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Tipo: Tese
Título: Desenvolvimento de novos poliuretanos a partir da valorização direta do líquido da casca da castanha-de-caju
Título em inglês: Development of novel polyurethanes from the direct valorization of cashew nutshell liquid
Autor(es): Pereira, Rita de Cassia Sousa
Orientador: Mazzetto, Selma Elaine
Coorientador: Oliveira, Diego Lomonaco Vasconcelos de
Palavras-chave em português: Biomassa;LCC;Poliuretanos biobaseados;Adesivos de madeira
Palavras-chave em inglês: Biomass;CNSL;Bio-based PUs;Wood adhesives
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Data do documento: 2023
Citação: PEREIRA, Rita de Cassia Sousa. Desenvolvimento de novos poliuretanos a partir da valorização direta do líquido da casca da castanha-de-caju. 2023. 90 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
Resumo: Poliuretanos (PUs) são classificados como o sexto tipo de polímero mais produzido no mundo em virtude de sua ampla variedade de aplicações. Esses polímeros são tradicionalmente obtidos a partir da reação de poliadição entre polióis e diisocianatos. Atualmente, os principais PUs disponíveis comercialmente ainda são preparados a partir de fontes petroquímicas. Diante desse contexto, a primeira parte deste trabalho propõe a preparação de PUs a partir da valorização direta do Líquido da Casca da Castanha-de-Caju (LCC), através de uma rota sintética desenvolvida em três etapas: (1) epoxidação do LCC com ácido peracético formado in situ; (2) síntese de novos polióis a partir da abertura do anel oxirânico utilizando etanol e etilenoglicol; (3) preparação de PUs a partir da combinação dos polióis com diisocianato de tolueno (TDI) em diferentes proporções NCO:OH (1,0; 1,5 e 2,0). Todos os PUs foram analisados através de espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FT-IR), teor de gel e Análise Termogravimétrica (TGA). Os PUs foram aplicados em superfícies de madeira e suas propriedades adesivas foram investigadas através de testes de resistência ao cisalhamento em uma Máquina Universal de Ensaios. Os resultados de teor de gel (90%-100%) indicaram que os PUs apresentaram alta densidade de reticulação. As curvas de TGA mostraram que os PUs sofreram degradação térmica por volta de 270 ºC. Os ensaios mecânicos revelaram que os PUs obtidos com menor razão NCO:OH e a partir de polióis contendo hidroxilas primárias resultaram em adesivos com eficiência adesiva 2,5 vezes superior aos PUs obtidos com polióis contendo apenas hidroxilas secundárias. Na segunda parte deste trabalho, o poliol obtido a partir de LCC e etilenoglicol foi combinado com TDI em três diferentes proporções NCO:OH (0,75; 1,0 e 1,5). Os PUs resultantes foram reforçados com fibras da casca do coco seco na proporção 30:70 matriz/reforço. Os compósitos fabricados apresentaram valores elevados de teor de gel (94% a 100%), indicando forte interação matriz/reforço. A microscopia eletrônica de varredura (MEV) não revelou nenhuma separação de interface. Os resultados de TGA demonstraram que os biocompósitos apresentaram propriedades retardantes de chamas, com valores de LOI > 28. As análises mecânico-dinâmica (DMA) mostraram valores de transições vítreas de 85 ºC, 95 ºC e 121 ºC para os compósitos com NCO:OH de 0,75, 1,00 e 1,50, respectivamente. Além disso, os resultados de resistência à flexão equibiaxial apresentaram valores variando de 71,2 MPa a 88,0 MPa. Portanto, os resultados obtidos no presente trabalho sugerem que a valorização direta do LCC pode ser explorada como uma alternativa ambientalmente correta para o desenvolvimento de PUs com propriedades térmicas e mecânicas apropriadas para aplicações de alto desempenho.
Abstract: Polyurethanes (PUs) are ranked 6th in polymer global production due to their wide range of applications. These polymers are traditionally obtained from the polyaddition reaction between polyols and di-isocyanates. Currently, most commercially available PUs is still manufactured from petrochemical resources. In this sense, the first part of this work proposes the preparation of PUs from the direct valorization of Cashew Nut Shell Liquid (CNSL) through a synthetic route developed in three stages: (1) epoxidation of CNSL with peracetic acid formed in situ; (2) synthesis of novel polyols by oxirane ring-opening reaction, using ethanol and ethylene glycol; (3) preparation of PUs by combining polyols with toluene diisocyanate (TDI) at different NCO:OH ratios (1.0, 1.5 and 2.0). All formulations were analyzed by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), gel content, and Thermogravimetric Analysis (TGA). Also, PUs were applied onto wood surfaces and their adhesive properties were investigated through lap shear strength tests, using a Universal Testing Machine. Gel content results (90%-100%) indicated that PUs showed a high density of crosslinking. According to the TGA curves, PUs undergo thermal degradation around 270 ºC. Mechanical tests showed that PUs obtained with a lower NCO:OH ratio and from polyols containing primary hydroxyls resulted in adhesives with adhesive efficiency 2.5 times higher than PUs obtained with polyols containing only secondary hydroxyls. In the second part of this work, CNSL and ethylene glycol-based polyol was combined with TDI in three different NCO:OH ratios (0.75; 1.0 and 1.5). The resulting PUs were reinforced with coconut husk fibers in a proportion of 30:70 matrix/reinforcement. The manufactured composites showed high values of gel content (94% to 100%), indicating a strong matrix/reinforcement interaction. Scanning electron microscopy (SEM) did not reveal any interphase separation. TGA results revealed that the bio-composites presented flame retardant properties, with LOI values > 28. Dynamic mechanical analyzes (DMA) showed values of glass transitions of 85 ºC, 95 ºC and 121 ºC for the composites with NCO:OH molar ratios at 0.75, 1.00 and 1.50, respectively. In addition, equibiaxial flexural strength results showed values ranging from 71.2 MPa to 88 MPa. Therefore, the results obtained in the present work suggest that the direct valorization of cashew biomass could be explored as a eco-friendly alternative towards the development of bio-based polyurethanes with suitable thermal and mechanical properties for high performance applications.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/74997
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0000-0003-3741-7224
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/1803868925028419
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0002-6879-3209
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/5542552498627352
ORCID do Coorientador: https://orcid.org/0000-0001-5763-4336
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/7933690327810611
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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