Tipos y actividad catalítica de catalizadores de amina terciaria

Los catalizadores de amina terciaria son uno de los tipos de catalizadores más utilizados en la producción de espuma de poliuretano. La mayoría de los catalizadores de amina terciaria pueden catalizar tanto la reacción entre isocianatos y agua como la reacción entre isocianatos y polioles, que son las dos reacciones principales en la síntesis de espuma de poliuretano. Sin embargo, la actividad catalítica varía entre los diferentes compuestos de amina.

Clasificación de catalizadores de amina terciaria

Los compuestos de amina terciaria utilizados como catalizadores de poliuretano se pueden clasificar según su estructura química en aminas alifáticas, aminas alicíclicas y aminas aromáticas.

1. Aminas alifáticas

Ejemplos comunes: N,N-Dimetilciclohexilamina, Bis(2-dimetilaminoetil)éter, Trietilendiamina, N,N,N’,N’-Tetrametil-1,2-etilendiamina, N,N,N’,N’’,N’’-Pentametildietilentriamina, Trietilamina, N,N-Dimetilbencilamina, N,N-Dimetilhexilamina.

2. Aminas alicíclicas

Ejemplos comunes: trietilendiamina, N-etilmorfolina, N-metilmorfolina, N,N’-Dietilpiperazina, N,N’-Dietil-2-metilpiperazina, N,N’-Bis(α-hidroxipropil)-2-metilpiperazina, N-(2-hidroxipropil)-N,N-dimetilmorfolina.

3. Aminoalcoholes

Ejemplos: Trietanolamina, N,N-Dimetiletanolamina.

Estos son catalizadores reactivos que se pueden usar en combinación con otros catalizadores de alta actividad. La trietanolamina también actúa como agente reticulante en espumas moldeadas.

4. Aminas aromáticas

Ejemplos: piridina, N,N’-Dimetilpiridina.

Efecto catalizador y relevancia industrial

En las etapas iniciales de la reacción, la eficiencia catalítica juega un papel crucial en la producción industrial de espumas de poliuretano. El proceso de fabricación de espuma de poliuretano flexible depende en gran medida de los catalizadores debido a la baja funcionalidad de los reactivos y la menor densidad de reticulación de los productos en comparación con las espumas rígidas. Las espumas flexibles requieren más tiempo para alcanzar suficiente resistencia en su red de células y exhiben una alta tasa de células abiertas.

Los catalizadores promueven las reacciones NCO-OH y NCO-H₂O, lo que lleva a un rápido aumento del peso molecular del polímero. Al mismo tiempo, se genera gas, aumenta la viscosidad del polímero y la espuma se expande y solidifica rápidamente.

La actividad catalítica normalmente se evalúa en función del tiempo de subida de la espuma y el calor liberado durante la reacción.

Factores que afectan la actividad catalítica

Basicidad

La actividad catalítica de las aminas terciarias está influenciada significativamente por su basicidad. Una basicidad más fuerte corresponde a una mayor actividad catalítica. Los sustituyentes donadores de electrones en el átomo de nitrógeno aumentan la densidad de la nube de electrones, aumentando la basicidad y la actividad catalítica. Por el contrario, los sustituyentes aceptores de electrones disminuyen la basicidad y la eficiencia catalítica. Algunos investigadores consideran la basicidad una métrica clave para evaluar la actividad de los catalizadores de amina.

Estructura molecular

El obstáculo espacial de los sustituyentes en el átomo de nitrógeno afecta en gran medida la actividad catalítica. Los sustituyentes más pequeños mejoran la actividad, mientras que los grupos más voluminosos dificultan el acercamiento del átomo de nitrógeno al grupo carbonilo del isocianato, reduciendo el rendimiento catalítico.

Uno de los primeros estudios en el extranjero demostró este principio al examinar la reacción entre isocianato de fenilo y 1-butanol en tolueno a 40°C. A pesar de tener una constante de disociación mayor pKa, N,N,N’,N’-La tetraetilmetilendiamina exhibió una menor actividad debido al impedimento estérico de sus cuatro grupos etilo. Por el contrario, la trietilendiamina, con su estructura única en forma de jaula y átomos de nitrógeno expuestos, mostró una fuerte actividad catalítica.

Dosis de catalizador y consideraciones económicas

Cuando la dosis de catalizador es baja, aumentarla conduce a un aumento significativo en la velocidad de reacción. Sin embargo, más allá de cierto punto, nuevos aumentos de la dosis tienen un efecto decreciente sobre la velocidad de reacción. Dado el costo relativamente alto de los catalizadores, es esencial determinar una dosis óptima en función de los requisitos específicos de la reacción.