La espuma de PU flexible representa casi el 50% de la producción total de poliuretano y se utiliza ampliamente en muebles, automóviles, electrodomésticos, transporte y industria aeroespacial. Para producir espuma de alta calidad se requiere un conocimiento profundo de los mecanismos de formación de espuma, cálculos de formulación precisos y la selección adecuada de polioles, isocianatos y aditivos. Desde el siglo XXI, el desarrollo de espuma de PU flexible se ha centrado más en la protección del medio ambiente, los bajos niveles de COV y el bajo empañamiento, logrando al mismo tiempo importantes mejoras en el rendimiento.
Mecanismo de formación de espuma: reacciones químicas fundamentales y equilibrio
La preparación de espuma de PU flexible implica procesos químicos y coloidales complejos, que consisten principalmente en extensión de cadena, espumación y reticulación. Sólo logrando un equilibrio preciso entre estas reacciones se puede obtener una estructura y propiedades de espuma estables.
1. Reacción de extensión en cadena
La reacción principal que forma la columna vertebral de la espuma de poliuretano.
Determina propiedades clave como la resistencia a la tracción, el alargamiento y la elasticidad.
Los isocianatos reaccionan con los grupos hidroxilo en los polioles de poliéter para formar enlaces de uretano, produciendo polímeros de alto peso molecular.
El índice de isocianato (relación molar NCO/-OH) es típicamente >1, generalmente alrededor de 1,05.
2. Reacción de formación de espuma
Paso crítico para generar células espumosas.
Espuma química :El agua reacciona con los isocianatos para liberar CO₂ y formar poros. Produce segmentos de urea que afectan la dureza, la resiliencia y la resistencia al calor. Equilibrado mediante el uso de polioles de mayor peso molecular y de cadena flexible.
Espuma física :Los compuestos de bajo punto de ebullición (por ejemplo, ciclopentano, isopentano) se vaporizan debido al calor de la reacción y forman poros.
3. Reticulación (gelificación)
Esencial para una rápida transición de espuma líquida a sólida.
La reticulación prematura o retrasada produce contracción o colapso.
Vías principales:
- Los polioles polifuncionales (trioles o superiores) forman una red 3D estable. El peso molecular ideal entre enlaces cruzados (Mnc) es 2000–2500.
- Formación de biuret (reacción secundaria agua-isocianato).
- Formación de alofanato (enlaces de uretano que reaccionan con el exceso de isocianato).
Los enlaces de biuret y alofanato tienen poca estabilidad térmica, por lo que requieren un control estricto de la temperatura y del índice de isocianato.
Cálculos precisos de formulación y selección de materias primas
Cálculos químicos
Valor equivalente (E) = Mn/f (peso molecular/funcionalidad).
Para los polioles, comúnmente calculados utilizando el valor de hidroxilo (OH): E = (1000 × 56.1) / OH.
Materia prima básica s
Polioles
*Polioles de poliéter :
- Espumas convencionales: Mn 1500–3000.
- Espumas de alta resiliencia: Mn 4500–8000.
- Los POP (polioles poliméricos) y PHD (polioles de poliurea) mejoran la capacidad de carga y la apertura.
- Los polioles de baja insaturación mejoran el rebote y reducen la deformación por compresión.
- Los polioles de origen biológico (aceite de ricino, aceite de soja) ofrecen biodegradabilidad.
*Polioles de poliéster :
- Mejora la resistencia a la hidrólisis, a la intemperie y al calor.
- El policarbonato y los poliésteres especiales mejoran la durabilidad.
isocianatos
*TDI & MDI :MDI es cada vez más preferido por su cumplimiento medioambiental y sus bajos niveles de COV.
*MDI líquido :Modificado para permanecer líquido a temperatura ambiente para facilitar su uso.
*MDI crudo (PAPI) :Alta funcionalidad, menor costo, utilizado principalmente en espumas rígidas pero también adaptable a fórmulas de espumas blandas con reticulante reducido.
Aditivos clave para el control del rendimiento
Catalizadores:
Tipos de amina (por ejemplo, trietilendiamina) y tipos de metal (por ejemplo, octoato estannoso).
Equilibrar las velocidades de formación de espuma y gelificación.
Catalizadores modernos: de acción retardada, con bajo contenido de COV, mezclas (por ejemplo, serie Dabco).
Catalizadores basados en bismuto: estabilidad hidrolítica superior y resistencia al envejecimiento térmico.
Estabilizadores de espuma:
Copolímeros de silicona-poliéter.
Funciones: emulsificación, estabilización de burbujas, control del tamaño de poro.
Hay disponibles tipos ecológicos con bajo empañamiento (por ejemplo, DC6070 para TDI, DC2525 para MDI).
Agentes de soplado:
Agua, hidrocarburos y CO₂ líquido (LCO₂).
LCO₂: 4 partes equivalentes a ~13 partes de diclorometano, reduce la densidad y elimina el calor de reacción.
Retardantes de llama:
Clave para el cumplimiento de las normas de inflamabilidad.
Deseable: formación de carbón, baja producción de humo, baja toxicidad.
Eficaz: retardantes macromoleculares a base de fósforo, grafito expansible, heterociclos que contienen nitrógeno.
Resumen y perspectivas
La producción de espuma de PU flexible integra química, física e ingeniería. Al controlar los mecanismos de extensión de la cadena, formación de espuma y reticulación, combinado con un diseño de formulación preciso y una selección avanzada de materias primas, los fabricantes pueden adaptar el rendimiento de la espuma para diversas aplicaciones.
Las tendencias futuras enfatizarán los polioles de origen biológico, los aditivos de bajas emisiones y las tecnologías de producción ecológicas para satisfacer las demandas de sostenibilidad y las regulaciones ambientales más estrictas.