Encapsulation of reactive components in polyurethane systems

Abstract

Actualment els poliuretans s'utilitzen àmpliament en la indústria de recobriments i adhesius. Existeixen moltes tecnologies diferents per aplicar recobriments i adhesius sobre substrats i les tecnologies en les quals es pot controlar la reticulació o l'adhesió són de gran interès. De fet, això oferiria noves possibilitats per a sistemes complexos de recobriment/adhesiu. Amb aquesta finalitat, ja s'han desenvolupat reactius especials anomenats poliisocianats bloquejats; són derivats d'isocianats que només es poden activar mitjançant activador tèrmic. En un enfocament similar, l'encapsulació i l'alliberament controlat de components de formulació de poliuretà oferirà noves perspectives cap a tecnologies millorades. En primer lloc, en la present tesis, la encapsulació de catalitzadors basats en metalls en nanocàpsules de policaprolactona s'ha realitzat amb èxit mitjançant els mètodes de difusió de dissolvents d'emulsió i nanoprecipitació. S'ha obtingut una eficiència d'encapsulació millorada quan les nanocàpsules es carreguen amb una barreja de catalitzador i trioctanoat de gliceril, així com quan les nanocàpsules es sintetitzen amb superfícies exteriors carregades. La implementació d'aquestes nanocàpsules en recobriments de poliuretà demostra que són adequades per a la preparació de recobriments termosensibles. En segon lloc, s'ha aconseguit amb èxit l'encapsulació de poliisocianats, ja sigui en microcàpsules de poliuretà per policondensació interfacial, o en nanocàpsules de policaprolactona per nanoprecipitació. El procés d'encapsulació i l'estabilitat a llarg termini de les microcàpsules s'ha millorat molt treballant les propietats de l'embolcall de poliurea, però, les microcàpsules encara romanen fràgils amb el pas del temps i no es podrien utilitzar industrialment. La nanoencapsulació de poliisocianats ha mostrat que la reacció secundaria isocianat-aigua és especialment difícil d'evitar i suggereix que s'hauria d'investigar la tècnica d'encapsulació sense aigua, com ara la congelació d'esprai.

Actualmente los poliuretanos se utilizan ampliamente en la industria de recubrimientos y adhesivos. Existen muchas tecnologías distintas para aplicar recubrimientos y adhesivos sobre sustratos y las tecnologías en las que se puede controlar la reticulación o la adhesión son de gran interés. De hecho, esto ofrecería nuevas posibilidades para sistemas complejos de recubrimiento/adhesivo. A tal fin, ya se han desarrollado reactivos especiales llamados poliisocianatos bloqueados; son derivados de isocianatos que sólo pueden activarse mediante activador térmico. En un enfoque similar, la encapsulación y liberación controlada de componentes de formulación de poliuretano ofrecerá nuevas perspectivas hacia tecnologías mejoradas. En primer lugar, en la presente tesis, la encapsulación de catalizadores basados en metales en nanocápsulas de policaprolactona se ha realizado con éxito mediante los métodos de difusión de disolventes de emulsión y nanoprecipitación. Se ha obtenido una eficiencia de encapsulación mejorada cuando las nanocápsulas se cargan con una mezcla de catalizador y trioctanoato de glicerilo, así como cuando las nanocápsulas se sintetizan con superficies exteriores cargadas. La implementación de estas nanocápsulas en recubrimientos de poliuretano ha demostrado que son adecuadas para la preparación de recubrimientos termosensibles. En segundo lugar, se ha logrado con éxito la encapsulación de poliisocianatos, ya sea en microcápsulas de poliuretano por policondensación interfacial, o en nanocápsulas de policaprolactona por nanoprecipitación. El proceso de encapsulación y la estabilidad a largo plazo de las microcápsulas se ha mejorado mucho trabajando las propiedades de la envoltura de poliurea, sin embargo, las microcápsulas todavía permanecen frágiles con el paso del tiempo y no se podrían utilizar industrialmente. La nanoencapsulación de poliisocianatos ha mostrado que la reacción secundaria isocianato-agua es especialmente difícil de evitar y sugiere que debería investigarse la técnica de encapsulación sin agua, como la congelación de spray.

Nowadays polyurethanes are widely used in the coating and adhesive industry. Many different technologies exist to apply coatings and adhesives on substrates and technologies in which crosslinking or adhesion could be controlled are of greatest interest. Indeed, this would offer new possibilities for complex coating/adhesive systems. For this purpose, special reagents called blocked polyisocyanates have already been developed; they are derivatives of isocyanates which can only be activated via thermal trigger. In a similar approach, the encapsulation and controlled release of polyurethane formulation components would offer new perspectives toward enhanced technologies. First, the nanoencapsulation of metal-based catalysts into polycaprolactone nanocapsules was successfully performed by emulsion-solvent diffusion and nanoprecipitation. Improved encapsulation efficiency was obtained when the nanocapsules were loaded with a mixture of the catalyst and glyceryl trioctanoate, as well as when the nanocapsules were synthesized with charged outer surfaces. Implementation of these nanocapsules into polyurethane coatings showed that they are suitable for the preparation of thermoresponsive coatings. Then, the encapsulation of polyisocyanates was successfully achieved, either in polyurea microcapsules by interfacial polycondensation, or in polycaprolactone nanocapsules by nanoprecipitation. The encapsulation process and the long-term stability of the microcapsules was greatly improved by working on the polyurea shell properties, however, the microcapsules still remain fragile over time and could not be used industrially. The nanoencapsulation of polyisocyanates showed the isocyanate-water side-reaction is particularly challenging to avoid and it suggested that water-free encapsulation technique, such as spray congealing, should be investigated.