Novel bio-foams obtained by Pickering emulsion polymerisation

Abstract

Cork material have a very unique set of mechanical and physical properties especially high energy absorption, high friction, low acoustic and thermal conduction, good hydrophobicity and low density. These properties are strongly related to the chemical composition of cork, as well as its honeycomblike microstructure. In this study, inspired by these unique features, we have developed novel high performance bio-foams. Additionally, due to the urgent need to develop concomitantly sustainable materials and green processes, these novel foams were prepared using environment friendly approaches. In this study novel bio-foams mimicking cork were prepared by Pickering emulsion polymerisation of acrylated epoxydised soybean oil (AESO) using acetylated bacterial cellulose (Ac-BC) as an emulsion stabiliser. Following more closely cork structure and chemical composition, additional sustainable foams composed of higher concentrations of Ac-BC, were prepared. Also, the first steps towards the incorporation of lignin-like compounds in these foams were done. Both emulsions and ensuing foams were exhaustively characterised by means of several techniques, viz., SEM, optical microscopy, TGA, DMTA, FTIR, among others. The stabilisation of a 70% high internal phase water-in-AESO emulsion (HIPE) was verified. The cellular structure of the novel foams was confirmed by SEM analysis. It was found that depending on the ratio between water/oil we could tune pore dimensions and density, and hence to approach more closely cork microstructure. Moreover, the new foams thermal properties, especially in terms of thermal stability, were found to be close to cork behaviour. Furthermore, the mechanical properties of the foams were studied by DMTA, and the glass transition value was found to be between 30-60 oC.

A cortiça tem propriedades mecânicas e físicas únicas, em particular uma elevada capacidade de absorção de energia, elevada fricção, baixa condução acústica e térmica, elevada hidrofobicidade e baixa densidade. Estas propriedades estão relacionadas tanto com a sua composição química como com a sua microestrutura. Neste estudo, inspirado por estas características e morfologia únicas da cortiça, desenvolveram-se novas espumas de origem renovável com elevado desempenho. Adicionalmente, devido à necessidade premente em desenvolver concomitantemente materiais sustentáveis e processos verdes, estas novas bio-espumas foram preparadas seguindo abordagens amigas do ambiente. Em concreto, elas foram preparadas por polimerização em emulsão de Pickering de óleo de soja epoxidado acrilatado (AESO) usando celulose bacteriana acetilada como estabilizante da emulsão. Adicionalmente, seguindo mais de perto a microstrura e composição da cortiça, prepararam-se espumas sustentáveis contendo concentrações elevadas de celulose e foram dados os primeiros passos no sentido destas espumas incorporarem compostos semelhantes à lenhina. As diversas emulsões preparadas bem como as espumas resultantes foram caracterizadas detalhadamente através de várias técnicas, tais como SEM, microscopia óptica, TGA, DMTA, FTIR, estre outras. Verificou-se que a composição ótima da emulsão água-em-AESO foi estabilizada com 70% de água o que corresponde a uma emulsão do tipo ‘High Internal Phase Emulsion’ (HIPE). A microestrutura celular das novas bio-espumas foi confirmada por SEM, verificado que dependendo da composição inicial das emulsões (rácio água/óleo) pode-se controlar as dimensões e densidades dos poros e assim ajustar a porosidade à da cortiça. Estudou-se o comportamento térmico das espumas via TGA, podendo-se concluir que elas têm um comportamento semelhante à cortiça. É ainda de realçar que em termos de análise por DMTA, verificou-se que a temperatura de transição vítrea varia entre 30-60 oC.