Selladores de poliuretano: química, curado y resistencia a la intemperie

Por qué el poliuretano domina el sellado de juntas de construcción

El argumento a favor del poliuretano en el sellado de juntas se apoya en una combinación de propiedades mecánicas que ninguna química competidora ofrece por sí sola. Los selladores de silicona ofrecen una estabilidad a los UV y un desempeño a alta temperatura superiores, pero no se pueden pintar y su resistencia a la abrasión es relativamente baja. Los selladores acrílicos son económicos, pero se limitan a las juntas de poco movimiento y se degradan con la inmersión prolongada en agua. Los selladores de polisulfuro han sido desplazados en gran medida de la construcción nueva. El poliuretano atiende la mayoría de los requisitos de las juntas de movimiento —capacidad de pintado, resistencia a la abrasión, buena adhesión a los sustratos porosos y acomodación de movimiento de hasta ±50%— en una sola plataforma química.

La base química es el enlace uretano, que se forma cuando un grupo isocianato (–N=C=O) reacciona con un grupo hidroxilo (–OH) y da –NH–CO–O–. Como describe el artículo de Wikipedia sobre el poliuretano, esta reacción es exotérmica y avanza con facilidad a temperatura ambiente, sobre todo cuando la catalizan compuestos organoestánnicos o aminas terciarias. En la práctica de los selladores, el isocianato y el poliol no se combinan en un solo paso: el proceso de fabricación produce primero un prepolímero terminado en isocianato, un intermediario controlado que se obtiene al hacer reaccionar un poliol (por lo general, polipropilenglicol de masa molecular 2000–6000 Da) con un exceso estequiométrico de isocianato, para dar una molécula de cadena extendida rematada en grupos –NCO terminales. Esta arquitectura de prepolímero es la que controla el módulo, el alargamiento y la recuperación elástica del sellador final, con una precisión muy superior a la de cualquier formulación de un solo paso.

Para el contexto más amplio de las tecnologías de adhesión y unión de las distintas químicas poliméricas, nuestro recurso técnico sobre adhesivos y selladores ofrece una visión completa de toda la gama de sistemas de unión estructurales y elásticos que se usan en la construcción y la manufactura modernas.

Química del sellador de poliuretano monocomponente de curado por humedad

En un sellador de poliuretano monocomponente, la reacción de curado la impulsa por completo el vapor de agua presente en la atmósfera circundante. El prepolímero se envasa en un cartucho sellado y seco: cualquier contacto con la humedad durante el almacenamiento entrecruzaría el producto de forma prematura. Una vez aplicado a la junta y expuesto al aire, la humedad atmosférica inicia el curado mediante un mecanismo de dos pasos en los extremos de cadena terminados en isocianato.

En el primer paso, un grupo isocianato terminal (–NCO) reacciona con una molécula de agua (H₂O) y forma un intermediario inestable de ácido carbámico (R–NH–COOH). Este se descompone de forma espontánea, libera dióxido de carbono (CO₂) gaseoso y genera una amina primaria (R–NH₂). En el segundo paso, la amina libre reacciona con rapidez con otro grupo –NCO de la cadena del prepolímero y forma un entrecruzamiento de urea (–NH–CO–NH–). Estos puentes de urea entre las cadenas del prepolímero constituyen la red entrecruzada principal del sellador curado y son los responsables del módulo elástico, del alargamiento y de las propiedades de recuperación que se miden en servicio.

El CO₂ generado en el primer paso debe difundirse hacia el exterior a través de la piel del sellador en formación antes de que se alcance el punto de gel. Si la superficie forma piel de manera prematura —sobre todo con temperatura y humedad relativa altas—, el CO₂ queda atrapado y provoca ampollas y huecos internos que reducen de forma considerable el desempeño mecánico y la adhesión; el diagnóstico y la prevención de este modo de falla concreto se tratan en nuestra guía sobre el burbujeo y el ampollamiento del sellador de poliuretano durante el curado (en inglés). Quienes formulan manejan este riesgo mediante una selección cuidadosa del plastificante (ftalato de diisononilo, DINP, o tereftalato de dioctilo, DOTP), del tamaño de partícula de la carga (carbonato de calcio, negro de humo, sílice precipitada) y del nivel de catalizador. El curado avanza desde la superficie expuesta hacia el interior a unos 3–4 mm por día a 23°C y 50% de humedad relativa; las propiedades mecánicas completas se alcanzan a los 7 días en condiciones estándar. Por debajo de 5°C o por debajo de 20% de humedad relativa, la velocidad de curado cae de forma notable, lo que puede hacer que los sistemas 2K sean la opción más práctica. Para un tratamiento completo de las tecnologías de adhesivos y selladores, consulte nuestra guía de formulaciones de adhesivos y selladores (en inglés).

Formulación de selladores de poliuretano bicomponentes

Donde el mecanismo de curado por humedad de los 1K impone velocidades de curado que dependen de la humedad y riesgos de ampollamiento por CO₂, los selladores de poliuretano bicomponentes resuelven estas limitaciones al separar la química de curado en dos componentes estables en almacenamiento, que reaccionan solo al mezclarse. La parte A contiene el prepolímero terminado en NCO formulado con plastificantes, estabilizantes y cargas. La parte B contiene el paquete de curado: una mezcla de poliol y/o entrecruzante de amina, catalizador organoestánnico o de amina terciaria, pasta pigmentaria y carga. Al combinarse en la relación de mezcla especificada (por lo general, de 3:1 a 5:1 de parte A a parte B en volumen), los grupos isocianato de la parte A reaccionan directamente con los grupos hidroxilo y amina de la parte B, sin intervención de la humedad, y forman entrecruzamientos de uretano y de urea de manera rápida y predecible.

La vida útil de la mezcla (pot life), es decir, el tiempo de trabajo después de mezclar, es un parámetro crítico de la formulación 2K: determina de cuánto tiempo dispone quien aplica para rellenar, alisar y terminar la junta antes de que empiece la gelificación. Los selladores de PU 2K de grado construcción se formulan por lo general para una vida útil de la mezcla de 30–90 minutos. El curado superficial completo (libre de pegajosidad, tack-free) se alcanza en 2–8 horas a 23°C; las propiedades mecánicas completas se desarrollan en 24–72 horas, bastante más rápido que los 7 días de curado de los sistemas 1K. Esto hace que los sistemas 2K sean la opción preferida en los entornos de producción y en las obras de invierno, donde la baja humedad o el frío harían poco fiable el curado de un 1K. Una comparación detallada con la química competidora de los selladores de silicona, que ofrece una estabilidad a los UV superior pero no puede repintarse, se encuentra en nuestra guía de selladores de silicona: tipos, grados y aplicaciones.

Diseño de juntas de construcción y adhesión

El diseño de la junta es la disciplina de ingeniería que traduce el desempeño nominal de un sellador en una junta útil y duradera, y es donde se originan en la práctica la mayoría de las fallas de los selladores, con independencia de la calidad de la propia formulación. Nuestra guía definitiva de diseño y selección de juntas con selladores de construcción (en inglés) abarca esta disciplina para todas las químicas de selladores. La norma estadounidense clave que rige la clasificación y el desempeño de los selladores elastoméricos de juntas es ASTM C920, que define las clases de capacidad de movimiento 12.5, 25, 35, 50 y 100/50 (±12.5%, ±25%, ±35%, ±50% y +100%/−50% del ancho original de la junta). Un sellador de clase 25, aplicado a una junta de 20 mm de ancho, debe sobrevivir a un movimiento cíclico entre 15 mm (25% de compresión) y 25 mm (25% de extensión) sin falla adhesiva ni cohesiva durante el número de ciclos del ensayo especificado.

Dos reglas de geometría de la junta son fundamentales. Primero, el ancho de la junta debe dimensionarse para acomodar el movimiento previsto: el ancho es igual al movimiento máximo dividido entre el factor de la clase de movimiento, multiplicado por un factor de seguridad de 1.3–1.5. En las juntas de dilatación térmica de las fachadas de concreto o de mampostería, este cálculo usa el coeficiente de dilatación térmica del sustrato, el intervalo de temperatura de servicio previsto y la longitud del panel. Segundo, la profundidad de la junta debe controlarse con un cordón de respaldo (de espuma de polietileno de celda cerrada, backer rod) para lograr la relación ancho:profundidad recomendada de 2:1. El cordón de respaldo también impide que el sellador se adhiera al fondo de la junta. La adhesión a tres caras, en la que el sellador se adhiere a las dos caras y al fondo, restringe gravemente la capacidad del sellador de deformarse de manera uniforme al abrirse la junta, concentra toda la deformación en las interfaces de adhesión y provoca una falla adhesiva con una fracción de la clase de movimiento nominal.

La preparación de la superficie determina la calidad de la adhesión. En el concreto y la mampostería, los sustratos deben estar libres de desmoldantes de cimbra, compuestos de curado, polvo y eflorescencias antes de aplicar la imprimación. La mayoría de los selladores de PU requieren una imprimación de base isocianato sobre las superficies cementicias para lograr los valores de adhesión que especifica la norma ASTM C794. Sobre el metal y el vidrio, lo habitual es limpiar con solvente para eliminar la contaminación y aplicar después el promotor de adhesión del fabricante del sellador.

Intemperie, estabilidad a los UV y modos de falla

La limitación de intemperismo más importante de los selladores de poliuretano estándar es la degradación fotooxidativa inducida por los UV. Los sistemas de PU aromático, basados en prepolímeros de MDI (diisocianato de 4,4'-difenilmetano) o de TDI (diisocianato de tolueno), siguen una vía de degradación bien documentada bajo exposición a los UV: las estructuras de metileno aromático y de anillo aromático contiguas al enlace uretano absorben los fotones UV y forman intermediarios muy coloreados de quinona-imina y azometino, que producen el característico amarillamiento progresivo. A medida que continúa la fotooxidación, la superficie pierde la integridad de la cadena polimérica y genera una capa friable de tiza. Esta degradación es sobre todo superficial a corto plazo (el elastómero en masa puede conservar propiedades mecánicas útiles mientras la superficie se oxida), pero la exposición prolongada a los UV reduce de forma progresiva el alargamiento a la rotura y la resistencia de adhesión en toda la sección.

Los sistemas de poliuretano alifático, basados en prepolímeros de IPDI (diisocianato de isoforona) o de HDI (diisocianato de hexametileno), carecen de la estructura de anillo aromático que absorbe los UV y conservan el color y la integridad superficial con una exposición prolongada a los UV en exteriores. Los prepolímeros alifáticos tienen un sobrecosto significativo frente a los aromáticos y son la química que se especifica para las juntas de fachada visibles, los sellados perimetrales de muros cortina y cualquier aplicación en la que la estabilidad del color sea un requisito de desempeño sin protección de pintura. Las consideraciones ambientales de los selladores que contienen isocianatos, entre ellas el contenido de COV de las formulaciones en base solvente y el control de los vapores de MDI, se relacionan con el marco regulatorio más amplio que se trata en nuestro artículo sobre el control de emisiones de COV en la industria química.

Modos de falla habituales en las instalaciones de selladores de poliuretano:

• Falla adhesiva — desprendimiento en la interfaz entre el sellador y el sustrato; la causan una preparación de la superficie inadecuada, la omisión de la imprimación, sustratos incompatibles o un movimiento superior a la clase nominal
• Falla cohesiva — desgarro dentro del cuerpo del sellador; indica una junta subdimensionada, la elección de una clase de movimiento errónea o un sellador envejecido con menor capacidad de alargamiento
• Deformación remanente por compresión (compression set) — no recupera las dimensiones originales después de una compresión sostenida; indica migración del plastificante hacia la interfaz de la junta o degradación térmica de la red polimérica
• Agrietamiento superficial — red de fisuras finas en la superficie sin falla pasante; suele indicar degradación por UV en los sistemas aromáticos o un módulo insuficiente para el movimiento exigido

Aplicaciones en la construcción y en la industria

Los selladores de poliuretano son el material principal de sellado de juntas en una amplia gama de sectores de la construcción y la industria, cada uno con requisitos de desempeño específicos que las químicas 1K y 2K atienden de distintas maneras. En las fachadas de edificios, rellenan las juntas de dilatación entre los paneles de revestimiento, los elementos de concreto prefabricado y los marcos de muro cortina, juntas dimensionadas para absorber la dilatación térmica de las estructuras grandes sin transmitir carga a los componentes adyacentes. Las juntas de piso de las instalaciones industriales, los almacenes, los centros logísticos y los estacionamientos (aparcamientos en España) requieren selladores aptos para tránsito (ASTM C920, uso T) que resistan la abrasión de las ruedas, el paso de los montacargas (carretillas elevadoras en España) y la contaminación química de los agentes de limpieza y los combustibles, lo que exige la mayor dureza y resistencia a la abrasión que se logran con las formulaciones 2K.

La construcción con concreto prefabricado depende de los selladores de PU para sellar las juntas perimetrales entre los paneles individuales: aportan resistencia a la intemperie y acomodan el movimiento entre paneles causado por la carga de viento, los asentamientos diferenciales y los ciclos térmicos. Las aplicaciones sanitarias (cocinas comerciales, instalaciones de procesamiento de alimentos, salas limpias farmacéuticas) usan formulaciones de PU de bajo módulo, porque el movimiento del sustrato por los ciclos de humedad y secado es continuo. Aquí el poliuretano compite con la silicona de curado neutro; la decisión suele depender de la capacidad de pintado (donde se prefiere el PU) frente a la resistencia a los hongos y el desempeño a alta temperatura (donde se prefiere la silicona). El sellado de las costuras de la carrocería en la industria automotriz es otra aplicación importante, aunque este segmento usa cada vez más sistemas híbridos de polímero MS (poliéter con terminaciones de silano) que combinan la adhesión del PU con la estabilidad a los UV de la silicona. Nuestro recurso integral sobre formulaciones y tecnología de adhesivos y selladores (en inglés) trata en detalle los sistemas de polímero MS y toda la gama de tecnologías de unión y sellado.