Novel high-performance biomass-based polymers

Abstract

Energia ja plastikute tootmisel kasutatakse praegusel hetkel põhiliselt fosiilset päritolu toorainet. Küll aga pole mittetaastuvate ressursside kulutamine pikemas plaanis jätkusuutlik ning vajalik oleks leida alternatiive taastuvatest loodusressurssidest. Näiteks plastikute tootmisel kasutatakse vaid kuni 2% biobaseeruvat toorainet, samal ajal kui nende tootmismahud aina kasvavad. Selle parandamiseks käib vilgas uurimistöö, leidmaks piisavalt heade omadustega alternatiive, mis suudaksid fossiilpäritolu plastikutega võimalikult hästi konkureerida. Näiteks kipuvad biobaseeruvad polümeerid olema kõrgematel temperatuuridel liialt pehmed paljude rakenduste jaoks. Käesolev töö keskendub termoplastsete polümeeride väljatöötamisele, kasutades peamiselt biobaseeruvat isosorbiidi, mis on kommertsiaalselt toodetav jäiga struktuuriga mitmekesine diool. Töö käigus lisati ühele isosorbiidi hüdroksüülrühmale polümeriseeruv metakrülaadi funktsionaalrühm ja teisele erinevaid loodusest pärit struktuurifragmente. Saadud monomeerid polümeriseeriti ning testiti nende omadusi erinevate meetoditega. Tulemusena saadi rida väga erinevate omadustega termoplastseid polümeere, mida saab kuumutades töödelda. Klaasistumistemperatuurid (kus polümeerid pehmenevad) sõltusid polümeeri kõrvalahelatest ja jäid vahemikku Tg 46–168 °C, mis on biobaseeruvate polümeeride kontekstis äärmiselt konkurentsivõimeline. Lisaks käitusid lineaarsete pikkade kõrvalahelatega (alates C14 pikkusega) polümeerid vedelkristallsetena, mis on äärmiselt haruldane biobaseeruvate polümeeride hulgas. Kokkuvõtvalt võiksid need polümeerid pakkuda asendust fossiilpäritolu polümeeridele erinevate plastikute koostises.Currently, producing energy and resources are used mainly fossil-based resources. However, using depleting non-renewable resources is not sustainable and scientists are seeking alternatives among renewable resources. For example, up to 2% of plastics only are produced using renewable biobased feedstocks, while plastics production has increased extremely rapidly. For that, scientists are actively investigating biobased polymers, which could be competitive and offer a replacement for conventional fossil-based polymers. For example, conventional biobased polymers tend to be too soft for many high temperature applications. The present study focuses on novel polymers, made from biobased buildings blocks, such as isosorbide, which is commercially available versatile diol and has rigid structure. During the study, isosorbide was attached to the methacrylate group to make it polymerizable. After that, various side groups, such as different linear saturated fatty acids and lignin-related aromatics, were added to another hydroxyl group. These monomers were polymerized and studied systematically by different methods. As a result, these thermoplastic polymers showed very different properties and can be readily processed at elevated temperatures. The glass-transition temperatures (where polymer becomes soft) ranged from 46–168 °C, which is very competitive among biobased polymers. Furthermore, polymers with long pendant linear side-groups (C14 and above) showed liquid crystallinity, which is extremely rare among biobased polymers. In summary, these polymers could offer a replacement for fossil-based engineering plastics.