terminados y son menos reactivos que los polioles rematados con óxido de etileno, que contienen grupos hidroxilo primarios. Varias empresas están investigando la incorporación de dióxido de carbono en la estructura del poliol.

Los polioles de injerto (también llamados polioles rellenos o polioles poliméricos) contienen sólidos poliméricos de estireno-acrilonitrilo, acrilonitrilo o poliurea (PHD) finamente dispersos injertados químicamente en un esqueleto de poliéter de alto peso molecular. Se utilizan para aumentar las propiedades de soporte de carga de la espuma de alta resiliencia (HR) de baja densidad, así como para agregar dureza a las espumas microcelulares y los elastómeros moldeados. Los iniciadores como la etilendiamina y la trietanolamina se utilizan para fabricar polioles de espuma rígida de bajo peso molecular que tienen una actividad catalítica incorporada debido a la presencia de átomos de nitrógeno en el esqueleto. Una clase especial de poliéter polioles, los poli(tetrametileno éter) glicoles, que se fabrican mediante la polimerización de tetrahidrofurano, se utilizan en aplicaciones de revestimiento, humectación y elastómeros de alto rendimiento.

Los polioles de poliéster convencionales se basan en materias primas vírgenes y se fabrican mediante la poliesterificación directa de diácidos y glicoles de alta pureza, como el ácido adípico y el 1,4-butanodiol. Los polioles de poliéster suelen ser más caros y más viscosos que los polioles de poliéter, pero producen poliuretanos con mejor resistencia a los disolventes, la abrasión y los cortes. Otros polioles de poliéster se basan en materias primas recuperadas. Se fabrican por transesterificación (glucólisis) de fondos de destilación de poli(tereftalato de etileno) (PET) o tereftalato de dimetilo (DMT) reciclados con glicoles como el dietilenglicol. Estos polioles de poliéster aromáticos de bajo peso molecular se utilizan en espumas rígidas y brindan un bajo costo y excelentes características de inflamabilidad para el aislamiento de espuma de poliuretano en aerosol y tableros de poliisocianurato (PIR).

Los polioles especiales incluyen policarbonato polioles, policaprolactona polioles, polibutadieno polioles y polisulfuro polioles. Los materiales se utilizan en aplicaciones de elastómeros, selladores y adhesivos que requieren una resistencia superior a la intemperie y al ataque químico y ambiental. Los polioles de aceite natural derivados del aceite de ricino y otros aceites vegetales se utilizan para fabricar elastómeros, material de relleno flexible y espuma moldeada flexible.

La copolimerización de clorotrifluoroetileno o tetrafluoroetileno con viniléteres que contienen hidroxialquilviniléter produce polioles fluorados (FEVE). Los poliuretanos fluorados de dos componentes preparados mediante la reacción de polioles fluorados FEVE con poliisocianato se han utilizado para fabricar pinturas y revestimientos de curado ambiental. Dado que los poliuretanos fluorados contienen un alto porcentaje de enlaces flúor-carbono, que son los enlaces más fuertes entre todos los enlaces químicos, los poliuretanos fluorados exhiben resistencia a los rayos UV, ácidos, álcalis, sales, productos químicos, solventes, intemperie, corrosión, hongos y ataque microbiano. Estos se han utilizado para recubrimientos y pinturas de alto rendimiento.

Los polioles que contienen fósforo están disponibles y se unen químicamente a la matriz de poliuretano para su uso como retardadores de llama. Este enlace covalente evita la migración y la lixiviación del compuesto organofosforado.

Materiales bioderivados

Interés en la sostenibilidad "verde" Los productos despertaron interés en los polioles derivados de aceites vegetales. Varios aceites usados en la preparación de polioles para poliuretanos incluyen soja, semilla de algodón, semilla de neem y ricino. Los aceites vegetales se funcionalizan de diversas maneras y se modifican en polieteramida, poliéteres, alquídicos, etc. Las fuentes renovables utilizadas para preparar polioles pueden ser ácidos grasos dímeros o ácidos grasos. Algunos poliuretanos de base biológica y libres de isocianatos aprovechan la reacción entre las poliaminas y los carbonatos cíclicos para producir polihidroxuretanos.

Extensores de cadena y entrecruzadores

Los extensores de cadena (f = 2) y los reticuladores (f ≥ 3) son compuestos terminados en amina e hidroxilo de bajo peso molecular que desempeñan un papel importante en la morfología del polímero. de fibras de poliuretano, elastómeros, adhesivos y ciertas espumas microcelulares y de piel integral. Las propiedades elastoméricas de estos materiales se derivan de la separación de fases de los segmentos de copolímero duro y blando del polímero, de modo que los dominios de segmento duro de uretano sirven como enlaces cruzados entre los dominios de segmento blando de poliéter (o poliéster) amorfo. Esta separación de fases se produce porque los segmentos blandos de bajo punto de fusión, principalmente no polares, son incompatibles con los segmentos duros polares de alto punto de fusión. Los segmentos blandos, que se forman a partir de polioles de alto peso molecular, son móviles y normalmente están presentes en forma de espiral, mientras que los segmentos duros, que se forman a partir del isocianato y los extensores de cadena, son rígidos e inmóviles. Debido a que los segmentos duros están acoplados covalentemente a los segmentos blandos, inhiben el flujo plástico de las cadenas poliméricas, creando así elasticidad elastomérica. Tras la deformación mecánica, una parte de los segmentos blandos se tensionan al desenrollarse, y los segmentos duros se alinean en la dirección de la tensión. Esta reorientación de los segmentos duros y los poderosos enlaces de hidrógeno consiguientes contribuyen a valores altos de resistencia a la tracción, alargamiento y resistencia al desgarro. La elección del extensor de cadena también determina las propiedades de resistencia a la flexión, al calor y a los productos químicos. Los extensores de cadena más importantes son el etilenglicol, el 1,4-butanodiol (1,4-BDO o BDO), el 1,6-hexanodiol, el ciclohexano dimetanol y el éter bis(2-hidroxietil) de hidroquinona (HQEE). Todos estos glicoles forman poliuretanos que se separan bien en fases y forman dominios de segmentos duros bien definidos, y son procesables por fusión. Todos son aptos para poliuretanos termoplásticos con la excepción del etilenglicol, ya que su bis-fenil uretano derivado sufre una degradación desfavorable a niveles altos de segmento duro. La dietanolamina y la trietanolamina se utilizan en espumas moldeadas por flexión para aumentar la firmeza y agregar actividad catalítica. La dietiltoluenodiamina se usa ampliamente en RIM y en formulaciones de elastómeros de poliuretano y poliurea.

Catalizadores

Los catalizadores de poliuretano se pueden clasificar en dos grandes categorías, amina básica y ácida. Los catalizadores de amina terciaria funcionan mejorando la nucleofilia del componente diol. Los carboxilatos, óxidos y óxidos de mercaptidas de alquilestaño funcionan como ácidos de Lewis suaves para acelerar la formación de poliuretano. Como bases, los catalizadores de amina tradicionales incluyen trietilendiamina (TEDA, también llamada DABCO, 1,4-diazabiciclo[2.2.2]octano), dimetilciclohexilamina (DMCHA), dimetiletanolamina (DMEA) y bis-(2-dimetilaminoetil)éter, un catalizador también llamado A-99. Un catalizador ácido de Lewis típico es el dilaurato de dibutilestaño. El proceso es muy sensible a la naturaleza del catalizador y también se sabe que es autocatalítico.

Los factores que afectan la selección del catalizador incluyen equilibrar tres reacciones: formación de uretano (poliol+isocianato o gel), formación de urea (agua+isocianato o "soplado") o reacción de trimerización de isocianato (p. ej., usando acetato de potasio, para formar anillos de isocianurato). Se ha desarrollado una variedad de catalizadores especializados.

Tensoactivos

Los tensioactivos se utilizan para modificar las características de los polímeros de poliuretano con y sin espuma. Toman la forma de copolímeros de bloque de polidimetilsiloxano-polioxialquileno, aceites de silicona, etoxilatos de nonilfenol y otros compuestos orgánicos. En las espumas, se utilizan para emulsionar los componentes líquidos, regular el tamaño de las celdas y estabilizar la estructura de las celdas para evitar el colapso y los vacíos subterráneos. En aplicaciones que no son de espuma, se usan como agentes antiespumantes y de liberación de aire, como agentes humectantes y se usan para eliminar defectos superficiales como agujeros pequeños, piel de naranja y marcas de hundimiento.

Producción

Los poliuretanos se producen mezclando dos o más corrientes líquidas. La corriente de poliol contiene catalizadores, tensioactivos, agentes de expansión (cuando se fabrica aislamiento de espuma de poliuretano), etc. Los dos componentes se conocen como un sistema de poliuretano, o simplemente un sistema. El isocianato se conoce comúnmente en América del Norte como el 'lado A' o simplemente el 'iso'. La mezcla de polioles y otros aditivos se conoce comúnmente como el 'lado B' o como el 'poli'. Esta mezcla también podría llamarse 'resina' o 'mezcla de resina'. En Europa, los significados de 'lado A' y 'cara B' están invertidos. Los aditivos de mezcla de resinas pueden incluir extensores de cadena, reticuladores, tensioactivos, retardadores de llama, agentes de soplado, pigmentos y rellenos. El poliuretano se puede fabricar en una variedad de densidades y durezas variando el isocianato, el poliol o los aditivos.

Salud y seguridad

El polímero de poliuretano completamente reaccionado es químicamente inerte. No se han establecido límites de exposición en los EE. UU. por OSHA (Administración de Salud y Seguridad Ocupacional) o ACGIH (Conferencia Estadounidense de Higienistas Industriales Gubernamentales). No está regulado por OSHA para la carcinogenicidad.

Prueba de fuego abierto. Parte superior: espuma de poliuretano sin tratar quemaduras vigorosamente. Bottom: con tratamiento resistente al fuego.

Los poliuretanos son combustibles. La descomposición del fuego puede producir cantidades significativas de monóxido de carbono y cianuro de hidrógeno, además de óxidos de nitrógeno, isocianatos y otros productos tóxicos. Debido a la inflamabilidad del material, debe tratarse con retardantes de llama (al menos en el caso de los muebles), la mayoría de los cuales se consideran nocivos. Posteriormente, California emitió el Boletín técnico 117 de 2013 que permitió que la mayoría de las espumas de poliuretano pasaran las pruebas de inflamabilidad sin el uso de retardantes de llama. Green Science Policy Institute afirma: "Aunque el nuevo estándar se puede cumplir sin retardantes de llama, NO prohíbe su utilizar. Los consumidores que deseen reducir la exposición del hogar a los retardantes de llama pueden buscar una etiqueta TB117-2013 en los muebles y verificar con los minoristas que los productos no contienen retardantes de llama."

Las mezclas de resinas líquidas y los isocianatos pueden contener componentes peligrosos o regulados. Los isocianatos son sensibilizadores cutáneos y respiratorios conocidos. Además, las aminas, glicoles y fosfatos presentes en las espumas de poliuretano en aerosol presentan riesgos.

La exposición a productos químicos que pueden emitirse durante o después de la aplicación de espuma de poliuretano en aerosol (como los isocianatos) es perjudicial para la salud humana y, por lo tanto, se requieren precauciones especiales durante y después de este proceso.

En los Estados Unidos, se puede encontrar información adicional sobre salud y seguridad a través de organizaciones como la Asociación de Fabricantes de Poliuretano (PMA) y el Centro para la Industria de Poliuretanos (CPI), así como de los fabricantes de materias primas y sistemas de poliuretano. La información reglamentaria se puede encontrar en el Código de Regulaciones Federales, Título 21 (Alimentos y Medicamentos) y Título 40 (Protección del Medio Ambiente). En Europa, la información sobre salud y seguridad está disponible en ISOPA, la Asociación Europea de Productores de Polioles y Diisocianatos.

Fabricación

Los métodos de fabricación de productos terminados de poliuretano van desde pequeñas operaciones de vertido manual por pieza hasta grandes líneas de producción de rollos y tableros de alto volumen. Independientemente del producto final, el principio de fabricación es el mismo: para dosificar la mezcla líquida de isocianato y resina en una proporción estequiométrica específica, mézclelos hasta obtener una mezcla homogénea, dispense el líquido de reacción en un molde o sobre una superficie, espere hasta que se cure, luego desmolde la pieza terminada.

Equipo dosificador

Aunque el desembolso de capital puede ser alto, es deseable utilizar una unidad dosificadora o de mezcla de medidor incluso para operaciones de producción de bajo volumen que requieren una producción constante de piezas terminadas. El equipo de dosificación consta de tanques de retención de material (día), bombas dosificadoras, un cabezal de mezcla y una unidad de control. A menudo, se agrega una unidad de acondicionamiento o calentador-enfriador para controlar la temperatura del material a fin de mejorar la eficiencia de la mezcla, la tasa de curado y reducir la variabilidad del proceso. La elección de los componentes del equipo de dosificación depende del tamaño del disparo, el rendimiento, las características del material, como la viscosidad y el contenido de relleno, y el control del proceso. Los tanques diarios de material pueden tener un tamaño de uno a cientos de galones y pueden suministrarse directamente desde tambores, IBC (contenedores a granel intermedios, como bolsas) o tanques de almacenamiento a granel. Pueden incorporar sensores de nivel, camisas de acondicionamiento y mezcladores. Las bombas se pueden dimensionar para medir en gramos por segundo hasta cientos de libras por minuto. Pueden ser bombas rotativas, de engranajes o de pistón, o pueden ser bombas de lanza especialmente endurecidas para dosificar líquidos que contienen rellenos altamente abrasivos, como fibra de vidrio picada o molida con martillo y wollastonita.

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  Unidad de dispensación de poliuretano de alta presión, que muestra panel de control, bomba de alta presión, tanques de día integrales y unidad de disco hidráulico

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  Una cabeza de mezcla de alta presión, mostrando controles simples (vista frontal)

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  Una cabeza de mezcla de alta presión, mostrando el suministro de material y las líneas de actuadores hidráulicos (vista trasera)

Las bombas pueden impulsar sistemas de dosificación de baja presión (10 a 30 bar, 1 a 3 MPa) o alta presión (125 a 250 bar, 12,5 a 25,0 MPa). Los cabezales de mezcla pueden ser simples tubos de mezcla estáticos, mezcladores de elementos rotatorios, mezcladores dinámicos de baja presión o mezcladores de impacto directo accionados hidráulicamente de alta presión. Las unidades de control pueden tener interruptores básicos de encendido/apagado y dosificación/parada, y manómetros analógicos de presión y temperatura, o pueden estar controladas por computadora con medidores de flujo para calibrar electrónicamente la relación de mezcla, sensores digitales de temperatura y nivel, y un conjunto completo de control estadístico de procesos. software. Los complementos para el equipo de dosificación incluyen unidades de nucleación o inyección de gas y capacidad de tercer o cuarto flujo para agregar pigmentos o medir en paquetes de aditivos complementarios.

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  Una cabeza de mezcla de baja presión con cámara de calibración instalada, mostrando el suministro de material y las líneas de actuadores de aire

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  Componentes de cabeza de mezcla de baja presión, incluyendo cámaras de mezcla, mezcladoras cónicas y placas de montaje

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  tanques de material de 5 galones (20 litros) para suministrar una unidad de dispensación de baja presión

Herramientas

A diferencia de las aplicaciones de vertido en el lugar, bollos y cartón, y revestimiento, la producción de piezas requiere herramientas para contener y formar el líquido de reacción. La elección del material de fabricación del molde depende del número esperado de usos hasta el final de la vida útil (EOL), la presión de moldeo, la flexibilidad y las características de transferencia de calor.

La silicona RTV se utiliza para herramientas que tienen un fin de vida útil de miles de piezas. Por lo general, se usa para moldear piezas de espuma rígida, donde se necesita la capacidad de estirar y despegar el molde alrededor de las socavaduras. La característica de transferencia de calor de las herramientas de silicona RTV es pobre. De esta manera también se utilizan elastómeros de poliuretano flexibles y de alto rendimiento.

El epoxi, el epoxi con relleno de metal y el epoxi con revestimiento de metal se utilizan para herramientas que tienen un fin de vida útil de decenas de miles de piezas. Por lo general, se usa para moldear cojines y asientos de espuma flexible, revestimiento integral y acolchado de espuma microcelular, y biseles y fascia RIM de tiro poco profundo. La característica de transferencia de calor de las herramientas de epoxi es justa; la característica de transferencia de calor del epoxi con relleno metálico y revestido con metal es buena. Se pueden incorporar tubos de cobre en el cuerpo de la herramienta, lo que permite que circule agua caliente y caliente la superficie del molde.

El aluminio se utiliza para herramientas que tienen un EOL de cientos de miles de piezas. Por lo general, se usa para moldear juntas de espuma microcelular y piezas de elastómero fundido, y se muele o extruye para darle forma.

El acero inoxidable con acabado de espejo se usa para herramientas que imparten una apariencia brillante a la pieza terminada. La característica de transferencia de calor de las herramientas de metal es excelente.

Por último, el polipropileno moldeado o molido se utiliza para crear herramientas de bajo volumen para aplicaciones de juntas moldeadas. En lugar de muchos moldes de metal costosos, las herramientas de plástico de bajo costo se pueden formar a partir de un solo maestro de metal, lo que también permite una mayor flexibilidad de diseño. La característica de transferencia de calor de las herramientas de polipropileno es deficiente, lo que debe tenerse en cuenta durante el proceso de formulación.

Aplicaciones

En 2007, el consumo mundial de materias primas de poliuretano superó los 12 millones de toneladas métricas y la tasa de crecimiento anual promedio fue de aproximadamente el 5 %. Se espera que los ingresos generados con PUR en el mercado global aumenten a aproximadamente US$75 mil millones para 2022.

Degradación y destino medioambiental

Efectos de la luz visible

espuma de poliuretano hecha con un isocianato aromático, que ha sido expuesto a la luz UV. Leídamente evidente es la discoloración que ocurre con el tiempo.

Los poliuretanos, especialmente los fabricados con isocianatos aromáticos, contienen cromóforos que interactúan con la luz. Esto es de particular interés en el área de los recubrimientos de poliuretano, donde la estabilidad a la luz es un factor crítico y es la razón principal por la que se utilizan isocianatos alifáticos en la fabricación de recubrimientos de poliuretano. Cuando la espuma de PU, que se fabrica con isocianatos aromáticos, se expone a la luz visible, se decolora y cambia de color blanquecino a amarillo y marrón rojizo. Se ha aceptado generalmente que, aparte del amarilleamiento, la luz visible tiene poco efecto sobre las propiedades de la espuma. Este es especialmente el caso si el amarillamiento ocurre en las partes exteriores de una espuma grande, ya que el deterioro de las propiedades en la parte exterior tiene poco efecto sobre las propiedades de volumen generales de la propia espuma.

Se ha informado que la exposición a la luz visible puede afectar la variabilidad de algunos resultados de pruebas de propiedades físicas.

La radiación ultravioleta de mayor energía promueve reacciones químicas en la espuma, algunas de las cuales son perjudiciales para la estructura de la espuma.

Hidrólisis y biodegradación

Los poliuretanos pueden degradarse debido a la hidrólisis. Este es un problema común con los zapatos que se dejan en un armario y reaccionan con la humedad del aire.

Se cree que la degradación microbiana del poliuretano se debe a la acción de las enzimas esterasa, uretanasa, hidrolasa y proteasa. El proceso es lento ya que la mayoría de los microbios tienen dificultades para moverse más allá de la superficie del polímero. La susceptibilidad a los hongos es mejor debido a su liberación de enzimas extracelulares, que son más capaces de penetrar en la matriz polimérica. Dos especies del hongo ecuatoriano Pestalotiopsis son capaces de biodegradar el poliuretano en condiciones aeróbicas y anaeróbicas, como las que se encuentran en el fondo de los vertederos. Se ha informado sobre la degradación de artículos de poliuretano en museos. Los poliuretanos de tipo poliéster se biodegradan más fácilmente por los hongos que los de tipo poliéter.