UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFacultad de Ingeniería Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Procesos INFORME PRÁCTICA 7: ESPUMA DE POLIURETANO Silvia Fernanda Barragán Mantilla, Lizeth Ofelia Ballesteros Galvis COD.2053440, COD. 2053003 RESUMEN Las espumas de poliuretano son materiales ampliamente utilizados en la industria como aislantes térmicos, acústicos, en marroquinería, en la industria de construcción, entre otros. Son fabricados a partir de una reacción de polimerización de alcoholes e isocianatos. En el laboratorio se produjeron estas espumas y se evaluaron sus principales características como dureza, densidad, tiempos y determinación de compuestos presentes en ella por medio de espectroscopia infrarroja. El poliuretano (PU) es el nombre genérico de los materiales fabricados mediante una polimerización de uretano. Este polímero se obtiene mediante una reacción de condensación de polioles (provenientes de azucares) combinados con polisocianatos (derivados del petróleo). Dependiendo de las diferentes tipos de isocianatos y polioles el resultado puede ser poliuretano líquido, en espuma, o estado sólido, cada uno con sus ventajas y limitaciones. Los poliuretanos componen la única familia más versátil de los polímeros que existe. Los poliuretanos se dividen en dos grandes grupos: Termoestables: tales como espumas (como aislantes térmicos y resilientes). Termoplásticos: como elastómeros adhesivos, selladores, pinturas, fibras (ejemplo spandex), preservativos y componentes para la industria automotriz, de construcción y de muebles, entre otras. Debido a la reacción de condensación se generan gases que son los que forman las burbujas y dan como resultado la espuma. Las espumas de poliuretano se clasifican en: Espumas rígidas (PUR): las celdas del entramado del polímero no son muy abiertas. Presenta mayor densidad que las PUFF. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingeniería Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Procesos Primordialmente se obtienen a partir de MDI y de mezclas de poliisocianatos aromáticos. Espumas flexibles (PUFF o FOAM): Las celdas son abiertas y presentan baja densidad. Generalmente se emplea una mezcla de isómeros 2,4 y 2,6 de TDI (80% y 20% respectivamente). Las espumas de poliuretano se pueden clasificar según su densidad: Espumas de alta densidad Espumas de baja densidad Las espumas de poliuretano de acuerdo a su fabricación se clasifican en: Espumas en frío: espumas que liberan baja cantidad de calor durante la reacción. Utilizada para crear piezas a partir de moldes. Suelen ser de mayor calidad y duración que las espumas en caliente, a pesar que su costo sea mucho mayor. Espumas en caliente: espumas que liberan calor durante la reacción. Se fabrican en un proceso continuo, mediante un dispositivo llamado espumadora. Estas piezas se fabrican de gran tamaño, que posteriormente se cortan de acuerdo a su uso. Generalmente son las más baratas, las más utilizadas y conocidas. Las espumas de poliuretano se pueden obtener de dos maneras: proyectando al mismo tiempo los dos componentes en una superficie; y por colada (mezcla de ambos materiales). Propiedades Las espumas de poliuretano resulta ser un material sintético y duroplástico, altamente reticulado (formación de celdas), con una estructura uniforme y resistente. Térmica: presentan gran capacidad como aislantes debido a la baja conductividad térmica que posee el gas espumante de las células. Las PUR son materiales aislantes más eficientes que las PUFF. Humedad: presenta alto grado de impermeabilidad, manteniendo su estabilidad física y química. La humedad en las espumas está en función de la densidad, presenta ausencia de condensaciones intersticiales, haciendo posible la transpiración del cerramiento, lo cual es un efecto beneficio para prevenir toda clase de patologías y mantener durante un mayor tiempo la estructura. Adherencia: es auto adherente a casi todos los materiales. Inflamabilidad: las espumas PU son materiales orgánicos, y por tanto combustible, estudios han demostrado su buen comportamiento al fuego en aplicación final de uso. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingeniería Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Procesos Medioambientales: al ser un aislante térmico y ciclo de vida de 50 años, disminuyendo el consumo de energía en edificaciones, y por tanto el efecto invernadero. Acústica: al ser de baja densidad, celdas cerradas (>90%) y fácil aplicación comparado con los materiales de su clase, y combinado con otros materiales, resulta ser efectivo para disminuir la transmisión de sonidos y para amortiguar vibraciones y eliminar resonancias. Reacción química La obtención de los poliuretanos se basa en la gran reactividad del enlace doble del grupo isocianato que adiciona fácilmente compuestos con hidrógenos activos en reacciones de condensación (reacción exotérmica, hasta 100°C), donde se forma el grupo uretano: Las reacciones de condensación en general producen H2O, CO2 ó R-OH. Isocianato Es un grupo funcional de los átomos – N=C=O. Los isocianatos más utilizados en la industria son los diisocianatos, tales como: toluen diisocianato (TDI), difenilmetano diisocianato (MDI), hexametilen diisocianto (HDI), naftalen diisocianato (NDI) y isoforona diisocianato (IPDI). Poliol Los polioles (polialcoholes) son alcoholes polihídricos con varios grupos hidroxilo (más de dos), de formula química CnH2n+2On. Los polioles se clasifican en alditoles o polioles alifáticos (de cadena lineal de átomos de carbono) e inositoles o ciclitoles (cadena cíclica de átomos de carbono). Ejemplo: glucitol, galactitol y manitol. La funcionalidad de un poliol lo da el número de grupos hidroxilo. Al poliol se le agregan los componentes adicionales. Componentes adicionales Agente espumante: el CO2 formado en la reacción química actúa como espumante, es un proceso de expansión química. En la industria se utiliza un espumante físico, el cual es un líquido de punto de ebullición bajo que se evapora con el calor liberado por la reacción de polimerización. Actualmente, en vez del CFC 11 (monofluortriclorometano), debido a que favorecía el efecto invernadero, se utilizan ahora hidrocarburos tales como pentanos, H-CFC y H-CF. Catalizadores: para aumentar la velocidad de reacción se utilizan aminas terciarias (trietilamina), compuestos de estaño (dilaurato UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingeniería Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Procesos de dibutil estaño) o sales alcalinas de ácidos carboxílicos alifáticos (acetato potásico). Estabilizadores de espuma: para que no se derrumbe la espuma formada a medida que avanza la reacción se utilizan compuestos orgánicos de silicio. Los estabilizadores actúan como agentes tensoactivos (emulsionantes) y regulan la estructura, el carácter abierto o cerrado de las celdillas y su tamaño. Cálculo de la formulación El índice permite saber si se cumple la condición de que por cada grupo OH-, hay un grupo OCN-: = moles de NCO, = índice de OH-, dato experimental. Conocido el índice con que se desea trabajar y el índice de OH- se puede conocer la cantidad de NCO. Para PUR se trabaja normalmente con índices comprendidos entre 105 y 125. Las PIR-PUR (macromoléculas presenta estructuras de uretano e isocianurato a la vez) índices entre 180 y 350. PUFF índices menores a 100. Espectroscopia IR La espectrometría de infrarrojos es un tipo de espectrometría de absorción que utiliza la región infrarroja del espectro electromagnético y es utilizada para identificar un compuesto o investigar la composición de una muestra determinada. Esta, se basa en los enlaces químicos de las sustancias existentes en la muestra, las cuales tienen frecuencias de vibraciones específicas y corresponden a los niveles de energía de la molécula. Las frecuencias dependen de la forma de la superficie de energía potencial, la geometría molecular, las masas atómicas y el acoplamiento vibracional. Diagrama de flujo UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingeniería Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Procesos Materiales y equipos PROCEDIMIENTO Los reactores a utilizar fueron respectivamente lavados y adecuados para la reacción. Se realizaron los respectivos cálculos para determinar la cantidad de reactivos que se iban a adicionar; a continuación se muestras las cantidades adicionadas a cada uno de los 3 reactores. A (Poliol), B (Isocianato) Se midió la cantidad de los reactivos utilizados (poliol e isocianato). En los reactores se adicionó y pesó el isocianato y en el vaso precipitado el poliol. Poliol Isocianato Para comenzar la reacción se adiciona el poliol al reactor (contiene el isocianato) con una agitación continua. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingeniería Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Procesos CARACTERIZACIÓN Dos días después se realizaron los cálculos de volumen y masa, esto con el fin de establecer la densidad de las espumas; además se hizo la medición de la dureza para evaluar la resistencia de las espumas de poliuretano a ser rayadas. Las espumas fueron extraídas de los reactores para el posterior recorte de figuras geométricas, a las cuales se les halló el volumen y midió su masa. Con la ayuda de un Durómetro Shore Tipo A se midió la dureza. Espectroscopia Infrarrojo Para la caracterización de las muestras de las espumas obtenidas en el procedimiento anterior, es necesario seleccionar solo dos de ellas, debido a que en esta parte los reactivos son costosos y el proceso es de cuidado por la delicadeza de los equipos. Primero se raspa un poco la superficie de la espuma seleccionada con una pinza y se deja caer en un mortero de material ágata. Seguido, se fricciona la muestra con el fin de reducir el tamaño de partícula de la misma. Finalmente, se segmenta la muestra y se escoge una pequeña porción de esta. Para la preparación de la muestra para el infrarrojo, por ser solida es necesario mezclar dicha muestra con una sal altamente purificada, en este caso bromuro de potasio (KBr) quien también es por lo general una de las sale más comunes para este procedimiento. Seguido, la muestra se tritura y homogeniza, se transporta hacia un porta en donde por medio de una prensa, conocida como pastillero se ejerce la presión suficiente para formar una pastilla por la que pueda pasar la luz. Para lograr que esta pastilla sea traslúcida se debe usar el equipo adecuado pues se requieren altas presiones para ello, afortunadamente para este caso la presión que permite UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingeniería Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Procesos el pastillero es suficiente para lograr este fin. Finalmente se dispone la muestra (analito) en el porta respectivo para posteriormente introducirlo en el equipo infrarrojo. Luego, al analizar la muestra en el equipo se obtienen los datos y se registran comparándolos entre si y entre el análisis de una muestra de fabricante. ANÁLISIS DE RESULTADOS. Reacción química Los polioles que se utilizan para la producción de espumas de poliuretano son una mezcla de polioles y componentes adicionales mencionados anteriormente. En el caso del poliisocianato suele estar libre de agua debido a la reacción de condensación que se puede generar, dependiendo al tipo de espuma que se desee producir. Aquí que uno de los compuestos de la mezcla de polioles es el etilenglicol, y el diisocianato es MDI. La reacción de polimerización es la siguiente: MDI Etilenglicol Poliuretano De acuerdo a los alcoholes presentes en la mezcla se forman diferentes moléculas con enlaces uretano. Al igual ocurren reacciones de condensación las cuales generan gases hinchantes (CO2). Esta reacción ocurre entre un diisocianato y agua, formando poliurea y dióxido de carbono, como se muestra a continuación: Las poliureas le otorgan a las espumas propiedades mecánicas a diferencia de los poliuretanos que conceden las propiedades químicas. Se pueden presentar híbridos, es UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingeniería Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Procesos decir, enlaces uretano y urea en una misma cadena polimérica. Densidad de las Espumas A continuación se muestra los cálculos de densidad de las espumas obtenidas en cada uno de los reactores. La espuma del reactor II es la que presenta mayor densidad y es la que está hecha con exceso de poliol y tienen una densidad de 0,077 g/ml; mientras que las espumas con exceso de isocianato (reactores III) presenta una densidad menor, por lo que se establece que el reactivo que permite obtener espumas de mayor densidad es el poliol. DUREZA La tabla anterior hace referencia a los valores de dureza medidos en cada una de las espumas con un durómetro Shore tipo A, el cual es el recomendado para este tipo de material blando. Los valores están en un intervalo de 10 y 20 % de dureza, por lo cual se dice que es un material con dureza baja. De las espumas producidas, la del reactor II es la que presenta menor porcentaje de dureza; mientras que la de mayor porcentaje de dureza es la espuma del reactor 3. Espectroscopia Infrarroja En la figura del anexo A se puede apreciar el espectro de la espuma de poliuretano perteneciente al reactor II, es decir con exceso de poliol; allí se puede establecer los grupos funcionales que caracterizan la muestra. La presencia del enlace NH es la que indica principalmente la presencia de uretanos y está en un intervalo de 3300 a 3500 cm-1 [1]. La espectroscopia infrarroja además UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingeniería Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Procesos detecta la presencia del grupo OH, característico de los alcoholes, lo que se puede explicar por el exceso presente de poliol; además se puede concluir que la reacción no fue completa ya que también se encontraron trazas de isocianato (- NCO), que se ubican en un intervalo de 2100 a 2300 cm-1 En la gráfica del anexo B se aprecia un paralelo de la espuma producida en el laboratorio con una espuma de poliuretano comercial; se puede observar que se ajustan los picos en los dos espectros. CONCLUSIONES Las cantidades adecuadas y el tipo de polioles e isocianatos, junto con los aditivos utilizados, permiten la obtención de espumas de poliuretano con características específicas que se requieran para una determinada aplicación. Las espumas de poliuretano logradas en el laboratorio presentaron propiedades similares de dureza, flexibilidad y densidad. Las espumas que contienen mayor cantidad de isocianato presentan una mayor dureza comparadas con las que tienen exceso de poliol; y por lo contrario poseen una flexibilidad menor. En cuanto a la densidad de la espuma se establece que las espumas rígidas presenta menor densidad que las espumas flexibles. RECOMENDACIONES Con el fin de obtener espumas de buenas propiedades mecánicas se debe tener en cuenta las condiciones óptimas de la reacción, principalmente la temperatura que presentan los reactivos y a la que se va a llevar la reacción. Para la manipulación de las muestras se hace necesario el uso de guantes de látex para evitar el contacto directo con ella y por ende su contaminación. Una muestra contaminada puede afectar la caracterización de la muestra. BIBLIOGRAFÍA [1] Longitud de onda Poliuretano http://www.ehu.es/reviberpol/pdf/MAR 07/vega.pdf [2] Interpretación espectro infrarrojo 132.248.103.112/orgánica/teoria1411/ 12.ppt. [3]POLIOL http://www.elergonomista.com/rhpoli. htmhttp://www.quimica.es/enciclopedi a/es/Poliol/ [4] ISOCIANATO http://www.textoscientificos.com/quimi ca/isocianatos. http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/ es/Isocyanate. http://enciclopediaespana.com/Isocia nato_met%C3%ADlico.html UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Facultad de Ingeniería Fisicoquímicas Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Procesos ANEXO A. Caracterización Infrarroja para el reactor II (Exceso Poliol) ANEXO B. Comparación con Espuma Comercial