kth.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Development of biobased lubricant component from brown algae alginate derivatives
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Fibre- and Polymer Technology.
2022 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Utveckling av biobaserad smörjmedelskomponent från derivat av alginat från brunalg (Swedish)
Abstract [sv]

Forskning om biobaserade produkter inom polymerkemi är avgörande för att minska och ersätta nuvarande fossilbaserade produkter. Basoljor, huvudkomponenter i smörjmedelsprodukter, är till en stor del baserade på råolja. Biobaserade alternativ efterfrågas på grund av det ökade trycket från konsumenter och tillsynsmyndigheter för att minska beroendet av råolja. Syftet med avhandlingen är att utvärdera möjligheten att använda biobaserade tillsatskomponenter från alginater i basoljor. Alginater är en typ av polysackarider som härstammar från en brun tång och erhålls från algodling och raffineringsprocessen. Idag används alginater i stor utsträckning som ett förtjocknings-, gelbildande, emulgerande eller stabiliseringsmedel för att uppnå jämna och krämiga texturer i bearbetade livsmedelsprodukter utan separation av ingredienser som glass, yoghurt och olika bageriprodukter bland annat. Forskning om alginatbaserade hydrogeler anpassas för olika biomedicinska tillämpningar såsom transport av läkemedel. Därför var syftet med avhandlingen att utveckla en biobaserad tillsats från alginater via kemiska modifieringar. Alginater depolymeriserades och modifierades för att öka hydrofobiciteten följt av löslighetstester i olika basoljor. Om löslighet i en basolja uppnås, skulle oxidationsstabilitet och reologi utvärderas på Nynas AB i enlighet med teststandarderna för smörjmedel.

Hydrofob modifiering på karboxylgruppen i alginater undersöktes genom att sammanfoga olika längder av alkylkedjor. Modifierade alginatprover med butyl-, hexyl-, decyl-, pentadecyl- och stearylkedjor sammanfogades via en esterbindning på alginaters karboxylgruppen via ett tvåstegssyntesschema. Det första syntessteget var att omvandla från en natriumalginat eller alginsyra till en tetrabutylammonium (TBA) alginat, där nedbrytning av alginater under värme och alkaliska förhållanden observerades med vattenbaserad-organisk gelfiltrering. Det andra steget var att sammanfoga olika långa alkylkedjor på en TBA-alginat genom en SN2-substitutionsmekanism med respektive alkylbromider. Substitutionsreaktionen genomfördes framgångsrikt i ett dimetylsulfoxidlösningsmedel med tetrabutylammoniumfluoridtrihydratupplösningspromotor för att lösa upp TBA-alginaten. 

Hydrofob modifiering på både hydroxyl- och karboxylgrupper på alginaterna undersöktes genom att omvandla hydroxylgruppen följt av ovannämnda karboxylgruppsmodifieringsschema. Hydroxylgruppen omsattes med tetradecyl-dodecylglycidyleter (DGE) via en epoxidringöppningsreaktion under värme och alkaliska betingelser. Reaktionen genomfördes i en vattenfas med närvaro av natriumdodecylsulfatsurfaktanter för att förbättra reaktionseffektiviteten. Den hydroxylmodifierade alginatprodukten modifierades ytterligare genom sammansättning av decylkedjan via det tidigare nämnda karboxylmodifieringsschemat. 

Slutligen utfördes en hydrofob modifiering på syrahydrolyserat alginat för att undersöka lösligheten av modifierade alginater med en låg molekylvikt i basoljor. Syrahydrolys av alginater utfördes i ett surt vattenbaserat medium med en värmeåterflödesuppsättning. Den syrahydrolyserade alginaten sammansattes med en decylkedja via det tidigare nämnda karboxylmodifieringsschemat. 

Produkterna erhållna från varje syntessteg karakteriserades med 1H-NMR och FT-IR-spektroskopi. Alla hydrofob modifierade alginat produkter testades och observerades vara olösliga i rapsfrö, estolid, 2-etylhexyllaurat och nafteniska basoljor. Därför utvärderades 2% (vikt/vikt) modifierade alginater blandade i fett med hjälp av högtrycksdifferensavsökningskalorimeter (HP-DSC) för oxidationsstabilitet. Oxidationsstabiliteten minskade med närvaron av tetrabutylammonium (TBA) joner och eterbindningar i hydroxylmodifierat TBA-alginat respektive fullt (dodecyl-decyl) sammanfogad alginat. Alkylsammnfogade alginater via karboxylmodifieringen hade ingen signifikant inverkan på oxidationsstabiliteten i jämförelse med rent fett, vilket indikerar god oxidationsstabilitet för esterbindningar.

Abstract [en]

Research in bio-based products in the field of polymer chemistry is vital to reduce and replace the status quo of fossil-based products. Base oils, which are the main component in lubricant products are vastly based on crude oil. Due to the increased pressure from consumers and regulators to reduce crude oil dependencies, biobased alternatives are in demand. The aim of the thesis is to evaluate the development potential of bio-based additive components from alginates to be used as a component in base oils. Alginate is a type of polysaccharide derived from brown seaweed, which is a biobased resource obtained from algae farming and refining process. Currently, alginates are widely used as a thickening, gelling, emulsifying or stabilizing agent to achieve smooth and creamy textures in processed food products without separation of ingredients (e.g., ice-cream, yoghurt, various bakery products etc). Research in alginate-based hydrogels is being adapted for various biomedical application such as drug delivery technology. Therefore, the objective of the thesis was to develop a biobased additive from alginate feedstock via chemical modifications. Alginates were depolymerized and modified to increase hydrophobicity followed by solubility tests in different base oils. If successful solubility in a base oil is achieved, additive effects such as oxidation stability and rheology was to be evaluated at Nynas AB in accordance with the lubricant testing standards. 

Hydrophobic modification on carboxyl group of alginates was investigated by grafting different lengths of alkyl chains. Modified alginate samples with butyl, hexyl, decyl, pentadecyl and stearyl chains were grafted via an ester bond on the carboxyl group of alginates via a two-step synthesis scheme. The first synthesis step was to convert from sodium alginate or alginic acid to tetrabutylammonium (TBA) alginate, where degradation of alginates under heat and alkaline conditions was observed with aqueous-organic size-exclusion chromatography. The second step was to graft different lengths alkyl chains on TBA-alginate via SN2 substitution mechanism with respective alkyl bromides. The substitution reaction was successfully conducted in dimethyl sulfoxide solvent with tetrabutyl ammonium fluoride trihydrate dissolution promoter to dissolve TBA-alginate. 

Hydrophobic modification on both hydroxyl and carboxyl groups on alginate was investigated by converting the hydroxyl group followed by aforementioned carboxyl group modification scheme. The hydroxyl group was reacted with tetradecyl-dodecyl glycidyl ether (DGE) via epoxide ring opening reaction under heat and alkaline conditions. The reaction was conducted in aqueous phase with the presence of sodium dodecyl sulphate surfactant to improve reaction efficiency. The hydroxyl modified alginate product was further modified by grafting decyl chain via the aforementioned carboxyl modification scheme. 

Finally, hydrophobic modification on acid hydrolysed alginate was performed to investigate solubility of low molecular weight modified alginate in base oils. Acid hydrolysis of alginate was conducted in acidic aqueous medium with heat reflux setup. The acid hydrolysed alginate was grafted with decyl chain via aforementioned carboxyl modification protocol. 

The products obtained from each synthesis steps in different types of hydrophobic modifications were characterised with 1H-NMR and FT-IR spectroscopy. All hydrophobically modified alginate products were tested and observed to be insoluble in rapeseed, estolide, 2-ethylhexyl laurate and naphthenic base oils. Thus, 2% (w/w) modified alginates mixed in grease were evaluated by the means of high pressure-differential scanning calorimeter (HP-DSC) for oxidation stability. The oxidation stability decreased with the presence of tetrabutyl ammonium (TBA) ions and ether bonds in hydroxyl modified TBA-alginate and fully (dodecyl-decyl) grafted alginate respectively. Alkyl grafted alginates had no significant impact on oxidation stability in comparison to pure grease, indicating good oxidation stability of ester bonds.

Place, publisher, year, edition, pages
2022.
Series
TRITA-CBH-GRU ; 2022:240
Keywords [en]
Alginates, Bio-based additives, Base oil additives, Grease additives, Lubricant additives
National Category
Polymer Technologies
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-316481OAI: oai:DiVA.org:kth-316481DiVA, id: diva2:1688546
External cooperation
Nynas AB
Subject / course
Polymer Technology
Educational program
Degree of Master - Macromolecular Materials
Supervisors
Examiners
Projects
Alginat, Biobaserade tillsatser, Basoljetillsatser, Fetttillsatser, SmörjmedelstillsatserAvailable from: 2022-08-19 Created: 2022-08-19

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

By organisation
Fibre- and Polymer Technology
Polymer Technologies

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 105 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf