El poliuretano (PU), también conocido como poliuretano, es un material polimérico con excelentes propiedades mecánicas formado por la reacción de policondensación de polioles y poliisocianatos. Su síntesis se remonta a 1937, cuando el profesor Byaer sintetizó por primera vez una resina de poliuretano lineal utilizando diisocianato de 1,6-hexametileno y 1,4-butanodiol como materias primas. Los principales tipos de poliuretano incluyen poliéter, poliéster, poliimida, poliurea, etc. Se pueden convertir en plásticos de poliuretano (principalmente plásticos de espuma), fibras de poliuretano (llamadas spandex en China), caucho de poliuretano y elastómeros. Y otros materiales.
Tras casi ocho décadas de desarrollo tecnológico, este material se ha utilizado ampliamente en productos como recubrimientos, adhesivos, agentes de acabado de telas, modificadores de cuero, espumas de poliuretano blandas/rígidas, elastómeros, etc., y se emplea en los sectores textil, de la construcción, la aviación, el transporte marítimo, el transporte terrestre, la medicina y la electrónica. El poliuretano blando es principalmente una estructura lineal termoplástica . Posee mayor estabilidad, resistencia química, elasticidad y propiedades mecánicas que los materiales de espuma de PVC , y presenta menor deformación por compresión. Ofrece buen aislamiento térmico, acústico, antisísmico y propiedades antitóxicas. Por lo tanto, se utiliza como material de embalaje, aislamiento acústico y filtración. El poliuretano rígido es ligero, posee excelentes propiedades de aislamiento acústico y térmico, es resistente a productos químicos, tiene buenas propiedades eléctricas, es fácil de procesar y presenta baja absorción de agua. Se utiliza principalmente en la construcción, la automoción, la industria aeronáutica y como material estructural de aislamiento térmico. El rendimiento de los elastómeros de poliuretano se sitúa entre el de los plásticos y los cauchos. Es resistente al aceite, al desgaste, a las bajas temperaturas y al envejecimiento, además de ser muy duro y elástico. Se utiliza principalmente en la industria del calzado y en la industria médica. El poliuretano también se puede usar para fabricar adhesivos, recubrimientos, cuero sintético, etc.
Propiedades físicas y químicas
Propiedades físicas
Propiedades físicas: Las propiedades físicas del poliuretano varían según su tipo. En términos generales, la densidad del poliuretano está entre 1.2 y 1.3 g/cm³. Tiene las características de alta densidad, alta resistencia, alta tenacidad y alta resistencia al desgaste. El poliuretano tiene un aspecto líquido viscoso de color amarillo o amarillo parduzco. Es insoluble en agua, pero soluble en disolventes orgánicos como el estireno y el xileno. Su punto de fusión, densidad relativa, solubilidad y otras propiedades físicas y químicas varían según el tipo específico.
Propiedades químicas
Propiedades físicas: Las propiedades físicas del poliuretano varían según su tipo. En términos generales, la densidad del poliuretano está entre 1.2 y 1.3 g/cm³. Tiene las características de alta densidad, alta resistencia, alta tenacidad y alta resistencia al desgaste. El poliuretano tiene un aspecto líquido viscoso de color amarillo o amarillo parduzco. Es insoluble en agua, pero soluble en disolventes orgánicos como el estireno y el xileno. Su punto de fusión, densidad relativa, solubilidad y otras propiedades físicas y químicas varían según el tipo específico.
Datos de química computacional
Peso molecular: 302.37 g / mol
Masa exacta: 302.18417193
Masa isotópica: 302.18417193
Complejidad: 230
Número de enlaces químicos giratorios: 11
Número de donantes de enlaces de hidrógeno: 3
Número de aceptores de enlaces de hidrógeno: 7
Área de superficie topológica: 120
Número de átomos pesados: 21
Número de estereocentros atómicos determinados: 0
Número de estereocentros atómicos inciertos: 0
Determinar el número de estereocentros de enlace químico: 0
Número de estereocentros de enlaces químicos inciertos: 0
Recuento de átomos de isótopos: 0
Número de unidades de enlace covalente: 2
Descripción general del desarrollo
El poliuretano (PU) fue desarrollado por primera vez por científicos alemanes en la década de 1930. Los científicos alemanes policondensaron isocianato líquido y poliéter líquido o poliéster diol para producir un nuevo material. Los parámetros de rendimiento físico de este material eran diferentes a los de los materiales de poliolefina de la época. Los científicos lo llamaron poliuretano. Con el final de la Segunda Guerra Mundial, la industria de fabricación de productos químicos en los Estados Unidos floreció y los plásticos de espuma blanda de poliuretano se sintetizaron en la década de 1950. Esta fue una investigación histórica en la industria química de la época y proporcionó una base técnica sólida para el desarrollo futuro de la industria del poliuretano.
Panorama del mercado principal de materias primas
Las principales materias primas para la producción de poliuretano son el diisocianato de difenilmetano (MDI), el diisocianato de tolueno (TDI) y el polipropilenglicol (PPG), que se han convertido en productos básicos a nivel internacional. La tecnología y los equipos para su producción son muy complejos, y la competencia en el mercado es feroz. Como resultado de un desarrollo prolongado, la producción se ha concentrado relativamente.
El término isocianato se utiliza para designar a diversos ésteres de ácido isociánico. Si se clasifica por el número de grupos -NCO, incluye monoisocianato RN=C=O, diisocianato O=C=NRN=C=O y poliisocianato, etc. También se puede dividir en isocianato alifático e isocianato aromático. Actualmente, el isocianato aromático es el más utilizado, como el diisocianato de tolueno TDI y el diisocianato de difenilmetano MDI.
(1) Diisocianato de tolueno TDI (peso molecular relativo 174.16)
El TDI es un líquido transparente de color amarillo claro o incoloro con un olor penetrante. Tiene las ventajas de ser económico, almacenarse y transportarse cómodamente, pero no es resistente al amarilleo. Tiene una alta reactividad, debido principalmente al efecto de atracción de electrones del anillo de benceno en su estructura. La temperatura de reacción debe controlarse durante la síntesis.
Se divide principalmente en 2 isómeros: 2,4-TDI y 2,6-TDI.1. Existen 3 tipos principales en la industria: (1) TDI-100 contiene 100% 2,4-TDI; (2) TDI-80 contiene 80% 2,4-TDI y 20% 2,6-TDI; (3) TDI-65 contiene 65% 2,4-TDI y 35% 2,6-TDI, entre los cuales el TDI-80 es el más común.
(2) MDI diisocianato de difenilmetano (peso molecular relativo 250.26)
El MDI incluye principalmente MDI puro, MDI polimerizado, MDI licuado, MDI crudo, etc. El MDI puro es un sólido blanco o amarillo claro, tóxico, inestable a temperatura ambiente, fácil de autopolimerizar y debe almacenarse por debajo de los 5 °C. El MDI polimerizado es un líquido marrón transparente y se puede almacenar a temperatura ambiente. El MDI crudo es una mezcla de MDI polimerizado y MDI puro, también conocido como PAPI. El MDI tiene buena regularidad molecular, dureza, resistencia a los solventes y resistencia al agua, pero no es resistente al amarilleo. Se utiliza principalmente como materia prima para pistas de plástico, espumas blandas y duras, etc.
En la producción industrial actual, el TDI y el MDI son sustitutos. La densidad de la espuma producida por el sistema TDI es relativamente grande, mientras que el poliuretano producido por el MDI tiene una mejor moldeabilidad.
La tecnología de producción y los requisitos de equipamiento para el MDI son relativamente complejos, y la tecnología de producción está controlada por varias empresas gigantes de todo el mundo. Más del 95% de las empresas productoras de MDI del mundo se concentran en Asia y Europa. En comparación con los dos, la tasa de crecimiento del mercado europeo no es tan rápida como la de Asia, pero su industria de MDI comenzó antes y el mercado es más maduro.
Después de la firma del Tratado de Libre Comercio entre China y Corea del Sur el 1 de junio de 2015, la tasa impositiva sobre las materias primas de poliuretano cambió. La tasa impositiva de exportación de poli MDI chino cayó más rápido que la tasa impositiva de importación. Con el aumento de la capacidad y la producción del mercado interno de poli MDI, la dependencia de las importaciones disminuyó y la dependencia de las exportaciones aumentó.
(3) Polioxipropilenglicol PPG
Los enlaces de éter de los polioles de poliéter son fáciles de rotar y se pueden utilizar para preparar poliuretanos a base de agua con buena flexibilidad. Los enlaces de éter son resistentes a la hidrólisis y el poliuretano tiene buena resistencia a la hidrólisis. Sin embargo, sus átomos de carbono se oxidan fácilmente, por lo que la estabilidad térmica del material es pobre. El PPG es una de las principales materias primas para la producción de productos de poliuretano. Su uso en plásticos de espuma de poliuretano puede alcanzar más del 90%, lo que representa la mayor proporción de uso. Debido a la gran escala de las instalaciones de producción de polioles de poliéter, la capacidad de producción se concentra principalmente en varias grandes empresas multinacionales como BASF, Bayer, Dow Chemical y Shell. Los fabricantes de polioles de poliéter de China solo han formado una cierta escala a través de la introducción de tecnología y la investigación y el desarrollo independientes. En los últimos años, con la expansión de los grandes fabricantes, las variedades y especificaciones de los polioles de poliéter están básicamente completas, y la calidad y la estabilidad del producto también han mejorado enormemente.
Clasificación
Clasificación por apariencia
Según la apariencia del poliuretano (forma de dispersión y tamaño de partícula), se puede clasificar en: solución acuosa de poliuretano, dispersión de poliuretano y emulsión de poliuretano (Tabla 1).
| Nombre | Solución acuosa de poliuretano | Emulsión de poliuretano | Dispersión de poliuretano |
|---|---|---|---|
| estado | Dispersión coloidal | dispersión | dispersión |
| Apariencia | transparente | Turbidez blanca | Translúcido blanco lechoso |
| Tamaño de partícula/nm | Menos de 10 | 10 100 ~ | Mayor que 100 |
| Peso molecular relativo | 100 1000 ~ | Más de 5000 | 1000 200,000 ~ |
Clasificación por grupo hidrofílico
Según los diferentes tipos de grupos iónicos y cargas, se clasifican en aniónicos, catiónicos y no iónicos. (Tabla 2).
| Nombre | Caracteristicas |
|---|---|
| Aniónicos | Los grupos aniónicos se unen a la cadena principal o a la cadena lateral, principalmente del tipo ácido sulfónico y del tipo hidroxiácido. Los iones se introducen a través de extensores de cadena y se forma poliuretano aniónico después de la emulsión. |
| Catiónico | Se introduce un grupo amina terciaria en la cadena principal o en la cadena lateral y, después del tratamiento de cuaternización, contiene iones amonio o iones sulfonio (principalmente iones de amonio cuaternario). |
| No iónico | La molécula no contiene grupos iónicos y el emulsionante y el poliuretano se emulsionan mediante una máquina de cizallamiento o se utilizan grupos hidrófilos no iónicos como materias primas para la emulsificación. |
Clasificación por uso
Según la forma de uso se puede dividir en dos categorías: monocomponente y bicomponente. (Tabla 3).
| Nombre | Caracteristicas |
|---|---|
| Componente único | El poliuretano a base de agua requerido se puede obtener sin agregar agente reticulante y se puede utilizar directamente. |
| Dos componentes | Se debe añadir un agente reticulante, que no se puede utilizar solo. Alternativamente, se puede añadir un agente reticulante a un poliuretano monocomponente a base de agua para aumentar la adherencia, de modo que la materia prima de poliuretano y el agente reticulante formen un poliuretano de dos componentes. |
Estado actual de la investigación sobre la modificación del poliuretano
Existen muchos tipos de poliuretano a base de agua (WPU), que tienen las ventajas de una gran funcionalidad, baja volatilidad, poco olor y buena resistencia al desgaste, y se utilizan ampliamente en diversas industrias. Sin embargo, la mala resistencia al agua y al calor ha limitado el desarrollo del poliuretano a base de agua hasta cierto punto, que puede tratarse mediante modificación.
Generalmente, se modifica mediante ácido acrílico , fluoruro orgánico, silicio orgánico, nanomateriales, resina epoxi, materiales de origen biológico y reticulación. Además, la modificación de otros materiales con poliuretano es también un tema de investigación de gran interés.
Modificación del ácido acrílico
El ácido acrílico tiene buena estabilidad a la luz, resistencia a la intemperie, resistencia a ácidos y álcalis, resistencia al agua y no es fácil de amarillear. También es económico. Actualmente, la modificación del ácido acrílico adopta principalmente métodos como bloque, injerto y polimerización en emulsión núcleo-capa. A través de la modificación del ácido acrílico, se puede mejorar la adhesión, la resistencia a la intemperie y el contenido sólido del poliuretano. El poliuretano de bajo costo preparado por este método tiene amplias perspectivas de aplicación y actualmente se usa ampliamente en muchos campos. Por ejemplo, se preparó una capa superhidrofóbica usando poliuretano acrílico y una suspensión bactericida de ZnO hidrófoba, usando emulsionantes reactivos en lugar de emulsionantes tradicionales para preparar poliuretano a base de agua con tamaño de partícula pequeño, distribución de partículas estrecha y alto contenido de sólidos, o usando acrilato de hexafluorobutilo (FA) para mejorar la estabilidad térmica y la resistencia a la tracción de la película.
Modificación del flúor orgánico
El átomo de flúor en el flúor orgánico tiene una alta energía de enlace CF y una longitud de enlace corta, y tiene buena resistencia al agua, resistencia a los solventes químicos, resistencia al calor, resistencia biológica, resistencia al desgaste y aislamiento. La introducción de flúor orgánico en el poliuretano es uno de los métodos de modificación comunes. Se mejoran la resistencia al calor y la resistencia al agua de la película de poliuretano modificada.
Modificación de silicona
La cadena principal de silicona contiene enlaces Si-O-Si, y los grupos laterales están formados por grupos orgánicos conectados a átomos de silicio. Tiene las ventajas de estabilidad térmica, resistencia al agua, resistencia a la intemperie, resistencia a la corrosión, no toxicidad, insípido y biocompatibilidad. El uso de silicona para modificar el poliuretano puede mejorar las propiedades mecánicas de la película y dar al poliuretano propiedades como resistencia al agua, resistencia a la intemperie y baja energía superficial. Actualmente, existen cinco métodos principales: (1) método de modificación de silanol; (2) método de modificación de polisiloxano de aminoalquilo; (3) método de modificación de polisiloxano de hidroxialquilo; (4) método de modificación de reticulación de alcoxisilano; (5) método de modificación de silsesquioxano tipo jaula (POSS). Después de la modificación, las propiedades del material se mejoran de manera efectiva.
Modificación de nanomateriales
La modificación de nanomateriales puede mejorar las propiedades mecánicas de la película, otorgarle funciones como aislamiento térmico, hidrofobicidad y conductividad, y también puede formar una estructura de poros abiertos. En la actualidad, los nanomateriales metálicos y los nanomateriales de carbono son los materiales principales, entre los que se estudian ampliamente el TiO2, el grafeno y los nanotubos de carbono. El poliuretano modificado se utiliza principalmente en medicina, aeroespacial, electrónica, etc.
Modificación de resina epoxi
La resina epoxi tiene grupos epoxi, enlaces éter, grupos hidroxilo, etc. Tiene buena estabilidad, resistencia mecánica, adherencia, pequeña contracción de curado y bajo precio. El método de modificación consiste principalmente en introducir grupos epoxi en el poliuretano a través de la apertura del anillo, y se mejora la resistencia al agua y a los disolventes de la emulsión de poliuretano modificada. Sin embargo, después de la modificación, es frágil y carece de tenacidad, lo que limita su aplicación en campos de alta gama. Se utiliza principalmente en electrónica, aeroespacial, transporte y otros campos.
Modificación de reticulación
La modificación por reticulación se refiere al entrecruzamiento entre moléculas de poliuretano y moléculas introducidas. Esta modificación se divide en reticulación interna, externa y auto-reticulación. Generalmente, el poliuretano modificado por reticulación interna es monocomponente, el modificado por reticulación externa es bicomponente, y la modificación por auto-reticulación se refiere a la introducción o mezcla de grupos reticulantes. Tras la modificación, la resistencia al agua, al calor, a los disolventes y las propiedades mecánicas de la película de poliuretano mejoran significativamente.
Modificación de materiales de origen biológico
Los materiales de origen biológico son principalmente materiales respetuosos con el medio ambiente que se utilizan para modificar el poliuretano. Por ejemplo, el quitosano, la lignina, la celulosa, etc. tienen la ventaja de ser renovables y ecológicos.
Clasificación del producto
Los productos de poliuretano incluyen principalmente los siguientes: plásticos espumados, elastómeros, plásticos fibrosos, fibras, resinas para cuero y calzado, recubrimientos, adhesivos y selladores, entre los cuales los plásticos espumados representan la mayor proporción.
Espuma de poliuretano
La espuma de poliuretano se divide en dos tipos: espuma dura y espuma blanda. Tiene una excelente elasticidad, elongación, resistencia a la compresión y suavidad, así como una buena estabilidad química. Además, la espuma de poliuretano tiene excelentes propiedades de procesamiento, adhesión, aislamiento térmico y otras, y es un material de amortiguación de alto rendimiento.
Elastómero de poliuretano
Dado que los elastómeros de poliuretano tienen dos segmentos, uno blando y otro duro, en su estructura, se les pueden otorgar excelentes propiedades como alta resistencia, buena tenacidad, resistencia al desgaste y resistencia al aceite mediante el diseño de la cadena molecular. El poliuretano, conocido como “caucho resistente al desgaste”, tiene tanto la alta elasticidad del caucho como la rigidez del plástico.
Plástico de fibra de poliuretano
El plástico de fibra de poliuretano tiene una alta resistencia a la tracción y tenacidad, lo que lo convierte en un material preferido en muchas aplicaciones. Tiene buena resistencia al desgaste y excelente resistencia al aceite, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren un rendimiento antidesgaste, como cuerdas, materiales para calzado deportivo, etc., y puede mantener un rendimiento estable en entornos donde hay algunos aceites y productos químicos presentes. Las fibras de poliuretano muestran una alta elasticidad y resiliencia, lo que las hace ampliamente utilizadas en aplicaciones con altos requisitos de elasticidad, como telas elásticas, resortes, etc.
Recubrimiento de poliuretano
Estado de la aplicación
Con la mejora continua de los estándares de vida de los materiales del público en general, los recubrimientos de poliuretano han entrado en una nueva etapa de rápido desarrollo con sus ventajas de rendimiento sobresalientes. Según los datos estadísticos, de 1980 a 2004, el uso de recubrimientos de poliuretano en varias industrias ha mostrado una tendencia de desarrollo muy rápida. El uso total de recubrimientos de poliuretano ha logrado un desarrollo revolucionario de 1,700 a 200,000 toneladas. La producción de recubrimientos de poliuretano es superada solo por la pintura de resina alquídica, la pintura de resina acrílica y la pintura de resina fenólica, convirtiéndose en la cuarta variedad más grande en el campo de los recubrimientos. Esta tendencia de desarrollo continúa hasta el día de hoy, y su producción y alcance de uso aún mantienen una tendencia de desarrollo muy rápido.
Desde la perspectiva de la investigación, el desarrollo y la aplicación de los recubrimientos de poliuretano, el más común sigue siendo el de dos componentes, y su ámbito de aplicación en los campos del recubrimiento de muebles de madera se amplía y mejora constantemente. Además, los recubrimientos de poliuretano de un solo componente siguen teniendo ventajas de aplicación muy sólidas en los campos del procesamiento de automóviles y la impermeabilización de sótanos. Este tipo de recubrimiento utiliza poliuretano como material principal y tiene un valor de aplicación muy bueno en la producción de varios tipos de pinturas y barnices. La pintura de poliuretano acrílico recientemente desarrollada utiliza biuret como agente de curado, y su valor de aplicación en la pintura de reparación de automóviles es bastante confiable. Especialmente para vehículos ligeros, autobuses grandes y furgonetas, la función de recubrimiento en el procesamiento de vehículos es muy digna de reconocimiento y las perspectivas de mercado son bastante considerables. Los diversos tipos nuevos de recubrimientos de poliuretano desarrollados sobre la base de recubrimientos de poliuretano acrílico también pueden desempeñar un valor de aplicación en otros campos de fabricación y procesamiento para cumplir con los requisitos de calidad de procesamiento de objetos procesados, como electrodomésticos y trenes.
Además, se están desarrollando e investigando rápidamente recubrimientos especiales de poliuretano que se pueden utilizar en revestimientos de suelos, revestimientos de máquinas herramienta, revestimientos de superficies de equipos aeroespaciales y otros campos. Los informes pertinentes revisaron y analizaron la clasificación, las características y los campos de aplicación de los recubrimientos de poliuretano actuales.
Investigación y desarrollo
(1) Recubrimiento de poliuretano a base de agua
En 1942, P. Schlack de Alemania sintetizó por primera vez una emulsión de poliuretano a base de agua, y el desarrollo del poliuretano entró en una nueva era. En 1967, Estados Unidos tomó la delantera en la industrialización. En 1972, Dieterich de la empresa Bayer en Alemania preparó con éxito recubrimientos de poliuretano a base de agua utilizando diisocianato y diol como materias primas. En comparación con la síntesis de P. Schlack, el tamaño de partícula es menor (0.03-100.00 μm).
En la actualidad, la producción anual de resina de poliuretano a base de agua en el mundo es de aproximadamente 50,000 a 60,000 toneladas. Los recubrimientos de poliuretano a base de agua utilizan agua como medio de dispersión del recubrimiento. Hay menos disolventes orgánicos en todo el sistema de estructura de recubrimiento de poliuretano, lo que cumple con los requisitos de ahorro de energía y reducción de emisiones de la protección ambiental actual en el campo de los recubrimientos. Por lo tanto, la aplicación y el desarrollo de recubrimientos de poliuretano a base de agua en campos relacionados son cada vez más importantes y valorados por los expertos de la industria. Hasta ahora, aunque la proporción de aplicación de recubrimientos de poliuretano en todo el campo de recubrimientos en China es solo de aproximadamente el 4%, la aplicación de ingeniería de recubrimientos de poliuretano a base de agua ha mantenido una tasa de crecimiento de casi el 10% en los últimos años. En términos generales, los recubrimientos de poliuretano a base de agua no requieren dispersantes o emulsionantes adicionales, y el tamaño molecular y la estructura molecular se pueden ajustar adecuadamente según la situación. En vista de esta característica, en comparación con los recubrimientos de látex tradicionalmente utilizados, los recubrimientos de poliuretano a base de agua pueden tener mejores propiedades de formación de película a baja temperatura, sin la necesidad de agregar plastificantes y coadyuvantes de formación de película en proporciones adecuadas. En comparación con otros recubrimientos, los recubrimientos de poliuretano a base de agua no solo tienen una buena apariencia, sino que también tienen un tiempo de secado corto, lo que muestra una ventaja única en el campo de los recubrimientos de madera. Los recubrimientos de cuero acrílicos a base de solventes tradicionales están siendo reemplazados gradualmente por recubrimientos de cuero de poliuretano a base de agua. Con sus ventajas en resistencia química y resistencia a bajas temperaturas, han atraído mucha atención y atención de los profesionales del recubrimiento de cuero. Además, este tipo de material también tiene un valor de aplicación muy específico en campos relacionados como plásticos, vehículos, industria y anticorrosión, y tiene un espacio de desarrollo muy amplio.
El rendimiento de los recubrimientos de poliuretano a base de agua todavía tiene ciertas limitaciones, y la resistencia al agua insuficiente es uno de los factores más importantes que afectan la aplicación de recubrimientos de poliuretano a base de agua en la práctica. Además, existen ciertos problemas con la aplicación de recubrimientos de poliuretano a base de agua durante la construcción de ingeniería. Por ejemplo, para los recubrimientos de poliuretano a base de agua de dos componentes, la velocidad de secado es relativamente lenta después de agregarse a las materias primas de construcción y lleva mucho tiempo mantenerla. Las burbujas de dióxido de carbono generadas durante la reacción entre los recubrimientos de poliuretano a base de agua y el agua pueden permanecer en la película de recubrimiento en grandes cantidades, lo que afecta su rendimiento. Además, los altos costos también se han convertido en uno de los principales factores que afectan la aplicación industrial de los recubrimientos de poliuretano a base de agua. Más importante aún, en los recubrimientos de poliuretano a base de agua, la gran cantidad de recubrimientos a base de agua agregados puede afectar el sustrato de hierro en la construcción de ingeniería, lo que genera problemas de corrosión instantánea e incluso afecta la humectabilidad y el rendimiento de apariencia del recubrimiento de la superficie. En vista de los problemas anteriores, con el fin de promover un mayor desarrollo de los recubrimientos de poliuretano a base de agua, los recubrimientos de poliuretano dispersables en agua modificados con compuestos deben tomarse como la dirección de desarrollo y el foco de investigación en el futuro, y se deben hacer intentos para introducir algunas estructuras moleculares con funciones especiales, como cadenas de polímeros que contienen silicio y cadenas de polímeros que contienen flúor, en la cadena de poliuretano para mejorar el rendimiento integral de la película de recubrimiento y aprovechar al máximo sus ventajas en resistencia a altas temperaturas, resistencia al agua y resistencia a la intemperie. Los recubrimientos de poliuretano a base de agua de dos componentes de alto rendimiento y bajo contenido de COV también pueden tomarse como el foco de investigación y desarrollo, al tiempo que se reduce el costo de los recubrimientos de poliuretano y se mejora la eficiencia de uso.
(2) Recubrimiento de poliuretano modificado
Para el recubrimiento de poliuretano relativamente simple, su apariencia, brillo, resistencia al agua y dureza aún tienen ciertas limitaciones en el proceso de producción y aplicación industrial. Por lo tanto, es posible intentar mejorar su nivel de rendimiento mediante el desarrollo de recubrimientos de poliuretano modificados. Bajo el nivel técnico actual, existen dos tipos de métodos de modificación que se pueden aplicar a los materiales de poliuretano: el primero es intervenir por métodos químicos para que los recubrimientos de poliuretano puedan tener dos o más características; el segundo es intervenir por métodos físicos para mezclar dos o más materiales de resina con características complementarias para que los recubrimientos de poliuretano puedan tener propiedades diversificadas. Entre ellos, para los materiales de silicona, este material tiene una serie de características y ventajas como no corrosivo, no tóxico, retardante de llama, resistente al ozono, resistente al envejecimiento por la intemperie y aislamiento eléctrico, y tiene un muy buen valor de aplicación en la modificación y procesamiento de recubrimientos de poliuretano. Bayer tomó la delantera en la investigación básica y el desarrollo de recubrimientos en polvo de poliuretano y desarrolló con éxito un sistema cerrado de reticulación de isocianato. El sistema de curado IPDI bloqueado con caprolactama es el más utilizado y su temperatura de curado es superior a 170 ℃. Este curado a alta temperatura favorece la alta nivelación de la película de recubrimiento y es una variedad sin subproductos volátiles. Informes anteriores también han señalado que los intentos de combinar materiales de silicona con recubrimientos de poliuretano y aplicar métodos apropiados para la modificación y el procesamiento pueden superar significativamente los defectos de rendimiento de los materiales de poliuretano, lo que es de gran valor para ampliar el campo de aplicación de los materiales de poliuretano. Al mismo tiempo, la estructura química del polisiloxano es relativamente especial, mostrando una excelente estabilidad, biocompatibilidad, aislamiento eléctrico y resistencia a altas y bajas temperaturas. Desde la década de 1940, se ha utilizado ampliamente en las prácticas de producción industrial. En el proceso de investigación y desarrollo de materiales de poliuretano modificado, es posible intentar utilizar el polisiloxano como segmento blando para sintetizar copolímeros en bloque de polisiloxano-poliuretano para resaltar las ventajas tanto del poliuretano como del polisiloxano, y destacar las ventajas sobresalientes del recubrimiento de poliuretano modificado en términos de enriquecimiento de la superficie, propiedades dieléctricas y biocompatibilidad. Tiene un espacio de aplicación y un potencial de desarrollo muy amplios.
(3) Recubrimientos de poliuretano respetuosos con el medio ambiente
Influenciado por los requisitos de protección ambiental y los requisitos para el desarrollo sostenible de toda la industria de recubrimientos, el personal relevante en la industria debe explorar y desarrollar activamente productos de recubrimiento de poliuretano con beneficios ambientales, como recubrimientos de poliuretano fotopolimerizables, materiales de poliuretano de baja viscosidad con alto contenido de sólidos y materiales de poliuretano en polvo. Los recubrimientos de poliuretano presentados en forma de polvos pueden tener buenas propiedades físicas y mecánicas y resistencia química, al mismo tiempo que muestran una buena apariencia. Los materiales de resina de dispersión de poliuretano a base de agua tienen muchas ventajas sobre los materiales poliméricos con otras estructuras y están en línea con los requisitos de protección ambiental. Se pueden dispersar en agua, no tienen isocianato libre, no son tóxicos y tienen buena adherencia al sustrato. Los recubrimientos de poliuretano de dos componentes a base de agua están compuestos de polioles a base de agua que contienen grupos -OH y agentes de curado de poliisocianato de baja viscosidad que contienen grupos -NCO. El rendimiento de la película de recubrimiento está determinado principalmente por la composición y estructura de la resina hidroxílica.
Los recubrimientos de poliuretano monocomponente a base de agua son un tipo de recubrimiento que utiliza resina de poliuretano a base de agua como material base y agua como medio de dispersión. Los recubrimientos de poliuretano a base de agua modificados por reticulación tienen buena estabilidad de almacenamiento, propiedades mecánicas de película, resistencia al agua, resistencia a los disolventes y resistencia al envejecimiento, y son similares al rendimiento de los recubrimientos de poliuretano a base de disolventes tradicionales. Deben considerarse como una de las direcciones de desarrollo más importantes para los recubrimientos de poliuretano respetuosos con el medio ambiente. Desde la perspectiva de las tendencias de desarrollo futuras, los recubrimientos en polvo de poliuretano se han convertido en una de las direcciones de desarrollo más importantes en todo el campo de los recubrimientos, y su proporción en varios tipos de recubrimientos en polvo e incluso recubrimientos de poliuretano aumenta constantemente. Por ejemplo, en el mercado de procesamiento de recubrimientos automotrices, los recubrimientos en polvo de poliuretano deben ser la mejor opción y dirección de desarrollo en el proceso de desarrollo de productos de recubrimientos. Al mismo tiempo, a través de la innovación tecnológica y la investigación y el desarrollo, se desarrolla una nueva generación de recubrimientos en polvo de poliuretano con buena adaptabilidad a entornos de baja temperatura y sin subproductos volátiles. Este nuevo tipo de recubrimiento en polvo tiene un buen rendimiento similar al de los recubrimientos de poliuretano de dos componentes a base de disolventes y se puede aplicar a la fabricación y el procesamiento de recubrimientos para la nueva generación de líneas de producción de automóviles. Además de garantizar el rendimiento de los recubrimientos, también refleja buenos beneficios medioambientales y tiene beneficios integrales muy considerables.
Adhesivo de poliuretano
La síntesis de adhesivos de poliuretano se basa en las propiedades químicas únicas de los isocianatos. Los isocianatos son compuestos que contienen grupos isocianato (-NCO) en sus moléculas. Este grupo tiene una estructura de enlace altamente insaturada con dobles enlaces superpuestos y puede reaccionar con varios compuestos que contienen hidrógeno activo. En el campo de los adhesivos de poliuretano, se utilizan principalmente isocianatos que contienen dos o más grupos característicos -NCO. Los adhesivos de poliuretano se dividen en adhesivos de poliuretano isocianato de uso general y adhesivos de poliuretano isocianato resistentes al amarilleamiento en función de si el producto amarillea con la luz.
Adhesivo de PU de uso general
Los isocianatos universales, es decir, los isocianatos aromáticos, son los más utilizados en la industria del poliuretano. El grupo metileno conectado al anillo de benceno en la estructura se oxida fácilmente para formar cromóforos de tipo quinona, lo que hace que el material se torne amarillo. Los isocianatos universales más comunes incluyen TDI, MDI y polimetil polifenileno isocianato (PAPI). El TDI es líquido a temperatura ambiente y es fácil de usar. Es el primer isocianato utilizado en la industria del poliuretano.
Adhesivo de PU resistente al amarilleamiento
Para mejorar el fenómeno de amarilleamiento de los materiales de poliuretano provocado por los isocianatos de uso general, además de utilizar aditivos adecuados, se debe evitar la generación de cromóforos con estructura de quinona conjugada con anillo de benceno. Para ello, los investigadores han desarrollado numerosos isocianatos resistentes al amarilleamiento, como el diisocianato de xileno (XDI), el diisocianato de hexametileno (HDI), el isocianato de isoforona (IPDI), etc.
Modificación del adhesivo de poliuretano
Aunque los adhesivos de poliuretano tienen excelentes propiedades, se ven fácilmente afectados por entornos externos como la luz, el calor, el oxígeno y el agua, lo que reduce su valor de uso. Con el desarrollo de la sociedad, el rendimiento único de los adhesivos de poliuretano ya no puede satisfacer los requisitos de aplicación. La investigación sobre la modificación de los adhesivos de poliuretano se ha convertido en un tema candente, entre los cuales la modificación física y la modificación química son los principales métodos de modificación.
(1) Modificación física
La modificación física es un método para mejorar el rendimiento de los adhesivos de poliuretano mediante la adición de algunos rellenos y aditivos en determinadas condiciones durante la preparación de los adhesivos de poliuretano. El polvo de cuarzo tiene una buena compatibilidad con los sistemas adhesivos de poliuretano y tiene un efecto significativo en la mejora de la resistencia a la tracción, el alargamiento a la rotura y la resistencia al desgarro de los productos adhesivos de poliuretano. El nanonitruro de boro (BN) se dispersa ultrasónicamente en polioles y luego se hace reaccionar con MDI para preparar películas adhesivas de poliuretano para envasado de alimentos. En comparación con el adhesivo sin nano BN, la permeabilidad al vapor de agua de la película se redujo en un 50%, la fuerza de unión aumentó en un 37% y la resistencia al desprendimiento aumentó en un 7.14%. Cuando se agregaron nanofibras de SiO2 a la matriz de poliuretano, se descubrió que los grupos hidroxilo en la superficie de las nanofibras de SiO2 formaron una estructura reticulada apretada con el poliuretano, lo que mejoró la adhesión del adhesivo, la dureza de la película y la resistencia a la tracción, pero también aumentó la viscosidad del coloide.
(2) Modificación química
La modificación química es un método de modificación que cambia el tipo de átomos o grupos atómicos en la cadena molecular y su modo de enlace a través de reacciones químicas de polímeros. El bloque y el injerto son varios métodos de modificación química comúnmente utilizados para los adhesivos de poliuretano. Entre ellos, los adhesivos de poliuretano modificados con resina epoxi de alto rendimiento, los adhesivos de poliuretano modificados con acrilato y los adhesivos de poliuretano modificados con resina de silicona son los objetivos del desarrollo competitivo en la industria. La resina epoxi tiene muchas ventajas, como buena adhesión, resistencia a la corrosión y alta resistencia, pero su tenacidad es pobre. La introducción de grupos epoxi en el sistema de poliuretano puede producir productos con mejor rendimiento. Los adhesivos de poliuretano modificados con silano no solo pueden mejorar la flexibilidad, sino que también evitan las deficiencias de los adhesivos de poliuretano tradicionales, como la fácil formación de ampollas durante el curado y la mala adhesión a sustratos lisos.
Áreas de aplicación del producto
Industria del mueble
En la industria del mueble, los materiales de imitación de madera son una de las principales aplicaciones de la espuma rígida de poliuretano. Los materiales de imitación de madera son ligeros y tienen una densidad y una resistencia comparables a las de la madera. El uso de este material para fabricar muebles no solo evitará las grietas después del moldeado, sino que también reducirá el costo de producción y fabricación. A medida que aumenta la conciencia del público sobre la protección del medio ambiente, los materiales de imitación de madera se utilizarán cada vez más en la industria del mueble, reemplazando la posición de la madera natural en los muebles.
Industria de construccion
La espuma rígida de poliuretano es el material preferido para el aislamiento de edificios. Tiene una estructura simple, una larga vida útil del producto, una alta eficiencia de construcción, una alta resistencia al fuego y un bajo costo general. A medida que se sigan implementando las políticas de conservación de energía y protección ambiental de China, la industria de la construcción enfrentará pruebas más estrictas durante el período del "13.º Plan Quinquenal", y la espuma rígida de poliuretano se usará ampliamente en el campo del aislamiento de edificios. Además, el poliuretano se usa ampliamente como revestimiento impermeable en techos de edificios, paredes exteriores, cielorrasos, sótanos, cocinas y baños, carreteras y puentes, etc. Con el continuo desarrollo de la industria del tránsito ferroviario y de alta velocidad de China, los revestimientos impermeables de poliuretano también se usarán ampliamente en el campo de la construcción ferroviaria, todavía hay mucho espacio para el desarrollo.
Industria del calzado y del cuero
China es el mayor exportador y la mayor base de producción de productos de calzado del mundo, y la producción de calzado representa el 60% del total mundial. El material de poliuretano (PU) es un tipo de poliuretano. Además, la lechada se utiliza principalmente para fabricar cuero artificial, cuero sintético y otros productos relacionados. Con la mejora continua de la tecnología de producción industrial de China, el costo de fabricación de la lechada de poliuretano seguirá disminuyendo y su potencial de desarrollo es incuestionable.
Sector del Transporte
El poliuretano también está presente en la industria del transporte. Incluye principalmente plásticos de espuma blanda, dura y semidura, así como elastómeros de poliuretano, pegamentos de poliuretano, selladores de poliuretano y revestimientos de poliuretano. La cantidad total de poliuretano necesaria para un automóvil terminado es de unos 30 kg. La cantidad de productos de poliuretano de alta calidad utilizados en los automóviles también es uno de los factores para medir la calidad de los automóviles. China es un importante país automovilístico, ocupando el primer lugar en el mundo tanto en volumen de fabricación de automóviles como en número de propietarios de automóviles. Según las estadísticas pertinentes, China consume cerca de 400,000 toneladas de poliuretano en la industria automotriz cada año. Con la introducción continua de nuevos modelos de vehículos de energía, el consumo de poliuretano en la industria automotriz tendrá un mayor margen de crecimiento.
Además de la industria automotriz, la industria del transporte en cadena de frío de China es otra área de desarrollo del poliuretano. A medida que el nivel de vida del pueblo chino continúa mejorando, cada vez más personas tienen un fuerte aumento en la demanda de flores y productos acuáticos de todo el país, lo que ha impulsado el desarrollo de la industria del transporte en cadena de frío de China. Los vehículos de transporte en la industria del transporte en cadena de frío generalmente utilizan paneles sándwich de espuma rígida de poliuretano como materiales de aislamiento. Al mismo tiempo, también se requiere una gran cantidad de materiales de aislamiento de poliuretano durante la construcción de cámaras frigoríficas, lo que también es un gran beneficio para la industria del poliuretano de China.
Industria de electrodomésticos
Los refrigeradores y congeladores utilizan principalmente espuma rígida de poliuretano como material aislante para electrodomésticos. En las mismas condiciones de volumen, este material puede aumentar eficazmente el volumen interno de los refrigeradores y congeladores y reducir la cantidad total de materiales de la carcasa externa. Esto no solo reduce los costos de producción, sino que también disminuye el peso del refrigerador y mejora el rendimiento del aislamiento. En China, el peso de espuma rígida de poliuretano necesario para fabricar un refrigerador de volumen estándar es de aproximadamente 6-8 kg, mientras que un congelador requiere alrededor de 11 kg de espuma rígida de plástico . China es un importante país fabricante de refrigeradores y se ha convertido gradualmente en la base integrada mundial de investigación, desarrollo, producción y transporte de refrigeradores; la cantidad total de espuma rígida de poliuretano utilizada en la industria de fabricación de refrigeradores de China es de aproximadamente 800 000 toneladas por año. Con la continua implementación de la política china de "ahorro de energía y reducción de emisiones" para electrodomésticos, la cantidad total de poliuretano utilizado en refrigeradores mostrará una tendencia a la baja, y varias empresas fabricantes avanzarán hacia un desarrollo "verde y respetuoso con el medio ambiente".
Además, el material de aislamiento de los calentadores de agua solares también es espuma rígida de poliuretano. La industria de la energía solar de China es una industria emergente. Con la optimización continua de la estructura energética, la industria de la energía solar se desarrollará aún más y los productos industriales de poliuretano también serán más populares.
Industria del deporte
Los materiales de pavimentación de poliuretano se utilizan ampliamente en la construcción de pistas de plástico, canchas de baloncesto cubiertas y canchas de voleibol en estadios deportivos y lugares deportivos públicos. En los últimos años, el incidente de la "pista tóxica" siguió fermentando, lo que provocó que toda la industria se encontrara en un estado de baja calidad y feroz competencia, y muchas pequeñas empresas sin licencia buscaban grandes ganancias; con la mejora continua de la calidad de los productos industriales de poliuretano de China, la calidad de los materiales de pavimentación de poliuretano ha mejorado enormemente y las empresas están avanzando constantemente hacia productos de pavimentación respetuosos con el medio ambiente.
Otra
El poliuretano también se puede utilizar para envasar mercancías frágiles, especialmente en el embalaje de transporte de algunos instrumentos de precisión, artesanías, mercancías frágiles, etc.; dichos productos también se pueden utilizar en los campos de la aviación, la industria aeroespacial, la fabricación de automóviles, la fabricación de vehículos de transporte de gas natural licuado (barcos), etc.
La seguridad importa
Datos de peligro para la salud
Datos de toxicidad aguda:
(1) Tipo de prueba: TCLo – Concentración tóxica más baja publicada
Vías de exposición: Inhalación
Especie observada: Humano
Dosis/Duración: 12 mg/m^3/11W-C
Efectos tóxicos: órganos de los sentidos y sentidos especiales (ojos) – Cambios en el campo visual
(2) Tipo de prueba: TDLo – dosis tóxica más baja publicada
Vía de exposición: tráquea
Especies observadas: Roedores – Rata
Dosis/Duración: 225 mg/kg
Efectos tóxicos: Tumorigenicidad – Tumorigenicidad equívoca según criterios RTECS Pulmón, torácico o respiratorio – Enfisema Pulmón, torácico o respiratorio – Fibrosis (intersticial)
(3) Tipo de prueba: TDLo – dosis tóxica más baja publicada
Vía de exposición: Implantación
Especies observadas: Roedores – Rata
Dosis/Duración: 293 mg/kg
Efectos tóxicos: Tumorigenicidad – Tumorigenicidad equívoca según los criterios RTECS Hígado – Tumores Hematología – Linfomas, incluida la enfermedad de Hodgkin
(4) Tipo de prueba: TD – dosis tóxica (excepto la dosis más baja)
Vía de exposición: Implantación
Especies observadas: Roedores – Rata
Dosis/Duración: 10g/kg
Efectos tóxicos: Tumorigenicidad – tumorigenicidad equívoca según los criterios RTECS Inmunología incluyendo hipersensibilidad – aumento de la respuesta inmune celular.
Descripción general de los peligros humanos
1. Irritación de las vías respiratorias: Durante la producción y el procesamiento del poliuretano, pueden producirse algunas sustancias tóxicas, como el isocianato. Cuando las personas inhalan estas sustancias tóxicas, irritan las vías respiratorias y provocan síntomas como tos, sibilancias y asma. En casos graves, también pueden causar dificultad para respirar o incluso asfixia.
2. Alergia cutánea: El contacto directo con poliuretano puede provocar alergia cutánea. Esta reacción alérgica se manifiesta como enrojecimiento de la piel, picor, sarpullido y otros síntomas. Si no se tratan a tiempo, estos síntomas pueden derivar en dermatitis o eczema. Por lo tanto, al entrar en contacto con productos de poliuretano, se recomienda utilizar guantes y otros equipos de protección para evitar el contacto directo con la piel.
3. Efectos tóxicos crónicos: La exposición prolongada a un entorno que contenga poliuretano puede producir efectos tóxicos crónicos en el cuerpo humano. Por ejemplo, dicha exposición prolongada puede causar daños al sistema nervioso, daño hepático, etc., lo que representa una amenaza potencial para la salud física.
Para reducir el contacto con el poliuretano y sus productos químicos relacionados, especialmente en el entorno de producción y procesamiento, se deben tomar las medidas de protección necesarias, como el uso de mascarillas y guantes, para garantizar la seguridad personal. Si se produce alguna molestia, se debe buscar atención médica a tiempo.
