Preparação de espumas uretânicas a partir de materiais alternativos à base de óleo de rícino

Abstract

Resumo: O poliuretano (PU) é um polímero sintético que apresenta uma ampla aplicação de forma global, a alta demanda desse material se justifica por sua vasta funcionalidade, sendo as espumas a maior fonte de aplicação desse polímero. Para a síntese das espumas é necessário a incorporação de um poliol, um diisocianato, agente de expansão, catalisador, tensoativo, agente de reticulação e extensor de cadeia. Os polióis são compostos que apresentam, no mínimo, duas hidroxilas, sendo classificados como dióis quando possuem esta condição estrutural. Os mais aplicados nas formulações das espumas são os polióis poliéteres ou poliésteres provenientes do petróleo. Quanto aos extensores de cadeia, estes são substâncias que devem apresentar pelo menos dois grupos funcionais, sendo que os mais utilizados são os dióis ou as diaminas. Os polióis e extensores podem ser produzidos por meio de fontes renováveis, diminuindo a aplicação de reagentes que sejam oriundos do petróleo. Nesse sentido, o presente estudo buscou desenvolver dois dióis de fonte alternativa ao petróleo a partir do ácido ricinoleico (AR), derivado do óleo de rícino (OR). A esterificação de Steglich foi a rota utilizada para sintetizar os dióis derivados do AR, o ARDEG, produzido por meio da esterificação do AR com dietilenoglicol (DEG), e o oligoéster do AR, em que o AR reagiu com ele mesmo. Além disso, também foi sintetizado um diol, por meio da esterificação térmica, derivado do ácido adípico (AA) e do DEG, para ser usado como referência, para efeito comparativo. Os produtos derivados do AR foram sintetizados com o intuito de serem aplicados como polióis e extensores de cadeia na formulação de espumas de PU, buscando tornar o processo e o material final sustentáveis. Desta forma, as espumas foram preparadas a partir de diferentes composições, variando a porcentagem de isocianato, agente de expansão e aplicando os dióis derivados do AR como extensores de cadeia em seis formulações e como poliol em uma espuma. Os produtos esterificados foram caracterizados por meio de técnicas como espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (IVTF), ressonância magnética nuclear (RMN), cromatografia de permeação em gel (GPC), calorimetria exploratória diferencial (DSC), índice de acidez e índice de hidroxila (I.OH). Para caracterização das espumas, FTIR, DSC e microscopia óptica foram aplicados. Por meio das análises realizadas, os dióis formados exibiram I.OH dentro do valor indicado para a formulação de espumas flexíveis e/ou rígidas de PU, com resultados na faixa de 200 a 700 mg KOH g-1. Além disso, os dados de IVTF e RMN informaram que a formação dos produtos ocorreu de forma bem-sucedida, indicando os grupos funcionais esperados e as ligações presentes. Em relação às espumas produzidas, seis amostras apresentaram-se na forma flexível e sete espumas exibiram característica rígida, essas propriedades estão diretamente relacionadas com os reagentes utilizados em cada formulação. De modo geral, as espumas exibiram poros distribuídos de forma aleatória e com distintos tamanhos. Por fim, levando em consideração o objetivo do trabalho e os resultados obtidos, sugere-se que os materiais sintetizados podem ser utilizados, alternativamente, para a obtenção tanto de espumas flexíveis quanto rígidas.

Abstract: Polyurethane (PU) is a synthetic polymer that has a wide range of applications, the high demand for this material is justified by its vast functionality, with foams being the largest source of application. For the foam synthesis, it’s necessary mixture the following materials: polyol, diisocyanate, blowing agent, catalyst, surfactant, crosslinking agent and/or chain extender. Polyols are compounds that have at least two hydroxyl groups, being classified as diols when they have this structural condition. The most used in foam formulations are polyether or polyester polyols which are petroleum derivatives. Chain extenders are substances that have at list two functional groups, and the most used are diols and diamines. Polyols and chain extenders can be produced through renewable sources, decreasing the use of reagents from petrochemical source. Therefore, the present study aimed to develop two diols from an alternative source to petroleum based on ricinoleic acid (RA), which were derived from castor oil (CO). The Steglich esterification was the route used for synthesizing two diols from RA, RADEG was prepared through the esterification of RA with diethyleneglycol (DEG), and the RA oligoester were prepared reacting RA itself. Furthermore, another diol was also synthesized through thermal esterification from adipic acid (AA) and DEG, to be used as reference for comparative purposes. RA derivative products were synthesized with the aim of being applied as polyols and/or chain extenders in the formulation of PU foams, making the process and material sustainable. In this way, the foams were prepared from different compositions, varying the content of diisocyanate, blowing agent and applying the developed diols as chain extender in six formulations and as polyol in one of them. The esterified products were characterized using techniques such as Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Gel Permeation Chromatography (GPC), Differential Scanning Calorimetry (DSC), acidity index and hydroxyl value. To evaluate the foams, the FTIR, DSC and optical microscopy techniques were applied. The findings indicated that the diols showed hydroxyl values within the recommended for obtaining flexible and/or rigid PU foams, with results in the range of 200 to 700 mg KOH g-1. In addition, FTIR and NMR data suggested that the products were obtained successfully, indicating the expected functional groups and bonds. In relation to the foams produced, six samples showed flexible characteristics and seven foam exhibited rigid behavior, these proprieties are directly related to the foam formulation. In general, the foams exhibited randomly pores distributed with different sizes. Finally, considering the aim of this work and the results obtained, it is suggested that the materials can alternatively be used to obtain both flexible and rigid foams.