Elastómeros: los poliuretanos

¿Qué es un polímero?

Un polímero es un material constituido por macromoléculas formadas por la unión repetida de una o varias moléculas unidas por enlaces covalentes (este tipo de enlace se forma cuando dos átomos comparten uno o más pares de electrones).

Estas unidades estructurales sencillas o moléculas que forman al polímero se denominan monómeros. Según las propiedades que presente cada polímero se pueden clasificar en tres grupos: termoplásticos, termoestables o bien elastómeros (familia a la cual pertenecen los poliuretanos, aunque hay una variante existente de poliuretanos termoplásticos designado como TPU -Thermoplastic Polyurethane).

Los elastómeros se caracterizan por ser polímeros amorfos (polímeros cuyas cadenas moleculares no están dispuestas según un ordenamiento cristalino y presentan un entrecruzamiento) con una baja temperatura de transición vítrea, por su capacidad para sufrir grandes deformaciones elásticas sin que se produzca la ruptura del material, son blandos, elásticos, insolubles y presentan un módulo elástico bajo. Recuperan su forma original después de ser sometidos a esfuerzos de tracción.


Estructura de los elastómeros.
Las cadenas moleculares de los elastómeros se encuentran débilemente reticuladas.

Los poliuretanos

Los poliuretanos son polímeros formados por un proceso de polimerización y por un conjunto de unidades estructurales repetidas conocidas con el nombre de uretanos. La polimerización es un proceso químico en el que los reactivos, monómeros se agrupan químicamente entre sí para formar una gran molécula con un elevado peso, el polímero.

Los uretanos son compuestos químicos derivados del ácido carbámico, formados por la reacción de un cianato y un alcohol. El uretano se considera sólo un grupo químico, en cambio el poliuretano es el material que incorpora en su estructura muchos grupos de uretano.


Estructura química de los uretanos.

Proceso de formación de los prepolímeros

Para generar el prepolímero, inicialmente reaccionan dos compuestos químicos entre sí: un poliol o polialcohol y un diisocianato.

Los diisocianatos son compuestos químicos cuya estructura química está formada por dos grupos funcionales isocianato (-N=C=O). Los polioles o polialcoholes pertenecen a la familia de los alcoholes polihídricos que contienen varios grupos hidroxilo (-OH) en su estructura.

Al reaccionar se unen con funciones características de los uretanos para formar el prepolímero.


Reacciones químicas producidas entre el diisocianato y el poliol para formar el prepolímero

Cuando se ha formado el prepolímero, tiende a ser un líquido viscoso espeso o bien, un sólido con bajo punto de fusión. El prepolímero se obtiene por la reacción de dos compuestos químicos: el diisocianato de tolueno (TDI) o el diisocianato de difenilmetano (MDI) y por varias cadenas largas de polioles de poliéter y polioles de poliéster.


Estructura del diisocianato de tolueno (TDI).


Estructura del diisocianato de difenilmetano (MDI).

El MDI es un sólido cristalino de color amarillo existente en tres formas isoméricas distintas pero 2,2´-MDI, 2,4´-MDI y 4,4´-MDI, la última forma isomérica es la que más se utiliza para producir poliuretano.

En cambio el TDI se encuentra en estado líquido o en forma de cristales, y puede ser incoloro o de color amarillo pálido a causa de la exposición al aire.

Ambas son sustancias químicas muy reactivas a causa de su naturaleza aromática y pueden generar reacciones químicas muy exotérmicas. Pueden ser liberadas al aire, al agua… pero a causa de su baja vida media (menos de 1 día) es improbable que permanezcan en el ambiente a largo tiempo.

Para formar el polímero, se realiza el curado del prepolímero con extensores de cadenas cortas, usando por ejemplo butanodiol, diaminas o metilen-bis cloroanilina (MOCA). Se utilizan los extensores de cadena ya que actúan como aditivos para generar la producción de poliuretanos.


Estructura del metilen-bis coloroanilina (MOCA).

El extensor de cadena corta reacciona con el prepolímero para formar uretano o funciones de urea, que constituyen la mayor parte del segmento del polímero.

Las diaminas son sustancias orgánicas en cuya molécula hay dos grupos de –NH2 unidos a uno o dos carbonos de radicales de hidrocarburos. Los dioles son compuestos químicos que contienen dos grupos hidroxilo (grupos -OH).


Reacciones químicas producidas entre el prepolímero y los extensores de cadena para formar el polímero.

Las elevadas temperaturas de curado (hasta 100oC) generan una estructura tridimensional debido al entrecruzamiento de las cadenas del polímero.

En los sistemas de curado en frío, el entrecruzamiento se logra durante unos días mientras están en reposo las piezas moldeadas. Esta etapa confiere propiedades elásticas en el producto final.

Proceso de formación de los Quasi-prepolímeros

Este tipo de polímeros estan formados gracias a la reacción de un diisocianato MDI y diversos polioles poliéteres o poliéster. Dependiendo de las propiedades que se requieran, este tipo de sistemas tienen en común su estructura y una eleva flexibilidad en la producción simultánea de una amplia gama de elastómeros.

Presentan una baja viscosidad, no necesitan una elevada temperatura de procesado y al reaccionar con un poliol, un extensor de cadena y un catalizador generan elastómeros con unas propiedades mecánicas excelentes.

Los Quasi-prepolímeros contienen una menor cantidad de poliol, pero un mayor contenido en NCO en comparación a los prepolímeros clásicos.

El poliol que falta en el Quasi -prepolímero se agregará al extensor de cadena del alcohol (ésta unión se produce en los Quasi-prepolímeros con dos componentes) o bien, como un componente separado (en el caso de los Quasi-prepolímeros dos tres componentes).

- Proceso de formación de los Quasi-prepolímeros con dos componentes:

- Proceso de formación de los Quasi-prepolímeros con tres componentes:

Influencia de los isocianatos y de los polioles

Tal y como se ha comentado en los apartados anteriores, para formar un prepolímero se ha de producir una reacción entre diisocianatos (como por ejemplo: el diisocianato de tolueno (TDI), el diisocianato de difenilmetano (MDI), isocianatos alifáticos...) y polioles poliésteres o poliéteres (como por ejemplo el polipropilenglicol (PPG), politetrametileno éter glicol (PTMEG), policaprolactona...).

A continuación, la siguiente tabla informa sobre características relevantes y la influencia que generan los diferentes tipos de diisocianatos en el proceso de formación del prepolímero:

Dependiendo del tipo de poliol éter o éster que participe en la reacción de formación, podrán generar un efecto positivo o negativo en las propiedades finales del material. Según las propiedades de interés que ha de presentar el elastómero de poliuretano para una aplicación determinada, esta tabla les ayudará a escoger que tipo de poliol es mejor utilizar:

Sistemas TDI, MDI y Quasi-prepolímeros

Los siguientes cuadros informan sobre cuáles son las características principales y las aplicaciones más empleadas para cada tipo de sistema de poliuretano de tipo MDI, TDI o Quasi MDI. Se les denomina sistemas ya que son un conjunto formado como mínimo por dos componentes líquidos (el poliol y el diisocianato).

Sistemas TDI-Éter

Características principales

  • Elevada resistencia a la abrasión - Elevada resiliencia
  • Elevada resistencia a la hidrolisis - Buena resistencia a la tracción
  • Fácil de procesar - Baja compresión
Aplicaciones más comunes

  • Aplicaciones con uso general
  • Ruedas
  • Cojinetes
  • Muelles
  • Rodillos industriales
  • Juntas

Sistemas TDI-Éster

Características principales

  • Excelente resistencia a la abrasión y al desgarro
  • Baja compresión
  • Elevada resistencia a los químicos
  • Fácil de procesar
Aplicaciones más comunes

  • Aplicaciones dinámicas
  • Neumáticos
  • Ruedas
  • PIGs (Pipe Inspection Gauges)
  • Almohadillas de corte

Sistemas MDI-Éter

Características principales

  • Elevada resistencia a la abrasión
  • Elevada resiliencia
  • Excelente resistencia a la hidrólisis
  • Excelente resistencia a los microorganismos
  • Compatible en contacto con comida
Aplicaciones más comunes

  • Juntas hidráulicas
  • Hidrociclones
  • Celdas de flotación
  • Correas de distribución
  • Rodillos textiles
  • Almohadillas de amortiguación

Sistemas MDI-Éster

Características principales

  • Excelente resistencia a la abrasión y al desgarro
  • Buena resistencia química
  • Excelentes propiedades dinámicas
  • Excelente resistencia a la acumulación de calor interno
Aplicaciones más comunes

  • Acoplamientos
  • Juntas
  • Ruedas industriales
  • Limpia-vidrios

Sistemas Quasi MDI-Éter

Características principales

  • Elevada resistencia a la abrasión
  • Baja compresión
  • Elevada resiliencia
  • Excelente resistencia a la hidrólisis
  • Baja toxicidad
  • Fácil de procesar
Aplicaciones más comunes

  • Pantallas
  • Juntas
  • Ruedas para patines en línea
  • Hidrociclones

Sistemas Quasi MDI-Éster

Características principales

  • Elevada resistencia a la abrasión
  • Elevada resistencia a los productos químicos
  • Baja temperatura de procesado
  • Fácil procesado
Aplicaciones más comunes

  • Pantallas
  • PIGs
  • Discos de corte (concrete blades)
  • Vibratory bowls