Cómo se convence a un poliuretano para vivir en el agua: la química de los barnices sin disolventes

CIENCIAS EXACTAS: QUÍMICA.

El poliuretano es uno de esos materiales que nos rodean sin que reparemos en ellos: está en el barniz del parqué, en el acabado de las suelas de las zapatillas, en el tacto suave de un bolso de piel sintética o en la capa que protege el salpicadero de un coche.

Durante décadas, casi todos esos recubrimientos tenían algo en común: llegaban disueltos en disolventes orgánicos que se evaporaban al secar y acababan en el aire que respiramos. Hoy una parte creciente de ellos viaja en agua. Conseguirlo no fue trivial, porque el poliuretano y el agua, en principio, no se llevan nada bien.

Un enemigo en el propio disolvente.

Para fabricar un poliuretano se hace reaccionar un isocianato con un poliol, una molécula con varios grupos alcohol. El problema es que los grupos isocianato también reaccionan con el agua: forman un ácido carbámico inestable que se descompone en una amina y dióxido de carbono. Es exactamente la reacción que hace crecer las espumas de poliuretano, y lo último que se desea en un barniz que debe quedar liso y transparente.

La solución que encontraron los químicos es elegante. Primero se fabrica, sin agua, un prepolímero de cadena corta al que se incorporan grupos ácidos carboxílicos anclados en su estructura. Después esos ácidos se neutralizan con una amina volátil, de modo que el polímero queda salpicado de cargas negativas. Al verterlo en agua bajo agitación, las cadenas se organizan en partículas diminutas: la parte hidrófoba hacia dentro, las cargas hacia fuera, repeliéndose entre sí y evitando que las partículas se agreguen. Por último, una diamina alarga las cadenas dentro de cada partícula. El resultado no es una disolución, sino una dispersión: billones de esferas de polímero suspendidas en agua.

El tono azulado que delata a las partículas pequeñas.

Estas dispersiones suelen tener un aspecto lechoso con un curioso reflejo azulado. No es un colorante: es el efecto Tyndall, la misma dispersión de la luz que tiñe de azul el cielo. Cuanto más pequeñas son las partículas, normalmente por debajo de una décima de micra, más se acerca el líquido a la translucidez y más marcado es ese matiz. Para un formulador, ese reflejo es una pista rápida sobre el tamaño de partícula y, por tanto, sobre la estabilidad y el brillo que tendrá la película.

Cuando el barniz se aplica, el agua se evapora y las partículas se ven obligadas a acercarse hasta tocarse, deformarse y fundirse unas con otras, en un proceso llamado coalescencia. Si la temperatura es demasiado baja, por debajo de la llamada temperatura mínima de formación de película, las partículas no llegan a fusionarse y lo que queda es un polvo blanquecino y quebradizo en lugar de una capa continua.

La química que decide si un recubrimiento amarillea o se degrada.

No todos los poliuretanos en base agua se comportan igual, y buena parte de la diferencia está en dos decisiones de diseño. La primera es el tipo de isocianato. Los aromáticos, como el TDI o el MDI, son más baratos, pero sus anillos absorben radiación ultravioleta y con el tiempo amarillean. Los alifáticos, como el IPDI, el HDI o el H12MDI, carecen de esos anillos y mantienen el color bajo la luz del sol, por eso se prefieren en acabados claros o expuestos a la intemperie.

La segunda decisión es el poliol que forma el esqueleto flexible de la cadena. Los poliésteres dan películas resistentes y con buena adherencia, pero sus enlaces éster pueden romperse lentamente en presencia de humedad y calor, un proceso llamado hidrólisis. Los poliéteres resisten mucho mejor el agua, aunque con algo menos de dureza. Los policarbonatos combinan ambas virtudes a un precio mayor, y las versiones modificadas con acrílicos ayudan a adherir sobre plásticos difíciles como el polipropileno. Elegir el esqueleto adecuado es, en la práctica, elegir qué tipo de envejecimiento se está dispuesto a tolerar.

"Base agua" no siempre significa sin disolventes.

Hay un detalle que suele pasar desapercibido en las etiquetas. Durante años, muchas dispersiones se fabricaron con ayuda de un codisolvente, la N-metil-2-pirrolidona (NMP), que reducía la viscosidad del prepolímero y facilitaba la dispersión. El problema es que la NMP y su pariente cercana, la N-etil-2-pirrolidona (NEP), están clasificadas en Europa como tóxicas para la reproducción y figuran en la lista de sustancias extremadamente preocupantes del reglamento REACH; el uso de la NMP está además restringido. Por eso la industria ha ido migrando hacia procesos que emplean acetona, que se elimina por destilación tras la dispersión, o hacia formulaciones totalmente libres de codisolventes.

Para quien formula pinturas, tintas o acabados para cuero y textil, esto convierte la ficha técnica en una lectura obligada: el contenido en sólidos, el tipo de isocianato, la química del esqueleto y la presencia o ausencia de codisolvente dicen más sobre el comportamiento final que la simple etiqueta de "base agua". Los catálogos técnicos de dispersiones de poliuretano en base agua de tipo aniónico y alifático suelen especificar contenidos en sólidos de entre el 22 % y el 35 %, junto con las condiciones de almacenamiento, precisamente porque esos parámetros determinan cómo se comportará el producto en la línea de aplicación.

Frágiles a su manera.

La estabilidad de estas dispersiones depende de un equilibrio delicado de cargas eléctricas, y eso las hace sensibles a cosas que un barniz al disolvente ignoraría. Una helada puede romper la dispersión de forma irreversible, porque el hielo que crece expulsa a las partículas y las obliga a unirse. Un agua de dilución dura, rica en calcio y magnesio, neutraliza parte de las cargas y provoca grumos. Añadir un aditivo ácido puede tener el mismo efecto, y un agitado demasiado violento llega a coagular el producto. Por eso suelen almacenarse entre 5 y 35 °C y tienen una vida útil limitada, del orden de seis meses.

Es el precio de haber convencido a un polímero que detesta el agua de vivir en ella. A cambio, los recubrimientos de poliuretano en base agua permiten reducir de forma drástica las emisiones de compuestos orgánicos volátiles sin renunciar del todo a la dureza, la flexibilidad y la resistencia que hicieron famoso a este material. Detrás de cada suelo barnizado sin olor a disolvente hay, en realidad, una pequeña obra de ingeniería coloidal.

Sitio Fuente: NCYT de Amazings