Evaluation of Maleate, Fumarate, and Succinate Diesters As Potential Green Plasticizers
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Evaluation of maleate, fumarate, and succinate diesters as potential green plasticizers by Hanno Christian Erythropel A thesis submitted to McGill University in partial fulfillment of the requirements of the degree of Doctor of Philosophy Department of Chemical Engineering McGill University Montréal, Canada December 2015 ©Hanno C. Erythropel, 2015 Être homme, c’est précisément être responsable. C’est connaître la honte en face d’une misère qui ne semblait pas dépendre de soi. C’est être fier d’une victoire que les camarades ont remportée. C’est sentir, en posant sa pierre, que l’on contribue à bâtir le monde. -Antoine de Saint-Exupéry Gewidmet meinen lieben Eltern Eda & Karl-Heinz, sowie Thilo mit Marla. Abstract The industrial success of poly(vinyl chloride) (PVC) would not have been possible without compounds known as plasticizers, the most important class of additives to brittle polymers such as PVC. Plasticizers facilitate the processing of PVC and render the final product soft and flexible, and plasticizer content can reach up to 50 weight-percent. Due to the ever-increasing use of flexible PVC, plasticizers are produced in the range of several million metric tonnes per year. The most important class of plasticizers are phthalate diesters and di (2-ethylhexyl) phthalate (DEHP) is the most frequently used compound. The vast majority of plasticizers is simply blended with a polymer at elevated temperatures and thus is not bound to the polymer matrix, which results in their tendency to leach from the material over time, ultimately ending up in the environment. Once in the environment, the microbial biodegradation rates of phthalates are low, leading to their omnipresence in environmental samples. Moreover, the metabolites produced during the microbial breakdown are also stable compounds, as for example the corresponding monoester to DEHP, mono (2-ethylhexyl) phthalate (MEHP). Many studies have been carried out to investigate the toxicological effects of phthalates and their metabolites, and a variety of negative effects have been reported including endocrine disrupting and anti-androgenic effects. As a result, six phthalates have been banned in toys and childcare articles in Canada and other major markets. This ban has led to increased efforts to develop efficient plasticizers that are less environmentally persistent and show a lower toxicity profile. The research reported in this thesis aimed at evaluating plasticizer effectiveness and biodegradation rates of diesters synthesised from four-carbon diacids esterified with a linear alcohols ranging from ethanol (C2) to octanol (C8), and one branched alcohol, 2-ethylhexanol. The diacids were chosen due to their structural resemblance to the phthalate molecule, of which two were unsaturated (i.e., maleate: cis; fumarate: trans) and one saturated (i.e., succinate). The goal of this thesis was to gain insight on the influence of the geometry of the central structure and the length and branching of the side chains on plasticizer efficiency and biodegradability. The plasticizer candidates were blended with PVC at varying concentrations and the plasticizer effectiveness was evaluated by the measurement of the glass transition temperature Tg, tensile testing, dynamic mechanical thermal analysis (DMTA), and surface I hardness. The obtained results were then compared to similar blends containing the commercial plasticizers DEHP and DINCH®. Biodegradation properties were assessed by exposing the common soil bacterium Rhodococcus rhodocrous (ATCC 13808) to candidate plasticizers with hexadecane as carbon source. The results revealed important differences arising from central structures and indicated that the saturated (succinate) and the cis-structure (maleate) made for the most efficient plasticizers. Further studies of the succinate revealed that any groups hindering free rotation around the central chain of the molecule reduced its plasticizing efficiency. Side chain length was important and maximum efficiency occurred for a side chain length around six carbons. The added ethyl branch in those diesters with 2-ethylhexyl side chains was not found to have an enhancing effect on plasticizer effectiveness. The biodegradation experiments revealed a crucial influence of the central structure, as the saturated compound (succinate) was rapidly degraded and metabolite buildup was small and only transient. Between the two unsaturated compounds, those with the ester groups in trans position (fumarate) were more quickly degraded than those in cis-position (maleate); the latter showing almost no degradation over the course of the experiment. This could also explain the observed slow biodegradation of phthalate diesters, in which the ester groups are in a similar arrangement as in the maleate. Slower degradation rates were found with increasing side chain length as well as branching, but effects were not as important as that of the central structure. Nonetheless, when linear side chains were used, no or only small, transient buildup of the released alcohol was found, contrarily to 2-ethylhexanol which built up significantly during the according experiments. Taken together, dibutyl and dihexyl diesters of succinic- and maleic acid showed the most promising results in terms of plasticizer efficiency and biodegradability, yet further toxicological experiments are required to determine if these are truly “green” plasticizers. II Résumé Le succès industriel du polymère poly(chlorure de vinyle) (PVC) n’aurait pas été possible sans des molécules appelées plastifiants, qui représentent l’additif le plus important du PVC. Les plastifiants facilitent les étapes de production du PVC et rendent les produits finaux souples et flexibles. Plusieurs millions de tonnes de plastifiants sont produits chaque année. Les diesters de phthalate comme le di (2-éthylhexyle) phthalate (DEHP) représentent le type le plus important de plastifiant. Les plastifiants sont mélangés avec des polymères à des températures élevées, mais généralement, aucun lien chimique n’est établi entre le plastifiant et le polymère. C’est pour cette raison que les plastifiants ont tendance à se retirer du mélange au fil du temps, pour ensuite finir comme polluant dans l’environnement. Le taux de biodégradation des phthalates dans l’environnement est faible, ils sont donc omniprésents. Les métabolites qui sont produits pendant ce processus sont stables. Un exemple d’un tel métabolite est le monoester mono (2-éthylhexyle) phthalate (MEHP) pour DEHP. Plusieurs études ont démontré des mécanismes toxiques des phthalates et leurs métabolites. Les effets les plus lancinants affectent le système endocrinien, résultant dans des effets anti-androgènes. Basé sur ces résultats, six phthalates ont été bannis de jouets et d’articles de puériculture dans le Canada et d’autres marchés majeurs. Par conséquent, le développement de nouveaux plastifiants efficaces, moins persistants et toxiques dans l’environnement est nécessaire. Cette thèse vise à évaluer l’efficacité du plastifiant et les taux de biodégradations de plusieurs diesters synthétisés avec des alcools linéaires, qui variaient d’une longueur de deux (éthanol) à huit (octanol) charbons, et un alcool ramifié, soit 2-éthylhexanol. Les acides dicarboxyliques utilisés ont été choisis à cause de leur similitude à la structure du phthalate, et un total de trois structures centrales différentes ont été évaluées. Celles-ci comprenaient deux structures insaturées, le maléate (cis) et le fumarate (trans), et une structure saturée, le succinate. L’objectif de cette thèse était d’ailleurs de mieux comprendre l’influence de la géométrie de la partie centrale de la molécule et de la longueur de la chaîne latérale sur l’efficacité du plastifiant et le taux de biodégradation. Les molécules étudiées étaient mélangées à différentes concentration avec du PVC non-plastifié, et leur efficacité du plastifiant a été évaluée à l’aide de plusieurs essais, dont la détermination de la température de transition vitreuse (Tg), des essais de traction, l’analyse thermomécanique dynamique III (ATMD), et la dureté superficielle. Les résultats obtenus étaient ensuite comparés avec des résultats d’essais semblables avec des plastifiants commerciaux comme DEHP et DINCH®. Les taux de biodégradation ont été évalués à l’aide d’une bactérie courante dans le sol, Rhodococcus rhodocrous (ATCC 13808) et hexadécane comme source de carbone. Les résultats obtenus montraient que les plastifiants les plus efficaces contenaient des structures centrales insaturées en configuration cis (maléate) ou saturées (succinate). La capacité de rotation autour de la chaîne centrale du succinate était un facteur important dans l’efficacité du plastifiant, et l’attachement de groupes chimiques qui empêchaient cette capacité de rotation menait à des plastifiants moins efficaces. La longueur de la chaîne latérale jouait aussi un rôle important : l’efficacité maximale des plastifiants était atteinte quand cette chaîne latérale était formée d’environ six charbons. Quant à la chaîne ramifiée, l’addition d’une branche éthylique au diester n’améliorait pas l’efficacité du plastifiant, mais l’efficacité trouvée était semblable à celle de la molécule avec la même longueur. Les expériences de biodégradation révélaient l’importance de la géométrie de la structure centrale : les molécules saturées (succinates) étaient biodégradées rapidement, et l’accumulation de métabolites était faible et seulement transitoire. Entre les structures centrales contentant des liens non-saturés,