PT117321B - HIGH PERFORMANCE UNSATURATED POLYESTER RESINS BASED ON RENEWABLE RESOURCES - Google Patents
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Abstract
ESTA INVENÇÃO REFERE-SE A NOVAS RESINAS DE POLIÉSTER INSATURADO BASEADAS EM BLOCOS DE CONSTRUÇÃO PARCIALMENTE OU QUASE TOTALMENTE DERIVADOS DE RECURSOS RENOVÁVEIS OU SUSTENTÁVEIS. AS RESINAS APRESENTADAS NA INVENÇÃO SÃO ADEQUADAS PARA A FABRICAÇÃO DE MATERIAIS COMPÓSITOS DE POLÍMERO REFORÇADO COM FIBRA (PRF) POR MEIO DE DIFERENTES TÉCNICAS DE PROCESSAMENTO, INCLUINDO PROCESSOS DE CURA A FRIO E A QUENTE. AS RESINAS CURADAS DESENVOLVIDAS COM A PRESENTE INVENÇÃO TÊM PROPRIEDADES MECÂNICAS E TERMOFÍSICAS QUE IGUALAM OU EXCEDEM O DESEMPENHO DAS RESINAS DE POLIÉSTER INSATURADO PETROQUÍMICAS CONVENCIONAIS.THIS INVENTION RELATES TO NEW UNSATURATED POLYESTER RESINS BASED ON BUILDING BLOCKS PARTIALLY OR ALMOST ENTIRELY DERIVED FROM RENEWABLE OR SUSTAINABLE RESOURCES. THE RESINS PRESENTED IN THE INVENTION ARE SUITABLE FOR THE MANUFACTURE OF FIBER REINFORCED POLYMER (FRP) COMPOSITE MATERIALS BY MEANS OF DIFFERENT PROCESSING TECHNIQUES, INCLUDING COLD AND HOT CURING PROCESSES. THE CURED RESINS DEVELOPED WITH THE PRESENT INVENTION HAVE MECHANICAL AND THERMOPHYSICAL PROPERTIES THAT EQUAL OR EXCEED THE PERFORMANCE OF CONVENTIONAL PETROCHEMICAL UNSATURATED POLYESTER RESINS.
Description
DESCRIÇÃODESCRIPTION
RESINAS DE POLIÉSTER INSATURADO DE ELEVADO DESEMPENHO BASEADAS EM RECURSOS RENOVÁVEISHIGH PERFORMANCE UNSATURATED POLYESTER RESINS BASED ON RENEWABLE RESOURCES
Campo TécnicoTechnical Field
[0001] A presente divulgação refere-se a resinas de poliéster insaturado baseadas em matérias-primas que são parcialmente ou quase totalmente derivadas de recursos renováveis. A invenção permite a produção de resinas de poliéster insaturado, as quais, após a cura, apresentam propriedades mecânicas e termofisicas semelhantes ou superiores às propriedades de resinas de poliéster insaturado petroquímicas convencionais comparáveis.[0001] The present disclosure relates to unsaturated polyester resins based on raw materials that are partially or almost entirely derived from renewable resources. The invention allows the production of unsaturated polyester resins which, after curing, exhibit mechanical and thermophysical properties similar to or superior to the properties of comparable conventional petrochemical unsaturated polyester resins.
Estado da TécnicaState of the Art
[0002] As resinas de poliéster insaturado são polímeros termoendurecíveis que podem ser usados para impregnar fibras sintéticas no fabrico de materiais compósitos de Polímero Reforçado com Fibras (PRF) utilizados em várias aplicações estruturais. Devido ao balanço adequado entre custo reduzido, versatilidade de processamento e boas propriedades mecânicas e termofisicas, estas resinas estão entre os polímeros termoendurecíveis mais usados pela indústria de compósitos de PRF há vários anos. No entanto, a sua produção ainda depende significativamente de matérias-primas derivadas do petróleo. Espera-se que o uso de monómeros petroquímicos no fabrico de polímeros usados como produtos de consumo diminua nos próximos anos devido ao possível esgotamento das reservas conhecidas, ao aumento contínuo dos custos de extração de petróleo bruto, a regulamentação governamental mais restritiva em todo o mundo em favor da sustentabilidade e à procura geral pela sociedade de produtos mais ecológicos. Este contexto tem promovido a investigação para a produção de polímeros a partir de monómeros derivados de recursos renováveis como alternativa aos derivados de petróleo.[0002] Unsaturated polyester resins are thermosetting polymers that can be used to impregnate synthetic fibers in the manufacture of Fiber Reinforced Polymer (FRP) composite materials used in various structural applications. Due to their suitable balance between low cost, processing versatility and good mechanical and thermophysical properties, these resins have been among the most widely used thermosetting polymers in the FRP composites industry for several years. However, their production still depends significantly on petroleum-derived raw materials. The use of petrochemical monomers in the manufacture of polymers used in consumer products is expected to decline in the coming years due to the possible depletion of known reserves, the continued increase in crude oil extraction costs, more restrictive government regulations worldwide in favor of sustainability and the general demand by society for more environmentally friendly products. This context has promoted research into the production of polymers from monomers derived from renewable resources as an alternative to petroleum derivatives.
[0003] A produção de resinas de poliéster insaturado termoendurecíveis sustentáveis, adequadas para a fabricação de materiais compósitos de PRF, em substituição das resinas petroquímicas, é um desafio significativo. De facto, estas resinas devem atingir propriedades mecânicas, termofísicas e de processamento semelhantes às resinas convencionais, ao simultaneamente incorporarem um conteúdo renovável significativo e ecologicamente correto. O crescimento da produção de blocos de construção bio-baseados a partir de biorrefinarias proporciona capacidade de abastecimento e redução progressiva dos custos dessas matérias-primas, tornando as resinas sustentáveis de poliéster insaturado estrategicamente e ambientalmente relevantes, em contraste com as convencionais.[0003] The production of sustainable thermosetting unsaturated polyester resins suitable for the manufacture of FRP composite materials, replacing petrochemical resins, is a significant challenge. Indeed, these resins must achieve mechanical, thermophysical and processing properties similar to conventional resins, while incorporating a significant and environmentally friendly renewable content. The growth of bio-based building block production from biorefineries provides supply capacity and progressive cost reduction of these raw materials, making sustainable unsaturated polyester resins strategically and environmentally relevant, in contrast to conventional ones.
[0004] As matérias-primas utilizadas para a síntese de resinas de poliéster insaturado são ácidos dicarboxílicos, álcoois dihidroxílicos e um diluente reativo com pelo menos um grupo vinílico. Para manter ou melhorar as propriedades mecânicas de tais resinas (quando comparadas às convencionais), sabe-se que deve ser mantido um balanço entre compostos alifáticos e aromáticos ou cíclicos dentro da cadeia principal do poliéster. Ά viscosidade e as propriedades mecânicas das resinas da presente invenção são devidas em grande parte às frações molares entre os dióis 1,3-propanodiol e isossorbida (alifático e cíclico, respetivamente).[0004] The raw materials used for the synthesis of unsaturated polyester resins are dicarboxylic acids, dihydroxyl alcohols and a reactive diluent with at least one vinyl group. In order to maintain or improve the mechanical properties of such resins (when compared to conventional ones), it is known that a balance between aliphatic and aromatic or cyclic compounds within the polyester backbone must be maintained. The viscosity and mechanical properties of the resins of the present invention are largely due to the molar fractions between the diols 1,3-propanediol and isosorbide (aliphatic and cyclic, respectively).
[0005] Como exemplo, o ácido 2,5-furano dicarboxílico é um monómero de substituição potencial para diácidos ou anidridos derivados do petróleo, tais como o anidrido ftálico e os ácidos iso e ortoftálico. Este bloco de construção furano ocupa uma posição de destaque entre os monómeros para polímeros de condensação, pois geralmente fornece maior resistência mecânica e temperatura de transição vítrea (Tg), quando comparado aos diácidos aromáticos acima mencionados ou mesmo ao ácido tereftálico. É também conhecido que os poliésteres à base do ácido 2,5-furano dicarboxílico exibem uma estrutura semicristalina, mas cristalizam a uma taxa mais lenta do que os poliésteres contendo um anel aromático. Tal resulta em propriedades de barreira muito melhoradas contra o oxigénio, o dióxido de carbono e o vapor de água, o que pode ser benéfico para várias aplicações estruturais, particularmente em ambientes mais agressivos. A substituição completa do anidrido ftálico pelo ácido 2,5-furano dicarboxílico, à escala industrial, ainda é economicamente inviável, devido aos preços de mercado relativamente elevados deste último monómero; no entanto, os preços têm diminuído substancialmente nos últimos anos, devido ao aumento da produção deste bloco de construção de furano renovável com uso crescente para a produção de plásticos [1] ·[0005] As an example, 2,5-furan dicarboxylic acid is a potential replacement monomer for petroleum-derived diacids or anhydrides, such as phthalic anhydride and iso- and ortho-phthalic acids. This furan building block occupies a prominent position among the monomers for condensation polymers, as it generally provides higher mechanical strength and glass transition temperature (Tg) when compared to the above-mentioned aromatic diacids or even terephthalic acid. It is also known that polyesters based on 2,5-furan dicarboxylic acid exhibit a semicrystalline structure, but crystallize at a slower rate than polyesters containing an aromatic ring. This results in greatly improved barrier properties against oxygen, carbon dioxide and water vapor, which can be beneficial for various structural applications, particularly in more aggressive environments. Complete replacement of phthalic anhydride by 2,5-furan dicarboxylic acid on an industrial scale is still economically unfeasible due to the relatively high market prices of the latter monomer; however, prices have been decreasing substantially in recent years due to increased production of this renewable furan building block with increasing use for the production of plastics [1]
[0006] O isossorbida é outro bloco de construção derivado de fontes renováveis; quando usado como um monómero, pode fornecer ao poliéster um balanço entre elevado desempenho e sustentabilidade. O isossorbida é um glicol de estrutura cíclica que confere rigidez à estrutura da cadeia principal do poliéster insaturado, resultando em poliésteres com temperatura de transição vítrea mais alta do que com os dióis alifáticos convencionais. No entanto, a viscosidade é significativamente aumentada quando elevadas frações de isossorbida são incorporadas na estrutura do poliéster, tornando-se difícil diluí-la com o diluente reativo, muito provavelmente devido à presença de polissacarídeos formados durante o aquecimento do reator; tal pode limitar o seu uso no processamento de materiais compostos de PRF que requerem baixas viscosidades para a impregnação de fibras. A patente US20040092703A1 [2] relatou uma via para superar esta limitação dissolvendo isossorbida em água antes de ser alimentado ao reator onde ocorre a polimerização do poliéster. Assim, o isossorbida pode ser facilmente bombeado para a porção de esterificação do processo de poliéster. A patente US8487041B2 [3] registou um poliéster insaturado contendo isossorbida e ácido itacónico, na presença de 1,2propilenoglicol e/ou 1,3-propanodiol, mantendo uma baixa viscosidade do pré-polímero de poliéster usando uma combinação de hidroquinona e toluhidroquinona como inibidores. 0 exemplo 9 daquela patente mostra um prépolímero de poliéster que é totalmente bio-derivado; contudo, após diluição em estireno, o teor final dessa resina era de 65%. Em contraste, nenhuma informação foi fornecida sobre a temperatura de transição vítrea. A falta dessa informação limita o seu alcance de aplicabilidade, principalmente no que se refere ao seu uso como matriz para a fabricação de materiais compósitos PRF para aplicações estruturais, onde a temperatura de transição vítrea tem influência significativa na temperatura máxima de serviço que pode ser considerada no projeto do objeto estrutural. Além disso, o processo de cura da resina foi realizado com iniciadores e aceleradores próprios para processos de moldagem a frio, o que impede seu uso em processos de moldagem rápida que requerem temperaturas de cura elevadas.[0006] Isosorbide is another building block derived from renewable sources; when used as a monomer, it can provide polyester with a balance between high performance and sustainability. Isosorbide is a cyclic glycol structure that confers rigidity to the unsaturated polyester backbone structure, resulting in polyesters with a higher glass transition temperature than conventional aliphatic diols. However, the viscosity is significantly increased when high fractions of isosorbide are incorporated into the polyester structure, making it difficult to dilute it with the reactive diluent, most likely due to the presence of polysaccharides formed during reactor heating; this may limit its use in the processing of FRP composite materials that require low viscosities for fiber impregnation. US20040092703A1 [2] reported a way to overcome this limitation by dissolving isosorbide in water before being fed to the reactor where polyester polymerization occurs. Thus, isosorbide can be easily pumped into the esterification portion of the polyester process. US patent 8487041B2 [3] registered an unsaturated polyester containing isosorbide and itaconic acid, in the presence of 1,2-propylene glycol and/or 1,3-propanediol, maintaining a low viscosity of the polyester prepolymer using a combination of hydroquinone and toluhydroquinone as inhibitors. Example 9 of that patent shows a polyester prepolymer that is entirely bio-derived; however, after dilution in styrene, the final content of this resin was 65%. In contrast, no information was provided on the glass transition temperature. The lack of such information limits its range of applicability, especially with regard to its use as a matrix for the manufacture of FRP composite materials for structural applications, where the glass transition temperature has a significant influence on the maximum service temperature that can be considered in the design of the structural object. Furthermore, the resin curing process was carried out with initiators and accelerators suitable for cold molding processes, which prevents its use in rapid molding processes that require high curing temperatures.
[0007] As patentes US20190375890A1 [4], US20170129994A1 [5] e US9580542B2 [6] relataram uma série de poliésteres termoplásticos baseados em ácido 2,5-furano dicarboxílico e isossorbida. No entanto, os autores conseguiram constatar que, para algumas aplicações ou em algumas condições de utilização, estes poliésteres não apresentam todas as propriedades exigidas. Por exemplo, (i) ou eles não têm processabilidade adequada para impregnar as fibras durante a produção dos compósitos de PRF; (ii) ou não foi fornecida qualquer informação sobre o módulo de elasticidade e a deformação na rotura, (iii) ou a temperatura de transição vítrea foi obtida por calorimetria diferencial de varrimento (em inglês, differential scanning calorimetry, DSC) , não refletindo devidamente as alterações nas propriedades mecânicas causadas pelo processo de transição vítrea. De facto, as alterações na rigidez (ou amortecimento) do material, que são muito relevantes para aplicações estruturais, são estimadas com mais precisão por análise mecânica dinâmica (DMA). Assim, os poliésteres resultantes da síntese entre o ácido 2,5-furano dicarboxílico e isossorbida devem ser balanceados pela adição de estruturas alifáticas (dióis) para obter menor viscosidade do polímero puro. Em contraste, o diácido aromático ou furano aumenta a solubilidade do poliéster insaturado em monómeros vinílicos, especialmente em estireno, o que permite o armazenamento, manuseio e processamento da resina. 0 balanço adequado entre (i) ácido 2,5-furano dicarboxílico e anidrido ftálico; (ii) ácido 2,5-furano dicarboxílico e isossorbida, e (iii) ácido 2,5-furano dicarboxílico e monómeros vinílicos, foi surpreendentemente descoberto garantir que a maior parte do conteúdo (em peso) é derivado de recursos renováveis, sem prejudicar as propriedades mecânicas e termofísicas, para diferentes métodos de fabricação, como laminação manual, infusão a vácuo e pultrusão.[0007] Patents US20190375890A1 [4], US20170129994A1 [5] and US9580542B2 [6] reported a series of thermoplastic polyesters based on 2,5-furan dicarboxylic acid and isosorbide. However, the authors were able to verify that, for some applications or under some conditions of use, these polyesters do not present all the required properties. For example, (i) either they do not have adequate processability to impregnate the fibers during the production of FRP composites; (ii) either no information was provided on the elastic modulus and deformation at break, (iii) or the glass transition temperature was obtained by differential scanning calorimetry (DSC), not properly reflecting the changes in mechanical properties caused by the glass transition process. In fact, changes in material stiffness (or damping), which are very relevant for structural applications, are more accurately estimated by dynamic mechanical analysis (DMA). Thus, polyesters resulting from the synthesis between 2,5-furan dicarboxylic acid and isosorbide must be balanced by the addition of aliphatic structures (diols) to obtain a lower viscosity of the pure polymer. In contrast, the aromatic diacid or furan increases the solubility of the unsaturated polyester in vinyl monomers, especially in styrene, which allows the storage, handling and processing of the resin. The appropriate balance between (i) 2,5-furan dicarboxylic acid and phthalic anhydride; (ii) 2,5-furan dicarboxylic acid and isosorbide, and (iii) 2,5-furan dicarboxylic acid and vinyl monomers, were surprisingly found to ensure that most of the content (by weight) is derived from renewable resources, without impairing the mechanical and thermophysical properties, for different manufacturing methods such as hand rolling, vacuum infusion and pultrusion.
[0008] O 1,3-propanodiol é um diol alifático renovável derivado da fermentação do açúcar do milho, possuindo baixa viscosidade (líquido à temperatura ambiente) e é capaz de ajustar a viscosidade do poliéster com morfologia cíclica rígida ou aromática, mantendo as propriedades mecânicas e termofísicas do produto após a cura. O estado da arte de resinas de poliéster e das respetivas patentes, como US20120157618A1 [7] e US20090312485A1 [8], relatam que o uso de 1,3-propanodiol em vez de dióis alifáticos não renováveis não afeta significativamente as propriedades termofisicas de resinas de poliéster insaturado, especialmente a sua temperatura de transição vítrea. A presente invenção propõe o uso de 1, 3-propanodiol para diminuir a viscosidade do poliéster à base de isossorbida, e esta abordagem melhora inesperadamente as propriedades mecânicas e termofisicas, quando comparada com as resinas de poliéster convencionais à base de 1,2-propílenoglicol e dietilenoglicol.[0008] 1,3-Propanediol is a renewable aliphatic diol derived from the fermentation of corn sugar, having low viscosity (liquid at room temperature) and is capable of adjusting the viscosity of polyester with rigid or aromatic cyclic morphology, maintaining the mechanical and thermophysical properties of the product after curing. The state of the art of polyester resins and the respective patents, such as US20120157618A1 [7] and US20090312485A1 [8], report that the use of 1,3-propanediol instead of non-renewable aliphatic diols does not significantly affect the thermophysical properties of unsaturated polyester resins, especially their glass transition temperature. The present invention proposes the use of 1, 3-propanediol to decrease the viscosity of isosorbide-based polyester, and this approach unexpectedly improves the mechanical and thermophysical properties when compared to conventional polyester resins based on 1,2-propylene glycol and diethylene glycol.
[0009] A sustentabilidade do poliéster insaturado pode ser aumentada ainda mais pela substituição do anidrido maleico (derivado do petróleo) por ácido fumárico. O ácido fumárico é não tóxico e é formado naturalmente ou pode ser obtido a partir de subprodutos da indústria agroalimentar [9-11]. A presente invenção propõe a utilização apenas do ácido fumárico (derivado de recursos renováveis, tais como da fermentação do bagaço da cana-de-açúcar) como monómero insaturado na estrutura principal do poliéster, uma vez que aumenta o teor renovável do poliéster e, além disso, a dupla ligação do fumarato é mais reativa do que a do maleato, resultando numa polimerização radicalar mais completa e com menor necessidade de tratamento pós-cura. O balanço entre propriedades termofisicas e tenacidade é determinado, entre outros parâmetros, principalmente pela densidade de reticulação na estrutura da cadeia principal do poliéster insaturado. Quanto maior for a densidade de reticulação, maior será a temperatura de deflexão térmica e a temperatura de transição vítrea; contudo, com o aumento da densidade de reticulação, a tenacidade diminui, exigindo um balanço entre resistência e ductilidade para cada tipo de aplicação. A invenção apresentada neste documento surpreendentemente conseguiu promover um bom equilíbrio entre a temperatura de transição vítrea e a tenacidade, pelo ajuste da proporção entre os ácidos saturados e insaturados na estrutura da cadeia principal do poliéster.[0009] The sustainability of unsaturated polyester can be further increased by replacing maleic anhydride (derived from petroleum) with fumaric acid. Fumaric acid is non-toxic and is formed naturally or can be obtained from by-products of the agri-food industry [9-11]. The present invention proposes the use of only fumaric acid (derived from renewable resources, such as the fermentation of sugarcane bagasse) as the unsaturated monomer in the main structure of the polyester, since it increases the renewable content of the polyester and, in addition, the double bond of fumarate is more reactive than that of maleate, resulting in a more complete radical polymerization and with less need for post-curing treatment. The balance between thermophysical properties and toughness is determined, among other parameters, mainly by the crosslinking density in the structure of the main chain of the unsaturated polyester. The higher the crosslinking density, the higher the heat deflection temperature and glass transition temperature; however, as the crosslinking density increases, the toughness decreases, requiring a balance between strength and ductility for each type of application. The invention presented in this document surprisingly managed to promote a good balance between the glass transition temperature and toughness, by adjusting the proportion between saturated and unsaturated acids in the polyester main chain structure.
[0010] A retração do poliéster, uma das suas desvantagens históricas em comparação com outras resinas termoendureciveis, foi superada na presente invenção através da incorporação de segmentos de ácido dimerizado na estrutura da cadeia principal do poliéster. Os ácidos diméricos são o principal produto da oligomerização (dimerização) de ácidos gordos insaturados vegetais 018, tais como o ácido gordo do talol, bem como o oleico ou o linoleico, e têm sido usados como matéria-prima em poliéster desde a década de 1920, especialmente para a produção de resinas alquídicas para a indústria dos revestimentos. Ácidos baseados em triglicerideos são ricos em cadeias longas alifáticas e possuem elevado peso molecular, o que contribui para a elevada incorporação de bio-conteúdo no poliéster. Recentemente, a patente US7985826B2 [12] relatou a preparação de poliéster insaturado com base em óleo de soja, 1,3-propanodiol, anidrido maleico, etilenoglicol e diciclopentadieno, para melhorar a qualidade da superfície dos materiais resultantes. Porém, após incorporação com estireno, a resina apresentou um bio-conteúdo em torno de 30%. O aumento da quantidade de ácidos gordos dimerizados na estrutura de poliéster leva a uma temperatura de transição vítrea relativamente mais baixa, devido à sua estrutura amorfa e elevada flexibilidade conformacional das cadeias principais do polímero, o que resulta num segmento flexível dos copolímeros éster e um sacrifício das propriedades termofísicas. Além disso, os poliésteres compreendidos por ácidos gordos dimerizados apresentam uma formação segmentada, estrutura bifásica ou multifásica e alta capacidade de deformação. Na presente invenção, constatouse com surpresa que os ácidos gordos dimerizados diminuem a retração do poliéster, apresentando comportamento semelhante aos aditivos de baixa contração, principalmente em moldagens que requerem elevadas temperaturas durante o processamento, mantendo as propriedades termofisicas da resina curada.[0010] The shrinkage of polyester, one of its historical disadvantages compared to other thermosetting resins, has been overcome in the present invention by incorporating dimerized acid segments into the polyester backbone structure. Dimeric acids are the main product of the oligomerization (dimerization) of unsaturated vegetable fatty acids such as tallow fatty acid as well as oleic or linoleic acid, and have been used as a raw material in polyester since the 1920s, especially for the production of alkyd resins for the coatings industry. Triglyceride-based acids are rich in long aliphatic chains and have a high molecular weight, which contributes to the high incorporation of bio-content in polyester. Recently, patent US7985826B2 [12] reported the preparation of unsaturated polyester based on soybean oil, 1,3-propanediol, maleic anhydride, ethylene glycol and dicyclopentadiene, to improve the surface quality of the resulting materials. However, after incorporation with styrene, the resin presented a biocontent of around 30%. The increase in the amount of dimerized fatty acids in the polyester structure leads to a relatively lower glass transition temperature, due to its amorphous structure and high conformational flexibility of the polymer main chains, which results in a flexible segment of the ester copolymers and a sacrifice of thermophysical properties. In addition, polyesters comprised of dimerized fatty acids present a segmented formation, biphasic or multiphasic structure and high deformation capacity. In the present invention, it was surprisingly found that dimerized fatty acids reduce polyester shrinkage, showing behavior similar to low-shrinkage additives, especially in moldings that require high temperatures during processing, maintaining the thermophysical properties of the cured resin.
[0011] As resinas utilizadas como matriz em compósitos de PRF devem ter viscosidade baixa o suficiente e tempo de gel longo o suficiente para garantir o tempo adequado para a impregnação apropriada das fibras de reforço. Portanto, diferentes variantes da composição da resina devem estar disponíveis para permitir o ajuste para processos como a pultrusão e a infusão a vácuo, e para processos de laminação simples, como aplicações de molde aberto, que são mais propensas a resinas de menor viscosidade. A viscosidade excessiva da resina pode ser superada de diferentes maneiras; por exemplo, aumentando a quantidade de estireno para diminuir a viscosidade alvo da resina de poliéster. No entanto, grandes quantidades de diluente reativo tendem a diminuir as propriedades termofisicas da resina curada - não é recomendado o uso de mais de 40% (em peso) de estireno na composição da resina, sendo que o excesso molar em relação às duplas ligações da cadeia principal deve ser inferior a 15%. O estireno não reagido ou o excesso de outro monómero reativo resultará num efeito plastificante, diminuindo o módulo, bem como o desempenho a longo prazo. Isso pode ser um problema em elementos estruturais expostos a temperaturas elevadas, tais como elementos de edifícios (por exemplo, coberturas e fachadas), tabuleiros de pontes e elementos de tanques. O equilíbrio entre baixa viscosidade e elevadas propriedades termofisicas pode ser alcançado alterando a morfologia e a composição química do diol presente na cadeia principal do poliéster. Na presente invenção, verificou-se que uma combinação de um diol alifático de baixa viscosidade absoluta e um diol cíclico contribui para atingir esse equilíbrio. Uma viscosidade absoluta mais baixa deve ser governada pela taxa de diol alifático mais alta, enquanto um aumento na taxa de diol cíclico fornece melhores propriedades termofísicas à resina. Além disso, a densidade de reticulação do pré-polímero, definida pela razão de ácidos dicarboxílicos saturados e insaturados, deve ser ajustada numa faixa de pelo menos 1:2 e no máximo 1:4.[0011] Resins used as matrix in FRP composites must have a low enough viscosity and a long enough gel time to ensure adequate time for proper impregnation of the reinforcing fibers. Therefore, different variants of resin composition must be available to allow adjustment for processes such as pultrusion and vacuum infusion, and for simple lamination processes such as open mold applications, which are more prone to lower viscosity resins. Excessive resin viscosity can be overcome in different ways; for example, by increasing the amount of styrene to lower the target viscosity of the polyester resin. However, large amounts of reactive diluent tend to decrease the thermophysical properties of the cured resin - it is not recommended to use more than 40% (by weight) of styrene in the resin composition, and the molar excess with respect to the double bonds of the main chain should be less than 15%. Unreacted styrene or excess of other reactive monomers will result in a plasticizing effect, decreasing the modulus as well as the long-term performance. This can be a problem in structural elements exposed to high temperatures, such as building elements (e.g. roofs and facades), bridge decks and tank elements. The balance between low viscosity and high thermophysical properties can be achieved by altering the morphology and chemical composition of the diol present in the polyester backbone. In the present invention, it has been found that a combination of a low absolute viscosity aliphatic diol and a cyclic diol contributes to achieving this balance. A lower absolute viscosity should be governed by the higher aliphatic diol ratio, while an increase in the cyclic diol ratio provides better thermophysical properties to the resin. Furthermore, the crosslinking density of the prepolymer, defined by the ratio of saturated to unsaturated dicarboxylic acids, should be adjusted in a range of at least 1:2 and at most 1:4.
[0012] Além disso, diluentes reativos típicos usados em resinas de poliéster insaturado, como o estireno, são geralmente considerados como poluentes do ar (em inglês, Hazardous Air Pollutants, HAPs) e/ou como Compostos Orgânicos Voláteis (em inglês, Volatile Organic Compounds, VOCs), especialmente na ocorrência plausível de vestígios de Ozono, uma vez que o epóxido de estireno é cancerígeno. Recentemente, foram dedicados largos esforços de investigação para encontrar maneiras de eliminar ou reduzir o uso desses diluentes reativos altamente perigosos. Por exemplo, o metacrilato foi relatado pela patente US20190031801A1 [13] como uma alternativa para substituir o estireno, uma vez que o metacrilato contém radicais polimerizáveis por meio de ligações duplas, que fornecem reatividade semelhante ao estireno, mas é menos prejudicial ao meio ambiente.[0012] Furthermore, typical reactive diluents used in unsaturated polyester resins, such as styrene, are generally considered to be Hazardous Air Pollutants (HAPs) and/or Volatile Organic Compounds (VOCs), especially in the plausible occurrence of trace amounts of Ozone, since styrene epoxide is carcinogenic. Recently, extensive research efforts have been devoted to finding ways to eliminate or reduce the use of these highly hazardous reactive diluents. For example, methacrylate was reported by patent US20190031801A1 [13] as an alternative to replace styrene, since methacrylate contains polymerizable radicals through double bonds, which provide similar reactivity to styrene, but is less harmful to the environment.
[0013] Para reduzir a emissão de estireno e também para substituí-lo, foram testadas várias alternativas. A adição de parafina com polímero insaturado mostrou-se eficaz, pois forma filmes finos na superfície da resina. No entanto, essa abordagem reduz a adesão interlaminar em compósitos. Foi relatado no documento US20040220340A1 [14] que a substituição completa de estireno por monómeros do tipo acrilato em resinas de poliéster insaturado é inadequada, pois o oxigénio atmosférico retarda a reação polimérica, deixando a superfície pegajosa e não curada; este problema foi resolvido na presente invenção.[0013] In order to reduce styrene emission and also to replace it, several alternatives have been tested. The addition of paraffin with unsaturated polymer has proven effective, as it forms thin films on the resin surface. However, this approach reduces interlaminar adhesion in composites. It was reported in US20040220340A1 [14] that the complete replacement of styrene by acrylate-type monomers in unsaturated polyester resins is inadequate, as atmospheric oxygen slows down the polymeric reaction, leaving the surface sticky and uncured; this problem has been solved in the present invention.
[0014] Um acrilato que foi investigado é o 2-hidroxietil metacrilato (HEMA) . À temperatura ambiente, ο HEMA é um líquido viscoso e incolor. É usado como monómero para produzir vários tipos de polímeros. Ο ΗΕΜΆ tem hidrofilicidade porque possui um grupo pendente hidrofílico na estrutura.[0014] One acrylate that has been investigated is 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA). At room temperature, HEMA is a colorless, viscous liquid. It is used as a monomer to produce several types of polymers. HEMA has hydrophilicity because it has a hydrophilic pendant group in the structure.
[0015] Em geral, os polímeros do tipo acrilato são bem conhecidos pelas suas propriedades físicas, como a dureza, a elasticidade, a resistência à quebra e a excelente resistência ao óleo e ao calor. À temperatura ambiente, estes comportam-se como uma borracha, pois a sua temperatura de transição vítrea está abaixo da temperatura ambiente [15]. Vários estudos têm mostrado o HEMA como uma alternativa adequada ao estireno [16-17]. O documento US5747597A [18] demonstrou a viabilidade de substituir o estireno por acrilato em resina de poliéster insaturado, e o documento WO 99/23122 [19] também relatou uma resina de poliéster insaturado livre de estireno, mas com HEMA. No entanto, notou-se que a cadeia principal da poliéster insaturada biobaseada desenvolvida é incompatível com apenas o monómero diluente HEMA. Portanto, o HEMA foi usado juntamente com o estireno como monómero diluente da resina de poliéster insaturado desenvolvida, uma vez que a reatividade entre o HEMA e o estireno já foi relatada previamente [20]. Tal resultou numa superfície lisa com nível satisfatório de dureza e superfície não pegajosa após a cura. Além disso, constatou-se que a resina apresenta melhores propriedades mecânicas e termofísicas, quando comparada à resina poliéster insaturado convencional, reticulada apenas com estireno. Foi dada ênfase à redução da percentagem de estireno na resina de poliéster insaturado tanto quanto possível, mantendo as propriedades necessárias para o desempenho em condições de serviço. A redução da concentração de estireno é uma vantagem adicional desta inovadora resina de poliéster insaturado bio-baseada.[0015] In general, acrylate-type polymers are well known for their physical properties, such as hardness, elasticity, crack resistance, and excellent oil and heat resistance. At room temperature, they behave like a rubber, since their glass transition temperature is below room temperature [15]. Several studies have shown HEMA as a suitable alternative to styrene [16-17]. US5747597A [18] demonstrated the feasibility of replacing styrene with acrylate in unsaturated polyester resin, and WO 99/23122 [19] also reported an unsaturated polyester resin free of styrene but with HEMA. However, it was noted that the main chain of the developed biobased unsaturated polyester is incompatible with the diluent monomer HEMA alone. Therefore, HEMA was used together with styrene as the diluent monomer in the developed unsaturated polyester resin, since the reactivity between HEMA and styrene has been previously reported [20]. This resulted in a smooth surface with satisfactory level of hardness and a non-sticky surface after curing. Furthermore, the resin was found to exhibit improved mechanical and thermophysical properties when compared to the conventional unsaturated polyester resin crosslinked with styrene alone. Emphasis was placed on reducing the percentage of styrene in the unsaturated polyester resin as much as possible while maintaining the properties required for performance under service conditions. Reducing the styrene concentration is an additional advantage of this innovative bio-based unsaturated polyester resin.
[0016] Para superar as desvantagens do estado da técnica, a presente invenção divulga blocos de construção acrílicos baseados em compostos de metacrilato carbonil usados para obter poliéster com menos conteúdo de estireno. A utilização do 2-hidroxietil metacrilato é uma alternativa para diminuir o teor de estireno, sendo relatada nesta invenção.[0016] To overcome the disadvantages of the prior art, the present invention discloses acrylic building blocks based on carbonyl methacrylate compounds used to obtain polyester with lower styrene content. The use of 2-hydroxyethyl methacrylate is an alternative to reduce the styrene content, and is reported in this invention.
[0017] Estes factos são divulgados de maneira a ilustrar o problema técnico abordado pela presente divulgação.[0017] These facts are disclosed in order to illustrate the technical problem addressed by this disclosure.
Descrição GeralGeneral Description
[0018] A presente invenção refere-se a resinas de poliéster insaturado incorporando elevado teor de conteúdo bio-derivado em peso, apresentando propriedades mecânicas e termofísicas semelhantes ou melhoradas em comparação com resinas de poliéster insaturado convencionais derivadas do petróleo.[0018] The present invention relates to unsaturated polyester resins incorporating a high bio-derived content by weight, presenting similar or improved mechanical and thermophysical properties compared to conventional unsaturated polyester resins derived from petroleum.
[0019] A resina da presente invenção é adequada para várias técnicas de processamento tipicamente usadas para fabricar materiais compósitos de PRF, tais como a laminação manual, a infusão a vácuo e a pultrusão.[0019] The resin of the present invention is suitable for various processing techniques typically used to manufacture FRP composite materials, such as hand rolling, vacuum infusion, and pultrusion.
[0020] Esta nova resina de poliéster insaturado sustentável proporciona um aumento em sustentabilidade e versatilidade, quando comparada com as convencionais.[0020] This new sustainable unsaturated polyester resin provides increased sustainability and versatility compared to conventional resins.
[0021] Num modo preferido, a presente invenção divulga uma composição compreendendo resinas de poliéster insaturado, a resina compreendendo um pré-polímero e pelo menos um diluente reativo;[0021] In a preferred mode, the present invention discloses a composition comprising unsaturated polyester resins, the resin comprising a prepolymer and at least one reactive diluent;
em que o pré-polímero está numa quantidade de 50% a 70%, preferencialmente 60% (em peso);wherein the prepolymer is in an amount of 50% to 70%, preferably 60% (by weight);
e em que o pré-polímero e o pelo menos um diluente reativo são derivados de recursos naturais renováveis.and wherein the prepolymer and the at least one reactive diluent are derived from renewable natural resources.
[0022] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga uma composição em que o diluente reativo é uma mistura de:[0022] In another embodiment, the present invention discloses a composition wherein the reactive diluent is a mixture of:
estireno e HEMA;styrene and HEMA;
estireno, HEMA e tetracrilato de pentaeritritol (PETA);styrene, HEMA and pentaerythritol tetracrylate (PETA);
ou estireno e PETA.or styrene and PETA.
[0023] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga uma composição em que a quantidade máxima de estireno em relação à quantidade total de poliéster insaturado e diluente reativo é 30% (em peso), de preferência 20% (em peso), mais preferencialmente 10% (em peso).[0023] In another embodiment, the present invention discloses a composition in which the maximum amount of styrene in relation to the total amount of unsaturated polyester and reactive diluent is 30% (by weight), preferably 20% (by weight), more preferably 10% (by weight).
[0024] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga uma composição compreendendo estireno a 20% (em peso), HEMA a 10% (em peso) e PETA a 10% (em peso).[0024] In another embodiment, the present invention discloses a composition comprising 20% (by weight) styrene, 10% (by weight) HEMA and 10% (by weight) PETA.
[0025] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga uma composição em que o pré-polímero é um produto de reação obtido pela policondensação de:[0025] In another embodiment, the present invention discloses a composition in which the prepolymer is a reaction product obtained by the polycondensation of:
pelo menos 1,3-propanodiol e isossorbida como poliol alifático e cíclico, respetivamente;at least 1,3-propanediol and isosorbide as aliphatic and cyclic polyol, respectively;
pelo menos ácido ou anidrido C4-dicarboxílico insaturado como ácido dicarboxílico insaturado; ou um ácido gordo dimerizado ou um ácido furano dicarboxílico, ambos como ácido dicarboxílico saturado.at least one unsaturated C4-dicarboxylic acid or anhydride as an unsaturated dicarboxylic acid; or one dimerized fatty acid or one furan dicarboxylic acid, both as a saturated dicarboxylic acid.
[0026] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga uma composição que compreende uma estrutura de poliéster insaturado, as insaturações sendo originadas por ácido fumárico bio-baseado.[0026] In another embodiment, the present invention discloses a composition comprising an unsaturated polyester structure, the unsaturations being originated by bio-based fumaric acid.
[0027] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga uma resina ou resina curada compreendendo a composição da presente invenção.[0027] In another embodiment, the present invention discloses a resin or cured resin comprising the composition of the present invention.
[0028] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga uma resina ou resina curada em que 40% a 60% (em peso) compreende grupos éster e é derivada de fontes renováveis.[0028] In another embodiment, the present invention discloses a resin or cured resin wherein 40% to 60% (by weight) comprises ester groups and is derived from renewable sources.
[0029] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um produto que compreende a composição, resina ou resina curada da presente invenção, em que a resistência à tração, o módulo de elasticidade e a deformação na rotura são maiores ou iguais a 44 MPa, 2,9 GPa e 1,5%, respetivamente.[0029] In another embodiment, the present invention discloses a product comprising the composition, resin or cured resin of the present invention, wherein the tensile strength, modulus of elasticity and strain at break are greater than or equal to 44 MPa, 2.9 GPa and 1.5%, respectively.
[0030] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um produto que compreende a composição, resina ou resina curada da presente invenção, em que a Tg é de pelo menos 51 °C, definida com base em DMA (análise mecânica dinâmica), nomeadamente a partir do início do decaimento da curva do módulo de armazenamento.[0030] In another embodiment, the present invention discloses a product comprising the composition, resin or cured resin of the present invention, wherein the Tg is at least 51 °C, defined on the basis of DMA (dynamic mechanical analysis), namely from the beginning of the decay of the storage modulus curve.
[0031] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um objeto, de preferência um elemento estrutural que compreende o produto da presente invenção.[0031] In another embodiment, the present invention discloses an object, preferably a structural element comprising the product of the present invention.
[0032] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um processo para obter a composição da presente invenção que compreende as seguintes etapas:[0032] In another embodiment, the present invention discloses a process for obtaining the composition of the present invention comprising the following steps:
Fazer reagir pelo menos dois ácidos/anidridos dicarboxílicos e pelo menos dois poliois para obter um pré-polímero;React at least two dicarboxylic acids/anhydrides and at least two polyols to obtain a prepolymer;
em que pelo menos os dois ácidos/anidridos dicarboxílicos compreendam 0 a 1,5 mol% de um ácido C36-dicarboxílico;wherein at least the two dicarboxylic acids/anhydrides comprise 0 to 1.5 mol% of a C36-dicarboxylic acid;
a 16 mol% de um ácido C8-dicarboxílico aromático; 0 a 12 mol% de um ácido furano dicarboxílico; 31 a 38 mol% de um ácido C4-dicarboxílico insaturado;16 mol% of an aromatic C8-dicarboxylic acid; 0 to 12 mol% of a furan dicarboxylic acid; 31 to 38 mol% of an unsaturated C4-dicarboxylic acid;
em que pelo menos dois poliois compreendem 0 a 18 mol% de um diol C2-alifático; 17 a 38 mol% de um diol C3alifático; 17 a 18 mol% de um álcool di-hidrico C6ciclico;wherein at least two polyols comprise 0 to 18 mol% of a C2-aliphatic diol; 17 to 38 mol% of a C3-aliphatic diol; 17 to 18 mol% of a C6-cyclic dihydric alcohol;
e em que mol% é em termos da quantidade total de prépolímero .and where mol% is in terms of the total amount of prepolymer.
[0033] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um processo que compreende ainda a etapa de:[0033] In another embodiment, the present invention discloses a process that further comprises the step of:
misturar o pré-polímero com pelo menos dois diluentes reativos compreendendo (i) 10 a 30 partes de estireno, (ii) 10 a 20 partes de metacrilato de 2-hidroxietil e (iii) 10 a 20 partes de tetraacrilato de pentaeritritol, para obter uma resina.mixing the prepolymer with at least two reactive diluents comprising (i) 10 to 30 parts of styrene, (ii) 10 to 20 parts of 2-hydroxyethyl methacrylate and (iii) 10 to 20 parts of pentaerythritol tetraacrylate, to obtain a resin.
[0034] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um processo que compreende ainda a etapa de:[0034] In another embodiment, the present invention discloses a process that further comprises the step of:
misturar o pré-polímero com pelo menos três diluentes reativos compreendendo (i) 10 a 30 partes de estireno, (ii) 10 a 20 partes de metacrilato de 2-hidroxietil e (iii) 10 a 20 partes de tetraacrilato de pentaeritritol, para obter uma resina.mixing the prepolymer with at least three reactive diluents comprising (i) 10 to 30 parts of styrene, (ii) 10 to 20 parts of 2-hydroxyethyl methacrylate and (iii) 10 to 20 parts of pentaerythritol tetraacrylate, to obtain a resin.
[0035] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um processo que compreende ainda a etapa de:[0035] In another embodiment, the present invention discloses a process that further comprises the step of:
curar a resina por meio de um processo de moldagem aberto na presença de um acelerador, de preferência um agente redox, para obter um objeto ou parte estrutural que compreende a resina curada.curing the resin by means of an open molding process in the presence of an accelerator, preferably a redox agent, to obtain an object or structural part comprising the cured resin.
[0036] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um processo que compreende ainda a etapa de:[0036] In another embodiment, the present invention discloses a process that further comprises the step of:
pós-cura da resina curada de 80 °C a 120 °C, preferencialmente de 90 °C a 110 °C, ainda mais preferencialmente a 100 °C por pelo menos 4 horas.post-curing the cured resin at 80 °C to 120 °C, preferably at 90 °C to 110 °C, even more preferably at 100 °C for at least 4 hours.
[0037] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um processo em que o acelerador é uma amina ou um composto organometálico.[0037] In another embodiment, the present invention discloses a process in which the accelerator is an amine or an organometallic compound.
[0038] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um processo em que a etapa de mistura do pré-polimero para obter uma resina é realizada na presença de um iniciador, de preferência compreendendo um peróxido, para obter uma resina curada.[0038] In another embodiment, the present invention discloses a process in which the step of mixing the prepolymer to obtain a resin is carried out in the presence of an initiator, preferably comprising a peroxide, to obtain a cured resin.
[0039] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um processo em que a etapa de reação de pelo menos dois ácidos/anidridos dicarboxilicos e pelo menos um poliol para obter um pré-polimero é realizada na presença de hidroquinona e/ou toluhidroquinona como inibidor de radical.[0039] In another embodiment, the present invention discloses a process in which the reaction step of at least two dicarboxylic acids/anhydrides and at least one polyol to obtain a prepolymer is carried out in the presence of hydroquinone and/or toluhydroquinone as a radical inhibitor.
[0040] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um processo em que a etapa de reação de pelo menos dois ácidos/anidridos dicarboxilicos e pelo menos um poliol para obter um pré-polimero é realizada na presença de imidazol ou titanato de tetraisopropil como catalisadores de esterificação.[0040] In another embodiment, the present invention discloses a process in which the reaction step of at least two dicarboxylic acids/anhydrides and at least one polyol to obtain a prepolymer is carried out in the presence of imidazole or tetraisopropyl titanate as esterification catalysts.
[0041] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um processo em que o ácido C36-dicarboxilico é um ácido dimerizado obtido a partir da dimerização do talol.[0041] In another embodiment, the present invention discloses a process in which the C36-dicarboxylic acid is a dimerized acid obtained from the dimerization of tallow.
[0042] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um processo em que o ácido C4-dicarboxilico insaturado é ácido fumárico derivado de uma fonte não petroquímica.[0042] In another embodiment, the present invention discloses a process wherein the unsaturated C4-dicarboxylic acid is fumaric acid derived from a non-petrochemical source.
[0043] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um processo em que o ácido furano dicarboxílico é o ácido 2,5-furano dicarboxílico obtido a partir de recursos renováveis.[0043] In another embodiment, the present invention discloses a process in which the furan dicarboxylic acid is 2,5-furan dicarboxylic acid obtained from renewable resources.
[0044] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga um processo em que o álcool di-hídrico C6-cíclico é[0044] In another embodiment, the present invention discloses a process in which the C6-cyclic dihydric alcohol is
1, 4:3, 6-dianidro-D-glucitol ou isossorbida derivado de açúcares naturais.1, 4:3, 6-dianhydro-D-glucitol or isosorbide derived from natural sugars.
[0045] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga o uso da composição, resina, resina curada ou produto da presente divulgação na fabricação de materiais compósitos de polímero reforçado com fibra para estruturas civis, navais, da indústria automóvel, da indústria aeroespacial e da energia eólica.[0045] In another embodiment, the present invention discloses the use of the composition, resin, cured resin or product of the present disclosure in the manufacture of fiber reinforced polymer composite materials for civil, naval, automotive, aerospace and wind energy structures.
[0046] Num outro modo de realização, a presente invenção divulga o uso da composição, resina, resina curada ou produto da presente divulgação na fabricação por laminação manual, infusão a vácuo, enrolamento filamentar, moldagem por transferência de resina e pultrusão.[0046] In another embodiment, the present invention discloses the use of the composition, resin, cured resin or product of the present disclosure in manufacturing by hand lamination, vacuum infusion, filament winding, resin transfer molding and pultrusion.
Descrição DetalhadaDetailed Description
[0047] De acordo com a invenção, o pré-polímero é um produto de reação obtido pela policondensação de (i) pelo menos 1,3-propanodiol e isossorbida como poliol alifático e cíclico, respetivamente, (ii) opcionalmente, um ácido gordo dimerizado como ácido dicarboxílico saturado, e (iii) pelo menos um ácido ou anidrido C4-dicarboxílico insaturado como ácido dicarboxílico insaturado.[0047] According to the invention, the prepolymer is a reaction product obtained by the polycondensation of (i) at least 1,3-propanediol and isosorbide as aliphatic and cyclic polyol, respectively, (ii) optionally a dimerized fatty acid as saturated dicarboxylic acid, and (iii) at least one unsaturated C4-dicarboxylic acid or anhydride as unsaturated dicarboxylic acid.
[0048] Num outro modo de realização, a quantidade total de ácidos saturados deve ser equilibrada entre o ácido dimerizado e/ou blocos de construção compreendendo pelo menos um ácido dicarboxílico aromático, por exemplo, ácido ftálico (ou na sua forma de anidrido) e, opcionalmente, o ácido 2,5-furano dicarboxílico, respetivamente.[0048] In another embodiment, the total amount of saturated acids should be balanced between the dimerized acid and/or building blocks comprising at least one aromatic dicarboxylic acid, e.g., phthalic acid (or its anhydride form) and, optionally, 2,5-furan dicarboxylic acid, respectively.
[0049] Num modo de realização da presente invenção, no pré-polímero, a quantidade molar de etilenoglicol ou outro álcool di-hídrico derivado do petróleo é no máximo 33%, em relação à quantidade total de glicol a ser usado na mistura de reação.[0049] In one embodiment of the present invention, in the prepolymer, the molar amount of ethylene glycol or other dihydric alcohol derived from petroleum is at most 33%, relative to the total amount of glycol to be used in the reaction mixture.
[0050] Num modo de realização da presente invenção, no pré-polímero, a quantidade molar de 1,3-propanodiol é (i) de preferência pelo menos 33% e no máximo 67%, (ii) mais preferencialmente pelo menos 50% e no máximo 67% e (iii) ainda mais preferencialmente pelo menos 60% e no máximo 67%, em relação à quantidade total de glicol a ser usado na mistura de reação.[0050] In one embodiment of the present invention, in the prepolymer, the molar amount of 1,3-propanediol is (i) preferably at least 33% and at most 67%, (ii) more preferably at least 50% and at most 67% and (iii) even more preferably at least 60% and at most 67%, relative to the total amount of glycol to be used in the reaction mixture.
[0051] Num modo de realização da presente invenção, no pré-polímero, a quantidade molar de isossorbida é (i) de preferência pelo menos 25% e no máximo um terço em percentagem, (ii) mais preferencialmente pelo menos 28% e no máximo um terço em percentagem e (iii) ainda mais preferencialmente pelo menos 30% e no máximo um terço em percentagem, em relação à quantidade total de glicol a ser usado na mistura de reação.[0051] In one embodiment of the present invention, in the prepolymer, the molar amount of isosorbide is (i) preferably at least 25% and at most one third in percentage, (ii) more preferably at least 28% and at most one third in percentage and (iii) even more preferably at least 30% and at most one third in percentage, relative to the total amount of glycol to be used in the reaction mixture.
[0052] Num modo de realização da presente invenção, o isossorbida deve ser diluído antes de ser carregado no reator, numa solução que compreende pelo menos 15% e no máximo 30% (em peso) de água, em relação ao peso total de isossorbida a ser usado na mistura de reação.[0052] In one embodiment of the present invention, isosorbide must be diluted before being loaded into the reactor, in a solution comprising at least 15% and at most 30% (by weight) of water, relative to the total weight of isosorbide to be used in the reaction mixture.
[0053] Num modo de realização da presente invenção, a quantidade molar de ácido 2,5-furano dicarboxílico em relação à quantidade total de diácidos saturados é (i) de preferência pelo menos 50% até a substituição total, (ii) mais preferencialmente pelo menos 75% até a substituição total e (iii) ainda mais preferencialmente a substituição total.[0053] In one embodiment of the present invention, the molar amount of 2,5-furan dicarboxylic acid relative to the total amount of saturated diacids is (i) preferably at least 50% up to full substitution, (ii) more preferably at least 75% up to full substitution and (iii) even more preferably full substitution.
[0054] Num modo de realização da presente invenção, a quantidade molar de ácido gordo dimerizado relativo é (i) de preferência no máximo 1,4%, (ii) mais preferencialmente no máximo 1,2% e (iii) ainda mais preferencialmente no máximo 1,0%, em relação à quantidade molar total dos monómeros (diácidos e dióis) a serem utilizados na mistura de reação.[0054] In one embodiment of the present invention, the molar amount of relative dimerized fatty acid is (i) preferably at most 1.4%, (ii) more preferably at most 1.2% and (iii) even more preferably at most 1.0%, relative to the total molar amount of the monomers (diacids and diols) to be used in the reaction mixture.
[0055] Num modo de realização da presente invenção, o índice de acidez do pré-polímero é (i) de preferência no intervalo de 35 a 60 mgKOH/g de resina, (ii) mais preferencialmente no intervalo de 35 a 55 mgKOH/g de resina e (iii) ainda mais preferencialmente no intervalo de 35 a 50 mgKOH/g de resina. O índice de acidez do pré-polímero é determinado por titulação de acordo com a Organização Internacional de Normalização (em inglês, International Organization for Standardization, ISO) segundo a norma ISO 2114:2000 [21].[0055] In one embodiment of the present invention, the acid number of the prepolymer is (i) preferably in the range of 35 to 60 mgKOH/g resin, (ii) more preferably in the range of 35 to 55 mgKOH/g resin and (iii) even more preferably in the range of 35 to 50 mgKOH/g resin. The acid number of the prepolymer is determined by titration according to the International Organization for Standardization (ISO) according to ISO 2114:2000 [21].
[0056] Num modo de realização, o peso molecular médio em peso (Mw) do poliéster insaturado é (i) de preferência pelo menos 2500 g/mol e no máximo 7000 g/mol, e (ii) mais preferencialmente pelo menos 3500 g/mol e no máximo 5000 g/mol, e (iii) ainda mais preferencialmente pelo menos 3500 g/mol e no máximo 4000 g/mol.[0056] In one embodiment, the weight average molecular weight (Mw) of the unsaturated polyester is (i) preferably at least 2500 g/mol and at most 7000 g/mol, and (ii) more preferably at least 3500 g/mol and at most 5000 g/mol, and (iii) even more preferably at least 3500 g/mol and at most 4000 g/mol.
[0057] Num modo de realização, o peso molecular médio em número (Mn) do poliéster insaturado é (i) de preferência de pelo menos 1200 g/mol e no máximo 2000 g/mol e (ii) mais preferencialmente pelo menos 1400 g/mol e no máximo 2000 g/mol, e (iii) ainda mais preferencialmente pelo menos 1500 g/mol e no máximo 2000 g/mol.[0057] In one embodiment, the number average molecular weight (Mn) of the unsaturated polyester is (i) preferably at least 1200 g/mol and at most 2000 g/mol, and (ii) more preferably at least 1400 g/mol and at most 2000 g/mol, and (iii) even more preferably at least 1500 g/mol and at most 2000 g/mol.
[0058] Num modo de realização, porque os compósitos PRF compreendendo resinas de poliéster insaturado polimerizadas usadas em aplicações estruturais podem ser submetidos a temperaturas elevadas, de acordo com a invenção, a temperatura de transição vítrea (Tg) das resinas de poliéster insaturado, medida a partir de uma análise mecânica dinâmica (DMA) com base no início do decaimento da curva do módulo de armazenamento, é (i) preferencialmente pelo menos 60 °C, (ii) mais preferencialmente pelo menos 65 °C, e (iii) ainda mais preferencialmente pelo menos 70 °C.[0058] In one embodiment, because PRF composites comprising polymerized unsaturated polyester resins used in structural applications may be subjected to elevated temperatures according to the invention, the glass transition temperature (Tg) of the unsaturated polyester resins, measured from a dynamic mechanical analysis (DMA) based on the onset of decay of the storage modulus curve, is (i) preferably at least 60 °C, (ii) more preferably at least 65 °C, and (iii) even more preferably at least 70 °C.
[0059] Num modo de realização, o pré-polímero é vantajosamente preparado na presença de pelo menos um inibidor de radical selecionado a partir de hidroquinona, benzoquinona ou toluhidroquinona, (i) mais preferencialmente na presença de toluhidroquinona, e (ii) ainda mais preferencialmente na presença de hidroquinona e toluhidroquinona.[0059] In one embodiment, the prepolymer is advantageously prepared in the presence of at least one radical inhibitor selected from hydroquinone, benzoquinone or toluhydroquinone, (i) more preferably in the presence of toluhydroquinone, and (ii) even more preferably in the presence of hydroquinone and toluhydroquinone.
[0060] Num modo de realização, o pré-polímero é vantajosamente preparado na presença de pelo menos um catalisador de esterificação, preferencialmente imidazol ou titanato de tetraisopropil, mais preferencialmente na presença de imidazol.[0060] In one embodiment, the prepolymer is advantageously prepared in the presence of at least one esterification catalyst, preferably imidazole or tetraisopropyl titanate, more preferably in the presence of imidazole.
[0061] Num modo de realização, a composição de resina de poliéster insaturado compreende mais de um diluente reativo, sendo preferencialmente monómeros do tipo estireno e acrilato.[0061] In one embodiment, the unsaturated polyester resin composition comprises more than one reactive diluent, preferably being styrene and acrylate type monomers.
[0062] Num modo de realização da presente invenção, uma mistura entre estireno e HEMA é usada como diluente reativo.[0062] In one embodiment of the present invention, a mixture of styrene and HEMA is used as a reactive diluent.
[0063] Num outro modo de realização da presente invenção, é usada uma mistura entre estireno e PETA como diluente reativo. O PETA é obtido pela síntese de 1 mol de pentaeritritol e 4 moles de acrilato de metilo, sendo este último um monómero bio-baseado.[0063] In another embodiment of the present invention, a mixture of styrene and PETA is used as a reactive diluent. PETA is obtained by the synthesis of 1 mole of pentaerythritol and 4 moles of methyl acrylate, the latter being a bio-based monomer.
[0064] Num outro modo de realização da presente invenção, é usada uma mistura entre estireno, HEMA e PETA como diluente reativo.[0064] In another embodiment of the present invention, a mixture of styrene, HEMA and PETA is used as a reactive diluent.
[0065] Sob a definição de diluente reativo, deverá estar qualquer substância que reduza a viscosidade de uma resina de poliéster insaturado para processamento e se torne parte da resina durante a sua cura subsequente por copolimerização.[0065] Under the definition of reactive diluent shall be any substance that reduces the viscosity of an unsaturated polyester resin for processing and becomes part of the resin during its subsequent curing by copolymerization.
[0066] Num modo de realização da presente invenção, a composição da resina de poliéster insaturado compreende pelo menos 60% (em peso) de pré-polímero.[0066] In one embodiment of the present invention, the unsaturated polyester resin composition comprises at least 60% (by weight) prepolymer.
[0067] Num modo de realização de acordo com a invenção, a quantidade máxima de estireno na composição de resina é (i) de preferência no máximo 30% (em peso), (ii) mais preferencialmente no máximo 20% (em peso), e (iii) mais preferencialmente no máximo 10% (em peso), em relação à quantidade total de poliéster insaturado e diluente reativo presente na composição de resina.[0067] In an embodiment according to the invention, the maximum amount of styrene in the resin composition is (i) preferably at most 30% (by weight), (ii) more preferably at most 20% (by weight), and (iii) most preferably at most 10% (by weight), relative to the total amount of unsaturated polyester and reactive diluent present in the resin composition.
[0068] Num modo de realização da presente invenção, a quantidade de HEMA na composição de resina é (i) de preferência pelo menos 10% e no máximo 20% (em peso), (ii) mais preferencialmente pelo menos 15% e no máximo 20% (em peso) e (iii) mais preferencialmente 20% (em peso) , em relação à quantidade total de poliéster insaturado e diluente reativo presente na composição de resina.[0068] In one embodiment of the present invention, the amount of HEMA in the resin composition is (i) preferably at least 10% and at most 20% (by weight), (ii) more preferably at least 15% and at most 20% (by weight) and (iii) most preferably 20% (by weight), relative to the total amount of unsaturated polyester and reactive diluent present in the resin composition.
[0069] Na presente invenção, a quantidade de PETA na composição de resina é (i) de preferência pelo menos 10% e no máximo 20% (em peso), (ii) mais preferencialmente pelo menos 15% e no máximo 20% (em peso), e (iii) mais preferencialmente 20% (em peso), em relação à quantidade total de poliéster insaturado e diluente reativo presente na composição de resina.[0069] In the present invention, the amount of PETA in the resin composition is (i) preferably at least 10% and at most 20% (by weight), (ii) more preferably at least 15% and at most 20% (by weight), and (iii) most preferably 20% (by weight), relative to the total amount of unsaturated polyester and reactive diluent present in the resin composition.
[007 0] De acordo com a invenção, a cura da resina pode ser feita por dois processos distintos, dependendo da aplicação. Em ambos os processos, a resina é curada na presença de um iniciador de radical livre. O primeiro processo de cura, para aplicações de cura a frio, é usado em intervalos de temperatura adequados para laminação manual e/ou infusão a vácuo, quando o iniciador é um redox, em que a cura é realizada a uma temperatura (i) no intervalo de 10 a 80 °C, (ii) preferencialmente no intervalo de 0 a 70 °C, e (iii) mais preferencialmente no intervalo de 10 a 60 °C. Para processos de cura a frio, a presente invenção descreve o uso de um peróxido orgânico como agente redox (iniciador), mais preferencialmente peróxido de metiletilcetona (MEKP), em combinação com pelo menos um acelerador, mais preferencialmente octoato de cobalto. O segundo processo de cura é para cura a alta temperatura em processos como a pultrusão, onde um acelerador é opcionalmente necessário, uma vez que o processo de cura pode ser alcançado para temperaturas no intervalo de pelo menos 170 °C e no máximo 180 °C. A presente invenção sugere a utilização de peróxido de di-terc-butilo, diperftalato de di-terc-butilo, peróxido de di-terc-butilo, peróxido de metilisobutilcetona ou peroxibenzoato de terc-butilo.[007 0] According to the invention, the resin can be cured by two distinct processes, depending on the application. In both processes, the resin is cured in the presence of a free radical initiator. The first curing process, for cold curing applications, is used in temperature ranges suitable for manual lamination and/or vacuum infusion, when the initiator is a redox, wherein the curing is carried out at a temperature (i) in the range of 10 to 80 °C, (ii) preferably in the range of 0 to 70 °C, and (iii) more preferably in the range of 10 to 60 °C. For cold curing processes, the present invention describes the use of an organic peroxide as a redox agent (initiator), more preferably methyl ethyl ketone peroxide (MEKP), in combination with at least one accelerator, more preferably cobalt octoate. The second curing process is for high temperature curing in processes such as pultrusion, where an accelerator is optionally required, since the curing process can be achieved for temperatures in the range of at least 170 °C and at most 180 °C. The present invention suggests the use of di-tert-butyl peroxide, di-tert-butyl diperphthalate, di-tert-butyl peroxide, methyl isobutyl ketone peroxide or tert-butyl peroxybenzoate.
[0071] A síntese do pré-polímero foi preparada por policondensação em massa catalisada, realizada num reator de 2 litros (com válvula de drenagem de fundo) com tampa superior de 4 saídas, equipado com um agitador mecânico de lâmina de ancoragem, um termopar para controlar uma manta de aquecimento, uma entrada de nitrogénio (uma bolha por segundo), e um condensador ligado a um adaptador dean-stark para recolher a água (formada na reação e solubilização da matéria-prima).[0071] The prepolymer synthesis was prepared by catalyzed bulk polycondensation, carried out in a 2-liter reactor (with bottom drain valve) with a 4-outlet top cover, equipped with a mechanical anchor blade stirrer, a thermocouple to control a heating blanket, a nitrogen inlet (one bubble per second), and a condenser connected to a Dean-Stark adapter to collect water (formed in the reaction and solubilization of the raw material).
[0072] De acordo com a invenção, as seguintes etapas devem ser realizadas para preparar o pré-polímero presente na composição de resina:[0072] According to the invention, the following steps must be carried out to prepare the prepolymer present in the resin composition:
carregar o reator com isossorbida e água;load the reactor with isosorbide and water;
carregar o reator com: (i) ácido e/ou anidrido dicarboxílico insaturado e, opcionalmente, outros diácidos; (ii) dióis alifáticos e, opcionalmente, outros dióis; e (iii) adicionar o catalisador e uma porção de pelo menos um inibidor;charging the reactor with: (i) unsaturated dicarboxylic acid and/or anhydride and, optionally, other diacids; (ii) aliphatic diols and, optionally, other diols; and (iii) adding the catalyst and a portion of at least one inhibitor;
aumentar o aquecimento do reator até uma temperatura de 200 °C a 206 °C;increase the heating of the reactor to a temperature of 200 °C to 206 °C;
arrefecer a mistura de reação quando o pré-polímero de poliéster insaturado atinge a viscosidade aparente de um máximo de 3000 cP ou o índice de acidez é inferior a 60. A mistura de reação deve ser arrefecida a uma temperatura preferencialmente entre 140 °C e 150 °C, e;cool the reaction mixture when the unsaturated polyester prepolymer reaches an apparent viscosity of a maximum of 3000 cP or the acid number is less than 60. The reaction mixture should be cooled to a temperature preferably between 140 °C and 150 °C, and;
diluir o poliéster insaturado (pré-polímero) com diluente reativo, a uma temperatura de mistura não superior a 85 °C, para obter uma resina de poliéster insaturado.dilute the unsaturated polyester (prepolymer) with reactive diluent at a mixing temperature not exceeding 85 °C to obtain an unsaturated polyester resin.
[0073] Foram realizados testes de cromatografia de permeação em gel (em inglês, gel permeation chromatography, GPC) para determinar o peso molecular médio em número (Mn) e o peso molecular médio em peso (Mw) da cadeia principal das amostras das poliésteres, usando tetrahidrofurano como eluente, de acordo com a ISO 13885-1:2008 [22], numa concentração aproximada de 1 mg/ml. As amostras foram filtradas e injetadas no sistema com colunas preenchidas de um padrão monodisperso, ou seja, poliestireno reticulado com divinilbenzeno (gel).[0073] Gel permeation chromatography (GPC) tests were performed to determine the number-average molecular weight (Mn) and weight-average molecular weight (Mw) of the main chain of the polyester samples, using tetrahydrofuran as eluent, according to ISO 13885-1:2008 [22], at an approximate concentration of 1 mg/ml. The samples were filtered and injected into the system with columns packed with a monodisperse standard, i.e. polystyrene crosslinked with divinylbenzene (gel).
[0074] O teste de viscosidade foi realizado num instrumento de viscosímetro Cone & Plate da REL {Research Equipment London Ltd.), de acordo com a ISO 2884-2:2003 [23], que consiste em colocar apenas duas gotas de resina numa superfície que é subsequentemente pressionada por um cone giratório (a velocidade constante). A viscosidade foi tomada como o valor médio de 3 medições.[0074] The viscosity test was carried out on a Cone & Plate viscometer instrument from REL (Research Equipment London Ltd.) according to ISO 2884-2:2003 [23], which consists of placing only two drops of resin on a surface which is subsequently pressed by a rotating cone (at constant speed). The viscosity was taken as the average value of 3 measurements.
[0075] O tempo de gel foi usado como um parâmetro para monitorizar a reatividade/tempo de gelificação. Amostras com 12 g foram colocadas em tubos de vidro com 160 mm de comprimento e 16 mm de diâmetro e os testes foram realizados num instrumento gel timer Gelnorm®.[0075] Gel time was used as a parameter to monitor reactivity/gelation time. 12 g samples were placed in 160 mm long and 16 mm diameter glass tubes and tests were performed on a Gelnorm® gel timer instrument.
[0076] Os testes de dureza Barcol foram realizados usando o durómetro Barber Colman Barcol, seguindo a norma da Sociedade Americana de Testagem de Materiais (em inglês,[0076] Barcol hardness tests were performed using the Barber Colman Barcol durometer, following the American Society for Testing of Materials standard.
American Society for Testing and Materials, ASTM) ASTM D2583-13 [24] . 0 teste foi conduzido a partir de 3 mm do bordo da amostra. Ά fim de produzir uma distribuição uniforme da força, os espécimes da placa foram continuamente apoiados numa superfície rígida, dura e apoiada para minimizar dados falsos devido à flexão do material. Foram realizados vinte e cinco testes em cada placa de amostra. Após o teste, a média dos resultados foi calculada e considerada como dureza Barcol.American Society for Testing and Materials, ASTM) ASTM D2583-13 [24]. The test was conducted starting 3 mm from the edge of the specimen. In order to produce a uniform force distribution, the plate specimens were continuously supported on a rigid, hard, supported surface to minimize false data due to flexure of the material. Twenty-five tests were performed on each plate specimen. After testing, the average of the results was calculated and considered as Barcol hardness.
[0077] Os provetes de tração com formato de haltere (tipo IA) foram preparados de acordo com a parte 2 da ISO 527 [25] . Os provetes possuem forma prismática com alargamento da secção nas extremidades para evitar rotura na zona das garras. A transição da secção é feita com um raio constante de 24 ± 1 mm. Os testes foram realizados em controlo de deslocamento, a uma velocidade de 2 mm/min. A partir dos resultados dos testes, foram obtidos os valores médios das propriedades em tração, nomeadamente a resistência à tração, o módulo de elasticidade e a deformação na rotura.[0077] Dumbbell-shaped tensile specimens (type IA) were prepared in accordance with part 2 of ISO 527 [25]. The specimens have a prismatic shape with widening of the cross-section at the ends to avoid fracture in the gripper area. The cross-section transition is made with a constant radius of 24 ± 1 mm. The tests were carried out in displacement control, at a speed of 2 mm/min. From the test results, the average values of the tensile properties were obtained, namely the tensile strength, the modulus of elasticity and the deformation at rupture.
[0078] Para medir a Tg das resinas de poliéster insaturado, com base no início do decaimento da curva do módulo de armazenamento, foram realizados testes de DMA utilizando um analisador mecânico dinâmico da TA Instruments, modelo DMA Q800. Foram fabricadas amostras com dimensões de 60 mm x 10 mm x 4 ± 0,5 mm de acordo com a ASTM E1640-09 [26], que foram testadas numa configuração biencastrada num vão de 35 mm, onde a amostra é presa em ambas as extremidades e fletida no meio vão. Os provetes foram submetidos a uma amplitude de deformação de 15 μιη a uma frequência de oscilação constante de 1 Hz e submetidos a uma varredura de temperatura a uma taxa de aquecimento constante de 2 °C/min, começando em -30 °C e terminando em 150 °C. A Tg baseada no pico da tan δ também foi determinada.[0078] To measure the Tg of unsaturated polyester resins based on the onset of decay of the storage modulus curve, DMA tests were performed using a TA Instruments model DMA Q800 dynamic mechanical analyzer. Specimens with dimensions of 60 mm x 10 mm x 4 ± 0.5 mm were fabricated according to ASTM E1640-09 [26], and were tested in a bi-encased configuration in a 35 mm span, where the specimen is clamped at both ends and flexed at mid-span. The specimens were subjected to a deformation amplitude of 15 μιη at a constant oscillation frequency of 1 Hz and subjected to a temperature sweep at a constant heating rate of 2 °C/min, starting at -30 °C and ending at 150 °C. The Tg based on the peak tan δ was also determined.
ExemplosExamples
A invenção é agora demonstrada por meio de uma série de exemplos e experiências comparativas. Todos os exemplos e experiências apoiam o âmbito das reivindicações. A invenção, no entanto, não está restrita às modalidades especificas conforme mostradas nos exemplos seguintes.The invention is now demonstrated by means of a series of examples and comparative experiments. All examples and experiments support the scope of the claims. The invention, however, is not restricted to the specific embodiments as shown in the following examples.
[0079] Os exemplos 1, 2, 3 e 4 cobrem os principais blocos de construção atualmente disponíveis, nomeadamente, ácido 2,5-furano dicarboxílico (FDCA), isossorbida, 1,3propanodiol, ácidos dímeros, mostrando uma melhoria considerável em comparação com o estado da técnica ao introduzir um maior bio-conteúdo enquanto mantêm as propriedades mais adequadas para a finalidade da resina, que são, inter alia, a base de uma matriz para a impregnação de fibras para a fabricação de compósitos de PRF.[0079] Examples 1, 2, 3 and 4 cover the main building blocks currently available, namely, 2,5-furan dicarboxylic acid (FDCA), isosorbide, 1,3propanediol, dimer acids, showing a considerable improvement compared to the state of the art by introducing a higher bio-content while maintaining the most suitable properties for the purpose of the resin, which are, inter alia, the basis of a matrix for the impregnation of fibers for the manufacture of FRP composites.
Exemplos IA a 1CIA to 1C Examples
[0080] Os Exemplos 1A a 1C foram preparados de acordo com o procedimento de síntese padrão usando os reagentes listados na Tabela 1. Estes exemplos focam o uso de diferentes razões entre anidrido ftálico e ácido fumárico, sem alterar as proporções de dióis. Foram usados isossorbida, 1,3propanodiol e ácido fumárico como matérias-primas derivadas de fontes renováveis, enquanto o etilenoglicol e o anidrido ftálico foram derivados do petróleo. Foi usada água para dissolver isossorbida antes da reação num peso correspondente de 30% de isossorbida. Para realizar o processo de cura, foram utilizados peróxido de metiletilcetona e octoato de cobalto como iniciador e acelerador, respetivamente. As amostras dos exemplos 1A a 1C foram pós-curadas a 100 °C durante 4 h para realizar testes mecânicos e termofísicos.[0080] Examples 1A to 1C were prepared according to the standard synthesis procedure using the reagents listed in Table 1. These examples focus on the use of different ratios between phthalic anhydride and fumaric acid without changing the proportions of diols. Isosorbide, 1,3-propanediol, and fumaric acid were used as raw materials derived from renewable sources, while ethylene glycol and phthalic anhydride were derived from petroleum. Water was used to dissolve isosorbide prior to the reaction at a corresponding weight of 30% isosorbide. To carry out the curing process, methyl ethyl ketone peroxide and cobalt octoate were used as initiator and accelerator, respectively. The samples of Examples 1A to 1C were post-cured at 100 °C for 4 h to perform mechanical and thermophysical tests.
[0081] Os exemplos IA a 10 mostram que o pré-polímero de poliéster descoberto por esta invenção é capaz de conter um elevado teor derivado de matérias-primas renováveis, sempre acima de 68%, chegando a mais de 76%.[0081] Examples IA to 10 show that the polyester prepolymer discovered by this invention is capable of containing a high content derived from renewable raw materials, always above 68%, reaching more than 76%.
[0082] Os exemplos IA a 1C apresentam índices de acidez iguais ou inferiores a 50, que são muito semelhantes aos dos poliésteres insaturados convencionais produzidos na indústria do petróleo.[0082] Examples IA to 1C have acid numbers equal to or less than 50, which are very similar to those of conventional unsaturated polyesters produced in the petroleum industry.
[0083] As resinas obtidas a partir dos exemplos IA a 1C apresentam propriedades mecânicas e termofísicas iguais ou superiores às das resinas de poliéster insaturado convencionais derivadas do petróleo, como pode ser visto na Tabela 1.[0083] The resins obtained from examples IA to 1C exhibit mechanical and thermophysical properties equal to or superior to those of conventional unsaturated polyester resins derived from petroleum, as can be seen in Table 1.
[0084] As resinas dos exemplos 1A e 1B apresentam temperatura de transição vítrea igual ou superior àquelas derivadas do petróleo, com a vantagem de terem um teor renovável superior a 44% em peso.[0084] The resins of examples 1A and 1B have a glass transition temperature equal to or higher than those derived from petroleum, with the advantage of having a renewable content greater than 44% by weight.
[0085] As diferentes razões entre o anidrido ftálico derivado do petróleo e o ácido fumárico bio-derivado apresentadas nos exemplos 1Ά a 1C mostram que a invenção é capaz de apresentar intervalos de viscosidades diferentes, o que permite que seja usada como matriz para diferentes técnicas de fabrico para a indústria dos compósitos de PRF, nomeadamente, laminação manual, infusão a vácuo e pultrusão.[0085] The different ratios between petroleum-derived phthalic anhydride and bio-derived fumaric acid presented in examples 1Ά to 1C show that the invention is capable of presenting different viscosity ranges, which allows it to be used as a matrix for different manufacturing techniques for the FRP composites industry, namely, manual lamination, vacuum infusion and pultrusion.
[0086][0086]
Tabela 1: Exemplos IA a 1CTable 1: IA to 1C examples
Exemplos 2A e 2BExamples 2A and 2B
[0087] Os Exemplos 2A e 2B foram preparados de acordo com o procedimento de síntese padrão usando os reagentes listados na Tabela 2, onde foi testada a substituição parcial ou total do anidrido ftálico por ácido 2,5-furano dicarboxílico derivado de fontes renováveis. Foi usada água para dissolver isossorbida antes da reação em um peso correspondente de 30% de isossorbida. Para realizar o processo de cura, foram utilizados MEKP e octoato de cobalto como iniciador e acelerador, respetivamente. As amostras dos exemplos 2A e 2B foram pós-curadas a 100 °C durante 4 h para realizar testes mecânicos e termofísicos.[0087] Examples 2A and 2B were prepared according to the standard synthesis procedure using the reagents listed in Table 2, where partial or total replacement of phthalic anhydride by 2,5-furan dicarboxylic acid derived from renewable sources was tested. Water was used to dissolve isosorbide prior to the reaction at a corresponding weight of 30% isosorbide. To carry out the curing process, MEKP and cobalt octoate were used as initiator and accelerator, respectively. The samples of examples 2A and 2B were post-cured at 100 °C for 4 h to perform mechanical and thermophysical tests.
[0088] Os exemplos 2A e 2B apresentam um aumento considerável na Tg, atingindo até 70 °C, com base no início do decaimento da curva do módulo de armazenamento; surpreendentemente, a invenção permitiu atingir desempenho mecânico igual ou superior ao das resinas de poliéster derivadas do petróleo. Isso demonstra que o ácido 2,5-furano dicarboxílico, um monómero bio-derivado usado quase exclusivamente pela indústria de embalagens e tintas, pode ser usado como um bloco de construção para a síntese de resinas de poliéster insaturado de elevado desempenho e ecologicamente corretas para aplicações estruturais de PRF.[0088] Examples 2A and 2B show a considerable increase in Tg, reaching up to 70 °C, based on the onset of the decay of the storage modulus curve; surprisingly, the invention allowed to achieve mechanical performance equal to or superior to that of petroleum-derived polyester resins. This demonstrates that 2,5-furan dicarboxylic acid, a bio-derived monomer used almost exclusively by the packaging and paint industry, can be used as a building block for the synthesis of high-performance and environmentally friendly unsaturated polyester resins for structural FRP applications.
[0089] Surpreendentemente, a elevada viscosidade resultante da síntese do poliéster à base de isossorbida e ácido 2,5-furano dicarboxílico, relatada na literatura científica e em outras patentes, foi superada aqui pelo ajuste dos inibidores da reação, especialmente a toluhidroquinona. Viscosidades entre 1200 cP e 1300 cP mostradas pelos exemplos 2A e 2B são competitivas com as suas contrapartes derivadas do petróleo que estão atualmente disponíveis para a fabricação de compósitos de PRF pelo processo de pultrusão.[0089] Surprisingly, the high viscosity resulting from the synthesis of polyester based on isosorbide and 2,5-furan dicarboxylic acid, reported in the scientific literature and in other patents, was overcome here by adjusting the reaction inhibitors, especially toluhydroquinone. Viscosities between 1200 cP and 1300 cP shown by examples 2A and 2B are competitive with their petroleum-derived counterparts that are currently available for the manufacture of PRF composites by the pultrusion process.
[0090] Os exemplos 2A e 2B mostram que a resina de poliéster insaturado desenvolvida nesta invenção atinge elevadas propriedades mecânicas e termofisicas com bioconteúdo de até 55%, chegando a quase 60%.[0090] Examples 2A and 2B show that the unsaturated polyester resin developed in this invention achieves high mechanical and thermophysical properties with biocontent of up to 55%, reaching almost 60%.
[0091] Tabela 2: Exemplos 2A e 2B[0091] Table 2: Examples 2A and 2B
Exemplos 3A e 3BExamples 3A and 3B
[0092] Os Exemplos 3A e 3B foram preparados de acordo com o procedimento de síntese padrão usando os reagentes listados na Tabela 3, onde foi testada a substituição parcial do anidrido ftálico por ácido gordo dimerizado derivado de fontes renováveis. Foi usada água para dissolver o isossorbida antes da reação em um peso correspondente de 30% do isossorbida. Para realizar o processo de cura, foram utilizados MEKP e octoato de cobalto como iniciador e acelerador, respetivamente. As amostras dos exemplos 3A e 3B foram pós-curadas a 100 °C durante 4 h para realizar testes mecânicos e termofísicos.[0092] Examples 3A and 3B were prepared according to the standard synthesis procedure using the reagents listed in Table 3, where partial replacement of phthalic anhydride with dimerized fatty acid derived from renewable sources was tested. Water was used to dissolve isosorbide prior to the reaction at a corresponding weight of 30% of isosorbide. To carry out the curing process, MEKP and cobalt octoate were used as initiator and accelerator, respectively. The samples of examples 3A and 3B were post-cured at 100 °C for 4 h to perform mechanical and thermophysical tests.
[0093] Os exemplos 3A e 3B mostram gue a invenção permite substituir o anidrido (ou ácido) dicarboxilico saturado derivado do petróleo usando ácidos gordos dimerizados derivados do talol, o que aumenta a quantidade de conteúdo renovável na invenção. Substituindo parcialmente ou totalmente o anidrido ftálico, a invenção fornece, surpreendentemente, Tg acima de 60 °C com base no início da queda do módulo de armazenamento.[0093] Examples 3A and 3B show that the invention allows replacing petroleum-derived saturated dicarboxylic anhydride (or acid) with dimerized fatty acids derived from tallow, which increases the amount of renewable content in the invention. By partially or fully replacing phthalic anhydride, the invention surprisingly provides Tg above 60 °C based on the onset of the storage modulus decay.
[0094] Os Exemplos 3A e 3B apresentam viscosidades e tempos de gel adequados para serem usados na fabricação de materiais compósitos que requerem mais tempo para impregnar as fibras e precisam de menor retração, como os compósitos de PRF de grandes dimensões utilizados como faces de painéis sanduíche.[0094] Examples 3A and 3B present viscosities and gel times suitable for use in the manufacture of composite materials that require more time to impregnate the fibers and need less shrinkage, such as large-sized FRP composites used as faces of sandwich panels.
[0095][0095]
Tabela 3: Exemplos 3Ά e 3BTable 3: Examples 3Ά and 3B
Exemplos 4A e 4BExamples 4A and 4B
[0096] Os exemplos 4A e 4B foram preparados de acordo com o procedimento de síntese padrão usando os reagentes listados na Tabela 4. Estes exemplos não apresentam glicóis derivados do petróleo na sua formulação. Foi usada água para dissolver isossorbida antes da reação num peso correspondente de 30% de isossorbida. Para realizar o processo de cura, foram utilizados MEKP e octoato de cobalto como iniciador e acelerador, respetivamente. As amostras dos exemplos 4A e 4B foram pós-curadas a 100 °C durante 4 h para realizar testes mecânicos e termofísicos.[0096] Examples 4A and 4B were prepared according to the standard synthesis procedure using the reagents listed in Table 4. These examples do not feature petroleum-derived glycols in their formulation. Water was used to dissolve isosorbide prior to the reaction at a corresponding weight of 30% isosorbide. To perform the curing process, MEKP and cobalt octoate were used as initiator and accelerator, respectively. The samples of examples 4A and 4B were post-cured at 100 °C for 4 h to perform mechanical and thermophysical tests.
[0097] Os Exemplos 4A e 4B apresentam bio-conteúdo acima de 50%, com viscosidades semelhantes às das resinas de poliéster insaturado derivadas do petróleo para serem usadas como matrizes poliméricas na indústria de compósitos de PRF.[0097] Examples 4A and 4B present bio-content above 50%, with viscosities similar to those of petroleum-derived unsaturated polyester resins to be used as polymeric matrices in the FRP composites industry.
[0098] De acordo com os Exemplos 4A e 4B, a invenção permite, surpreendentemente, utilizar álcoois di-hídricos totalmente derivados de recursos renováveis, que podem substituir seus equivalentes derivados do petróleo, mantendo ou mesmo melhorando as propriedades mecânicas.[0098] According to Examples 4A and 4B, the invention surprisingly allows the use of dihydric alcohols entirely derived from renewable resources, which can replace their petroleum-derived equivalents while maintaining or even improving mechanical properties.
[0099][0099]
Table 4: Exemplos 4A and 4BTable 4: Examples 4A and 4B
Exemplo 5Example 5
[00100] A resina de poliéster obtida a partir do exemplo 2B foi submetida a um teste de tempo de gel a 180 °C com 1,0% de peroxibenzoato de ter-butilo (por exemplo, trigonox C™) e 0,5% de peróxido de metilisobutilcetona (por exemplo, trigonox HMaTM) como iniciador e acelerador, respetivamente. O tempo de gel foi 1 min e 11 segundos, o que mostra que a invenção permite modalidades baseadas no ácido 2,5-furano dicarboxilico, as quais podem ser utilizadas no processo de pultrusão.[00100] The polyester resin obtained from Example 2B was subjected to a gel time test at 180 °C with 1.0% tert-butyl peroxybenzoate (e.g., Trigonox C™) and 0.5% methyl isobutyl ketone peroxide (e.g., Trigonox HMa ™ ) as initiator and accelerator, respectively. The gel time was 1 min and 11 seconds, which shows that the invention allows embodiments based on 2,5-furan dicarboxylic acid, which can be used in the pultrusion process.
Exemplo 6Example 6
[00101] A resina de poliéster obtida a partir do exemplo 3B foi submetida a um teste de tempo de gel a 180 °C com 1,0% de peroxibenzoato de ter-butilo (por exemplo, trigonox CTM) e 0,5% de peróxido de metilisobutilcetona (por exemplo, trigonox HMaTM) como iniciador e acelerador, respetivamente. O tempo de gel foi 57 segundos, indicando reatividade rápida e um tempo de cura muito curto sob elevadas temperaturas na modalidade baseada em ácidos gordos dimerizados. Este parâmetro é importante para técnicas de processamento a quente, as quais requerem retração reduzida.[00101] The polyester resin obtained from Example 3B was subjected to a gel time test at 180 °C with 1.0% tert-butyl peroxybenzoate (e.g., Trigonox C ™ ) and 0.5% methyl isobutyl ketone peroxide (e.g., Trigonox HMa ™ ) as initiator and accelerator, respectively. The gel time was 57 seconds, indicating fast reactivity and a very short cure time at elevated temperatures in the dimerized fatty acid-based embodiment. This parameter is important for hot processing techniques, which require reduced shrinkage.
Exemplo 7Example 7
[00102] A resina de poliéster obtida no exemplo 4A foi submetida a um teste de tempo de gel a 180 °C com 1,0% de peroxibenzoato de ter-butilo (por exemplo, trigonox CTM) e 0,5% de peróxido de metilisobutilcetona (por exemplo, trigonox HMaTM) como iniciador e acelerador, respetivamente. O tempo de gel foi 1 minuto e 10 segundos, mostrando que a invenção pode ser usada em técnicas de processamento a quente.[00102] The polyester resin obtained in Example 4A was subjected to a gel time test at 180 °C with 1.0% tert-butyl peroxybenzoate (e.g., Trigonox C ™ ) and 0.5% methyl isobutyl ketone peroxide (e.g., Trigonox HMa ™ ) as initiator and accelerator, respectively. The gel time was 1 minute and 10 seconds, showing that the invention can be used in hot processing techniques.
Exemplo 8Example 8
[00103] O pré-polímero obtido no exemplo 4A foi incorporado numa mistura de diluentes reativos, numa proporção de 60/20/10/10 partes (em peso) de pré-polímero, estireno, HEMA e PETA, respetivamente, resultando numa resina de poliéster insaturado com 54% de bio-conteúdo. Foram usados peróxido e sal metálico para acelerar a cura da resina, nomeadamente MEKP e octoato de cobalto como iniciador e acelerador, respetivamente. Após 24 horas à temperatura ambiente, a resina foi pós-curada a 100 °C durante 4 horas. O produto curado tinha uma dureza Barcol média de 25 e módulo de elasticidade em tração de 3,5 GPa. As temperaturas de transição vítrea a partir do início do decaimento da curva do módulo de armazenamento e do pico da tan δ foram 55 °C e 95 °C, respetivamente.[00103] The prepolymer obtained in Example 4A was incorporated into a mixture of reactive diluents, in a ratio of 60/20/10/10 parts (by weight) of prepolymer, styrene, HEMA and PETA, respectively, resulting in an unsaturated polyester resin with 54% bio-content. Peroxide and metal salt were used to accelerate the curing of the resin, namely MEKP and cobalt octoate as initiator and accelerator, respectively. After 24 hours at room temperature, the resin was post-cured at 100 °C for 4 hours. The cured product had an average Barcol hardness of 25 and a tensile modulus of elasticity of 3.5 GPa. The glass transition temperatures from the beginning of the decay of the storage modulus curve and the tan δ peak were 55 °C and 95 °C, respectively.
Exemplo 9Example 9
[00104] O pré-polímero obtido no exemplo 4A foi incorporado numa mistura de diluentes reativos, na proporção de 60/20/20 partes (em peso) de pré-polímero, estireno e PETA, respetivamente, resultando numa resina de poliéster insaturado com 58% de bio-conteúdo. Foram usados peróxido e sal metálico para acelerar a cura da resina, nomeadamente MEKP e octoato de cobalto como iniciador e acelerador, respetivamente. Após 24 horas à temperatura ambiente, a resina foi pós-curada a 100 °C durante 4 horas. As temperaturas de transição vítrea a partir do início do decaimento da curva do módulo de armazenamento e do pico da tan δ foram 51 °C e 126 °C, respetivamente.[00104] The prepolymer obtained in Example 4A was incorporated into a mixture of reactive diluents, in the proportion of 60/20/20 parts (by weight) of prepolymer, styrene and PETA, respectively, resulting in an unsaturated polyester resin with 58% bio-content. Peroxide and metal salt were used to accelerate the curing of the resin, namely MEKP and cobalt octoate as initiator and accelerator, respectively. After 24 hours at room temperature, the resin was post-cured at 100 °C for 4 hours. The glass transition temperatures from the beginning of the decay of the storage modulus curve and the tan δ peak were 51 °C and 126 °C, respectively.
[00105] A divulgação não deve ser vista de forma alguma restrita às modalidades descritas e uma pessoa com habilidade comum na técnica irá prever muitas possibilidades de modificações das mesmas.[00105] The disclosure should not be seen in any way as restricted to the described embodiments and a person of ordinary skill in the art will foresee many possibilities for modifications thereof.
[00106] As modalidades descritas acima são combináveis.[00106] The modalities described above are combinable.
[00107] As seguintes reivindicações estabelecem ainda modalidades particulares da divulgação.[00107] The following claims further set out particular modalities of disclosure.
ReferênciasReferences
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