Aplicación de agentes reguladores de células en la fabricación de espuma de poliuretano

El proceso de preparación de espuma de poliuretano implica reacciones químicas complejas. Bajo la influencia de los catalizadores, la velocidad de reacción entre materias primas líquidas es rápida, lo que conduce a un rápido crecimiento de las cadenas moleculares de polímeros, un rápido aumento de la viscosidad y una rápida transición a un estado sólido. Simultáneamente, la reacción genera una cantidad significativa de dióxido de carbono y/o agentes de soplado físicos de bajo punto de ebullición que se vaporizan debido al calor de la reacción, provocando una rápida expansión de los materiales reactivos. El proceso de gelificación y solidificación del material, junto con la generación y dispersión de burbujas dentro del material viscoso, deben equilibrarse para producir estructuras de espuma uniformes.

Papel de los estabilizadores de espuma (agentes reguladores celulares)

Los estabilizadores de espuma, también conocidos como agentes reguladores de células, desempeñan un papel fundamental en la estabilización de la espuma debido a sus propiedades superficiales únicas, como la tensión superficial y la orientación interfacial. Su estructura molecular combina componentes hidrófilos e hidrófobos, lo que permite la orientación interfacial y la emulsificación de materiales con propiedades hidrófilas e hidrófobas muy diferentes en un sistema uniforme.

En los primeros métodos de producción de espuma en dos pasos, se utilizaba polidimetilsiloxano (aceite de dimetilsilicona) como estabilizador. La baja polaridad y la fuerte naturaleza hidrofóbica de los grupos metilo en sus cadenas laterales dan como resultado una baja atracción intermolecular, a menudo más débil que las fuerzas cohesivas e intercomponentes dentro del sistema. Cuando se alinean en la superficie del sistema, estas moléculas reducen la tensión superficial.

Al combinar dimetilsiloxano hidrófobo con éter de óxido de polietileno o éter de óxido de polipropileno hidrófilo, los copolímeros resultantes exhiben una excelente actividad superficial, lo que permite una mezcla homogénea de componentes de alta y baja polaridad. Estas mezclas emulsionadas reaccionan completamente, estabilizando el poliuretano y la poliurea generados y asegurando una dispersión uniforme del gas. En consecuencia, los copolímeros de silicona y poliéter se han convertido en estabilizadores de espuma estándar para espuma de poliuretano.

Mecanismo de estabilización de la espuma.

El proceso de generación de espuma aumenta la energía libre del sistema. Una tensión superficial más baja reduce la energía libre necesaria para la dispersión del gas, mejorando la estabilidad de la espuma. Los tensioactivos reducen eficazmente la tensión superficial, ayudando a la formación de burbujas finas y uniformes. La tensión superficial reducida también minimiza las diferencias de fuerza entre burbujas adyacentes. La tensión dinámica en la interfaz forma una monocapa de surfactante con mayor viscosidad que la fase masiva, lo que aumenta la elasticidad de la superficie de la burbuja y evita la coalescencia, lo que da como resultado una espuma uniforme y densa.

Influencia del copoliéter como tensioactivo

Los propios copoliéteres son tensioactivos. La proporción de óxido de etileno a óxido de propileno en su estructura molecular influye significativamente en el rendimiento del estabilizador. Los poliéteres puros basados ​​en óxido de etileno carecen de propiedades estabilizadoras de espuma efectivas. Mientras que los segmentos de óxido de polietileno proporcionan hidrofilia y capacidad de formación de espuma, los segmentos de óxido de polipropileno ofrecen hidrofobicidad y permeabilidad, lo que reduce eficazmente la tensión superficial. Al ajustar las proporciones de óxido de etileno, óxido de propileno y siloxano se obtienen estabilizadores adaptados a diversas espumas de poliuretano.

Aplicaciones en diferentes tipos de espuma

Espuma de poliuretano suave

La estabilización de la espuma blanda ha sido el foco principal de las primeras investigaciones. En estas formulaciones, los componentes tienen una compatibilidad limitada y los grupos reactivos son relativamente escasos. El aumento más lento de la viscosidad en los sistemas de espuma rígida y de alta resiliencia requiere una alta tasa de celda abierta, lo que hace que los estabilizadores sean esenciales.

En los sistemas de espuma blanda soplados con agua, el agua constituye entre el 3% y el 5% del peso del poliéter. La reacción entre agua e isocianato es más rápida que entre isocianato y poliol, lo que da como resultado la formación de poliurea. La poliurea, al ser altamente polar y propensa a la agregación, sirve como antiespumante que ayuda en la apertura celular. El momento adecuado para la apertura y el estallido de las celdas es crucial para mantener la integridad de la espuma.

Espuma de alta resiliencia

Los sistemas de alta resiliencia, que utilizan poliéteres de alta actividad, dependen menos de los estabilizadores. Normalmente se emplean tensioactivos de baja actividad, y se requieren agentes reguladores celulares especializados para las formulaciones que utilizan polioles poliméricos.

Espuma de poliuretano rígida

Las espumas rígidas, caracterizadas por una alta reticulación debido a polioles de poliéter de alta funcionalidad y bajo peso molecular, estabilizan naturalmente las burbujas. Sin embargo, la fluidez limitada de las formulaciones de espuma rígida requiere estabilizadores con fuerte capacidad de emulsificación, control del tamaño de las burbujas y mejora de la fluidez. La estabilidad durante el almacenamiento también es crítica para los materiales combinados, favoreciendo los estabilizadores de silicio-carbono resistentes a la hidrólisis.

Evaluación del desempeño de estabilizadores

El desempeño de los agentes reguladores celulares generalmente se evalúa según el nivel de actividad y la tolerancia al proceso. La tolerancia del proceso se refiere a la capacidad de una formulación o proceso para adaptarse a variaciones sin afectar las propiedades de la espuma. La dosis de estabilizador, generalmente entre el 0,5% y el 2% de la formulación, debe optimizarse mediante pruebas.

Agentes auxiliares para estructuras de celda abierta

Los agentes abridores de espuma, otra clase de aditivos, regulan las estructuras celulares pero normalmente complementan a los estabilizadores. En algunas formulaciones de espuma blanda, agentes abridores de espuma adicionales mejoran las tasas de células abiertas cuando los estabilizadores existentes son insuficientes. Estos agentes, junto con materiales de poliol especializados, pueden crear espuma de poliuretano rígida con más del 95% de estructuras de células abiertas.

La investigación sobre estabilizadores continúa a nivel mundial, y periódicamente se introducen nuevas variedades para mejorar el rendimiento de la espuma y los procesos de fabricación.