Desenvolvimento de poliuretanos com desempenho térmico inovador

Abstract

Nesta dissertação pretende-se, desenvolver um estudo com vista à preparação de nanocompósitos de espumas de poliuretanos (PU) rígidas que apresentem um desempenho térmico superior através da incorporação de materiais de mudança de fase (PCMs) na sua formulação. Devido à baixa condutividade térmica das espumas de PU, explorou-se o uso de nanotubos de carbono (CNTs) com vista a potenciar a ação dos PCMs. Numa fase inicial, fez-se um estudo no sentido de desenvolver uma formulação base de espuma de PU rígida à base de glicerol, tendo-se tomado como critério de seleção a densidade, a consistência e a estabilidade dimensional dos materiais. Seguidamente, prepararam-se formulações contendo diferentes percentagens de PCMs. Para além da determinação da densidade, da resistência mecânica e da condutividade térmica, avaliou-se a extensão da reação de polimerização por espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). O efeito do teor em PCMs e da dispersão no seio das espumas foi avaliado por calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e por microscopia electrónica de varrimento (SEM) tendo-se selecionado a espuma EPU6-4,82PCM preparada utilizando 4,82%wt de PCM. A análise termogravimétrica (TGA) deste produto revelou que a adição de PCMs promove a estabilidade térmica do material possivelmente devido à presença do material usado no encapsulamento dos PCMs. Seguidamente, fez-se um estudo idêntico utilizando diferentes percentagens de CNTs com razão de aspecto igual a 300 tendo-se selecionado a espuma contendo 0,32%wt CNTs, EPU6-0,32MWCNT. Uma vez identificadas as percentagens de PCMs e de CNTs a utilizar relativamente à formulação base de espuma de poliuretano (branco), preparou-se uma espuma contendo PCMs e CNTs. A caracterização do nanocompósito resultante revelou que apesar da estabilidade térmica deste material ser superior à do branco, a sua condutividade térmica não sofreu melhorias. Por esse motivo, foi preparada uma nova espuma utilizando a mesma formulação e CNTs com uma razão igual a 750. Os resultados obtidos indicam uma melhor dispersão dos PCMs e até mesmo dos CNTs no seio da espuma. Porém, a condutividade térmica não aumentou. Uma reavaliação dos dados obtidos permitiu concluir que a percentagem de CNTs utlizada tinha sido inicialmente calculada relativamente à massa de glicerol e não à massa do produto pelo que o teor em CNTs realmente utilizado se encontrara abaixo do limite de percolação, razão pela qual a condutividade térmica destes nanocompósitos não apresentou as melhorias esperadas. De salientar no entanto que a utilização de 0,64%wt de CNTs resultou numa melhoria da condutividade em cerca de 20 % indicando que a preparação de espumas com um teor em CNTs um pouco superior permitirá obter materiais com melhor desempenho térmico quer ao nível da estabilidade térmica, quer da condutividade térmica.

The aim of this thesis is to prepare nanocomposites based on rigid polyurethane (PU) foams and phase change materials (PCMs) with enhanced thermal behaviour. Due to the low thermal conductivity of PU foams the use of carbon nanotubes (CNTs) was investigated in order to enhance the activity of PCMs. Initially a study was carried out to develop a base formulation of rigid PU using glycerol. The density of the ensuing material and the mechanical resistance were used as selection criteria. Next, different formulations have been prepared using various percentages of PCM. Besides assessing the resulting products based on density, consistency and dimensional stability of the materials, the extension of the polymerization reaction was evaluated by infrared spectroscopy (FT-IR). The effect of the PCM content and their dispersion on the foams was studied by differential scanning calorimetry (DSC) and scanning electronic microscopy (SEM) and sample EPU 6-4,82PCM prepared using 4,82 % wt of PCM was selected. The thermal analyses (TGA) result of this material showed that addition of PCMs promotes the thermal stability of the product possibility due to the presence of the encapsulation material. A similar study was then carried out using different percentages of CNTs (with aspect ratio = 300) and the nanocomposite prepared using 0,321%wt de CNTS was selected, EPU6-0,32MWCNT. Having identified the percentages of PCMs and CNTs to use relative to the base PU formulation (blank) a nanocomposite foam containing PCMs and CNTs was prepared. The characterization of the ensuing material showed that although the thermal stability of this material has been improved, the thermal conductivity did not. Therefore, another foam was prepared using the same formulation but using CNTs with an higher aspect ratio and is equal to 750. The results obtained indicate a better dispersion of the PCMs and even of the CNTs in the foam. However, the thermal conductivity was not enhanced. A re-evaluation of the data obtained showed that the percentage of CNTs used was originally calculated relative to the mass of glycerol used and not the total mass. Therefore, the CNTs content of the nanocomposites prepared may be below the percolation limit and for that reason the thermal conductivity of these materials has not been enhanced. Yet, it is worth noting that the use of 0,64%wt of CNTs yielded a 20% increase in the thermal conductivity suggesting that the preparation of nanocomposites using a slightly higher percentage of these fillers will afford materials with enhanced thermal behavior both in terms of stability as well as conductivity.