Síntese e caracterização de dispersões aquosas à base de poli(uretano-ureia)s e seus nanocompósitos com diferentes cargas inorgânicas para aplicação como membranas para tratamento de água
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Data de Publicação: | 2015 |
Tipo de documento: | Tese |
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Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ |
Texto Completo: | http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/15644 |
Resumo: | Novel non-pollutant materials based on waterborne poly(urethane-urea)s (WPUU) and respective nanocomposites (NWPUU) with inorganic nanoloads were synthesized aiming the obtainment of membranes adequate for separation of components present in aqueous solutions. The monomers employed in the formulations were: hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB), poly(propylene glycol) (PPG), dimethylolpropionic acid (DMPA) and isophorone diisocyanate (IPDI). Hydrazine (HYD) or ethylene diamine (EDA) were employed as chain extenders. The following inorganic compounds were added as nanoloads: hydrophilic montmorilonite clay (Clay Na+), simple wall carbon nanotubes (SWCNT) and hydroxyl-funcionalized graphene oxide (GO-OH). Formulations were developed targeting the production of materials with structural regularity, hydro- and organophilic appropriate characteristics, mechanical resistance and low elongation, minor swelling in water, low contact angle and adequate thermal and chemical resistances. Those are extreme important characteristics concerning to membranes applied in nanofiltration (NF) and inverse osmosis (IO) processes. In the formulations were varied: the length of flexible segment, employing polyethers (PPG) with two different molecular mass values; the proportion of PPG, HTPB and DMPA; the proportion between rigid and flexible segments (R NCO/OH); and the type of chain extender. Effective methods for nanoload dispersion were developed resulting in stable systems against sedimentation. The aqueous dispersions were characterized in terms of solid content (ST), apparent viscosity and average particle size. Cast films obtained from the dispersions were studied by infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), scanning electronic microscopy (SEM), termogravimetry (TG), contact angle measurements, swelling in water tests and mechanical assays. Combined results pointed to the most promising materials for possible application as membranes for permeation of aqueous solutions, namely those formulations with: HTPB and DMPA higher contents, HYD as chain extender and R NCO/OH = 2.0. Based on these results, dispersions with 0.5% of nanoloads were synthesized. Two methods were tested to produce of the membranes: phase inversion, using different organic solvents, and casting in polyethersulfone (PES) support. The former were discarded because of the toxicity of the solvents. On the other hand, casting in PES resulted in composed dense membranes based on WPUU and NWPUU. The systems endured pressures up to 25 bar not showing any structural change, which confirmed the high mechanical resistance and structural regularity required for NF and IO processes. The results indicated the potential application of these materials in separation of aqueous micropollutants. In this work, the main parameters for optimization of casting method were detected in order to obtain low thickness composed membranes adequate to permeation processes |
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Tese (Doutorado em Química ambiental; Polímeros) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2015.http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/15644Novel non-pollutant materials based on waterborne poly(urethane-urea)s (WPUU) and respective nanocomposites (NWPUU) with inorganic nanoloads were synthesized aiming the obtainment of membranes adequate for separation of components present in aqueous solutions. The monomers employed in the formulations were: hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB), poly(propylene glycol) (PPG), dimethylolpropionic acid (DMPA) and isophorone diisocyanate (IPDI). Hydrazine (HYD) or ethylene diamine (EDA) were employed as chain extenders. The following inorganic compounds were added as nanoloads: hydrophilic montmorilonite clay (Clay Na+), simple wall carbon nanotubes (SWCNT) and hydroxyl-funcionalized graphene oxide (GO-OH). Formulations were developed targeting the production of materials with structural regularity, hydro- and organophilic appropriate characteristics, mechanical resistance and low elongation, minor swelling in water, low contact angle and adequate thermal and chemical resistances. Those are extreme important characteristics concerning to membranes applied in nanofiltration (NF) and inverse osmosis (IO) processes. In the formulations were varied: the length of flexible segment, employing polyethers (PPG) with two different molecular mass values; the proportion of PPG, HTPB and DMPA; the proportion between rigid and flexible segments (R NCO/OH); and the type of chain extender. Effective methods for nanoload dispersion were developed resulting in stable systems against sedimentation. The aqueous dispersions were characterized in terms of solid content (ST), apparent viscosity and average particle size. Cast films obtained from the dispersions were studied by infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), scanning electronic microscopy (SEM), termogravimetry (TG), contact angle measurements, swelling in water tests and mechanical assays. Combined results pointed to the most promising materials for possible application as membranes for permeation of aqueous solutions, namely those formulations with: HTPB and DMPA higher contents, HYD as chain extender and R NCO/OH = 2.0. Based on these results, dispersions with 0.5% of nanoloads were synthesized. Two methods were tested to produce of the membranes: phase inversion, using different organic solvents, and casting in polyethersulfone (PES) support. The former were discarded because of the toxicity of the solvents. On the other hand, casting in PES resulted in composed dense membranes based on WPUU and NWPUU. The systems endured pressures up to 25 bar not showing any structural change, which confirmed the high mechanical resistance and structural regularity required for NF and IO processes. The results indicated the potential application of these materials in separation of aqueous micropollutants. In this work, the main parameters for optimization of casting method were detected in order to obtain low thickness composed membranes adequate to permeation processesNovos materiais não poluentes à base de poli(uretano-ureia)s aquosos e seus nanocompósitos com cargas inorgânicas foram sintetizados visando a obtenção de membranas adequadas para separação de componentes em soluções aquosas. Os monômeros empregados nas diferentes formulações foram: polibutadieno líquido hidroxilado (HTPB), poli(glicol propilênico) (PPG), ácido dimetilolpropiônico (DMPA) e diisocianato de isoforona (IPDI), tendo hidrazina (HYD) ou etilenodiamina (EDA) como extensores de cadeia. As nanocargas inorgânicas empregadas foram argila montmorilonita sódica, de natureza hidrofílica (Clay Na+), nanotubos de carbono de parede simples (SWCNT) e óxido de grafeno funcionalizado com grupos hidroxila (GOOH). As diferentes formulações de poli(uretano-ureia)s dispersas em água (WPUU) e seus nanocompósitos (NWPUU) foram desenvolvidas visando a produção de materiais com regularidade estrutural, características hidro- e organofílicas, resistência mecânica e baixo alongamento, pouco inchamento em água, baixo ângulo de contato e boas resistências térmica e química. Tais características são de extrema importância para materiais aplicados na manufatura de membranas, para separação de soluções aquosas em processos de nanofiltração (NF) e osmose inversa (IO). Para isso foram feitas variações no tamanho do segmento flexível: com a utilização de poliéteres (PPG) com duas massas molares diferentes, e pela variação na proporção de PPG, HTPB e DMPA na formulação. A proporção entre os segmentos flexíveis e rígidos (NCO/OH) também foi variada, bem como o tipo de extensor de cadeia. Métodos efetivos de dispersão das nanocargas foram desenvolvidos resultando em sistemas estáveis frente à sedimentação. As dispersões produzidas foram caracterizadas em termos de teor de sólidos (ST), viscosidade aparente e tamanho médio de partículas. Os filmes obtidos após vazamento das dispersões foram caracterizados por espectrometria de absorção no infravermelho (FTIR), difração de raios-X (XRD), microscopia eletrônica de varredura (SEM), medidas de ângulo de contato, termogravimetria (TG), ensaios mecânicos e testes de inchamento em água. Os resultados em conjunto indicaram os materiais mais promissores para a possível aplicação como de membranas para a permeação de soluções aquosas. Os filmes obtidos a partir de WPUU escolhidos para a manufatura das membranas foram aqueles que continham os mais elevados teores de HTPB e de DMPA na formulação, hidrazina como extensor de cadeia, e razão NCO/OH igual a 2,0. Dispersões com 0,5% de nanocargas em relação à massa de prepolímero foram, então, sintetizadas (NWPUU). Dois métodos de produção das membranas foram testados: inversão de fases, com o emprego de diferentes solventes orgânicos, e por espalhamento ou casting, para a produção de membranas compostas em suportes de polietersulfona (PES). A inversão de fases foi descartada por não se conseguir solvente não tóxico apropriado para a coagulação e consequente produção de membranas anisotrópicas integrais. Já o espalhamento em suporte de PES permitiu a produção de membranas compostas com pele densa à base de WPUU e NWPUU. As membranas suportaram pressões de até 25 bar sem qualquer alteração de sua integridade confirmando a elevada resistência mecânica e regularidade estrutural dos materiais desenvolvidos para os processos de separação por nanofiltração (NF) e osmose inversa (IO), indicando caminhos promissores para a aplicação desses materiais para a separação de micropoluentes aquosos. Foram identificados os principais parâmetros necessários para ajustes futuros na otimização do método de espalhamento, para proporcionar reduções nas espessuras da pele adequadas aos processos de permeaçãoSubmitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-07T18:58:40Z No. of bitstreams: 1 Gisele dos Santos Miranda.pdf: 8420882 bytes, checksum: 37f4cc1684b54184bf467e1d38d65ae2 (MD5)Made available in DSpace on 2021-01-07T18:58:40Z (GMT). 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Síntese e caracterização de dispersões aquosas à base de poli(uretano-ureia)s e seus nanocompósitos com diferentes cargas inorgânicas para aplicação como membranas para tratamento de água Miranda, Gisele dos Santos Aqueous dispersions nanocomposites hydrophilic clay carbon nanotubes grapheme oxide membranes aqueous solutions permeation Poli(uretano-ureia)s dispersões aquosas nanocompósitos argila hidrofílica nanotubos de carbono óxido de grafeno membranas permeação de soluções aquosas CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA ORGANICA::POLIMEROS E COLOIDES |
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