Conhecendo Poliuretano I

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.

• 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.

Exemplo típico de reação de formação de poliuretano
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.

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 flexível O 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.

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.
Performance
Custo Benefício
Resistência a Abrasão
Inatividade reduzida, menor tempo de máquina parada.
Tenacidade
Baixo Custo de molde na procução de peças especiais.
Resistência ao Rasgo
Baixo Custo de ferramentas para peças de baixas quantidades.
Capacidade de Carga
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.