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Publication
Development of biobased water-dispersible polyurethanes for industrial applications
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Authors
Abstract(s)
Polyurethanes have gained prominence across various industrial sectors due to their versatility, flexibility, and durability. They are widely used in applications such as construction, packaging, textiles, and footwear. Traditionally, their production relies on fossil-derived raw materials, but increasing efforts are being made to enhance their sustainability. Among the most promising approaches are waterborne polyurethane dispersions (PUDs), where the polymer is modified to disperse in water, a more environmentally friendly medium. Another strategy involves the use of renewable, biobased polyols. The aim of this study was to develop more sustainable PUDs for use as adhesives in the footwear industry by increasing the biobased content of the formulations. Five biobased polyols were tested, alongside a dispersion made with a biodegradable synthetic polyol (used as a laboratory-scale reference) and a commercial dispersion (used as an industrial benchmark). The synthesis was carried out in a batch reactor, involving steps for pre-polymer preparation, neutralisation, phase inversion, and chain extension under controlled heating, mechanical stirring, and an inert atmosphere. The resulting dispersions had a biobased content exceeding 50%, with the PRI3238-based sample reaching 69.45%. The formulations demonstrated pH values ranging from 6.71 to 7.72, viscosity between 4.8 and 15 mPa·s, and solid content above 30%, meeting literature requirements. Zeta potentials above -30 mV indicated adequate stability. The derived films displayed variations in opacity, while FTIR analysis confirmed the presence of urea and urethane groups, indicating successful chemical reactions. Thermal testing showed that materials incorporating biobased polyols exhibited greater thermal resistance (mass losses between 255 °C and 450 °C) compared to synthetic ones. In adhesion tests, only the PRI3294 and PCL2000 samples exceeded the 5 N/mm threshold required by the technical specification across all three proposed scenarios.
Os poliuretanos têm se destacado em diversos setores industriais devido à sua versatilidade, flexibilidade e durabilidade. Atualmente, eles são amplamente aplicados em áreas como construção, embalagens, têxteis e calçados. Tradicionalmente, sua produção depende de matérias-primas fósseis, mas esforços crescentes têm sido feitos para torná-los mais sustentáveis. Entre as abordagens mais promissoras estão as dispersões aquosas de poliuretano (PUDs), nas quais o polímero é modificado para se dispersar em água, um meio mais sustentável. Outra estratégia inclui o uso de polióis renováveis e de base biológica. Este trabalho teve como objetivo desenvolver PUDs mais sustentáveis para uso como adesivos no setor calçadista, aumentando o conteúdo de base biológica nas formulações. Foram testados cinco polióis de base biológica, além de uma dispersão contendo poliol sintético biodegradável (utilizada como referência laboratorial) e uma dispersão comercial (usada como referência industrial). A síntese foi realizada em um reator batelada, com etapas de preparação do pré-polímero, neutralização, inversão de fase e extensão de cadeia, sob condições controladas de aquecimento, agitação mecânica e atmosfera inerte. As dispersões obtidas apresentaram um teor biológico superior a 50%, com destaque para a amostra PRI3238, que alcançou 69,45%. As formulações exibiram pH entre 6,71 e 7,72, viscosidade variando de 4,8 a 15 mPa·s e teor de sólidos acima de 30%, atendendo aos padrões conhecidos na literatura. Os potenciais zeta acima de -30 mV indicaram estabilidade adequada. Os filmes derivados dessas dispersões apresentaram variações na opacidade, enquanto análises por FTIR confirmaram a presença de grupos ureia e uretano, indicando o sucesso da reação química esperada. Em testes térmicos, os materiais contendo polióis biológicos mostraram maior resistência térmica (perdas de massa entre 255 °C e 450 °C) em comparação aos polióis sintéticos. Nos testes de adesão, apenas as amostras PRI3294 e PCL2000 superaram os 5 N/mm exigidos pela especificação técnica nos três cenários avaliados.
Os poliuretanos têm se destacado em diversos setores industriais devido à sua versatilidade, flexibilidade e durabilidade. Atualmente, eles são amplamente aplicados em áreas como construção, embalagens, têxteis e calçados. Tradicionalmente, sua produção depende de matérias-primas fósseis, mas esforços crescentes têm sido feitos para torná-los mais sustentáveis. Entre as abordagens mais promissoras estão as dispersões aquosas de poliuretano (PUDs), nas quais o polímero é modificado para se dispersar em água, um meio mais sustentável. Outra estratégia inclui o uso de polióis renováveis e de base biológica. Este trabalho teve como objetivo desenvolver PUDs mais sustentáveis para uso como adesivos no setor calçadista, aumentando o conteúdo de base biológica nas formulações. Foram testados cinco polióis de base biológica, além de uma dispersão contendo poliol sintético biodegradável (utilizada como referência laboratorial) e uma dispersão comercial (usada como referência industrial). A síntese foi realizada em um reator batelada, com etapas de preparação do pré-polímero, neutralização, inversão de fase e extensão de cadeia, sob condições controladas de aquecimento, agitação mecânica e atmosfera inerte. As dispersões obtidas apresentaram um teor biológico superior a 50%, com destaque para a amostra PRI3238, que alcançou 69,45%. As formulações exibiram pH entre 6,71 e 7,72, viscosidade variando de 4,8 a 15 mPa·s e teor de sólidos acima de 30%, atendendo aos padrões conhecidos na literatura. Os potenciais zeta acima de -30 mV indicaram estabilidade adequada. Os filmes derivados dessas dispersões apresentaram variações na opacidade, enquanto análises por FTIR confirmaram a presença de grupos ureia e uretano, indicando o sucesso da reação química esperada. Em testes térmicos, os materiais contendo polióis biológicos mostraram maior resistência térmica (perdas de massa entre 255 °C e 450 °C) em comparação aos polióis sintéticos. Nos testes de adesão, apenas as amostras PRI3294 e PCL2000 superaram os 5 N/mm exigidos pela especificação técnica nos três cenários avaliados.
Description
Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Keywords
Dispersões aquosas de poliuretano Polióis de origem biológica Adesivos de poliuretano.