Fremstillingen og egenskapene av Thermo-reversibelt tverrbundet gummi Via Diels-Alder kjemi

Summary

A simple two-step approach involving rubber modification and cross-linking yields fully reworkable, elastic rubber products.

Abstract

En fremgangsmåte for ved hjelp av Diels Alder termo-reverserbar kjemi som tverrbinding verktøy for gummiprodukter er demonstrert. I dette arbeidet, en kommersiell etylen-propylen-gummi, podet med maleinsyreanhydrid, er termo-reversibelt tverrbundet i to trinn. De ventende anhydride deler er først modifisert med Furfurylamine å pode furan grupper til gummi ryggrad. Disse anheng furan gruppene blir deretter tverrbundet med et bis-maleimid ved hjelp av en Diels-Alder-koblingsreaksjon. Begge reaksjoner kan utføres under et bredt område av eksperimentelle betingelser, og kan lett brukes i stor skala. Materialegenskapene til de resulterende Diels-Alder-tverrbundne gummier er lik en peroksyd-herdet etylen / propylen / dien-gummi (EPDM) referanse. Tverrbindingene i stykker ved høye temperaturer (> 150 ° C) via den retro-Diels-Alder-reaksjon og kan reformeres ved termisk gløding ved lavere temperaturer (50-70 ° C). Reversibilitet av systemet ble påvist viddh infrarød spektroskopi, løselighetstester og mekaniske egenskaper. Resirkulerbarheten av materialet ble også vist på en praktisk måte, det vil si, ved å skjære et tverrbundet prøve i små deler og komprimering støping dem til nye prøver som viser sammenlignbare mekaniske egenskaper, noe som ikke er mulig for konvensjonelt tverrbundne gummier.

Introduction

Svovel vulkanisering og peroksyd-herde er i dag den viktigste industrielle tverrbindings teknikker i gummiindustrien, hvilket ga irreversible kjemiske kryssbindinger som hindrer smelte reprosessering. ^1., til ² A 'vugge til vugge' tilnærming resirkulere tverrbundne gummier krever et materiale som oppfører seg tilsvarende til permanent tverrbundne gummier ved driftsforhold, samtidig som de har bearbeidbarheten og fullstendig resirkulering av en termoplast ved høye temperaturer. En tilnærming for å oppnå en slik resirkulering bruker gummi nettverk med vendbare kryssbindinger som reagerer på en ekstern stimulans, for eksempel temperatur (mest gjennomfør fra synspunktet til fremtidige industrielle applikasjoner). ^3-5 Dannelsen av disse kryssbindinger ved relativt lav service temperaturer er nødvendig for en god mekanisk oppførsel av gummien, mens deres spalting ved høye temperaturer (på samme måte bearbeidingstemperaturen for opprinnelig ikke-tverrbundet forbindelse) gjør det mulig for reCycling av materialet.

Noen spesifikke materialer kan være reversibelt kryssbundet ved å gjøre bruk av såkalt dynamisk kovalente nett via polykondensasjonsreaksjoner ⁶ eller ved den såkalte reversible nettverkstopologi iskaldt via transforestringsreaksjoner. ^7-9 Ulempen med disse metodene er nødvendigheten av å utforme og syntetisere nye polymerer heller enn å endre eksisterende, kommersielle gummi som allerede har de ønskede egenskaper. Teknikker for å termo-reversibelt kryss-link gummi involvere hydrogenbinding, ioniske interaksjoner og kovalent binding som via termo-aktivert disulfide rearrangements. ^10-13 Nylig termo-reversibel kryssbinding via Diels-Alder (DA) kjemi ble utviklet. ^{14 -21} dA kjemi kan anvendes på et bredt spekter av polymerer, og representerer et populært valg, spesielt siden dA reaksjonen tillater forholdsvis rask kinetikk og milde reaksjonsbetingelser. ^{17, 22-24} ThEIR lav kobling og høy decoupling temperaturer gjør furan og maleimide gode kandidater for reversibel polymer kryssbinding. ^{18-20, 25-28}

Formålet med den foreliggende arbeid er å tilveiebringe en fremgangsmåte for bruk av DA kjemi som en termo-reverserbar tverrbindende verktøy for en industriell gummi produkt (figur 1). ⁵ Først, reaktiviteten av mettede hydrokarbon-elastomerer, slik som etylen / propylen-gummi (EPM), må økes. Et kommersielt relevant eksempel som forenkler dette er peroksydinitierte frie radikaler poding av maleinsyreanhydrid (MA). ^29-34 Dernest kan en furan gruppe bli podet på en slik maleaterte EPM gummi ved å sette inn Furfurylamine (FFA) i anheng hydrid for å danne et imid. ^{35, 36} Endelig furan grupper som er således festet til gummiryggraden kan deretter delta i termo-reverserbar dA kjemi som et elektron-rik dien. ^{25, 37} elektron~~POS=TRUNC poeller bis-maleimid (BM) er et egnet dienofil for denne tverrbindingsreaksjon. ^{19, 26, 38}

Figur 1. Reaksjon ordningen. Furan pode og bismaleimide kryssbinding av EPM-g-MA gummi (gjengitt med tillatelse fra ^5). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Protocol

1. Rubber Modification Fremstille den maleaterte EPM (EPM-g-MA, 49 vekt-% etylen, 2,1 vekt-% MA, Mn = 50 kg / mol, PDI = 2,0) gummi og furfurylamin (FFA) før forsøket som er angitt i trinn 1.1.1- 1.1.4. 5 Tørk EPM-g-MA gummi i en vakuumovn i en time ved 175 ° C for å omdanne liggende di-syre i anhydridet. 11 Pressformen en 0,1 mm tykk film av gummi i en varmpresse i 10 minutter ved 150 ° C og 100 bar. Ta opp en transmisjons IR-spekteret av den resultere…

Representative Results

Den vellykkede modifikasjon av EPM-g-MA til EPM-g-furan og kryssbindings med bis-maleimid er vist ved Fourier transform infrarød spektroskopi (FTIR) (figur 2). Tilstedeværelsen av furan-grupper i EPM-g-furan produkt kan utledes fra en deling av CC alifatiske strekker topp ( = 1050 cm -1) i to furan topper ( = 1,073 <su…

Discussion

En kommersiell EPM-g-MA gummi var termo reversibelt tverrbundet i en enkel to-trinns metode. Den maleaterte gummi ble først modifisert med FFA å pode furan grupper på gummi ryggrad. De resulterende ventende furaner vise reaktivitet som Diels-Alder diener. En alifatisk BM ble anvendt som tverrbindingsmiddel, noe som resulterer i en termo-reverserbar bro mellom to grupper furan. Begge reaksjonene var vellykket med gode konverteringer (> 80%) i henhold til infrarød spektroskopi, elementanalyse. Tverrbinding ble vist…

Materials

ENB-EPDM	LANXESS Elastomers B.V.	Keltan 8550C
EPM-g-MA	LANXESS Elastomers B.V.	Keltan DE5005	Vacuum oven for one hour at 175 °C
furfurylamine	Sigma-Aldrich	F20009	Freshly distillated before use
di-dodecylamine	Sigma-Aldrich	36784
maleic anhydride	Sigma-Aldrich	M0357
octadecyl-1-(3,5-di-tert.-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate	Sigma-Aldrich	367079
bis(tert.-butylperoxy-iso-propyl) benzene	Sigma-Aldrich	531685
tetrahydrofuran	Sigma-Aldrich	401757
decalin	Sigma-Aldrich	294772
acetone	Sigma-Aldrich	320110