Desarrollo de
poliuretanos con propiedades mejoradas
Development of polyurethan=
es
with enhanced properties
|
1 |
Luis Santiago Carr=
era
Almendáriz |
|
https:=
//orcid.org/0000-0002-3262-5895 |
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Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo (ESPOCH), Riobamba, Ecuador. Facultad de Cienci=
as |
|||
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2 |
Ana Gabriela
Flores Huilcapi |
|
https:=
//orcid.org/0000-0001-8748-7859 |
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Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo (ESPOCH), Riobamba, Ecuador. Facultad de Recurs=
os
Naturales |
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Artículo de Investigación
Científica y Tecnológica Enviado: 14/04/2025 Revisado: 18/05/2025 Aceptado: 26/06/2025 Publicado:15/07/2025 |
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Cítese: |
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Guallpa Calva, M.
Ángel, Guaraca Pomagualli, V. G., Guapi Auquilla, A. P., & Reinoso Mu=
ñoz,
G. G. (2025). Estimación de carbono orgánico liberado por quema de vegeta=
ción
en páramo, parroquia San Juan, Chimborazo. AlfaPublicaciones, 7=
(3),
38–59. https://doi.org/10.33262/ap.v7i3.621 |
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ALFA PUBLICACIONES, es una revista multidisciplinar, trimestral, que se publicar=
á en
soporte electrónico tiene como misión contribuir a la
formación de profesionales competentes con visión humanística y crítica q=
ue
sean capaces de exponer sus resultados investigativos y científicos en la
misma medida que se promueva mediante su intervención cambios positivos e=
n la
sociedad. https://alfapublicaciones.co=
m
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Esta revista está
protegida bajo una licencia Creative Commons Attribution Non Commercial No
Derivatives 4.0 International. Copia de la licencia: http://creativecommons.org/l=
icenses/by-nc-sa/4.0/ |
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Palabras claves: Poliol, isocianato, fluorados, hidrofobicidad, elastómeros<= o:p> |
|
Introducción: Esta
investigación explora la mejora de las propiedades superficiales de
poliuretanos elastoméricos mediante la incorporación de aditivos
antiadherentes en masa y superficie. Objetivos: El objetivo fue
optimizar el procesado del poliuretano de bajas prestaciones y evaluar el
efecto de diferentes aditivos fluorados y de sílice funcionalizada sobre =
su
hidrofobicidad y propiedades mecánicas. Metodología: Se siguió una
metodología experimental cuantitativa, utilizando formulaciones estándar =
de
poliol e isocianato, a las que se incorporaron aditivos tanto en masa com=
o en
recubrimiento (coating), y se caracterizaron las muestras mediante ensayo=
s de
ángulo de contacto. Resultados: Los resultados mostraron que aditi=
vos
como F1 y F2 al 1 % en coating y F2 al 1 % en masa incrementan
significativamente el ángulo de contacto sin comprometer las propiedades
mecánicas. Conclusiones: Se concluye que los aditivos de sílice
funcionalizada con flúor (NS1 y NS2) son especialmente prometedores, y que
esta estrategia es aplicable al desarrollo de poliuretanos antiadherentes=
de
altas prestaciones para aplicaciones industriales. Área de estudio
general: Química. Área de estudio específica: Poliuretanos. |
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Keywords:Polyol, isocyanate, fluorinated compounds, hydrophobicity, elastome=
rs |
|
Abstract Introduction:
This research
explores the improvement of the surface properties of elastomeric
polyurethanes by incorporating non-stick additives in mass and surface. <=
b>Objectives:
The objective was to optimize the processing of low-performance
polyurethane and to evaluate the effect of different fluorinated and
functionalized silica additives on its hydrophobicity and mechanical
properties. Methodology: A quantitative experimental methodology w=
as
followed, using standard formulations of polyol and isocyanate, to which =
additives
were incorporated both in mass and in coating, and the samples were
characterized by contact angle tests. Results: The results showed =
that
additives such as F1 and F2 at 1% in coating and F2 at 1% in mass
significantly increased the contact angle without compromising mechanical
properties. Conclusions: It is concluded that fluorine-functionali=
zed
silica additives (NS1 and NS2) are especially promising, and that this
strategy is applicable to the development of high-performance non-stick
polyurethanes for industrial applications. General area of study:
Chemistry. Specific study area: Polyurethanes. Type
of study: Original articles.=
|
|
||||||
1. Introducción
Las
gomas (Poliuretanos Elastoméricos PU) se usan ampliamente debido a su liger=
eza,
flexibilidad de diseño y capacidad de procesamiento. Sin embargo, estos
materiales compuestos exhiben propiedades mecánicas menos atractivas, tales
como baja resistencia y bajo módulo en comparación con metales y cerámicas.=
La
adición de partículas de relleno inorgánico de tamaño micrométrico o
nanométrico para reforzar los materiales poliméricos ha sido una práctica
estándar en la industria de los compuestos durante décadas. En
la actualidad se utilizan rellenos funcionales que, además de modificar las
propiedades mecánicas y reológicas de las gomas, afectan a otras propiedades
como la reactividad química, la biodegradabilidad, el color, las propiedades
térmicas, magnéticas o eléctricas. Las propiedades mecánicas y físicas del material compues=
to
están dominadas principalmente por la naturaleza del relleno, mientras que =
la
matriz polimérica determina las características ambientales del material
compuesto. Por lo tanto, las propiedades compuestas se pueden adaptar para =
que
se ajusten a la aplicación deseada a través de la elección adecuada de rell=
eno
y resina de matriz (<=
span
style=3D'color:black;mso-color-alt:windowtext;text-decoration:none;text-und=
erline:
none'>Kim et al., 2011; Akram et al., 2022).
En bibliografía científica se han encontrado algun=
os
ejemplos de la modificación de la energía superficial de materiales mediante
adición de cargas y aditivos. Existen
principalmente dos factores que ayudan a crear una “superhidrofobicidad” en=
la
superficie: componentes con baja energía superficial, como sustancias que
contienen flúor o sílice y estructuras de rugosidad a escala micro y
nanométrica. Según Ganesh et al. (2011): preparó un poliuretano en=
base
agua hidrófobo a partir de nano-SiO2 (nanopartículas de sílice, =
en
adelante SiNPs) y dependiendo del porcentaje de SiNPs añadido se consiguen
diferentes grados de hidrofobicidad hasta llegar a la súperhidrofobicidad c=
on
un ángulo de contacto mayor de 150°. Las SiNPs se fabrican por el método St=
öber
utilizando TEOS (tetraetoxisilano) como precursor y modificado con TMES
(trimetiletoxisilano) (Wu et al., 2019) .
Las SiNPs son buenas candidatas para ser utilizadas
durante este proyecto debido a su gran área específica, pequeño tamaño de
partícula, estabilidad térmica y su disponibilidad comercial. Además, la
incorporación de SiNPs en películas de polímero es también conocida para
potenciar las propiedades mecánicas de la película y para reducir su
degradación térmica a alta temperatura, mejorando también sus propiedades de
aislamiento, y aumentando las propiedades de barrera a los disolventes y
productos volátiles (Guerrero-Vacas et al., 2023).
También es común que las nanopartículas se recubran con moléculas de cadena
larga fluoradas, dotándolas de este modo de una superficie hidrofóbica (Diao et=
al.,
2024). Para algunas aplicaci=
ones
se ha desarrollado un efecto surfactante adsorbiendo moléculas anfifílicas =
con
segmentos hidrofóbicos e hidrofílicos (Liberman et al., 2014).
Además, se han creado recubrimientos de Poliuretano
(PU) superhidrófobo de SiO2NPs diseñado bajo el proceso de sol-g=
el
basado en la reacción entre los grupos GPTS (3-Glicidoxipropiltrimethoxisil=
ano)
activados en la superficie de FAS-SiO2NPs, monómeros de poliol,
octalamina e isocianato. Este nuevo recubrimiento superhidrofóbico exhibe u=
na
buena dureza y repele el agua con ángulos de contacto (CA) de 159° <=
!--[if supportFields]>ADDIN CSL_CITAT=
ION
{"citationItems":[{"id":"ITEM-1","itemDa=
ta":{"DOI":"10.3390/coatings12111740","ISBN&q=
uot;:"2079-6412","abstract":"To
improve the anti-sticking performance of tire molds, six types of coatings
(i.e., nano-ceramic coating, bilayer waterborne polytetrafluoroethylene (PT=
FE)
coating, fluorinated ethylene propylene (FEP)-based Whitford coating, PTFE,
FEP, and perfluoroalkoxy (PFA) aqueous dispersions) were selected to modify
type-45 steel specimens by air spraying. Their wettability, microstructure,
demolding force, and anti-fouling properties in rubber vulcanization tests =
were
studied. The results show that the demolding forces of the coatings were at
least 24% lower than that of uncoated surface. Whitford coating, PFA, and F=
EP
coatings had zero demolding force and no pollutant residue. PTFE coating ha=
d no
pollutant residue but had high demolding force. The other two coatings had =
poor
anti-sticking property. Upon combining the surface morphology and chemical
composition analysis results, the coating demolding force was related to the
surface micro-morphology: smoother surfaces led to lower demolding forces,
while the surface chemical composition had a direct influence on the rubber
contaminant residual. The C–F bonds on the surfaces resulted in less rubber
residual due to intrinsic low surface energy. X-ray photoelectron spectrome=
try
(XPS) analysis showed that ZnS was one of the main pollutants after rubber
vulcanization
test.","author":[{"dropping-particle":""=
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tle":"Comparative
Study of Anti-Sticking Properties of Coatings for Tire Molds","ty=
pe":"article","volume":"12"},"uris&=
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9ae-a2a2e927e368"]}],"mendeley":{"formattedCitation&quo=
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et al., 2022)","plainTextFormattedCitation":"(Zhang et =
al.,
2022)","previouslyFormattedCitation":"(Zhang et al.,
2022)"},"properties":{"noteIndex":0},"schema&=
quot;:"https://github.com/citation-style-language/schema/raw/master/cs=
l-citation.json"}(Zhang et al., 2022).
La fácil fabricación del revestimiento de PU-SiO2 con hidrofobic=
idad
y durabilidad mejoradas proporciona una nueva vía para el desarrollo de
superficies superhidrofóbicas de alto rendimiento (Huang e=
t al.,
2024). Las propiedades
sobresalientes del recubrimiento de PU-SiO2 sintetizado se deben
principalmente a la reducción de la energía superficial por los
fluoroalquilsilanos, la formación de estructuras de rugosidad jerárquica a
escala micro y nanométrica en la superficie del recubrimiento y la adhesión
estable de SiO2NPs en resina de poliuretanos después de la
reticulación con isocianato (Yousefi et al., 2018; Rodríguez-Alabanda et al., 2019).
Ex=
isten
técnicas novedosas que mediante un proceso simple combinado con plantillas =
de
papel de lija y adornos de nanosílice a la superficie de Poliuretano Ter=
moestable
(TSU) genera estructuras micro y nano altamente hidrófobas. Usando papeles de lija con tamaños de grano que
variaban de 240 a 700 granos para obtener una rugosidad de microescala en u=
na
superficie del TSU hidrófila intrínseca (Li et a=
l.,
2022). Se encontró que el mayor ángulo de contacto de la
superficie del TSU sin nanopartículas a 102 ± 3 ° se obtuvo cuando la plant=
illa
era papel de lija de grano 240 y el progreso del moldeado comenzó después d=
e 45
minutos de curado del TSU. Las nanopartículas de sílice modificadas con
polidimetilsiloxano se dispersaron sobre las superficies tanto del polímero
como de la plantilla para construir las nanoestructuras deseables ADDIN CSL_CITATION
{"citationItems":[{"id":"ITEM-1","itemDa=
ta":{"DOI":"10.1016/j.apsusc.2018.01.017","IS=
SN":"01694332","abstract":"Highly
hydrophobic thermosetting polyurethane (TSU) surfaces with micro-nano
hierarchical structures were developed by a simple process combined with
sandpaper templates and nano-silica embellishment. Sandpapers with grit siz=
es
varying from 240 to 7000 grit were used to obtain micro-scale roughness on =
an
intrinsic hydrophilic TSU surface. The surface wettability was investigated=
by
contact angle measurement. It was found that the largest contact angle of t=
he
TSU surface without nanoparticles at 102 ± 3° was obtained when the template
was 240-grit sandpaper and the molding progress started after 45 min curing=
of
TSU. Silica nanoparticles modified with polydimethylsiloxane were scattered
onto the surfaces of both the polymer and the template to construct the
desirable nanostructures. The influences of the morphology, surface composi=
tion
and the silica content on the TSU surface wettability were studied by scann=
ing
electron microscopy (SEM), attenuated total reflection (ATR) infrared (IR)
spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and contact angle
measurements. The surface of the TSU/SiO 2 nanocomposites containing 4 wt% =
silica
nanoparticles exhibited a distinctive dual-scale structure and excellent
hydrophobicity with the contact angle above 150°. The mechanism of wettabil=
ity
was also discussed by Wenzel model and Cassie-Baxter
model.","author":[{"dropping-particle":""=
;,"family":"Yang","given":"Guang",&=
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ot;,"family":"Hou","given":"Xianghui&quo=
t;,"non-dropping-particle":"","parse-names":f=
alse,"suffix":""}],"container-title":"Ap=
plied
Surface
Science","id":"ITEM-1","issued":{"d=
ate-parts":[["2018"]]},"page":"772-779",=
"title":"Fabrication
of highly hydrophobic two-component thermosetting polyurethane surfaces with
silica
nanoparticles","type":"article-journal","volu=
me":"439"},"uris":["http://www.mendeley.com/d=
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w.mendeley.com/documents/?uuid=3D936b8b5d-60ee-4d4b-b547-67fdedbd3c50"=
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et al., 2018)","plainTextFormattedCitation":"(Yang et a=
l.,
2018)","previouslyFormattedCitation":"(Yang et al.,
2018)"},"properties":{"noteIndex":0},"schema&=
quot;:"https://github.com/citation-style-language/schema/raw/master/cs=
l-citation.json"}(Yang et al., 2018).
Existen formulaciones
comerciales con recubrimiento de fluoropolímero basadas en Politetrafluoroe=
tileno
(PTFE) y Perfluo=
roalcoxialcanos
(PFA) que proporcion=
an
superficies de baja energía en sustratos metálicos. Las porosidades present=
es
en las superficies de PTFE permiten la penetración de la resina y después d=
el
curado se adhieren mediante enclavamiento mecánico (Sánchez-Urbano et al., 2018).
En la revisión de bibliografía se cita que la
aplicación de cargas a la formulación del elastómero confiere mejora en sus
propiedades mecánicas. Los <=
u>Nanocristales
de Celulosa (CNC) producidos a partir de materias primas celulósicas
renovables se han utilizado en el refuerzo de polímeros, lo que ha dado como
resultado mejoras significativas en las propiedades mecánicas (Naranjo et al., 2020). La
adición de un 0,5% de CNC en peso =
a la
resina de Poliuretano (PU) produce un aumento en la resistencia a la tracci=
ón,
el módulo de Young, el alargamiento a la rotura y la resistencia a la abras=
ión
de aproximadamente un 30%, 55%, 70% y 40%, respectivamente <=
/span>ADDIN
CSL_CITATION
{"citationItems":[{"id":"ITEM-1","itemDa=
ta":{"DOI":"10.1016/j.porgcoat.2018.08.034","=
ISSN":"03009440","abstract":"Cellulose
nanocrystals (CNC) produced from renewable cellulosic feedstocks have been =
used
in polymer reinforcement, resulting in significant enhancements to mechanic=
al
properties. In this study, a series of CNC reinforced polyurethane (PU)
nanocomposites were manufactured and tested for their rheological,
thermo-mechanical, mechanical and abrasion properties. First, stable polyol=
-CNC
suspensions were prepared using a combination of water and 1,3-propanediol =
as
dispersing solvent. These suspensions were then combined with isocyanates to
produce CNC reinforced PU samples. Rheological testing of the uncured
polyol-CNC-isocyanate liquid suspension indicated the formation of a pervad=
ing
network between CNC particles. The thermo-mechanical properties of the CNC
reinforced nanocomposites were significantly improved compared to unreinfor=
ced
PU, as measured by differential scanning calorimetry and dynamic mechanical
analysis. With the addition of 0.5% CNC by weight to the PU resin, the glass
transition temperature increased 10 °C. Furthermore, this CNC reinforcement=
of
the PU resin yielded an increase in the tensile strength, Young's modulus,
elongation at break, and abrasion resistance of approximately 30%, 55%, 70%,
and 40%, respectively. These increases are likely due to a combination of
increased cross-linking density within the PU network, arising from PU-CNC
molecular interactions, and the reinforcing effect of the
CNC.","author":[{"dropping-particle":"",=
"family":"Kong","given":"Xiaohua",&=
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an
M.","non-dropping-particle":"","parse-names&q=
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uot;Progress
in Organic
Coatings","id":"ITEM-1","issue":"Au=
gust","issued":{"date-parts":[["2018"]]}=
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preparation and characterization of polyurethane reinforced with a low frac=
tion
of cellulose nanocrystals","type":"article-journal"=
;,"volume":"125"},"uris":["http://www.me=
ndeley.com/documents/?uuid=3D76cb434f-c8b9-4b35-a01f-0de76e36b82a",&qu=
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51f524"]}],"mendeley":{"formattedCitation":"(=
Kong
et al., 2018)","plainTextFormattedCitation":"(Kong et a=
l.,
2018)","previouslyFormattedCitation":"(Kong et al.,
2018)"},"properties":{"noteIndex":0},"schema&=
quot;:"https://github.com/citation-style-language/schema/raw/master/cs=
l-citation.json"}(Kong et al., 2018).
Por otra parte, el empleo de calcita
(CaCO3) y dolomita CaMg (CO3)2 de 6nm al 3=
5%
mejora la resistencia a la tracción y
alargamiento a la rotura más que los rellenos de las mismas moléculas a mic=
ro y
macroescala en materiales flexibles de esp=
uma de
poliuretano (Larrea et al., 2020).
El
adhesivo de Poliuretano a Base de Agua (WPU) modificado con nano-SiO2<=
/sub>
en el rango de 2,0% a 2,5%, mostró que la concentración de nano-SiO2
tuvo un impacto significativo en estas propiedades como rendimiento mecánic=
o y
resistencia al agua (<=
span
style=3D'color:black;mso-color-alt:windowtext;text-decoration:none;text-und=
erline:
none'>Jia-Hu et al., 2015), además el poliureta=
no
elastomérico con carga de negro de carbón ISAF del 10 % presenta una resistencia a la tensión de
2,010 MPA y al adicionar un 8% más en peso de negro de carbón se tiene una
resistencia a la tensión de 2,746 MPa (Benli et al., 1998).
2.
Metodología
Esta investigación plantea que la modificación de
poliuretanos elastoméricos mediante la incorporación de aditivos antiadhere=
ntes
en masa y superficie mejora sus propiedades superficiales sin comprometer
significativamente sus propiedades mecánicas. El Poliuretano Elastoméricos =
(PU)
de bajas prestaciones utilizado corresponde a un sistema bicomponente. El
componente A es un poliol conformado por una mezcla de polioles que contien=
en
catalizadores, agentes reticulantes y tensoactivos. El componente B es un i=
socianato
constituido por Difenilmetanodiisocianato Modificado (MDI). La relación de
mezcla A/B es de 100/65 en peso. Las características físico-mecánicas de es=
te
sistema PU se presentan en la Tabla 1. Este tipo=
de
poliuretano se emplea debido a que permite realizar pruebas de optimización=
del
procesado y ensayos con aditivos antiadherentes sin requerir altas temperat=
uras
ni condiciones de vacío para desgasificar el poliol.
Poliuretano elastomé=
rico
de bajas prestaciones
|
Características |
Unidades |
PU bajas prestaciones |
|
Tiempo de gel |
min |
4 ± 1 |
|
Densidad |
kg / m3 |
1100 |
|
Dureza Shore |
ShA |
95 |
|
Resistencia Tracción |
kg /cm2 |
150 ± 20 |
|
Resistencia Elongación |
% |
150 ± 50 |
|
R. Desgarro |
kg /cm |
50 ± 10 |
Fuente: Deutsches Institut für Normung (2=
000).
Norma DIN 53505:2000‑08
Para el revestimiento o coating de la superficie de
los poliuretanos elastoméricos se utiliza una pintura de poliuretano
constituida por el componente A: poliol y el componente B: isocianato. Como disolvente se utiliza acetato de b=
utilo
(densidad: 0,88 g/mL). Los aditivos utilizados están constituidos por
partículas fluoradas y nanopartículas de sílice funcionalizadas con flúor, =
como
se observa en la Tabla 2.
Aditivos
antiadherentes
|
Código |
Aditivo |
|
F1 |
Fluorado
líquido 1 |
|
F2 |
Fluorado
con sílice líquido 2 |
|
F3 |
Fluorado
polvo 3 |
|
F4 |
Fluorado
polvo 4 |
|
NS1 |
Nano
partículas sílice con flúor 1 |
|
NS2 |
Nano
partículas sílice con flúor 2 |
El
objetivo principal de esta investigación es desarrollar poliuretanos elasto=
méricos
con propiedades mejoradas mediante la incorporación de aditivos antiadheren=
tes
en masa y coating. Los objetivos específicos incluyen: optimizar las
condiciones de procesado del sistema PU de bajas prestaciones; evaluar la
dispersión y eficacia de diferentes aditivos fluorados y a base de sílice
funcionalizada; y analizar el efecto del recubrimiento superficial sobre las
propiedades mecánicas y de adhesión del material.
La investigación se plantea bajo un enfoque
cuantitativo y experimental, con el propósito de validar la hipótesis
formulada. Se elaboran muestras de PU a partir de una formulación estándar
bicomponente, a las cuales se aplica un recubrimiento superficial con aditi=
vos
seleccionados y en masa. Posteriormente, se realizan ensayos para la
caracterización superficial (hidrofobicidad). Finalmente, se lleva a cabo un
análisis comparativo entre las muestras sin modificar y aquellas tratadas c=
on
aditivos, con el fin de determinar el efecto de las modificaciones sobre las
propiedades finales del material.
3.
Resultados
En esta sección se detallará el procedimiento seguido para optimizar =
el
procesado del poliuretano de bajas prestaciones, incluyendo las variables de
temperatura, tiempo de curado y manipulación. Seguidamente, se analizará el
impacto de la incorporación de distintos aditivos, tanto en masa como por
recubrimiento superficial, sobre la hidrofobicidad y propiedades mecánicas =
del
material. Se expondrán de forma ordenada las comparaciones entre formulacio=
nes
y las repeticiones realizadas para validar la reproducibilidad de los ensay=
os.
Finalmente, se establecerán criterios claros para la selección de condicion=
es
que posteriormente se aplicarán en el desarrollo del poliuretano de altas
prestaciones.
3.1. Pruebas de procesado de
poliuretano
El procesado del poliuretano de bajas prestaciones=
al
requerir bajas temperaturas y no necesitar vacío para desgasificar el polio=
l,
lo hace manejable, permitiendo ensayar con diferentes temperaturas y tiempo=
s de
curación, como se observa en la Tabla 3. Las
condiciones que determinen el mejor curado de la probeta se replicarán para=
el
procesado del poliuretano de altas prestaciones. El tiempo probado de
gelificación o manipulación para la preparación del poliuretano de bajas
prestaciones se tiene en 2min 56 s.
Pruebas de
procesado de poliuretano elastomérico de bajas prestaciones
|
Prueba |
Tiempo
trabajo (min) |
Temperatura
(°C) |
Tiempo
curado (min) |
Observaciones |
|
1 |
2'38 |
30 |
10 |
Consistencia
blanda y pegajosa |
|
2 |
2'33 |
30 |
15 |
Consistencia
blanda y pegajosa |
|
3 |
2'33 |
30 |
20 |
Consistencia
blanda |
|
4 |
2'54 |
40 |
10 |
Superficie
pegajosa y con burbujas |
|
5 |
2'48 |
40 |
15 |
Burbujas
en superficie |
|
6 |
2'51 |
40 |
20 |
Burbujas
en superficie |
Tabla
3
Pruebas de procesado de poliuretano elastomérico de bajas prestaciones (continuación)<= o:p>
|
Prueba |
Tiempo
trabajo (min) |
Temperatura
(°C) |
Tiempo
curado (min) |
Observaciones |
|
7 |
2'40 |
50 |
10 |
Superficie
pegajosa |
|
8 |
2'32 |
50 |
15 |
Bordes
pegajosos y burbujas en superficie |
|
9 |
2'41 |
50 |
20 |
Curado
completo |
|
10 |
2'52 |
50 |
30 |
Degradación
de poliuretano. Pegaduras y cuarteaduras |
El análisis de los resultados obtenidos en las
pruebas de curado del poliuretano revela cómo las variables de tiempo de
trabajo, temperatura y tiempo de curado influyen significativamente en las
propiedades físicas finales del material como se observan en la
Pruebas de
procesado de poliuretano elastomérico de bajas prestaciones
La <=
span
style=3D'color:windowtext;text-decoration:none;text-underline:none'>Tabla 3=
muestra que a 30 °C el curado es
insuficiente, manteniéndose la muestra blanda y pegajosa. A 40 °C mej=
ora
la reticulación, pero persisten burbujas en la superficie. A 50 °C co=
n 20
minutos de curado se logra un poliuretano completamente curado, sin defecto=
s.
Superar este tiempo a dicha temperatura genera degradación del material. El
tiempo de trabajo se mantiene constante y no depende significativamente de =
la
temperatura.
Probetas
obtenidas a 30°C (a), 40°C (b) y 50 °C (c)
|
|
|
|
<=
span
lang=3DES-EC style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times =
New Roman",serif;
mso-bidi-font-weight:bold'>(a) (b)=
(c)
3.2. Pruebas de incorporación de aditivos en masa
En esta fase del proyecto se ha llevado a cabo la evaluación de los diferentes aditivos antiadherentes incorporándolos en la formulación en masa del poliol e isocianato de modo comparativo, de tal man= era que los resultados son contrastados con una muestra de poliuretano blanco.<= o:p>
Incorporació=
n de
aditivos anti-adherentes en poliol de poliuretano de bajas prestaciones y
evaluación del ángulo de contacto
|
Aditivo |
Prueba
(%) |
Ángulo de contacto (°) |
|
|
- |
blanco |
105 |
105,3 |
|
F1 |
1 |
102,9 |
103,5 |
|
5 |
95,6 |
97 |
|
|
10 |
96 |
95 |
|
|
F2 |
1 |
112 |
110 |
|
5 |
97 |
97 |
|
|
10 |
112 |
110 |
|
|
F3 |
5 |
103,5 |
103,9 |
|
F4 |
15 |
- |
- |
Como
se observa en la Tabla 4 la adición del 10 % de los
aditivos fluorados líquidos F1, F2 y 5 % del aditivo F3 al poliol afectan l=
as
propiedades mecánicas del poliuretano obtenido, mostrándose quebradizo y con
pegaduras en el molde, sin embargo, las adiciones de 1% y 5% conservan sus
propiedades. El aditivo fluorado con micropartículas sólidas F4 al incorpor=
arse
al poliol desarrolla un polímero espumoso con memoria debido a que el aditi=
vo
actúa como agente espumante, de tal manera que no se puede evaluar su ángul=
o de
contacto.
Incorporació=
n de
aditivos antiadherentes en isocianato de poliuretano de bajas prestaciones y
evaluación del ángulo de contacto
|
Aditivo |
Prueba (%) |
Ángulo de contacto (°) |
|
|
|
blanco |
105,0 |
105,3 |
|
F1 |
1 |
105,4 |
104,5 |
|
5 |
100,1 |
98,5 |
|
|
10 |
96,0 |
97,1 |
|
|
F2 |
1 |
112,3 |
113,5 |
|
5 |
101,4 |
102,0 |
|
|
10 |
103,8 |
104,3 |
|
|
F3 |
5 |
103,1 |
102,8 |
La adición de aditivos en isocianatos no es usual
debido a la alta reactividad que derivan en la disminución de enlaces ureta=
nos
que pueden modificar propiedades mecánicas y viscosidad como se observa en =
la Figura 3. Sin embargo, sólo se observa afectación en l=
as
propiedades mecánicas cuando se adiciona 10 % de los aditivos fluorados líq=
uido
F1, F2 y 5% de F3 del poliuretano obtenido, mostrándose quebradizo y con
pegaduras en el molde (ver Figura 3). La incorporación de 1% del aditivo fluo=
rado
líquido F2 tanto en el poliol como en isocianato incrementa el ángulo de
contacto de 105° a 11=
2°, siendo el aditivo F2 el =
que
mejores resultados obtiene según la Tabla 5=
.
Degradación =
de
estructura de poliuretano incorporando en masa 10 % de los aditivos F1(a)
|
|
|
|
=
(a)
(b) (c)
3.3. Pruebas de incorporación de aditivos en superficie
En esta fase del proyecto se ha llevado a cabo la
evaluación de los diferentes aditivos antiadherentes incorporándolos en la
pintura de base poliuretano que servirá como coating de las superficies del
poliuretano de bajas prestaciones, de tal manera que los resultados son
contrastados con una muestra revestida con la pintura de poliuretano sin
aditivos.
Incorporació=
n de
aditivos antiadherentes en coating sobre poliuretanos elastomérico de bajas
prestaciones y evaluación del ángulo de contacto.
|
Aditivo |
Prueba (%) |
Ángulo de contacto (°) |
|
|
blanco |
101,8 |
100,6 |
|
|
F1 |
0,5 |
117,3 |
117,9 |
|
1 |
120,7 |
119,1 |
|
|
3 |
76,8 |
78,7 |
|
|
5 |
69,4 |
73,4 |
|
|
F2 |
0,5 |
114,8 |
120,9 |
|
1 |
118,8 |
120,4 |
|
|
3 |
109,1 |
107,6 |
|
|
5 |
101,8 |
103,3 |
|
|
F3 |
4 |
103,9 |
103,2 |
|
F4 |
15 |
145,9 |
148,6 |
|
NS1 |
2,5 |
126,5 |
129,3 |
|
NS2 |
2,5 |
139,9 |
137,7 |
En la Tabla 6 se observa=
que
el aditivo que resulta en una superficie de mayor hidrofobicidad es F4 al 1=
5 %
sin embargo su recubrimiento es rugoso, genera dificultad para su aplicació=
n y
a priori no sería válido para obtener las superficies con la calidad requer=
ida
en el recubrimiento de piezas como también se observa en la Figura =
4.
Los aditivos al 1 % de F1 y F2 presentan resultados de ángulo de contacto
mayores respecto al blanco. Los aditivos NS1 y NS2 presentan mejor adherenc=
ia y
homogeneidad de la superficie, como se observa en Figura =
4.
Coating con
aditivos antiadherentes aplicados a poliuretano elastomérico de bajas
prestaciones F1 al 1 % (a), F2 al 1 % (b), F3 al 4 % (c), F4 al 15 % (d), N=
S1
al 2,5 % (e) y NS2 al 2,5 % (f)
|
|
|
|
|
(a) |
(b) |
(c) |
|
|
|
|
|
(d) |
(e) |
(f) |
La
Comparación
ángulos de contacto medidos. (a) Superficie hidrófila: 73,4 ° por aplicación coating con
aditivo F1 al 5% y (b) superficie hidrófoba: 148,6 ° por aplicación coating con aditivo F4 al 15 %
(a) =
(b)
3.4. Verificación de reproducibilidad
Con la combinació=
n de
parámetros de procesado y aditivos que han mostrado mejores resultados, se =
ha
llevado a cabo la repetición de las muestras para asegurarnos la repetibili=
dad
de estos.
Verificación=
de
reproducibilidad de incorporación del aditivo fluorado F2 en masa y coating=
en
poliuretano de bajas prestaciones y evaluación de ángulos de contacto.
|
Aditivo |
Tipo
de prueba |
Adición
(%) |
Ángulo
de contacto (°) |
|
|
F2 |
Coating |
0,5 |
108 |
109,5 |
|
1 |
123,5 |
128,5 |
||
|
3 |
108,3 |
107,2 |
||
|
En
masa de componente A |
1 |
111 |
110 |
|
|
5 |
111 |
113 |
Según
la Tabla 7 el 5 % de adición en masa de F2=
no
resulta similar al mostrado en las pruebas iniciales según Tabla 6,
seguramente en la primera prueba no se ejecutó correctamente el ensayo, ya =
que
los demás resultados tienen órdenes de magnitud similar (entorno al 110°) según Tabla 7=
.
Sin embargo, se justifica que es mejor adicionar 1% de F2 pues se obtienen
resultados parecidos que al 5 %, de tal manera que se utiliza menos materia=
l y
se comprometería menos las propiedades mecánicas del poliuretano elastoméri=
co.
Los aditivos NS1 y NS2 de nano partículas de sílice
funcionalizadas con cadenas hidrocarbonadas con flúor presentan ángulos de
contacto más elevados. Los resultados de las evaluaciones ángulos de contac=
to
altos obtenidos en coating al 1 % de F1, 1 % de F2, y 5 % de F4 y en masa d=
el 1
% de F2 se probarán en el poliuretano elastomérico de altas prestaciones ob=
jeto
del proyecto.
El desarrollo experimental ha conseguido optimizar=
el
procesado para la obtención de probetas de poliuretano elastomérico de bajas
prestaciones en 50 ° C durante 20 min. Se=
ha
incorporado aditivos fluorados líquidos, partículas de fluoropolímeros y na=
no
partículas de sílice funcionalizadas con flúor en masa y coating en poliure=
tano
elastomérico de bajas prestaciones. Los aditivos fluorados líquidos F1 y F2
aplicados como coating en proporciones de 0,5% y 1% aumentan el ángulo de
contacto significativamente. Los aditivos de nanopartículas de sílice
funcionalizadas con cadenas hidrocarbonadas con flúor SN1 y SN2 muestran un
aumento considerable del ángulo de contacto de la superficie, quedando como=
una
línea de investigación abierta para este tipo de materiales. La adición del=
15
% del aditivo F4 muestra ángulos elevados de contacto, pero presenta falta =
de
adherencia y cuarteaduras en la superficie del poliuretano. El aditivo F2
incorporado en masa en proporciones bajas mejora el ángulo de contacto de la
superficie del poliuretano.
4.
Conclusiones
· =
Con
base en las publicaciones científicas revisadas y la experiencia a través de
este proyecto se recomienda la adición de cargas con partículas y
nanopartículas de sílice funcionalizadas con flúor y partículas de
fluoropolímeros como aplicación de recubrimientos, denominados coatings<=
/i>,
en la capa superficial del poliuretano. <=
/span>Las
nanopartículas de sílice de diferente tamaño funcionalizadas con cadenas
hidrocarbonadas fluoradas presentan una línea amplia de investigación para =
la
fabricación de materiales antiadherentes a ser estudiados. Los resultados
planteados pueden ser escalables en la
aplicación de poliuretanos antiadherentes de altas prestaciones utilizados =
para
el revestimiento de moldes a nivel industrial.
5.
Conflicto de
intereses
Los autores declaran que no existe conflicto de
intereses en relación con el artículo presentado.
6.
Declaración de=
contribución
de los autores
Todos autores contribuyeron significativamente en =
la
elaboración del artículo.
7.
Costos de financiamiento
La presente investigación fue financiada en su
totalidad con fondos propios de los autores.
8.
Referencias
bibliográficas
El artículo que se publica es de exclusiva
responsabilidad de los autores y no necesariamente reflejan el pensamiento =
de
la Revista Alfa Publicaciones.=
El artíc=
ulo
queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parcial y/o t=
otal
en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Alfa Publicaciones.