Universidad del Valle – Departamento de Química – Facultad de Ciencias Naturales y Exactas Laboratorio de Química Orgánica II (116067M) Periodo Académico: Febrero- Junio 2012 Complemento a la guía de laboratorio de Macromoléculas Prueba 1: Elaboración de espuma de poliuretano 1. Introducción Introducción
Los poliuretanos1,2,3 son resinas que van desde las formas duras y aptas para recubrimientos resistentes a los disolventes hasta cauchos sintéticos resistentes a la abrasión y espumas flexibles. La obtención de los poliuretanos se basa en la gran reactividad del enlace doble del grupo isocianato que adiciona fácilmente compuestos como el polialcohol en reacciones r eacciones como la siguiente
Figura 1. Reacción general de la formación de la espuma de poliuretano desde un polialcohol y un
poliisocianato Para obtener el poliuretano para este proyecto se requiere de mezclar dos componentes básicos: El polialcohol (componente A) y el poliisocianato poliisocianato (componente B) 1.1 Polialcohol o componente A.
Los polialcoholes son líquidos viscosos, cuya principal característica química son los grupos hidroxilo (OH), constituidos por oxígeno e hidrógeno. Estos grupos reaccionan con los grupos isocianato del poliisocianato poliisocianato dando lugar a grupos uretano (— NH-(C=O)-O-). 1
Poliuretano en: http://www.jq.com.ar/Imagene http://www.jq.com.ar/Imagenes/Productos/Poliuretano/poliuretano.htm s/Productos/Poliuretano/poliuretano.htm
Consultado: 14-05-2012 2. Poliuretano en: http://www.ramguiflex.com/ Consultado: 14-05-2012 3. Poliuretano en: http://www.ramguiflex.com/ Consultado: 14-05-2012
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Los polialcoholes destinados a la fabricación de espuma rígida se obtienen fundamentalmente del óxido de propileno y principalmente compuestos como el polietilenglicol. La funcionalidad de un polialcohol la indica el número de grupos hidroxilo existente en la molécula. Para formar la espuma, como mínimo deben haber dos grupos hidroxilo (uno en cada extremo de la molécula de polialcohol). Las partes de una molécula que son susceptibles de reaccionar como los grupos hidroxilo, se llaman grupos funcionales. El contenido en grupos hidroxilo dentro de un compuesto se llama índice de hidroxilo. En el momento de elegir un polialcohol, aparte de conocer su naturaleza química, es necesario conocer su viscosidad, el número de grupos hidroxilo –OH (al menos deben de ser dos), y de su contenido en agua. El polialcohol mas empleado suele ser el polietilenglicol
Figura 2. Estructura del polietilenglicol o poliuretano A 1.2 Poli-Isocianatos o componente B.
Se entiende por isocianatos aquellos compuestos químicos que están provistos de grupos funcionales isocianato (-OCN). Los elementos constitutivos de un grupo isocianato son el nitrógeno, el carbono y el oxígeno. Para la fabricación de espumas rígidas de Poliuretano se emplean casi exclusivamente los isocianatos basados en el diisocianato de difenilmetano abreviado como MDI.
Figura 3. Estructura del Poliuretano B (4,4 difenil metano di isocianato) 1.3 Catalizadores o aceleradores de la reacción
La mayor parte de polialcoholes y poliisocianatos reaccionan entre sí a temperatura ambiente con una velocidad moderada. Para acelerar esta velocidad se añaden activadores a la mezcla reaccionante. Éstos suelen ser aminas terciarias, compuestos orgánicos de estaño o sales alcalinas de ácidos carboxílicos alifáticos, que favorecen en especial la formación de isocianurato. Los productos más conocidos son la trietilamina, la dimetilcilohexilamina, el dilaurato de dibutilestaño y el acetato potásico. Los distintos compuestos tienen efectos muy diferentes sobre las reacciones mencionadas. Esto puede aprovecharse para regular según las exigencias planteadas el curso de la reacción y de la espumación. 2
Estos catalizadores por lo general vienen ya mezclados con el componente A, o con el componente B por lo que no hay la necesidad de adicionarlos por separado 2. Procedimiento y materiales
1 Vaso de plástico pequeño
Componente A (poletilenglicol) y Componente B (4,4 difenilmetano di isocianato)
Espátula de madera o varilla de agitación
Gotero
Desde un gotero se adiciona 1.0 mL del polialcohol o componente A al vaso de plástico, y seguidamente se adiciona poco a poco 1.0 mL del componente B. Durante el proceso se debe mantener una agitación vigorosa y constante durante todo el tiempo para que la mezcla se homogenice. Espere un par de minutos y anote sus observaciones. La consistencia del producto final será porosa (presenta agujeros) que resultan del desprendimiento de gases como oxígeno (O 2) y dióxido de carbono (CO 2) los cuales hacen que la mezcla se eleve desde el fondo del recipiente con el paso del tiempo. La reacción que se lleva a cabo es la siguiente:
Figura 3. Reacción ocurrida entre el poliuretano (A y B)
¡Usted debe proponer el mecanismo de esta reacción!
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Prueba 2. Entrecruzamiento de polivinilacetato 1. Introducción
El acetato de polivinilo o PVA mas conocido como "cola o adhesivo vinilico" es un polímero, obtenido mediante la polimerización del acetato de vinilo, descubierto por el químico Fritz Klatte en 1912. Para preparar alcohol de polivinilo se usa la hidrólisis del polímero (ya sea ésta parcial o total). Se presenta comercialmente en forma de emulsión, como adhesivo para materiales porosos, en especial la madera. A una de sus variedades se la conoce como Resistol o Resistol 850, la marca de la industria que lo produce. También se puede utilizar para proteger el queso de los hongos y de la humedad. Se usa como base de plástico neutro para la goma de mascar ya que es un sustituto barato de la savia gomosa natural del árbol Manilkara zapota. Es el miembro de la familia de ésteres de vinilo más fácilmente obtenible y de más amplio uso. Es un líquido inflamable, usado generalmente para adhesivos de encuadernación, bolsas de papel, cartones para leche, sobres, cintas engomadas, calcomanías, etc.
Figura 1a. Estructuras del polivinilacetato (PVAc) y de polivinilalcohol (PVA)
Un ejemplo de entrecruzamiento es la vulcanización del caucho, en donde la adición de azufre, mejoró las propiedades mecánicas del caucho para neumáticos
Figura 1b. Caucho vulcanizado
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Al presentar grupos hidroxilo y ester en su estructura, el polivinilaceetato presenta una funcionalidad con la cual puede generar un entrecruzamiento con agentes como el tetraborato de sodio o Borax. Este entrecruzamiento proporciona rigidez al polímero dificultando el movimiento de las cadenas, formando redes tridimensionales. El entrecruzamiento puede darse con enlaces ionicos o covalentes. Asi mismo, este fenómeno se puede lograr con un solo polímero o dos o más polímeros que reaccionen. 2. Procedimiento y materiales
Goma blanca escolar (colbón líquido, no en stick) Bórax (tetraborato de sodio, Na 2B4O7*10H2O) Colorante Vaso de plástico Matraz de 10 mL Se prepara una solución de colbon con 5 mL de goma blanca y se lleva hasta el enrase con agua en un matráz de 10 mL, se tapa y agita para homogenizar. Por otra parte se toman 10 mL de una solución de Borax al 4% (4 g en 100 mL de agua, la cual servirá para que otros grupos puedan trabajar). Se agitan ambas soluciones de forma vigorosa, si se desea puede agregarse colorante para apreciar un mejor efecto. Anote sus observaciones El producto resultante adquiere consistencia elástica y semisólida. Esta sustancia se conoce con el nombre de Slime2, glubber o gluep Al agregar el bórax, el borato hace un entrecruzamiento con el polivinilacetato, y al unirse muchas de las moléculas de borato con las del vinil acetato ó acetato de vinilo, se forma una red entrecruzada (crosslinking), el cual le da las característica a este producto final. El ion tetraborato reacciona con agua hidrolizándose para producer ácido bórico y el ion hidróxido, que posteriomente reacciona con agua para formar el anión borato según las ecuaciones siguientes B4O7-2(aq) + 7 H2O <—> 4 H3BO3(aq) + 2 OH-(aq) H3BO3(aq) + 2 H2O <— > B(OH)4-(aq) + H3O+(aq) Proponga como sería la estructura del producto entrecruzado
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Glubber y slime en: http://www.sci-experiments.com/slime/slime.html http://www.madsci.org/posts/archives/2003-12/1070294201.Ch.r.html. Revisado 14-05-2012 5
Prueba 3. Hidrogel de poliacrilato de sodio 1.Introducción
Los hidrogeles3 se definen como materiales poliméricos entrecruzados en forma de red tridimensional de origen natural o sintético, que se hinchan en contacto con el agua formando materiales blandos y elásticos, y que retienen una fracción significativa de la misma en su estructura sin disolverse Como tal presentan las siguientes propiedades:
Carácter hidrófilo por los grupos funcionales presentes en su estructura (-OH, -COOH, -CONH 2, CONH, SO3H) Insolubilidad en agua Consistencia suave y elástica Se hinchan en agua o medios acuosos (requieren de un agente entrecruzante para formar las redes). Algunos polímeros sintéticos, como el poliacrilato de sodio, forman hidrogeles. Un ejemplo de ello se aprecia en el siguiente gráfico
a
b
Figura 4. Estado Xerogel (a, antes del hinchamiento) y estado hidrogel (b, luego del hinchamiento) de
poliacrilato de sodio comercial, llamado tierra gel
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A. S. Hoffmann Hydrogels for biomedical applications. Advanced drug delivery, reviewa 2002, 43, pp 3 -12
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Figura 5. Red tridimensional aproximada para un hidrogel
Figura 6. Red tridimensional de poliacrilamida tomada desde un microscopio electrónico (SEM)
2. Procedimiento y materiales
Poliacrilato de sodio Vaso de plástico Gotero Probeta de 10 mL En un vaso de plástico pequeño agregue una medida de poliacrilato de sodio (tomada en espátula de acero pequeña), a continuación adicione desde un gotero 1 mL de agua y espere 30 segundos antes de la próxima adición, (debe continuar asi hasta completar los 10 mL), registre sus observaciones cada vez que adiciona líquido. Con esta experiencia, comprenderá el por que los pañales, tampones y toallas femeninas desarrollan el efecto absorbente,
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