Functional bio-based polyurethane foams from industrial residues

Abstract

Considerando a dependência da indústria de espumas de poliuretano (PUFs) de recursos fósseis, é necessário encontrar alternativas, substituindo os recursos derivados do petróleo, por recursos renováveis. Além disso, materiais funcionais ecológicos com maior valor acrescentado são cada vez mais necessários. A presente tese aborda estas necessidades explorando a utilização de glicerol não refinado (CG), um subproduto da indústria de biodiesel, como poliol na produção de PUFs. Devido à variabilidade da composição química do CG, o efeito da sua composição nas propriedades das PUFs foi estudado, tendo-se verificado que os ácidos gordos e ésteres metílicos poderão atuar como tensoactivos, homogeneizando a estrutura celular das espumas, baixando assim a sua densidade e condutividade térmica. Seguidamente, foi estudado o efeito dos principais componentes das formulações usadas na produção de espumas sobre as respetivas propriedades utilizando o planeamento de experiências (DoE). Este estudo permitiu verificar que que a densidade e a condutividade térmica das espumas estão relacionadas com as quantidades de agente de expansão e tensoactivo, enquanto que as propriedades mecânicas dependem das quantidades de isocianato e de catalisador. No sentido de preparar novos materiais funcionais e ecológicos com maior valor acrescentado, foram desenvolvidas formulações com o objetivo de melhorar o conforto térmico e a eficiência energética, reduzir a flamabilidade e melhorar o isolamento sonoro das PUFs. Através da adição de materiais de mudança de fase (PCMs) e grafite expansível (EG) não se conseguiu obter melhorias ao nível do conforto térmico das espumas, mas a adição de 5% de EG melhorou consideravelmente as suas propriedades de reação ao fogo. Verificou-se também que as espumas derivadas de CG apresentam boas propriedades de absorção sonora, podendo estas ser melhoradas para baixas frequências pela adição de outro poliol renovável derivado de borras de café. Por fim, foi ainda desenvolvido um método de reciclagem de PUFs, em que o produto obtido foi utilizado com sucesso como substituinte parcial do CG na produção de espumas.

In view of the dependence of the polyurethane foams (PUFs) industry on fossil resources, there is a need to find alternatives such as the replacement of petrol derived resources by those from renewable resources. Additionally eco-friendly functional materials with higher added value are ever more in demand. The present project, addresses these needs by exploring the use of crude glycerol (CG), a byproduct of biodiesel industry as the polyol component in the production of PUFs. As the chemical composition of CG is variable, the effect of CG composition on PUFs properties was studied and it was observed that fatty acids and methyl esters can act as surfactants, improving the homogeneity of the cellular structure of the foams and subsequently decreasing their density and their thermal conductivity. Next, the effect of the main components used in PUFs formulations on their properties was studied using the design of experiments (DOE) tool. The results obtained confirmed that the density and thermal conductivity of the foams are related with the blowing agent and surfactant content, while the mechanical properties are associated with the isocyanate and catalyst content. As regards the preparation of new functional and ecological materials with higher added value, formulations have been developed aiming at materials for enhanced thermal comfort and energy efficiency, improved reaction to fire and better sound insulation. The addition of phase change materials (PCMs) and expanded graphite (EG) did not bring improvements regarding the thermal comfort, but the addition of 5% of EG improved the reaction of the foams to fire significantly. Furthermore the CG derived foams presented good sound absorption properties, which can be improved for lower frequencies by the addition of another renewable polyol derived from the liquefaction of coffee grounds. Finally, method for recycling of PUFs was developed and the product obtained was used as a partial substituent of GC in the production of foams