DOI: https://doi.org/10.1007/s10924-026-03764-z
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Thanathach Yingshataporn-a-nan وآخرون
الموضوع الرئيسي: المركبات البوليمرية والشفاء الذاتي
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تخليق وتوصيف طلاءات البولي يوريثان المستدامة (PU) المشتقة من مزيج بوليول 50/50 من بولي (إيثيلين جلايكول) (PEG3000) وزيت النخيل المستخدم المعدل (mUPO)، باستخدام ثنائي إيزوسيانات التولوين (TDI) عند مؤشر NCO قدره 100. تستكشف الدراسة تأثير كميات متغيرة من إيثيلين جلايكول (EG) كمعزز سلسلة (0-5 مول) على الخصائص الهيكلية والأداء للطلاءات. تشير النتائج الرئيسية إلى أن دمج EG يعزز بشكل كبير من قوة الالتصاق والانبساط، محققًا قيمًا قصوى تبلغ 26.2 ميغاباسكال و284% عند 2 مول من EG. أكدت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) تشكيل روابط اليوريثان، بينما كشفت المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) عن أسطح ملتصقة أكثر خشونة، مما يدل على تحسين المتانة.
أظهر التحليل الحراري من خلال المسح الحراري التفاضلي (DSC) والتحليل الحراري الوزني (TGA) أن مستويات EG المعتدلة عززت تفاعلات القطاعات الصلبة واللينة وحسنت الاستقرار الحراري، مع زيادة طاقة التنشيط (Ea) من 22.58 كيلوجول/مول (EG0) إلى 225.19 كيلوجول/مول (EG5). ومع ذلك، أدى محتوى EG المفرط إلى البلاستنة وتقليل الأداء. تختتم الدراسة بأن تحسين محتوى EG بين 1-3 مول أمر حاسم لتحقيق توازن بين الوزن الجزيئي، والالتصاق، والمرونة، والاستقرار الحراري في طلاءات PU، مما يبرز إمكانيات المعززات السلسلية المصممة في تطوير لاصقات وطلاءات PU عالية الأداء وصديقة للبيئة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية مواد الطلاء، وخاصة طلاءات البولي يوريثان (PU)، التي تُقدّر لحمايتها من التآكل، وقوتها الميكانيكية، ومرونتها. تتكون PUs، ككوبوليمرات كتلية، من قطاعات لينة وصلبة متناوبة تؤثر على أدائها من خلال الروابط الهيدروجينية وفصل الميكروفاز. بينما أدت التقدمات في كيمياء PU إلى وظائف مثل الخصائص الذاتية التنظيف والمضادة للبكتيريا، فإن الاعتماد على البوليمرات القائمة على النفط يثير مخاوف بشأن الاستدامة. وبالتالي، هناك اهتمام متزايد في استخدام الموارد المتجددة، مثل الزيوت النباتية، كمصادر بوليول مستدامة لتخليق PU.
تسلط الورقة الضوء على إمكانيات زيت النخيل المستخدم المعدل (mUPO) كمصدر بوليول متجدد، مع معالجة تطبيقه في إنتاج منتجات PU متنوعة، بما في ذلك الرغوات الممتصة للصوت واللاصقات المعتمدة على البيولوجيا. ومع ذلك، لا تزال التحديات مثل اللزوجة العالية وانخفاض تفاعل البوليمرات المستمدة من الزيوت النباتية مقارنة بنظيراتها المستمدة من النفط قائمة. للتخفيف من هذه المشكلات، تستكشف الدراسة الاستخدام المنهجي لمزيج 50/50 من mUPO وبولي (إيثيلين جلايكول) (PEG3000) في طلاءات PU، التي تم بوليمرتها باستخدام ثنائي إيزوسيانات التولوين (TDI). تهدف الدراسة إلى تقييم تأثير إيثيلين جلايكول (EG) على الهيكل الجزيئي وخصائص الأداء لـ PU الناتج، مما يعزز استغلال زيت النخيل المهدر في إنتاج طلاءات عالية القيمة ويساهم في تطوير تقنيات لاصقة مستدامة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تخليق لاصق بولي يوريثان مستدام باستخدام زيت النخيل المستخدم المعدل (mUPO) وبولي (إيثيلين جلايكول) (PEG) كمواد بوليول، مع استخدام ثنائي إيزوسيانات التولوين (TDI) كإيزوسيانات. تم تخليق mUPO من خلال عملية تعديل من خطوتين تشمل الإيبوكسي، تليها فتح الحلقة لإدخال وظائف الهيدروكسيل. تم تحديد قيمة الهيدروكسيل (OHV) لـ mUPO لتكون 192.19 ملغ KOH ج⁻¹، بينما تم حساب OHV النظري لـ PEG 3000 كـ 37.4 ملغ KOH ج⁻¹. كانت هذه القيم حاسمة لحساب الكميات الستيوكيومترية من TDI اللازمة للحفاظ على مؤشر NCO قدره 100، مما يضمن تفاعلًا كاملاً بين مجموعات الهيدروكسيل والإيزوسيانات.
تم إنتاج طلاءات البولي يوريثان (PU) من خلال بوليمرة المحلول في جو نيتروجيني محكم لمنع تداخل الرطوبة. تم إذابة PEG 3000 في تتراهيدروفوران (THF) لتحقيق محتوى صلب إجمالي قدره 15%، وتم إدخال كميات متغيرة من إيثيلين جلايكول (EG) كمعزز سلسلة. شملت التفاعل الإضافة المتسلسلة لـ mUPO، محفز ديوبيوتيلتين ديلورات (DBTL)، وTDI، تلتها التسخين والتحريك لتسهيل تشكيل شبكة PU. انتهت العملية بالتبخر التدريجي لـ THF لإنتاج أفلام لاصقة، مع معالجة الركائز الزجاجية مسبقًا لتعزيز الالتصاق من خلال التداخل الميكانيكي. يتم تلخيص المنهجية بصريًا في رسم تخطيطي، مما يبرز النهج المنهجي للتحقيق في تأثيرات تركيز EG على خصائص لاصق PU الناتج.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج المستخلصة من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. من الجدير بالذكر أن النتائج تظهر أن التدخل أو العلاج المطبق أدى إلى تحسينات قابلة للقياس في النتائج المستهدفة، كما يتضح من المقاييس الكمية المبلغ عنها.
علاوة على ذلك، يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الأوسع، مقترحًا تداعيات للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية. يؤكد المؤلفون على أهمية هذه النتائج في تعزيز الفهم للموضوع المقصود ويقترحون طرقًا محتملة لمزيد من الاستكشاف لبناء على الرؤى المستخلصة من هذه الدراسة. بشكل عام، تساهم النتائج في تقديم معرفة قيمة في هذا المجال وتؤكد على أهمية البحث الذي تم إجراؤه.
النقاش
في قسم النقاش من ورقة البحث، يتم تفصيل توصيف لاصقات البولي يوريثان (PU) المشتقة من زيت النخيل المستخدم المعدل (mUPO) وإيثيلين جلايكول (EG) من خلال تقنيات تحليلية متنوعة. كشفت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) عن تغييرات كبيرة في التركيب الكيميائي، وخاصة إدخال مجموعات الهيدروكسيل خلال تعديل UPO، مما زاد من ملاءمته كمواد بوليول. تم تأكيد تشكيل روابط اليوريثان من خلال ظهور نطاقات امتصاص مميزة، مما يدل على نجاح البلمرة والإدماج الفعال لـ mUPO وEG في هيكل PU. أظهر تحليل الوزن الجزيئي عبر كروماتوغرافيا النفاذ الهلامي (GPC) أن إضافة EG كمعزز سلسلة زادت بشكل كبير من الوزن الجزيئي المتوسط العددي (Mn) لـ PU، حيث بلغت ذروتها عند 21,700 غرام/مول لمستويات EG المعتدلة (EG3). ومع ذلك، أدى محتوى EG المفرط (≥4 مول) إلى انخفاض في Mn، يُعزى إلى المنافسة على مجموعات الإيزوسيانات، مما حد من نمو السلسلة وأسفر عن توزيع أوسع للوزن الجزيئي.
أشارت الدراسات الريولوجية إلى أن مستويات EG المعتدلة عززت الخصائص اللزجة المرنة لـ PU، مع زيادة في معامل التخزين (G′) ومعامل الفقد (G″) بسبب التمديد الفعال للسلسلة والروابط الهيدروجينية. في المقابل، حولت تركيزات EG الأعلى السلوك نحو استجابة مهيمنة لزجة، مما قلل من كثافة الشبكة والأداء الميكانيكي. أظهرت قياسات زاوية تماس الماء (WCA) أن PU ظل هيدروفيلًا عبر محتويات EG المتغيرة، مع زيادة طفيفة في طاقة السطح (SE) مع إدخال EG، مما يدل على أن مجموعات اليوريثان القطبية على السطح حافظت على تفاعلات قوية مع الماء. بشكل عام، تؤكد النتائج على الدور الحاسم لـ EG في تعديل الخصائص الهيكلية والوظيفية للاصقات PU، مع تداعيات لتطبيقاتها في المواد المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s10924-026-03764-z
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Thanathach Yingshataporn-a-nan et al.
Primary Topic: Polymer composites and self-healing
Overview
This research investigates the synthesis and characterization of sustainable polyurethane (PU) coatings derived from a 50/50 polyol blend of poly(ethylene glycol) (PEG3000) and modified used palm oil (mUPO), using toluene diisocyanate (TDI) at an NCO index of 100. The study explores the impact of varying amounts of ethylene glycol (EG) as a chain extender (0-5 mol) on the structural and performance characteristics of the coatings. Key findings indicate that the incorporation of EG significantly enhances adhesion strength and elongation, achieving peak values of 26.2 MPa and 284% at 2 mol of EG. Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy confirmed the formation of urethane linkages, while scanning electron microscopy (SEM) revealed rougher bonded surfaces, indicative of improved toughness.
Thermal analysis through differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA) demonstrated that moderate EG levels strengthened hard-soft segment interactions and improved thermal stability, with activation energy (Ea) increasing from 22.58 kJ/mol (EG0) to 225.19 kJ/mol (EG5). However, excessive EG content led to plasticization and diminished performance. The study concludes that optimizing EG content between 1-3 mol is crucial for achieving a balance of molecular weight, adhesion, flexibility, and thermal stability in PU coatings, thereby underscoring the potential of tailored chain extenders in developing high-performance, environmentally friendly PU adhesives and coatings.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of coating materials, particularly polyurethane (PU) coatings, which are valued for their corrosion protection, mechanical strength, and versatility. PUs, as block copolymers, consist of alternating soft and hard segments that influence their performance through hydrogen bonding and microphase separation. While advancements in PU chemistry have led to functionalities such as self-decontaminating and antibacterial properties, the reliance on petroleum-based polyols raises sustainability concerns. Consequently, there is a growing interest in using renewable resources, such as vegetable oils, as sustainable polyol feedstocks for PU synthesis.
The paper highlights the potential of modified used palm oil (mUPO) as a renewable polyol, addressing its application in producing various PU products, including sound-absorbing foams and bio-based adhesives. However, challenges such as high viscosity and lower reactivity of vegetable oil-derived polyols compared to petroleum-derived counterparts remain. To mitigate these issues, the study explores the systematic use of a 50/50 blend of mUPO and poly(ethylene glycol) (PEG3000) in PU coatings, polymerized with toluene diisocyanate (TDI). The research aims to evaluate the impact of ethylene glycol (EG) on the molecular structure and performance characteristics of the resulting PU, promoting the valorization of waste palm oil into high-value coatings and contributing to the development of sustainable adhesive technologies.
Methods
In this study, a sustainable polyurethane adhesive was synthesized using modified used palm oil (mUPO) and poly(ethylene glycol) (PEG) as polyols, with toluene diisocyanate (TDI) serving as the diisocyanate. The mUPO was synthesized through a two-step modification process involving epoxidation followed by ring-opening to introduce hydroxyl functionalities. The hydroxyl value (OHV) of mUPO was determined to be 192.19 mg KOH g⁻¹, while the theoretical OHV of PEG 3000 was calculated as 37.4 mg KOH g⁻¹. These values were critical for calculating the stoichiometric amounts of TDI needed to maintain an NCO index of 100, ensuring complete reaction between hydroxyl and isocyanate groups.
The polyurethane (PU) coatings were produced via solution polymerization in a controlled nitrogen atmosphere to prevent moisture interference. PEG 3000 was dissolved in tetrahydrofuran (THF) to achieve a total solid content of 15%, and varying amounts of ethylene glycol (EG) were introduced as a chain extender. The reaction involved sequential addition of mUPO, dibutyltin dilaurate (DBTL) catalyst, and TDI, followed by heating and stirring to facilitate the formation of the PU network. The process culminated in the gradual evaporation of THF to yield adhesive films, with glass substrates pre-treated to enhance adhesion through mechanical interlocking. The methodology is visually summarized in a schematic illustration, emphasizing the systematic approach to investigating the effects of EG concentration on the properties of the resulting PU adhesive.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Notably, the results demonstrate that the intervention or treatment applied led to measurable improvements in the target outcomes, as evidenced by the quantitative metrics reported.
Furthermore, the discussion contextualizes these findings within the broader literature, suggesting implications for future research and practical applications. The authors emphasize the importance of these results in advancing understanding of the subject matter and propose potential avenues for further exploration to build on the insights gained from this study. Overall, the findings contribute valuable knowledge to the field and underscore the relevance of the research conducted.
Discussion
In the discussion section of the research paper, the characterization of polyurethane (PU) adhesives derived from modified used palm oil (mUPO) and ethylene glycol (EG) is detailed through various analytical techniques. Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy revealed significant changes in chemical structure, particularly the introduction of hydroxy groups during the modification of UPO, which enhanced its suitability as a polyol. The formation of urethane linkages was confirmed by the appearance of characteristic absorption bands, indicating successful polymerization and the effective incorporation of mUPO and EG into the PU backbone. The molecular weight analysis via gel permeation chromatography (GPC) demonstrated that the addition of EG as a chain extender significantly increased the number-average molecular weight (Mn) of the PU, peaking at 21,700 g/mol for moderate EG levels (EG3). However, excessive EG (≥4 mol) led to a decrease in Mn, attributed to competition for isocyanate groups, which limited chain growth and resulted in broader molecular weight distribution.
Rheological studies indicated that moderate EG levels enhanced the viscoelastic properties of the PU, with storage modulus (G′) and loss modulus (G″) increasing due to effective chain extension and hydrogen bonding. In contrast, higher EG concentrations shifted the behavior towards a viscous-dominated response, reducing network density and mechanical performance. The water contact angle (WCA) measurements showed that the PU remained hydrophilic across varying EG contents, with a slight increase in surface energy (SE) as EG was introduced, indicating that the polar urethane groups at the surface maintained strong interactions with water. Overall, the findings underscore the critical role of EG in modulating the structural and functional properties of PU adhesives, with implications for their application in sustainable materials.