Aditivos de poliuretano - Catalizadores

En el sistema de espuma de poliuretano se producen múltiples reacciones químicas, que pueden ocurrir de forma simultánea o secuencial, lo que hace que el proceso sea muy complejo. Estas reacciones incluyen la reacción entre isocianatos y polioles, agua y otras sustancias que contienen hidrógeno activo, así como la autopolimerización de isocianatos (que se observa comúnmente en la producción de espuma rígida PIR).

Los compuestos de isocianato orgánicos contienen grupos isocianato altamente insaturados (-N=C=O), lo que los hace químicamente altamente reactivos. Los átomos de oxígeno y nitrógeno de estos grupos tienen una alta densidad de nube de electrones, siendo el oxígeno el más electronegativo y actuando como un centro nucleofílico que atrae el hidrógeno para formar grupos hidroxilo. Por el contrario, el átomo de carbono tiene la densidad de nube de electrones más baja, lo que lo hace fuertemente electropositivo y susceptible al ataque nucleofílico. El mecanismo catalítico de los catalizadores en la reacción entre isocianatos y compuestos de hidrógeno activo es complejo. Para los catalizadores de amina terciaria, el mecanismo implica el ataque nucleofílico de compuestos básicos de amina terciaria sobre el ion carbono cargado positivamente (C⁺), formando un compuesto intermedio activo. Este intermedio reacciona fácilmente con compuestos de hidrógeno activos, liberando el catalizador básico, que luego interactúa con otra molécula de isocianato para formar un nuevo intermedio.

En la producción de espuma, las reacciones primarias se producen entre isocianatos y polioles, e isocianatos y agua. Estas reacciones liberan una cantidad significativa de calor, lo que eleva la temperatura del sistema y promueve el curado de la espuma. Entre ellas, la reacción entre isocianatos y polioles, también conocida como reacción de gelificación o reacción de extensión de cadena, aumenta significativamente la viscosidad del material líquido, provocando su solidificación.

La reacción entre isocianatos y agua, a menudo denominada reacción de soplado, genera dióxido de carbono, que sirve como fuente de gas para la estructura celular tanto en espumas de poliuretano blandas como en ciertas espumas rígidas. Esta reacción produce dióxido de carbono y urea sustituida mediante un proceso de dos pasos.:

Formación de un intermedio inestable, el ácido carbámico.

Descomposición del ácido carbámico en dióxido de carbono y urea sustituida.

Las velocidades de reacción del agua con isocianatos y de los hidroxilos secundarios con isocianatos son comparables, pero la velocidad de descomposición del ácido carbámico aumenta significativamente por encima 100°C.

En la fabricación de espuma, es fundamental equilibrar estas dos reacciones para producir productos de alta calidad. Si la reacción de soplado ocurre demasiado pronto y el crecimiento de la viscosidad es lento, la mayor parte del gas se generará antes de que se complete la reacción de gelificación, lo que provocará la coalescencia de las burbujas y el escape del gas. Esto puede reducir la resistencia de la espuma y la resistencia al desgarro, o incluso causar el colapso de la espuma, lo que resulta en sólidos no uniformes y de alta densidad. Por el contrario, si la reacción de gelificación supera significativamente la reacción de soplado, el rápido crecimiento de la viscosidad provocará una gelificación prematura antes de la formación adecuada de gas, produciendo una espuma de alta densidad con propiedades insatisfactorias.

Para un rendimiento óptimo de la espuma, estas dos reacciones principales deben equilibrarse de modo que cuando se complete la reacción de soplado, la estructura de la red de espuma sea lo suficientemente fuerte como para atrapar las burbujas. Los catalizadores se utilizan normalmente para ajustar las reacciones complejas para lograr este equilibrio. También aceleran las reacciones, reduciendo el tiempo del ciclo de producción.

En la producción de espuma moldeada, la viscosidad del material inicialmente debe aumentar lentamente, permitiendo que el material fluya hacia todas las cavidades del molde. Cuando el material se expanda completamente para llenar el molde, la reacción de gelificación debería completarse. Esto requiere que la reacción de gelificación comience lentamente pero termine rápidamente, donde los catalizadores desempeñan un papel crucial.

Los catalizadores son aditivos indispensables en la producción de espuma de poliuretano. Independientemente del proceso, los catalizadores son necesarios para regular las velocidades de reacción. Esto se debe a que las reacciones entre isocianatos y poliéter (o poliéster) polioles, así como entre isocianatos y agua, son relativamente lentas a temperatura ambiente. Para garantizar que las reacciones de soplado y gelificación alcancen el equilibrio en un corto período de tiempo, se deben utilizar catalizadores para acelerar estas reacciones. Dado que diferentes catalizadores exhiben diferentes actividades catalíticas para diferentes reacciones, es común usar dos o más tipos de catalizadores para controlar los niveles de reacción, satisfaciendo los requisitos de diversos procesos de producción y tipos de productos.