Furfural-based renewable polyesters with tailored functionalities
Ahmed, Asmaa (2023-11-22)
Ahmed, Asmaa
Oulun yliopisto
22.11.2023
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
© University of Oulu, 2023. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
© University of Oulu, 2023. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:9789526239453
https://urn.fi/URN:ISBN:9789526239453
Tiivistelmä
Abstract
The environmental impact of plastic pollution and the escalating concern regarding climate change underscore the urgent necessity of establishing a biobased materials economy. In the burgeoning field of biobased polymer science, this thesis probes into the potential of furan derivatives, specifically furfural and 5-hydroxymethylfurfural, as key raw materials for advanced polymers. In this thesis, furfural-derived monomers, their resultant homopolymers, and copolymers were studied. This research introduces methyl 5-[(2-hydroxyethyl)sulfanyl]furan-2-carboxylate, a novel self-condensable AB-type monomer derived from furfural. The corresponding homopolyester, pMSF, not only surpasses the oxygen barrier performance of the ubiquitous packing material, poly(ethylene terephthalate) (PET), but also displays advantageous UV barrier and elastomeric properties. Furthermore, the research introduces dimethyl 5,5’-sulfanediyldi(furan-2-carboxylate) (dm-SFA), a novel furfural-based diester monomer uniquely characterized by its core sulfur heteroatom and dual furan rings. Biobased SFA-derived homopolyesters feature superior oxygen barrier performances coupled with significant UVB/C filtering ability. Concurrently, the study investigates the copolymerization of the synthesized monomers with well-known furan derivatives such as 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) or 2,2’-bifuran-5,5’-dicarboxylic acid (BFDCA). The resultant copolyesters exhibit tailored properties, effectively broadening the application spectrum of these biobased materials. The achieved key properties of MSF-copolyesters and/or SFA-copolyesters were enhanced gas permeability, elevated glass transition temperature, and improved UV barrier. Additionally, the furfural-based monomer, BFDCA, was utilized to improve PET properties, specifically UV barrier. Overall, this study highlights the potential of furfural derivatives for developing high-performance biobased polymers. Tiivistelmä
Muovien aiheuttamat ympäristövaikutukset ja kasvava huoli ilmastonmuutoksesta alleviivaavat tarvetta biopohjaiselle materiaalitaloudelle. Biopohjaisten polymeerien kasvavalla tutkimuskentällä tämä väitöskirjatyö keskittyy kartoittamaan erityisesti furfuraalin ja 5-hydroksimetyylifurfuraalin potentiaalia keskeisinä raaka-aineina kehittyneille polymeereille. Tässä väitöskirjassa tutkittiin sekä furfuraalipohjaisia monomeerejä että niistä valmistettuja homo- ja kopolymeerejä. Työssä esitellään uusi furfuraalipohjainen itsensä kanssa kondensoituva AB-monomeeri, metyyli-5-[(2-hydroksietyyli)-sulfanyyli]-furaani-2-karboksylaatti. Siitä saatava homopolyesteri, pMSF, ei pelkästään ylitä selvästi happibarriäärin osalta yleisesti pakkausmateriaalina käytettyä polyetyleenitereftalaattia (PET), vaan se myös suodattaa UV-valoa ja muistuttaa elastomeeria ominaisuuksiltaan. Tämän lisäksi työssä esitellään dimetyyli-5,5’-sulfandiyylidi-(furaani-2-karboksylaatti) (dm-SFA), uudenlainen furfuraalipohjainen diesterimonomeeri, jonka rakenteessa keskusrikkiatomiin on liittynyt kaksi furaanirengasta. Biopohjaiset SFA-monomeerista saadut homopolyesterit ovat erinomaisia happibarriäärejä, jotka lisäksi suodattavat UVB/C-valoa. Työssä tutkitaan myös syntetisoitujen monomeerien kopolymerointia paremmin tunnettujen furaaniyhdisteiden kuten 2,5-furaanidikarboksyylihapon (FDCA) ja 2,2’-bifuraani-5,5’-dikarboksyylihapon (BFDCA) kanssa. Saaduilla kopolyestereillä on räätälöidyt ominaisuudet, jotka laajentavat näiden biopohjaisten materiaalien mahdollisten sovellutusten kirjoa. MSF- ja SFA-pohjaisten kopolyestereiden keskeisiä ominaisuuksia olivat parantunut kaasubarriääri, kohonnut lasisiirtymälämpötila ja tehostunut UV-valon suodatus. Lisäksi furfuraalipohjaista BFDCA-monomeeriä käytettiin parantamaan PET:n ominaisuuksia ja erityisesti sen UV-valon suodatusta. Kokonaisuutena tämä työ tuo esiin furfuraalipohjaisten yhdisteiden potentiaalia korkean suorituskyvyn biopohjaisten polymeerien kehityksessä.
The environmental impact of plastic pollution and the escalating concern regarding climate change underscore the urgent necessity of establishing a biobased materials economy. In the burgeoning field of biobased polymer science, this thesis probes into the potential of furan derivatives, specifically furfural and 5-hydroxymethylfurfural, as key raw materials for advanced polymers. In this thesis, furfural-derived monomers, their resultant homopolymers, and copolymers were studied. This research introduces methyl 5-[(2-hydroxyethyl)sulfanyl]furan-2-carboxylate, a novel self-condensable AB-type monomer derived from furfural. The corresponding homopolyester, pMSF, not only surpasses the oxygen barrier performance of the ubiquitous packing material, poly(ethylene terephthalate) (PET), but also displays advantageous UV barrier and elastomeric properties. Furthermore, the research introduces dimethyl 5,5’-sulfanediyldi(furan-2-carboxylate) (dm-SFA), a novel furfural-based diester monomer uniquely characterized by its core sulfur heteroatom and dual furan rings. Biobased SFA-derived homopolyesters feature superior oxygen barrier performances coupled with significant UVB/C filtering ability. Concurrently, the study investigates the copolymerization of the synthesized monomers with well-known furan derivatives such as 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) or 2,2’-bifuran-5,5’-dicarboxylic acid (BFDCA). The resultant copolyesters exhibit tailored properties, effectively broadening the application spectrum of these biobased materials. The achieved key properties of MSF-copolyesters and/or SFA-copolyesters were enhanced gas permeability, elevated glass transition temperature, and improved UV barrier. Additionally, the furfural-based monomer, BFDCA, was utilized to improve PET properties, specifically UV barrier. Overall, this study highlights the potential of furfural derivatives for developing high-performance biobased polymers.
Muovien aiheuttamat ympäristövaikutukset ja kasvava huoli ilmastonmuutoksesta alleviivaavat tarvetta biopohjaiselle materiaalitaloudelle. Biopohjaisten polymeerien kasvavalla tutkimuskentällä tämä väitöskirjatyö keskittyy kartoittamaan erityisesti furfuraalin ja 5-hydroksimetyylifurfuraalin potentiaalia keskeisinä raaka-aineina kehittyneille polymeereille. Tässä väitöskirjassa tutkittiin sekä furfuraalipohjaisia monomeerejä että niistä valmistettuja homo- ja kopolymeerejä. Työssä esitellään uusi furfuraalipohjainen itsensä kanssa kondensoituva AB-monomeeri, metyyli-5-[(2-hydroksietyyli)-sulfanyyli]-furaani-2-karboksylaatti. Siitä saatava homopolyesteri, pMSF, ei pelkästään ylitä selvästi happibarriäärin osalta yleisesti pakkausmateriaalina käytettyä polyetyleenitereftalaattia (PET), vaan se myös suodattaa UV-valoa ja muistuttaa elastomeeria ominaisuuksiltaan. Tämän lisäksi työssä esitellään dimetyyli-5,5’-sulfandiyylidi-(furaani-2-karboksylaatti) (dm-SFA), uudenlainen furfuraalipohjainen diesterimonomeeri, jonka rakenteessa keskusrikkiatomiin on liittynyt kaksi furaanirengasta. Biopohjaiset SFA-monomeerista saadut homopolyesterit ovat erinomaisia happibarriäärejä, jotka lisäksi suodattavat UVB/C-valoa. Työssä tutkitaan myös syntetisoitujen monomeerien kopolymerointia paremmin tunnettujen furaaniyhdisteiden kuten 2,5-furaanidikarboksyylihapon (FDCA) ja 2,2’-bifuraani-5,5’-dikarboksyylihapon (BFDCA) kanssa. Saaduilla kopolyestereillä on räätälöidyt ominaisuudet, jotka laajentavat näiden biopohjaisten materiaalien mahdollisten sovellutusten kirjoa. MSF- ja SFA-pohjaisten kopolyestereiden keskeisiä ominaisuuksia olivat parantunut kaasubarriääri, kohonnut lasisiirtymälämpötila ja tehostunut UV-valon suodatus. Lisäksi furfuraalipohjaista BFDCA-monomeeriä käytettiin parantamaan PET:n ominaisuuksia ja erityisesti sen UV-valon suodatusta. Kokonaisuutena tämä työ tuo esiin furfuraalipohjaisten yhdisteiden potentiaalia korkean suorituskyvyn biopohjaisten polymeerien kehityksessä.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [32134]