¿Cómo se fabrican los elastómeros de poliuretano y qué aplicaciones tienen?

Los elastómeros de poliuretano (PU) son polímeros versátiles utilizados en una variedad de industrias debido a su flexibilidad, resistencia al desgaste, y capacidad para ser procesados en diversas formas. Existen distintas categorías de elastómeros, entre las que se incluyen los elastómeros fundidos, microcelulares, RIM, de pulverización, el cuero sintético, las fibras elastoméricas y el TPU. Los elastómeros PU se producen a través de un proceso de moldeo bicomponente, mientras que el TPU se procesa mediante fundición.

Los elastómeros RIM (moldeo por inyección de reacción) tienen densidades superiores a 900 kg/m³ y son prácticamente sólidos. Estas piezas se refuerzan comúnmente con materiales de relleno, lo que resulta en productos altamente estables dimensionalmente, tales como paneles de carrocería, parachoques, cubiertas para ruedas de repuesto y pisos de camiones. Los elastómeros de pulverización se aplican como recubrimientos, siendo utilizados principalmente en la industria de la construcción como recubrimientos protectores. Ejemplos típicos incluyen suelos, contención secundaria y recubrimientos anticorrosivos para contenedores metálicos.

El cuero sintético, producido mediante un proceso de coagulación, genera textiles transpirables, ideales para prendas de lluvia y ropa exterior. Las fibras PU se emplean en ropa interior y trajes de baño, donde se requiere alta elasticidad en el textil tejido. Los TPU son suministrados a los fabricantes como polímeros completamente reaccionados, producidos en plantas específicas de TPU. Estos gránulos de TPU se procesan usando equipos estándar de moldeo por inyección. Debido a su alta flexibilidad, resistencia a la abrasión y al aceite, los TPUs se emplean en aplicaciones como cables, mangueras, membranas y diversas partes de ingeniería, incluidos tamices de minería y correas transportadoras. Además, cuando se disuelven en solventes orgánicos, los TPUs pueden utilizarse como adhesivos o recubrimientos.

Los polioles más utilizados en los elastómeros PU son los polioles de poliéster y de polietileno, con una funcionalidad de 2 a 3 y masas equivalentes que varían entre 500 y 2,000 g/mol. Los polioles de poliéster utilizados en la fabricación de elastómeros PU se derivan del ácido adípico y de glicoles de cadena corta, como el etilenglicol y el 1,4-butanodiol. Dependiendo del glicol utilizado, algunos poliésteres pueden ser cristalinos, mientras que los poliésteres no cristalinos líquidos se prefieren para las aplicaciones de elastómeros PU. Por otro lado, los dioles como el PTMEG y los poliésteres de poliácido caprolactámico se emplean en la producción de elastómeros PU de alto rendimiento.

La formulación básica para los elastómeros PU incluye una cantidad de poliol de 100 partes por peso, y la cantidad de extensor de cadena puede variar considerablemente, lo que afecta el contenido de bloques duros (HBC) y, en consecuencia, la dureza del elastómero. Un componente adicional es el agua, cuya adición es opcional y suele ser limitada en las formulaciones de elastómeros sólidos. En las aplicaciones de suelas de zapatos, por ejemplo, puede añadirse hasta 1 parte de agua por cada 100 partes de poliol. Los catalizadores urethane-selectivos, como la trietilenodiamina (TEDA) o los sales metálicas como los carboxilatos de estaño, son esenciales para este proceso.

Es importante tener en cuenta que la topología de la cadena, que describe la estructura de las secuencias alternas de diisocianato-extensor de cadena y segmentos de poliol, depende tanto de la receta del elastómero como de las condiciones de polimerización. La formulación básica del TPU, por ejemplo, implica un poliol de 2,000 g/mol, dos equivalentes de extensor de cadena (de 100 g/mol) y tres equivalentes de diisocianato (4,4ʹ-MDI). La relación molar de estos componentes es clave para obtener las propiedades mecánicas deseadas.

¿Por qué los elastómeros de colada en frío están desplazando a los de colada en caliente?

En estos sistemas, el poliisocianato preferido es el 4,4'-MDI modificado con uretonimina o en forma de prepolímero. Los polioles pueden derivarse de polietéteres moldeados como el PTMEG, o de poliésteres basados en adipato. El extensor de cadena más común es el 1,4-butanodiol, aunque también se emplean glicoles alternativos o diaminas según la aplicación deseada. Esta versatilidad composicional permite diseñar materiales adaptables a requerimientos específicos sin comprometer la eficiencia de procesamiento.

Entre las aplicaciones más extendidas de los elastómeros de colada en frío destacan los parachoques para automóviles y embarcaciones, ruedas, rodillos para monopatines y patines en línea, tamices industriales, elementos amortiguadores de vibración y bordes protectores utilizados en muebles. En el ámbito médico, uno de sus usos más notables es el sellado de filtros de diálisis, donde la resistencia química y la estabilidad dimensional son críticas.

En contraste, los elastómeros de colada en caliente requieren temperaturas entre 60 y 130 °C para su procesamiento, además de un postratamiento térmico para completar el curado y el desarrollo morfológico. Esta metodología permite utilizar polioles altamente viscosos o compuestos sólidos de bajo punto de fusión. No obstante, el grado de entrecruzamiento que se logra en estos sistemas suele ser inferior al de los elastómeros de colada en frío. Los isocianatos más comunes son MDI, TDI y NDI, siendo este último el que proporciona las mejores propiedades mecánicas. Los elastómeros basados en NDI, desarrollados mediante la tecnología de prepolímero completo, pueden adoptar estructuras sólidas o celulares y se caracterizan por su alto rendimiento en condiciones dinámicas severas.

El proceso inicia con la preparación de un prepolímero a partir de NDI (punto de fusión 127 °C) y un poliol de tipo poliéster. Este prepolímero debe utilizarse inmediatamente debido a su limitada estabilidad térmica. La extensión de cadena con glicoles se lleva a cabo a temperaturas por encima de los 100 °C, mientras que los sistemas celulares extendidos con urea requieren aproximadamente 90 °C. Posterior al desmoldeo, el material se somete a un tratamiento térmico para alcanzar las propiedades mecánicas y dinámicas definitivas.

Los elastómeros sólidos basados en NDI cubren una dureza que va de 65 Shore A hasta 60 Shore D, lo que los hace idóneos para ruedas y rodillos sometidos a altas cargas dinámicas. Las versiones microcelulares, con densidades entre 300 y 800 kg/m³, combinan una elevada compresibilidad volumétrica con una expansión transversal mínima, características esenciales en aplicaciones como muelles auxiliares, elementos para el control de vibraciones y ruido (NVH), soportes y topes de grúas.

Durante la inyección, la mezcla reacciona generando dióxido de carbono y calor. El agente físico se evapora, expandiendo la espuma y aumentando la presión dentro del molde. El núcleo del material puede alcanzar los 150 °C, mientras que la superficie permanece cercana a la temperatura del molde (alrededor de 50 °C), lo que permite formar una piel densa. Sistemas impulsados únicamente por agua también permiten obtener pieles adecuadas, dependiendo de la formulación y condiciones de proceso. Aplicaciones típicas incluyen suelas de calzado, volantes, palancas de cambio, reposabrazos y sillines de bicicleta.

Los elastómeros RIM (Reaction Injection Molding) se producen mediante la inyección de mezclas reactivas en moldes cerrados. Estas formulaciones, con densidades superiores a 900 kg/m³, resultan prácticamente compactas. La alta reactividad del sistema y el tamaño de las piezas requieren mezclado a alta presión. El incremento de reactividad se logra utilizando monómeros amínicos: desde el RIM convencional (poliol moldeado/glicol de cadena corta), pasando por el HS-RIM (poliol reactivo/DEDTA), hasta el sistema de poliurea-RIM (amina de poliéter/DETDA). Muchos sistemas RIM se refuerzan con cargas: el R-RIM utiliza fibras minerales cortas o vidrio molido, mientras que el S-RIM se refuerza con mantas de fibra de vidrio, permitiendo fabricar componentes estructuralmente estables para la industria automotriz como paneles, parachoques, cubiertas de rueda de repuesto o suelos de camiones.

Los elastómeros pulverizables o recubrimientos por aspersión constituyen otra aplicación relevante. Estos sistemas, exentos de disolventes, se aplican en grosores de 0,5 a 10 mm utilizando tecnología de prepolímero MDI y máquinas especializadas de alta presión. Predominan los sistemas basados en glicoles y dioles de cadena corta, aplicados como recubrimiento protector en tanques, contenedores y tuberías. Los sistemas de poliurea de curado rápido se destinan a aplicaciones donde el postcurado no es viable, como cubiertas de techo, suelos industriales o contención secundaria de derrames.

Las fibras elastoméricas se producen mediante hilado en seco o en húmedo a partir de soluciones de TPU. En el hilado húmedo, la solución se extruye en un medio no disolvente (agua), mientras que en el hilado en seco, la evaporación del disolvente se logra mediante aire caliente. Estas fibras altamente elásticas pueden combinarse con otras fibras naturales o sintéticas para confeccionar textiles elásticos como calcetines, mangueras, ropa interior y trajes de baño.

El lector debe considerar que, más allá de la tecnología de procesamiento, el rendimiento final del elastómero depende de la formulación específica del sistema, la calidad de los componentes y el riguroso control de parámetros durante el moldeo. La comprensión profunda de las relaciones entre estructura, proceso y propiedades permite desarrollar soluciones elastoméricas a medida que optimizan rendimiento mecánico, durabilidad y adaptabilidad a condiciones extremas.

¿Qué son los prepolímeros de isocianato y cómo se producen y estabilizan?

El diisocianato 1,5-naftaleno (NDI) es un compuesto industrial clave para la fabricación de elastómeros de alta calidad. Su síntesis comienza con naftaleno y se realiza a través de varios pasos, principalmente por la reacción de Bucherer y la amination directa. En la reacción de Bucherer, el naftaleno se transforma inicialmente en ácido naftaleno-1,5-disulfónico (conocido como ácido Armstrong), el cual, tras un tratamiento alcalino, da lugar al diol libre. Posteriormente, este diol se convierte, mediante amoníaco y bisulfito de sodio, en 1,5-diaminonaftaleno, que luego se fosgena para producir NDI. La ruta alternativa a través de la nitración directa del naftaleno genera isómeros de dinitronaftaleno, uno de los cuales se emplea para sintetizar NDI y el otro es precursor de colorantes.

La estabilidad y las propiedades del prepolímero dependen de múltiples factores, entre ellos la polaridad del poliol empleado y la cantidad de isocianato libre. La presencia de isocianato libre modera la viscosidad y el comportamiento reológico del prepolímero, pero también puede favorecer reacciones secundarias que disminuyen la estabilidad durante el almacenamiento. Por ello, es común agregar estabilizadores ácidos, como cloruros de ácido, tras la reacción inicial para minimizar estos efectos. En general, los prepolímeros a base de MDI pueden almacenarse alrededor de seis meses, mientras que los de NDI requieren condiciones especiales y un almacenamiento a temperatura elevada, debido a su tendencia a cristalizar y a su baja estabilidad temporal.

La caracterización cuantitativa de los prepolímeros y los isocianatos se realiza mediante el valor NCO, que indica el porcentaje en peso de grupos isocianato presentes. Este parámetro se determina experimentalmente por titulación y se emplea para calcular la masa equivalente del isocianato, un dato fundamental para ajustar las proporciones estequiométricas en las formulaciones de poliuretano. La funcionalidad del isocianato, que corresponde al número de grupos NCO por molécula, es crucial para determinar la estructura final del polímero. Por ejemplo, el 4,4'-MDI tiene funcionalidad dos y un valor NCO cercano al 33,6 %, mientras que los PMDI presentan una funcionalidad promedio superior, entre 2,3 y 2,9, lo que influye en el grado de reticulación y propiedades mecánicas del producto final.

La comprensión detallada de estos aspectos es vital para el diseño racional de poliuretanos con propiedades específicas. La selección adecuada de diisocianatos, polioles y condiciones de prepolimerización permite controlar desde la viscosidad y la estabilidad del prepolímero hasta la cinética de polimerización y la estructura molecular final del polímero. Más allá de la química pura, la gestión eficiente del proceso implica considerar el equilibrio entre estabilidad durante el almacenamiento y reactividad durante el procesamiento, lo que repercute directamente en la calidad y las aplicaciones finales del material.