Relação estrutura propriedade de espumas rígidas de poliuretano à base de óleos vegetais

Abstract

O objetivo deste trabalho foi a substituição de polióis sintéticos provenientes do petróleo por óleos vegetais naturais ou seus derivados na produção de poliuretanos, obtendo-se uma gama de produtos de menor custo. Foram preparadas espumas rígidas de poliuretano a partir de óleo de soja e de mamona modificados que podem ser utilizadas como isolantes térmicos em câmaras frigoríficas, refrigeradores e interior de paredes duplas, na construção civil. A produção de PU à base de óleo vegetal apresenta-se também como uma alternativa para a aplicação do glicerol residual, proveniente da produção do biodiesel. Os óleos vegetais foram hidroxilados através do método perácido in situ e/ou por reação de transesterificação com álcool polifuncional (glicerol, trietanolamina). Os polióis obtidos foram caracterizados através de cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE), viscosidade Brookfield, espectroscopia no infravermelho, ressonância magnética nuclear, cromatografia de permeação em gel, índice de hidroxilas, índice de acidez, análise termogravimétrica e análise calorimétrica exploratória diferencial. O índice de hidroxilas alcançado variou de 166 a 490 mgKOH/g, a viscosidade de 38 a 2390 cP e a massa molar de 756 a 2833 g/mol, valores que possibilitam a aplicação destes em processos industriais de espumas rígidas. As espumas foram preparadas pelo método Hand Mix na razão molar NCO/OH 1,2:1 utilizando pentano como agente expansor não prejudicial à camada de ozônio e isocianato não tóxico, difenilmetano diisocianato (MDI). Estas foram caracterizadas através de densidade geométrica, análise dinâmico-mecânica, termocondutividade, ensaios de compressão e microscopia eletrônica de varredura. As espumas à base de óleos vegetais modificados (50 Kg/m3) apresentaram condutividade térmica (0,03 W/mK) e resistência mecânica (200 kPa) muito próximas às obtidas com amostra comercial. Ensaios de biodegradação dos polióis e poliuretanos foram realizados através do teste de Sturm modificado, indicando haver biodegradação apenas para os polióis. Devido à baixa biodegradabilidade das espumas à base de óleo vegetal e com o intuito de destiná-las corretamente as espumas foram recicladas por glicerólise e os polióis obtidos foram utilizados no preparo de espumas recicladas sem perda de resistência mecânica em relação às espumas à base de óleo vegetal e comercial.

Soybean oil and castor oil were modified and used to prepare rigid polyurethane foam with similar properties to a commercial foam used to thermal insulation applications. Soybean oil was firstly modified using a peracid method, applying formic acid and hydrogen peroxide to yield a formiated soy polyol. Further transesterification was performed with a polyfunctional alcohol to increase OH-functionality. Castor oil, which has hydroxyl groups in its molecular structure, sometimes was only transesterified. The vegetable polyols were characterized by OH-number, Brookfield viscosity, DSC (Differential Scanning Calorimetry) and SEC (Size Exclusion Chromatography). The foams were prepared at constant NCO/OH ratio (1,2:1) by the Hand Mix method and poured into a steel box. They were characterized using SEM (Scanning Electron Microscopy), TGA (Thermogravimetry), DMA (Dynamic Mechanical Analysis) and Closed-cell Content Test. The geometric density and the compression strength of foams were determined respectively by the mass/volume relation and through the Table Tensile Tester. After modification, the polyols reached an OH-number between 166-490 mgKOH/g oil, showing a low viscosity and molecular weight, allowing the preparation of a rigid vegetable foam with a geometric density of 50 kg/m3, compression strength around 200 kPa and thermal properties similar to commercial products. Experiments for the biodegradation evaluation of the polyols and the polyurethanes were performed by the modified Sturm test, indicating biodegradation only for the polyols. To properly allocate the foam, these were recycled by glycolyses and polyols were used in the preparation of recycled foam without loss of strength.