Controlling the gelation process of polyesters based on 1-methylidene ethane-1,2-dicarboxylic acid

Abstract

This study focus on the gelation process of 1-methylidene ethane-1,2-dicarboxylic acid (MIA) polyesters and what causes the gelation. The influence of oxygen during the syntheses, how the molecular weight is affected and how the polyester changes chemically was studied. Analytical methods used were SEC, titration and NMR. The replicability of the experiments was investigated and confirmed. Testing with inhibitors and oxygen scavengers was conducted to find a way to counteract the gelation. Syntheses that were run at the same conditions gelled at a similar time indicating that they were replicable. Syntheses run with air gelled ~25 % earlier than syntheses run with nitrogen indicating that the gelation was caused by an oxidative reaction such as autoxidation. The molecular weight measured with SEC was twice as high as the molecular weight measured with titration which, indicated that the polymer was cross-linked to some extent during the whole polymerization. The study showed that a minimum molecular weight was required for the syntheses to gel. NMR showed that syntheses run with air had a higher concentration of crosslinks and/or side reactions. NMR also showed the isomerization of MIA to 1-methyl-trans-ethene-1,2-dicarboxylic acid (MTA) and 1-methyl-cis-ethene-1,2-dicarboxylic acid (MCA) and that the loss of these isomers (MIA,MTA, MCA) was a function of time. It also seemed that the side reactions were mainly time dependent. Synthesis with lower molecular weight had a higher concentration for side reactions towards the end but gelled later than syntheses with higher molecular weight. The addition of the inhibitors Phenothiazine and Irganox 1010 contributed to an extend gel-time but it also seemed to decrease the polyesterfication reaction rate. The addition of sodium sulfite, an oxygen scavenger, extended the gel-time on the expense of increased isomerization and degradation of isomers.

Popular Abstract (Swedish)

I en värld med ökande befolkning och därmed en ökande användning av ändliga naturresurser så som olja och metaller blir det viktigare att fokusera på hållbarhet och förnyelsebara råvaror för att minimera exploatering av de ändliga naturresurserna. Ett naturligt steg inom färg och plastindustrin är därmed att öka användningen av förnyelsebara råvaror vid produktionen av färg och plaster. Genom att ersätta oljebaserade råvaror med förnyelsebara råvaror kan företagen värna om ett mer hållbart samhälle och minskat utsläpp av koldioxid.
Varje dag har vi färger eller plaster runt omkring oss. Allt från färgen på husväggar som skyddar byggnadsmaterialet, bläcket i tidningen eller PET-flaskan som man dricker ur. Färger eller plaster har en viktig gemensam beståndsdel som är färgens eller plastens viktigaste komponent nämligen - polymerer. Polymeren är långa molekyler som är uppbyggda av väldigt många små byggstenar som kallas monomerer. Precis som en i tegelvägg klistras byggstenarna ihop med ett klister som i fallet för polymerer är olika kemiska bindingar så som ester-bindningar vilket då ger dem namnet polyestrar. Polyesterar används som tidigare nämnt i bland annat PET-flaskor, färg eller konstfiber för textiler och duschdraperier.
Vid framställningen av polyesterar används olika typer av råvaror för att ge dem olika egenskaper. Vid tillverkningen av polyestrar för användning i vissa färger använder man ofta råvaror som är fotoreaktiva som gör att polyestern reagerar och torkar på ett ögonblick när de utsätts för Ultraviolett ljus, det ljus som gör oss solbrända på sommaren. Dessa fotoreaktiva färger används på väldigt många ställen bland annat på möbler och trägolv. Eftersom dessa fotoreaktiva färger används i så stor utsträckning är det viktigt att oljebaserade råvaror blir utbytta mot förnyelsebara råvaror som är skonsammare mot miljön och som kan bidra till ett mer hållbart samhälle.
I den här studien undersöktes syntesen av polymerer med en typ förnyelsebar monomer som är en framtida potentiell byggsten i fotoreaktiva färger. Problemet med monomeren är att den tenderar att gela under syntesen dvs. bilda en stel massa. Detta är ett problem då den producerade polymeren inte kan användas i färg och risken finns att den stela massan förstör utrustningen som används vid framställningen av polymeren. I denna studie undersöktes processen som bildar denna gel, vad som händer kemiskt under syntesen och hur storleken på polymererna ändras under reaktionens gång. Informationen om storleken på polymererna kopplades ihop med vad som hände kemiskt när de producerade polymererna började gela. Tillsatsen av ämnen som skulle hindra gelningsprocessen utvärderades men inga stora förbättringar eller fördelar kunde påvisas.

• author: Nilsson, Christoffer
• supervisor: Ronny Lindell
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• alternative title: Kontroll av gelbildningen vid tillverkning av polyestrar baserade på 1-metylidenetan-1,2-dikarboxylsyra
• course: KTE720 20142
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: polymerteknologi, polymer technology
• language: English
• id: 8500031
• date added to LUP: 2016-01-13 14:37:30
• date last changed: 2016-01-13 14:37:30