Cómo funcionan las espumas de poliuretano: Química, personalización y aplicaciones de uso final
El artículo analiza la química, la personalización y las aplicaciones de uso final de la espuma de poliuretano. La espuma de poliuretano es un material versátil que se utiliza como componente estructural de construcción, pieza moldeada, material de amortiguación flexible y adhesivo/sellador. El artículo describe la química de la espuma y otros aditivos que se pueden usar para personalizar el material para un propósito específico, como el sellado de ductos. La densidad, la velocidad de fraguado, los retardantes de incendio y el tipo de celda son algunas de las propiedades que se pueden ajustar para adaptarse al uso final. El artículo también analiza el empaque y la aplicación, las pruebas físicas y de rendimiento, y la comparación de los selladores en aerosol de una parte con la espuma de poliuretano de dos partes.
Las espumas de poliuretano son materiales versátiles que se utilizan como componentes estructurales de construcción, piezas moldeadas, materiales de amortiguación flexibles y adhesivos/selladores. Son parte de nuestra vida cotidiana. Las espumas de poliuretano representan una amplia clase de materiales que se pueden formular con características específicas para un uso final particular. Cuando están especialmente formuladas, pueden ser selladores extremadamente efectivos. Dichos selladores se usan comúnmente en las áreas de instalaciones eléctricas y de comunicaciones (por ejemplo, como selladores de ductos).
¿Cuál es la química de la espuma de poliuretano?
La espuma de poliuretano se produce mediante una reacción exotérmica entre un isocianato y un compuesto que contiene hidroxilo, típicamente un poliol. La estructura del poliol influye en la cantidad de reticulación y flexibilidad en la espuma o resina acabada. A menudo, hay una reacción secundaria con el agua que genera propiedades adicionales. El agua y el isocianato liberan dióxido de carbono que genera espuma y fragua en una estructura polimérica. El catalizador y el gelificante son modificadores importantes de la reacción. Estos determinan la velocidad de la reacción y también pueden actuar para equilibrar la reacción del agua.
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Otros aditivos utilizados en la espuma de poliuretano
Otros aditivos agregan carácter a la espuma de poliuretano para que la formulación final pueda diseñarse específicamente para el uso final. Estos incluyen:
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- Retardantes de incendio
- Surfactantes, agentes compatibilizantes o promotores de adhesión
- Estabilizadores de espuma o abridores de celdas
- Plastificantes
- Agentes de reticulación y extensores de cadena
- Rellenos
La reacción de la espuma de poliuretano
La espuma de poliuretano es el resultado de una reacción química cuando se mezclan sus dos componentes. Los fundamentos de la reacción son la expansión y la fase de gel. Durante la fase de reacción inicial, una pequeña cantidad de gas CO₂ se libera y queda atrapada en la mezcla líquida. Esto crea pequeñas burbujas. A medida que estas burbujas se multiplican y expanden, la mezcla también se expande o sube. Mientras más espuma haga el líquido en esta fase de reacción inicial, menos denso es el material. Luego, la resina fragua y se endurece alrededor de las burbujas, creando una matriz uniforme de celdas. Esta estructura de celdas es fuerte. Cuando las celdas permanecen cerradas, la estructura es hermética al agua y al aire.
Personalización de espuma de poliuretano para aplicaciones de uso final
Las espumas se pueden personalizar para el uso final y hay miles de iteraciones en el mercado. Al comprender los requisitos de uso final, la química de la espuma se puede ajustar y adaptar para acomodarse al propósito. Las siguientes son solo algunas consideraciones comunes:
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Consideraciones de densidad
Esta característica básica determinará qué tan liviano o pesado será el material. La ventaja de las espumas de baja densidad es que una pequeña cantidad de material inicial llenará un espacio grande. Las espumas ligeras pueden ser rentables. Por otro lado, las espumas densas pueden ser extremadamente fuertes y duraderas.
Flujo y velocidad de fraguado
La velocidad de reacción está controlada por algunas variables. Es posible diseñar una gelificación rápida en la reacción. Esto puede limitar rápidamente el flujo del líquido antes de que comience a fraguar. Debido a que un poco de flujo a veces es útil, también es posible reducir la velocidad de fraguado lo suficiente para permitir que el material líquido se esparza en todos los espacios que deben cubrirse y rellenarse.
Retardantes de incendio
Las espumas de poliuretano se pueden usar para bloquear el flujo de aire y sellar espacios en inmuebles. Además, es posible añadir retardantes de incendio para limitar la propagación del humo y el fuego. Los poliuretanos diseñados con esta característica se autoextinguirán.
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Celda cerrada vs celda abierta
Las burbujas de una espuma se conocen como “celdas”. Una celda completamente intacta se denomina celda cerrada y, por lo tanto, una celda abierta es aquella que tiene una abertura de conexión con otra(s) celda(s). Cuanto mayor sea el contenido de celdas cerradas, más hermética al agua y al aire será la espuma (normalmente preferida para los selladores). En algunos casos, se prefiere abrir las celdas para permitir que el aire y el agua fluyan a través de la espuma. Esto también puede darle al material algo de elasticidad. Esto también puede permitir que el agua se drene a través de ella (p. ej., un estropajo esponjoso para lavar platos). Para aplicaciones que requieran hermeticidad al aire o al agua, una espuma de celda cerrada es imprescindible.
Empaque y aplicación de la espuma de poliuretano
Los componentes de la espuma de poliuretano deben estar bien mezclados para iniciar la reacción. Esto se puede hacer mecánicamente con una mezcladora. Para los productos utilizados en el sitio, las espumas de poliuretano están disponibles en empaques convenientes, como bolsas de mezcla tipo «bolsa de sello frágil» una al lado de la otra. También se pueden dispensar de cartuchos a través de un mezclador estático. En este empaque, las dos partes deben estar balanceadas volumétricamente y deben combinarse fácilmente para asegurar una mezcla adecuada. El desarrollo de esta solución de empaque total se realiza a través de la formulación y el diseño del mezclador. La viscosidad de los componentes que no han reaccionado influye en la facilidad del dispensado, así como en cuánto se mezclan las dos a través del mezclador estático.
Pruebas físicas de la espuma de poliuretano
Las espumas de poliuretano se pueden formular para tener una excelente adherencia a diferentes superficies. Pueden ser muy fuertes y rígidas, o blandas y flexibles. El poliuretano se puede probar en cuanto a densidad, absorción de humedad, fuerza compresiva, y fuerza de tensión.
Pruebas de rendimiento de la espuma de poliuretano
La prueba específica para el uso final es clave para garantizar un rendimiento adecuado. Esto puede incluir pruebas hidrostáticas, pruebas de flujo de aire, fuego y resistencia química. También es importante probar la compatibilidad con cualquier componente con el que la espuma permanezca en contacto, como las chaquetas de cable.
Espumas de un componente: una comparación.
Los selladores de aerosol de una parte para “brechas y grietas” son muy comunes en las tiendas de bricolaje y ferreterías. Estas espumas de una parte son muy diferentes de los sistemas de dos partes de isocianato/poliol analizados anteriormente. Las espumas de una parte dependen del propulsor de aerosol para prácticamente toda su expansión. Después de esta expansión, estas espumas dependen de la humedad ambiental disponible para fraguar la resina y crear resistencia. La resistencia general de estas espumas de una parte es a menudo muy inferior a la de las espumas de dos partes de isocianato/poliol. Algunas características comunes incluyen:
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- Espuma ligera de baja densidad
- Profundidad de fraguado limitada de 7 a 9 cm (3 a 4 pulgadas)
- Ciclo de fraguado largo
- Mayor contenido de celdas abiertas
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¿Qué hace que una espuma de poliuretano sea buena?
Debido a que es posible un número infinito de formulaciones, las espumas de poliuretano se pueden adaptar para que se ajusten al propósito de aplicaciones muy específicas. Las variaciones pueden abordar la velocidad de fraguado, la dinámica de flujo, la temperatura de reacción, la compatibilidad de los componentes, la densidad final, la estructura de las celdas, la resistencia al fuego, la elasticidad, la fuerza de tensión y muchas otras características deseadas. Las espumas de celda abierta de una parte disponibles en las tiendas de bricolaje están diseñadas como opciones económicas para la gama más amplia posible de usos finales. Sin embargo, esto también tiende a hacerlas menos que ideales para una aplicación dada. ¿Por qué comprar “lo suficiente” cuando “lo excelente” está disponible? Para el sellado de infraestructura crítica, como cables eléctricos o de comunicaciones costosos en conductos, donde se requiere una protección resistente e impermeable, una «buena espuma» se define mejor como una mezcla de celdas cerradas de dos partes diseñada y probada específicamente para ese entorno. Cualquier supuesto ahorro que se logre mediante el uso de espumas baratas de una parte y de celda abierta, se desvanece rápidamente cuando el costo de los sellos defectuosos y el daño resultante se incluyen en la ecuación. Por lo tanto, lo lógico es buscar fabricantes de espumas capaces de producir formulaciones específicas para un rendimiento óptimo.