Este artículo ha estado durmiendo durante años. Como en el artículo sobre resinas epoxi, está basado en la experiencia del autor y, principalmente, en las contribuciones de Paul E. Cranley y Richard A. Hickner en el libro Reaction Polymers editado por Gum, Riese y Ulrich, que mantiene su vigencia pese a su veteranía. El autor cree que el artículo puede servir a los químicos noveles en su documentación y trabajo.

Reacciones químicas del uretano

Los isocianatos reaccionan con los compuestos que tienen hidrógenos activos preferentemente de carácter básico tales como aminas alifáticas, aminas aromáticas, hidroxilos primarios, hidroxilos secundarios, agua y uretano. Estos compuestos están colocados en orden decreciente de la velocidad de reacción. Así, las aminas alifáticas y aromáticas reaccionan más rápidamente con los isocianatos, incluso a 0ºC, y las alifáticas lo hacen a tal velocidad que es necesario tomar precauciones. Los alcoholes y el agua reaccionan a 25 – 50ºC sin catalizador, pero los protones de la urea y del uretano reaccionan lentamente aun con exceso de isocianato para formar biuret y alofanato empleando temperaturas más elevadas. Pero, en todos los casos, la catálisis aumenta la velocidad y altera el orden de la reactividad de los compuestos antedichos.

Las reacciones entre un isocianato y un alcohol para dar uretano, alofanato e isocianurato son las siguientes:

En general, es preferible controlar la reacción para que solo se produzca el primer paso, lo que da lugar a un polímero lineal. Esto se consigue manteniendo la temperatura baja y no usando catalizador, y/o también, aumentando la funcionalidad del poliol o del isocianato para controlar la ramificación y los enlaces cruzados.

La reacción entre el isocianato y el agua da amina y , posteriormente, urea y biuret:

Los catalizadores son bases y sales de metales de transición, especialmente las sales de estaño, el octanoato de estaño y el dilaurato de dibutilestaño.

Adhesivos y sellantes de poliuretano

Por su naturaleza de elastómero, los adhesivos de poliuretano se emplean para sustratos flexibles como la goma o el plástico. Muchos de ellos se hacen con prepolímeros fabricados por reacción de un exceso de diisocianato con un poliol, por ejemplo, en la proporción 2:1 de NCO : OH para minimizar la cantidad de diisocianato monómero, como en la reacción que se expone entre el MDI y un diol:

Los prepolímeros resultantes se emplean en los adhesivos de curado en humedad. Los isocianatos empleados son el MDI, metilen difenil diisocianato, para prepolímeros de mayor resistencia, y el TDI, toluen diisocianato, preferido por su baja viscosidad para fabricar prepolímeros de adhesión a sustratos flexibles. De los polioles se destacan los polieter poliol, que se obtienen por polimerización de óxidos de etileno, propileno y butileno y se emplean en adhesivos de dos componentes y curado rápido, y los poliester poliol obtenidos con ácido adípico y glicoles; éstos son mejores que los anteriores por tener mayor resiliencia y mejor resistencia al calor.

A los adhesivos y selladores suelen adicionarse ‘fillers’ tales como carbonato de calcio, talco, sílice o arcilla, que mejoran la reología, las propiedades físicas y abaratan el costo. También se emplean pigmentos corrientes y plastificantes (esteres, fosfatos, aceites aromáticos…) y se utilizan imprimadores para acondicionar las superficies a tratar. Los adhesivos de un componente requieren normalmente tiempos largos de curado total, por lo que a veces se requieren sistemas de dos componentes que, en general, constan de un prepolímero de bajo peso molecular y la proporción equivalente de un poliol o poliamina.

Revestimientos de poliuretano

Los revestimientos de poliuretano están fabricados con compuestos que contienen grupos uretano, -NH-COO- , o urea, -NHCONH-, son fuertes y resistentes a la abrasión y a los ataques químicos y son duraderos incluso en exteriores. Se fabrican en sistemas de un componente (1K, que consta de varios reactivos) y de dos componentes separados, 2 K, que se mezclan en la aplicación.

Los isocianatos conque se obtienen los polímeros son: el antedicho TDI (2,4 y 2,6 toluen diisocianato) que por su alta volatilidad se emplea en sus trímeros biuret o isocianurato o se hace un aducto con trimetilolpropano o se sustituye por HDI (hexametilen diisocianato); el MDI (metilen difenil 4,4 diisocianato) del que se obtienen derivados líquidos; el IPDI (isoforona diisocianato), de carácter alifático; y otros.

Los polioles empleados en los revestimientos de uretano incluyen poliéteres, poliesteres y polioles acrílicos. Los poliéteres poliol se derivan mayoritariamente de polioles basados en el óxido de propileno. Los poliesteres poliol se obtienen a partir de ácidos dibásicos como el adípico y el isoftálico y glicoles como el etilenglicol, propilenglicol y butanodiol; para conseguir una mayor ramificación se emplean trioles como el glicerol y el trimetilolpropano. Los polioles acrílicos están basados en la copolimerización de hidroxialquil metacrilatos o acrilatos con otros monómeros acrílicos y los polímeros uretanos fabricados con ellos presentan una excelente durabilidad en las aplicaciones en ambientes exteriores.

La normativa ASTM clasifica los materiales desarrollados con políuretanos en seis tipos diferentes: I.- Materiales del tipo alquídico en los que los diácidos aromáticos se sustituyen por TDI. II.- Sistemas de curado por humedad basados en isocianatos aromáticos o alifáticos. III.- Materiales con temperatura de curado que varía según el agente bloqueante y el compuesto con hidrógeno activo desde temperatura ambiente hasta 190ºC. IV y V.- Sistemas de dos componentes que consisten en prepolímeros de isocianato en combinación con agua o polioles. Algunas formulaciones se emplean en revestimientos de automóviles y aviones. Para conseguir un tiempo de mezcla aumentado se utilizan polioles cubiertos con éteres, y para obtener una velocidad de curado adecuada se emplean compuestos como las oxazolinas, que se hidrolizan a alcanolaminas , sustancias que reaccionan con los prepolímeros de isocianato para formar el polímero urea – uretano. VI.- Consiste en poliuretanos termoplásticos de alto peso molecular disueltos en un disolvente adecuado. Los poliuretanos están constituidos por MDI y poliesteres o mezclas de poliesteres con politetrametilenglicoles. El curado se hace por evaporación del disolvente. Una variante ecológica consiste en preparar emulsiones catiónicas o aniónicas del poliuretano.

Lo expuesto en este breve artículo es solo una iniciación a lo investigado y realizado en adhesivos y revestimientos de poliuretano. Además, ni se menciona lo más importante de estos plásticos: la tecnología de las espumas flexibles y rígidas, los elastómeros, las fibras y las películas que se fabrican con poliuretanos. Un tema grande, pero solo una parte del enorme mundo de los plásticos.