Uso de aminas alifáticas para obtener compuestos epoxi de alta resistencia

Por qué las aminas alifáticas proporcionan curados epóxicos rápidos y de alta resistencia

Cinética de la adición nucleofílica: cómo la reactividad de las aminas primarias permite una gelificación rápida y un desarrollo temprano de resistencia

Cuando se trata de acelerar la curación de epóxidos, las aminas alifáticas ejercen su efecto mediante procesos de adición nucleofílica. Básicamente, los grupos amina primarios (-NH₂) atacan con rapidez esos anillos de epóxido, formando enlaces covalentes que provocan una reticulación muy rápida. Lo que ocurre aquí sigue lo que los químicos denominan cinética de segundo orden. Por tanto, al aumentar bien la cantidad de amina o bien la temperatura, el proceso de curación no solo se acelera, sino que lo hace de forma exponencial. En comparación con las aminas aromáticas o con esos catalizadores latentes, estas versiones alifáticas son mucho más eficaces como donantes de electrones desde sus átomos de nitrógeno. Los ensayos demuestran que pueden incrementar las tasas de apertura del anillo aproximadamente entre un 30 y un 40 % en sistemas típicos de DGEBA. ¿Cuál es el resultado final? La gelificación se produce muy rápidamente, a veces en tan solo media hora, logrando así la resistencia temprana crucial necesaria para la fabricación de compuestos. Esto es importante porque ayuda a evitar que las fibras se desalineen durante las operaciones de colocación (layup) y reduce la necesidad de todo tipo de plantillas y dispositivos de sujeción a lo largo de las series de producción.

Referencia de rendimiento con curado a temperatura ambiente: sistemas DGEBA curados con DETA y TETA que alcanzan una resistencia a la tracción >85 MPa en 24 h

La dietilentriamina (DETA) y la trietilentetramina (TETA) son referencias industriales para el rendimiento de epóxidos con curado a temperatura ambiente. Al reaccionar con éter diglicidílico de bisfenol-A (DGEBA) a 23 °C y 50 % de humedad relativa, cumplen —y superan— sistemáticamente los requisitos estructurales sin necesidad de un curado posterior por calentamiento:

Su bajo peso molecular y su elevada funcionalidad amina permiten una reticulación densa y uniforme, lo que se traduce directamente en un sólido rendimiento mecánico en aplicaciones a gran escala o sensibles al calor, como palas de turbinas eólicas o carcasas electrónicas pegadas.

Relaciones estructura-propiedad de las aminas alifáticas: ajuste de la densidad de reticulación y la homogeneidad de la red

Efectos de la funcionalidad: triaminas (p. ej., TETA) frente a diaminas (p. ej., DETA) — cuantificación de la densidad de reticulación mediante DMA e hinchamiento con disolvente

Al comparar endurecedores de triamina, como la TETA, con diaminas, como la DETA, se observa una diferencia notable en la formación de la red. La TETA genera estructuras mucho más densas simplemente porque ofrece aproximadamente un 50 % más de puntos de reacción que la DETA, lo que conduce naturalmente a una mayor densidad de reticulación en todo el material. El análisis mecánico dinámico también respalda este hecho de manera bastante convincente. Las resinas epoxi curadas con TETA suelen alcanzar temperaturas de transición vítrea (Tg) aproximadamente 15 grados Celsius superiores a las obtenidas con DETA. Esta diferencia de temperatura nos revela algo importante acerca de qué tan estrechamente están bloqueadas entre sí las cadenas poliméricas. Asimismo, este efecto se observa también al ensayar la hinchazón por disolventes: cuando se sumergen redes de TETA en acetona, su expansión volumétrica es solo un 20 % a un 30 % menor que la de las redes correspondientes de DETA. Esto habla claramente de la rigidez estructural de estos materiales. Para quienes trabajan en el desarrollo de formulaciones, estas diferencias cuantificables son muy significativas; otorgan a los formuladores un control real sobre la selección del tipo de amina adecuado, según las exigencias térmicas, químicas o estructurales que deba soportar el producto final en su entorno de aplicación previsto.

Impacto de la arquitectura de amina: la relación primaria/secundaria y la longitud de la cadena alquilo rigen la temperatura de transición vítrea (Tg), la tenacidad a la fractura y la uniformidad del curado

La forma en que se organizan las moléculas va más allá de la mera función básica y determina, de hecho, el rendimiento de los materiales. Tomemos, por ejemplo, los espaciadores alquilo: los cortos, como los puentes etilénicos, restringen notablemente el movimiento de las cadenas en comparación con cadenas propilénicas más largas. Esta restricción eleva la temperatura de transición vítrea (Tg) entre 25 y 40 grados Celsius, pero tiene un coste, ya que la resistencia al impacto disminuye aproximadamente un 35 %. En cuanto a las aminas, las primarias tienden a reaccionar más rápidamente, pero generan estructuras más rígidas que se fracturan con mayor facilidad; por otro lado, las aminas secundarias forman uniones flexibles que permiten una mejor deformabilidad de los materiales y una curación más uniforme sobre las superficies. Mantener la relación entre aminas primarias y secundarias por debajo de 2:1 suele lograr el equilibrio adecuado en la mayoría de los casos; esto ayuda a garantizar una conversión completa durante el procesamiento, evitando zonas débiles causadas por una curación incompleta. Para sectores que requieren materiales fiables —como componentes aeroespaciales o carcasas de baterías en vehículos eléctricos (EV)—, lograr la estructura molecular correcta marca toda la diferencia en cuanto a durabilidad y seguridad del producto.

Equilibrar la resistencia y la tenacidad en compuestos epoxi curados con amina alifática

El compromiso de la fragilidad: alto módulo del IPDA (3,2 GPa) frente a una menor resistencia al impacto comparado con el DETA

Elegir aminas alifáticas significa caminar sobre una cuerda floja entre rigidez y tenacidad en el diseño de materiales. Tomemos, por ejemplo, la IPDA. Esta sustancia posee una estructura cicloalifática extremadamente rígida que confiere una resistencia a la tracción excepcional, de aproximadamente 3,2 GPa. Pero aquí radica el problema: su comportamiento ante impactos es muy deficiente. Se observan microgrietas cuando los materiales experimentan cambios térmicos repetidos o reciben golpes súbitos. Por otro lado, las aminas de cadena lineal, como la DETA, renuncian a parte de la rigidez (aproximadamente 2,1 GPa), pero compensan esta pérdida con una mejor absorción de energía gracias a las cadenas de carbono flexibles que unen todos los componentes. ¿Cuál es la causa de este compromiso? Todo se reduce a la densidad del entrecruzamiento. La IPDA no puede entrecruzarse tan intensamente sin volverse demasiado congestionada, lo que da lugar a redes rígidas pero frágiles. En cambio, la estructura menos congestionada de la DETA permite que las cadenas se muevan lo suficiente para absorber la energía del impacto antes de que cause daños.

Estrategias de curado híbridas: combinación de aminas alifáticas con aminas aromáticas o modificadas con poliéter para conservar la resistencia mientras se mejora la ductilidad

El reto de equilibrar resistencia y tenacidad ha llevado a muchos fabricantes, en la actualidad, a optar por sistemas híbridos de endurecedores. Una investigación reciente publicada en BMC Chemistry en 2024 mostró un hallazgo interesante al mezclar IPDA con TETA en una proporción aproximada de 3 a 1. ¿Qué ocurrió? Se mantuvo la resistencia a la compresión en torno a 94 MPa, pero se observó un notable aumento del 40 % en la capacidad de resistir fracturas en comparación con el uso exclusivo de IPDA pura. ¿Y saben qué más? El tiempo de curado a temperatura ambiente permaneció prácticamente inalterado. Estas fórmulas híbridas funcionan porque combinan componentes aromáticos, que contribuyen a la resistencia térmica, con partes de poliéter que otorgan mayor flexibilidad a las cadenas, creando así una estructura de red entrelazada. Cuando los materiales forman estas fases separadas durante el procesamiento, dichas fases se convierten efectivamente en puntos donde se acumula la tensión. Esto provoca la formación controlada de microgrietas que absorben energía, en lugar de permitir que el daño se propague de forma descontrolada. Así obtenemos una mejor protección frente al fallo sin sacrificar los tiempos de curado rápidos ni las excelentes propiedades mecánicas aportadas por los compuestos alifáticos.

Sección de Preguntas Frecuentes

¿Qué son las aminas alifáticas?

Las aminas alifáticas son una clase de aminas que contienen principalmente estructuras moleculares de cadena abierta, típicamente con enlaces carbono-nitrógeno. Se utilizan en procesos de curado de epoxi debido a su capacidad para iniciar rápidamente reacciones de reticulación.

¿Cómo funciona el epoxi curable a temperatura ambiente?

Los epoxis curables a temperatura ambiente están diseñados para endurecerse a temperatura ambiente sin necesidad de calentamiento adicional. El uso de endurecedores como la dietilentriamina (DETA) y la trietilentetramina (TETA) garantiza un curado rápido y una alta resistencia a la tracción.

¿Cuál es la diferencia entre aminas primarias y secundarias en el curado de epoxi?

Las aminas primarias reaccionan más rápidamente en el curado de epoxi, lo que da lugar a estructuras más rígidas, mientras que las aminas secundarias forman uniones más flexibles, lo que resulta en una mayor capacidad de doblado y un curado más uniforme sobre las superficies.

¿Cuál es la importancia de utilizar estrategias híbridas de curado?

Las estrategias de curado híbridas combinan aminas alifáticas con aminas aromáticas o modificadas con poliéter para equilibrar resistencia y ductilidad, ofreciendo una mayor resistencia a la fractura y manteniendo las propiedades mecánicas esenciales.