miércoles, 18 de febrero de 2015

Un Material para Gobernarlos a Todos. El poliuretano en la industria del calzado



El espacio que hay entre tu pie y el suelo es un mundo fascinante. Una gran variedad de materiales se han utilizado desde los inicios de la historia del calzado, hace más de 10.000 años, a finales del periodo paleolítico, para proteger nuestros pies ante los múltiples peligros que le acechan desde los diferentes terrenos que pisamos.

No sólo eso, sino que en muchas ocasiones no hay un solo material, sino una compleja combinación de varios materiales, para conseguir la mejor combinación de protección, y confort, entre nuestro pie y el suelo.

Intentar hacer una clasificación de la calidad de los diferentes materiales que se pueden utilizar como suelas es sumamente pretencioso, pero puedo intentar hacer una aproximación sencilla.

Lo que suele interesar en el material que está en contacto con el suelo es que resista el desgaste al caminar. En general se puede decir que las propiedades de durabilidad del material utilizado son directamente proporcionales a su densidad.  Esto tiene, como se verá, muchas excepciones, pero nos puede servir como regla general.


Un material compacto (de densidad relativa 1 o superior) no posee prácticamente huecos en su interior, y por tanto presentará, sea cual sea este material, unas propiedades "completas".  Fijémonos por ejemplo en la resistencia a la abrasión, o lo que podríamos entender en palabras de la calle como el desgaste de la suela.  Un hipotético rodillo de material abrasivo, que simulara el contacto con el suelo de la suela, no encontraría en el caso de un material compacto ningún hueco por donde iniciar el desgaste del material (excepto, lógicamente, los defectos superficiales del material, aunque sean muy pequeños).  Este material resistiría el contacto abrasivo durante un tiempo prolongado, que se podría determinar fácilmente, si consideramos la dureza de ambos materiales (el rodillo abrasivo, y el material de la suela).
A partir de este ensayo, es fácil hacer una clasificación de durabilidad, si comparamos siempre contra el mismo material abrasivo.


 
Un material de densidad menor que la del agua necesariamente ha de tener una estructura celular 
El "truco" para que la densidad de estos materiales (cuyo peso específico es siempre mayor que 1) sea menor que la del agua es crear una estructura celular, en la que haya mucho aire en su interior.
Las celdas pueden ser más o menos grandes, y estar más o menos conectadas entre sí.  Pero en definitiva, tiene que haber mucho hueco vacío (en realidad, lleno de gas, que puede ser aire, dióxido de carbono, o algunos otros) para que la estructura completa pese menos que el agua, y por tanto, su densidad sea menor.
Podemos tener estructuras de célula abierta (que pueden tener celdas tan grandes que llegan a ser visibles, como por ejemplo en las esponjas de baño, o la espuma de PU flexible de colchones o asientos) o estructuras de célula cerrada (en las que tenemos celdas separadas entre sí, y que no dejan salir ni entrar el aire, como por ejemplo las espumas de aislamiento térmico de las neveras).
Por otro lado, independientemente de su estructura abierta o cerrada, podemos tener unas celdas más finas o más grandes.

Las propiedades de un material celular van a depender de gran cantidad de factores: de la cantidad de espacio vacío que tengan, de cómo está conectado ese espacio vacío, también de qué gas esté relleno ese espacio vacío, y finalmente de las propiedades del material que forma la estructura.

Pero si volvemos a la gráfica anterior, y situamos todos los valores de resistencia a abrasión de los diferentes materiales ensayados, junto con su densidad, desde los materiales compactos a los materiales de menor densidad, veremos que se cumple aproximadamente la hipótesis inicial, aunque ya no tendremos una línea, sino una nube de puntos, con la siguiente forma.


Si repetimos esto mismo para otras propiedades diferentes, veremos que suele obtenerse una forma bastante similar. Ese gráfico puede servirnos de referencia para evaluar la calidad del material que podemos encontrar para fabricar la suela del zapato.

Pues bien, y ahora viene la explicación al título de este post. Sólo existe un material que cubre toda esa zona.  Que cubre todas las densidades y calidades posibles.  Un material que los gobierna a todos.  Un material para encontrarlos, un material para atraerlos a todos, y en las tinieblas atarlos. El material único.  Mi Tesssoro. El poliuretano.


Podemos comparar la calidad de los materiales en todos los rangos de densidad posibles, y siempre aparecerá el poliuretano, luchando con los demás materiales posibles, luchando por dominarlos a todos. Y en casi todos los “combates” sale bastante bien parado.

Si comenzamos por los materiales compactos, encontramos dos enemigos muy poderosos del poliuretano, el cuero y el caucho vulcanizado.

La suela de zapato "de toda la vida" (o como dice Juan-José, Yanko, Iruin, en su muy recomendable post La Química de una suela de zapato “una suela como Dios manda") se fabrica con cuero.

Aunque lamento decirte, querido Búho, que aunque la suela de cuero tiene sus ventajas (a mí también me gusta mucho el sonido de una suela de cuero, en unos buenos y elegantes zapatos de vestir) la durabilidad no es una de ellas.  Tampoco la facilidad de diseño, la impermeabilidad, transpirabilidad, aislamiento térmico, etc.

En cuanto al caucho vulcanizado, o goma, fue introducida como material para fabricar suelas hace más de 50 años, y presentó un importante logro tecnológico: gracias a las suelas de goma, las suelas se hicieron impermeables, permitiendo mantener los pies secos y calientes sobre todo en los meses de invierno.
Podemos decir que la goma es el enemigo más poderoso del poliuretano, en la zona norte de la Tierra Media.
Contra este poderoso enemigo, el poliuretano puede enfrentarse también con un grupo de poderosos materiales, La Comunidad del Anillo, entre los que se encuentran el TPU o poliuretano termoplástico inyectado, o el poliuretano compacto proyectado con tecnología RPU.


Como vemos en la siguiente figura, en términos de durabilidad, el poliuretano compacto (solid PU) sale muy bien parado con respecto a los dos materiales compactos citados, el caucho vulcanizado y el cuero.


Si pasamos a los materiales de menor densidad, el PU celular cubre un rango enorme de densidades, entre el prácticamente compacto (densidad 0,9 - 1,0 g/cm3) pasando por los habituales 0,6 - 0,5 g/cm3 para suelas de alta calidad, los 0,4 - 0,5 g/cm3 de las suelas más gruesas y ligeras y con menores requerimientos (por ejemplo las suelas de cuña de zapato femenino), los 0,3 - 0,4 g/cm3 para suelas de bajo requerimiento (por ejemplo el calzado de interior, las pantuflas de andar por casa), incluso los 0,2 - 0,3 g/cm3 de la entresuela deportiva, o del material para plantillas interiores que aportan mayor comodidad a nuestros pies.

Para cada uno de estos rangos de densidad se podría escribir un nuevo post, así que no me alargaré mucho más. Como hemos dicho, cuanto más bajamos la densidad peores propiedades vamos a obtener en general.

Pero sin embargo si bajamos la densidad al mínimo, encontraremos a uno de los más temibles enemigos del poliuretano. Un material muy conocido por todos los amantes del running, el EVA (siglas del Etil-Vinil-Acetato, nada que ver con la mujer de Adán, y causante del Pecado Original).
Este material podríamos decir que representa la menor densidad que se puede utilizar como material de suelas de calzado.
Sus propiedades para uso como material de suela son muy limitadas, no sólo en resistencia a la abrasión, sino también todo lo demás (sin entrar en muchos detalles, tiene una deformación remanente desastrosa, y una malísima resistencia al desgarre, por ejemplo) lo que limita su uso para suelas de chanclas, zuecos de hospital, etc. Pero su ventaja fundamental es el confort que proporciona, debido a su rebote .   Un material tan ligero, y con una elasticidad tan alta, tiene un tacto muy peculiar, que todo el mundo puede disfrutar haciendo guerras con los archiconocidos "churros de piscina".
Pero donde el EVA ha sido hasta hace muy poco imbatible ha sido en la entresuela del calzado deportivo.  Prácticamente toda deportiva de running del mundo fabricada en los últimos 30 años tiene una entresuela de EVA.

Pero como afirmo en el título de este post, el PU es el material para gobernarlos a todos, el anillo de poder, e incluso contra el todopoderoso EVA está consiguiendo vencer.

En este caso, el material desarrollado para esta ardua batalla en la parte Sur de la Tierra Media es el siguiente: micro TPU pre-expandido. Sin duda, El Retorno del Rey poliuretano.


En definitiva, de todas las combinaciones posibles de materiales que se utilizan para separar tu pie del suelo, es muy difícil no encontrar al poliuretano formando parte de alguna de las capas: patín, piso, suela, entresuela, plantilla, etc.  

Si no sabes lo que hay entre tu pie y el suelo, la respuesta es fácil: el Material Único, el que los gobierna a Todos.

Nota: This post is also available in English in my LinkedIn page: https://www.linkedin.com/pulse/one-material-rule-them-all-polyurethane-footwear-servet-casabona



4 comentarios:

  1. Por alusiones. Cuando yo me refería a un material como Dios manda lo decía en el sentido metafórico de "las cosa de toda la vida", "de las cosas de la gente seria y formal" y similares. Vamos, para indicar que todo señor y señora que se precie tiene sus buenos zapatos de cuero.

    Pero comparto tu opinión sobre los poliuretanos en general y en el ámbito del calzado en particular. Ya sabes que soy polimérico viejo y aunque no he estado implicado en la línea de investigación sobre poliuretanos que han desarrollado otros miembros de mi Grupo, llevo más de veinte años rodeado de fanáticos/as de los PUs.

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  2. No te preocupes, Buho, hacía tiempo que tenía pendiente redactar un post como éste. Al leer el título que le pusiste a tu post en tu blog pensé que te me habías adelantado, pero luego vi que "tan sólo" hablabas de las suelas de cuero. Así que tu comentario me ha servido como excusa para ponerme a escribir.

    Y sí, soy un fanático del PU, pero también es por deformación profesional. Llevo más de 13 años peleando con este complicado, pero a la vez fascinante, material.

    Espero que nos sigamos encontrando por ahí, intentando acercar un poco la química, o la ciencia en general, a los no científicos, y luchando contra la quimiofobia.

    Un abrazo,
    Servet Casabona

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  3. Servet, interesantísimo tu artículo sobre PU. Naturalmente que el cuero es, o ha sido el material para zapatos de vestir, pero es indudable que con la tecnología hoy día conseguimos muchos materiales con mejores cualidades para fabricar calzado que el cuero. El cuero no presenta tan buenas cualidades como los materiales con nuevas tecnologías, por ejemplo en "Shock Absorbing & Shok Dispersión Power"
    Por cierto, en tu artículo hablas de Impresoras 3D de PU. Tengo un colega que ha diseñado zapatos en los cuales la suela y parte de la pala son una sola pieza llegando a ser casi un 75% del zapato y se me antoja que con esta tecnología 3D sería mucho mas fácil realizar prototipos, pues un molde cuesta en torno a 2,5K €, ¿puedes darme mas info? mi email es antoloza1@hotmail.com
    Antonio Lozano

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    1. Gracias Antonio! En cuanto al artículo de las impresoras 3D, supongo que te refieres al que colgé en LinkedIn: https://www.linkedin.com/pulse/20140725120311-7513652-the-polyurethane-in-3-d-printers
      La impresión en 3D es un tema muy novedoso e interesante, pero como digo en el artículo, no todos los materiales pueden ser utilizados para impresión 3D. En cuanto al poliuretano, sólo el TPU o poliuretano termoplástico puede ser válido para impresión en 3D, puesto que el resto de poliuretanos son termoestables.
      Como tu pregunta es muy concreta, si lo prefieres puedes ponerte en contacto conmigo a través de mi correo electrónico profesional, y estaré encantado de discutirlo contigo. Podrás encontrar mi contacto en mi perfil de LinkedIn.

      Un saludo,
      Servet Casabona

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