Significations et usages de Poliuretano

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Poliuretano (ou PUE) é qualquer polímero que compreende uma cadeia de unidades orgânicas unidas por ligações uretânicas. É amplamente usado em espumas rígidas e flexíveis, em elastômeros duráveis e em adesivos de alto desempenho, em selantes, em fibras, vedações, gaxetas, preservativos, carpetes e peças de plástico rígido, tintas.

Produção

A principal reação de produção de poliuretanos tem como reagentes um diisocianato, disponível nas formas alifáticas ou aromáticas, e um poliol (como o etileno glicol, 1,4 butanodiol, dietileno glicol, glicerol ou trimetiol propano) ou um poliol poliéster, na presença de catalisador e de materiais para o controle da estrutura das células (surfactantes), no caso de espumas.

O poliuretano pode ter uma variedade de densidades e de durezas, que mudam de acordo com o tipo de monômero usado e de acordo com a adição ou não de substâncias modificadoras de propriedades. Os aditivos também podem melhorar a resistência à combustão, a estabilidade química, entre outras propriedades.

Embora as propriedades do poliuretano possam ser determinadas principalmente pela escolha do poliol, o diisocianato também exerce alguma influência. A taxa de cura é influenciada pela reatividade do grupo funcional, e a funcionalidade, pelo número de grupos isocianato. As propriedades mecânicas são influenciadas pela funcionalidade e pela forma da molécula. A escolha do diisocianato também afeta a estabilidade do poliuretano à exposição a luz. Os poliuretanos feitos com diisocianatos aromáticos amarelam-se à exposição a luz, enquanto que aqueles feitos com diisocianatos alifáticos são estáveis.

Surgem poliuretanos mais macios, elásticos e flexíveis quando segmentos de polietilenoglicol difuncionais lineares, normalmente chamados de polióis poliéter, são usados nas ligações uretânicas. Esta estratégia é usada para se fazer fibras elastoméricas similares à Lycra (elastano) e peças de borracha macia, assim como espuma de borracha.

Produtos mais rígidos surgem com o uso de polióis polifuncionais, já que estes criam uma estrutura tridimensional emaranhada. Pode-se obter uma espuma ainda mais rígida com o uso de catalisadores de trimerização, que criam estruturas cíclicas no interior da matriz da espuma. São designadas de espumas de poliisocianurato, e são desejáveis nos produtos de espuma rígida usados na construção civil.

A espuma de poliuretano (inclusive a espuma de borracha) é geralmente feita com a adição de pequenas quantidades de materiais voláteis, chamados de agentes de sopro, à mistura reacional. Tais materiais podem ser substâncias químicas voláteis e simples, como a acetona ou o cloreto de metileno, ou fluorocarbonetos mais sofisticados, que conferem características importantes de desempenho, primariamente a isolação térmica.

Outra rota comum de se produzir espumas é pela adição de água a um dos líquidos precursores do poliuretano antes que sejam misturados. A água então reage com uma porção do isocianato, dando dióxido de carbono, formando bolhas relativamente uniformes que, com o endurecimento do polímero, formam uma espuma sólida. A presença de água significa que uma pequena parcela das reações resultam em ligações uréia do tipo -NC(=O)N-, em lugar das ligações uretânicas, de forma que o material resultante deveria ser tecnicamente chamado de poli(uretano-co-uréia).

O controle cuidadoso de propriedades viscoelásticas - pela modificação do catalisador ou dos polióis utilizados, por exemplo - podem levar à formação da chamada memory foam, uma espuma que é muito mais macia à temperatura da pele humana do que à temperatura ambiente.

Quanto às espumas, há duas variantes principais: uma na qual a maior parte das "bolhas" da espuma (células) permanece fechada e o gás, preso nestas bolhas; e uma outra que são sistemas que têm, em sua maioria, células abertas, que resultam depois de um estágio crítico no processo de formação da espuma (se as células não se formam ou se se tornam abertas muito cedo, simplesmente não há formação de espuma). Este é um processo vital e importante: se as espumas flexíveis tiverem células fechadas, sua maciez fica severamente comprometida; tem-se a sensação de ser um material pneumático em vez de uma espuma macia; por isso, em palavras mais simples, as espumas flexíveis devem ter células abertas.Já o oposto é o caso da maioria das espumas rígidas. Aqui, a retenção do gás nas células é desejável, já que o tal gás (especialmente os fluorocarbonetos mencionados anteriormente) dá à espuma sua característica principal: a alta isolação térmica.Existe ainda uma terceira variante de espuma, chamada de espuma microcelular, que são os materiais elastoméricos rígidos tipicamente encontrados nos revestimentos de volantes de automóveis e em outros componentes automotivos.

Usos

Os produtos do poliuretano têm muitos usos. Mais de três quartos do consumo global de poliuretano são na forma de espumas, com os tipos flexível e rígido grosseiramente iguais quanto ao tamanho de mercado. Em ambos os casos, a espuma está geralmente escondida por trás de outros materiais: as espumas rígidas estão dentro das paredes metálicas ou plásticas da maioria dos refrigeradores e freezers, ou atrás de paredes de alvenaria, caso sejam usadas como isolação térmica na construção civil; as espumas flexíveis, dentro do estofamento dos móveis domésticos, por exemplo.

Verniz

Usa-se materiais poliuretânicos em revestimentos e vernizes para mobílias, carpintaria ou trabalhos em madeira. Este acabamento final forma uma camada dura e inflexível sobre a peça. Quando submetida ao calor ou ao choque, a verniz poliuretânica pode apresentar marcas transparentes ou esbranquiçadas. Como não penetra na madeira, o poliuretano carece do brilho que aparece em outros tipos de tratamento.

Cola

O poliuretano é usado como adesivo, especialmente como uma cola para trabalhos em madeira. Sua principal vantagem sobre as colas mais tradicionais para madeira é a resistência à água. Também é difundido no segmento automotivo para a montagem de vidros frontais e traseiros do automóvel. Uma aplicação típida do adesivo de poliuretano, entre tantas outras, é a montagem de paineis de isolamento térmico fazendo a união de madeira,poliestireno expandido, espuma de poliuretano, aço, conhecido estes materiais como sanduiche de substratos, este paines são largamente utilizados na montagem de câmara frigoríficas e baús de caminhões com refrigeração.

Pneus

O poliuretano também é usado na fabricação de pneus rígidos. Os patins do tipo roller blading e as rodas de skate só tornaram-se econômicas e resistentes graças à introdução de peças poliuretânicas fortes e resistentes à abrasão. Outros produtos foram desenvolvidos para pneumáticos, e variantes feitas de espuma microcelular são muito usadas nos pneus para cadeiras de roda, bicicletas, entre outros. Tais espumas também são muito encontradas nos volantes de automóveis, entre outras peças para veículos automotivos, inclusive pára-choques e pára-lamas.

Mobílias

O poliuretano também é usado na fabricação de cantos macios para mobílias tais como mesas e painéis, dando-lhes um ar de elegância, durabilidade e prevenindo acidentes.

Colchões

Espuma Poliuretano flexívelO mercado de colchões em Portugal e em Espanha tem sido dominado por empresas que fabricam este tipo de produto à base de uma estrutura de molas. Sendo a referida estrutura o elemento essencial do colchão, estas indústrias estão direccionadas para a produção das molas, investindo em tecnologia metalomecânica, que permita melhorar os produtos existentes e encontrar novas soluções com maior resistência à deformação, mas mantendo o conforto. Os produtos mais avançados destas empresas começaram por combinar as molas com o látex e actualmente colocam uma camada de espuma a envolver um miolo efectuado por uma estrutura de molas.No entanto, a tendência verificada nos últimos anos no fabrico e comercialização dos colchões, tem apontado fortemente a favor dos colchões de espuma, em detrimento dos colchões de molas e de látex. A comprovar esta alteração de hábitos de consumo está a dinamização da indústria de colchões de espuma na Europa Ocidental, que conquistou já 35% dos colchões produzidos em 2006, contra 39% dos colchões de molas e 13% dos colchões de látex. Mas o que estará a dinamizar o mercado da espuma face ao de molas? Provavelmente a evolução e as tendências que têm surgido associadas à Espuma Viscoelástica. Uma dessas tendências é o aparecimento de uma espuma ecológica, amiga do ambiente, já que a sua utilização contribui para a redução de emissão de CO2 para a atmosfera. A premissa é substituir as substâncias com origem no petróleo por produtos naturais. Existem dados indicativos que nos revelam que por cada tonelada de espuma de origem vegetal produzida são poupados cerca de dois barris de petróleo. Uma tendência particularmente atractiva tendo em atenção a importância dada à Sustentabilidade. Outra evolução deste mercado é o colchão de espuma viscoelástica. O maior conforto permitido pelos colchões de espuma de alta resiliência e espuma viscoelástica, as características antialergénicas, as propriedades reguladoras de temperatura, assim como o facto de este tipo de espumas não exercer pressão nos vasos sanguíneos, evitando o aparecimento de feridas em idosos acamados, abre excelentes perspectivas num mercado que já começou a alterar a sua tendência. A espuma viscoelástica é um material sintético, termo-sensível e de lenta recuperação, reagindo à temperatura corporal, ajustando-se mais facilmente ao contorno do corpo, distribuindo melhor a pressão do peso do colchão. Por estas características, este material extravasa largamente a indústria de colchoaria, sendo igualmente aplicada ao sector médico-hospitalar. Na península ibérica, este material é já fabricado por algumas empresas, sendo a Eurospuma uma referência ao nível da qualidade do produto.

Assentos de automóveis

As espumas poliuretânicas flexíveis e semi-flexíveis são amplamente utilizadas nos componentes do interior de automóveis: nos assentos, no apoio de cabeça, no descanso de braços, no revestimento do teto e no painel de instrumentos.

Os poliuretanos são usados para fazer assentos de automóveis de uma maneira notável. O fabricante de assentos tem um molde para cada modelo de assento. Este molde tem uma estrutura parecida com a de uma concha de marisco, que permite a modelagem rápida da estrutura do assento, que é estofado após a remoção do molde.

É possível combinar estas duas etapas (moldagem e estofamento). Neste caso, as superfícies da parte de dentro do molde têm centenas de pequenos furos que se comunicam com uma bomba de vácuo. Isto cria um fluxo constante de ar que vai do centro do molde à fonte de vácuo. O operador de montagem coloca inicialmente um revestimento de assento completo e totalmente montado no molde e o ajusta de forma que o vácuo puxe firmemente a peça contra a superfície do molde. Depois que a peça está colocada no lugar, o operador instala a moldura de metal do assento no molde, fechando-o. Neste ponto, o molde contém o que pode-se visualizar como um "assento oco".

A próxima etapa é a injeção da mistura química de poliuretano na cavidade do molde. É uma mistura de duas substâncias, medidas exatamente na quantidade certa. O molde é então mantido a uma temperatura de reação predeterminada até que a mistura química tenha preenchido o molde e formado uma espuma macia. O tempo necessário é de cerca de dois a três minutos, dependendo do tamanho do assento, da formulação e das condições de operação. Em seguida, o molde é aberto levemente por um ou dois minutos, durante o qual ocorre a cura da espuma, até que então o assento completamente estofado seja removido do molde. O operador apenas remove os excessos de espuma e coloca a peça sobre uma esteira.

Preservativos

Vários tipos de preservativos são feitos de poliuretano e são destinados às pessoas sensíveis ou alérgicas aos preservativos tradicionalmente feitos de látex.

Calcados

Muitos tipos de calçados e sapatos, sobretudo femininos, são confeccionados em poliuretano.A grande maioria é confeccionada utilizando-se sistemas poliéster, mais resistentes mecanicamente.Uma nova aplicação e quem vem crescendo são nos calçados de segurança pois é um material que, com a utilização de aditivos, consegue atender as normas necessárias para a utilização de EPI`s na industria.

Peças Técnicas

O poliuretano, por ser um plástico de engenharia, é altamente utilizado na indústria em geral por meio de peças técnicas, como coxins, gaxetas, molas, buchas, cepos, entre outros. Neste momento estamos falando do poliuretano como um elastômero durável e abaixo seguem alguns exemplos de indústrias que utilizam o poliuretano em suas manufaturas:

Siderúrgica: nesta indústria o poliuretano é altamente utilizado em cilindros da laminação a frio, onde estes recebem revestimentos para proteção do material a ser laminado. Estes cilindros normalmente tem a função de tracionar a linha.

Papel e Celulose: nesta indústria o poliuretano é utilizado também no revestimento de cilindros prensa e rolos guia.

Metalúrgica: nesta indústria o poliuretano é utilizado em larga escala e em diversas aplicações, além de revestir cilindros ele também é utilizado no revestimento de tamboreadores, utilizado em anéis separadores para máquinas slitter, as molas dos moldes de estamparia também podem ser feitas com poliuretano, entre outras aplicações.

Petróleo: este é o mercado onde os maiores volumes de poliuretano são utilizados competindo de igual para igual com o mercado de mineração, e neste mercado o poliuretano é utilizado em restritores de curvatura, enrijecedores de curvatura, proteções anti-abrasivas, entre outros protetores. Em uma plataforma de petróleo podemos chegar a ter mais de 20 toneladas de poliuretano distribuídos nas peças descritas acima.

Mineração: como já dito antes, este mercado compete de igual para igual com o mercado de petróleo, onde o poliuretano é altamente utilizado. A principal aplicação do poliuretano no mercado de mineração é o revestimento interno de tubulação, onde a proteção anti-abrasiva proporcionada pelo poliuretano é muito maior que a proteção que o aço oferece. O aço serve apenas para dar estrutura a tubulação, normalmente são confeccionadas em seções de 6 metros de comprimento com diâmetros que variam de 4 a 32 polegadas. Estas tubulações são responsáveis por enviar o rejeito e a polpa de minério gerados na produção de uma mineradora.

Como selecionar um Poliuretano Corretamente²

Uma das “sacadas” para um produto ter sucesso é a correta seleção do material de acordo com as necessidade exigidas pela aplicação do mesmo. Em alguns casos aço, alumínio ou outros metais são os materiais escolhidos, em outros casos plásticos – ABS, poliestireno, PVC ou resinas fenólicas são a melhor escolha, no entanto, em um grande número de aplicações os poliuretanos oferecem melhores características.

Perceba que escrevo poliuretanos no plural. A variedade dos poliuretanos é substancial. Cada material tem seus atributos e deficiências. Desta forma o essencial, quando falamos em aplicações de engenharia, é verificar cada tipo de PU e então selecionar o que melhor atende às necessidades da aplicação em questão proporcionando melhor custo benefício.

Este documento tem como finalidade orienta-lo com relação aos tipos de poliuretanos disponíveis, informar suas resistências, propriedades físicas e também as aplicações que cada material atende.

Primeiramente, definiremos o que é poliuretano: O termo químico poliuretano pode ser utilizado para diferentes tipos de materiais:

• Poliuretanos Fundidos
• Adesivos
• Espumas
• Rígidas e Flexíveis
• Termoplásticos
• Microcelular Para Sola de Sapatos
• Revestimentos Superficiais (Sprays)
• Millable Gums

Os poliuretanos fundidos serão o foco principal deste documento.

As espumas, tanto rígida como flexível. As espumas rígidas são utilizadas para aplicações com isolamento térmico enquanto a flexível é utilizada como molas e amortecedores. Na indústria de calçados os solados de poliuretano são feitos de poliuretano microcelular que são espumas especiais. Todas as aplicações acima são bons negócios com um grande mercado.

Muitos tipos de adesivos também são formulados a partir do poliuretano. Adesivos com a base química do poliuretano são muito utilizados para aplicações como fixação de vidros automotivos.

Os poliuretanos termoplásticos são materiais completamente reagidos e são processados por extrusão ou injeção.

Millable gums são processadas assim como borracha convencional, ou seja, elas são compostas por cargas entre outros ingredientes, são processadas nos mesmos equipamentos e curadas pelo processo de vulcanização com peróxidos ou, em alguns casos, com enxofre. Desta maneira, os processadores podem atingir diversas propriedades dos poliuretanos processando do mesmo modo que as borrachas convencionais.

Revestimentos diversos também são possíveis com materiais baseados em poliuretanos, vários tipos de vernizes e tintas são utilizados para revestimento de pisos, também disponíveis em sprays utilizados para aplicações que exigem resistência à abrasão e corrosão.

Este tipo não é somente utilizado para proteger as superfícies das intempéries do meio ambiente mas também proporcionam uma durabilidade maior para equipamentos de mineração por exemplo.

Poliuretanos fundidos são obtidos pela mistura de dois produtos – um pré-polímero e um curatvio – que são “derramados”. Estes dois produtos são homogeneizados por meio de mistura manual ou automatizada, posteriormente esta mistura é derramada em um molde que vai para estufa para cura e finalização da reação, finalmente podemos dar acabamento obtendo as medidas finais da peça. A maior característica destes materiais são suas extraordinárias propriedades físicas. Os poliuretanos fundidos são atualmente considerados como plásticos de engenharia e são selecionados com base nas propriedades de cada tipo de poliretano fundido.

Por que utilizar poliuretanos fundidos ao invés de qualquer outro material?Existem duas principais razões: performance e custo benefício.

Em alguns casos, a performance dos poliuretanos fundidos nos permite utiliza-los em aplicações onde outros materiais mais simples não atenderão as necessidades da aplicação em questão.

Em outros casos, os usuários finais selecionam os poliuretanos fundidos para conseguir melhorar e aumentar bastante a performance de um outro material utilizado. Isso normalmente é resultado de suas propriedades como, resistência a abrasão, tenacidade, que é resistência a quebra por impacto ou carga, alta resistência a corte e alta capacidade de carga. Estas quatro propriedades, que certamente não são as únicas propriedades dos poliuretanos, são as que distanciam os poliuretanos de longe de outros materiais em muitas aplicações.

Custo benefício é a segunda razão, mesmo que o poliuretano normalmente é mais caro que outros materiais, incluindo borracha, o custo extra é frequentemente justificado em termos de menor inatividade proporcionando melhor custo benefício. Isso é, particularmente, crítico nas industrias de mineração e papel. Inatividade nestas industrias são muito caras. Caso uma mineração pare para reposição de ema peça que falhou, os custos podem atingir milhares de reais por hora.

O custo mais elevado pago por uma peça de poliuretano inicialmente é mais que justificado pela sua durabilidade que, em algumas aplicações, pode ser de 2 até 10 vezes superior a outro material.

Outra área que o poliuretano tem melhor custo benefício é na fabricação de peças especiais e ferramentas. Nestas áreas onde é necessária a confecção de molde o poliuretano se sai bem pois seus moldes podem ser facilmente confeccionados com materiais como plástico, metal, o próprio poliuretano, epoxy reforçado com fibra de vidro, ou qualquer material que não absorva umidade, tenha uma boa transferência de calor e que resista as pressões de fundição do processo.

Moldes para outros materiais como borracha é relativamente mais caro quando comparado ao poliuretano uma vez que na fabricação da borracha o processo passa por fases onde são aplicadas pressões e temperaturas elevadas.

Mesmo que o custo da peça propriamente dita seja mais elevado, quando a produção é de pequenas quantidades a redução com o custo do molde justifica a escolha por poliuretano.

Quais os materiais que o poliuretano compete?No geral, o poliuretano compete em várias aplicações com metais, plásticos e borrachas.

VANTAGENS SOBRE O METAL

• Menor peso
• Menos ruído
• Melhor ajuste
• Menor custo de fabricação
• Resistência à corrosão

Uma das vantagens do poliuretano sobre o metal é o menor peso. Peças fabricadas em poliuretano são, de longe, mais leves que o metal e mais fáceis de manusear, isso tipicamente resulta em uma movimentação de menor peso nas máquinas e equipamentos. Adicionalmente, peças de metal tendem a gerar mais ruídos que as peças de poliuretanos que os absorvem.

A redução da poluição sonora no ambiente de trabalho quando substituímos metal por poliuretano pode ser dramática.

Os poliuretanos substituem metais em várias aplicações, pois podem ser facilmente fundidos em moldes mais baratos como já discutido anteriormente.

As peças de metal precisam de operações de fundição, solda e usinagem, como resultado temos um custo elevado, particularmente com ligas de alta dureza.

Poliuretanos também são resistentes à abrasão. Por exemplo, em muitas aplicações na mineração, soluções de alta corrosão causam rápida deterioração nos metais.

Quando as aplicações possuem efeitos combinados de corrosão e abrasão como linhas de rejeito ou polpa de minério, a vida de peças de metal são muito inferiores.

Poliuretanos, por ter alta resistência a abrasão e corrosão superam os metais com grande margem. Esta aplicação engloba muitas das vantagens do poliuretano sobre o metal descritas acima.

Outro grupo de materiais que os poliuretanos podem substituir são os plásticos.

VANTAGENS SOBRE O PLÁSTICO

• Não é quebradiço
• Memória Elastomérica
• Resistência a Abrasão

Uma vantagem dos elastomeros de poliuretano com relação aos plásticos é que eles não são quebradiços.

Muitos plásticos, particularmente os de alta dureza, tendem a trincarem ou quebrarem quando recebem impactos ou um carregamento.

Poliuretanos enquanto elastomeros mantém sua resistência ao impacto mesmo com altas durezas.

Poliuretanos tem memória elastomérica, isto é, eles podem ser tencionados mesmo com altas durezas a um alongamento significante e retornaram a sua dimensão original. A maioria dos plásticos, uma vez tencionados após certo ponto, não retornarão à sua dimensão original, permanecendo esticados permanentemente.

Finalmente, plásticos não possuem alta resistência à abrasão como os poliuretanos.

Uma terceira família de materiais que compete com poliuretano são os vários tipos de borracha natural e sintética.

VANTAGENS SOBRE A BORRACHA

• Resistência a Abrasão
• Resistência ao Corte e ao Rasgo
• Resistência a Óleo
• Resistência a Grandes Carregamentos
• Grande Variedade de Durezas
• Claro e Translúcido
• Não Marca, Não Mancha
• Pode ser Fundido
• Resistente a Ozônio
• Resistente à microorganismos
• Alta ou Baixa Histerese

Uma das maiores vantagens do poliuretano sobre a borracha são as resistências à abrasão, corte e rasgo e suporta grandes carregamentos.

Adicionalmente, muitos poliuretanos fundidos tem cores naturais, ou seja, sem pigmentos, variáveis de transparentes à branco opaco e âmbar.

São aptos a receberem pigmentações que variam de preto a laranjas fluorescentes, vermelho e verde.

Isso é usualmente utilizado em peças codificadas por cores. Um bom exemplo da utilização de peças codificadas por cores é nas aplicações onde tem-se diversas durezas e pode-se diferencia-las pelas cores dos poliuretanos não sendo necessário a utilização de um durômetro, por exemplo.

Borracha é vulnerável ao ozônio, particularmente quando disposta próximo à equipamentos elétricos onde existe alta concentração de ozônio. Poliuretanos são resistentes ao ozônio.

O fato do poliuretano ser um material fundido faz com que os preços dos moldes sejam mais baratos possibilitando a fabricação de peças complicadas.

Por outro lado, poliuretanos entre 80 e 95 shore A aproximam-se do pico de suas propriedades tendo uma excelente performance.

Até o momento discutimos as vantagens do poliuretano sobre outros materiais. Naturalmente, como tudo, também existem as desvantagens.

LIMITAÇÕES DO POLIURETANO

• Altas Temperaturas
• Ambientes úmidos e quentes
• Alguns ambientes químicos

As limitações do poliuretano são basicamente três. Poliuretanos não são bons quando trabalham em altas temperaturas.

Devido à certa termoplacidade em sua natureza, as propriedades do poliuretano tendem a cair conforme a temperatura é elevada.

Genericamente falando, poliuretanos são menos utilizados quando se exige uma combinação de carga e temperaturas superiores a 105/107°C simultaneamente.

Outra limitação é que todos os poliuretanos estão sujeitos à hidrólise na presença de umidade a temperaturas elevadas. Esta combinação cria problemas para o poliuretano.

No entanto, a baixas temperaturas, a maioria dos poliuretanos podem trabalhar por anos com a presença de umidade, mas, na presença de vapor, ou seja, umidade + temperatura não temos um poliuretano que suporte uma vida longa.

Dentre os poliuretanos existentes, temos alguns que podem trabalhar certo período nestas condições, mas não é o produto adequado.

Novos desenvolvimentos prometem elevar estes limites de temperatura.

Existem certos ambientes químicos que são impróprios para os poliuretanos.

Ambientes muito ácidos ou base, geralmente são prejudiciais, assim como certos solventes, especialmente os aromáticos como toluenos ou cetonas como MEK ou acetonas, e ésteres como etilacetato.

Por outro lado existem muitos solventes, que o poliuretano resiste muito bem e são indicados para utilização. Nestes incluem muitos óleos e materiais baseados em petróleo.

SELECIONANDO UM POLIURETANO

Agora que já conhecemos algumas das mais importantes vantagens e desvantagens dos poliuretanos comparados com outros materiais, qual é a base que devemos utilizar para selecionar um poliuretano específico para uma aplicação particular?

BASE DE SELEÇÃO DE POLIURETANOS PARA UMA APLICAÇÃO PARTICULAR

• Propriedades necessárias para a peça
• Características do processamento
• Pot Life
• Viscosidade
• Controle da mistura
• Tempo de desmolde
• Temperatura de Processo

Existem duas grandes considerações a ser feitas: primeiro, o que é necessário para o trabalho em termos de propriedades físicas a resistências ambientais; e segundo, quais as características do processo do poliuretano escolhido?

Significantemente, e muitas vezes esquecido, é que quando escolhemos um determinado poliuretano temos que ter certeza que ele não somente tenha as propriedades necessárias para a aplicação, mas que também tenha características de processo que a empresa possa trabalhar. Isso inclui Pot Life, viscosidade, controle de mistura, temperatura de processo e tempo de desmolde. Quantas viradas por dia precisaremos fazer para que o custo benefício seja positivo para a empresa?

O que controla as propriedades dos poliuretanos?Em parte, as propriedades do poliuretano são controladas pela química do processo em si, ou seja, dependendo do modo como o poliuretano é trabalhado ele atinge ou não as propriedades definidas pelo fabricante.

O QUE CONTROLA AS PROPRIEDADES?

O tipo de pré-polímero utilizado afeta diretamente as propriedades do produto final.

O pré-polímero é composto pelo Isocianato e pelo Poliol que podem ser:

• Tipos de Isocianato

1. TDI
2. MDI
3. Outro (PPDI, Alifático, etc.)

• Tipos de Poliol

1. PTMEG Premier Polieter
2. Poliéster
3. PPG Baixo-Custo Polieter
4. Outro (Caprolactona, etc.)

As condições de processo também é um fator muito importante que afeta também as propriedades do produto final.

1. Quantidade de Curativo Utilizada
2. Temperaturas

O tipo de curativo utilizado assim como o tipo de pré-polímero afeta as propriedades do produto final.

• Tipos de Curativo

1. Diamine (MOCA, E-300, A153, etc.)
2. Diol (1,4-BD, HQEE, etc.)
3. Triol (TMP, TIPA, etc.)

Eventuais aditivos utilizados além de melhorar alguma propriedade particular pode comprometer outra afetando a qualidade do produto final.

• Tipos de Aditivos

1. Plastificantes
2. Protetores
3. Outros

Pré-polímero de poliuretano consiste em duas estruturas báscias:

Uma é o di-isocianato. A maioria dos materiais comercializados são baseados em MDI (4,4.-difenilmetano di-isocianato) ou TDI (tolilenediisocianato)

Cada um destes di-isocianatos oferecem diferentes propriedades ao produto final e também requer diferentes tipos de curativos, em muitos casos, diferentes formas de processamento.

Existem outros di-isocianatos usados, como os alifáticos, o mais novo é o PPDI (parafenilenediisocianato), e o NDI (nafitileno di-isocianato).

Outro componente é o poliol. Existem três tipos: PTMEG (politetrametileno glicol), conhecido como polieter premium, PPG (polipropileno glicol), um baixo custo, e os poliésteres.

Novamente existem outros poliois, como policaprolactona, mas são usadas em menor escala. Com estas três possibilidades de poliois e duas possibilidades de isocianatos existem seis grandes classes de pré-polímeros de poliuretanos disponíveis.

A outra parte do sistema é o curativo. Os poliuretanos fundidos envolvem uma reação química. Quando você mistura os dois componentes (o pré-polímero e o curativo) a reação não pode ser interrompida.

Curativos também determinam a estrutura molecular do polímero e suas propriedades.

O curative mais comum é o MOCA, predominantemente utilizado nos sistemas TDI, embora outro material, o ETHACURE® 300, esteja ganhando confiança dos processadores sendo uma alternativa para o MOCA.

Curativos Diol como 1,4-butanodiol e HQEE são predominantemente usados em distemas MDI.

Triols são utilizados em combinação com diols em MDI’s. Mas o uso mais comum para o triol é em uma situação especial no TDI ester, estes são usados para reduzir a dureza dos materiais utilizados geralmente em cilindros de impressão nas industrias de revestimentos e pinturas metálicas.

Outros fatores que podem influenciar as propriedades do produto final referem-se ao processo.

Provavelmente, o fator mais importante é a quantidade de curativo. A quantidade relativa entre o curativo e o pré-polímero precisa ser determinada e tratada com tolerâncias pequenas para que as propriedades físicas do produto final sejam atingidas.

Existem casos onde pode ser desejável alterarmos a relação curativo / polímero para intencionalmente maximizar uma propriedade particular do poliuretano sacrificando outra.

Por exemplo, uma cura com estequiometria alta entre 100 e 105% ao invés de 95% fará com que a flexibilidade aumente, no entanto, isso prejudicará a performance na compressão.

O que é vital é que qualquer modificação na estequiometria deve ser feita sob um rigoroso controle com conhecimento de qual efeito esta alteração terá em outras propriedades físicas.

Uma outra variável que é importante controlar é a temperatura do pré-polímero. Isso é crítico em termos de pré-aquecimento do material antes da etapa de fundição assim como a temperatura de cura e pós-cura da peça.

Normalmente utilizamos aditivos para alterar as propriedades físicas dos poliuretanos.

Por exemplo, em rolos de baixa dureza, plastificantes e aditivos são utilizados para modificar as propriedades.

Com um sistema típico de poliuretano, é muito difícil atingirmos durezas inferiores a 50/55 Shore A sem a utilização de plastificantes.

A maioria dos materiais com durezas entre 20 e 50 Shore A contém plastificantes.

Aditivos comuns são sílicas, que são normalmente utilizados em rolos de pintura.

Muitas vezes aditivos especiais ajudam a reduzir o atrito diminuindo o desgaste da peça, grafite e fluorcarbonetos normalmente são utilizados com esta finalidade.

Podemos também adicionar aditivos protetores como: estabilizantes Anti-UV e contra hidrólise.

Estão listados na tabela abaixo vários itens físicos e do meio onde o produto será utilizado, entre propriedades e resistências, a frente temos o tipo de poliuretano que tem o melhor ou pior desempenho na aplicação onde estas propriedades são importantes.

Claro que isso é apenas um guia superficial.

Existem muitas exceções à esta tabela, mas ela pode nos ajudar no início da seleção de um material para uma dada aplicação.

Seguem algumas dicas que ajudarão na seleção dos poliuretanos de acordo com a aplicação.

A primeira propriedade da tabela e provavelmente uma das mais importantes é a dureza. No entanto, uma vez que podemos obter todas as durezas com todos os 6 sistemas de pré-polímeros existentes, não devemos selecionar um poliuretano a partir da dureza.

Em termos de resistência a tração, poliésteres possuem melhor desempenho comparado aos poliéteres. No entanto, resistência a tração é raramente a principal característica solicitada em uma aplicação. Todos os tipos de poliuretanos podem ter alongamentos elevados.

Não podemos nos basear para seleção de um poliuretano na resistência a tração. O mesmo ocorre com o módulo de compressão, todos os poliuretanos podem obter altos e baixos valores do módulo.

Como mencionado anteriormente, para formulações de baixa dureza, TDI poliéster são os materiais mais indicados pois aceitam grandes quantidades de plastificantes sem reduzir as propriedades físicas do material. Poliéteres geralmente não mantém suas propriedades físicas quando utlizado em formulações com grandes quantidades de plastificantes.

MDI poliésteres são uma excelente escolha para aplicações onde existe contato com alimento, particularmente, no processamento de carnes ou frango. TDI’s geralmente não são desejáveis em função dos curativos utilizados serem a base de di-amina (Ex.: Moca).

MDI’s possuem maior gama de formulação. Para atingirmos altas durezas com TDI’s, MOCA ou outra di-amina é necessário para a cura. Já nos MDI’s apenas alguns curativos a base de diol podem ser utilizados, como 1,4-butanodiol e HQEE. Muitas misturas e combinações entre estes e outros dióis podem ser utilizadas.

Nesta tabela, PPG Poliéteres frequentemente apareceu na coluna de pior desempenho. Suas características não deveriam ser comparadas com os outros materiais, mas existem aplicações que eles são desejáveis. O custo benefício, com certeza, é a razão de utilizarmos PPG Poliéteres. Eles são considerados materiais baratos quando comparados com Poliésteres e Poliéteres de alto custo e são desejáveis em peças que não exigem muitas propriedades. Normalmente em aplicações onde materiais de baixo custo tem uma performance adequada.

MDI Poliéteres foi listado na tabela na coluna de pior desempenho em termos de preço, o que significa que são materiais caros. Mas, a realidade é que depende da aplicação porque estes materiais são mais caros em função do curativo.

Cada caso precisa ser calculado individualmente:Qual o custo do curativo?Qual a proporção da mistura?Quanto contribui na formação do preço final?

As vezes, o material mais caro é o melhor material em função de oferecer um melhor custo benefício. Devemos levar isso em consideração tanto para os materiais de alto custo quanto para os materiais de baixo custo.

Aplicações Específicas

Existem algumas aplicações específicas onde uma característica é dominante quando comparado com os outros tipos de poliuretano. Rodas de skate de alta qualidade todas são de MDI Poliéter, em função da resiliência. Alta resiliência proporciona velocidades elevadas e uma boa dirigibilidade.

TDI Poliésteres, material utilizado em rolos de pintura em função da alta resistência a solvente e por manter suas propriedades físicas em formulações de baixa dureza.

Para pig’s de tubulação de óleo é importante que o material tenha resistência a abrasão e boa resistência a óleo para prevenir suas dimensões ao longo da tubulação. Em função disso, TDI Poliéster foi escolhido, pois combina estas duas características.

Por outro lado, para equipamentos para grãos MDI Poliéster foi escolhido, o composto éster possui boa resistência a abrasão e o composto MDI é o mais indicado para trabalho em contato com alimentos.

Para pneus de empilhadeiras, TDI Poliéter foi escolhido, pois possuem baixo desenvolvimento de calor e alta resistência a rolamento com cargas elevadas.

Para martelos, TDI Poliéster é o material mais indicado pois combina resistência a corte e baixa resiliência. Resistência a corte é necessário para prevenir a deterioração da face do martelo e a baixa resiliência faz com que a energia do impacto seja absorvida pelo material evitando danos ao trabalhador.

Em cortinas para jateamento é exigido material com alta resiliência e resistência a abrasão intermitentes. MDI Poliéter é indicado, pois possui estas características, a alta resiliência permite que as partículas sejam expelidas sem transmitir calor para a cortina, o que a danificaria em um curto espaço de tempo. O calor é gerado pela energia cinética que se transforma em energia térmica.

MDI Poliéter foi escolhido para equipamentos de lavanderia, como agitadores ou pulsadores para máquinas de lavar, em função de sua excelente resistência a abrasão.

TDI Poliéter é desejável para rolos da industria de papel em função da combinação entre resistência a hidrólise e estabilidade de dureza. Nesta aplicação é importante que a dureza e as propriedades dinâmicas do rolo sejam mantidas consistentes durante a operação em uma determinada faixa de temperatura, isso é importante para que a performance do rolo seja constante ao longo da utilização do mesmo.

MDI Poliéster foi escolhido para trabalhos com carne fresca por ser um matéria atóxico e indicado para trabalhos com alimentos frescos. Esta formulação especial combina resistência a abrasão e resistência a óleo e gordura contida na carne.

Seleção e Produção

Para avaliar uma aplicação apropriada para um determinado poliuretano, recomendamos os passos a seguir:

Selecionado um poliuretano para uma nova aplicação

• Verifique quais as propriedades mais importantes – físicas e do meio em que o material será utilizado
• Selecione o polímero e o sistema de cura que podem ser utilizados
• Consultar os fornecedores para recomendação e maiores informações
• Considere mudanças no design do produto
• Verifique as condições de produção / processamento
• Faça testes preliminares
• Faça protótipos de mais de um material
• Faça testes em campo, faça comparações e prossiga mediante aprovação do cliente
• Inicie a produção

Primeiramente, preste atenção para a aplicação e decida quais as propriedades mais importantes desta aplicação, tanto em termos de propriedades físicas como nas propriedades do meio onde o material será utilizado.

Selecione alguns produtos candidatos à utilização, estes devem oferecer a performance apropriada.

Uma vez feito isso, consulte seu fornecedor para recomendações e informações adicionais. Certamente ele o ajudará e a discussão de uma nova aplicação será bem-vinda.

Os fornecedores também nos ajudarão com sugestões de materiais, ou informações quanto a testes que não estiverem disponíveis nas literaturas.

Tenha em mente que está usando um material com propriedades diferentes a da borracha, metal ou plástico.

Certifique-se que a peça foi projetada para obter o máximo de suas propriedades.

Em seguida, revise as capacidades de produção. Certifique-se de que os materiais escolhidos podem ser processados com os equipamentos atuais, impedindo que, exista a necessidade de investimentos a serem feitos para o processamento do material proposto.

Dependendo do potencial do mercado para esta aplicação é justificável o investimento para o processamento do material proposto.

Após as etapas acima execute testes preliminares. Caso seja uma nova aplicação onde, por exemplo, a peça necessita de contato com uma solução química não usual, tenha certeza de que o material selecionado suporte isso. Novamente, consulte seu fornecedor ele usualmente o ajudará com testes deste tipo.

Neste ponto, se tudo continuar bem, faça um protótipo de um ou mais materiais. Certifique-se de que seus protótipos serão identificados para que os mesmos não sejam perdidos nos testes, assim podemos garantir a rastreabilidade do protótipo não comprometendo o resultado do teste.

Após os testes, verifique e compare os protótipos uns contra os outros e compare-os com o material utilizado atualmente. Caso seja uma nova aplicação onde nada foi utilizado antes, compare os resultados com as características que o cliente dispõe, é importante conhecermos a expectativa do cliente para podermos superá-la.

Finalmente, certifique-se que o cliente concorde com os resultados dos testes e que o mesmo aprove a evolução do protótipo.

Uma vez concluído todos os passos anteriores você está pronto para iniciar a produção e ter lucro no negócio.

Referência

1. Randall, D (2002). The Polyurethanes Book, Wiley. ISBN 0470850418.
2. Fuest, Dr. Ronald W. (2007). What Polyurethanes? Where?. Crompton Corp.

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