Influencia de varios grupos del poliuretano en las propiedades de la espuma

Estudios anteriores han indicado que el poliuretano es un polímero compuesto por varios grupos funcionales. El efecto de estos grupos sobre las fuerzas intermoleculares dentro del polímero se puede expresar a través de la energía cohesiva de diferentes grupos en moléculas pequeñas. Los valores más altos corresponden a fuerzas de atracción más fuertes.

Como se ve en la Tabla 1, la energía de cohesión de los hidrocarburos alifáticos y los grupos éter es la más baja, mientras que la de los grupos uretano y amida es mayor. Aunque los grupos de urea no figuran en la tabla, su energía de cohesión supera a la de los grupos de uretano. Por ejemplo, la energía cohesiva de diferentes grupos en fibras sintéticas se puede inferir a partir de los puntos de fusión de las fibras (Figura 2). Generalmente, una mayor energía de cohesión se correlaciona con puntos de fusión más altos y una mayor cristalinidad. Los datos de la Figura 2 muestran que las fibras agrupadas tienen los puntos de fusión más altos, lo que indica que los grupos de urea tienen una energía cohesiva intramolecular más alta en comparación con los grupos uretano y amida.

Tabla 1: Energía cohesiva de varios grupos orgánicos

La importante energía de cohesión de estos grupos se debe principalmente al efecto de los enlaces de hidrógeno.

A partir de los sistemas de fibras de poliuretano, poliamida y poliurea de la Figura 2, es evidente que los puntos de fusión disminuyen con la reducción del contenido de grupos altamente polares. Sin embargo, los poliésteres son diferentes; el contenido del grupo éster tiene un impacto menor en el punto de fusión. Esta característica se debe principalmente a la presencia de enlaces C-O-C en los grupos éster, que son relativamente flexibles, contrarrestando la energía cohesiva moderada de los grupos éster. En consecuencia, el poliuretano tiene un punto de fusión más bajo que la poliamida en estructuras equivalentes debido a la flexibilidad de los enlaces C-O-C.

Figura 2: Tendencias del punto de fusión de varios polímeros

Aunque la concentración de grupos éster tiene un impacto relativamente menor en el punto de fusión de los poliésteres, se observan resultados diferentes en poliuretano o poliurea de tipo poliéster. En estos polímeros mixtos, la presencia de fuertes grupos donantes de hidrógeno conduce a enlaces de hidrógeno más extensos que en el poliéster puro. El aumento de la concentración de grupos éster en el poliuretano tipo poliéster mejora la resistencia del polímero.

La flexibilidad del enlace C-O-C también es evidente en el punto de fusión del óxido de polietileno (polietilenglicol). A pesar de que su energía cohesiva (1,00) es mayor que la del metileno (0,68), el punto de fusión del poliéter es sólo 55-70°C, mientras que el polietileno puede alcanzar 110°C o superior. Esta diferencia en la flexibilidad de la cadena se debe principalmente a la menor barrera rotacional del enlace C-O-C en comparación con el enlace C-C. Por ejemplo, la energía de rotación del enlace C-C en el etano es 12,6 kJ/mol, debido principalmente a la repulsión entre átomos de hidrógeno en grupos metilo adyacentes. Cuando estos grupos metilo están separados por un enlace éter-oxígeno, la distancia entre los átomos de hidrógeno aumenta, facilitando la rotación de la cadena.

Tabla 3: Impacto de varios grupos de éter en los puntos de fusión

La presencia de anillos aromáticos, a diferencia de los grupos éter, afecta significativamente la rigidez de las cadenas poliméricas, lo que resulta en puntos de fusión más altos, mayor dureza y estabilidad dimensional.

Aunque los datos anteriores se derivan de poliuretanos lineales no espumados, se observan tendencias similares en materiales de espuma. Por ejemplo, las espumas rígidas de poliuretano fabricadas a partir de poliéterpolioles aromáticos o poliisocianatos aromáticos presentan generalmente una mayor resistencia a la temperatura y estabilidad dimensional. Además, las temperaturas de reblandecimiento de las espumas de poliuretano hechas de poliéteres trifuncionales iniciados por trimetilolpropano (tipo alifático-3), poliéteres hexafuncionales iniciados por sorbitol (tipo alifático-6) y poliéteres trifuncionales que contienen anillos de benceno (tipo aromático-3) con IDI y MDI diferir de. Para los poliéteres con el mismo equivalente de hidroxilo y funcionalidad, las espumas hechas de poliéteres aromáticos tienen puntos de reblandecimiento más altos que las hechas de poliéteres alifáticos. Además, las espumas hechas de MDI tienen temperaturas de ablandamiento más altas que las hechas de TDI, principalmente debido a la mayor densidad de los anillos de benceno en las espumas hechas de MDI.

Las espumas hechas de poliéteres heterocíclicos tales como metilglucósido-oxirano poliéter poliol exhiben puntos de reblandecimiento significativamente más altos que aquellas hechas de la misma funcionalidad tetrol, tales como pentaeritritol poliéter poliol, bajo el mismo índice de isocianato. Esto también indica que la rigidez de los grupos heterocíclicos es mucho mayor que la de los grupos hidrocarbonados alifáticos.