Los poliuretanos constituyen una proporción importante de los polímeros usados
en ingeniería y pueden ser empleados como elastómeros, espumas, adhesivos o pinturas.
La razón de su versatilidad es que pueden sintetizarse a partir de reactivos muy
variados, a condición de que contengan grupos isocianato y alcohol. Una de las
características más ventajosas de los poliuretanos cuando se utilizan como pinturas es su
buena resistencia a condiciones climáticas adversas y a solventes orgánicos. Por su uso
de solventes, las formulaciones tradicionales contribuyen a la emisión de compuestos
orgánicos volátiles (VOC) a la atmósfera. En un esfuerzo tendiente a disminuir esas
emisiones como parte de las políticas de cuidado del medio ambiente, se está estudiando
desde hace algunas décadas el proceso de síntesis de pinturas poliuretánicas en base
acuosa. Esto puede lograrse con una adecuada modificación de las formulaciones, que
permita minimizar el uso de solventes orgánicos sin perder las propiedades atractivas de
las resinas poliuretánicas. Como los isocianatos son muy reactivos, el sistema de
síntesis tiene siempre reacciones secundarias que pueden afectar la calidad del producto.
Las propiedades finales de los materiales sintetizados dependen de gran cantidad de
variables, lo que hace deseable contar con un modelo matemático que permita
relacionarlas, y avanzar en la optimización de las formulaciones.
En este trabajo de tesis se presenta un modelo matemático de la síntesis de
poliuretano en base acuosa, con el objetivo de predecir la evolución de pesos
moleculares promedio, conversión y otras propiedades durante el proceso. El modelo
usa el enfoque cinético-recursivo, y tiene en cuenta las reacciones secundarias más
comunes. Varias de estas reacciones producen ramificaciones y, bajo condiciones
adecuadas, podrían resultar en la gelificación del producto. Además, el modelo calcula
las fracciones másicas de material soluble, pendiente y elásticamente activo durante la
etapa de postgel. La descripción cuantitativa de esta etapa es útil para seguir el
comportamiento del sistema una vez aplicada la pintura.
Además, en nuestro laboratorio se realizaron numerosas experiencias de síntesis
empleando el método de dispersión del prepolímero y los reactivos diisocianato de
isoforona, poli(propilen)glicol, ácido dimetilol propiónico y etilendiamina. Se tomaron
muestras a intervalos regulares a las que se les midieron los pesos moleculares
promedio mediante cromatografía por exclusión de tamaños y las conversiones
mediante espectroscopia infrarroja.
Se emplearon los datos de una parte de las formulaciones sintetizadas para hallar
constantes cinéticas para las temperaturas de 50 y 60ºC. Los restantes datos se usaron
para validar el modelo. Datos de la literatura se emplearon para el mismo propósito. Los
resultados muestran que el modelo desarrollado tiene gran potencial como herramienta
de simulación y optimización de formulaciones para la síntesis de poliuretanos. / Polyurethanes make up a large proportion of the polymers used in engineering,
and may be used as elastomers, foams, adhesives or paints. The reason behind their
versatility is that they may be synthesized from very different reactants, as long as they
contain isocyanate and alcohol groups. One of the most advantageous characteristics of
polyurethanes when used as paints is their good resistance to adverse climatic
conditions, as well as to organic solvents. Because of their use of solvents, traditional
formulations contribute to the emission of volatile organic compounds (VOC) to the
atmosphere. In an effort aimed at reducing those emissions as part of environmental
care policies, studies on the synthesis of water based polyurethanic paints have been
held for the past few decades. Such syntheses may be achieved with appropriate
modifications of the formulations that minimize the use of organic solvents while
avoiding the loss of the attractive properties of polyurethanic resins. As isocyanates are
very reactive, polyurethane production always presents side reactions that may affect
the quality of the product. The final properties of the synthesized materials depend on a
large quantity of variables, something that makes it desirable to have a mathematical
model able to quantify the relationships between them and contribute to the
optimization of the formulations.
In this thesis a mathematical model of the synthesis of water based polyurethanes
is presented, with the objective of predicting the evolution of average molecular
weights, conversion and other properties during the process. The model uses the kineticrecursive
approach, and takes into account the most common side reactions. Several of
these side reactions produce branching and, under adequate conditions, could lead to the
gelification of the product. The model also calculates the mass fractions of soluble,
pendant and elastically active material during the postgel stage. The quantitative
description of this stage is useful to follow the behavior of the system once the paint has
been applied.
As part of this work, numerous synthesis experiments were performed in our
laboratory using the method of prepolymer dispersion and the reactants isophorone
diisocyanate, polypropylene glycol, dimethylol propionic acid and ethylene diamine.
Samples were obtained at regular intervals and analyzed to measure their average
molecular weights by Size Exclusion Chromatography, and the conversions by Infrared
Spectroscopy.
The results from a fraction of the synthesized formulations were used to find
kinetic constants for the temperatures of 50 and 60°C. The remaining data were used to
validate the model. Data from the literature was used for the same purpose. The results
show that the model developed here has great potential as a tool for simulation and
optimization of formulations for the synthesis of polyurethanes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uns.edu.ar/oai:repositorio.bc.uns.edu.ar:123456789/2638 |
| Date | 12 May 2016 |
| Creators | Amin Ferril, Romina Carolina Antonella |
| Contributors | Sarmoria, Claudia, Brandolin, Adriana |
| Publisher | Universidad Nacional del Sur |
| Source Sets | Universidad Nacional del Sur |
| Language | Spanish |
| Detected Language | English |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
| Rights | 2 |
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