Biobased polyurethanes with tunable properties through covalent and non-covalent approaches

Abstract

Aquesta tesi va dirigida específicament al desenvolupament de poliuretans (PU)s funcionalitzats en la cadena lateral (FPU)s, sintetitzats a partir de diols funcionals que provenen d’àcids grassos i dos diisocianats diferents: el diisocianat d’isoforona (IPDI) i el diisocianat d’hexametilé (HDI). Aquests nous FPUs presenten una amina terciària i grups alquil, al•lil, propargil o la combinació d'aquests en la cadena lateral. Posteriorment els FPUs es modifiquen mitjançant dos mecanismes de post-polimerització basats en enllaços covalents o en enllaços no covalents.En el primer cas, es duen a terme una sèrie de reaccions fotoiniciades d’acoplament tiol-é/í entre el grup al.lil i propargil que presenten els FPUs (formats a partir de IPDI), i tioglicerol. Els hidroxi-PUs obtinguts, exhibeixen una millora del seu caràcter hidrofílic. Alternativament, els FPUs que contenen només una amina terciaria com a grup funcional situat a la cadena lateral del PU, es barregen amb diferents àcids carboxílics per donar una reacció àcid base. Els supramoleculars PUs resultants (SPU)s es caracteritzen per espectroscòpia per a verificar la presència d'enllaços iònics d'hidrogen que uneixen les cadenes de PU mitjançant interaccions fisiques. A més, es demostra la correlació existent entre l'estructura química i les propietats tèrmiques i mecàniques dels materials sintetitzats. Aquests materials presenten prometedores propietats adaptatives. Per exemple, ressalten les bones propietats de regeneració i reciclatge/remodelació, degudes al caràcter reversible de les interaccions físiques. Addicionalment, aquests elastòmers posseeixen una inherent capacitat d’autoreparació, que en termes pràctics es podria veure com una millomillora de la seva sostenibilitat. Finalment, es sintetitzen xarxes de PU que tenen un doble caràcter estructural mitjançant enllaços iònics d'hidrogen dinàmics i entrecreuaments covalents. La variació de la densitat d’entrecreuament covalent introduït per a cada una d’aquestes xarxes, produeixun ajustament sistemàtic de les propietats mecàniques i de la sensibilitat del material a la calor. Aquesta preparació demostra una via simple i eficaç per a la fabricació de poliuretans multifuncionals i l’estratègia seguida també es pot estendre a l'exploració d'altres tipus d'interaccions covalents i no covalents en polímers

Esta tesis está dirigida específicamente al desarrollo de poliuretanos (PU)s funcionalizados en la cadena lateral (FPU)s, sintetizados a partir de dioles funcionales que provienen de ácidos grasos y dos diisocianats diferentes; el diisocianato de isoforona (IPDI) y el diisocianato de hexametileno (HDI). Estos nuevos FPUs presentan una amina terciaria y grupos alquilo, alilo, propargilo o la combinación de éstos en posiciones de cadena lateral. Posteriormente los FPUs se modifican mediante dos mecanismos de post-polimerización basados en enlaces covalentes o en enlaces no covalentes.En el primer caso, se llevan a cabo una serie de reacciones fotoiniciadas de acoplamiento tiol-eno/ino entre el grupo alilo y propargilo que presentan los FPUs (formados a partir de IPDI), y tioglicerol. Los hidroxi-PUs obtenidos, exhiben una mejora de su carácter hidrófilo. Alternativamente, los FPUs que contienen sólo una amina terciaria como grupo funcional situado en la cadena lateral del PU, se mezclan con diferentes ácidos carboxílicos mediante una reacción de ácido base. Los PUs supramoleculares resultantes (SPU)s se caracterizan por espectroscopia para verificar la presencia de enlaces iónicos de hidrógeno que unen las cadenas de PU formando interacciones físicas. Además, se demuestra la correlación existente entre la estructura química y las propiedades térmicas y mecánicas de los materiales sintetizados. Estos materiales presentan prometedoras propiedades adaptativas. Por ejemplo, resaltan las buenas propiedades de regeneración y reciclaje/remodelación, debidas al carácter reversible de las interacciones físicas. Adicionalmente, estos elastómeros poseen una inherente capacidad de autorautorreparación, que en términos prácticos se podría ver como una mejora de su sostenibilidad. Finalmente, se sintetizan redes de PU que tienen un doble carácter estructural mediante enlaces iónicos de hidrógeno dinámicos y entrecruzamientos covalentes. La variación de la densidad de entrecruzamiento covalente introducido para cada una de estas redes produce un ajuste sistemático de las propiedades mecánicas y la sensibilidad del material al calor. Esta preparación demuestra una vía simple y eficaz para la fabricación de poliuretanos multifuncionales.

This Thesis is addressed to the development of side-chain functionalized polyurethanes (FPU)s, with enhanced properties, made from fatty acid-based functional diols and two different diisocyanates; isophorone diisocyanate (IPDI) and hexamethylene diisocyanate (HDI). The novel FPUs present tertiary amine and alkyl, allyl, propargyl moieties or the combination of these, as side-chain positions groups. The FPUs were further modified via two post-polymerization mechanisms based on covalent or non-covalent bonds. In the first case, photoinitiated thiol-ene/yne coupling reaction between allyl, propargyl-functionalized PUs (based on IPDI) and thioglycerol was carried out. Obtained hydroxyl-PUs exhibit different thermal and mechanical properties in comparison with precursor PUs. Moreover, the incorporation of hydroxyl groups leads to PUs with enhanced hydrophilicity. Alternatively, the FPU (based on IPDI) containing only tertiary amine pendant group was mixed with different carboxylic acids in an acid-base reaction. Supramolecular ionic PUs were characterized by spectroscopic tools to verify the presence of ionic hydrogen bond as ionic interaction. Correlation between structure and thermal and mechanical properties was demonstrated. Samples show rapid thermal reversibility and recyclability thanks to the reversible bonds. In addition, elastomeric supramolecular PUs networks were prepared from HDI and aminodiol. The resulting materials exhibit some promising adaptive material properties such as effective energy dissipation upon deformation through unzipping the ionic hydrogen bonding network, combined with good shape-regeneration property and recycling/reshaping capability arising from their recoverable nature. More importantly, the resulting biobased elastomers possess the inherent self-healing ability, which can be seen as an upgrade of their sustainability.A novel thermo-reversible network is constructed by the thiol-ene functionalized polyurethane via dynamic ionic hydrogen bonds and covalent cross-links. By varying the covalent cross-linking density, the mechanical properties and the stimuli-responsive behaviour can be systematically tuned. This synthesis demonstrates a simple and effective pathway to fabricate multifunctional polyurethanes with desired functions.