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Dispersión de poliuretano

Se entiende por dispersión de poliuretano , o PUD , una resina polimérica de poliuretano dispersa en agua , en lugar de en un disolvente , aunque se puede utilizar algún codisolvente. Su fabricación implica la síntesis de poliuretanos que tienen funcionalidad de ácido carboxílico o hidrófilos no iónicos como PEG ( polietilenglicol ) incorporados o colgantes de la cadena principal del polímero. [1] También se encuentran disponibles dispersiones de poliuretano de dos componentes. [2]

Fondo

Ha habido una tendencia general hacia la conversión de los sistemas de resina existentes a resinas a base de agua , por facilidad de uso y consideraciones ambientales. [3] [4] [5] En particular, su desarrollo fue impulsado por la mayor demanda de sistemas sin solventes, ya que la fabricación de recubrimientos y adhesivos implicaba la creciente liberación de solventes a la atmósfera desde numerosas fuentes. [6] El uso de solventes exentos de COV no es una panacea, ya que tienen sus propias debilidades.

El problema siempre ha sido que los poliuretanos en agua no son estables, reaccionan para producir urea y dióxido de carbono . Se han publicado muchos artículos y patentes sobre el tema. [7] [8] Por razones ambientales, incluso existe un impulso para tener PUD disponibles tanto a base de agua como de base biológica o hechos de materias primas renovables. [9] [10] [11] Los PUD se utilizan debido al deseo general de formular recubrimientos, adhesivos, selladores y elastómeros basados ​​en agua en lugar de solventes, y debido a los beneficios percibidos o supuestos para el medio ambiente.

Síntesis

Las técnicas y los procesos de fabricación han cambiado a lo largo de los años desde los descritos en los primeros artículos, publicaciones y patentes que se publicaron. Hay varias técnicas disponibles según el tipo de especie que se requiera. Se puede formar un ion que puede ser un anión formando así un PUD aniónico o se puede formar un catión formando un PUD catiónico. También es posible sintetizar un PUD no iónico. [12] Esto implica el uso de materiales que producirán una cadena principal de óxido de etileno o similar, o una cadena soluble en agua que cuelga de la cadena principal del polímero.

Los PUD aniónicos son, con diferencia, los más comunes disponibles comercialmente. Para producirlos, inicialmente se fabrica un prepolímero de poliuretano de la forma habitual, pero en lugar de utilizar solo isocianato y poliol , se incluye un modificador en la cadena principal del polímero o colgante de la cadena principal. Este modificador es/era principalmente ácido dimetilolpropiónico (DMPA). [13] Esta molécula contiene dos grupos hidroxi y un grupo de ácido carboxílico . [14] Los grupos OH reaccionan con los grupos isocianato para producir un prepolímero terminado en NCO pero con un grupo COOH colgante. Este se dispersa ahora bajo cizallamiento en agua con un agente neutralizante adecuado como trietilamina . Este reacciona con el ácido carboxílico formando una sal que es soluble en agua. Por lo general, a continuación se añade un extensor de cadena de diamina para producir un poliuretano disperso en agua sin grupos NCO libres pero con segmentos de poliuretano y poliurea . [15] Dytek A se utiliza habitualmente como extensor de cadena. [16] [17] Diversos artículos y patentes muestran que también se puede utilizar un extensor de cadena de amina con más de dos funcionalidades, como una triamina. [18] Se han llevado a cabo estudios sobre extensores de cadena. [19]

También existe una tendencia a tener una estrategia de síntesis que no se base en isocianatos. [20] Cuando se utilizan isocianatos bloqueados, no hay funcionalidad de isocianato (NCO) y, por lo tanto, la reacción del agua produce dióxido de carbono, por lo que la dispersión es más fácil. [21] Se han investigado modificadores distintos del DMPA. [22]

También es posible introducir hidrofilicidad en la molécula polimérica utilizando un extensor de cadena modificado en lugar de hacerlo en la cadena principal del polímero o en una cadena colgante. El resultado suelen ser materiales de menor viscosidad, así como mayores sólidos. [23] Una variación de esta técnica es incorporar grupos sulfonato. Las mezclas de PUD/poliacrilato se pueden preparar de esta manera también utilizando emulsionantes internos. [24]

Los PUD catiónicos también introducen componentes hidrófilos cuando se sintetizan, entre ellos, las entidades de fosfonio. [25] Se han investigado y se están investigando técnicas para mejorar el rendimiento y las propiedades de resistencia al agua mediante diversas técnicas, entre ellas la introducción de polidimetilsiloxano ramificado en estrella. [26]

Se han realizado y publicado investigaciones que demuestran que no es la velocidad de dispersión, la agitación mecánica o la mezcla a alta velocidad lo que tiene el mayor efecto sobre las propiedades, sino más bien la composición química. Sin embargo, la distribución del tamaño de las partículas se puede controlar hasta cierto punto mediante esto. [27]

Usos

Se utilizan en recubrimientos , adhesivos , selladores y elastómeros . Los usos específicos incluyen recubrimientos industriales, [28] resinas de recubrimiento UV, [29] [30] recubrimientos de suelo, [31] recubrimientos de higiene, [32] recubrimientos de madera, [33] adhesivos, [34] recubrimientos de hormigón, [35] recubrimientos de automoción, [36] [37] recubrimientos transparentes [38] y aplicaciones anticorrosivas. [39] También se utilizan en el diseño y fabricación de dispositivos médicos como el apósito de poliuretano, un vendaje líquido basado en dispersión de poliuretano. [40] Para mejorar su funcionalidad en aplicaciones retardantes de llama , se están desarrollando productos que tienen esta característica incorporada en la molécula de polímero. [41] También se han encontrado uso en aplicaciones textiles generales como el recubrimiento de no tejidos. [42] También se han sintetizado recubrimientos de cuero con propiedades antibacterianas utilizando PUD y nanopartículas de plata. [43] Sobre un tema similar, las innovaciones recientes (posteriores a 2020) han incluido la producción de un poliuretano a base de agua que tiene partículas de plata incrustadas para combatir el COVID . [44] Sobre un tema similar, se han desarrollado PUD con propiedades antimicrobianas. [45]

Debilidades y desventajas

Aunque se considera que tienen buenas credenciales ambientales [46] [47] [48] [49] [50] [51 ] [52] [ 53] [54 ] [55] [56] [57] [58] las dispersiones de poliuretano a base de agua tienden a sufrir una resistencia mecánica menor que otras resinas. El uso de polioles a base de policarbonato en la síntesis puede ayudar a superar esta debilidad. [59] La resistencia al desgaste y la corrosión tampoco es tan buena y, por lo tanto, a menudo se hibridan. [60] [61] Otras estrategias utilizadas para superar algunas de las debilidades incluyen el diseño molecular y la mezcla/composición con materiales inorgánicos en lugar de poliméricos. [62] El uso de un centro aniónico o catiónico o, de hecho, una técnica de fabricación no iónica hidrófila tiende a dar como resultado una debilidad de resistencia al agua incorporada permanente. Se están realizando investigaciones y se están desarrollando técnicas para combatir esta debilidad. [63] También se ha empleado la mezcla simple. Esto tiene la ventaja de que si no se ha formado una nueva molécula, sino que simplemente se ha mezclado con materias primas registradas existentes, se puede evitar el trabajo necesario para obtener el registro del material en varios regímenes nacionales, como REACH en Europa y TSCA en los Estados Unidos. Debido a que la tensión superficial del agua es tan alta, los poros y otros problemas de arrastre de aire tienden a ser más comunes y necesitan aditivos especiales para combatirlos. [64] También tienden a no fabricarse con polioles de base biológica porque los polioles de base vegetal no tienen grupos funcionales que mejoren el rendimiento. Es posible realizar modificaciones para lograr esto y permitir versiones aún más ecológicas. [65]

El secado, el curado y la reticulación tampoco suelen ser tan buenos y, por lo tanto, se están realizando investigaciones en el área de la post-reticulación para mejorar estas características. [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77]

Híbridos

Las desventajas de los PUD se están mejorando mediante la investigación. [78] [79] [80] [81] La hibridación utilizando otros materiales y técnicas es una de esas áreas. Los PUD a base de agua y curables con UV se están investigando intensamente con más de 100 artículos de investigación producidos en el período de tiempo 2000-2020. [29] [82] [83] [84] [85] [86] Se han producido PUD a base de agua: acrilatos basados ​​en aceite de soja epoxidado que también son curables con UV y son factibles. [87] La ​​naturaleza del acrilato afecta las propiedades. [88] Un uso de los híbridos es en acabados textiles. [89]

A medida que se introducen centros iónicos con PUDs a base de agua, la resistencia y la absorción de agua en la película final se han estudiado ampliamente. La naturaleza del poliol y el nivel de grupos COOH y la modificación hidrofóbica con otras fracciones pueden mejorar esta propiedad. Los polioles de poliéster brindan las mayores mejoras. [82] [90] Los polioles de policarbonato también mejoran las propiedades, [91] especialmente si el policarbonato también está fluorado. [92] El refuerzo de los PUDs con nanomateriales también mejora las propiedades, [93] [94] al igual que la modificación con silicona. [95] [96] [97]

Para hacer que los PUD sean más hidrófobos y repelentes al agua y, de esta manera, eliminar una debilidad, se han investigado varias técnicas. Una forma es agregar acrilato de hidroxietilo al poliol que reacciona con isocianato. Una vez que se fabrica el PUD, tendrá la funcionalidad de doble enlace terminal del acrilato. Ahora, este se puede copolimerizar con un acrilato muy hidrófobo, como el acrilato de estearilo, utilizando técnicas de radicales libres. Esta larga cadena de alquilo introducida confiere hidrofobicidad. [98]

Otro método de hibridación consiste en preparar un PUD que sea aniónico pero con una modificación no iónica muy importante utilizando un poliol de poliéter basado en óxido de etileno. Además, se puede incorporar un diol de silicona. [99]

Como las resinas epoxi tienen algunas propiedades excepcionales, se están realizando investigaciones que utilizan epoxi para modificar PUD. [100]

Se han producido e investigado PUD que se basan en tiol en lugar de hidroxilo y también modificados con funcionalidad tanto de acrilato como de epoxi. [101]

Como los PUD son resinas dispersas en agua, cuando se moldean como una película y se secan tienen un brillo inherentemente alto. Se pueden diseñar para que sean mate/planos incorporando la funcionalidad de siloxano. [102]

Dado que los PUD suelen considerarse ecológicos y respetuosos con el medio ambiente, las técnicas que se están investigando también incluyen la captura de dióxido de carbono de la atmósfera para fabricar las materias primas y luego una mayor síntesis. [103]

Véase también

Referencias

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