Ciencias de los materiales

pj─54─cm Fabricación y Aplicación de Espuma de Poliuretano a partir de un poliol e Isocianato

  • Categoría: Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)
  • Área de participación: Ciencias de los materiales
  • Asesor: MARISA CALLE MONROY
  • Equipo [ ]: Estefania Cortes Gallegos() , Isabel Sánchez Rojas(1o Tulum)

Resumen

MATERIALES:

-2 vasos de precipitados de 50ml

-1 palito de madera

– Lentes de seguridad

-1 vaso de plástico de 250 ml

-4 ml de etilenglicol (poliol)

-4 ml de diisocianato de 2,4 tolueno

PROCEDIMIENTO:

  • En el primer vaso de precipitados vertemos 4 ml de etilenglicol (poliol)
  • En el segundo vaso de precipitados vertemos 4 ml de diisocianato de 2,4 tolileno
  • Después de tener exactamente medidas dichas cantidades, vertemos ambos líquidos en el vaso de plástico de 250 ml y mezclamos con el palito de madera
  • Finalmente, de obtener un líquido espeso, oprimimos el palito de madera con el líquido y se obtendrá la espuma de poliuretano

Pregunta de Investigación

¿Como elaborar una espuma de poliuretano que mantenga el frio de las bebidas en termos?

Planteamiento del Problema

La espuma de poliuretano es un producto que se ha sido incorporando en todos los aspectos de la vida humana (casa, trabajo, descanso y placer). Prácticamente ha resultado ser irremplazable en la fabricación de colchones, muebles, coches, juguetes, artículos deportivos, etc… Por lo que también puede ser usada en termos. Sin embargo, mientras que sus propiedades técnicas han sido objeto de un permanente desarrollo, la atención prestada a los problemas relacionados con el fuego.

Los productos comerciales conocidos como espumas de poliuretano son unos materiales poliméricos químicamente complejos. Aunque estos  productos son denominados espumas de poliuretanose encuentran otros grupos químicos identificables tales como ureas, alofanatos y biurets. Dicha espuma, tal cual en la forma en que se fabrica actualmente así como se describe en prácticamente todos lo manuales de los fabricantes de materiales de partida, puede entrañar riesgos para la salud de los usuarios y operarios. El riesgo real puede provenir de la tolueno-di amina que esta provocado y clasificado oficialmente como un producto altamente carcinógeno. Es por eso que al cambiar el tolueno-di amina  por otro termoplástico haría que fuera menos tóxico al momento de usarlo.

 

Antecedentes

El poliuretano se fabrica a partir de la reacción química de isocianatos y alcoholes poli
hídricos. En al año 1937 se fabricaban fibras de poliuretano competitivas con las
poliamidas. Las principales aplicaciones de los poliuretanos han sido para aislamiento
térmico, como las espumas, también los elastómeros, los adhesivos y recubrimientos
superficiales. Los procesos de transformación son diferentes para cada caso. Los tipos
lineales se pueden moldear por inyección, compresión o extrusión. Se pueden usar otras
tecnologías como la hiladura en húmedo para hilados de calidad, o bien en los tipos
reticulados, los sistemas normales de elaboración de la goma, pinturas y adhesivos. El
poliuretano básico es formado mezclando dos líquidos, un alcohol poli hídrico y un
diisocianato. El entrecruzamiento es llevado a cabo con resinas epoxies con la adición de
un tercer compuesto reactivo. Los poliuretanos tienen óptima elasticidad y flexibilidad,
resistencia a la abrasión (5 a 6 veces más que el caucho) y al corte. Gran resistencia a los
aceites minerales y grasas. Buena barrera al oxígeno, ozono y luz UV. Los usos más
conocidos son: fuelles, tubos hidráulicos, paragolpes en la industria automotriz, juntas,
empaquetaduras. Los más duros se emplean para piezas deslizantes, cápsulas, suelas
para zapatillas, ruedas especiales.
En 1937, realizando pruebas de laboratorio en las que se trataba de formular un
componente químico con las propiedades del pegamento, se descubre la espuma de
poliuretano; aunque no fue, sino en los años 50 cuando se desarrollaron e industrializaron
de un modo científico y progresista.
La producción de poliuretano a escala industrial no se inició hasta 1952. Entonces salían
de la fábrica de Bayer en Leverkusen unas 100 toneladas de materias primas de
poliuretano al año. Hoy día se estima el consumo mundial de poliuretano en cerca de
siete millones de toneladas anuales.
El hecho de que Bayer diera al fin con la espuma de poliuretano fue debido más a la
casualidad y a una serie de ensayos bastante fallidos. Si no era posible obtener fibras
para tejer bandas sintéticas, se quería elaborar al menos masas moldeables a base de las
creaciones macromoleculares. Pero las muestras presentadas de mezclas moldeables de
poliéster y diisocianatos tenían una alta cantidad de burbujas.
Al buscarse las causas del revés, se descubrió que la disociación del dióxido carbónico
daba lugar a la formación no deseada de burbujas en la masa. Agregándole a la masa
porciones de agua dosificadas con exactitud era posible provocar de forma controlada la

formación de burbujas definidas en la sustancia base. Ese fue el origen, pues, de la
espuma de poliuretano.
Los poliuretanos son capaces unirse perfectamente por enlace por puente de hidrógeno y
así pueden ser muy cristalinos. Por esta razón se utilizan a menudo para hacer
copolímeros en bloque con polímeros de estructura similar al caucho. Estos copolímeros
en bloque tienen características de elastómeros termoplásticos.
Los poliuretanos pueden ser de dos tipos, flexibles o rígidos, dependiendo del número de
-OH que tengan. Los rígidos se obtienen cuando el diisocianato se hace reaccionar con
poli glicoles. Los poliuretanos flexibles se consiguen utilizando trioles obtenidos a partir
del glicerol y del óxido de propileno. También se puede usar el óxido de etileno, aunque
se prefiere el propileno porque le da mayor resistencia a la humedad.
Un elastómero termoplástico poliuretánico es el Spandex, que DuPont vende bajo el
nombre comercial Lycra. Tiene enlaces urea y uretano en su cadena. Lo que le confiere al
spandex sus características especiales, es el hecho de que en su estructura tiene bloques
rígidos y flexibles. La cadena polimérica corta de un poli glicol, de generalmente cerca de
cuarenta unidades de longitud, es flexible y parecida al caucho. El resto de la unidad de
repetición, es decir el estiramiento con los enlaces uretano, los enlaces urea y los grupos
aromáticos, es extremadamente rígido. Esta sección es tan fuerte que las secciones
rígidas de diversas cadenas se agrupan y se alinean para formar fibras. Obviamente, son
fibras inusuales, pues los dominios fibrosos formados por los bloques rígidos están unidos
entre sí por las secciones flexibles parecidas al caucho. El resultado es una fibra que
actúa como elastómero. Esto permite que logremos una tela capaz se estirarse, ideal para
la ropa de gimnasia y similares.
Los poliuretanos fueron inventados en la década de 1930 por el Dr. Otto Bayer (1902-
1982). Existen distintos tipos de poliuretanos que presentan grandes diferencias en
cuanto a apariencia y tacto. Se utilizan en una amplia gama de productos, desde
recubrimientos y adhesivos a suelas para calzado, colchones y aislante en forma de
espuma. No obstante, la química de cada uno de ellos es básicamente la misma.
El empleo generalizado de los poliuretanos se produjo durante la Segunda Guerra
Mundial como sustituto del caucho, caro y difícil de obtener en aquella época. Durante
esta guerra se desarrollaron otras aplicaciones para los poliuretanos, sobre todo en lo
referente a recubrimientos de todo tipo: desde acabados de aviones hasta ropas
resistentes.

En los años cincuenta los poliuretanos se utilizaban para la creación de adhesivos,
elastómeros y espumas rígidas y, al final de la década, en espumas de acolchado
flexibles similares a las actuales.
Las décadas siguientes trajeron consigo muchos más avances y hoy en día se pueden
encontrar aplicaciones del poliuretano en todos los aspectos de la vida cotidiana. El
poliuretano es un producto poco conocido por la mayoría de la gente debido a que
normalmente se encuentra «oculto» tras cubiertas y superficies compuestas por otros
materiales, pero es complicado imaginar nuestra sociedad sin él.
Los poliuretanos fueron inventados en la década de 1930 por el Dr. Otto Bayer (1902-
1982). Existen distintos tipos de poliuretanos que presentan grandes diferencias en
cuanto a apariencia y tacto. Se utilizan en una amplia gama de productos, desde
recubrimientos y adhesivos a suelas para calzado, colchones y aislante en forma de
espuma. No obstante, la química de cada uno de ellos es básicamente la misma.
El empleo generalizado de los poliuretanos se produjo durante la Segunda Guerra
Mundial como sustituto del caucho, caro y difícil de obtener en aquella época. Durante
esta guerra se desarrollaron otras aplicaciones para los poliuretanos, sobre todo en lo
referente a recubrimientos de todo tipo: desde acabados de aviones hasta ropas
resistentes.
En los años cincuenta los poliuretanos se utilizaban para la creación de adhesivos,
elastómeros y espumas rígidas y, al final de la década, en espumas de acolchado
flexibles similares a las actuales.
Las décadas siguientes trajeron consigo muchos más avances y hoy en día se pueden
encontrar aplicaciones del poliuretano en todos los aspectos de la vida cotidiana. El
poliuretano es un producto poco conocido por la mayoría de la gente debido a que
normalmente se encuentra «oculto» tras cubiertas y superficies compuestas por otros
materiales, pero es complicado imaginar nuestra sociedad sin él.
Y el hecho de que Bayer y su equipo dieran al fin con la espuma de poliuretano fue debido
más a la casualidad y a una serie de ensayos bastante fallidos. Si no era posible obtener
fibras para tejer bandas sintéticas, se quería elaborar al menos masas moldeables a base
de las creaciones macromoleculares. Pero las muestras presentadas de mezclas
moldeables de poliéster y diisocianatos tenían tal cantidad de burbujas que lo único para
lo que sirvieron al principio fue para causar hilaridad. Los encargados de la oficina de

control devolvieron las muestras acompañadas de un comentario irónico: "En todo caso,
útil para fabricar imitaciones de queso suizo".
Aunque la química de los isocianatos fue estudiada por primera vez por C. A. Wurtz y por A.W.
Hoffman en la década de 1840, no fue hasta un siglo después cuando Otto Bayer desarrolló la
primera síntesis de un poliuretano en 1937 trabajando en los laboratorios de IG Farben, en
Leverkusen (Alemania), empleando diisocianato de 1,6-hexametileno y 1,4-butanodiol, con el
objeto de conseguir un material competitivo con la poliamida (Nailon) desarrollada poco antes por
W. Carothers trabajando para DuPont (EE. UU.). Otto Bayer y sus colaboradores publicaron la
primera patente de poliuretanos en 1937 y la producción industrial empezó en 1940 con
productos como Igamid y Perlon. Sin embargo, debido a la falta de recursos por la Segunda Guerra
Mundial, la producción creció muy lentamente. En 1959 DuPont desarrollaría un tejido muy
elástico empleando fibras de poliuretano al que llamó Spandex, y comercializó bajo el nombre de
Lycra.

Objetivo

Elaborar una espuma de poliuretano que mantenga el frio de las bebidas en termos.

Justificación

El poliol, el disocianato y el poliuretano son una materia prima que se utiliza principalmente  en la elaboración de productos de plástico como los termos. Dependiendo del poliol e disocianato empleado, se obtendrá una gran variedad de productos que son clasificados a su estructura física en flexibles convencionales o “slab” , flexibles moldeados, rígidos elastómeros , recubrimientos y adhesivos.

Los “termoplástico”, es un tipo de PLÁSTICO  fabricado con un polímero que se vuelve un líquido homogéneo cuando se calienta a temperaturas relativamente altas y que cuando se enfría es un material duro en un estado de transición vítrea. Todas esas características son reversibles, lo que hace posible que los termoplásticos se puedan calentar y enfriar repetidamente sin que se pierdan esas cualidades y haciendo de los termoplásticos un material fácilmente RECICLABE.

Al utilizar la espuma de poliuretano en los termos se logrará que las bebidas se mantengan frías por mas tiempo.

Hipótesis

Si logramos elaborar una espuma de poliuretano podremos mantener las bebidas frías en termos.

Método (materiales y procedimiento)

Materiales:

  • 2 vasos de precipitados de 50 ml
  • 1 vaso de plástico de 250 ml
  • 1 palito de madera
  • 4 ml de etilenglicol (poliol) (Poliuretano B)
  • 4 ml de diisocianato de 2,4 tolileno
  • Lentes de seguridad

Procedimiento

  1. En el primer vaso de precipitados vertemos 4 ml de etilenglicol (poliol)
  2. En el segundo vaso de precipitados vertemos 4 ml de diisocianato de 2,4 tolileno
  3. Después de tener exactamente medidas dichas cantidades, vertemos ambos líquidos en el vaso de plástico de 250 ml y mezclamos con el palito de madera
  4. Finalmente, de obtener un líquido espeso, oprimimos el palito de madera con el líquido y se obtendrá la espuma de poliuretano

 

Galería Método

Resultados

Se obtuvo un recipiente en forma de cilindro de color maíz con un diámetro de 7.5 cm x 17 cm de altura.

Debido a los altos costos del diisocianato para elaborar el proyecto se decidió cómo segunda opción, comprar la espuma de poliuretano ya fabricada para aplicarla en el recipiente en forma de cilindro y con eso obtener el producto deseado.

Galería Resultados

Discusión

La espuma de poliuretano tiene como función resanar paredes, techos, etc…

Al inicio de la fase experimental, decidimos comprar la espuma de poliuretano comercial, ya que el diisocianato es de alto costo.

Al terminar de elaborar el proyecto, dimos dimos cuenta que, aunque la espuma no haya sido elaborada manualmente, se cumplió el objetivo: elaborar termos utilizando espuma de poliuretano que mantenga el frío de las bebidas constantemente.

Conclusiones

Nuestro producto puede mantener la temperatura de las bebidas, constantemente frías, además de que no afecta su sabor, ni su estado original. El costo de nuestro producto de de $153.00 en total para 2 bebidas.

 

Bibliografía



pj─54─cm Fabricación y Aplicación de Espuma de Poliuretano a partir de un poliol e Isocianato

Summary

MATERIALS:
-250 ml beakers
-1 wooden stick
– Safety glasses
-1 plastic cup of 250 ml
-4 ml of ethylene glycol (polyol)
-4 ml of 2,4 toluene diisocyanate

PROCESS:
In the first beaker pour 4 ml of ethylene glycol (polyol)
In the second beaker pour 4 ml of 2,4 tolylene diisocyanate
After having exactly measured these quantities, pour both liquids into the 250 ml plastic cup and mix with the wooden stick
Finally, to obtain a thick liquid, we press the wooden stick with the liquid and the polyurethane foam will be obtained

Research Question

How to make a polyurethane foam that keeps the cold drinks in thermos?

Problem approach

Polyurethane foam has been incorporated into all aspects of human life (home, work, rest and pleasure). Practically it has turned out to be irreplaceable in the manufacture of mattresses, furniture, cars, toys, sporting goods, etc … So it can also be used in thermos. However, while its technical properties have been subject to constant development, the attention given to the risks has been directed fundamentally at the problems related to fire.
Commercial products known as polyurethane foam are chemically complex polymeric materials. Although these products are referred to as polyurethane foams other identifiable chemical groups are found such as commercial products known as polyurethane foam are chemically complex polymeric materials. Although these products are called polyurethane foams, there are other identifiable chemical groups such as UREAS, ALOFANATOS, and BIURETS. Said foam, as it is currently manufactured, as described in practically all the manuals of the manufacturers of starting materials, may entail risks for the health of the users and operators. The real risk may come from the toluene-diamine that is caused and officially classified as a highly carcinogenic product. That’s why changing the toluene-diamine to another thermoplastic would make it less toxic when using it.

Background

Objective

If we can make a polyurethane foam we can keep cold drinks in thermos

Justification

Polyol, isocyanate and polyurethane are a raw material that is used mainly in the production of plastic products such as thermos. Depending on the polyol and isocyanate used, you will obtain a wide variety of products that are classified according to their physical structure in flexible, conventional or “slab”, flexible molded, rigid, elastomers, coatings and adhesives. “Thermoplastics” is a type of plastic manufactured with a polymer that becomes a homogenous liquid when heated at relatively high temperatures and that when cooled is a hard material in a glassy transition state. All these characteristics are reversible, which makes it possible for thermoplastics to be heated and cooled repeatedly without losing these qualities and making thermoplastics a material easily RECYCLABLE.

By using the polyurethane foam in the thermos, the drinks will stay cool longer

Hypothesis

If we can develop a polyurethane foam we can keep cold beverages in thermos.

Method (materials and procedure)

MATERIALS:
-250 ml beakers
-1 wooden stick
– Safety glasses
-1 plastic cup of 250 ml
-4 ml of ethylene glycol (polyol)
-4 ml of 2,4 toluene diisocyanate

PROCESS:
In the first beaker pour 4 ml of ethylene glycol (polyol)
In the second beaker pour 4 ml of 2,4 tolylene diisocyanate
After having exactly measured these quantities, pour both liquids into the 250 ml plastic cup and mix with the wooden stick
Finally, to obtain a thick liquid, we press the wooden stick with the liquid and the polyurethane foam will be obtained

 

Results

It was obtained a container color cylinder-shaped corn with a diameter of 7.5 cm x 17 cm in height.

Due to the high costs of diisocyanate to produce the project it was decided how second option, buy already made polyurethane foam applied to the container in the form of cylinder and with that to obtain the desired product.

Discussion

The function of polyurethane foam is to repair walls, ceilings, etc …
At the beginning of the experimental phase, we decided to buy commercial polyurethane foam, since diisocyanate is expensive.
When we finished preparing the project, we realized that although the foam was not produced manually, the objective was met: to make thermos using polyurethane foam that keeps the drinks cold constantly.

 

Conclusions

Our product can keep the temperature of the drinks, constantly cold, in addition to not affecting its flavor, nor its original state. The cost of our product of $ 153.00 in total for 2 drinks.

Bibliography