A carregar...
Publicação
Development of bio-based polyurethane aqueous dispersions for industrial applications
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 1.96 MB | Adobe PDF |
Autores
Resumo(s)
Polyurethanes (PU) are versatile polymers widely used in industrial sectors such as footwear, coatings, and adhesives. However, conventional PU production relies on fossil-based raw materials and organic solvents, raising environmental and health concerns due to the emission of volatile organic compounds (VOCs). In this context, aqueous polyurethane dispersions (PUDs) have emerged as a more sustainable alternative, using water as the primary dispersion medium while retaining the desirable mechanical and chemical properties of polyurethane systems. This dissertation aimed to develop and characterize bio-based aqueous polyurethane dispersions with more than 50% renewable content, targeting applications in the footwear industry. The formulations were prepared using bio-based DIEXTER polyols and synthetic biodegradable polyols (PCL 2000 and PCL 1000) for comparison, through a synthesis process designed to minimize solvent consumption. A total of nine dispersions were produced and characterized in terms of physicochemical, structural, and thermal properties, including pH, solids content, viscosity, particle size, zeta potential, water adsorption–desorption behaviour, film properties such as Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetric Analysis (TGA), water vapour permeability, Dynamic Mechanical Analysis (DMA) and adhesive performance through T-peel tests. The synthesized dispersions exhibited pH values near neutrality and solids content within the typical range for stable PUD systems. Biobased formulations exhibited colloidal stability comparable to the synthetic references, with zeta potential values of approximately −48 mV, indicating stable dispersions. The results also revealed differences in particle size and film properties depending on the polyol used. In permeability and adsorption/desorption tests, DTX155_2 exhibited a balanced behaviour comparable to the commercial reference, highlighting its potential for cork agglomerate applications, while DTX274_4 and DTX274_5 showed higher water vapour permeability, making them promising candidates for breathable coating applications. In terms of adhesive performance, the PCL-based systems exhibited higher peel strength, whereas the DTX-based dispersions showed lower adhesion due to the greater rigidity of the resulting films. Overall, the results demonstrate that bio-based polyols are a viable alternative for producing stable aqueous polyurethane dispersions with properties suitable for various applications in the footwear industry. This work contributes to the development of more environmentally friendly materials and highlights the potential of bio-based polyurethane systems within the framework of sustainable materials development.
Os poliuretanos (PU) são polímeros versáteis amplamente utilizados em diversos setores industriais, como calçado, revestimentos e adesivos. No entanto, a produção convencional de PU depende de matérias-primas de origem fóssil e de solventes orgânicos, o que suscita preocupações ambientais e de saúde, dado a emissão de compostos orgânicos voláteis (VOCs). Nesse contexto, as dispersões aquosas de poliuretano (PUDs) surgem como uma alternativa mais sustentável, uma vez que utilizam água como principal meio de dispersão, mantendo as propriedades mecânicas e químicas desejáveis dos sistemas de poliuretano. Esta dissertação teve como objetivo desenvolver e caracterizar dispersões aquosas de poliuretano de base biológica com mais de 50% de conteúdo renovável, visando aplicações na indústria do calçado. As formulações foram preparadas utilizando polióis biobased DIEXTER e polióis sintéticos biodegradáveis (PCL 2000 e PCL 1000) para comparação, por meio de um processo de síntese projetado para minimizar o consumo de solventes. Um total de nove dispersões foi produzido e caracterizado quanto às suas propriedades físico-químicas, estruturais e térmicas, incluindo pH, teor de sólidos, viscosidade, tamanho de partícula, potencial zeta, comportamento de adsorção–dessorção de água e propriedades dos filmes, tais como Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Análise Termogravimétrica (TGA), permeabilidade ao vapor de água, Análise Dinâmico-Mecânica (DMA), além da avaliação do desempenho adesivo por meio de ensaios T-peel. As dispersões sintetizadas apresentaram valores de pH próximos da neutralidade e teor de sólidos dentro da faixa típica para sistemas PUD estáveis. As formulações biobased apresentaram estabilidade coloidal comparável à das referências sintéticas, com valores de potencial zeta em torno de −48 mV, indicando dispersões estáveis. Os resultados também revelaram diferenças no tamanho de partícula e nas propriedades dos filmes dependendo do poliol utilizado. Nos ensaios de permeabilidade e adsorção/dessorção, a amostra DTX155_2 apresentou comportamento equilibrado comparável à referência comercial, destacando seu potencial para aplicações em aglomerados de cortiça, enquanto as amostras DTX274_4 e DTX274_5 apresentaram maior permeabilidade ao vapor de água, tornando-se candidatas promissoras para aplicações em revestimentos respiráveis. Em termos de desempenho adesivo, os sistemas baseados em PCL apresentaram maior resistência ao descolamento, enquanto as dispersões baseadas em DTX apresentaram menores valores de adesão devido à maior rigidez dos filmes obtidos. De modo geral, os resultados demonstram que polióis de origem biológica representam uma alternativa viável para a produção de dispersões aquosas de poliuretano estáveis, com propriedades adequadas para diversas aplicações na indústria do calçado. Este trabalho contribui para o desenvolvimento de materiais mais ambientalmente sustentáveis e destaca o potencial dos sistemas de poliuretano biobased no contexto desse desenvolvimento.
Os poliuretanos (PU) são polímeros versáteis amplamente utilizados em diversos setores industriais, como calçado, revestimentos e adesivos. No entanto, a produção convencional de PU depende de matérias-primas de origem fóssil e de solventes orgânicos, o que suscita preocupações ambientais e de saúde, dado a emissão de compostos orgânicos voláteis (VOCs). Nesse contexto, as dispersões aquosas de poliuretano (PUDs) surgem como uma alternativa mais sustentável, uma vez que utilizam água como principal meio de dispersão, mantendo as propriedades mecânicas e químicas desejáveis dos sistemas de poliuretano. Esta dissertação teve como objetivo desenvolver e caracterizar dispersões aquosas de poliuretano de base biológica com mais de 50% de conteúdo renovável, visando aplicações na indústria do calçado. As formulações foram preparadas utilizando polióis biobased DIEXTER e polióis sintéticos biodegradáveis (PCL 2000 e PCL 1000) para comparação, por meio de um processo de síntese projetado para minimizar o consumo de solventes. Um total de nove dispersões foi produzido e caracterizado quanto às suas propriedades físico-químicas, estruturais e térmicas, incluindo pH, teor de sólidos, viscosidade, tamanho de partícula, potencial zeta, comportamento de adsorção–dessorção de água e propriedades dos filmes, tais como Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Análise Termogravimétrica (TGA), permeabilidade ao vapor de água, Análise Dinâmico-Mecânica (DMA), além da avaliação do desempenho adesivo por meio de ensaios T-peel. As dispersões sintetizadas apresentaram valores de pH próximos da neutralidade e teor de sólidos dentro da faixa típica para sistemas PUD estáveis. As formulações biobased apresentaram estabilidade coloidal comparável à das referências sintéticas, com valores de potencial zeta em torno de −48 mV, indicando dispersões estáveis. Os resultados também revelaram diferenças no tamanho de partícula e nas propriedades dos filmes dependendo do poliol utilizado. Nos ensaios de permeabilidade e adsorção/dessorção, a amostra DTX155_2 apresentou comportamento equilibrado comparável à referência comercial, destacando seu potencial para aplicações em aglomerados de cortiça, enquanto as amostras DTX274_4 e DTX274_5 apresentaram maior permeabilidade ao vapor de água, tornando-se candidatas promissoras para aplicações em revestimentos respiráveis. Em termos de desempenho adesivo, os sistemas baseados em PCL apresentaram maior resistência ao descolamento, enquanto as dispersões baseadas em DTX apresentaram menores valores de adesão devido à maior rigidez dos filmes obtidos. De modo geral, os resultados demonstram que polióis de origem biológica representam uma alternativa viável para a produção de dispersões aquosas de poliuretano estáveis, com propriedades adequadas para diversas aplicações na indústria do calçado. Este trabalho contribui para o desenvolvimento de materiais mais ambientalmente sustentáveis e destaca o potencial dos sistemas de poliuretano biobased no contexto desse desenvolvimento.
Descrição
Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Palavras-chave
Application for footwear industry Aqueous polyurethane dispersions Bio-based polyol Sustainability