Las resinas epoxi son productos reactivos utilizados para producir una clase versátil de polímeros termoestables, que se endurecen cuando se mezclan con un agente catalizador. [12] Se caracterizan por la presencia de un grupo éter cíclico de tres miembros, comúnmente denominado grupo epoxi u oxirano, compuesto por un átomo de oxígeno unido a dos átomos de carbono unidos entre sí mediante un enlace covalente.
Figura 18: Representación esquemática de una molécula de oxirano o grupo epoxi lineal (a) y tridimensional (b)
Figura 19: Compuesto epoxídico
Las resinas epoxi más utilizadas son producto de una reacción entre epiclorhidrina y bisfenol-A.
EPICLORHIDRINA
La epiclorhidrina (ECH) es un compuesto que contiene un grupo epóxido y un compuesto organoclorado (compuesto químico orgánico compuesto por un esqueleto de átomos de carbono en el cual, algunos hidrógenos han sido reemplazados por átomos de cloro), con formulación 2-clorometil oxirano, según la IUPAC. Es un líquido incoloro altamente reactivo.
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Figura 20: Esquema de una molécula de epiclorhidrina lineal (a) y tridimensional (b)
BISFENOL A
El bisfenol-A (BPA) es un compuesto orgánico con dos grupos fenol, con fórmula (CH3)2C(C6H4OH)2 y formulación 4,4-(propano-2,2-diil)difenol. Es un sólido incoloro soluble en disolventes orgánicos, pero muy poco soluble en agua.
Figura 21: Esquema de una molécula de bisfenol-A lineal (a) y tridimensional (b)
Las características de este tipo de productos termoendurecibles derivados del son derivadas del propio bisfenol-A (dureza, rigidez y rendimiento a alta temperatura), los enlaces éter (resistencia química) y de los grupos hidroxilo y epoxi (agentes adhesivos). Estas características, confieren a las resinas unas propiedades que las hacen ser beneficiosas para múltiples aplicaciones.
Para el endurecimiento de las resinas epoxi se emplean agentes de curado o endurecedores, ya que por lo general, las resinas epoxi sin curar tienen malas propiedades mecánicas, químicas y térmicas. Sin embargo, cuando reaccionan con agentes de curado forman estructuras tridimensionales con estructura termoestable (entrecruzamientos).
Al mezclar la resina con el agente de curado o endurecedor, se produce una reacción de curado que provoca la solidificación de la resina, que se produce a temperatura ambiente. Durante este proceso de curado, se forman enlaces cruzados, los cuales provocan el endurecimiento del material, y haciendo también que el peso molecular del nuevo producto sea elevado.
El agente de curado o endurecedor, al añadirse en cierta cantidad a una sustancia macromolecular determinada (en este caso una resina epoxi), reacciona con ésta y le confiere una serie de características perfectamente definidas, de las que anteriormente carecí.
El curado de las resinas epoxi implica una reacción exotérmica, que en algunos casos produce el suficiente calor como para autodegradar el propio material.
Página 39 de 134 Las resinas epoxi más frecuentes son producto de una reacción entre el bisfenol A y la epiclorhidrina. No obstante, aparte del bisfenol-A, se emplean también otros materiales de partida, tales como glicoles para producir otros tipos de resinas especiales.
6B.1.2. Historia
La historia de estas resinas empieza en 1854 cuando Marcellin Berthelot preparó por primera vez epiclorhidrina, haciendo reaccionar glicerol con tricloruro de fósforo. El siguiente paso llegó en 1905, cuando Theodor Zincke sintetizó por primera vez bisfenol A puro, a partir de acetona y fenol.
No fue hasta 1936 cuando Pierre Castan, en Suiza, sintetizó satisfactoriamente una resina epoxi, la cual endureció con anhídrido ftálico. El uso de la resina endurecida fue previsto para aplicaciones en productos dentales. No obstante, los primeros intentos de comercializar la resina no tuvieron éxito.
Otro avance tuvo lugar en 1939, cuando W. Bock y J.H. Tischbein, del IG Farben (grupo alemán de empresas de la industria del colorante), patentaron la reacción entre diepóxidos y poliamidas, usando los productos resultantes en aplicaciones en la industria textil.
En 1943, en Estados Unidos, S. Greenlee patentó la resina obtenida a partir de la reacción de bisfenol A con epiclorhidrina y su uso para recubrimientos, estableciendo de esa manera los fundamentos del uso industrial de las resinas epoxi en Estados Unidos. No obstante, la producción de bisfenol-A a nivel industrial a partir de acetona y fenol empezó después de 1945, al acabar la II Guerra Mundial.
Paralelamente, en Europa, la compañía Ciba AG (Chemical Industries in Basel), en 1946, tras desarrollar una patente propia, mostró en la Feria de Industrias Suizas el primer adhesivo epoxi.
Desde ese momento, a partir de la década de los 40, cuando tanto en Europa como en Estados Unidos se comercializaron las resinas epoxi, se produjo un aumento continuo en la producción industrial de este tipo de resinas, lo que llevó a que a finales de la década de 1940
se produjeran las primeras investigaciones en el campo de las resinas epoxi a partir de bisfenol-A.
A partir de 1960, la variedad de resinas epoxi en el mercado empezó a aumentar. Distintas compañías como Ciba AG, Dow Chemical o Shell, introdujeron nuevas variedades de resinas epoxi, y fue también cuando comenzaron a comercializarse las resinas con un agente endurecedor de forma progresiva en todo el mundo. Ciba pasó a convertirse con los años en uno de los tres principales productores de resina epoxi en todo el mundo, comercializándolas bajo el nombre de Araldite. Más adelante, la parte comercial de epoxi de Ciba se separó y más tarde se vendió a finales de 1990 a la unidad de negocios de materiales avanzados de Huntsman Corporation de Estados Unidos, uno de los principales productores de productos químicos a nivel mundial.
También fue clave el hecho de que a principios de los 60 también comenzaran a producirse en China las primeras resinas epoxi de forma industrial, donde a finales de los 70 ya existía una
Página 40 de 134 industria completamente dedicada al campo de las resinas epoxi (desde la fabricación del monómero, incluyendo la investigación y desarrollo de nuevos procedimientos, hasta la producción y aplicación del producto), creándose así un mercado que abarcaba prácticamente todo el mundo.
Así pues, a finales de la década de 1960, ya se habían completado cientos de desarrollos industriales en el campo de las resinas epoxi (en el mercado se encontraban entre 40 y 50 tipos diferentes de estructuras), lo que implicó un amplio margen de aplicaciones de estos productos y la generación de un mercado de agentes modificadores y de curado.
Tan importante fue esta década para el mercado de las resinas epoxi, que comenzaron a crearse compañías químicas especializadas solamente en este tipo de productos, desarrollando aún más su especialización y aumentando el campo de aplicaciones que podrían cubrir las resinas epoxi.
Conforme fue avanzando el siglo XX, las resinas epoxi fueron tomando cada vez más importancia gracias al aumento de las nuevas tecnologías y del, cada vez mayor, conocimiento de estos materiales, lo que ha llevado a las resinas epoxi a ser uno de los materiales poliméricos más empleados a día de hoy. [13] [14]