Synthesis of thermal insulating polyurethane foams from lignin and rapeseed based polyols: a comparative study

Nowadays, a large number of polyurethane (PU) system modifications relies on the use of different bio-polyols. In this context, two bio-based polyols, one synthesized from lignin and one from rapeseed oil were evaluated in the replacement of a petrochemical polyol at an amount of 10–30 wt.% in rigid polyurethane foam formulations (RPU). The lignin-based polyol was produced by oxypropylation from an organosolv lignin (ALCELL) and the rapeseed oil-based one prepared by a two-step method of epoxidation followed by oxirane ring opening with diethylene glycol. The replacement of the petrochemical polyol with the lignin bio-polyol increased the reactivity of the reactive mixtures, while the rapeseed oil bio-polyol gave the opposite effect. This was confirmed by the respective changes observed in the dielectric polarization of the reactive mixtures together with the maximum temperature achieved in the foam core during the foaming process. The foams modified with the tested bio-polyols had both lower apparent density (40–45 kg/m3) and closed cell content (86–89%), comparatively with a reference foam. The replacement of petrochemical polyol with the bio-polyols up to 30 wt% caused, in the modified foams, a slight decrease of the compressive strength. Moreover, the introduction of the bio-polyols into PU formulations generally did not influence the thermal conductivity coefficient that was around 23 mW/m·K for the obtained materials.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Rigid polyurethane foams modified with liginin based bio-polyols

Nowadays, a large number of polyurethane (PU) systems modifications relies on the use of different bio-polyols, as described in literature. Among them, one of the most important is the incorporation of bio-polyols based on plant wastes such as lignin. In this work, two bio-polyols have been synthesized from a technical lignin and applied to obtain rigid PU foams (10-30wt. in polyol premix). The lignin, obtained by an organosolv process (aqueous ethanol) proceeds from hardwoods and was converted into liquid bio-polyols by an oxypropylation process. The addition of the lignin-based bio-polyols to the PU system increased its reactivity, as confirmed by a faster decrease of the dielectric polarization and an increase of the maximum temperature in the foam core during the foaming process. The foam modified with these bio-polyols had a slightly lower apparent density and compressive strength. The obtained foams have an apparent density and a closed cell content of about 40 to 45 kg/m3 and 86-89%, respectively. The compressive strength of the foams decrease as the bio-polyol content increased. On the other hand the thermal conductivities of the obtained materials were similar ca. 23 mW/m·K. Concerning thermal stability, lignin-based foams start to degrade at lower temperatures and show a slower degradation pattern (high residue in TG).info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Thermal insulation and mechanical properties of foamed polyurethane and hemp fibre composites

Otrzymano porowate kompozyty poliuretanowe o różnej zawartości włókna konopnego. Jako jeden ze składników poliolowych zastosowano pochodną hydroksylową oleju rzepakowego. Włókna konopne o różnych rozmiarach wprowadzano do przedmieszki poliolowej. Celem badań było wprowadzenie do matrycy poliuretanowej surowców odnawialnych, i ocena ich wpływu na wybrane właściwości otrzymanych kompozytów.The porous polyurethane composites with different content of hemp fibers were prepared. Rapeseed oil-based derivative with hydroxyl groups was used as a one of polyol components. Hemp fibers of different sizes were incorporated into the polyol premix. The aim of the work was to introduce renewable raw materials into the polyurethane matrix and the evaluation of their influence on selected properties of prepared composites

Porowate tworzywa poliuretanowe wytwarzane z udziałem bio-polioli z surowców odnawialnych

A literature review and own investigations have been a base for presenting various methods of the synthesis of bio-polyols from renewable raw materials as well as their potential applications in the formulations of flexible and rigid polyurethane foams (Table 1). A characteristics of selected bio-polyols (Table 2) and their effect on foaming process of different polyurethane compositions are shown (Fig. 1, Table 3). Examples of the influence of selected bio-polyols on cell structures and physical and mechanical properties of both flexible (Fig. 2) and rigid (Table 4) foams are also presented.Na podstawie przeglądu literatury i badań własnych omówiono różne metody wytwarzania bio-polioli z surowców odnawialnych oraz możliwości ich zastosowania w syntezie elastycznych isztywnych pianek poliuretanowych (tabela 1). Zaprezentowano charakterystykę wybranych bio-polioli (tabela 2) oraz ich wpływ na przebieg procesu spieniania różnych kompozycji poliuretanowych (rys.1, tabela 3). Podano przykłady wpływu wybranych bio-polioli na strukturę komórkową i właściwości fizyczne i mechaniczne modyfikowanych pianek elastycznych (rys. 2) i sztywnych (tabela 4)

Porous polyurethane plastics synthetized using bio-polyols from renewable raw materials

A literature review and own investigations have been a base for presenting various methods of the synthesis of bio-polyols from renewable raw materials as well as their potential applications in the formulations of flexible and rigid polyurethane foams (Table 1). A characteristics of selected bio-polyols (Table 2) and their effect on foaming process of different polyurethane compositions are shown (Fig. 1, Table 3). Examples of the influence of selected bio-polyols on cell structures and physical and mechanical properties of both flexible (Fig. 2) and rigid (Table 4) foams are also presented.Na podstawie przeglądu literatury i badań własnych omówiono różne metody wytwarzania bio-polioli z surowców odnawialnych oraz możliwości ich zastosowania w syntezie elastycznych isztywnych pianek poliuretanowych (tabela 1). Zaprezentowano charakterystykę wybranych bio-polioli (tabela 2) oraz ich wpływ na przebieg procesu spieniania różnych kompozycji poliuretanowych (rys.1, tabela 3). Podano przykłady wpływu wybranych bio-polioli na strukturę komórkową i właściwości fizyczne i mechaniczne modyfikowanych pianek elastycznych (rys. 2) i sztywnych (tabela 4)

Wpływ różnych polioli z oleju rzepakowego na wybrane właściwości elastycznych pianek poliuretanowych

Bio-polyols based on rapeseed oil were used to produce flexible polyurethane foams (FPURF). The bio-polyols were obtained on a laboratory and industrial scale with the two-step method involving epoxidation of double bonds in rapeseed oil and opening of oxirane rings with different alcohols, such as isopropanol (iP) and diethylene glycol (DEG). The impact of bio-polyols production scale on selected physical and mechanical properties of FPURF was analyzed. The applied bio-polyols differed slightly by hydroxyl number, functionality, and water content. It was found that the scale of bio-polyol production has no significant impact on FPURF properties such as apparent density, hardness, hysteresis, support factor, and resilience. However, it was observed, that the addition of the bio-polyol to polyurethane (PUR) formulation had the impact on the FPURF properties as compared to the reference foams that were not modified with the bio-polyols. Moreover, a continuous method was used to prepare FPURF samples modified with different rapeseed oil-based polyols. For this purpose mixing-dosing device with conveyor line was used to synthesize the foams. It was found that the replacement of petrochemical polyols with the bio-polyols resulted in lower reactivity of the modified for- mulations and the amount of catalysts had to be increased. Furthermore, the foams hysteresis, support factor, and hardness were higher, especially for foams modified with the bio-polyol that contained DEG in its structure. Moreover, the fatigue tests were performed and the results showed a beneficial effect of the bio-based polyols on the functional properties, a.o. support factor of flexible foams.Bio-poliole z oleju rzepakowego, wytworzone w skali laboratoryjnej i przemysłowej, zastosowano wsyntezie elastycznych pianek poliuretanowych (FPURF). Bio-poliole otrzymano metodą dwuetapową przez epoksydację wiązań podwójnych w oleju rzepakowym, a następnie przez otwarcie pierścieni oksiranowych za pomocą izopropanolu (iP) oraz glikolu dietylenowego (DEG). Zbadano wpływ rodzaju bio-poliolu (także tego samego rodzaju, ale otrzymanego w różnej skali) na wybrane właściwości fizyczne i mechaniczne FPURF. Zastosowane bio-poliole różniły się między sobą nieznacznie liczbą hydroksylową, funkcyjnością i zawartością wody. Stwierdzono, że skala produkcji polioli nie ma istotnego wpływu na właściwości FPURF, takie jak: gęstość pozorna, twardość, histereza, współczynnik komfortu i odbojność. Zaobserwowano jednak wpływ modyfikacji za pomocą różnych bio-polioli na właściwości FPURF w porównaniu z właściwościami niemodyfikowanej pianki referencyjnej. Pianki FPURF otrzymano również stosując metodę ciągłą z użyciem urządzenia dozująco-mieszającego wraz zlinią do przesuwu form z mieszaniną reakcyjną. Stwierdzono, że zastąpienie polioli petrochemicznych bio-poliolami powoduje zmniejszenie reaktywności kompozycji poliuretanowych, co spowodowało konieczność zwiększenia ilości katalizatorów. Ponadto, zaobserwowano wzrost histerezy, współczynnika komfortu i twardości, szczególnie w wypadku pianek zawierających bio-poliol z wbudowanym DEG. Wyniki badań zmęczeniowych wykazały korzystny wpływ bio-polioli na właściwości użytkowe, m.in. na współczynnik komfortu pianek elastycznych

Spieniane wodą pianki poliuretanowo-poliizocyjanurowe otrzymane z bio-polioli i modyfikowane włóknami drzewnymi

In this paper rigid polyurethane-polyisocyanurate (PUR-PIR) foam andwood fiber composites were synthesized using two types of bio-polyols. The PUR-PIR systems were modified with 3 and 6wt% of wood fibers. The influence of the content of wood fibers on the cellular structure was examined with scanning electron microscopy (SEM). Thermal and mechanical properties of the composites were characterized with thermogravimetric analysis, thermal conductivity, compressive strength, and Young modulus measurements. The influence of wood fibers on flammability of PUR-PIR foams was analyzed by oxygen index and cone calorimeter tests. For the most of foams, introduction of wood fibers did not affect the change in compressive strength. Introduction ofwood fibers increased the temperature at which thermal degradation began, as well as the temperature at which occurs 5, 25 and 50 % weight loss. The studies have shown that the oxygen index of the obtained PUR-PIR foams insignificantly decreases with increasing wood fibers content.Z użyciem dwóch rodzajów biopolioli i włókien drzewnych (w ilości 3 i 6 % mas.) otrzymano kompozyty sztywnych pianek poliuretanowo-poliizocyjanurowych (PUR-PIR). Zmiany struktury komórkowej pianek w zależności od zawartości włókien drzewnych badano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Właściwości termiczne i mechaniczne kompozytów charakteryzowano wykonując analizę termograwimetryczną oraz wyznaczając przewodnictwo cieplne, wytrzymałość na ściskanie oraz moduł Younga. Analizując wskaźnik tlenowy i szybkość wydzielania ciepła wyznaczaną za pomocą kalorymetru stożkowego określano wpływ zawartości włókien drzewnych na palność kompozytów. Stwierdzono, że w przypadku większości materiałów dodatek włókien drzewnych nie wpływa istotnie na zmiany wytrzymałości na ściskanie, powoduje natomiast wzrost temperatury, przy której następuje 5, 25 oraz 50-proc. ubytek masy badanej próbki oraz nieznaczne zmniejszenie wartości wskaźnika tlenowego

Wpływ rodzaju poroforów na proces spieniania oraz właściwości sztywnych pianek poliuretanowych

Rigid polyurethane foams (RPF) were synthesized with the use different type of blowing agents (methylal, isopentane, cyclopentane, mixture of isopentane and cyclopentane, carbon dioxide). The effects of blowing agent type on the foaming process, cellular structure, mechanical properties and changes of thermal conductivity during one year aging are described. As expected, the highest reactivity confirmed by the fastest decrease of the dielectric polarization and highest maximum of temperature was observed for polyurethane system blown with carbon dioxide. A small difference in the reactivity of systems foamed with physical blowing agents was also noticed – the most reactive was composition with cyclopentane. Cellular structure of foams blown by carbon dioxide was characterized by smaller cells size than foams where physical blowing agent were used. The lowest thermal conductivity after 360 days was observed for polyurethane systems foamed with isopentane and mixture of isopentane and cyclopentane. Regardless of the measurement time the highest thermal conductivity was characteristic for the materials blown with water and methylal. The foams with isopentane were characterized by the highest compressive strength.Sztywne pianki poliuretanowe (RPF) otrzymano z zastosowaniem różnych czynników spieniających (metylal, izopentan, cyklopentan,mieszanina izopentanu i cyklopentanu oraz ditlenek węgla). Analizowano wpływ rodzaju poroforów na proces spieniania, strukturę komórkową pianki, jej właściwości mechaniczne oraz zmiany właściwości termoizolacyjnych w ciągu jednego roku. Jak oczekiwano, największą reaktywnością charakteryzował się system spieniony za pomocą ditlenku węgla, czego potwierdzeniem są: najszybsze zmniejszenie polaryzacji dielektrycznej oraz najwyższa maksymalna temperatura w procesie spieniania. Niewielkie zmiany reaktywności zaobserwowano w wypadku systemów poliuretanowych spienianych z udziałem różnych czynników fizycznych – największą reaktywnością odznaczał się układ z cyklopentanem. Struktura komórkowa pianek otrzymanych z udziałem ditlenku węgla jako czynnika spieniającego charakteryzowała się komórkami o rozmiarach mniejszych niż rozmiary komórek w materiałach piankowych wytworzonych z zastosowaniem fizycznych czynników spieniających. Najmniejszy współczynnik przewodzenia ciepła po upływie 360 dni wykazywały pianki poliuretanowe spieniane za pomocą izopentanu oraz mieszaniny izopentanu i cyklopentanu. Niezależnie od czasu pomiaru największe wartości współczynnika przewodzenia ciepła zaobserwowano w wypadku materiałów piankowych otrzymanych z zastosowaniem wody i metylalu, natomiast największą wytrzymałość mechaniczną wykazywały pianki wytworzone z udziałem izopentanu

Mikroceluloza jako napełniacz naturalny pianek poliuretanowych wytwarzanych z udziałem biopoliolu z oleju rzepakowego

Rigid polyurethane (PUR) foams based on biopolyols from rapeseed oil were modified with microcellulose in the amounts of 3, 6 and 9 wt % with respect to the mass of the foams. The biopolyol was synthesized using transesterification of rapeseed oil with triethanolamine. The content of the microcellulose in the PUR system was limited by the increased viscosity of the polyol premix. The viscosity of the polyol premix increased from 297 (for the unmodified system) to 1394 mPa ∙ s (for the system modified with 9 wt % of microcellulose). The introduction of the microcellulose to the PUR systems slightly decreased their reactivity. The addition of the microcellulose caused an increase of the apparent density of the modified foams and the content of closed cells. The biofoams modified with microcellulose were characterized by a similar apparent density. It was found that the modification of the PUR systems with the microcellulose had a positive effect on the mechanical properties and reduced the brittleness of the obtained porous biocomposites in comparison to the reference, unmodified foam. The thermal properties and flammability of the obtained biocomposites were also analyzed. Unexpectedly, it was found that the addition of the microcellulose increased the oxygen index of the modified foams from 20.5 to 21.2 (for the material modified with 9 wt %).Biopoliol otrzymany w reakcji transestryfikacji oleju rzepakowego trietanoloaminą zastosowano do wytworzenia sztywnych pianek poliuretanowych modyfikowanych mikrocelulozą w ilości 3, 6 i 9 % mas. Zawartość mikrocelulozy w układzie była ograniczona ze względu na wzrost lepkości przedmieszki poliolowej (z 297 mPa • s – system niezawierający mikrocelulozy do 1394 mPa • s – system modyfikowany mikrocelulozą w ilości 9 % mas.). Modyfikacja układu mikrocelulozą wpłynęła nieznacznie na zmniejszenie jego reaktywności. Modyfikowane w ten sposób pianki PUR wykazywały większą gęstość pozorną oraz zawartość komórek zamkniętych niż pianki niemodyfikowane. Stwierdzono, że modyfikacja PUR mikrocelulozą wpływa korzystnie na właściwości mechaniczne oraz kruchość otrzymanych materiałów. Wykonano analizę termiczną oraz zbadano palność wytworzonych pianek. Stwierdzono, że dodatek do kompozycji PUR 9% mas. mikrocelulozy zwiększył wskaźnik tlenowy otrzymanych pianek z 20,5 do 21,2 %