Desenvolvimento de materiais poliméricos de poliuretano utilizando resíduos industriais e óleo de mamona

Abstract

Há uma preocupação crescente em tornar os processos industriais mais sustentáveis de forma a reduzir o impacto que possam causar no meio ambiente. Para isto, tem se buscado não apenas a utilização de matérias primas oriundas de fontes renováveis em detrimento de compostos oriundos de fontes petroquímicas, mas também um maior aproveitamento dos resíduos industriais, valorando os subprodutos gerados e evitando seu descarte. Tendo isto em vista, neste trabalho foi proposta a síntese de polióis utilizando dois resíduos ou subprodutos industriais: o licor negro (LN), principal resíduo das indústrias de papel e celulose; e o glicerol (GL), subproduto da produção de biodiesel. Para obtenção dos polióis, estes compostos foram reagidos com óleo de mamona (OM) mantendo a razão molar 5:1 GL/OM e variando a concentração de LN (0 e 15% em massa). A reação de glicerólise com LN foi realizada sem a necessidade de adição de catalisador devido a elevada basicidade do licor negro, que pôde ser utilizado sem purificação prévia, reduzindo o uso de insumos químicos. Após a síntese dos polióis, esses produtos foram submetidos à caracterização para avaliação da sua composição e características físico-químicas de forma a auxiliar na determinação da quantidade de diisocianato a ser utilizado para a síntese de espumas de poliuretano, PU, e de látex de poli(uréia-uretano), PUU, junto com estes polióis. O poliol obtido com GL comercial apresentou um maior índice de hidroxila (P-01, 593 mg KOH/g) quando comparado ao poliol obtido com GL recebido e mesma concentração de LN (15%). Este poliol (P-01) foi utilizado para a síntese de nanopartículas de PUU em miniemulsão contendo 15%, 30% e 45% de sólidos totais. As nanopartículas de PUU foram caracterizadas quanto à morfologia, fração de polímero insolúvel, propriedades térmicas e estabilidade coloidal através de análises de distribuição do tamanho de partículas, tempo de prateleira e potencial zeta. Os resultados mostraram a obtenção de nanopartículas de PUU estáveis com tamanho médio de partícula na faixa de 134 a 311 nm e excelente estabilidade quando submetidas à ensaios de sedimentação por centrifugação. Todos os polióis produzidos foram utilizados para a obtenção de espumas de PU utilizando água como agente de expansão químico. As espumas de PU foram caracterizadas pela sua densidade aparente, fração de polímero insolúvel, composição, morfologia, e propriedades térmicas e mecânicas. Nestes materiais foi possível observar que a quantidade de agente de expansão influenciou fortemente a morfologia dos polímeros produzidos, onde as espumas produzidas com apenas 1% em massa de água apresentaram células mais definidas e tamanho mais homogêneo, além de apresentarem maior resistência quando submetidas a forças externas. Além disso, a composição e características físico-químicas das espumas produzidas com todos os polióis e com 1% e 2% de água revelaram a obtenção de materiais de poliuretano que podem ser classificados como espumas flexíveis ou semiflexíveis. A partir destes resultados, pode-se dizer que o trabalho conseguiu definir uma rota verde para um melhor aproveitamento do licor negro e do glicerol, incorporando-os na produção de diferentes materiais poliméricos juntamente com outros recursos renováveis como o óleo de mamona.<br>

Abstract: There is a growing concern to make industrial processes more sustainable to reduce the impact they may have on the environment. To this end, it has been sought not only the use of raw materials from renewable sources to the detriment of compounds from petrochemical sources, but also a greater use of industrial waste, valuing the generated byproducts and avoiding their disposal. With this in mind, this work proposed the synthesis of polyols using two industrial waste or by-products: black liquor (BL), the main waste of the pulp and paper industries; and glycerol (GL), a byproduct of biodiesel production. To obtain the polyols, these compounds were reacted with castor oil (CO) maintaining the molar ratio 5:1 GL/CO and varying the BL concentration (0 and 15% by mass). The glycerolysis reaction with BL was performed without the need for catalyst addition due to the high basicity of the black liquor, which could be used without prior purification, reducing the use of chemical inputs. After the synthesis of the polyols, these products were subjected to characterization for evaluation of their composition and physicochemical characteristics to help determine the amount of diisocyanate to be used for the synthesis of polyurethane foams, PU, and poly(urea-urethane) latex, PUU, together with these polyols. The polyol obtained with commercial GL presented a higher hydroxyl index (P-01, 593 mgKOH / g) when compared to the polyol obtained with received GL and the same BL concentration (15%). This polyol (P-01) was used for the synthesis of miniemulsion PUU nanoparticles containing 15%, 30% and 45% total solids. PUU nanoparticles were characterized for morphology, insoluble polymer fraction, thermal properties and colloidal stability through particle size distribution, shelf time and zeta potential analyze. The results showed stable PUU nanoparticles with average particle size in the range 134 to 311 nm and excellent stability when subjected to centrifugation sedimentation tests. All polyols produced were used to obtain PU foams using water as a chemical blowing agent. PU foams were characterized by their apparent density, insoluble polymer fraction, composition, morphology, and thermal and mechanical properties. In these materials it was possible to observe that the amount of blowing agent strongly influenced the morphology of the polymers produced, where the foams produced with only 1% by mass of water presented more defined cells and more homogeneous size, besides presenting greater resistance when subjected to external forces. In addition, the composition and physicochemical characteristics of the foams produced with all polyols and with 1% and 2% water revealed that polyurethane materials can be classified as flexible or semi-flexible foams. From these results, it can be said that the work was able to define a green route for better use of black liquor and glycerol, incorporating them in the production of different polymeric materials along with other renewable resources such as castor oil.