Effect of thermal aging on the crystalline structure and mechanical performance of fully bio-based, furan-ester, multiblock copolymers

Kwiatkowska, M.; Kowalczyk, I.; Szymczyk, A.; Gorący, K.

doi:10.14314/polimery.2018.9.3

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Effect of thermal aging on the crystalline structure and mechanical performance of fully bio-based, furan-ester, multiblock copolymers

Autorzy

Kwiatkowska M. , Kowalczyk I. , Szymczyk A. , Gorący K.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

DOI

10.14314/polimery.2018.9.3

Warianty tytułu

Wpływ procesu wygrzewania na strukturę krystaliczną i właściwości mechaniczne furano-estrowych kopolimerów multiblokowych z udziałem monomerów pochodzenia roślinnego

Języki publikacji

Abstrakty

In this study, the effect of thermal aging on the physical transitions, crystalline structure development and the mechanical performance of furan-ester, multiblock copolymers is reported. The materials were synthesized via polycondensation in a melt using 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), 1,3-propanediol (1,3-PD) and dimerized fatty acid diol (FADD). All reagents were plant-derived. The copolymers were characterized by a multiblock structure with randomly distributed poly(trimethylene 2,5-furandicarboxylate) (PTF) and FADD segments and a phase separation forced by the crystallization of the rigid segment. As a consequence, the copolymers revealed elastomeric behavior and a rubbery plateau over a relatively large temperature range and also good processability. However, due to the specific architecture of FDCA – the most important bio-based monomer – the crystallization of the rigid segment was impeded. Differential scanning calorimetry (DSC), wide-angle (WAXS) and small-angle X-ray scattering (SAXS) analyses confirmed a significant development in the crystalline structure due to the thermal treatment. As a consequence, noticeable changes in the mechanical performance of the copolymer samples were observed, which is interesting for potential applications of these new materials.

Analizowano wpływ procesu wygrzewania na przemiany fizyczne, strukturę krystaliczną oraz właściwości mechaniczne furano-estrowych kopolimerów multiblokowych. Materiały otrzymano metodą polikondensacji w stanie stopionym z wykorzystaniem pozyskiwanych z roślin następujących monomerów: kwasu 2,5-furanodikarboksylowego (FDCA),1,3-propanodiolu (1,3-PD) oraz diolu dimeryzowanych kwasów tłuszczowych (FADD). Badane kopolimery charakteryzowały się multiblokową strukturą z naprzemiennie rozłożonymi segmentami sztywnymi i giętkimi oraz separacją fazową wymuszoną przez krystalizację segmentów sztywnych. W konsekwencji materiały wykazywały cechy typowe dla elastomerów, plateau elastyczności w dość dużym zakresie temperatury oraz łatwość przetwórstwa. Z powodu specyficznej budowy FDCA – najważniejszego biomonomeru – krystalizacja segmentów sztywnych była jednak wyraźnie utrudniona. Metodami różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) i rozpraszania promieniowania rentgenowskiego pod dużymi i małymi kątami (WAXS i SAXS) potwierdzono istotne zmiany w strukturze krystalicznej na skutek wygrzewania. Stwierdzono również wpływ wygrzewania na właściwości mechaniczne kopolimerów, co może być interesujące w aspekcie aplikacyjnym materiałów.

Słowa kluczowe

2,5-furandicarboxylic acid furan-ester copolymers bio-based polymers thermal aging

kwas 2,5-furanodikarboksylowy kopolimery furano-estrowe polimery otrzymane z monomerów pochodzenia roślinnego proces wygrzewania

Wydawca

Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Chemii Przemysłowej

Czasopismo

Polimery

Rocznik

2018

Tom

T. 63, nr 9

Strony

594--602

Opis fizyczny

Bibliogr. 57 poz.

Twórcy

autor

Kwiatkowska M.

magdalena.kwiatkowska@zut.edu.pl

West Pomeranian University of Technology, Institute of Material Science and Engineering, Piastów 19, 70-310 Szczecin, Poland

autor

Kowalczyk I.

West Pomeranian University of Technology, Institute of Material Science and Engineering, Piastów 19, 70-310 Szczecin, Poland

autor

Szymczyk A.

West Pomeranian University of Technology, Institute of Physics, Piastów 48, 70-310 Szczecin, Poland

autor

Gorący K.

West Pomeranian University of Technology, Polymer Institute, Pułaskiego 10, 70-310 Szczecin, Poland

Bibliografia

[1] Duda A., Penczek S.: Polimery 2003, 48, 16.
[2] “Poly(Lactic Acid): Synthesis, Structures, Properties, Processing, and Applications”, (Eds. Auras R., Lim L.-T., Selke S., Tsuji H.), Wiley & Sons, New Jersey 2010.
[3] Lotz B.: “Advances in Polymer Science: Crystal Polymorphism and Morphology of Polylactides”, (Eds. Di Lorenzo M., Androsch R.), Vol. 279, Springer, Cham 2017.
[4] Fujimaki T.: Polymer Degradation and Stability 1998, 59, 209. http://dx.doi.org/10.1016/S0141-3910(97)00220-6
[5] Terzopoulou Z.N., Papageorgiou G.Z., Papadopoulou E. et al.: Polymer Composites 2016, 37, 407. http://dx.doi.org/10.1002/pc.23194
[6] Xu J., Guo B.-H.: Biotechnology Journal 2010, 5, 1149. http://dx.doi.org/10.1002/biot.201000136
[7] Jacquel N., Freyermouth F., Fenouillot F. et al.: Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 2011, 49, 5301. http://dx.doi.org/10.1002/pola.25009
[8] Siegenthaler K.O., Künkel A., Skupin G., Yamamoto M.: “Synthetic Biodegradable Polymers”, (Eds. Rieger B., Künkel A., Coates W.G., Reichardt R., Dinjus E., Zevaco A.T.), Springer, Berlin Heidelberg 2012, p. 91.
[9] Müller R.-J., Witt U., Rantze E., Deckwer W.-D.: Polymer Degradation and Stability 1998, 59, 203. http://dx.doi.org/10.1016/S0141-3910(97)00186-9
[10] Weng Y.-X., Jin Y.-J., Meng Q.-Y. et al.: Polymer Testing 2013, 32, 918. http://dx.doi.org/10.1016/j.polymertesting.2013.05.001
[11] Zehetmeyer G., Meira S., Scheibel J.-M. et al.: Polymer Bulletin 2017, 74, 3243. http://dx.doi.org/10.1007/s00289-016-1896-8
[12] Hassan M.-A., Yee L.-N., Yee P.-L. et al.: Biomass and Bioenergy 2013, 50, 1. http://dx.doi.org/10.1016/j.biombioe.2012.10.014
[13] Bugnicourt E., Cinelli P., Lazzeri A. et al.: Express Polymer Letters 2014, 8, 791. http://dx.doi.org/10.3144/expresspolymlett.2014.82
[14] Lau N.-S., Ch’ng D., Chia K.-H. et al.: Journal of Biobased Materials and Bioenergy 2014, 8, 118. http://dx.doi.org/10.1166/jbmb.2014.1418
[15] Oladipo A.A., Abureesh M.A., Gazi M.: International Journal of Biological Macromolecules 2016, 89, 161.
[16] Jang G.-W., Wong J.-J., Huang Y.-T., Li C.-L.: “Ionic Liquids in the Biorefinery Concept: Challenges and Perspectives; Synthesis of HMF in Ionic Liquids: Biomass-Derived Products”, (Ed. Bogel-Lukasik R.), RSC Green Chemistry 2016, p. 202.
[17] Kowalczyk I., Kwiatkowska M., Rosłaniec Z.: Elastomery 2016, 20, 40.
[18] Kröger M., Prüße U., Vorlop K.-D.: Topics in Catalysis 2000, 13, 237.
[19] Pat. EU EP0356703A3 (1990).
[20] Pat. US 8748637B2 (2013).
[21] Pat. WO 2 010 132 740 (2013).
[22] Pat. WO 2 011/043 660 (2013).
[23] Zhang Z., Deng K.: ACS Catalysis 2015, 5, 6529. http://dx.doi.org/10.1021/acscatal.5b01491
[24] Zhang S., Zhang L.: Polish Journal of Chemical Technology 2017, 19, 11. http://dx.doi.org/10.1515/pjct-2017-0002
[25] Banerjee A., Dick G.R., Yoshin T., Kanan M.W.: Nature 2016, 531, 215. http://dx.doi.org/10.1038/nature17185
[26] Scott A.: Chemical and Engineering News 2016, 94, 15.
[27] Boufi S., Gandini A., Belgacem M.N.: Polymer 1995, 36, 1689. http://dx.doi.org/10.1016/0032-3861(95)99015-M
[28] Zhang L., Luo Q., Qin Y., Yebo L.: RSC Advances 2017, 7, 37. http://dx.doi.org/10.1039/C6RA25045A
[29] Cao M., Zhang C., He B. et al.: Macromolecular Research 2017, 25, 722. http://dx.doi.org/10.1007/s13233-017-5070-4
[30] Cousin T., Galy J., Roussea A. et al.: Journal of Applied Polymer Science 2018, 135, 45 901. http://dx.doi.org/10.1002/app.45901
[31] Jiang Y., Maniar D., Woortman A.J.J. et al.: RSC Advances 2016, 6, 67 941. http://dx.doi.org/10.1039/C6RA14585J
[32] Hong S., Min K.-D., Nam B.-U. et al.: Green Chemistry 2016, 18, 5142. http://dx.doi.org/10.1039/C6GC01060A
[33] Sousa A.F., Fonseca A.C., Serra A.C. et al.: Polymer Chemistry 2016, 7, 1049. http://dx.doi.org/10.1039/C5PY01702E
[34] Sousa A.F., Coelho J.F.J., Silvestre A.J.D.: Polymer 2016, 98, 129. http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2016.06.015
[35] Tsanaktsis V., Terzopoulou Z., Nerantzaki M. et al.: Materials Letters 2016, 178, 64. http://dx.doi.org/10.1016/j.matlet.2016.04.183
[36] Papageorgiou G.Z., Papageorgiou D.G., Terzopoulou Z. et al.: European Polymer Journal 2016, 83, 202. http://dx.doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2016.08.004
[37] Wang J., Liu X., Zhang Y. et al.: Polymer 2016, 103, 1. http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2016.09.030
[38] Soccio M., Martínez-Tong D.E., Alegría A. et al.: Polymer 2017, 128, 24. http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2017.09.007
[39] Wang G., Jiang M., Zhang Q. et al.: Polymer Degradation and Stability 2017, 144, 121. h t t p : //d x . d o i . o r g / 10 .10 16 / j . p o l y m d e g r a d -stab.2017.07.032
[40] Knoop R.J.I., Vogelzang W., van Haver J. et al.: Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 2013, 51, 4191. http://dx.doi.org/10.1002/pola.26833
[41] Wu B., Xu Y., Bu Z. et al.: Polymer 2014, 55, 3648. http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2014.06.052
[42] Kwiatkowska M., Kowalczyk I., Kwiatkowski K. et al.: Polymer 2017, 130, 26. http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2017.10.009
[43] Jiang M., Liu Q., Zhang Q. et al.: Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 2012, 50, 1026. http://dx.doi.org/10.1002/pola.25859
[44] Kwiatkowska M., Kowalczyk I., Kwiatkowski K., Rosłaniec Z.: Polymer 2016, 99, 503. http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2016.07.060
[45] “Handbook of Thermoplastic Polyesters”, (Ed. Fakirov S.), Wiley-Vch, Weinheim 2002.
[46] Holden G., Bishop E.T., Legge N.R.: “Thermoplastic Elastomers”, Hanser Publishers, Munich 1996.
[47] Djonlagic J., Nikolic M.S.: “Handbook of Engineering and Speciality Thermoplastics; Thermoplastic Copolyester Elastomers”, (Eds. Thomas S., Visakh P.M.), John Wiley & Sons, Inc., Hoboken 2011, p. 377.
[48] Terzopoulou Z., Tsanaktsis V., Bikiaris D.N. et al.: RSC Advances 2016, 6, 84 003. http://dx.doi.org/10.1039/C6RA15994J
[49] Soccio M., Costa M., Lotti N. et al.: European Polymer Journal 2016, 81, 397. http://dx.doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2016.06.022
[50] Zhou W., Zhang Y., Xu Y. et al.: Polymer Degradation and Stability 2014, 109, 21. h t t p : //d x . d o i . o r g / 10 .10 16 / j . p o l y m d e g r a d -stab.2014.06.018
[51] Zheng M.Y., Zang X.L., Wang G.X. et al.: Express Polymer Letters 2017, 8, 611. http://dx.doi.org/10.3144/expresspolymlett.2017.59
[52] Kwiatkowska M., Kowalczyk I., Kwiatkowski K.: Inżynieria Materiałowa 2015, 6, 548.
[53] Papageorgiou G.Z., Papageorgiou D.G., Tsanaktsis V. et al.: Polymer 2015, 62, 28. http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2015.01.080
[54] Pat. US 2016/0 312 001 A1 (2016).
[55] Vannini M., Marchese P., Celli A. et al.: Green Chemistry 2015, 17, 4162. http://dx.doi.org/10.1039/C5GC00991J
[56] Rabiej M.: Journal of Applied Crystallography 2014, 47, 1502. http://dx.doi.org/10.1107/S1600576714014782
[57] Zhao J., Wang J., Li C. et al.: Macromolecules 2002, 35, 3097. http://dx.doi.org/10.1021/ma011333z

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-0a273f1b-3f41-414d-85d1-84aed2d46b97