Avances en agentes soplantes y aditivos de poliuretanos

Los poliuretanos han sido un material tradicional en la fabricación de espuma flexible y espuma rígida. Sin embargo, nuevos retos relacionados con legislaciones, medio ambiente y nuevas aplicaciones están a la orden del día para este versátil polímero. Esto es particularmente cierto cuando hablamos de espumas rígidas y otras formas de poliuretano, como microespumas, elastómeros y poliuretano termoplástico.

Aunque en su forma más sencilla el poliuretano se crea a partir de la unión de moléculas de isocianato con moléculas de polioles, la variedad de productos que se puede obtener a través de la combinación de estos dos materiales con distintos aditivos es infinita.

En el mercado de poliuretanos se reconocen tres grandes segmentos: el de espuma flexible, ampliamente empleado en la industria de muebles, colchones, interiores de automóviles y empaques. El de espumas rígidas, hoy en día el material más popular para aislamiento a nivel mundial; y el segmento CASE (del inglés "Coatings, Adhesives, Sealants and Elastomers"), que incluye recubrimientos, adhesivos, sellantes y elastómeros, con un gran potencial de aplicación y explotación en pinturas, suelas de zapatos y partes de automóviles, entre otros.

Actualmente el desarrollo de materias primas en el área de los poliuretanos tiene varios frentes. El primero de ellos, el paso de agentes soplantes que dañan la capa de ozono a agentes soplantes amigables con el ambiente en espumas rígidas. El segundo, el incremento en el desempeño en cuanto a inflamabilidad de las espumas y el control de emisiones de VOC; y el tercero, la mejora de las propiedades mecánicas y de aislamiento de las espumas. Estos tres se han trabajado siempre pensando en tener relaciones costo/beneficio mínimas.

Mejora de propiedades en espumas flexibles
En espumas flexibles los últimos avances están encaminados al desarrollo de espumas con baja resiliencia, o espumas con memoria y baja recuperación, un mercado que se ha expandido en los últimos años. La característica clave de las espumas de baja resiliencia es que se acomodan a la forma del cuerpo, relajan la presión, amortiguan las vibraciones y el sonido, y absorben energía y choques, pero en general son difíciles de fabricar debido a que requieren la formación de una celda abierta. Además, son sensibles a bajas temperaturas.

Mitsui Takeda Chemicals, Inc. desarrolló un nuevo poliol para la fabricación de espumas de baja resiliencia, comercializado bajo el nombre de Actcoltm LR-00. El producto brinda un mayor rango de procesabilidad y reduce la sensibilidad de las espumas al endurecimiento debido a la temperatura. Esto se logra ya que desarrolla en las espumas una morfología única que les permite tener dos temperaturas de transición vítrea. Además, hace posible "diseñar" la resiliencia y el endurecimiento ajustando las formulaciones.

Por su parte, Bayer presentó el Softcel VE-1000, un poliol para la fabricación de espumas viscoelásticas, diseñado para ser empleado con polioles comerciales, modificadores de espuma TDI 80/20 y otras materias primas comunes en la fabricación de espumas flexibles en bloque. Las espumas que se producen con esta tecnología presentan un alto nivel de adaptación a la forma del cuerpo, baja sensibilidad a la temperatura, buena compresión y una estructura de celda fina.

Dow desarrolló un poliol autocatalítico que imparte propiedades viscoelásticas a la espuma. Los polioles Voranol Voractiv reducen el empleo de catalizadores a base de aminas, lo que reduce las emisiones de VOC. Además se pueden emplear con TDI 80 y PMDI.

Por otro lado, las espumas con alta resiliencia también cobran importancia. Para cumplir con las exigencias del mercado moderno, Shell ha desarrollado nuevos polioles basados en la tecnología SAN. Estos polioles son suspensiones estables de partículas de poliestireno-acrilonitrilo en polioles éter convencionales de alta resiliencia, y permiten la fabricación de una amplia gama de espumas con un gran rango de procesabilidad.

De CFCs a agentes soplantes verdes
La preocupación por la protección de la capa de ozono comenzó hace 20 años, cuando se descubrieron los efectos que en ella tenían los CFCs (cloro-fluoro-carbonos) y otras sustancias. El proceso de eliminación de los CFCs ha tomado caminos diferentes en América y Europa. Desde 1992, las industrias europeas reemplazaron el R-11 (el agente soplante más común de la época) por el ciclo-pentano, en un lapso de tiempo relativamente corto. Sin embargo, el ciclopentano no ha sido exitoso en Norte América, donde los principales contendores son el HFC 245fa y en menor proporción el HFC 134a (generalmente con altos niveles de agua para co-soplar con CO2), el ciclopentano, el n-pentano y el isopentano.

Los nuevos participantes en esta región del planeta son los agentes soplantes basados en metil-formato y Ecomate, el último desarrollo de Foam Supplies Inc. De acuerdo con la empresa, Ecomate tiene valores de DPO y HGWP de cero y un valor "k" de 0.16, convirtiéndolo en un excelente aislante. Su precio se encuentra en el rango de los pentanos y sus características de flamabilidad son similares a las del HCFC 141b. Presenta muy buena estabilidad dimensional a temperaturas y humedades tanto altas como bajas. Según Foam Supplies Inc, un sistemas para espumas que contenga 15% de HCFC 141b puede emplear entre 5%-6% de Ecomat para obtener la misma densidad. Ecomat es comercializado en América por la compañía A-gas.

Bayer Materials Science ha reportado formas de fabricar espumas más económicas aumentando los niveles de agua en las formulaciones para co-espumar con CO2. Estas investigaciones mostraron que al aumentar los niveles de agua, la concentración de HFC-245fa se podría reducir de un 12.5% a un 4% (una reducción del 68%) mientras el valor "k" promedio aumentaba en tan sólo 11%. Las mezclas con otros agentes soplantes como HFC-134a también podrían ser alternativas viables para reducir el HFC-245fa en la formulación y así disminuir costos. Los investigadores indicaron que de acuerdo con el valor "k" que se deseara obtener, diferentes alternativas ofrecían la relación costo/beneficio más favorable. Así, para factores "k" mayores a 0.137, el ciclopentano o el HFC-134a eran las mejores alternativas. Para factores "k" entre 0.130 y 0.136, mezclas de HFC-134a y 245fa eran las más favorables, mientras que las mezclas entre HFC 245fa y agua eran mejores si el factor "k" que se deseaba estaba entre 0.123 y 0.129.

Durante la última conferencia de poliuretanos patrocinada por la API (Alliance for the Polyurethanes Industry), Polyurethanes Conference 2004, en Las Vegas, Dow Chemical presentó una nueva tecnología de polioles que permite la fabricación de espumas con menos agente soplante (en este caso HFC-245fa) a la vez que mejora las características de expansión post-desmoldeo, conservando el valor "k" deseado.

En esta misma conferencia, Degussa mostró cómo los surfactantes en desarrollo EP13, EP8 y EP9, a base de silicona, mejoraban la eficiencia de uso del HFC-245fa. Además incrementaban el valor "k" y la estabilidad de la densidad en las espumas. Tales materiales están siendo desarrollados para su aplicación en sistemas de HFC-245fa de nueva generación, es decir que pueden tener contenidos de agua altos o bajos, así como mezclas con HFC-134a.

Por su parte, en Utech Asia 2005, Solvay Fluor presentó los nuevos miembros de su línea de agentes soplantes Solkalane 365 mfc y Solkalane 365/227. Ambos presentan un ODP de cero y no son inflamables. Solkalane 365 mfc es un pentafluorobutano también conocido como HFC-365, mientras que el Solkane 365/227 es una mezcla de tercera generación de hidrofluorocarbonos líquidos, que presenta una excelente solubilidad en solventes, y una alta estabilidad.

Otras compañías también ofrecen alternativas para el reemplazo de CFCs. Es el caso de A-gas, compañía que mezcla, reempaca y distribuye un amplio rango de agentes soplantes, refrigerantes, propulsores de aerosoles y solventes. La empresa provee diferentes referencias de HCFC, como R22, R401A +B, R402A +B, R408A, R409A, R406A y 141b, que son usadas como sustancias de transición. Dentro de las opciones de HFC, para uso a largo plazo, A-gas cuenta con el siguiente portafolio de productos: R404A, R507, R407C, R410A y R134a.

Aditivos
También en el campo de aditivos para espumas rígidas y flexibles se han observado avances asociados a la reducción de las emisiones de VOC; además se han desarrollado retardantes de llama que no producen gases tóxicos y son más eficientes.

Con el fin de reducir la emisión de VOC y sales metálicas, Tosoh USA ofrece diferentes alternativas para reemplazar los catalizadores de zinc, que involucran modificación en las formulaciones, no sólo a nivel de catalizadores sino también de polioles y surfactantes para volver a balancearla. Polioles y catalizadores basados en aminas como Teda L33/Toyocat ET, Toyocat NP y Toyocat DM70 se pueden emplear para reemplazar catalizadores de zinc Sn-Octoate. Otra posibilidad es el empleo de aminas reactivas como catalizadores, como Toyocat RX30, que emite una menor cantidad de compuestos orgánicos volátiles.

GE Advanced Materials anunció el lanzamiento de una nueva familia de surfactantes de silicona para estabilizar MDI y MDI-TDI, empleados en la fabricación de espuma flexible moldeada para la industria de asientos de vehículos. Los Niax Sillicone L-3415, L3416 y L-3417 cuentan con un diseño molecular que reduce las emisiones de VOC en las piezas terminadas. Otro beneficio de esta nueva familia de surfactantes es su excelente desempeño y características de proceso.

Albemarle Corporation, uno de los mayores productores de retardantes de llama, lanzó dos retardantes de llama de baja viscosidad para aislamientos de placas y techos: Saytex RB-9170 y RB-9130. Ambos presentan una buena solubilidad en pentano y HFCs. Para mejorar la fluidez de los sistemas, esta compañía ofrece Antiblaze V490, un retardante de llama a base de fósforo y libre de halógenos que tiene una viscosidad cercana a la del agua. Finalmente, para espumas flexibles, Albemarle ofrece Antiblaze WR-30LV y TL-10-ST, retardantes de llama a base de fósforo con emisiones mínimas de VOC.

Recientemente, BYK Chemie lanzó la línea Silbyk, con 35 surfactantes a base de silicona, para todo tipo de aplicación de espumas de poliuretano, desde bloques, moldeo y espumas microcelulares. Esta línea incluye 13 productos para bloques de espuma flexible, dentro de los cuales está el Silbyk 9001, un estabilizante "universal" de alta capacidad que se puede emplear en espumas sopladas con CO2líquido. El Silbyk-9700 y otros dos han sido diseñados para espumas de alta resiliencia, en las que se requiere una estructura de celda fina. Los seis restantes, incluyendo el Silbyk-9120, son especiales para el uso en espumas a base de poliéster, y brindan celdas finas y uniformes, así como bajos niveles de emisión de VOC en espumas semi-rígidas.

Para espuma flexible, Degussa también ofrece surfactantes de última tecnología, como el Tegostab BF 2470, que permite tener una ventana de operación amplia junto con una alta estabilización, lo que lo hace ideal para el trabajo en un rango de espumas con diversas densidades.

Finalmente, Ciba Special Chemicals ofrece para la industria de los poliuretanos sus familias de productos Irgastab PUR y Tinuvin B 83. Los productos Irgastab PUR no contienen BHT (hidroxitolueno butilado, el agente antioxidante más empleado), permitiendo que las espumas de poliuretano tengan una excelente resistencia al secado, a la opacidad y a las manchas. Para una mayor estabilización a la luz, se puede emplear el sistema Tinuvin B 83, que previene la degradación de las espumas causada por efectos del proceso o, ya en uso, por factores climáticos.

Maquinaria
Para dispersión de poliuretanos, Krauss Maffei ofrece el nuevo cabezal de mezcla MK 2-2-AAS Pegasus, ideal para la dispersión de pequeños volúmenes de poliuretano, entre 10 y 10g/s. Está diseñado para poder obtener patrones de dispersión uniformes en capas delgadas de espesor constante. En este cabezal de mezcla, el isocianato se inyecta de manera vertical en dos corrientes de poliol, generando una mezcla en forma de T. Los cabezales de mezcla MK 2-2-AAS Pegasus se pueden emplear para obtener superficies de alta calidad para aplicaciones como puertas de vehículos, consolas centrales o incluso para la aplicación de adhesivos de poliuretano. Por otro lado, para la dispersión de grandes volúmenes, Krauss-Maffei ofrece su serie PU Spray Moulding (PSM), junto con el cabezal lineal de mezcla de alta presión 10P-2KV-PSM. Este cabezal puede dosificar hasta 150g/s de mezcla, lo que mejora significativamente los ciclos de aplicación, especialmente en áreas grandes, como techos.

En procesos RIM, Krauss-Maffei también cuenta con una amplia experiencia. Recientemente presentó su familia RIM Star de máquinas de medición y mezcla con tres variantes diferentes: RIM-Star Modular, el modelo principal, RIM-Star Compact, para reducir el espacio en la planta, y RIM-Star MiniDos, para dosis muy pequeñas de material.

Recientemente Cannon lanzó una nueva máquina para la dispersión de piel de poliuretano en puertas, asientos y paneles interiores de vehículos. El sistema spray-skin emplea elastómeros de PU que se rocían sobre los moldes abiertos de las piezas para obtener acabados y sensaciones al tacto semejantes al cuero en las piezas finales.

Otro lanzamiento de Cannon incluye una nueva máquina de medición a alta presión, compacta, que permite a los procesadores tener una alternativa sencilla, confiable y económica al emplear sistemas de dos componentes en velocidades de producción bajas o moderadas. Se trata del modelo A-Compact, que viene en dos presentaciones, capaces de manejar flujos de producción en el rango de 8 a 210 lb/min y 30 a 60 partes/hr.

Por su parte, Hennecke GmbH presentó la nueva generación de máquinas TopLine HK para la fabricación de espumas, bajo un concepto completamente nuevo, permitiendo que las estaciones sean modulares y transportables, lo que da a los fabricantes mayor libertad y flexibilidad en sus procesos. Así mismo, para fabricación de piezas finales empleando sólo medio molde y el proceso de dispersión, Hennecke ofrece su nuevo sistema de dispersión de PUR bajo el nombre de MProTec. MProTec es la abreviación de Multitec Processing Technology, que se emplea junto con una materia prima desarrollada por Bayer Material Science. Esta tecnología permite la introducción de fibras de vidrio largas de longitudes entre 5 – 12.5 mm, en concentraciones de 10% a 25%, con la matriz de PUR en el molde abierto, para obtener piezas con excelentes propiedades y acabados.

En octubre de 2003, Linden Industries presentó un nuevo proceso para fabricar piezas en cuero con poliuretano dispersado. Este proceso se desarrolló a partir de la tecnología de la empresa suiza Isotherm AG, en asocio con BASF y Elastogran GmbH. En el nuevo proceso desarrollado por estas compañías, el cuero se coloca en el molde y se rocía con una capa de espuma de poliuretano que luego se presiona contra el cuero para formar la pieza final. El proceso elimina el recubrimiento posterior y el selle que se requería en los procesos tradicionales para la fabricación de piezas en cuero para automóviles.