Los polioles de aceite natural , también conocidos como NOP o biopolioles , son polioles derivados de aceites vegetales mediante varias técnicas diferentes. El uso principal de estos materiales es en la producción de poliuretanos . La mayoría de los NOP se consideran productos de origen biológico , según la definición del Secretario de Agricultura de los Estados Unidos en la Ley de Seguridad Agrícola e Inversión Rural de 2002.
Todos los NOP tienen fuentes y aplicaciones similares, pero los materiales en sí pueden ser bastante diferentes, dependiendo de cómo se fabriquen. Todos son líquidos transparentes, que van desde incoloros hasta amarillo medio. Su viscosidad también es variable y suele ser una función del peso molecular y del número medio de grupos hidroxilo por molécula (un mayor peso molecular y un mayor contenido de hidroxilo dan lugar a una mayor viscosidad). El olor es una propiedad importante que difiere de un NOP a otro. La mayoría de los NOP siguen siendo bastante similares químicamente a sus aceites vegetales originales y, como tales, son propensos a volverse rancios . Esto implica la autooxidación de las cadenas de ácidos grasos que contienen dobles enlaces carbono-carbono y, en última instancia, la formación de aldehídos , cetonas y ácidos carboxílicos odoríferos de bajo peso molecular . El olor es indeseable en los propios NOP, pero lo que es más importante, en los materiales fabricados a partir de ellos.
Existe una cantidad limitada de aceites vegetales naturales ( triglicéridos ) que contienen grupos hidroxilo sin reaccionar que explican tanto el nombre como la importante reactividad de estos polioles. El aceite de ricino es el único poliol de aceite natural disponible comercialmente que se produce directamente a partir de una fuente vegetal: todos los demás NOP requieren la modificación química de los aceites disponibles directamente de las plantas.
La esperanza es que el uso de recursos renovables como materias primas para los procesos químicos reducirá la huella ambiental [1] al reducir la demanda de combustibles fósiles no renovables que se utilizan actualmente en la industria química y reducirá la producción general de dióxido de carbono , el gas de efecto invernadero más notable . Un productor de NOP, Cargill, estima que su proceso de fabricación de poliol BiOH(TM) produce un 36% menos de emisiones de calentamiento global (dióxido de carbono), una reducción del 61% en el uso de energía no renovable (quema de combustibles fósiles) y una reducción del 23% en la demanda total de energía, todo en relación con los polioles producidos a partir de petroquímicos . [2]
El noventa por ciento de los ácidos grasos que componen el aceite de ricino es ácido ricinoleico , que tiene un grupo hidroxilo en C-12 y un doble enlace carbono-carbono. La siguiente estructura muestra el componente principal del aceite de ricino, que está compuesto por el triéster de ácido ricinoleico y glicerina :
Otros aceites vegetales, como el aceite de soja , [3] el aceite de cacahuete y el aceite de canola , contienen enlaces dobles carbono-carbono, pero no grupos hidroxilo. Existen varios procesos que se utilizan para introducir grupos hidroxilo en la cadena carbonada de los ácidos grasos, y la mayoría de ellos implican la oxidación del doble enlace CC. El tratamiento de los aceites vegetales con ozono rompe el doble enlace y se pueden obtener ésteres o alcoholes, dependiendo de las condiciones utilizadas para procesar el producto de la ozonólisis . [4] El siguiente ejemplo muestra la reacción de la trioleína con ozono y etilenglicol .
La oxidación por aire ( autooxidación ), la química involucrada en el "secado" de aceites secantes , aumenta el peso molecular e introduce grupos hidroxilo. Las reacciones radicales involucradas en la autooxidación pueden producir una mezcla compleja de triglicéridos reticulados y oxidados. El tratamiento de aceites vegetales con peroxiácidos produce epóxidos que pueden reaccionar con nucleófilos para dar grupos hidroxilo. Esto se puede hacer como un proceso de un solo paso. [5] Nótese que en el ejemplo que se muestra a continuación solo una de las tres cadenas de ácidos grasos está dibujada completamente, la otra parte de la molécula está representada por "R 1 " y el nucleófilo no está especificado. Los ejemplos anteriores también incluyen la apertura de anillo catalizada por ácido de aceite de soja epoxidado para hacer polioles oleoquímicos para espumas de poliuretano [6] y la apertura de anillo catalizada por ácido de ésteres metílicos de ácidos grasos de soja con polioles multifuncionales para formar nuevos polioles para resinas de colada. [7]
Los triglicéridos de ácidos grasos insaturados (que contienen dobles enlaces carbono-carbono) o ésteres metílicos de estos ácidos, se pueden tratar con monóxido de carbono e hidrógeno en presencia de un catalizador metálico para añadir grupos -CHO (formilo) a la cadena ( reacción de hidroformilación ) seguida de hidrogenación para dar los grupos hidroxilo necesarios. [8] En este caso, R 1 puede ser el resto del triglicérido, o un grupo más pequeño como el metilo (en cuyo caso el sustrato sería similar al biodiésel ). Si R = Me, se necesitan reacciones adicionales como la transesterificación para construir un poliol.
El aceite de ricino ha encontrado numerosas aplicaciones , muchas de ellas debidas a la presencia del grupo hidroxilo que permite la derivatización química del aceite o modifica las propiedades del aceite de ricino con respecto a los aceites vegetales que no tienen el grupo hidroxilo. El aceite de ricino experimenta la mayoría de las reacciones que experimentan los alcoholes , pero la más importante a nivel industrial es la reacción con diisocianatos para fabricar poliuretanos.
El aceite de ricino por sí solo se ha utilizado para fabricar una variedad de productos de poliuretano, que van desde revestimientos hasta espumas, y el uso de derivados del aceite de ricino sigue siendo un área de desarrollo activo. El aceite de ricino derivado con óxido de propileno [9] produce espuma de poliuretano para colchones y otro nuevo derivado se utiliza en revestimientos [10].
Aparte del aceite de ricino, que es un aceite vegetal relativamente caro y no se produce a nivel nacional en muchos países industrializados, el uso de polioles derivados de aceites vegetales para fabricar productos de poliuretano comenzó a atraer la atención a partir de 2004. Los crecientes costos de las materias primas petroquímicas y un mayor deseo público de productos ecológicos respetuosos con el medio ambiente han creado una demanda de estos materiales. [11] Uno de los partidarios más vocales de estos poliuretanos fabricados con polioles de aceite natural es Ford Motor Company , que estrenó espuma de poliuretano hecha con aceite de soja en los asientos de su Ford Mustang 2008. [12] [13] Desde entonces, Ford ha colocado asientos de espuma de soja en todas sus plataformas de vehículos de América del Norte. El interés de los fabricantes de automóviles es responsable de gran parte del trabajo que se está realizando sobre el uso de NOP en productos de poliuretano para su uso en automóviles, por ejemplo, asientos, [14] [15] y reposacabezas, apoyabrazos, insonorización e incluso paneles de carrocería. [16]
Uno de los primeros usos de los NOP (además del aceite de ricino) fue fabricar espuma de poliuretano en aerosol para aislamiento de edificios. [17]
Los NOP también se utilizan en losas de espuma de poliuretano que se utilizan para fabricar colchones convencionales [8], así como colchones de espuma viscoelástica . [18] [19]
Las características de los NOP pueden variar en un rango muy amplio. Esto se puede hacer mediante la selección del aceite natural (o aceites) base utilizado para elaborar el NOP. Además, utilizando técnicas químicas conocidas y cada vez más novedosas (Garrett & Du), es posible injertar grupos adicionales en las cadenas de triglicéridos del NOP y cambiar sus características de procesamiento y esto a su vez cambiará y modificará de manera controlada las propiedades físicas del artículo final que se está utilizando para producir el NOP. Las diferencias y modificaciones en el régimen de proceso y las condiciones de reacción utilizadas para elaborar un NOP determinado también conducen generalmente a diferentes arquitecturas químicas y, por lo tanto, a un rendimiento de uso final diferente de ese NOP; de modo que, aunque dos NOP pueden haberse elaborado a partir de la misma raíz de aceite natural, pueden ser sorprendentemente diferentes cuando se utilizan y también producirán un producto final detectablemente diferente. Comercialmente, (desde 2012) los NOP están disponibles y elaborados a partir de: aceite de sawgrass, aceite de soja, aceite de ricino (como NOP injertado), aceite de colza, aceite de palma (semilla y mesocarpio) y aceite de coco. También se está trabajando en NOP elaborados a partir de aceites animales naturales.
Inicialmente en los EE. UU. y desde principios de 2010, ha sido posible reemplazar de manera rutinaria más del 50% de los polioles de base petroquímica con NOP para su uso en espumas para losas vendidas en el mercado masivo, las industrias del mueble y la ropa de cama. La tecnología comercializada [20] también elimina o reduce en gran medida el problema del olor, mencionado anteriormente, normalmente asociado con el uso de NOP. Esto es particularmente importante cuando el NOP se va a utilizar en niveles porcentuales cada vez más altos, para tratar de reducir la dependencia de los materiales petroquímicos y para producir materiales para su uso en los segmentos de muebles domésticos y de contrato que históricamente son muy sensibles a los olores "químicos" en el producto de espuma final en los hogares y lugares de trabajo de las personas.
Entre otros efectos útiles del uso de altos niveles de polioles de aceite natural para fabricar espumas se encuentran las mejoras observadas en el rendimiento a largo plazo de la espuma en condiciones de humedad y también en la inflamabilidad de las espumas; en comparación con espumas equivalentes fabricadas sin la presencia del NOP. Las personas transpiran; y por lo tanto, las espumas utilizadas para la construcción de colchones o muebles tenderán, con el tiempo, a sentirse más suaves y brindarán menos soporte. La transpiración ablanda gradualmente la espuma. Las espumas fabricadas con altos niveles de NOP son mucho menos propensas a este problema, por lo que se puede extender la vida útil del producto tapizado. El uso de altos niveles de NOP también hace posible fabricar espumas con retardantes de llama que son permanentes y, por lo tanto, no se emiten posteriormente al entorno doméstico o laboral. Estos materiales desarrollados relativamente recientemente se pueden agregar en niveles muy bajos a las espumas de NOP para pasar pruebas tan conocidas como el Boletín Técnico de California 117 , que es una prueba de inflamabilidad bien conocida para muebles. Estos retardantes de llama permanentes no contienen halógenos y se integran en la matriz de la espuma, por lo que quedan fijados a ella. Un efecto adicional del uso de estos nuevos retardantes de llama permanentes de alta eficiencia es que el humo que se observa durante estas pruebas de fuego estándar puede reducirse considerablemente en comparación con el que se produce al probar espumas fabricadas con materiales retardantes de llama no permanentes, que no se integran en la estructura de la espuma. [21] Un trabajo más reciente realizado en 2014 con esta "química verde" ha demostrado que se pueden fabricar espumas que contienen aproximadamente el 50 por ciento en peso de aceites naturales y que producen mucho menos humo cuando se producen situaciones de incendio. La capacidad de estas espumas de baja emisión para reducir las emisiones de humo hasta en un 80% es una propiedad interesante que ayudará a escapar de situaciones de incendio y también reducirá los riesgos para los primeros intervinientes, es decir, los servicios de emergencia en general y el personal del departamento de bomberos en particular. [22]
Se pueden combinar otras tecnologías con estas características de inflamabilidad para obtener espumas que tienen emisiones generales extremadamente bajas de compuestos orgánicos volátiles, conocidos como COV.