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Master's Dissertation
DOI
Document
Author
Full name
Carlos Eduardo Pontel
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2017
Supervisor
Committee
Carvalho, Antonio José Felix de (President)
Otero, Rosa Lucia Simencio
Ribeiro, Clovis Augusto
Title in Portuguese
Síntese e propriedades do óleo de soja funcionalizado com grupos hidroxílicos para aplicação em poliuretanos
Keywords in Portuguese
epoxidação
funcionalização
hidroxilação
óleo de soja
óleos insaturados
poliuretanos
Abstract in Portuguese
Este trabalho teve como objetivo a modificação de óleo de soja por meio da sua funcionalização com grupos hidroxílicos visando seu uso na síntese de poliuretanos. As reações de funcionalização foram conduzidas em duas etapas, uma de epoxidação seguida de hidroxilação utilizando álcoois de baixo peso molecular como agente hidroxilante. Na primeira etapa do processo, a epoxidação, duas amostras foram obtidas variando o grau de funcionalidade de aproximadamente 2 mol de epóxido por mol de óleo epoxidado (F2) e, aproximadamente, 2,5 mol de epóxido por mol de óleo epoxidado (F2,5). Na segunda etapa, variou-se os álcoois utilizados como agentes hidroxilantes da amostra F2 entre metanol, etanol, isopropanol e 1-butanol; enquanto que a amostra F2,5 foi hidroxilada apenas com etanol. Os óleos modificados foram caracterizados por meio de espectroscopia na região do infravermelho (FTIR), espectroscopia de ressonância magnética nuclear de prótons (RMN 1H); determinação do percentual de epóxido, índice de hidroxila e de acidez, distribuição de massa molar e viscosidade dinâmica. Os resultados obtidos foram comparados com os valores típicos do óleo de mamona que por ser naturalmente hidroxilado é muito usado na síntese de poliuretanos. A caracterização estrutural permitiu comprovar a eficácia da síntese, apresentando evidências claras quanto às diferenças estruturais existentes entre as amostras funcionalizadas e o óleo de mamona. As técnicas de FTIR e RMN 1H mostraram a formação do grupo beta-hidroxi-éter, vicinal à hidroxila, de acordo com o tipo de álcool usado na hidroxilação de cada uma das amostras. Variações entre a estimativa do índice de hidroxila, através do percentual de epóxido e o índice de hidroxila experimental sugeriram reações paralelas durante a síntese. A influência da acidez durante o processo e a acidez final de cada uma das amostras também foi determinada. As curvas de GPC comprovaram umas das vias paralelas sugeridas com a formação de fases oligoméricas entre os triglicerídeos. A viscosidade final apresentou grande variação, principalmente em função do grupo beta-hidroxi-éter formado em cada caso, do grau de funcionalidade, além da redução do teor de insaturações do óleo modificado. Dados sobre a energia de ativação de escoamento do fluido em função da temperatura mostraram que o fator mais significativo na variação da viscosidade é o índice de hidroxila final das amostras. As amostras sintetizadas foram usadas na polimerização de poliuretanos. A reatividade das amostras foi determinada através de ensaios de cura acompanhados por FTIR, além de uma caracterização mecânica dos poliuretanos finais feita por Análise Dinâmico Mecânica (DMA). As amostras apresentaram uma alta variação quanto à reatividade no processo de polimerização. Os ensaios de DMA mostraram a relação direta entre a temperatura de transição vítrea e o grau de funcionalidade, além do efeito plastificante gerado pelas cadeias livres contidas na fase flexível formada pelos triglicerídeos parcialmente funcionalizados.
Title in English
Synthesis and properties of hydroxyl-functionalized soybean oil for application in polyurethanes
Keywords in English
epoxidation
functionalization
hydroxylation
polyurethanes
soybean oil
unsatured oils
Abstract in English
The objective of this work was the modification of soybean oil by its functionalization with hydroxyl groups for its use in the synthesis of polyurethanes. Functionalization reactions were conducted in two steps, one epoxidation followed by hydroxylation using low molecular weight alcohols as hydroxylating agent. In the first step, two samples were obtained varying the degree of functionality of approximately 2 moles of epoxide per mole of epoxidized oil (F2) and approximately 2.5 moles of epoxide per mole of epoxidized oil (F2,5). In the second step, the process was varied using different alcohols as hydroxylating agents of the F2 sample, which were methanol, ethanol, isopropanol and 1-butanol; while the F2.5 sample was hydroxylated only with ethanol. The modified oils were characterized by Infrared Spectroscopy (FTIR), Proton Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (1HNMR), determination of the percentage of epoxide, hydroxyl and acidity index, molar mass distribution and dynamic viscosity (Brookfield viscosity). The obtained results were compared to the typical values of castor oil which, because it is naturally hydroxylated, is widely used in the synthesis of polyurethanes. The structural characterization allowed proving the efficacy of the synthesis, presenting clear evidence regarding the structural differences between the functionalized samples and castor oil. The results from FTIR and 1HNMR techniques showed the formation of the beta-hydroxyl ether group, side to the hydroxyl, according to the type of alcohol used in the hydroxylation of each of the samples. Variations between the estimation of the hydroxyl number, through the percentage of epoxide and the experimental hydroxyl number, suggested parallel reactions during the synthesis. The influence of the acidity during the process and the final acidity of each of the samples were also determined. The GPC curves confirmed one of the parallel pathways suggested with the formation of oligomeric phases between the triglycerides. The final viscosity showed great variation according to the beta-hydroxyl ether group formed in each case, the degree of functionality and the reduction of unsaturation content in the modified oil. Activation energy values of fluid flow as a function of temperature showed that the most significant factor in the viscosity variation is the final hydroxyl number of samples. The synthesized samples were used in the polymerization of polyurethanes. The reactivity of the samples was determined by curing tests monitored by FTIR technique, in addition to a mechanical characterization of final polyurethanes by Dynamic Mechanical Analysis (DMA). The samples showed a high variation in reactivity in the polymerization process. The DMTA tests showed the relationship between the glass transition temperature and the degree of functionality in addition to the plasticizing effect generated by free chains contained in the flexible phase formed by the partially functionalized triglycerides.
 
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Publishing Date
2019-09-04
 
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