Nuevas dispersiones acuosas de poliuretano obtenidas empleando co-solventes ecológicossíntesis, caracterización y aplicación como adhesivos

Resumen

Actualmente el empleo de las dispersiones acuosas de poliuretano como adhesivos y como recubrimientos está en continuo crecimiento ya que constituyen una alternativa viable a los productos basados en disolventes orgánicos, ya que se usan y aplican del mismo modo. Además, la implantación de regulaciones relativas a las reducciones de emisiones de compuestos orgánicos volátiles (VOCs) requiere desarrollar adhesivos y recubrimientos exentos de VOCs. Por otra parte, las dispersiones acuosas de poliuretano no sólo contribuyen al respeto del medio ambiente sino que también proporcionan excelentes propiedades mecánicas y de adhesión. Las dispersiones acuosas de poliuretano se utilizan como adhesivos en la industria de la automoción para el laminado de distintos componentes internos y en la industria del calzado para unir la suela al corte, entre otros. Consisten en sistemas micelares en los cuales las partículas de poliuretano se dispersan en agua. La estabilización de las micelas se consigue adicionando emulsionantes externos o bien incorporando grupos hidrófilos en la cadena del polímero. Las propiedades de las dispersiones de poliuretano se determinan por la naturaleza de los reactivos utilizados durante la síntesis (poliol, isocianato, emulsionante, extendedor de cadena) y por el método de preparación empleado, entre otros. La escasez de estudios realizados en la literatura acerca de la influencia del método en la síntesis de dispersiones acuosas de poliuretano ha sido una de las motivaciones que ha llevado a la realización de este trabajo de investigación. En este estudio se han usado el método de la acetona y el método del prepolímero. En el método del prepolímero se usan diferentes cantidades de disolventes orgánicos no deseables (N-metil-2-pirrolidona por ejemplo), habiéndose sustituido total o parcialmente por un co-solvente ecológico (DMC) en este trabajo. El DMC no se ha utilizado anteriormente como co-solvente en la síntesis de dispersiones acuosas de poliuretano. En esta tesis doctoral se ha analizado la influencia del método de síntesis de las dispersiones acuosas de poliuretano (método de la acetona y método del prepolímero) en sus propiedades y en las de los poliuretanos obtenido a partir de las mismas. El método del prepolímero proporciona una dispersión con un menor tamaño de partícula y una distribución de tamaños de partícula estrecha y homogénea, mientras que la dispersión obtenida con el método de la acetona presenta un mayor tamaño medio de partícula y una distribución ancha de tamaños de partícula. Estas diferencias en el tamaño de partícula producen una menor viscosidad de las dispersiones y una mayor adhesión a pelado. Las propiedades térmicas, estructurales, viscoelásticas, morfológicas y mecánicas de los poliuretanos muestran un mayor grado de reticulación o entrecruzamiento cuando se utiliza el método del prepolímero. Se ha analizado la influencia de la composición de co-solventes (NMP y DSC) y su contenido total en la síntesis de dispersiones de poliuretano usando el método del prepolímero, en las propiedades mecánicas y adhesivas de los poliuretanos. Mediante el empleo de un diseño de experimentos se han determinado las cantidades óptimas tanto de contenido total como de composición de co-solventes óptimos para obtener las mejores propiedades de adhesión y mecánicas. La adición de una mayor proporción de DMC en la mezcla de co-solventes proporciona mejores propiedades adhesivas tanto a pelado como a cizalla, así como mejores propiedades mecánicas. Asimismo, la adición de un bajo contenido de co-solvente proporciona una mayor adhesión y un mayor módulo elástico. Se prepararon diferentes dispersiones de poliuretano usando la mezcla idónea de co-solventes, así como N-metil-2-pirrolidona (NMP) y DMC únicamente. La composición de co-solvente afecta al tamaño y distribución de tamaños de partícula, las cuales son más anchas y bimodales al usar mezclas con altas cantidades de DMC se obtienen partículas en dos zonas de diferente tamaño. La viscosidad también aumenta cuando se usan mezclas de co-solventes. Altas cantidades de DMC producen poliuretanos con una menor separación de fases y con mejores propiedades mecánicas. La adhesión a pelado se afecta por la composición de co-solventes, siendo mayor cuando se utiliza únicamente NMP como co-solvente o cuando se utiliza una mezcla de 35 % DMC y 65 % NMP. En cambio, la fuerza de cizalla de uniones con materiales rígidos (aluminio) es superior cuando se utilizan los co-solventes puros. Finalmente, empleando el contenido óptimo de co-solventes en la síntesis de dispersiones acuosas de poliuretano se analizó la influencia del peso molecular del poliol y la naturaleza del di-isocianato. El empleo de un poliol de menor peso molecular produce un aumento del contenido de los segmentos duros en los poliuretanos. Por otra parte, la utilización de un diisocianato con una estructura simétrica (MDI hidrogenado - HMDI), proporciona poliuretanos con una mayor estabilidad térmica y mejores propiedades adhesivas cuando se someten a ensayos de envejecimiento acelerado respecto al poliuretano obtenido con un diisocianato con una estructura asimétrica (isoforon diisocianato - IPDI). En resumen, el método de síntesis de las dispersiones de poliuretano, el contenido de co-solvente y su composición (en el método del prepolímero), así como el peso molecular del poliol y la naturaleza del diisocianato ejercen una importante influencia en las propiedades de los poliuretanos y en sus propiedades de adhesión.