Poliuretano

El poliuretano (PUR) es un polímero que se obtiene mediante condensación de polioles combinados con poliisocianatos. Se subdivide en dos grandes grupos: termoestables (este artículo) y termoplásticos (poliuretano termoplástico). Los poliuretanos termoestables más habituales son espumas muy utilizadas como aislantes térmicos y como espumas resilientes, pero también existen poliuretanos que son elástómeros, adhesivos y selladores de alto rendimiento, pinturas, fibras, sellantes, para embalajes, juntas, preservativos, componentes de automóvil, en la industria de la construcción, del mueble y múltiples aplicaciones más.

Se pueden mezclar con pigmentos tales como el negro de humo y otros.

Su formulación se basa en polioles de bajo número de hidróxilo (OH) combinados con isocianatos de bajo contenido en grupos funcionales (NCO), unido a propelentes especiales y una cantidad exactamente medida de agua. La fórmula está estequiométricamente diseñada para lograr un material (espumado o no) de curado rápido y con una densidad entre 18 y 80 kg/m³.

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

También existen los poliuretanos rígidos de densidad 30-50 kg/m³, utilizados como aislantes térmicos.

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

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

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

Los poliuretanos rígidos de densidad más elevada (150-1200 kg/m³) (RIM, Reaction Injection Molding) son usados para elaborar componentes de automóviles, yates, muebles y decorados.

Historia

Otto Bayer consiguió la primera síntesis en 1937 en los laboratorios de IG Farben, en Leverkusen (Alemania). La producción industrial empezó en 1940. Sin embargo, debido a la falta de recursos por la Segunda Guerra Mundial, la producción sólo creció muy lentamente.

En la industria

Los poliuretanos flexibles se emplean, sobre todo, en la fabricación de espumas blandas, de elastómeros y también de pinturas.

Esponja de poliuretano flexible.

Sus propiedades mecánicas pueden variar 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. A diferencia de las esponjas naturales, se suele tratar de materiales con poro algo más 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, aislamiento, mueble, etc.

Algunos poliuretanos se emplean para 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 poliuretanos monocomponentes, como por ejemplo los habitualmente usados en la industria de la construcción.

Componente A

Consiste en el Poliol: 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, siliconas, agua, propelentes y catalizadores organometálicos; condicionan la reacción y 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 una mezcla de isocianatos, a veces prepolimerizados (pre-iniciado), con un contenido de grupos NCO que puede variar desde el 18 al 35% en funcionalidad. Algunos son de color café, muy viscosos (3000-5000 cps-Viscosímetro Brookfield), y otros son casi transparentes y fluidos. En ocasiones son mantenidos en atmósfera seca de nitrógeno. Tienen además propiedades adhesivas muy apreciadas, por lo que también sirven de aglomerantes para fabricar bloques poli-material. Un ejemplo de aplicación sorprendente es su uso para aglomerar piedras y formar rompeolas para proteger costas.

Reactividad

La reactividad se puede observar en una simple inspección visual y, en el caso de las espumas, 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.
• Tiempo de subida: Finalización de la expansión.
• Tacto libre: 10 - 50 s. Formación de piel, finalización de la reacción. La superficie del material deja de ser adhesiva.

El isocianato y el poliol, al mezclarse, ocasionan una serie de reacciones químicas que conducen a enlaces de uretanos, poliuretanos, alofanatos, ureas modificadas, cianatos prepolímeros etc. En total unas 17 reacciones químicas simultáneas, en que el paquete de catalizadores hace que se tome una dirección preferente u otra.

Se genera una exotermia que puede elevar la temperatura hasta mas de 100°C, que hace que el propelente en disolución en el poliol se convierta en un gas. La reacción de isocianato con agua genera dióxido de carbono. Por el calor generado, parte del agua se convierte en vapor. Todo esto hace que expanda la mezcla, formándose pequeñas celdas después del gelado o cremado. Aunque las celdas de CO₂ son parte del reticulado, se entremezclan con las que contienen fluorocarbonos para efectos de estabilidad dimensional.

Algunos polioles llevan componentes antiflama que hace que sean retardantes de llama. 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 el tiempo de hilo, para finalizar en el tiempo de Tack free (toque libre).

Los propelentes son fluorocarbonos modificados ecológicamente tales como el R-141 B, el R-245FA, o el ciclopentano, que cumplen el Protocolo de Montreal para la preservación de la capa de ozono atmosférico. Evidentemente también se utiliza agua y, en menor medida, dióxido de carbono. El freón-11 (R-11), así como otros organoclorados, fueron descartados hace años debido a su incidencia en la capa de ozono.

Al terminar la reacción química, la espuma de poliuretano contiene millones de celdas irregulares, que - según sea la formulación usada - son las que al final le dan las características de aislamiento térmico, resilencia, acústicas, etc.

Una espuma de poliuretano tiene un coeficiente de transferencia térmica de aproximadamente 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, o mezclas poliol/isocianato deficientes, producen una contracción del polímero, pandeándose y perdiendo su forma. La mezcla poliol/isocianato debe ser estequiométricamente balanceada. En general la mezcla está en un 10% sobre lo estequiométrico para mayor seguridad; una mezcla mayor en poliol y menor en isocianato lleva a espumas blandas e inestables, mientras que un exceso de isocianatos conduce a espumas ureicas (poliuretanos PIR).

La industria del poliuretano mueve millones de dólares / euros en todo el mundo, y los especialistas en el tema son escasos y muy valorados.

El principal mercado para el poliuretano rígido es la industria del aislamiento térmico (refrigeradores, etc.); en segundo lugar, las industrias de los poliuretanos flexibles (colchones, asientos, etc.)

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

Comparación del coeficiente de conductividad térmica entre diferentes materiales.

Material	Densidad (kg/m³)	Conductividad térmica (W/m·K)
Chapa de Aluminio	2700	2,04
Hormigón	2400	1,63
Vidrio plano	2500	0,81
Ladrillo macizo	1600	0,81
Tejas (plana)	1800	0,76
Yeso placas	1000	0,44
Hormigón liviano	1000	0,36
Nieve compactada	300	0,23
Madera (pino)	700	0,17
Lana de vidrio	11	0,041
Lana de vidrio	15	0,038
Lana de vidrio	35	0,038
Lana de vidrio	50	0,032
Lana de vidrio	70	0,031
Lana de vidrio	100	0,032
Poliuretano rígido	35	0,020
Poliuretano proyectado	30	0,024

Fuente: Norma IRAM 11601. (Argentina)

Poliuretano termoplástico

Es un elastómero termoplástico, que no requiere de vulcanización para su proceso; al contrario, puede ser conformado mediante los procesos habituales para termoplásticos, como inyección, extrusión y soplado. 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.

Enlaces externos

• Ficha internacional de seguridad del poliuretano, Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo de España.
  • Espuma flexible
  • Espuma rígida
  • Fibras
  • Resinas poliuretánicas