Las propiedades físicas de las espumas rígidas de poliuretano dependen tanto de las materias primas utilizadas, como también en la forma en que son producidas. La maquinaria utilizada tiene como único objetivo mezclar las materias primas para que tenga lugar la reacción química que genera las espumas rígidas de poliuretano.
Durante el proceso de fabricación, es importante la medición de las cantidades de la materia prima a utilizar, por lo que debe usarse equipo que permita hacer mediciones de forma precisa; además es importante las condiciones de manejo de estas materias primas, para evitar su contaminación.
Para la producción de las espumas existen varios métodos, cada uno se utiliza dependiendo de los tiempos de reacción para la espuma a producir, así como de la forma con que se desee obtener el producto. Se puede fabricar la espuma a pie de obra, y con procesos continuos o discontinuos.
En la fabricación a pie de obra, la espuma se genera sobre la superficie deseada, considerando los cambios inevitables y de cuantía diversa en temperatura y humedad ambiental (Kapps, 2004). La ventaja de la espuma fabricada a pie de obra consiste en que no se tienen que transportar grandes volúmenes de espuma, sino únicamente las materias primas y la máquina espumadora. Además, esta
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técnica permite recubrir superficies de geometrías complejas, obteniéndose una capa de espuma relativamente homogénea (Kapps, 2004). Para la fabricación de las espumas a pie de obra, se encuentran los métodos de aplicación de la espuma en “spray”, la superposición de capas, y el uso de espumas monocomponentes.
En el caso de la espuma en “spray”, los componentes químicos de la espuma se mezclan y se atomizan utilizando pistolas especiales, las cuales permiten una distribución uniforme de la espuma sobre las áreas a cubrir. La mezcla utilizada debe reaccionar de forma rápida, para evitar el aflojamiento de la espuma.
La superposición de capas,se aplica cuando existen cavidades que no se llenaron con la introducción de una primera mezcla de reacción, porque la potencia de la máquina espumadora es limitada y no se puede atajar la presión de expansión. Con el método de superposición de capas se introduce la mezcla de reacción por colada a lo largo de la cavidad abierta por arriba. La escasa presión de espumado se absorbe con un armazón, que no necesita ningún dispositivo adicional de apoyo. Después de obtenidas varias capas de espuma puede desplazarse el armazón hacia arriba. Al mismo tiempo se puede colocar para la espuma una envoltura de chapa, que se utiliza con frecuencia. (Kapps, 2004)
La espuma monocomponente es una masa reactiva que consta de un pre- polímero fabricado con isocianato y una formulación de poliol, que contiene todos los aditivos necesarios para la espumación (activadores, estabilizadores, ignifugantes). El espumado tiene lugar por evaporación espontánea del agente espumante disuelto o emulsionado en el prepolímero. La espuma reticula por la reacción de los grupos isocianato libres del pre-polímero con la humedad ambiental. (Kapps, 2004)
Los procesos continuos se utilizan cuando se requieren volúmenes de espuma muy largos y anchos, ya que presentan ventajas desde el punto de vista técnico y
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económico. En este tipo de procesos se pueden formar tanto bloques como paneles tipo “sándwich”.
Para la fabricación de bloques continuos, las materias primas son vertidas en una cinta transportadora cubierta con papel de desmolde colocado en forma de “U”. Debido a la presión ejercida lateralmente por la espuma durante su expansión, los límites laterales han de tener también forma de cinta transportadora. El ancho normal de un bloque fabricado con este método es de 1 - 1,5 m, con alturas de 40 a 100 cm, y con densidades comprendidas entre 30 y 200 kg/m3. Las longitudes de la cinta son de 15 m, con velocidades de fabricación de 2 - 7 m/min. (Kapps, 2004)
Cuando se fabrican paneles tipo “sanwinch” de forma continua, se utilizan instalaciones de doble cinta transportadora, las cuales actúan como molde de apoyo acompañante, éstas se sitúan una sobre la otra, y son capaces de absorber una cierta presión. El espacio existente entre ambas cintas es una distancia regulable, con lo cual se ajusta el grosor de los elementos que se van a producir. La mezcla reactiva se deposita sobre la cara interior de la capa de cobertura inferior en la zona previa al inicio del tramo de presión. Tiene que asegurarse de que espuma con rapidez y que alcanza la capa de cobertura superior en la zona inicial del tramo de presión. Con la presión de apriete, la plancha sándwich generada es sustentada y transportada por las cintas transportadoras. (Kapps, 2004)
Cuando los volúmenes de espuma que se requieren son pequeños, es preferible utilizar los métodos discontinuos. En este caso la espuma se produce en moldes en los cuales se vierte la mezcla química para formar la espuma rígida, la cual se expande aproximadamente 30 veces el volumen inicial llenando todas las cavidades sin dejar espacios vacios. Sin embargo, al presentarse un cambio de volumen tan grande al producir la espuma, se ejerce una gran presión sobre las
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superficies internas del molde, por lo que deben ser reforzadas para que soporten el esfuerzo realizado sobre las mismas. La fabricación de la espuma en forma discontinua se realiza de forma manual (caso de laboratorio o bloque de pequeño volumen), o con el uso de máquinas (mezcladora y espumadora).
La producción de las espumas en forma manual se realiza mezclando las materias primas con un agitador accionado con un motor eléctrico, y luego vertiendo la mezcla dentro del molde para el crecimiento de la espuma. Al molde debe aplicársele previamente una capa desmoldante (papel de desmolde, o cera) para facilitar la remoción de la espuma al finalizar el proceso.
Cuando se utilizan las máquinas para producir la espuma de forma discontinua, las materias primas se transportan desde sus tanques de almacenaje al recipiente mezclador. En los recipientes mezcladores se convierten los componentes en un estado apto para la transformación, es decir, se mantienen a temperatura constante, se homogenizan y se mantienen en este estado. Las máquinas dosificadoras acarrean los componentes en una determinada proporción de mezcla desde los recipientes mezcladores hasta el cabezal mezclador, donde se reúnen los dos componentes formando la mezcla reaccionante, la cual se vierte en el molde para que espume. (Kapps, 2004)
3.4 Recapitulación
La fabricación de las espumas de poliuretano es más compleja de lo que parece a simple vista, ya que en su formación no solo se da la reacción entre el poliol y el isocianato que forma los enlaces de uretano; sino que además se presentan reacciones secundarias que consumen isocianato para formar otras sustancias, aunque éstas sean menos favorecidas respecto a la reacción principal. Es por esto que se utilizan excesos de isocianato en la formulación de los poliuretanos, para asegurar una reacción completa del poliol para formar los enlaces de uretano, aún cuando se consuma parte del isocianato en reacciones secundarias.
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La formación de los poliuretanos se da por la reacción principal entre los grupos isocianato del poli-isocianato, y los grupos hidroxilo del poliol debido a la gran reactividad del grupo isocianato, por lo que es posible utilizar la celulosa y lignina de los materiales lignocelulósicos como sustitutos parciales de los grupos hidroxilo del poliol, para que reaccionen en condiciones adecuadas con el grupo isocianato y así formar enlaces uretano. Esto abre la posibilidad de utilizar materiales de fuentes renovables y así obtener espumas más amigables con el medio ambiente y de buenas características.
Otros factores que intervienen en la formación de los poliuretanos y que influyen en el tipo, cantidades, y características de la espuma de poliuretano a obtener, son las cantidades y calidades de las materias primas, los aditivos, las condiciones tanto de proceso como ambientales, y los métodos de producción. Se necesita conocer el efecto de estos factores en las características de la espuma, para así obtener el producto según la aplicación deseada.
Por último, ya que se conocen cuales son las características de las espumas rígidas de poliuretano comercial, se quiere que sean similares para las espumas rígidas que utilizan cascarilla de arroz como parte de su formulación. Por lo que para estas espumas rígidas que se producen en el laboratorio, se quiere que presenten el mayor esfuerzo de compresión posible a las condiciones en que se elaboran, además de una alta temperatura de descomposición y una buena capacidad de aislamiento térmico.