Vegetable Oil-based and Recycled PET-based Polyurethane Foams for Insulation Purposes

Abstract

Materials that manage energy consumption and preserve natural resources remain one of the global priorities. Polyurethane (PU) is a popular and widely used insulation type in buildings. However, the two main raw materials of PU are traditionally petroleum-based. Therefore, opportunities to produce bio-based PU through different routes should be explored. In this thesis, the use of vegetable oil-based polyol as an alternative to petroleum-based polyol in rigid polyurethane foams (RPUFs) for thermal insulation is investigated. This study aims to optimize the performance and sustainability of the RPUFs made. A series of tests were performed by changing the ratio between vegetable oil-based polyol and recycled PET-based polyol, as well as adjusting other polyurethane starting materials and their amounts. Different types of tests were performed to determine the impact of foaming conditions. Properties such as thermal conductivity, compressive strength, density, and dimensional stability were observed and analyzed. Based on the tests, the optimal polyol ratio was 80 % vegetable oil-based polyol and 20 % recycled PET-based polyol, and the optimal isocyanate index was 1.40. This balance point offered a favorable compromise between good insulation properties and reduced petroleum-based content. The use of a heated and closed mold and a polyurethane mixing machine improved foam properties such as thermal conductivity by enhancing the cell structure. Durable closed-cell content was identified as one of the key factors in achieving desirable foam properties. Although the vegetable oil-based content was successfully increased, some challenges, like shrinking of the foam caused by poor dimensional stability, remain.

Energiankäyttöä säätelevät ja luonnonvaroja säästävät materiaalit ovat yksi maailmanlaajuisista prioriteeteista. Polyuretaani (PU) on suosittu ja laajasti käytetty rakennuseriste. Polyuretaanin kaksi pääraaka-ainetta ovat perinteisesti fossiilipohjaisia ja siksi biopohjaisten polyuretaanieristeiden valmistustapoja on tutkittava. Tässä diplomityössä tutkitaan kasviöljypohjaisen polyolin käyttöä vaihtoehtona fossiilipohjaiselle polyolille rakennuseristeenä käytettyjen jäykkien polyuretaanivaahtojen valmistuksessa. Työn tavoitteena on optimoida valmistettujen jäykkien polyuretaanivaahtojen ympäristöystävällisyyttä ja suorituskykyä eristeenä. Erilaisia testejä toteutettiin muuttamalla kasviöljypohjaisen polyolin ja kierrätetystä PET:stä valmistetun polyolin suhdetta. Tämän lisäksi muita raaka-aineita ja niiden määriä vaihdeltiin. Erilaisia testimenetelmiä käytettiin selvittämään vaahtoamisolosuhteiden vaikutuksia valmiiseen vaahtoon. Vaahdon mitattavia ja tarkkailtavia ominaisuuksia, olivat mm. lämmönjohtavuus, puristuslujuus, tiheys ja mittapysyvyys. Testien perusteella optimaaliseksi polyolien suhteeksi todettiin 80 % kasviöljypohjaista polyolia ja 20 % PET-kierrätysmuovipohjaista polyolia. Optimaaliseksi isosyanaatti-indeksiksi todettiin 1,40. Tämä tasapainopiste tarjosi hyväksyttävän kompromissin hyvän eristemateriaalin ominaisuuksien ja fossiilipohjaisen raaka-aineen vähentämisen välillä. Lämmitetyn ja suljetun muotin sekä polyuretaanin valmistamiseen tarkoitetun koneen käyttäminen paransi mm. vaahdon lämmönjohtavuutta. Kestävä solurakenne ja suljetut solut havaittiin olevan avainasemassa hyvän vaahdon saavuttamiseksi. Vaikka kasvipohjaisen polyolin osuutta onnistuttiin kasvattamaan, joitakin haasteita jäi. Yksi ratkaisua vaativa haaste oli vaahdon kutistuminen huonon mittapysyvyyden vuoksi.