اثر شاخه‌ای شدن کوپلی‌استر بوتیلن سوکسینات و اتیلن ترفتالات: سنتز و خواص

نائب عباسی, رضوانه; رفیع زاده, مهدی

اثر شاخه‌ای شدن کوپلی‌استر بوتیلن سوکسینات و اتیلن ترفتالات: سنتز و خواص

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

رضوانه نائب عباسی

مهدی رفیع زاده

دانشکده مهندسی پلیمر و رنگدانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

موضوع تحقیق: در این پژوهش، نمونه‌های کوپلی‌استرهای خطی و شاخه‌ای پلی بوتیلن سوکسینات - اتیلن ترفتالات (PBSET) تهیه گردیدند. اثر شاخه‌ای شدن بر ساختار و خواص کوپلی‌استر مطالعه شد. چنین کوپلی‌استرهایی، که بخش عمده آنها پلی‌استر آلیفاتیک است، دارای کاربردهای زیستی می‌باشند. افزودن بخش آروماتیکی و همچنین شاخه‌ای شدن تاثیر مهمی بر خواص دارد.

روش تحقیق: کلیه کوپلی‌استرها با روش دو مرحله‌ای استری‌شدن و تراکمی شدن تهیه شدند. نمونه‌ها در یک تجهیز آزمایشگاهی سنتز شدند. ابتداء در مرحله استری‌شدن، دو نوع پیش‌پلیمر بطور مجزا تولید گردیدند.. سپس در مرحله تراکمی‌شدن به مقدار لازم پیش‌پلیمرها در رآکتور ریخته شده و پس از افزودن کاتالیست و پایدارکننده گرمایی، واکنش انجام شد. پنتااریتریتول (PER) و تری‌ملیتیک انیدرید (TMA) بعنوان عوامل شاخه‌ای استفاده شدند. ساختار با استفاده از ATR-FTIR و ¹³CNMR، بلورینگی با XRD و خواص مکانیکی مطالعه شدند. مشاهده گردید که حتی مقدار کم عامل شاخه‌ای، خواص را تغییر می‌دهد. در این تحقیق، 0.4 درصد مولی از PER و 0.4 و 0.6 درصد مولی از TMA استفاده شدند.

نتایج اصلی: اندازه‌گیری ویسکوزیته ذاتی نشانگر آن است که جرم مولکولی بالا، حدود g/mol 38000 حاصل شده است. بررسی طیف‌های ATR-FTIR نشانگر سنتز پلی‌استر است. در طیف‌های ¹³CNMR می‌توان کربن‌های مولکول‌های عامل شاخه‌ای را نیز مشاهده نمود. لذا، طیف‌های ¹³CNMR بیانگر حضور عامل شاخه‌ای در ساختار پلیمر است. مبتنی بر نتایج XRD، شاخه‌اشدن تاثیر جدی بر نوع بلورینگی نداشته اما مقدار بلورینگی کاهش یافته است. افزودن عامل شاخه‌ای تغییر بسیاری در منحنی تنش-کرنش ایجاد نمود. مشاهده گردید که افزایش طول در شکست و تنش در شکست افزایش چشمگیری داشته و بترتیب تا 400% و 200% افزایش نشان می‌دهند. بدین ترتیب، کوپلی‌استر شاخه‌ای با عامل‌های TMA و PER تهیه شده و ضمن مطالعه ساختار و بلورینگی، خواص مکانیکی نیز ارائه گردید.

کلیدواژه‌ها

بوتیلن سوکسینات

اتیلن ترفتالات

ساختار

شاخه ای شدن

موضوعات

مهندسی پلیمریزاسیون

عنوان مقاله English

Branching Effect on Butylene Succinate and Ethylene Terephthalate Copolyesters: Synthesis and Properties

نویسندگان English

Mehdi Rafizadeh

Dept. of Polymer Eng. & Color Tech.Amirkabir University of Technology

چکیده English

Research subject: In the present study, a number of linear and long-chain branched copolyesters, poly (butylene succinate-co-ethylene terephthalate) (PBSET), were synthesized. Hence, effect of branching agent introduction was studied. Such a copolyesters, mostly aliphatic polyesters, may be applied in biomaterial fields. Adding aromatic section and branching agent have great effects on properties.

Research approach: All polyesters were synthesized via a two-step method: esterification and polycondensation. All samples were produced in a laboratory scale set-up. First, prepolymers of two monomers were produced, separately. Then, required amount of each prepolymer were poured in the reactor and catalyst and thermal stabilizer were added and polycondensation reaction was performed. Pentaerythritol (PER) and trimellitic anhydride (TMA) were used as branching agents during synthesis. Microstructure of the copolyesters were characterized by ATR-FTIR and ¹³CNMR. Crystallinity, using XRD, and mechanical properties were studied, too. Even small amount of branching agent has a great effect on properties. 0.4 mol% of PER and 0.4 and 0.6 mol% of TMA were incorporated.

Main results: Intrinsic viscosities of samples indicate that high molecular weight, about 38000 g/mol, were reached. ATR-FTIR spectra proves polyester synthesis. ¹³CNMR spectra shows incorporation of branching agent in polyester chain. Based on the XRD spectra, branching has no effect on the crystal type and type of crystal was unchanged. However, Crystallinity is decreased with branching. Mechanical properties are under serious effect of branching agent addition. It was observed that elongation at break and tensile strength were increased up to 400% and 200%, respectively. Hence, these branched copolyesters were synthesized and structure, crystallinity and mechanical properties were studied.

کلیدواژه‌ها English

long chain branched

butylene succinate

ethylene terephthalate

copolyester

Structure

1. Ebnesajjad S, editor. Handbook of biopolymers and biodegradable plastics: properties, processing and applications. William Andrew; 2012 Dec 31.
2. Rafiqah SA, Khalina A, Harmaen AS, Tawakkal IA, Zaman K, Asim M, Nurrazi MN, Lee CH. A review on properties and application of bio-based poly (butylene succinate). Polymers. 2021 Apr 29;13(9):1436.
3. Kondratowicz FŁ, Ukielski R. Synthesis and hydrolytic degradation of poly (ethylene succinate) and poly (ethylene terephthalate) copolymers. Polymer Degradation and Stability. 2009 Mar 1;94(3):375-82.
4. Luo S, Li F, Yu J, Cao A. Synthesis of poly (butylene succinate‐co‐butylene terephthalate)(PBST) copolyesters with high molecular weights via direct esterification and polycondensation. Journal of applied polymer science. 2010 Feb 15;115(4):2203-11.
5. Jian J, Xiangbin Z, Xianbo H. An overview on synthesis, properties and applications of poly (butylene-adipate-co-terephthalate)–PBAT. Advanced Industrial and Engineering Polymer Research. 2020 Jan 1;3(1):19-26.
6. Shirali H, Rafizadeh M, Taromi FA. Effect of incorporating bis (2-hydroxyethyl) terephthalate on thermal and mechanical properties and degradability of poly (butylene succinate). Macromolecular Research. 2015 Aug;23:755-64.
7. Papageorgiou GZ, Papageorgiou DG. Solid-state structure and thermal characteristics of a sustainable biobased copolymer: Poly (butylene succinate-co-furanoate). Thermochimica Acta. 2017 Oct 10;656:112-22.
8. Rychter P, Kawalec M, Sobota M, Kurcok P, Kowalczuk M. Study of aliphatic-aromatic copolyester degradation in sandy soil and its ecotoxicological impact. Biomacromolecules. 2010 Apr 12;11(4):839-47.
9. Sun Y, Wu L, Bu Z, Li BG, Li N, Dai J. Synthesis and thermomechanical and rheological properties of biodegradable long-chain branched poly (butylene succinate-co-butylene terephthalate) copolyesters. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2014 Jun 25;53(25):10380-6.
10. Lu J, Wu L, Li BG. Long chain branched poly (butylene succinate‐co‐terephthalate) copolyesters using pentaerythritol as branching agent: Synthesis, thermo‐mechanical, and rheological properties. Journal of Applied Polymer Science. 2017 Mar 5;134(9).
11. You J, Lou L, Yu W, Zhou C. The preparation and crystallization of long chain branching polylactide made by melt radicals reaction. Journal of applied polymer science. 2013 Aug 15;129(4):1959-70.
12. Vandesteene M, Jacquel N, Saint-Loup R, Boucard N, Carrot C, Rousseau A, Fenouillot F. Synthesis of branched poly (butylene succinate): Structure properties relationship. Chinese Journal of Polymer Science. 2016 Jul;34(7):873-88.
13. Michael H, Joachim K. Shear and Elongational Flow Properties of Long-Chain Branched Poly (ethylene terephthalates) and Correlations to Their Molecular Structure.
14. Kruse M, Wagner MH. Rheological and molecular characterization of long-chain branched poly (ethylene terephthalate). Rheologica Acta. 2017 Nov;56:887-904.
15. Ristić IS, Marinović-Cincović M, Cakić SM, Tanasić LM, Budinski-Simendić JK. Synthesis and properties of novel star-shaped polyesters based on l-lactide and castor oil. Polymer bulletin. 2013 Jun;70:1723-38.
16. Ge Y, Yao S, Xu M, Gao L, Fang Z, Zhao L, Liu T. Improvement of poly (ethylene terephthalate) melt-foamability by long-chain branching with the combination of pyromellitic dianhydride and triglycidyl isocyanurate. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2019 Feb 13;58(9):3666-78.
17. Kim EK, Bae JS, Im SS, Kim BC, Han YK. Preparation and properties of branched polybutylenesuccinate. Journal of applied polymer science. 2001 May 31;80(9):1388-94.
18. Han YK, Kim SR, Kim J. Preparation and characterization of high molecular weight poly (butylene succinate). Macromolecular Research. 2002 Mar;10:108-14.
19. Hudson N, MacDonald WA, Neilson A, Richards RW, Sherrington DC. Synthesis and characterization of nonlinear PETs produced via a balance of branching and end-capping. Macromolecules. 2000 Dec 12;33(25):9255-61.
20. Righetti MC, Munari A. Influence of branching on melting behavior and isothermal crystallization of poly (butylene terephthalate). Macromolecular Chemistry and Physics. 1997 Feb;198(2):363-78.
21. Manaresi P, Parrini P, Semeghini GL, de Fornasari E. Branched poly (ethylene terephthalate) correlations between viscosimetric properties and polymerization parameters. Polymer. 1976 Jul 1;17(7):595-600.
22. Wang Y, Yang L, Niu Y, Wang Z, Zhang J, Yu F, Zhang H. Rheological and topological characterizations of electron beam irradiation prepared long‐chain branched polylactic acid. Journal of Applied Polymer Science. 2011 Nov 5;122(3):1857-65.
23. Bikiaris DN, Achilias DS. Synthesis of poly (alkylene succinate) biodegradable polyesters, Part II: Mathematical modelling of the polycondensation reaction. Polymer. 2008 Aug 11;49(17):3677-85.
24. Pavia DL, Lampman GM, Kriz GS , Vyvyan JA. Introduction to spectroscopy. Cengage learning; 2014.
25. Li G, Shankar S, Rhim JW, Oh BY. Effects of preparation method on properties of poly (butylene adipate-co-terephthalate) films. Food Science and Biotechnology. 2015 Oct;24(5):1679-85.
26. Hahm WG, Myung HS, Im SS. Preparation and properties of in situ polymerized poly (ethylene terephthalate)/fumed silica nanocomposites. Macromolecular research. 2004 Feb;12:85-93.
27. Jiang Y, Woortman AJ, Alberda van Ekenstein GO, Loos K. Enzyme-catalyzed synthesis of unsaturated aliphatic polyesters based on green monomers from renewable resources. Biomolecules. 2013 Aug 12;3(3):461-80.
28. Zhang J, Wang X, Li F, Yu J. Mechanical properties and crystal structure transition of biodegradable poly (butylene succinate-co-terephthalate)(PBST) fibers. Fibers and Polymers. 2012 Dec;13:1233-8.
29. Ichikawa Y, Kondo H, Igarashi Y, Noguchi K, Okuyama K, Washiyama J. Crystal structures of α and β forms of poly (tetramethylene succinate). Polymer. 2000 Jun 1;41(12):4719-27.