Tổng hợp và đặc trưng hóa polyme sinh học dẫn xuất của 2,5-furandicarboxylic acid và 1,4-butanediol
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 052-056
Tổng hợp và đặc trưng hóa polyme sinh học dẫn xuất
của 2,5-furandicarboxylic acid và 1,4-butanediol
Synthesis and Characterization of Bio-Based Polymer Derived from 2,5-Furandicarboxylic Acid
and 1,4- Butanediol
Vũ Trung Nam, Nguyễn Duy Hiếu, Nguyễn Tường Huy, Phạm Thị Ni, Trần Quang Tùng,
Nguyễn Huy Tùng, Nguyễn Thu Hà, Trần Thị Thúy*
Viện Kỹ thuật hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam
*Email: thuy.tranthi3@hust.edu.vn
Tóm tắt
Hiện nay, polyme dựa trên nguyên liệu dầu mỏ đang chiếm ưu thế lớn trong lĩnh vực công nghiệp vật liệu
với những ứng dụng đa dạng. Tuy nhiên, do nguồn cung cấp nhiên liệu hoá thạch giới hạn, cũng như những
tác động xấu tới môi trường khi sử dụng chúng mà xu hướng nghiên cứu các vật liệu sinh học thay thế đang
phát triển mạnh mẽ. Gần đây, các polyme sinh học dẫn xuất của 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) thu hút
được nhiều quan tâm; tuy nhiên, nhiều tính chất cơ và nhiệt của chúng chưa được nghiên cứu chi tiết. Trong
nghiên cứu này, poly(butylene 2,5-furandicarboxylic acid) (PBF) đã được tổng hợp từ FDCA và butane-1,4-
diol bằng phản ứng trùng ngưng nóng chảy. Phổ 1H NMR và IR đã xác nhận cấu trúc thẳng của polyester
này; phân tích TGA và DSC cho thấy nhiệt độ nóng chảy của polyme là 159ºC và nhiệt độ phân huỷ là
357ºC.
Từ khóa: poly(butylene 2,5-furandicarboxylate), FDCA, phân tích cấu trúc PBF, các tính chất nhiệt
Abstract
Nowadays, petroleum-based polymers are currently dominant in material industries, with wide scope
applications. However, due to the finite supply of fossil fuels as well as the negative effects on the
environment while utilizing them, the need of developing bio-based alternatives is dramatically increase.
Recently, the biopolymers derived from 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) have been gradually investigated;
however, some of their thermal and mechanical properties are not fully understood. Herein, we are
conducting research about a FDCA-derived biopolymer – poly(butylene 2,5-furandicarboxylate) (PBF), which
was synthesized from FDCA and butane-1,4-diol by the melting polycondensation.1H NMR and IR spectrum
confirmed the linear structure of this polyester, then TGA and DSC results were analyzed to indicate the
melting point at 159ºC and the thermal degradation at 357ºC.
Keywords: poly(butylene 2,5-furandicarboxylate), FDCA, chemical structure of PBF, thermal properties
1. Mở đầu
2,5-dicarboxylic acid (FDCA). FDCA là một dẫn
xuất của 5-hydroxylmethylfurfural (HMF), một sản
phẩm có thể tổng hợp trực tiếp từ sinh khối như
đường, tinh bột, cellulose [7]. FDCA được đặc biệt
quan tâm bởi tiềm năng thay thế hoàn hảo cho
terphthalic acid (TPA) trong công nghiệp tổng hợp .
Bên cạnh đó, polyme dẫn xuất của FDCA có những
tính chất tương tự đặc biệt với polyme tương ứng của
TPA.
quan trọng hàng đầu của công nghiệp hóa chất.
Những năm gần đây, theo cùng với xu thế phát triển
nền kinh tế và công nghệ bền vững, nhiều hướng
nghiên cứu polyme mới được khai thác và triển khai.
Một trong số đó là tổng hợp polyme đi từ những
nguồn tài nguyên tái tạo, thay thế cho những polyme
dựa trên nguyên liệu dầu mỏ đang chiếm ưu thế trong
công nghiệp polyme. Sự thay thế này góp phần hạn
chế sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên hoá thạch có
giới hạn, đồng thời giảm thiểu phát thải khí nhà kính
từ những giai đoạn trong vòng đời của vật liệu
polyme. Những monome sinh học tiềm năng được
quan tâm gần đây bao gồm: levulinic acid [1], lactic
acid [2], isosorbide [3], succinic acid [4],
dodecanedioic acid [5], ethylene glycol [6], và furan-
Polyme dẫn xuất của FDCA và ethylene glycol,
PEF, lần đầu được tổng hợp và khảo sát tính chất bởi
Gandini và đồng nghiệp thông qua phản ứng
polytransesterification với xúc tác Sb2O3 [8]. Dựa
trên kết quả này, PEF cùng với một loạt polyme dẫn
xuất của FDCA và diol tiếp tục được tổng hợp và
khảo sát tiềm năng ứng dụng [9]. Những kết quả phân
tích cho thấy polyme chứa vòng furan PEF có cấu
trúc, tính chất nhiệt, cơ tính,… tương đồng với
polyme dẫn xuất xủa TPA tương ứng [10], nhưng
đồng thời tính chất thẩm thấu oxygen, nước, carbon
dioxide tỏ ra ưu việt hơn trong ứng dụng đóng gói
ISSN: 2734-9381
Received: May 13, 2020; accepted: June 02, 2020
52
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 052-056
[11,12]. Cùng với việc khảo sát tính chất, phản ứng
polyme hóa cũng được cải tiến và phản ứng trùng
ngưng nóng chảy được sử dụng phổ biến hơn với xúc
tác titanate, thay thế cho antimony bởi hoạt tính cao,
cũng như an toàn hơn với môi trường [13].
Cùng với mục tiêu thay thế PET, poly(butylene
terphathalate) (PBT) cũng là một trong những polyme
quan trọng cần có giải pháp thay thế bằng những
polyme có tính bền vững hơn. Tương tự PET và PEF,
polyme tiềm năng thay thế cho PBT là PBF –
poly(butylene furan-2,5-dicarboxlyate) bởi sự tương
đồng về cấu tạo phân tử. Sự tạo thành PBF từ các
monome là FDCA và butylene glycol cũng đi qua
phản ứng trùng ngưng nóng chảy hai giai đoạn.
Trong nghiên cứu này, PBF đã được tổng hợp
1
và đặc trưng hóa bằng các phép phân tích: H NMR,
IR, DSC, TGA. Qua đó đánh giá những tính chất
nhiệt của polyme giàu tiềm năng này để đưa ra một
kết luận sơ lược về khả năng thay thế PBT của nó.
2. Thực nghiệm
2.1 Hoá chất
Hình 1. Phản ứng trùng ngưng 2 bước tổng hợp PBF
2.3 Đặc trưng hóa
FDCA (CAS: 3238-40-2) và 1,4-butanediol
(CAS: 110-63-4) được cung cấp bởi công ty Sigma –
Aldrich. Titanium tetraisopropoxide (CAS: 546-68-9)
được mua từ Energy Chemical.
Phổ 1H NMR được đo trong dung môi
Trifluoroacetic acid-d sử dụng Bruker Avance 300
spectrometer với đầu dò QNP 300 MHz. Tính chất
nhiệt của sản phẩm được nghiên cứu dựa vào kết quả
phân tích trọng lượng nhiệt (TGA) và phân tích nhiệt
quét vi sai (DSC). Mẫu phân tích được đo bằng máy
phân tích Shimadzu DTG-60H trong khoảng nhiệt độ
từ 25 ºC tới 600 ºC với tốc độ gia nhiệt 10 ºC/phút.
Phổ hồng ngoại được thực hiện trên máy ATR/FTIR,
Bruker TENSOR 27 FTIR.
2.2 Tổng hợp PBF
Phản ứng trùng ngưng trực tiếp được thực hiện
theo quy trình đã được Zhu và đồng nghiệp phát triển
[14].
1.56 g FDCA và một lượng dư butane-1,4-diol
(tỉ lệ 1:3) được đưa vào một bình Schlenk 100ml,
theo đó là thêm một thể tích thích hợp xúc tác
Ti(OiPr)4 (10 mg/ml Ti(OiPr)4 trong 1,4-butanediol)
[14]. Sau đó bình Schlenk được kết nối với một sinh
hàn Dimroth. Hệ phản ứng được nạp đầy với argon,
sau đó thay thế bằng chân không; quá trình này lặp lại
3 lần để chắc chắn oxygen đã được loại bỏ hoàn toàn.
3. Các kết quả và thảo luận
3.1 Cấu trúc polyme
Kết quả phân tích 1H NMR và ATR-IR cho thấy
cấu trúc của PBF là thẳng – tương tự các polyeste phổ
biến.
Giai đoạn đầu của phản ứng được thực hiện với
môi trường argon. Nhiệt độ được nâng đến 150 ºC và
giữ trong 2 h, sau đó nâng lên đến 175 ºC trong 12 h,
và cuối cùng 200 ºC trong 4 h. Tiếp theo trong giai
đoạn 2, nhiệt độ được giữ ổn định tại 200 ºC cùng với
điều kiện chân không trong 8 h.
Dao động các liên kết của polyme cho những tín
hiệu đặc trưng trên phổ IR trong hình 3: vòng furan
tại 1574 cm−1 (C=C) và 3113 cm−1 (=CH), nhóm este
tại 1715 cm−1 (C=O) và 1266 cm−1 (C−O), −CH no
tại 2967 cm−1.
Trong cả hai giai đoạn, hệ phản ứng được khuấy
trộn bằng khuấy từ với tốc độ 300 rpm.
1
Phổ H NMR thể hiện trên hình 2 cho thấy tín
hiệu của hydrogen vòng furan tại gần 7,5 ppm, nhóm
CH2−O gần 4.5 ppm, cùng với nhóm tín hiệu
hydrogen của mạch no trong khoảng 1-2 ppm. Sự
vắng mặt của tín hiệu hydro của FDCA tại 7,29 ppm,
đồng thời tỉ lệ các tín hiệu đều rất gần với hệ số tỉ
lượng chứng tỏ FDCA đã phản ứng hết, cũng như
rượu đã được loại bỏ hoàn toàn bằng chân không.
Sản phẩm được lấy ra khỏi bình phản ứng bằng
thìa khi còn nóng chảy, sau đó được làm nguội từ từ
dưới nhiệt độ phòng. PBF có màu vàng nâu hơi trong
suốt, cứng và giòn. Theo thời gian, PBF chuyển dần
sang màu nâu đục. PBF không tan trong hầu hết các
dung môi khảo sát, chỉ tan tốt trong TFA và tan ít
được trong DMSO nóng.
53
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 052-056
Bên cạnh những tín hiệu chính trên phổ
là độ polyme hoá DP [15]. Ở đây, kết quả phân tích
với mẫu PBF có được DP = 44, ứng với trọng lượng
phân tử trung bình số (Mn) của polyme bằng:
1H NMR, các tín hiệu gán cho các nhóm chức đầu
mạch được tìm thấy tại 4,2 ppm và 7,4 ppm; bằng
cách tính tỉ lệ tích phân cường độ tín hiệu giữa tín
hiệu chính và end-group tương ứng, giá trị thu được
Mn = DP x Mmắt xích = 44 x 210 = 9,24 × 103 (g/mol)
NMR/NMR2
Thuy Tran Thi, PBF.01 1H NMR (TFA)
O
a
O
O
O
b
O
a
c
b
c
end
group
của
end group
của H
c
H
a
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
f1 (ppm)
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.
Hình 2. Phổ 1H NMR của PBF.
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
3113 cm–1
CH furan
2967 cm–1
CH no
1574 cm–1
C=C furan
1715 cm–1
C=O este
1266 cm–1
C−O este
4000
3800
3600
3400
3200
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
Số sóng (cm−1)
Hình 3. Phổ ATR-IR của PBF.
54
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 052-056
TG /%
DSC /(mW/mg)
↓ exo
2.0
[1]
100
Onset: 356.7°C
1.5
1.0
0.5
80
60
Peak: 166.6°C
40
20
Ende: 373.2°C
Ende: 174.0°C
[1]
Onset: 159.4°C
Restmasse: 8.52 % (597.9 °C)
0.0
300
100
200
400
500
Temperatur /°C
Hình 4. Đường cong DSC và TGA của PBF.
3.2 Phân tích nhiệt
biến thiên khối lượng trong quá trình phân huỷ nhìn
chung tương tự với PBT, mặc dù nhiệt độ bắt đầu
phân huỷ của mẫu đo PBF này vẫn thấp hơn khá
nhiều (442 ºC của PBT) [14].
Mẫu polyme không trải qua bất cứ quá trình xử
lí nhiệt nào trước khi được gửi đi để thực hiện các
phép đo.
4. Kết luận
3.2.1 Phân tích nhiệt quét vi sai DSC
Polyme sinh học PBF mong muốn đã được tổng
hợp thành công từ FDCA và butane-1,4-diol bằng
phản ứng trùng ngưng hai giai đoạn sử dụng xúc tác
Ti(OiPr)4. Các kết quả phân tích nhiệt cho thấy nhiệt
độ nóng chảy của sản phẩm PBF là 159ºC và nhiệt độ
phân huỷ là 357ºC. Những kết quả này đều thấp hơn
so với giá trị tương ứng của PBT. Tuy vậy, chúng vẫn
nằm trong yêu cầu bền nhiệt cho sản xuất và những
mục đích sử dụng cơ bản mà PBT đang được ứng
dụng (vật liệu cách điện và đồ dùng nội thất,...).
Quá trình phân tích nhiệt quét vi sai được bắt
đầu từ 25 ºC tới 600 ºC với tốc độ 10 ºC/phút. Đường
cong DSC thu được cho thấy những quá trình nhiệt
xảy ra với mẫu polyme khi chịu tác dụng của tác nhân
nhiệt bên ngoài. Ở đây, có một peak thu nhiệt đáng
chú ý tại 159 ºC (peak temp tại 167 ºC), tương ứng
với điểm nóng chảy của PBF. Kết quả này tương
đương với mẫu PBF được Poulopoulou và đồng
nghiệp tổng hợp gần đây với điểm nóng chảy tại
khoảng 160 oC [16].
Bên cạnh đó, bởi hạn chế về mặt thiết bị (khuấy
cơ, độ chân không,…), những điều kiện thực nghiệm
khi tổng hợp polyme trong nghiên cứu này chưa đạt
tới sự tối ưu để có thể nhận được được sản phẩm
polyme tốt nhất. Do vậy, với những sự cải thiện về
điều kiện thực nghiệm, sản phẩm polyme sinh học
PBF được trông đợi sẽ có những tính chất nhiệt tốt
hơn.
Như vậy, nhiệt độ nóng chảy của PBF thấp hơn
khá nhiều so với polyme tương tự dẫn xuất của TPA
là PBT (224 ºC) [17]. Trong điều kiện làm nguội
chậm khi được tổng hợp, PBF kết tinh hình thành cấu
trúc tinh thể trật tự. Vì vậy, mẫu đo không cho sự
thay đổi rõ ràng trên đường cong DSC ứng với nhiệt
độ hoá thuỷ tinh Tg. Một quy trình bao gồm gia nhiệt
nóng chảy và làm lạnh nhanh với nitrogen lỏng nhằm
tạo mẫu vật liệu vô định hình cần được thực hiện
trước khi có thể đo đạc được Tg từ phép phân tích
DSC.
Mặt khác, khả năng ứng dụng của một polyme
cần được đánh giá qua tổng thể tính chất cơ nhiệt của
nó. Vì vậy, các nghiên cứu sâu hơn cần được tiếp tục
tiến hành và phân tích để có được sự đánh giá chính
xác hơn. Trong thời gian tới, chúng tôi sẽ tối ưu
những điều kiện để có được polyme phân tử khối cao
với PBF, cũng như những polyme dẫn xuất khác của
FDCA, đồng thời phân tích và đánh giá những đặc
trưng và tính chất cơ nhiệt của chúng.
3.2.2 Phân tích nhiệt trọng lượng TGA
Phép đo TGA được thực hiện song song cùng
DSC và cũng có những tham số phép đo như trên.
Kết quả cho thấy mẫu PBF chỉ bắt đầu phân huỷ tại
300 ºC và sự sụt giảm khối lượng trở nên rõ ràng tại
357 ºC (onset temp của quá trình phân huỷ) với tổng
cộng khoảng 90% khối lượng mất so với ban đầu. Sự
55
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 1, March 2021, 052-056
[9]. M. Jiang, Q. Liu, Q. Zhang, C. Ye, G. Zhou, A series
Lời cảm ơn
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển
khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong
đề tài mã số 104.02-2019.12.
of furan‐aromatic polyesters synthesized via direct
esterification method based on renewable resources,
Journal of Polymer Science Part A: Polymer
Chemistry, 50 (2012) 1026-1036.
[10]. S.K. Burgess, J.E. Leisen, B.E. Kraftschik, C.R.
Mubarak, R.M. Kriegel, W.J. Koros, Chain mobility,
thermal, and mechanical properties of poly (ethylene
furanoate) compared to poly (ethylene terephthalate),
Macromolecules, 47 (2014) 1383-1391.
Tài liệu tham khảo
[1]. F.D. Pileidis, M.M. Titirici, Levulinic acid
biorefineries: new challenges for efficient utilization
of biomass, ChemSusChem, 9 (2016) 562-582.
[2]. J. Duo, Z. Zhang, G. Yao, Z. Huo, F. Jin,
Hydrothermal conversion of glucose into lactic acid
with sodium silicate as a base catalyst, Catalysis
Today, 263 (2016) 112-116.
[11]. S.K. Burgess, D.S. Mikkilineni, B.Y. Daniel, D.J.
Kim, C.R. Mubarak, R.M. Kriegel, W.J. Koros,
Water sorption in poly (ethylene furanoate) compared
to poly (ethylene terephthalate). Part 2: Kinetic
sorption, Polymer, 55 (2014) 6870-6882.
[3]. A.F. Sousa, J.F. Coelho, A.J. Silvestre, Renewable-
based poly ((ether) ester)
furandicarboxylic acid, Polymer, 98 (2016) 129-135.
s
from 2, 5-
[12]. S.K. Burgess, O. Karvan, J.R. Johnson, R.M. Kriegel,
W.J. Koros, Oxygen sorption and transport in
amorphous poly(ethylene furanoate), Polymer, 55
(2014) 4748-4756.
[4]. C. Rizescu, I. Podolean, J. Albero, V.I. Parvulescu,
S.M. Coman, C. Bucur, M. Puche, H. Garcia, N-
Doped graphene as a metal-free catalyst for glucose
oxidation to succinic acid, Green Chemistry, 19
(2017) 1999-2005.
[13]. W.L. Jenkins, G. Rhodes, M. Rule, Process to prepare
high molecule weight polyester, Google Patents,
1992.
[5]. K.D. Green, M.K. Turner, J.M. Woodley, Candida
cloacae oxidation of long-chain fatty acids to dioic
acids, Enzyme microbial technology, 27 (2000) 205-
211.
[14]. J. Zhu, J. Cai, W. Xie, P.-H. Chen, M. Gazzano, M.
Scandola, R.A. Gross, Poly (butylene 2, 5-furan
dicarboxylate),
a biobased alternative to PBT:
synthesis, physical properties, and crystal structure,
Macromolecules, 46 (2013) 796-804.
[6]. N. Li, Y. Zheng, L. Wei, H. Teng, J. Zhou, Metal
nanoparticles supported on WO 3 nanosheets for
highly selective hydrogenolysis of cellulose to
ethylene glycol, Green Chemistry, 19 (2017) 682-
691.
[15]. J. Ma, X. Yu, J. Xu, Y. Pang, Synthesis and
crystallinity
of
poly
(butylene
2,
5-
furandicarboxylate), Polymer, 53 (2012) 4145-4151.
[16]. N. Poulopoulou, G. Kantoutsis, D.N. Bikiaris, D.S.
Achilias, M. Kapnisti, G.Z. Papageorgiou, Biobased
engineering thermoplastics: poly (butylene 2, 5-
furandicarboxylate) blends, Polymers, 11 (2019) 937.
[7]. Y. Su, H.M. Brown, X. Huang, X.-d. Zhou, J.E.
Amonette, Z.C. Zhang, Single-step conversion of
cellulose to 5-hydroxymethylfurfural (HMF),
a
versatile platform chemical, Applied Catalysis A:
[17]. M. Gomez, M. Cozine, A. Tonelli, High-resolution
solid-state carbon-13 NMR study of the. alpha. and.
beta. crystalline forms of poly (butylene
terephthalate), Macromolecules, 21 (1988) 388-392.
General, 361 (2009) 117-122.
[8]. A. Gandini, A.J. Silvestre, C.P. Neto, A.F. Sousa, M.
Gomes, The furan counterpart of poly (ethylene
terephthalate): An alternative material based on
renewable resources, Journal of Polymer Science Part
A: Polymer Chemistry, 47 (2009) 295-298.
56
5 trang
18/04/2022
1860
Bạn đang xem tài liệu "Tổng hợp và đặc trưng hóa polyme sinh học dẫn xuất của 2,5-furandicarboxylic acid và 1,4-butanediol", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tong_hop_va_dac_trung_hoa_polyme_sinh_hoc_dan_xuat_cua_25_fu.pdf
