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Introducción a los poliuretanos

La clave del éxito en la función de diseño, es desde luego la selección del material necesario para lograr la prestación adecuada. En algunos casos el material requerido puede ser acero, aluminio u otros metales; en otros casos, plásticos como ABS, poliestireno, PVC ó resinas fenol formaldehído son los mas adecuados, y en un número creciente, los poliuretanos suelen ofrecer las mejores características de diseño y prestación. La variación de estos elastómeros es sustancial. Cada formulación tiene sus atributos y restricciones. Es esencial entonces, en términos de aplicaciones de ingeniería, conocer cada una de ellas, y entonces seleccionar el tipo de poliuretano que satisface nuestras necesidades técnicas y económicas. El término poliuretano puede aplicarse a distintas clases de materiales:

• Elastómeros de colada • Espumas rígidas y flexibles • Adhesivos • Selladores • Termoplásticos • Caucho de Molienda • Recubrimientos

En el presente texto nos referiremos a los elastómeros de colada que son la especialidad de URETEC SRL. Las espumas rígidas se utilizan en aislaciones, mientras que las espumas flexibles se usan en colchones. Estas dos aplicaciones conforman un mercado de alto volumen. Los adhesivos de base poliuretánica son de gran variedad, uno de los mas usados son los selladores de base química de poliuretano para ventanillas de automotores. Los materiales termoplásticos poliuretanos que han reaccionado totalmente y se los procesa por fusión con inyectoras, extrusoras y sopladoras. Los poliuretanos de molienda son procesables en forma semejante a los cauchos convencionales, es decir adicionando cargas y otros ingredientes; se los trabaja en equipos convencionales para caucho y son vulcanizables con peróxidos y en algunos casos con azufre. Los recubrimientos basados en poliuretanos cubren un amplio espectro que incluye barnices y pinturas frecuentemente usados en muebles, como así también aquellos

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aplicables con sistemas de pulverización como recubrimientos para proteger de la abrasión y agentes químicos.

¿Porqué usar poliuretano?

La principal característica de los poliuretanos de colada es su variedad de extraordinarias propiedades físicas. Son materiales de ingeniería que se eligen para ser usados en base a estas propiedades. Los motivos para su uso son:

PRESTACION: 1. Resistencia a la abrasión 2. Robustez 3. Resistencia al desgarro 4. Apoyo de cargas COSTO – BENEFICIO: 1. Elimina tiempo ocioso en operaciones costosas 2. Menor inversión de equipos para producciones pequeñas 3. Menor costos de mantenimiento de equipos.

Estas dos razones, prestación y costo – beneficio, son las que determinan el uso de los poliuretanos de colada. Las características de prestación permite que se los seleccione en aquellos lugares donde otros materiales sencillamente no pueden ser usados satisfactoriamente debido a lo exigido de las condiciones de trabajo. En otros casos se los elige por sobrepasar las propiedades de otros materiales por un amplio margen. Las cuatro prestaciones mencionadas arriba, que no son ciertamente las únicas, son las que los colocan usualmente por encima de los otros materiales en muchas aplicaciones. En cuanto al costo – beneficio podemos destacar que aunque los poliuretanos suelen ser mas caros que otros materiales, estos se utilizan debido a que el costo operativo de la actividad a la que va dirigido es muy alto. Este es particularmente crítico en minería y petróleo. El tiempo ocioso por rotura o desgaste de partes es muy costoso en estas operaciones lo cual justifica la utilización de piezas en poliuretano aunque este cueste 2, 3 y hasta 10 veces más que si estas fueran hechas con caucho convencional. La matricería utilizada en la fabricación de piezas en poliuretano es mucho mas simple y barata en comparación con la que debe usarse para fabricar piezas en caucho convencional, debido a que esta última debe ser capaz de soportar las altas presiones del

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proceso de moldeo y las altas temperaturas del proceso de vulcanización. Es por esto que para producciones de pocas piezas suele ser más conveniente el uso de poliuretanos de colada en lugar de caucho convencional aunque la materia prima para fabricarlo cueste mucho menos. Los poliuretanos de colada compiten con metales, plásticos y cauchos en diversas aplicaciones:

VENTAJAS SOBRE

LOS METALES VENTAJAS SOBRE

LOS PLASTICOS VENTAJAS SOBRE

EL CAUCHO Menor Peso Menor fragilidad Resistencia a la abrasión Menor generación de ruido Memoria elastomérica Resistencia al corte y

desgarre Más robustez Resistencia a la abrasión Resiste mejor cargas de apoyoFabricación barata Claridad. Translúcido Resistencia a la corrosión Resistencia al ozono Colable ( Sin presión) Mayores durezas

Una de las principales ventajas de los poliuretanos contra los metales es su peso; una pieza de poliuretano pesa mucho menos que una hecha de metal y es más fácilmente manipulable. La densidad relativa del poliuretano está alrededor del 1.2. El poliuretano además absorbe ruidos, mientras que los metales tienden a producirlos. La reducción de ruido en lugares de trabajo donde el poliuretano reemplaza al metal suele ser espectacular. Producir piezas de metal requiere fundición, soldado y/o maquinado, lo cual es costoso especialmente en aleaciones duras. Los poliuretanos resisten a la corrosión. En minería se realizan operaciones con soluciones altamente corrosivas que deterioran rápidamente al metal. Siempre que se de la combinación abrasión – corrosión podemos predecir corta vida de los metales, mientras que los poliuretanos pueden durar varias veces más. Una de las ventajas de los poliuretanos sobre los plásticos es que no son quebradizos. Muchos plásticos, particularmente los de alta dureza, tienden a agrietarse y quebrarse bajo impactos severos o cargas. Los poliuretanos se comportan como verdaderos elastómeros, manteniendo su alta resistencia al impacto aún en grados de alta dureza. También tiene memoria elastomérica, es decir pueden ser estirados sustancialmente y retornar a su medida original (aún en altas durezas). Finalmente los plásticos no tienen resistencia a la abrasión que poseen los poliuretanos.

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La principal ventaja de los poliuretanos con el cauchos es su resistencia a la abrasión, combinada con la resistencia al corte y al desgarro. También existe la posibilidad de fabricar poliuretanos de cualquier color, incluso transparentes. Esto es interesante cuando se requiere codificar piezas y facilitar su manejo. Los cauchos están sujetos al ataque del ozono, particularmente cuando esta cerca de equipos eléctricos donde las concentraciones de ozono son elevadas. Los poliuretanos no tienen el problema de agrietamiento por ozono. Como vimos anteriormente el hecho de que los poliuretanos se fabriquen por colada abarata los costos de fabricación de series chicas. Muchos compuestos de caucho con durezas de 90 a 95 Shore A deben sacrificar muchas propiedades para llegar a esta dureza, mientras que los poliuretanos con valores de 80 a 95 Shore A están en el pico de sus propiedades físicas. En cuanto a las limitaciones de los poliuretanos podemos enumerar:

LIMITACIONES DE LOS POLIURETANOS DE COLADA Altas temperaturas de servicio Ambientes calientes con humedad Presencia de ciertos químicos Los poliuretanos no son materiales para ser usados a alta temperatura. Debido a cierta termo plasticidad en su estructura, las propiedades tienden a caer a altas temperaturas, y en general podemos decir que no deben ser usados en servicio mas allá de los 104-107º C. Otra limitación es que todos los poliuretanos están sujetos a hidrólisis en presencia de humedad a elevada temperatura. La combinación de estos dos factores crea un serio problema. Mientras que a bajas temperaturas los poliuretanos pueden estar en contacto con agua por muchos años sin problemas, ningún poliuretano puede soportar el vapor vivo por largo tiempo. Existen estados intermedios de humedad y temperatura donde los poliuretanos pueden o no ser utilizados. Por último hay ciertos químicos cuyo contacto no es beneficioso para los poliuretanos. Los ácidos muy fuertes, solventes aromáticos como tolueno y xileno, cetonas (acetona, metiletilcetona) y ésteres (acetato de etilo) no son recomendables. Existen otros solventes, sin embargo, que son muy bien resistidos por los poliuretanos.

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Propiedades de Ingeniería de los Poliuretanos

DUREZA: Los poliuretanos de colada pueden ser formulados para cubrir un ancho rango de durezas. Desde los cauchos más blandos hasta los plásticos más rígidos. En la figura se muestra el espectro de durezas posibles con algunos ejemplos de aplicaciones. Para la medición de dureza de los poliuretanos se suelen utilizar dos escalas: Shore A para los más blandos y Shore D para los más duros.

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RESISTENCIA A LA TRACCIÓN: Algunos plásticos tienen alta resistencia y alto módulo de tracción, pero tienen baja elongación. La mayoría de los cauchos tienen por otro lado alta elongación, pero baja resistencia y módulo de tracción. Los elastómeros de poliuretano tienen alta elongación, alta resistencia a la tracción y alto módulo. Esta combinación provee rigidez y durabilidad en las piezas fabricadas. En el gráfico se compara la curva carga-elongación de algunos poliuretano con algunos cauchos. La capacidad de los poliuretanos de soportar grandes cargas de tracción es una de sus sobresalientes y distintivas características.

En la siguiente figura se puede ver la relación entre la tensión de tracción para el 50% y 100% de elongación y la dureza del poliuretano. La capacidad de los elastómeros de poliuretano de lograr altas durezas manteniendo una buena elongación les permite resistir altas cargas de tracción sin riesgo de ruptura.

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COMPRESIÓN: Cuando las cargas son aplicadas en compresión, el mismo principio de tracción es aplicable, es decir, altas durezas minimizan la deflexión o distorsión del elastómero. En la figura siguiente se compara la respuesta de los elastómeros de poliuretano contra la de un caucho típico cargado a compresión.

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En la figura que sigue se muestra como altas durezas permiten más grandes cargas de compresión para una determinada deflexión. La repuesta favorable de los poliuretanos a las cargas compresivas junto con su superior resistencia al corte y a la abrasión, contribuyen a su excelente desempeño en algunas aplicaciones como ruedas industriales, ruedas de auto elevadores, rodillos de corte, almohadillas para conformado de metales, etc. RESISTENCIA AL AMBIENTE – RESISTENCIA QUIMICA: Los elastómeros tienen generalmente buena resistencia a las adversas condiciones encontradas en las aplicaciones prácticas. Su estructura química es inherentemente mas estable a los hidrocarburos y a los medios oxidantes (incluso el oxígeno atmosférico) que los cauchos convencionales. Los elastómeros de poliuretano pueden ser usados en el campo del petróleo, refinerías, minería, rodillos de impresión, y aplicaciones similares sacando ventajas de esas propiedades de resistencia química. Debido a la diversidad de medios en los que puede estar expuesto el elastómero, es recomendable ensayar el material al medio en cuestión y determinar así la durabilidad del mismo. En la siguiente tabla se indica la resistencia a algunos agentes de los poliuretanos y de algunos cauchos convencionales.

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AMBIENTE POLIURETANO POLIESTER

POLIURETANO POLIETER

CAUCHO NATURAL

NEPRENE SBR

CALOR B R R B B

FRIO B B E B B

CLIMA E E P B R

OZONO E E P R P

ACEITE ASTM Nº1 E R P B P

ACITE ASTM Nº3 E P P B P

SOLVENTES ALIFATICOS E R P B P SOLVENTES CLORADOS R-B P B P P SOLVENTES

AROMÁTICOS R P P R P ACIDOS

DILUIDOS P-R R B B R-B ÁLCALIS DILUIDAS P-R R B B R-B

E = EXCELENTE B = BUENA R = REGULAR P = POBRE

RESISTENCIA A LA ABRASIÓN: En muchas aplicaciones de los elastómeros de poliuretano, la buena resistencia a la abrasión y el bajo coeficiente de fricción son características esenciales. Los más bajos coeficientes de fricción son obtenidos con compuestos formulados para tener altos grados de dureza. Tanto en el campo de aplicación como en laboratorio el poliuretano muestra una amplia ventaja sobre muchos otros materiales. El ensayo Thelin establece un significante método para determinar la resistencia a la abrasión de un material, introduciendo un abrasivo a intervalos preestablecidos a lo largo del ensayo. La prueba es usada para determinar los efectos de la dureza del elastómero en la resistencia a la abrasión del mismo y compararla contra otros materiales. En la tabla siguiente se muestra las pérdidas de abrasión de los distintos elastómeros ensayados:

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ABRASIÓN DE ELASTÓMEROS DE POLIURETANO POLIURETANO GRAMOS PERDIDOS CADA 20000 CICLOS

SHORE 80 A 0.0012 SHORE 90 A 0.0037 SHORE 60 D 0.0210 SHORE 70 D 0.0359

Un caso histórico de comportamiento del poliuretano al desgaste es el de zarandas vibratorias expuestas a un flujo continuo de lodo de titanio: VELOCIDAD = 14 pies / segundo, CAUDAL = 1200 toneladas / hora, TAMAÑO DE PARTICULAS = desde 0.5 pulgadas a malla 150 La zaranda de poliuretano duró más que la de acero inoxidable, en por lo menos 400 veces mas tiempo de vida de uso, y tan solo costó 7 veces más. La malla de acero inoxidable duró sólo 10 días antes de tener que ser reemplazada, causando grandes costos de tiempo improductivo. ADHESIÓN:

Los elastómeros pueden ser pegados a metales y a la mayoría de los plásticos formando una unión que es generalmente mas fuerte que el elastómero mismo. Especialmente fuerte son las uniones obtenidas por la aplicación del adhesivo al metal o plástico y moldeando en caliente el poliuretano sobre éste. En el pegado con metal, el sistema debe ser desarrollado a fin de lograr excelente resistencia de la unión. En un reciente estudio de comparación de poliuretanos base poliéster y base poliéter se ha demostrado que los poliésteres muestran 2 a 3 veces mas resistencia de adhesión a un rango de temperatura dado.

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PROPIEDADES ELECTRICAS: Las propiedades eléctricas típicas de lo elastómeros de poliuretano se muestran en la siguiente tabla:

POLIESTER POLIÉTER 80 A 90 A 60 D 70 D 80 A 90 A 95 A 60 D 70 D 75 D

Resistividad CC 23ºC , 50 % RH , 500 V

[ohm.cm]

1.5 E 10

8.3 E 10

1.1 E 12

6.5 E 13

1.1 E 10

1.4 E 11

8.4 E 12

3.6 E 13

2.0 E 14

1.5 E 14

Resistividad Superficial 23ºC , 50 % RH , 500 V

[ohm]

1.8 E 12

4.0 E 12

4.7 E 13

1.4 E 15

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CONSTANTE DIELECTRICA

A 60 HZ, 1000 HZ , 1000000HZ

9.53 8.51 6.87

8.66 7.82 6.00

7.29 6.49 5.23

5.60 5.12 4.53

- 5.93

-

- 5.99

-

- 5.58

-

- 5.24

-

- 4.88

-

- 4.41

- FACTOR DE

DISCIPACIÓN A 60 HZ, 1000 HZ ,

1000000HZ

0.230 0.054 0.082

0.089 0.060 0.087

0.071 0.065 0.071

0.055 0.045 0.044

- 0.022

-

- 0.042

-

- 0.044

-

- 0.039

-

- 0.032

-

- 0.022

- RESISTENCIA DIELÉCTRICA

electrodos separados 1” 23ºC 500 v/seg

310

330

250

285

273

282

317

314

331

339

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Las propiedades eléctricas de los elastómeros de poliuretano pueden ser modificadas mediante la aplicación de cargas conductivas.

Propiedad eléctrica

Poliuretano con carga

antiestática

Poliuretano con carga

conductiva

Neoprene

Resistencia superficial

1.1 E 10 8.14 E 6 2.80 E 7

Resistencia Volumétrica

4.44 E 8 1.20 E 6 -

MAQUINABILIDAD: Los procedimientos habituales para mecanizar plásticos son aplicables a los poliuretanos. Los puntos clave a recordar son:

1. Los poliuretanos tienen un muy bajo coeficiente de conducción térmica, por lo tanto el calor generado por las herramientas de corte no se disipa y aumenta rápidamente la temperatura del elastómero. Esta temperatura debe ser controlada ya que la fusión ocurrirá a los 228º C aproximadamente.

2. La memoria elástica del poliuretano ocurre durante y después del maquinado, por lo que las herramientas de corte deben compensar este efecto. Durante el mecanizado la expansión del poliuretano produce un aumento de fricción entre la superficie de corte y la herramienta de corte con el consiguiente aumento de la temperatura. La recuperación elástica después del maquinado produce menores diámetros interiores y mayores diámetros exteriores de los que se habían medido durante el mecanizado.

3. Los elastómeros de poliuretano pueden ser fácilmente deformados. Por esto, debe tenerse cuidado de no deformar la pieza al sujetarla o cortarla.

4. Si el exceso de calor generado es acumulado se pueden producir malas terminaciones superficiales con pobre estabilidad dimensional. Esto se evita con adecuadas geometría de la herramienta, velocidades de avance, velocidades de corte y con el uso de refrigerantes. Los refrigerantes solubles en agua y aceites livianos son adecuados para su uso en maquinado de poliuretano.