Reducir la TEA en formulaciones de poliuretano sin reducir el rendimiento

Publicado por  Equipo de recubrimientos de alto rendimiento el 03/07/2019

La trietilamina, generalmente abreviada como TEA o Et3N, es un líquido volátil sin color utilizado para crear dispersiones de poliuretano (PUD). Generalmente se emplea en síntesis orgánicas como base para una variedad de aplicaciones, tales como los disolventes catalizadores en síntesis químicas, los inhibidores de corrosión y los agentes de curado y endurecimiento para polímeros.

En las PUD, la TEA funciona como contraión al ácido en la estructura del polímero, permitiendo la formación de partículas de polímeros en agua. Logra esto al ionizar el ácido carboxílico en el polímero de poliuretano. La TEA neutraliza el ácido en el prepolímero, formando un par ionizado a base ácida, lo que lo hace dispersable. Sin estar ionizado, no tendría la afinidad requerida para el agua necesaria para crear una dispersión polímérica.

Sin embargo, la TEA ha enfrentado recientemente desafíos y presiones regulatorias debido a sus emanaciones nocivas. Incluso la exposición a corto plazo a las emanaciones pueden causar una severa irritación en los ojos y la piel. Además de las preocupaciones por la salud de las personas, la TEA es considerada un componente orgánico volátil (VOC, siglas en inglés) y posee un olor desagradable y potente que a veces se lo describe como olor a pescado podrido.

Si bien la TEA sí ofrece algunas ventajas exclusivas para la producción de PUD, las formulaciones de PUD sin TEA pueden ser igual de efectivas con los cambios de formulación adecuados, sin amenazas para la salud de las personas.

Una alternativa a la TEA es la dimetiletanolamina (DMEA). Requiere un poco más de atención en el procesamiento de las PUD porque la DMEA tiene un alcohol reactivo adherido (un sustituo del etanol). Esto significa que debe agregarse en la fase del agua, a diferencia de la TEA que se puede agregar directamente al prepolímero. La DMEA también tiene un punto de ebullición más alto (menos volátil) que la TEA, así que demora más en dejar el recubrimiento, lo que puede reducir la resistencia química del recubrimiento cuando se lo prueba. La DMEA puede ofrecer una dispersión y un tamaño de la partícula con estabilidad coloidal; en gran parte por su habilidad de no impactar el prepolímero cuando se agrega al agua. Sin embargo, aún es un VOC relativamente indeseable con olor feo.

Las bases de metal o inorgánicas, como el hidróxido de potasio y sodio, se pueden usar como una alternativa a la TEA para ionizar sustitutos ácidos en polímeros. Sin embargo, puede ser difícil trabajar con estos materiales y puede impactar de manera negativa en la calidad de la PUD final. Ya que los metales como el sodio forman bases resistentes, tienden a impactar o aglomerar el prepolímero cuando se agrega al agua, resultando en una dispersión arenosa/"sucia" de poca calidad que contiene un polímero que no es estable en agua y derivar en sedimento en el recipiente. Además, las bases de metal como el sodio son permanentes o no volátiles y se espera que afecte de manera negativa el rendimiento del recubrimiento en cuanto a una resistencia al agua más baja.  Sin embargo, no contribuirán con las emisiones del VOC del recubrimiento, mejorando la sostenibilidad del producto.

 

Otra alternativa es el amoníaco, que se utiliza generalmente para ajustar el pH o crear emulsiones acrílicas ionizadas. Sin embargo, es difícil de usar para preparar PUD debido a su alto nivel de reactividad con isocianatos. Si no se toman cuidados especiales, el amoníaco recciona con el prepolímero funcional isocianato durante el proceso de dispersión y convierte al isocianto en urea. La urea resultante no reaccionará para crear el peso molecular del prepolímero. Los polímeros deben tener un cierto peso molecular para funcionar adecuadamente y el uso de amoníaco probablemente resulte en un polímero con peso molecular más bajo. Si el peso molecular es muy bajo para el producto final, puede afectar el rendimiento final, posiblemente a tal punto que el producto ya no se comporte como un sólido, sino como un líquido. En otras palabras: un material pegajoso que no es útil como recubrimiento protector. Por lo tanto, el amoníaco, o cualquier amina con hidrógeno incorporado, sería problemático para usar y dispersar un poliuretano aniónico dispersable en agua que contenga isocianato activo para crear un polímero con peso molecular alto.

Los grupos de dispersión no iónicos se pueden usar para hacer una PUD y evitar usar TEA o cualquier otro contraión. Sin embargo, estos tipos de polímeros son generalmente inferiores a las PUD aniónicas como recubrimiento protector. Esto se debe a la permanecia del material dispersante no iónico soluble en agua, como también a las cantidades relativamente grandes que se necesitan para producir dispersiones poliméricas del tamaño de una partícula requerida para una dispersión estable en agua. Esto resulta en un recubrimiento con una sensibilidad significativamente superior al agua y otros solventes polares comparado con el que se obtiene de una dispersión aniónica.

 

La síntesis sin TEA puede ser más desafiante, pero desde un punto de vista de la aplicación, no cambia la forma en que podría usarse el PUR. Sin embargo, las propiedades como la resistencia química, la dureza y la formación de película puede verse afectada de manera negativa si la formulación o la composición no es tan sólida a como cuando se usan PUD a base de TEA.

Desde el punto de vista de las aplicaciones, formular una PUD sin TEA es igual a formular una que contenga el material. Sin embargo, si un especialista en desarrollo de fórmulas cambia de una PUD que contenga TEA a una alternativa sin TEA, debería reconsiderar otras opciones de materia prima, particularmente selecciones cosolventes. Una opción solvente es integral para la formación de películas, que a su vez afectará el rendimiento del recubrimiento, es decir la dureza, la propiedades de protección y la resistencia química. Si se observa una disminución en el rendimiento en estas áreas, la carga de solventes se debe volver a optimizar para restaurar el rendimiento.

 

Cuando se evalúa una PUD sin TEA por primera vez, se debe seguir una metodología de formulación normal. Se deben examinar los materiales de manera individual para ver la compatibilidad y efectividad con la resina. Luego se debe combinar las mejores materias primas de cada estudio de investigación en una formulación de recubrimiento inicial para prueba. Basado en esos resultados, la fórmula se refina (optimiza) y se vuelve a probar. Este proceso reiterativo continúa hasta que se obtiene el rendimiento deseado.

 

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