Aditivos de Poliuretano - Catalisadores

No sistema de espuma de poliuretano ocorrem múltiplas reações químicas, que podem acontecer simultânea ou sequencialmente, tornando o processo altamente complexo. Essas reações incluem a reação entre isocianatos e polióis, água e outras substâncias ativas contendo hidrogênio, bem como a autopolimerização de isocianatos (comumente observada na produção de espuma rígida PIR).

Os compostos de isocianato orgânico contêm grupos de isocianato altamente insaturados (-N=C=O), tornando-os quimicamente altamente reativos. Os átomos de oxigênio e nitrogênio nesses grupos possuem alta densidade de nuvens eletrônicas, sendo o oxigênio o mais eletronegativo, atuando como um centro nucleofílico que atrai hidrogênio para formar grupos hidroxila. Por outro lado, o átomo de carbono tem a menor densidade de nuvem eletrônica, tornando-o fortemente eletropositivo e suscetível ao ataque nucleofílico. O mecanismo catalítico dos catalisadores na reação entre isocianatos e compostos de hidrogênio ativo é complexo. Para catalisadores de aminas terciárias, o mecanismo envolve o ataque nucleofílico de compostos básicos de aminas terciárias ao íon de carbono carregado positivamente (C⁺), formando um composto intermediário ativo. Este intermediário reage prontamente com compostos de hidrogênio ativo, liberando o catalisador básico, que então interage com outra molécula de isocianato para formar um novo intermediário.

Na produção de espuma, as reações primárias ocorrem entre isocianatos e polióis, e entre isocianatos e água. Estas reações liberam calor significativo, aumentando a temperatura do sistema e promovendo a cura da espuma. Dentre estas, a reação entre isocianatos e polióis, também conhecida como reação de gelificação ou reação de extensão de cadeia, aumenta significativamente a viscosidade do material líquido, levando à solidificação.

A reação entre isocianatos e água, muitas vezes chamada de reação de sopro, gera dióxido de carbono, que serve como fonte de gás para a estrutura celular em espumas de poliuretano macias e em certas espumas rígidas. Esta reação produz dióxido de carbono e ureia substituída através de um processo de duas etapas:

Formação de um intermediário instável, o ácido carbâmico.

Decomposição do ácido carbâmico em dióxido de carbono e uréia substituída.

As taxas de reação da água com isocianatos e hidroxilas secundárias com isocianatos são comparáveis, mas a taxa de decomposição do ácido carbâmico aumenta significativamente acima 100°C.

Na fabricação de espuma, é crucial equilibrar essas duas reações para produzir produtos de alta qualidade. Se a reação de expansão ocorrer muito cedo e o crescimento da viscosidade for lento, a maior parte do gás será gerada antes que a reação de gelificação seja concluída, levando à coalescência das bolhas e ao escape de gás. Isto pode reduzir a resistência da espuma e a resistência ao rasgo, ou mesmo causar o colapso da espuma, resultando em sólidos não uniformes e de alta densidade. Por outro lado, se a reação de gelificação ultrapassar significativamente a reação de expansão, o rápido crescimento da viscosidade causará gelificação prematura antes da formação adequada de gás, produzindo espuma de alta densidade com propriedades insatisfatórias.

Para um desempenho ideal da espuma, essas duas reações primárias devem estar equilibradas para que, quando a reação de sopro for concluída, a estrutura da rede de espuma seja forte o suficiente para reter as bolhas. Os catalisadores são normalmente usados ​​para ajustar as reações complexas para atingir esse equilíbrio. Também aceleram as reações, reduzindo o tempo do ciclo de produção.

Na produção de espuma moldada, a viscosidade do material deve inicialmente aumentar lentamente, permitindo que o material flua em todas as cavidades do molde. Quando o material se expandir completamente para preencher o molde, a reação de gelificação deverá estar completa. Isto exige que a reação de gelificação comece lentamente, mas termine rapidamente, onde os catalisadores desempenham um papel crucial.

Os catalisadores são aditivos indispensáveis ​​na produção de espuma de poliuretano. Independentemente do processo, os catalisadores são necessários para regular as velocidades das reações. Isto ocorre porque as reações entre isocianatos e poliéteres (ou poliésteres) polióis, bem como entre isocianatos e água, são relativamente lentas à temperatura ambiente. Para garantir que as reações de expansão e gelificação atinjam o equilíbrio num curto espaço de tempo, devem ser utilizados catalisadores para acelerar estas reações. Como diferentes catalisadores apresentam atividades catalíticas variadas para diferentes reações, é comum utilizar dois ou mais tipos de catalisadores para controlar os níveis de reação, atendendo aos requisitos de vários processos de produção e tipos de produtos.