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Urea-formaldehído

La urea-formaldehído ( UF ), también conocida como urea-metanal , llamada así por su vía de síntesis común y su estructura general, [1] es una resina o polímero termoendurecible no transparente . Se produce a partir de urea y formaldehído . Estas resinas se utilizan en adhesivos , madera contrachapada , tableros de partículas , tableros de fibra de densidad media (MDF) y objetos moldeados. En la agricultura, los compuestos de urea-formaldehído son uno de los tipos de fertilizantes de liberación lenta más utilizados . [2]

Las resinas de urea y amínicas relacionadas son una clase de resinas termoendurecibles de las cuales las resinas de urea-formaldehído constituyen el 80 % de la producción mundial. Entre los ejemplos de uso de resinas amínicas se incluyen en neumáticos de automóviles para mejorar la unión del caucho, en papel para mejorar la resistencia al desgarro y en el moldeado de dispositivos eléctricos, tapas de frascos, etc. [3]

Historia

El UF fue sintetizado por primera vez en 1884 por el Dr. Hölzer, que trabajaba con Bernhard Tollens , ninguno de los cuales se dio cuenta de que la urea y el formaldehído se estaban polimerizando. [4]

En los años siguientes un gran número de autores trabajaron en la estructura de estas resinas.

En 1896, Carl Goldschmidt investigó más a fondo la reacción y obtuvo un precipitado amorfo, casi insoluble, pero no se dio cuenta de que se estaba produciendo una polimerización; pensó que dos moléculas de urea se combinaban con tres moléculas de formaldehído. En 1897, Carl Goldschmidt patentó el uso de resinas UF como desinfectante. A esto le siguió la comercialización general y en las décadas siguientes se describieron cada vez más aplicaciones en la literatura. [5]

En 1919, Hanns John (1891-1942) de Praga, Checoslovaquia, obtuvo la primera patente para resina UF en Austria. [6]

El urea-formaldehído fue objeto de sentencia por parte del Tribunal de Justicia de las Comunidades Europeas (actualmente TJUE) de 5 de febrero de 1963, caso 26-62 Van Gend & Loos contra Netherlands Inland Revenue Administration . [7]

Propiedades

Las propiedades de la resina de urea-formaldehído incluyen alta resistencia a la tracción , módulo de flexión , alta temperatura de distorsión térmica, baja absorción de agua, contracción del molde, alta dureza superficial, alargamiento a la rotura y resistencia al volumen. Tiene un índice de refracción de 1,55. [8]

Estructura química

Dos pasos en la formación de resina de urea-formaldehído

La estructura química del polímero UF consiste en unidades repetidas [(O)CNHCH 2 NH] n . Por el contrario, las resinas de melamina-formaldehído presentan unidades repetidas NCH 2 OCH 2 N. Dependiendo de las condiciones de polimerización, puede producirse cierta ramificación. Las primeras etapas de la reacción del formaldehído y la urea producen bis(hidroximetil)urea .

Producción

Anualmente se producen alrededor de 20 millones de toneladas métricas de UF. Más del 70% de esta producción se utiliza en la industria de productos forestales para unir tableros de partículas, tableros de fibra de densidad media, madera contrachapada de madera dura y adhesivos para laminados.

Usos generales

Una gama de objetos fabricados con UF

El urea-formaldehído es omnipresente. El urea-formaldehído se utiliza ampliamente debido a su bajo costo, tiempo de reacción rápido, alta fuerza de unión, resistencia a la humedad, falta de color y resistencia a la abrasión y los microbios [9] . Los ejemplos incluyen laminados decorativos, textiles, papel, moldes de arena de fundición, telas resistentes a las arrugas , mezclas de algodón, rayón , pana , etc. También se utiliza como pegamento para madera. En la industria de la madera, se utiliza como adhesivo termoendurecible para unir madera para crear madera contrachapada y tableros de partículas. También se utiliza como pegamento para madera. El UF se usaba comúnmente al producir carcasas de electrodomésticos (por ejemplo, lámparas de escritorio). Las espumas se han utilizado como nieve artificial en películas. El urea-formaldehído se usa ampliamente en la agricultura como fertilizante de liberación lenta, que libera pequeñas cantidades del ingrediente activo con el tiempo. [10]

Uso agrícola

Los compuestos de urea-formaldehído se utilizan ampliamente como fuentes de nitrógeno de liberación lenta en la agricultura. [2] La tasa de descomposición en CO 2 y NH
3Depende de la longitud de las cadenas de urea-formaldehído y de la acción de los microbios que se encuentran de forma natural en la mayoría de los suelos. [11] La actividad de estos microbios y la velocidad de liberación de amoníaco dependen de la temperatura. La temperatura óptima para la actividad microbiana es de alrededor de 70–90 °F (21–32 °C). [12]

Aislamiento de espuma

Aislamiento de urea-formaldehído

La comercialización del aislamiento de espuma de urea-formaldehído (UFFI) data de la década de 1930 como un aislamiento sintético con una conductividad térmica de 0,0343 a 0,0373 W/m⋅K, [13] lo que equivale a valores U para un espesor de 50 mm de entre 0,686 W/m 2 K y 0,746 W/m 2 K o valores R entre 1,46 m 2 K/W y 1,34 m 2 K/W (0,26 °F⋅ft 2 ⋅h/BTU y 0,24 °F⋅ft 2 ⋅h/BTU para un espesor de 1,97 pulgadas).

El UFFI es una espuma con una consistencia similar a la de la crema de afeitar, que se inyecta o bombea fácilmente en los huecos. Normalmente se fabrica en el lugar utilizando un equipo de bomba y una manguera con una pistola mezcladora para mezclar el agente espumante, la resina y el aire comprimido. La espuma completamente expandida se bombea a las áreas que necesitan aislamiento. Se vuelve firme en cuestión de minutos, pero se cura en una semana. El UFFI se encuentra generalmente en casas construidas o reacondicionadas entre los años 1930 y 1970, a menudo en sótanos, cavidades de paredes, espacios de acceso y áticos. Visualmente, parece un líquido que rezuma y se ha endurecido. Con el tiempo, tiende a variar en tonos de caramelo, pero el UFFI nuevo es de un color amarillo claro. Las primeras formas de UFFI tendían a encogerse significativamente. El aislamiento UF moderno con catalizadores actualizados y tecnología de espumación ha reducido la contracción a niveles mínimos (entre el 2 y el 4%). La espuma se seca con un color mate opaco sin brillo. Cuando se cura, a menudo tiene una textura seca y desmenuzable.

Emisiones de formaldehído

Emisiones agrícolas

Se ha descubierto que las emisiones de la aplicación de fertilizantes a base de UF aumentan temporalmente la concentración atmosférica localizada de formaldehído [10]  y contribuyen al ozono troposférico . [14] Se ha descubierto que la aplicación de fertilizantes de UF en invernaderos causa concentraciones significativamente más altas de formaldehído en el aire dentro del edificio. [10]

Condiciones que afectan los niveles de emisiones

Las condiciones ambientales, como la temperatura y la humedad, pueden afectar los niveles de formaldehído liberado por los productos de urea-formaldehído. La exposición a una mayor humedad y a temperaturas más altas puede aumentar significativamente la cantidad de emisiones de formaldehído de los productos de UF, como los tableros de madera. [15]

Reducción de emisiones

Debido a las preocupaciones sobre las emisiones de formaldehído libre y la contaminación ambiental de los productos de urea-formaldehído, se han realizado esfuerzos efectivos para reducir el contenido de formaldehído en las resinas UF. [16] Una proporción molar más baja de formaldehído disminuye la emisión de formaldehído libre de los productos UF. Hay una disminución significativa en las emisiones de formaldehído de los tableros de partículas a base de UF de una proporción molar F/U de 2,0 a 1,0. La norma alemana para resinas UF requiere que la proporción molar F/U sea inferior a 1,2. La norma NPA de EE. UU. establece una proporción molar F/U inferior a 1,3. [17]

Preocupaciones de salud

Los materiales y productos a base de UF liberan formaldehído al aire y, por lo general, no se observan efectos sobre la salud a causa del formaldehído cuando las concentraciones en el aire son inferiores a 1,0 ppm. La aparición de irritación respiratoria y otros efectos sobre la salud, e incluso un mayor riesgo de cáncer , comienza cuando las concentraciones en el aire superan las 3,0–5,0 ppm.

Las preocupaciones de salud llevaron a la prohibición del UFFI en el estado estadounidense de Massachusetts , [18] [19] y Connecticut en 1981. [20] En 1982, la Comisión de Seguridad de Productos del Consumidor de los EE. UU. prohibió el UFFI en todo el país, [21] pero esta prohibición se revocó en 1983. [22] [23] El UFFI fue prohibido en Canadá en 1980, y sigue vigente. [24]

Véase también

Referencias

  1. ^ Usos del formaldehído
  2. ^ ab Guo, Yanle; Zhang, Min; Liu, Zhiguang; et al. (2018). "Modelado y optimización de la síntesis de fertilizantes de urea-formaldehído y análisis de los factores que afectan estos procesos". Informes científicos . 8 (1). Springer Science and Business Media LLC: 4504. Bibcode :2018NatSR...8.4504G. doi :10.1038/s41598-018-22698-8. ISSN  2045-2322. PMC  5852125 . PMID  29540771.
  3. ^ H.Deim; G. Matías; RA Wagner (2012). "Resinas amínicas". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a02_115.pub2. ISBN 978-3527306732.
  4. ^ Ver:
    • Tollens, B. (1884) "Ueber einige Derivate des Formaldehyds" (Sobre algunos derivados del formaldehído), Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft , 17  : 653–659. En la página 659, Tollens menciona de pasada: "... , aus Harnstoff und Formaldehyd hat dagegen Dr. Hölzer ein festes, schwer lösliches Derivat erhalten". (… por el contrario, a partir de urea y formaldehído el Dr. Hölzer obtuvo un derivado sólido, casi insoluble.)
    • B. Tollens (1896) "Ueber den Metileno-Harnstoff" (Sobre la metileno-urea), Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft , 29 (3): 2751–2752. Ni Hölzer ni Tollens se dieron cuenta de que la urea y el formaldehído se estaban polimerizando.
    En 1896, Carl Goldschmidt investigó más la reacción y obtuvo un precipitado amorfo, casi insoluble, pero no se dio cuenta de que se estaba produciendo una polimerización; pensó que dos moléculas de urea se estaban combinando con tres moléculas de formaldehído:
    • Goldschmidt, Carl (1896) "Ueber die Einwirkung von Formaldehyd auf Harnstoff" (Sobre el efecto del formaldehído sobre la urea), Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft , 29 (3): 2438–2439.
    • Goldschmidt, C. (1897) "Ueber die Einwirkung von Formaldehyd auf Harnstoff", Chemiker-Zeitung , 21 (46): 460.
    Goldschmidt había sugerido que la reacción podría usarse para medir la urea, por lo que en 1897, Hermann Thoms (1859-1931) de Berlín investigó más a fondo la reacción: H. Thoms (1897) "Über Harnstoffbestimmung mittelst Formaldehyds" (Sobre la determinación de urea mediante formaldehído), Berichte der Deutschen Pharmaceutischen Gesellschaft , 7  : 161-168. En la página 168, Thoms sugirió que la urea y el formaldehído podrían estar formando un polímero: "( vielleicht auch ein Polymeres dieser Zusammensetzung )" (quizás también un polímero de esta composición).
  5. ^ Meyer, Carl: Resinas de urea formaldehído: 1979: Addison-Wesley
  6. ^ Ver:
    • H. John "Verfahren zur Herstellung von Kondensationsprodukten aus Formaldehyd und Harnstoff bzw. Thioharnstoff oder anderen Harnstoffderivaten" (Proceso para la producción de productos de condensación a partir de formaldehído y urea o tiourea u otros derivados de urea), patente austriaca 78.251, 9 de octubre de 1919.
    • H. John, "Proceso para la fabricación de productos de condensación de formaldehído y carbamida o derivados de carbamida", Gran Bretaña Patente 151.016, 16 de enero de 1922.
    • Hanns John, "Fabricación de un producto de condensación de aldehído capaz de utilización técnica", Patente de EE. UU. 1.355.834, 19 de octubre de 1920.
  7. ^ Van Gend & Loos contra la Administración Tributaria de los Países Bajos
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