Fundamentos
Los poliuretanos son unos plásticos que tienen multitud de aplicaciones. Así, se emplean en la fabricación de calzados, correas o neumáticos; como recubrimiento de diferentes materiales; en barnices protectores; como adhesivos y selladores; como aditivos de pinturas; en carcasas de aparatos electrónicos y cascos de embarcaciones; en ropa de cama, tapicerías… Las clásicas esponjas de baño y cocina suelen ser de poliuretano. La conocida gomaespuma es poliuretano. El tejido llamado licra o spandex es básicamente un copolímero de uretano y urea.
Por otro lado, los polímeros se suelen clasificar en termoplásticos y termoestables. Los primeros se caracterizan por deformarse a temperaturas relativamente altas, llegando a derretirse, pero cuando se enfrían lo suficiente vuelen a endurecer; de este modo, pueden moldearse. Los termoestables son infusibles, de modo que si se calientan excesivamente simplemente se degradan. Esto es debido a que un proceso de curado endurece al material porque sus cadenas poliméricas se reticulan entre sí. Se puede fabricar poliuretano tanto termoplástico como termoestable. Un tipo de poliuretano termoestable es la espuma de poliuretano, que se usa principalmente como aislante térmico y acústico en construcción y también en la fabricación de muebles, colchones, cojines y asientos, especialmente de automóviles.
Los poliuretanos son copolímeros que se obtienen haciendo reaccionar dos tipos de monómeros: un diisocianato (o un triisocianato, que son compuestos con dos o tres grupos isocianato, –N=C=O, respectivamente) y un poliol (moléculas de variado tamaño que tienen al menos dos grupos alcohol,–OH). (Los polioles empleados pueden ser de base poliéster y de base poliéter, según las características que se deseen para el material). En la siguiente figura se muestra como ejemplo la reacción de condensación entre el 4,4´-diisocianato de difenilmetano y el etanodiol.
De forma simplificada la reacción general se puede escribir como se muestra a continuación. Los grupos –N=C=O y–OH reacciona entre sí y generan enlaces uretano o carbamato (en verde):
n OCN–R–NCO + n HO–R’–OH → [–COO–NH–R–NH–COO–R’–]n
Para producir espuma de poliuretano hace falta un ingrediente adicional: un gas. Este, al escapar, es el que forma la estructura típica de poros y canales de este tipo de materiales. El gas se puede inyectar o bien generarlo al mismo tiempo que se produce la polimerización. Un método es emplear disolventes de punto de ebullición bajos que se vaporicen durante la polimerización (ya que la reacción es bastante exotérmica); otro es inyectar CO2 en el molde en el que se va a formar la espuma; un tercero, que es el más sencillo, es añadir agua, ya que esta reacciona con el isocianato produciendo un ácido carbámico que se acaba descomponiendo en una amina y CO2[1] como se muestra en la siguiente reacción:
R–NCO + H2O → R–NH–COOH → R–NH2 + CO2
(La amina puede reaccionar a su vez con el isocianato para producir un derivado de urea).
Además de los ingredientes principales se suele usar un tensioactivo que mejore las interacciones interfaciales de la mezcla de reactivos. El aceite de silicona es adecuado.
El experimento
Para realizar la síntesis conviene preparar dos reactivos: A y B. (Como se ve en la figura de la derecha, se comercializan los dos reactivos ya preparados para que simplemente mezclándolas se obtenga espuma de poliuretano). El principal componente del reactivo A es el propoxilato de glicerol (20 g), un poliol de cadena larga con tres grupos OH cuya fórmula es:
En teoría, este poliol podría sustituirse por otro más asequible o barato como el polietilenglicol, el polipropilengliclol o el politetrametilenglicol. Estos producirán una espuma más flexible. Por otro lado, cada vez se obtiene más poliuretano a partir de polioles derivados de aceite de soja[2].
Los otros componentes son agua (0,6 mL), aceite de silicona (0,4 g) y el catalizador dilaureato de dibutilestaño (0,2 g).
En cuanto al reactivo B, es el 4,4´-diisocianato de difenilmetano, cuya fórmula se mostró más arriba. Este compuesto es líquido a temperatura ambiente, pero la cantidad necesaria se puede medir por pesada: 11,5 g. (Si se quiere emplear más cantidad, debería usarse más agua al mismo tiempo de manera que la relación entre el diisocianato y el agua sea de aproximadamente 18,7 g : 1 mL). Todos los compuestos necesarios para el reactivo A y el B se pueden adquirir en casas comerciales como Sigma-Aldrich-Merck.
Como recipiente se puede usar un simple vaso de polietileno como los que se emplean para tomar café y otras bebidas. Es recomendable que su volumen sea de medio litro, aproximadamente. Se echan en él las cantidades requeridas del reactivo A y se mezclan muy bien durante aproximadamente 1 min. A continuación se añade el diisocianato y se agita vigorosamente durante unos 15 s.
Se verá que se va formando la espuma de poliuretano y que al mismo tiempo la temperatura de la mezcla aumentará, ya que la polimerización, como se ha dicho, es exotérmica. El volumen inicial de la mezcla (unos 30 cm3) aumentará hasta 250 a 350 cm3 (es decir, de 8 a 12 veces), dependiendo de la cantidad de agua y de otras condiciones, por lo que si el vaso tenía menos de ese volumen la espuma formará una especie de hongo, como se observa en la figura (los colores se deben a que a los reactivos se les añadió un poco de colorante).
Como variante se puede añadir en la formulación un poliol de cadena corta, como el glicerol, que aumentará la rigidez de la espuma.
Moldeo
La espuma formada será inicialmente blanda, de textura parecida a la de un helado cuando se está derritiendo. Por eso, hay que dejarla reposar durante un cierto tiempo para se cure y endurezca. Una hora es un tiempo adecuado. Si se ha usado el recipiente de polietileno será fácil retirarla. También se pueden usar moldes con diferentes formas (preferiblemente de algún termoplástico) para obtener objetos de cualquier forma. Para ello, hasta verter la mezcla de los reactivos A y B en el molde y retire la espuma después de 1 h. De este modo se pueden ilustrar los beneficios industriales del moldeo de objetos de espuma de poliuretano (por ejemplo, suelas de zapatos deportivos o asientos de automóviles).
Medida de la densidad
Un experimento adicional es medir la densidad. Esta dependerá de la cantidad de agua añadida, ya que a más agua más CO2 se formará. Es interesante hacer pruebas con distintas cantidades y comprobar su influencia en la densidad. La diferente densidad entre muestras se podrá apreciar en el distinto tamaño de los poros.
Para medir la densidad se debería dejar que el objeto se cure durante varios días y después cortarlo de modo geométrico (por ejemplo, cubico) del modo más perfecto posible para medir bien su volumen. Si se cortan varios cubos se puede obtener la media aritmética y la desviación típica. Si el molde era cilíndrico también será fácil calcular el volumen de un trozo a partir del diámetro y la altura. Pesando a continuación la pieza, el cálculo de la densidad es inmediato.
Alternativamente, el volumen de las muestras se puede determinar sumergiéndolas en una probeta con agua y registrando el aumento en el nivel del líquido. Un pequeño alambre fino o espátula se puede utilizar para hundir el objeto. La pesada debería hacerse antes para evitar errores de pesada por el agua que se pueda absorber.
Seguridad
Si se utilizan los productos recomendados no es necesario usar campana extractora, pero sí en el caso de emplear otros alternativos como diisocianato de tolueno. De todos modos, hay que manejar con cuidado los isocianatos porque pueden resultar irritantes, si bien el recomendado tiene baja presión de vapor. En cualquier caso, deberían usarse guantes y gafas protectoras.
Utilidad didáctica
Este experimento sirve para ilustrar conceptos básicos de física, química y matemáticas como:
- Termoplásticos y termoestables
- Polimerización
- Monómeros, copolímeros
- Poliuretano
- Usos del poliuretano
- Espumas
- Reacciones de condensación
- Estequiometría
- Alcoholes (polioles)
- Densidad
- Cálculo matemático de volúmenes
- Media aritmética
- Desviación típica
- Moldeo
[1] M. L. Pinto. J. Chem. Educ. 87 (2010) 212–215. https://doi.org/10.1021/ed8000599.
[2] K. Mizera y J. Ryszkowska. Polym. Degrad. Stab. 132 (2016) 21-31. doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2016.05.004
Este experimento pertenece al libro:
José M.ª Gavira Vallejo: Experimentos de Ciencia de Materiales. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/ecm/ .
