سنتز و شناسایی کوپلیمرهای برپایه لیگنین بومی و آکریل آمید به روش پلیمرشدن رادیکالی پیوندی

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 تهران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی، گروه مهندسی فرایندهای پلیمریزاسیون، صندوق پستی 114-14115

2 تهران، پژوهشگاه صنعت نفت، پردیس پژوهش و توسعه صنایع بالادستی نفت، صندوق پستی 1998-14665

چکیده

 لیگنین پس از سلولوز، فراوان‌ترین پلیمر طبیعی موجود در جهان است که اصلاح شیمیایی آن بهترین راه برای بهبود خواص این ماده به منظور استفاده در سنتز مواد شیمیایی و پلیمری است. از میان مونومرهایی که تاکنون برای اصلاح لیگنین استفاده شده‌اند، آکریل‌آمید (AAm) بازده بیشتری در کوپلیمرشدن پیوندی داشته است. در پژوهش حاضر، لیگنین بومی مصرفی با استفاده از کلریدریک اسید (HCl) به روش رسوب‌دهی اسیدی از مایع سیاه حاصل از صنعت کاغذسازی استخراج و سپس با انحلال در تتراهیدروفوران خالص‌سازی شد. اصلاح شیمیایی لیگنین با مونومر آکریل آمید در مجاورت آغازگرهای مختلف شامل هیدروژن پراکسید (H2O2)-کلسیم کلرید (CaCl2)، هیدروژن پراکسید-آهن (II) کلرید (FeCl2)، آمونیوم پرسولفات (APS)، پتاسیم پرسولفات (KPS)، پتاسیم پرسولفات-آمونیوم آهن (II) سولفات 6 آبه (AFS.6H2O) و سریک آمونیوم نیترات (CAN)-نیتریک اسید (HNO3) بررسی شد. سپس، کوپلیمرهای پیوندی با روش‌های طیف‌سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه و رزونانس مغناطیسی هسته پروتون شناسایی شدند. بیشترین و کمترین درصد تبدیل مونومر با استفاده از آغازگرهای مختلف در گروه کوپلیمرهای سنتزی روی لیگنین، به  ترتیب مربوط به سامانه‌های آمونیوم پرسولفات با مقدار %94.32 و پتاسیم پرسولفات با مقدار %77.83 بود. از میان انواع آغازگرهای استفاده شده فقط سامانه‌ اکسایش -کاهش هیدروژن پراکسید-کلسیم کلرید در دمای 30 درجه سلسیوس به بازده پیوندزنی %100 و بدون تشکیل هیچ گونه زنجیر هوموپلیمر آزاد منجر ‌شد، درحالی که در مجاورت سایر سامانه‌ها، زنجیرهای هوموپلیمر آزاد نیز افزون بر زنجیرهای کوپلیمر پیوندی تشکیل شدند. نتایج نشان داد، در مجاورت سامانه CAN/HNO3، واکنش پیش نمی‌رود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Synthesis and Characterization of Native Lignin/Acrylamide-Based Copolymers Obtained by Graft Radical Polymerization

نویسندگان [English]

  • Maryam Pourmahdi 1
  • Mahdi Abdollahi 1
  • Ali reza Nasiri 2
1 Polymer Reaction Engineering Department, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, PO. Box: 14115-114, Tehran, Iran
2 Research Institute of Petroleum Industry, P.O. Box: 14665-1998, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: After cellulose, lignin is the most abundant natural polymer in the world. The chemical modification of lignin is the best way to improve its performance in the synthesis of the chemicals and polymeric materials. Among monomers employed in modification of the lignin, acrylamide (AAm) increases the highest yield in graft copolymerization reaction.
Methods: A native lignin was extracted from its black liquor derived from paper-making processes by precipitation with HCl, and then purified by dissolving in tetrahydrofuran (THF). Chemical modification of the lignin with acrylamide monomer was investigated in the presence of different initiators including hydrogen peroxide (H2O2)/calcium chloride (CaCl2), H2O2/Fe(II) chloride (FeCl2), ammonium persulfate (APS), potassium persulfate (KPS), KPS/ammonium iron(II) sulfate hexahydrate (AFS.6H2O) and ceric ammonium nitrate (CAN)/HNO3. The graft copolymers were then characterized using Fourier transform infrared (FTIR) and proton nuclear magnetic resonance (1HNMR) spectroscopy methods.
Findings: The highest and lowest conversions of AAm monomer in the presence of different initiators used in synthesizing the lignin graft copolymers were observed for the APS and KPS systems to be 94.32% and 77.83%, respectively. Among all initiators used in the present study, only H2O2/CaCl2 redox system led to a 100% grafting percentage at 30°C without any free homopolymer chain, while in the presence of other systems, free homopolymer chains were also formed in addition to the grafted chains. It was found from the results that, the graft polymerization did not proceed in the presence of CAN/HNO3 system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • native lignin
  • acrylamide
  • graft copolymerization
  • redox polymerization
  • synthesis and characterization

Neff J.M., McKelvie S., and Ayers R.C.J., Environmental Impacts of Synthetic Based Drilling Fluids, Report Prepared for MMS by Robert Ayers and Associates, U.S. Department of the Interior Minerals Managment Service, New Orleans, 2000.
Chung H., Chemistry and Applications of Bio-inspired and Bio-derived Polymers, PhD Thesis, Carnegie Mellon University, 2011.
Laurichesse S. and Avérous L., Chemical Modification of Lignins: Towards Biobased Polymers, Prog. Polym. Sci., 39, 1266-1290, 2014.
Misra B.N., Mehta I.K., and Khetarpal R.C., Grafting onto Cellulose. VIII. Graft Copolymerization of Poly(ethylacrylate) onto Cellulose by Use of Redox Initiators. Comparison of Initiator Reactivities, J. Polym. Sci., Polym. Chem. Ed., 22, 2767-2775, 1984.
Yazdanipedram M., Lagos  A., Campos N., and Retuert J., Comparison of Redox Initiators Reactivities in the Grafting of Methyl-Methacrylate onto Chitin, Int. J. Polym. Mater., 18, 25-37, 1992.
Chen R.L., Kokta B.V., Daneault C., and Valade J.L., Some Water-soluble Copolymers from Lignin, J. Appl. Polym. Sci., 32, 4815-4826, 1986.
Meister J.J., Lathia A., and Chang F.F., Solvent Effects, Species and Extraction Method Effects, and Coinitiator Effects in the Grafting of Lignin, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem., 29, 1465-1473, 1991.
Rong H., Gao B., Zhao Y., and Sun S., Advanced Lignin-Acrylamide Water Treatment Agent by Pulp and Paper Industrial Sludge: Synthesis, Properties and Application, J. Environ. Sci., 25, 2367-2377, 2013.
Keming X., Haiyan L., Dong Long T., and Yongjian L., Lignin Recovery from the Black Liquor of Reed Pulping, Adv. Mater. Res., 512-515, 2376-2380, 2012.
Thring R.W., Chornet E., and Overend R.P., Recovery of a Solvolytic Lignin: Effects of Spent Liquor/Acid Volume Ratio, Acid Concentration and Temperature, Biomass, 23, 289-305, 1990.
Mishra S.B., Mishra A.K., Kaushik N.K., and Khan M., Study of Performance Properties of Lignin-based Polyblends with Polyvinyl Chloride, J. Mater. Process. Technol., 183, 273-276, 2007.
Mai C.A. and Majcherczyk A.H., Chemo-enzymatic Synthesis and Characterization of Graft Copolymers from Lignin and Acrylic Compounds, Enzyme Microb. Technol., 27, 167-175, 2000.
Meister J.J. and Patll D.R., Synthesis of Graft Copolymers from Lignin and 2-Propenamide and Applications of the Products to Drilling Muds, Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., 24, 306-313, 1985.
Meister J.J., Patil D.R., and Channel H., Properties and Applications of Lignin-Acrylamide Graft Copolymer, J. Appl. Polym. Sci., 29, 3457-3477, 1984.
Li H., Zhang Q., Gao P., and Wang L., Preparation and Characterization of Graft Copolymer from Dealkaline Lignin and Styrene, J. Appl. Polym. Sci., 132, 41900-41908, 2015.
Mahdavi M., Ahmad M.B., Haron M.J., Rahman M.Z.A., and Fatehi A., Optimized Conditions for Graft Copolymerization of Poly(acrylamide) onto Rubberwood Fibre, Bioresources, 6, 5110-5120, 2011.
Mohamad Ibrahim M.N., Ahmed-Haras M.R., Sipaut C.S., Aboul-enein H.Y., and Abdullahi A.M., Preparation and Characterization of a Newly Water Soluble Lignin Graft Copolymer from Oil Palm Lignocellulosic Waste, Carbohydr. Polym., 80, 1102-1110, 2010.
Abdolkhani A., Mirshokraie S.A., Hamzeh Y., Hejazi S., and Nouri A., Elucidation of Chemical Structure of Wood Lignin by Dissolving in 1-Butyl-3-Methylimidazolium Chloride Ionic Liquid, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 24, 279-289, 2011.
Chung H. and Washburn N.R., Improved Lignin Polyurethane Properties with Lewis Acid Treatment, ACS Appl. Mater. Interfaces, 4, 2840-2846, 2012.
Pu Y., Hallac B., and Ragauskas A.J., Plant Biomass Characterization: Application of Solution- and Solid-state NMR Spectroscopy, in: Aqueous Pretreatment of Plant Biomass for Biological and Chemical Conversion to Fuels and Chemicals, Wyman C.E. (Ed.), John Wiley and Sons, UK, Chapt. 18., 375-396, 2013.
Musavian A., Use of Atom Transfer Radical Polymerization Method for Synthesis of Water-Soluble Lignin Graft Copolymer, MSc Thesis, Tarbiat Modarres University, 2015.
Mohamad Ibrahim M.N., Noorhaida M.N., Nor Nadiah M.Y., Azilawati M.G., and Shuib S., Lignin Graft Copolymer as Mud Thinner for Deep Well Drilling Operation, J. Appl. Sci., 6, 2593-2598, 2006.
Bykov I., Characteization of Natural and Technical Lignins Using FTIR Spectroscopy, MSc Thesis, Lulea University of Technology, 2008.
Kline L.M., Hayes D.G., Womac A.R., and Labbe N., Simplified Determination of Lignin Content in Hard and Soft Woods via UV-Spectrophotometric Analysis of Biomass Dissolved in Ionic Liquids, Bioresources, 5, 1366-1383, 2010.
Maia A.M.S., Silva H.V.M., Curti P.S., and Balaban R.C., Study of the Reaction of Grafting Acrylamide onto Xanthan Gum, Carbohyd. Polym.,90, 778-783, 2012.
Ibrahim M.N.M., Yusof N.N.M., and Hashim A., Comparison Studies on Soda Lignin and Soda- Anthraquinone Lignin, Malaysian J. Anal. Sci., 11, 206-212, 2007.
Sharma B.R., Kumar V., and Soni P.L., Ceric Ammonium Nitrate-Initiated Graft Copolymerization of Acrylamide onto Cassia Tora Gum, J. Appl. Polym. Sci., 86, 3250-3255, 2002.
Ibrahim M.N.M., Lim S.L., Ahmed-Haras M.R. and Fayyadh F.S., Preparation and Characterization of Lignin Graft Copolymer as a Filtrate Loss Control Agent for the Hydrocarbon Drilling Industry, Bioresources, 9, 1472-1487, 2014.
Ibrahim N.A., Yunus W.M.Z.W., Abu-Ilaiwi F.A., Ab Rahman M.Z., Bin Ahmad M., and Dahlan K.Z.M., Graft Copolymerization of Methyl Methacrylate onto Oil Palm Empty Fruit Bunch Fiber Using H2O2/Fe2+ as an Initiator, J. Appl. Polym. Sci., 89, 2233-2238, 2003.
Meena R. and Bhattacharya A., Cellulose-based Graft Copolymers: Structure and Chemistry, Thakur V.K. (Ed.), CRC, 13-40, 2015.
Abu-ilaiwi F.A., Ahmad M.B., Ibrahim N.A., Ab Rahman M.Z., Dahlan K.Z. Md., and Wan Yunus W.M.Z., Graft Copolymerization of Methyl Methacrylate onto Rubber-Wood Fiber Using H2O2 and Fe2+ as an Initiator System, J. Appl. Polym. Sci., 88, 2499-2503, 2003.
Mafakhery S. and Taghizadeh M., Kinetics and Mechanism of Graft Polymerization of Acrylonitrile onto Starch Initiated with Potassium Persulfate, J. Sci. Islam. Repub. Iran,12, 2-7, 2001.