Estructura molecular y síntesis de estabilizadores de espuma.

Los estabilizadores de espuma utilizados para espumas de poliuretano se pueden clasificar en dos tipos principales: no iónicos e iónicos, así como en compuestos a base de silicona y sin silicona. En los primeros plásticos de espuma, especialmente para las espumas blandas de poliuretano a base de poliéster, se usaban comúnmente tensioactivos iónicos y no iónicos sin silicona. Estos incluyen alquidos de aceite de ricino sulfonados, alquilsulfonatos y ésteres de ácidos grasos de polietilenglicol (por ejemplo, monooleato de polietilenglicol sorbitán, también conocido como Tween-80).  

La estructura de los estabilizadores de espuma a base de silicona varía ampliamente, dependiendo de su aplicación en diferentes sistemas para espumas blandas, espumas rígidas y espumas de alta resiliencia (HR). Normalmente, incluyen unidades repetidas de dimetilsiloxano, unidades de óxido de etileno (EO) y unidades de óxido de propileno (PO). El enlace entre los componentes de siloxano y óxido de polialquileno puede adoptar diversas formas, tales como estructuras de bloques lineales de tipo AB, estructuras de bloques lineales de tipo ABA y estructuras de una o varias ramas. Los copolímeros aleatorios de óxido de etileno y óxido de propileno también difieren en composición y peso molecular.  

La composición química de los copolímeros de óxido de etileno y óxido de propileno y su conexión a cadenas de organosilicio influyen en el rendimiento y la estabilidad de la superficie del estabilizador. Durante la polimerización de óxidos de alquileno, se pueden utilizar alcoholes monohídricos de bajo peso molecular como iniciadores, lo que permite un control preciso del peso molecular. Diferentes métodos de acoplamiento con polisiloxano producen una variedad de estabilizadores de espuma.  

En el proceso de formación de espuma, la precipitación de poliurea insoluble altera la estabilidad de la espuma. Una función crítica de los tensioactivos de poliéter-siloxano es dispersar la poliurea para mejorar su compatibilidad con la matriz de espuma. Esta función se consigue mediante los segmentos de poliéter. El aumento del contenido de óxido de etileno en la cadena de poliéter mejora la solubilidad de la poliurea dentro de la mezcla de espuma.  

Según la naturaleza química del enlace entre los segmentos de polisiloxano y óxido de polialquileno, los tensioactivos de silicona se pueden clasificar en tipos Si-O-C (silicio-oxígeno-carbono) y Si-C (silicio-carbono).  

- Enlaces Si-C: Son hidrolíticamente estables, lo que permite un almacenamiento a largo plazo sin degradación.  

- Enlaces Si-O-C: estos fueron los primeros estabilizadores de espuma de silicona desarrollados y ofrecían ventajas como materias primas fácilmente disponibles, procesos de fabricación maduros y una estabilización eficaz de la espuma. Sin embargo, los enlaces Si-O-C son propensos a la hidrólisis en condiciones ácidas o básicas fuertes. Los estabilizadores con enlaces Si-O-C no son adecuados para formulaciones premezcladas con catalizadores de amina terciaria y agua, ya que la hidrólisis compromete su función estabilizadora.  

Los cambios en las estructuras de los enlaces Si-O-C debidos a la hidrólisis, aunque son difíciles de detectar mediante métodos físico-químicos convencionales, impactan significativamente el rendimiento del estabilizador. La hidrólisis da como resultado la separación de siloxano y poliéter, lo que lleva a la incompatibilidad del sistema y, en casos graves, a la separación de fases. En consecuencia, los estabilizadores del tipo Si-C se utilizan predominantemente para espumas rígidas, espumas semirrígidas y espumas HR. Para las espumas blandas en bloque donde los componentes generalmente se agregan por separado, la estructura de Si-C es menos crítica, pero la mayoría de los estabilizadores de silicona actuales están basados ​​en Si-C.  

Síntesis de tensioactivos de silicona Si-O-C

Para sintetizar tensioactivos de tipo Si-O-C, primero se preparan oligómeros de óxido de polialquileno y oligómeros de polisiloxano, seguido de la reacción de sus grupos activos. El control de parámetros como la relación EO a PO, el valor de hidroxilo y el peso molecular es esencial para adaptar la hidrofilicidad y reactividad de los intermedios.  

Especialización y Optimización de Estabilizadores de Espuma  

Con la creciente variedad de espumas plásticas y los avances en los equipos de espuma, los estabilizadores de espuma son cada vez más especializados, refinados y diversificados. Generalmente son adecuados tanto los estabilizadores de poliéter-siloxano lineales como los ramificados, aunque las estructuras ramificadas ofrecen una estabilidad superior. Los estabilizadores comerciales a menudo consisten en múltiples tipos de copolímeros de organosilicio-poliéter con diversas estructuras y composiciones moleculares, lo que mejora la adaptabilidad de la formulación y la estabilización de la espuma.  

Factores que afectan el rendimiento  

- La alteración de la relación y secuencia EO/PO afecta la solubilidad del tensioactivo y la hidrofilicidad en los polioles.  

- El aumento del peso molecular y del contenido de EO en las cadenas de poliéter mejora la actividad superficial.  

- Las cadenas de dimetilsiloxano combinadas con cadenas colgantes de poliéter maximizan la actividad superficial, comúnmente utilizadas en espumas rígidas de poliuretano.  

- Las formulaciones de espuma blanda utilizan copolímeros de poliéter de múltiples colgantes para garantizar la estabilidad de la espuma.  

Mejoras en el retardo de llama

La modificación de la estructura del polisiloxano en los estabilizadores puede mejorar el retardo de llama. Por ejemplo, los grupos polares como el cianuro de alilo en la cadena de siloxano mejoran la solubilidad del polimetilsiloxano durante la combustión, lo que reduce los efectos adversos sobre el comportamiento del flujo fundido y reduce la inflamabilidad.