EP2931817A1 - Funktionsmaterialien mit reversibler vernetzung - Google Patents

Funktionsmaterialien mit reversibler vernetzung

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EP2931817A1
EP2931817A1 EP13791781.1A EP13791781A EP2931817A1 EP 2931817 A1 EP2931817 A1 EP 2931817A1 EP 13791781 A EP13791781 A EP 13791781A EP 2931817 A1 EP2931817 A1 EP 2931817A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
formulation
crosslinking
group
formulation according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13791781.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christopher Barner-Kowollik
Kim Klaus ÖHLENSCHLÄGER
Stefan Hilf
Friedrich Georg Schmidt
Nathalie GUIMARD
Jan Müller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Evonik Roehm GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evonik Roehm GmbH filed Critical Evonik Roehm GmbH
Publication of EP2931817A1 publication Critical patent/EP2931817A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C08F220/28Esters containing oxygen in addition to the carboxy oxygen containing no aromatic rings in the alcohol moiety
    • C08F220/281Esters containing oxygen in addition to the carboxy oxygen containing no aromatic rings in the alcohol moiety and containing only one oxygen, e.g. furfuryl (meth)acrylate or 2-methoxyethyl (meth)acrylate

Definitions

  • the present invention relates to a novel method for the reversible crosslinking of, for example, adhesive or coating compositions and a storage-stable composition at room temperature for carrying out this crosslinking reaction.
  • the reversible crosslinking method allows for very fast crosslinking even at a low first temperature and a solution of crosslinking sites at higher temperatures, so that thermoplastic processability is recovered and e.g. the originally bonded substrates can be easily separated again. It is a particular aspect that multiple cycles of crosslinking and solution of crosslinking sites are possible with the present system.
  • the system used for reversible crosslinking is characterized in that it consists of two components A and B, component A being a compound having at least two protected dithioesters, preferably cyanodithioesters, and component B a compound having at least two diene functionalities is.
  • reversibly cross-linkable polymers can also be used in various applications.
  • DE 198 32 629 and DE 199 61 940 describe processes in which adhesives based on epoxy, urea, (meth) acrylate or isocyanate are thermally decomposed.
  • the adhesive formulation from DE 199 61 940 contains a thermally unstable substance, which is activated when heated.
  • the adhesive layer in DE 198 32 629 is destroyed by a particularly high energy input. The deactivation of the adhesive layer is irreversible in both cases.
  • Dithioester group and a dienyl end group are described in Inglis et al.
  • No. 6,933,361 describes a system for the production of easily repairable, transparent moldings.
  • the system consists of two
  • EP 2 536 797 discloses a reversibly crosslinking system consisting of two components A and B.
  • Component A is a compound having at least two dienophilic groups and component B is a compound having at least two diene functionalities.
  • the combinations of components A and B disclosed in EP 2 536 797 can still be optimized in relation to the maximum number of possible switching cycles and the storage stability of the compositions.
  • the object of the present invention is to provide an improved reversible crosslinking method based on the combination of compounds having at least two dienophilic groups and at least two dienes.
  • This crosslinking method should be usable in different applications and in a broad formulation spectrum.
  • the components used for the cross-linking are particularly stable in storage and easily thermally activated in a pre-formulated mixture of all components.
  • the object is a reversible crosslinking method for
  • Crosslinking mechanism that can be used independently of the formulation components such as binders for various polymers.
  • the mechanism also provides new reversibly crosslinkable formulations. Surprisingly, it was found that the tasks set by a
  • Formulation which is crosslinkable by means of a Diels-Alder or a hetero-Diels-Alder reaction, can be solved.
  • This formulation is distinguished by the fact that it is storage-stable at room temperature without crosslinking, reacts with crosslinking at a temperature Ti and at least 80% dissolves the crosslinking points again at a temperature T 2 which is higher than Ti.
  • the formulations according to the invention contain a component A which has at least two dienophilic double bonds and a component B which has at least two diene functionalities.
  • a component A which has at least two dienophilic double bonds
  • a component B which has at least two diene functionalities.
  • at least one of these two components A or B must have more than two, preferably at least three, of the respective functionalities.
  • a system with two functional groups each in components A and B does not react under
  • the component having at least three functionalities may be a polymer and the component having two functionalities may be a low molecular weight substance or an oligomer.
  • the component having at least three functionalities is an oligomer or a low molecular weight substance and the component having two functionalities is a polymer.
  • both components are polymers.
  • both components have at least three functionalities, regardless of which of the two Components is a polymer.
  • both components are polymers having at least three functionalities.
  • components A and B are each a polymer
  • these polymers may be different or the same polymers, differing only in functional groups.
  • the polymers may be polyacrylates, polymethacrylates, polystyrenes, copolymers of acrylates, methacrylates and / or styrenes, polyacrylonitrile, polyethers, polyesters, polylactic acids, polyamides, polyesteramides, polyurethanes, polycarbonates, amorphous or partially crystalline poly- ⁇ -olefins, EPDM, EPM, hydrogenated or non-hydrogenated polybutadienes, ABS, SBR, polysiloxanes and / or block, comb and / or star copolymers of these polymers.
  • These star polymers can have over 30 arms.
  • the composition of the arms can vary and be composed of different polymers. Again, these arms may in turn have branching points.
  • the comb polymers can have a block structure and variable comb arms.
  • (meth) acrylates is alkyl esters of acrylic acid and / or methacrylic acid.
  • a particular aspect of the invention is that the formulation is crosslinkable at room temperature and the crosslinking at a higher temperature can be reversed to such an extent that a liquid, ungelled mass results, e.g. can be formed by conventional in the thermoplastic processing method.
  • the dienophile according to the invention is a protected one
  • the dithioester used as the basis for the undonophilic component used according to the invention thus has the structure wherein Z is a strongly electron-withdrawing group at R m is a Gridbindige organic group, preferably based on
  • R m may also be a polymer.
  • the number of dithioester groups n is a number between 2 and 20, preferably between 2 and 10 and particularly preferably between 2 and 4.
  • the group Z is a 2-pyridyl group, a phosphoryl group, a sulfonyl group, a cyano or trifluoromethyl group.
  • Z is more preferably a cyano group
  • the protected dithioester used according to the invention as dienophile is a dithioester protected with cyclopentadiene and thus a compound having the following structure:
  • R n is a coupling group by means of which the protected dithioester group is coupled to R m .
  • An example of such a group is a benzyl radical.
  • divalent alkyl radicals having up to 10 carbon atoms, other divalent aromatic radicals or divalent oligoether radicals are accordingly as follows:
  • difunctional crosslinker is represented by the following compound derived from the reaction of isophorone diisocyanate and cyclopentadiene
  • trifunctional crosslinker is the following compound prepared from the reaction of the trimer of hexamethylene diisocyanate and the cyclopentadiene protected crosslinker:
  • the selection of the compounds selected for the formation of the protective groups is not limited to pure Cydopentadiene. According to the invention is essential in the selection of the protective groups only that they are reacted with a dithioester to a protected compound, thereby forming a stable compound at room temperature and at temperatures of about 80 ° C or below 80 ° C to a large extent, the means to be at least 80% again - with the formation of dithioester - removable. This reaction step preferably takes place at
  • Methylcyclopentadiene tetramethyl-Cp, 1,3-cyclohexadienes, spiro [2,4] hepta-4,6-dienes and trimethylsilyl-cyclopentadienes.
  • the activation takes place at an activation temperature Ti, which is at least 35 ° C and at least 5 ° C, preferably at least 10 ° C below the Entnetzungstemperatur T 2 .
  • the temperature Ti is preferably between 40 and 85 ° C., more preferably between 40 and 80 ° C.
  • the dewetting temperature T 2 is according to the invention at least 5 ° C, preferably at least 10 ° C above the activation temperature Ti.
  • the dewetting temperature T 2 is preferably between 75 and 200 ° C., more preferably between 85 and 150 ° C.
  • Property loss of the network can be performed.
  • Component B is a compound with at least two diene groups. These diene groups are known to those skilled in the art. A known example is cyclopentadienyl, substituted cyclopentadienyl or sorbinyl groups.
  • component B is a by means
  • Atomic transfer radical polymerization herg answerss, bifunctional
  • the functionalization with the diene groups can be carried out by a polymer-analogous or during the termination carried out substitution of terminal halogen atoms. This substitution can be carried out, for example, by adding dieno functionalized mercaptans.
  • An exemplary polymerization reaction between a difunctional diene and a difunctional dienophile may be as follows. If one uses at least one of the two components at least trifunctional one comes to a corresponding reversible crosslinking reaction:
  • Another aspect of the present invention is the process for reversible crosslinking.
  • a formulation of at least two different components A and B is activated by means of a Diels-Alder or a hetero-Diels-Alder reaction at the activation temperature Ti and crosslinked spontaneously thereon.
  • a second process step at a higher temperature, at least 50%, preferably at least 90% and particularly preferably at least 99% of the crosslinking sites are dissolved again by means of a retro-Diels-Alder reaction or a retro-hetero-Diels-Alder reaction.
  • Entnetzungstemperatur T 2 preferably within 5 min, at the most within 10 min, at least 90% by weight, preferably at least 95% by weight and more preferably at least 98% by weight of the formulation in a suitable for the formulation prior to crosslinking solvent again soluble.
  • the crosslinking beforehand was so pronounced that when washing with the same solvent for 5 minutes at most 5% by weight, preferably at most 2% by weight and particularly preferably at most 1% by weight of the formulation could be achieved.
  • Formulation ingredients such as in a coating or Adhesive composition can be added, are not considered in this consideration.
  • formulation in the context of this document exclusively describes components A and B and also an optional crosslinking catalyst.
  • composition additionally includes added components in addition to the formulation.
  • additional components may be additives specially selected for the respective application, such as, for example, fillers, pigments, additives,
  • Compatibility promoters act as a combination of additives, plasticizers, impact modifiers, thickeners, defoamers, dispersing additives, rheology improvers, adhesion promoters, scratch-resistant additives, catalysts or stabilizers act.
  • Formulation in the process first brought together the components A and B, as well as optional further additives. This can be done immediately before activation and subsequent networking. According to the invention, however, there is also the advantageous alternative process that all formulation ingredients are mixed and only when needed - even days or weeks later - are crosslinked by means of the activation temperature Ti.
  • the crosslinking reaction can take place at the activation temperature Ti within 10 minutes, preferably within 5 minutes, more preferably within 2 minutes, and most preferably within one minute.
  • crosslinking catalyst can be added to components A and B after mixing, preferably directly before activation.
  • These crosslinking catalysts are usually strong acids such as trifluoroacetic acid or sulfuric acid or strong Lewis acids such as e.g. Boron trifluoride, zinc dichloride, titanium dichloride diisopropylate or aluminum trichloride.
  • the crosslinking proceeds without a catalyst, for example thermally, to a satisfactory extent.
  • the activation temperature is below the temperature as described for the retro (hetero) Diels-Alder Reaction is needed.
  • the catalystless embodiment is preferred over the addition of a catalyst.
  • the crosslinking without a
  • Catalyst e.g. thermally, be accelerated. This is the
  • the formulation contains, independently of the activation of the crosslinking reaction, a further catalyst containing the
  • Dewetting temperature T 2 of the retro-Diels-Alder or the retro-hetero-Diels-Alder reaction lowers.
  • These catalysts may be, for example, iron or an iron compound.
  • a disadvantage of such catalysts may be that it adversely affects the storage stability of the formulation of components A and B, since such catalysts can simultaneously influence the activation, ie the removal of the protective groups.
  • formulations or processes according to the invention can be used in a wide variety of fields of application.
  • the following list exemplifies some preferred applications, without limiting the invention in any way.
  • Such preferred fields of application are adhesives, sealants, molding compounds, lacquers, paint, coatings,
  • inks are, for example, compositions which are applied thermally and crosslink on the substrate.
  • conductive oligomers or additives to create a conductivity in the
  • an electroconductive ink is obtained, e.g. can be processed by bubble-jet method.
  • compositions which are e.g. porous materials in the expanded state can soak or wet particularly well and as a result of the crosslinking reaction
  • Another application in the field of gluing is, for example, a temporary need to be solved later, as in different
  • crosslinking and de-crosslinking materials described can be found in the FDM (Fused Deposition Modeling) or in 3D printing by means of ink-jet processes with low-viscosity melts.
  • thermoformable fiber composites An example of applications in the field of composite materials are self-healing matrix materials or reversibly crosslinking and thus thermoformable fiber composites.
  • the weight average molecular weights of the polymers were determined by GPC
  • the NMR analyzes were carried out on a Bruker AM 400 MHz spectrometer.
  • Step 1 a Sodium Carbonocvanidodithioate (1 a)
  • the brownish powder is once made from an isobutyl alcohol /
  • Reaction time is slowly added to quench remaining Diisobutylaluminiumhydrids water.
  • To dissolve the white precipitate that forms during quenching add 30 mL conc. HCI solution and 30 mL dichloromethane added. The two phases are separated and the aqueous layer extracted four times with dichloromethane. The organic phases are combined, dried with Na 2 SO 4 . Under reduced pressure, the solvent is removed; it remains white solid in 77% yield (4.40 g, 22.0 mmol).
  • the product was identified as the target product by 1 H NMR spectroscopy.
  • Step 4 cyclopentadiene-blocked cvanodithioester di-linker (IPDI-DTE-Cp) (3a) 1.00 g (3.40 mmol, 2.3 eq.) Cyclopentadiene-blocked cyanodithioester (3) from step 3, 0, 33 g (1.50 mmol, 1 eq.) Of isophorone diisocyanate (IPDI) and 1.00 g (0.0015 mmol, 0.01 eq.) Of dibutyltin dilaurate are placed under nitrogen in a 25 mL two-necked flask and then with 4 mL of dried THF added. This mixture is heated with stirring to 55 ° C and this
  • This invention used as a diene compound is made
  • IPDI Isophorone diisocyanate
  • Example 3 Reaction of the IPDI-SA with the Cp-blocked dienophile from Example 1
  • Templates are added in a constant ratio over a period of five hours in a tempered to 1 10 ° C glass jacketed reactor with thermostat under nitrogen and allowed to polymerize. After the dosing has been completed, the mixture is reheated for a further hour (110 ° C.) and the resulting polymer solution is cooled and discharged. A viscous clear polymer solution is obtained, the composition of which is determined by 1 H NMR spectroscopy.
  • Example 5 Reaction of the PMMA-FU with the Cp-Blocked Dienophile from Example 1
  • Step 4 Based on the dienophile groups and the furfuryl groups used in the polymerization of Example 4, equimolar amounts of the PMMA-FU from Example 4 and the Cp-blocked dienophile from Example 1 (Step 4) are dissolved in dichloromethane and the two solutions are mixed together. Then the dichloromethane is removed in vacuo. The remainder is heated to 75 ° C. After 20 - 60 min reaction time, the heat source was removed.
  • dichloromethane is removed in vacuo. The remainder is heated to 75 ° C. After 20 - 60 min reaction time, the heat source was removed.
  • Example 6 Synthesis of Cp-telechelic poly-n-butyl acrylate (PBA-Cp) These tele-dels used as the diene are a poly-n-butyl acrylate having two terminal cyclopentadiene groups each. Of the
  • Manufacturing process is two-tiered.
  • Step 1 Synthesis of Br-telechelen Polv-n-butyl acrylate using ATRP
  • nBA n-butyl acrylate
  • 1,4-bis (bromoisobutyryloxy) butane 0.35 equivalents of copper (I) oxide, 0.0125 equivalents of copper (II) bromide, and 0.7
  • Step 2 Synthesis of Cp telechelic Polv (nBA) (PnBA-Cp)
  • Nuclear magnetic resonance spectroscopy can be detected.
  • the molecular weight is determined by GPC with calibration against PMMA standards in THF.
  • Example 7 Reaction of the PnBA-Cp with the Cp-Blocked Dienophile from Example 1
  • the product is taken up in a solution of 10 equivalents of 2,3-dimethylbutadiene in toluene and heated to 120 ° C for 30 min.
  • This product is also subjected to a GPC measurement (see Example 7b in Table 1).
  • the 2,3-dimethylbutadiene is required as a diene to scavenge the free cyanodithiocarbonate groups of the dehydrated dienophile. If this were not done, the cyanodithiocarbonates would again react with the diene groups of the compound from Example 6 (according to the invention) on cooling.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Methode zur reversiblen Vernetzung von beispielsweise Kleb- oder Beschichtungsmassen und eine bei Raumtemperatur lagerstabile Zusammensetzung zur Durchführung dieser Vernetzungsreaktion. Die reversible Vernetzungsmethode ermöglicht eine sehr schnelle Vernetzung schon bei einer niedrigen ersten Temperatur und eine Lösung der Vernetzungsstellen bei höheren Temperaturen, so dass eine thermoplastische Verarbeitbarkeit zurück gewonnen wird und z.B. die ursprünglich verklebten Substrate leicht wieder voneinander getrennt werden können. Dabei ist ein besonderer Aspekt, dass mehrere Zyklen einer Vernetzung und einer Lösung der Vernetzungsstellen mit dem vorliegenden System möglich sind. Das zur reversiblen Vernetzung verwendete System zeichnet sich dadurch aus, dass es aus zwei Komponenten A und B besteht, wobei es sich bei Komponente A um eine Verbindung mindestens zwei geschützten Dithioestern, bevorzugt Cyanodithioestern, und bei Komponente B um eine Verbindung mit mindestens zwei Dienfunktionalitäten handelt.

Description

Funktionsmaterialien mit reversibler Vernetzung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Methode zur reversiblen Vernetzung von beispielsweise Kleb- oder Beschichtungsmassen und eine bei Raumtemperatur lagerstabile Zusammensetzung zur Durchführung dieser Vernetzungsreaktion.
Die reversible Vernetzungsmethode ermöglicht eine sehr schnelle Vernetzung schon bei einer niedrigen ersten Temperatur und eine Lösung der Vernetzungsstellen bei höheren Temperaturen, so dass eine thermoplastische Verarbeitbarkeit zurück gewonnen wird und z.B. die ursprünglich verklebten Substrate leicht wieder voneinander getrennt werden können. Dabei ist ein besonderer Aspekt, dass mehrere Zyklen einer Vernetzung und einer Lösung der Vernetzungsstellen mit dem vorliegenden System möglich sind. Das zur reversiblen Vernetzung verwendete System zeichnet sich dadurch aus, dass es aus zwei Komponenten A und B besteht, wobei es sich bei Komponente A um eine Verbindung mit mindestens zwei geschützten Dithioestern, bevorzugt Cyanodithioestern, und bei Komponente B um eine Verbindung mit mindestens zwei Dienfunktionalitäten handelt.
Stand der Technik
Methoden zur reversiblen Vernetzung von Polymeren sind für ein breites Feld von Anwendungen von großem Interesse. Beispielsweise in Klebanwendungen sind diverse Möglichkeiten für die Automobilindustrie oder die Halbleiterindustrie
beschrieben. Aber auch bei der Konstruktion von Maschinen, feinmechanischen Geräten oder in der Bauindustrie sind solche Klebstoffe interessant.
Neben Klebanwendungen können reversibel vernetzbare Polymere auch in
Dichtstoffen, Beschichtungsmassen wie Lacken oder Farben oder bei der
Herstellung von Formkörpern interessant sein. In DE 198 32 629 und in DE 199 61 940 sind Verfahren beschrieben, bei denen Klebstoffe auf Epoxy-, Harnstoff-, (Meth)acrylat- oder Isocyanatbasis thermisch zersetzt werden. Die Klebstoffformulierung aus DE 199 61 940 enthält dazu eine thermisch instabile Substanz, die bei Erhitzen aktiviert wird. Die Klebschicht in DE 198 32 629 wird durch besonders hohen Energieeintrag zerstört. Die Desaktivierung der Klebschicht ist in beiden Fällen irreversibel .
In US 2005/0159521 bzw. in US 2009/0090461 ist ein Klebsystem beschrieben, das durch Bestrahlung mit aktinischer Strahlung radikalisch vernetzt und durch
Ultraschall zerstört wird. Auch dieses Verfahren ist nach einem Klebezyklus irreversibel nicht mehr durchführbar.
In EP 2 062 926 sind in die Ketten eines Polyurethans für Klebanwendungen thermisch labile, sterisch gehinderte Harnstoffgruppen eingebaut, die durch Eintrag thermischer Energie zerstört werden und damit die Klebwirkung ausreichend zur Lösung der Verbindung reduziert wird. In US 2009/0280330 ist ein wahrscheinlich mehrfach verwendbares Klebsystem beschrieben, das einen Zweischichtaufbau aufweist. Bei einer Schicht handelt es sich um eine Shape-Memory-Schicht, die thermisch flexibel oder gehärtet werden kann. Bei der anderen Schicht handelt es sich um einen Trockenkleber, der unterschiedliche Klebstärken in Abhängigkeit von der Struktur aufweist. Problem eines solchen Systems ist jedoch die aufwendig aufzubauende zweischichtige Struktur und die zu erwartende Restklebrigkeit nach Erhitzen der Shape-Memory- Schicht.
Unter dem Oberbegriff„Click Chemie" werden seit einigen Jahren vor allem in der akademischen Welt Methoden zum Aufbau von Blockcopolymeren erforscht. Dabei werden zwei unterschiedliche Homopolymere mit verknüpfbaren Endgruppen miteinander kombiniert und z.B. mittels einer Diels-Alder-Reaktion, Diels-Alder- analogen Reaktion bzw. einer anderen Cycloaddition miteinander verbunden. Ziel dieser Reaktion ist es, thermisch stabile, lineare und ggf. hochmolekulare
Polymerketten aufzubauen. In Inglis et al. (Macromolecules 2010, 43, S.33-36) beispielsweise sind zu diesem Zweck Polymere mit Cyclopentadienylendgruppen, die aus mittels ATRP hergestellten Polymeren erhältlich sind, beschrieben. Diese Cyclopentadiengruppen können sehr rasch in hetero Diels-Alder Reaktionen mit Polymeren reagieren, welche elektronenarme Dithioester als Endgruppen tragen (Inglis et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, S. 241 1 -2414).
Die Verwendung von monofunktionellen RAFT-Polymeren zur Verknüpfung mit monofunktionellen Polymeren, die eine Dihydrothiopyran-Gruppe über eine Hetero- Diels-Alder-Reaktion findet sich in Sinnwell et al. (Chem. Comm. 2008, 2052-2054). Mit dieser Methode lassen sich AB-Diblockcopolymere realisieren. Schnelle
Varianten dieser Hetero-Diels-Alder-Verknüpfung zur Synthese von AB- Blockcopolymeren mit einer nach einer RAFT-Polymerisation vorliegenden
Dithioester-Gruppe und einer Dienyl-Endgruppe sind in Inglis et al.
(Angew.Chem.Int.Ed. 2009, 48, S.241 1 -14) und in Inglis et al. (Macromol. Rapd Commun. 2009, 30, S.1792-98) beschrieben. Die analoge Herstellung von Multiarm- Sternpolymeren findet sich in Sinnwell et al. (J.Pol. Sei.: Part A: Pol. Chem. 2009, 47, S.2207-13).
In US 6,933,361 ist ein System zur Herstellung von einfach reparierbaren, transparenten Formkörpern beschrieben. Das System besteht aus zwei
multifunktionellen Monomeren, die mittels einer Diels-Alder-Reaktion zu einem hochdichten Netzwerk polymerisieren. Dabei handelt es sich bei der einen
Funktionalität um ein Maleinsäureimid und bei der anderen Funktionalität um ein Furan. Das thermische Schalten eines solchen hochdichten Netzwerks dient zur Reparatur desselbigen. Die Vernetzung findet bei Temperaturen oberhalb von 100 °C statt. Die partielle Rückreaktion bei noch höheren Temperaturen.
Bei Syrett et al. (Polym.Chem. 2010, DOI: 10.1039/b9py00316a) werden
Sternpolymere zur Verwendung als Fließverbesserer in Ölen beschrieben. Diese weisen mittels einer reversiblen Diels-Alder-Reaktion steuerbare, selbstheilende Eigenschaften auf. Dazu werden monofunktionelle Polymethacrylatarme mit
Polymethacrylaten kombiniert, die in der Mitte der Kette, als Fragment des eingesetzten Initiators über eine in einer reversiblen Diels-Alder-Reaktion
verwendbare Gruppe verfügen. In der EP 2 536 797 ist ein reversibel vernetzendes System aus zwei Komponenten A und B bestehend offenbart. Dabei handelt es sich bei Komponente A um eine Verbindung mit mindestens zwei dienophilen Gruppen und bei Komponente B um eine Verbindung mit mindestens zwei Dienfunktionalitäten. Die in der EP 2 536 797 offenbarten Kombinationen aus den Komponenten A und B sind in Bezug auf die Maximalzahl möglicher Schaltzyklen und die Lagerstabilität der Zusammensetzungen durchaus noch optimierbar.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten reversiblen Vernetzungsmethode, die auf der Kombination von Verbindungen mit mindestens zwei dienophilen Gruppen und mindestens zwei Dienen basiert. Dabei soll diese Vernetzungsmethode in unterschiedlichen Anwendungen und in einem breiten Formulierungsspektrum einsetzbar sein.
Dabei besteht darüber hinaus die Aufgabe, dass die für die Vernetzung eingesetzten Komponenten auch in einer vorformulierten Mischung aller Komponenten besonders lagerstabil und einfach thermisch aktivierbar sind.
Insbesondere besteht die Aufgabe, eine reversible Vernetzungsmethode zur
Verfügung zu stellen, die mehrfach, d.h. mindestens fünfmal ohne großen
Eigenschaftsverlust schaltbar ist.
Darüber hinaus besteht die Aufgabe, eine reversible Vernetzungsmethode zur Verfügung zu stellen, die bei geringen Temperaturen sehr schnell aktivierbar ist und unter Bedingungen, die unschädlich für die Formulierung und eventuell beschichtete Substrate sind, wieder deaktivierbar ist.
Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem
Gesamtzusammenhang der nachfolgenden Beschreibung, Ansprüche und Beispiele.
Lösung
Gelöst wurden die Aufgaben durch Entwicklung eines neuartigen reversiblen
Vernetzungsmechanismus, der unabhängig von den Formulierungsbestandteilen wie Bindemittel für verschiedenartige Polymere einsetzbar ist. Mit dem Mechanismus werden auch neue reversibel vernetzbare Formulierungen zur Verfügung gestellt. Überraschend wurde gefunden, dass die gestellten Aufgaben durch eine
Formulierung, die mittels einer Diels-Alder- oder einer Hetero-Diels-Alder-Reaktion vernetzbar ist, gelöst werden können. Diese Formulierung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass sie bei Raumtemperatur ohne Vernetzung lagerstabil ist, bei einer Temperatur Ti unter Vernetzung reagiert und bei einer Temperatur T2, die höher ist als Ti, zu mindestens 80% die Vernetzungspunkte wieder löst.
Die erfindungsgemäßen Formulierungen enthalten eine Komponente A, die mindestens zwei dienophile Doppelbindungen aufweist und eine Komponente B, die mindestens zwei Dien-Funktionalitäten aufweist. Für ein vernetzendes System muss zumindest eine dieser beiden Komponenten A oder B, mehr als zwei, bevorzugt mindestens drei der jeweiligen Funktionalitäten aufweisen. Ein System mit jeweils zwei funktionellen Gruppen in den Komponenten A und B reagiert nicht unter
Vernetzung. Jedoch ist auch ein solches System von wirtschaftlichem Interesse, da mit einer solchen Zusammensetzung zum Beispiel die Viskosität temperaturabhängig gezielt gesteuert werden kann.
Bevorzugt liegt mindestens eine der Komponenten A oder B als Polymer vor. Für vernetzende Systeme beispielsweise kann es sich bei der Komponente mit mindestens drei Funktionalitäten um ein Polymer und bei der Komponente mit zwei Funktionalitäten um eine niedermolekulare Substanz oder um ein Oligomer handeln. In einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei der Komponente mit mindestens drei Funktionalitäten um ein Oligomer oder um eine niedermolekulare Substanz und bei der Komponente mit zwei Funktionalitäten um ein Polymer. In einer dritten, alternativen Ausführungsform handelt es sich bei beiden Komponenten um Polymere. In weiteren alternativen Ausführungsformen haben beide Komponenten mindestens drei Funktionalitäten, unabhängig davon, welche der beiden Komponenten ein Polymer ist. In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei beiden Komponenten um Polymere mit mindestens drei Funktionalitäten.
Für den Fall, dass es sich bei den Komponenten A und B jeweils um ein Polymer handelt, kann es sich bei diesen Polymeren verschiedene oder um gleiche, sich nur bezüglich der funktionellen Gruppen unterscheidende, Polymere handeln.
Bei den Polymeren kann es sich um Polyacrylate, Polymethacrylate, Polystyrole, Mischpolymerisate aus Acrylaten, Methacrylaten und/oder Styrolen, Polyacrylnitril, Polyether, Polyester, Polymilchsäuren, Polyamide, Polyesteramide, Polyurethane, Polycarbonate, amorphe oder teilkristalline Poly-a-Olefine, EPDM, EPM, hydrierte oder nicht hydrierte Polybutadiene, ABS, SBR, Polysiloxane und/oder Block-, Kammund/oder Sterncopolymeren dieser Polymere handeln. Diese Sternpolymere können über 30 Arme aufweisen. Die Zusammensetzung der Arme kann variieren und sich aus verschienden Polymeren zusammensetzen. Auch können diese Arme wiederum Verzweigungsstellen aufweisen. Die Kammpolymere können eine Blockstruktur aufweisen sowie variable Kammarme.
Die im Weiteren verwendete Schreibweise (Meth)acrylate steht für Alkylester der Acrylsäure und/oder der Methacrylsäure.
Ein besonderer Aspekt der Erfindung ist, dass die Formulierung bei Raumtemperatur vernetzbar ist und die Vernetzung bei einer höheren Temperatur so weit wieder rückgängig gemacht werden kann, dass eine flüssige, unvergelte Masse entsteht, die z.B. durch bei der Thermoplastverarbeitung üblichen Verfahren umgeformt werden kann.
Bei dem Dienophil handelt es sich erfindungsgemäß um einen geschützten
Dithioester und damit bei der Vernetzungsreaktion um eine Hetero-Diels-Alder- Reaktion. Der der verwendungsgemäß eingesetzte dieonphile Komponente zugrunde liegende Dithioester hat somit die Struktur wobei es sich bei Z um eine stark elektronenziehende Gruppe bei Rm um eine mehrbindige organische Gruppe, bevorzugt basierend auf
verzweigten oder linearen alkylischen, aromatischen oder einer Kombination aus alkylischen und aromatischen multifunktionalen Alkoholen, multifunktionalen halogenierten Verbindungen, multifunktionalen Carbonsäuren oder multifunktionalen Amine handelt. Alternativ kann es sich bei Rm auch um ein Polymer handeln. Die Anzahl der Dithioestergruppen n ist eine Zahl zwischen 2 und 20, bevorzugt zwischen 2 und 10 und besonders bevorzugt zwischen 2 und 4.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gruppe Z eine 2-Pyridylgruppe., eine Phosphorylgruppe, eine Sulfphonylgruppe, eine Cyano- oder Trifluoromethylgruppe. Neben den bevorzugten Gruppen kommt jede andere Gruppe Z in Frage, welche die Elektronendichte der C=S Doppelbindung sehr stark verringert und somit eine rasche Diels-Alder Reaktion erlaubt. Besonders bevorzugt handelt es sich bei Z um eine Cyano-Gruppe
Insbesondere handelt es sich bei dem erfindungsgemäß als Dienophil eingesetzten geschützten Dithioester um einen mit Cyclopentadien geschützten Dithioester und damit um eine Verbindun mit folgender Struktur:
Dabei gilt für die Anzahl der Gruppen n und für Rm das gleiche, wie zuvor für die Dithioester ausgeführt. Bei Rn wiederum handelt es sich um eine Kupplungsgruppe, mittels derer die geschützte Dithioestergruppe an Rm gekoppelt wird. Ein Beispiel für eine solche Gruppe ist ein Benzylrest. Beispielsweise können aber auch zweibindige Alkylreste mit bis zu 10 Kohlenstoffatomen, andere zweibindige aromatische Reste oder zweibindige Oligoetherreste verwendet werden. Eine Verbindung mit Cyclopentadienyl geschützten Cyanodithioestern mit Benzyl-Kupplungsgruppen sieht entsprechend wie folgt aus:
Ein Beispiel für einen difunktionellen Vernetzer stellt die folgende Verbindung dar, die aus der Reaktion von Isophorondiisocyanat und dem mit Cyclopentadien
geschützten Vernetzer hergestellt wird:
Ein Beispiel für einen trifunktionellen Vernetzer stellt die folgende Verbindung dar, die aus der Reaktion von dem Trimeren des Hexamethylendiisocyanats und dem mit Cyclopentadien geschützten Vernetzer hergestellt wird:
Die Auswahl der zur Bildung der Schutzgruppen ausgewählten Verbindungen ist dabei nicht auf reines Cydopentadien beschränkt. Erfindungsgemäß essentiell ist bei der Auswahl der Schutzgruppen nur, dass diese mit einem Dithioester zu einer geschützten Verbindung umsetzbar sind, bei Raumtemperatur dabei eine stabile Verbindung bilden und bei Temperaturen von ca. 80 °C oder unterhalb von 80 °C zu einem großen Teil, das heißt zu mindestens 80% wieder - unter Zurückbildung des Dithioesters - ablösbar sind. Bevorzugt erfolgt dieser Reaktionsschritt bei
Temperaturen, die oberhalb der Siedetemperatur des Schutzreagenzes liegen. Auf diese Weise kann das wieder freigesetzte Schutzreagenz gleichzeitig aus dem System entfernt werden und die Vernetzungsreaktion zusätzlich beschleunigt und zu einem höheren Umsatz geführt werden. Im Falle von Cydopentadien erfolgt dieser Reaktionsschritt entsprechend bevorzugt bei Temperaturen oberhalb von 40 °C.
Ein Beispiel für weitere als Schutzreagenz geeignete Verbindung sind
Methylcyclopentadien, Tetramethyl-Cp, 1 ,3-Cyclohexadiene, Spiro[2.4]hepta-4,6- diene und Trimethylsilyl-cyclopentadiene.
Überraschend wurde gefunden, dass diese Systeme bei Raumtemperatur auch in einer Formulierung aus den Komponenten A und B lagerstabil sind. Die Aktivierung erfolgt bei einer Aktivierungstemperatur Ti, die mindestens 35 °C beträgt und mindestens 5 °C, bevorzugt mindestens 10 °C unterhalb der Entnetzungstemperatur T2 liegt. Bevorzugt liegt die Temperatur Ti zwischen 40 und 85 °C, besonders bevorzugt zwischen 40 und 80 °C.
Die eigentliche Vernetzung könnte dann bereits bei Raumtemperatur erfolgen, in der Regel wird sie bei der gleichen Temperatur Ti durchgeführt.
Die Entnetzungstemperatur T2 liegt erfindungsgemäß mindestens 5 °C, bevorzugt mindestens 10 °C oberhalb der der Aktivierungstemperatur Ti . Bevorzugt liegt die Entnetzungstemperatur T2 zwischen 75 und 200 °C, besonders bevorzugt zwischen 85 und 150 °C.
Genauso überraschend wurde gefunden, dass diese Netzwerke bereits bei relativ geringen Temperaturen T2, wie sie oben genannt sind, wieder einfach und nahezu vollständig in einen Thermoplasten zurückgeführt werden können. Darüber hinaus wurde sehr überraschend gefunden, dass daraufhin eine erneute Vernetzung, ohne weitere Zugabe von Vernetzer und/oder Katalysator, z.B. durch reines Abkühlen wieder erfolgen kann. Darüber hinaus ist es ein besonders überraschender Effekt, dass diese Zyklen aus Vernetzen und RückÜberführung in einen Thermoplasten mindestens dreimal, bevorzugt mindestens fünfmal ohne einen größeren
Eigenschaftsverlust des Netzwerks durchgeführt werden können.
Bei Komponente B handelt es sich um eine Verbindung mit mindestens zwei Diengruppen. Diese Diengruppen sind dem Fachmann langläufig bekannt. Ein bekanntes Beispiel sind Cyclopentadienyl-, substituierte Cyclopentadienylgruppen oder Sorbinylgruppen.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei Komponente B um ein mittels
Atomtransfer radikalische Polymerisation (ATRP) hergstelltes, bifunktionelles
Polymer. In diesem Fall kann die Funktionalisierung mit den Diengruppen durch eine polymeranalog oder während des Abbruchs durchgeführte Substitution endständiger Halogenatome erfolgen. Diese Substitution kann beispielsweise durch Zugabe von mit Diengruppen funktionalisierten Mercaptanen erfolgen.
Eine beispielhafte Polymerisationsreaktion zwischen einem bifuntkionellen Dien und einem bifunktionellen Dienophil kann wie folgend aussehen. Wenn man zumindest eine der beiden Komponenten zumindest trifunktionell einsetzt kommt man zu einer entsprechenden reversiblen Vernetzungsreaktion:
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zur reversiblen Vernetzung. Bei der Durchführung dieses Verfahrens wird eine Formulierung aus zumindest zwei unterschiedlichen Komponenten A und B, mittels einer Diels-Alder- bzw. einer Hetero-Diels-Alder-Reaktion bei der Aktivierungstemperatur Ti aktiviert und darauf spontan vernetzt. In einem zweiten Verfahrensschritt werden bei einer höheren Temperatur mindestens 50%, bevorzugt mindestens 90% und besonders bevorzugt mindestens 99% der Vernetzungsstellen mittels einer Retro-Diels-Alder- bzw. einer Retro-Hetero-Diels-Alder-Reaktion wieder gelöst.
Bei Durchführung dieses zweiten Verfahrensschritts werden bei der
Entnetzungstemperatur T2 bevorzugt innerhalb von 5 min, höchstens innerhalb von 10 min, mindestens 90 Gew%, bevorzugt mindestens 95 Gew% und besonders bevorzugt mindestens 98 Gew% der Formulierung in einem für die Formulierung vor der Vernetzung geeigneten Lösungsmittel wieder löslich. Die Vernetzung zuvor war derart ausgeprägt, dass bei einem 5minütigem Auswaschen mit dem gleichen Lösungsmittel höchstens 5 Gew%, bevorzugt höchstens 2 Gew% und besonders bevorzugt höchstens 1 Gew% der Formulierung gelöst werden konnten. Der
Ausdruck Formulierung und sämtliche damit verbundenen prozentualen Angaben beziehen sich in diesem Fall nur auf die Komponenten A und B. Weitere
Formulierungsbestandteile, wie sie zum Beispiel in einer Beschichtungs- oder Klebstoffzusammensetzung zugegeben werden können, sind in dieser Betrachtung nicht berücksichtigt. Im Weiteren beschreibt der Ausdruck Formulierung im Rahmen dieser Schrift ausschließlich die Komponenten A und B sowie einen optionalen Vernetzungskatalysator. Der Ausdruck Zusammensetzung dagegen umfasst neben der Formulierung zusätzlich zugegebene Komponenten. Bei diesen zusätzlichen Komponenten kann es sich um spezifisch für die jeweilige Anwendung ausgesuchte Zuschlagsstoffe wie beispielsweise Füllstoffe, Pigmente, Additive,
Verträglichkeitsvermittler, Cobindemittel, Weichmacher, Schlagzähmodifier, Verdicker, Entschäumer, Dispergieradditive, Rheologieverbesserer, Haftvermittler, Kratzfestadditive, Katalysatoren oder Stabilisatoren handeln.
In einer ersten Alternative werden entsprechend der bereits beschriebenen
Formulierung in dem Verfahren zuerst die Komponenten A und B, sowie optionale weitere Zuschlagsstoffe zusammen gebracht. Dies kann direkt vor der Aktivierung und der anschließenden Vernetzung erfolgen. Erfindungsgemäß ergibt sich jedoch auch die vorteilhafte Verfahrensalternative, dass alle Formulierungsbestandteile gemischt und erst bei Bedarf - auch Tage oder Wochen später - mittels der Aktivierungstemperatur Ti vernetzt werden. Die Vernetzungsreaktion kann bei der Aktivierungstemperatur Ti innerhalb von 10 min, bevorzugt innerhalb von 5 min, besonders bevorzugt innerhalb von 2 min und ganz besonders bevorzugt innerhalb von einer Minute erfolgen.
Zur Beschleunigung der Vernetzung kann nach dem Vermischen, bevorzugt direkt vor der Aktivierung, der Komponenten A und B ein Vernetzungskatalysator zugegeben werden. Bei diesen Vernetzungskatalysatoren handelt es sich in der Regel um starke Säuren wie Trifluoressigsäure oder Schwefelsäure oder um starke Lewis-Säuren wie z.B. Bortrifluorid, Zinkdichlorid, Titandichlorid-diisopropylat oder Aluminiumtrichlorid.
Die Vernetzung verläuft jedoch auch ohne einen Katalysator, z.B. thermisch, in zufriedenstellendem Umfang ab. Dabei liegt die Aktivierungstemperatur wie beschrieben unterhalb der Temperatur, die für die Retro-(Hetero)-Diels-Alder- Reaktion benötigt wird. Die Ausführungsform ohne Katalysator ist gegenüber der Zugabe eines Katalysators bevorzugt.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Vernetzung auch ohne einen
Katalysator, z.B. thermisch, beschleunigt werden. Dabei liegt die
Aktivierungstemperatur wie beschrieben unterhalb der Temperatur, die für die Retro- (Hetero)-Diels-Alder-Reaktion benötigt wird.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform enthält die Formulierung unabhängig von der Aktivierung der Vernetzungsreaktion einen weiteren Katalysator, der die
Entnetzungstemperatur T2 der Retro-Diels-Alder- bzw. der Retro-Hetero-Diels-Alder- Reaktion absenkt. Bei diesen Katalysatoren kann es sich beispielsweise um Eisen oder eine Eisenverbindung handeln. Ein Nachteil solcher Katalysatoren kann jedoch sein, dass diese die Lagerstabilität der Formulierung aus Komponenten A und B negativ beeinträchtigt, da solche Katalysatoren gleichzeitig die Aktivierung, d.h. das Entfernen der Schutzgruppen, beeinflussen können.
Die erfindungsgemäßen Formulierungen bzw. Verfahren können in verschiedensten Anwendungsgebieten zur Verwendung kommen. Die nachfolgende Liste zeigt einige bevorzugte Anwendungsgebiete beispielhaft auf, ohne die Erfindung diesbezüglich in irgendeiner Form einzuschränken. Solche bevorzugten Anwendungsgebiete sind Klebstoffe, Dichtstoffe, Formmassen, Lacke, Farbe, Beschichtungen,
Verbundmaterialien oder Tinten.
Bei diesen Tinten handelt es sich beispielsweise um Zusammensetzungen, die thermisch appliziert werden und auf dem Substrat vernetzen. Wenn man leitfähige Oligomere verwendet oder Additive zur Erzeugung einer Leitfähigkeit im
Allgemeinen, wird eine elektrisch leitende Tinte erhalten, die z.B. per Bubble-jet - Verfahren verarbeitet werden kann.
Beispiele aus den Anwendungsgebieten Lacke, Beschichtungen und Farbe sind Zusammensetzungen, die z.B. poröse Materialien im entnetzten Zustand besonders gut tränken oder benetzen können und in Folge der Vernetzungsreaktion
hochkohärente Materialien ergeben. Ähnliche Charakteristika sind von Bedeutung für Klebstoffe, die hohe Kohäsion aufweisen sollten und dennoch leicht die Oberflächen der zu klebenden Materialien benetzen sollen.
Eine weitere Anwendung im Bereich Kleben ist zum Beispiel eine nur temporär benötigte, später wieder zu lösende Fügung, wie sie in verschiedenen
Produktionsprozessen zum Beispiel im Automobilbau oder im Maschinenbau vorkommen kann.
Eine andere denkbare Anwendung ist das Verkleben von Bauteilen, die über die Lebensdauer des gesamten Produktes gesehen eine hohe
Austauschwahrscheinlichkeit haben, und daher möglichst einfach und rückstandsfrei wieder zu entfernen sein sollten. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist das Verkleben von Automobilfrontscheiben.
Ein besonderes Beispiel für Kleb- oder Dichtstoffe ist die Verwendung in
Lebensmittelverpackungen, die sich beim Aufheizen, beispielsweise in einer
Mikrowelle selbsttätig lösen lassen bzw. öffnen.
Ein Beispiel für Anwendungen im Bereich Rapid-Prototyping für die hier
beschriebenen vernetzenden und entnetzenden Materialien sind im Bereich FDM (Fused Deposition Modeling) oder beim 3D-Druck per Ink-jet-Verfahren mit niedrigviskosen Schmelzen zu finden.
Ein Beispiel für Anwendungen im Bereich Verbundmaterialien sind selbstheilende Matrixmaterialien bzw. reversibel vernetzende und damit thermisch umformbare Faserverbundwerkstoffe.
Beispiele
Die gewichtsmittleren Molekulargewichte der Polymere wurden mittels GPC
(Gelpermeationschromatographie) bestimmt. Die Messungen wurden mit einer PL- GPC 50 Plus der Firma Polymer Laboratories Inc. bei 30 °C in Tetrahydrofuran (THF) gegen eine Serie von Polystyrolstandards durchgeführt (ca. 200 bis 1 -106 g/mol).
Die NMR-Analysen wurden auf einem Bruker AM 400 MHz Spektrometer ausgeführt.
Beispiel 1 : Synthese eines Cyclopentadien-blockierten Di-Cyanodithioesters (IPDI-DTE-Cp)
Stufe 1 a: Natriumcarbonocvanidodithioat (1 a)
Eine Suspension von 5,46 g (0,1 1 1 mol, 1 ,1 eq) Natriumcyanid in 20 mL DMF wird in einem Eisbad auf 0°C gekühlt. Unter starkem Rühren werden 6,20 mL (7,75 g, 0,102 mol, 1 eq) Schwefelkohlenstoff, verdünnt mit 13 mL DMF über einen Zeitraum von 10 min zugefügt. Nach kompletter CS2-Zugabe wird das Eisbad entfernt und die Lösung bis zur kompletten Verfestigung (Ausfällung von braunen Nadeln über einen
Zeitraum von ca. 60 min) gerührt. Dann werden 150 mL Isobutylalkohol zugefügt und zum Auflösen der ausgefallenen Nadeln erwärmt. Die warme Lösung wird filtriert um nicht verbrauchtes Natriumcyanid zu entfernen. Das Filtrat wird mit flüssigem
Stickstoff gekühlt und der wiedererfolgte Niederschlag abfiltriert und mit Diethylether gewaschen. Das bräunliche Pulver wird einmal aus einer Isobutylalkohol /
Diethylether -Mischung (1 :1 ) umkristallisiert. Man erhält einen gelben Feststoff mit einer Ausbeute von 90% (30,0 g, 0,09 mol). Stufe 1 b: (Tetraethylammonium)carbonocvanidodithioat (1 b)
Die folgende Umwandlung zum Ammoniumsalz ist notwendig, um die Lagerstabilität des Salzes zu erhöhen. Das entsprechende Natriumsalz aus Stufe 1 wäre aber auch einsetzbar.
Der gesamte erhaltene gelbe Feststoff anschließend in 1 10 mL Ethanol am Rückfluss gekocht, während gleichzeitig 18,9 g (0,09 mol, 1 eq) Ethylammoniumbromid in 50 mL Ethanol aufgekocht werden. Die beiden siedenden Lösungen werden vereinigt und weitere 10 min am Rückfluss am Sieden gehalten. Beim Abkühlen kristallisiert ein brauner Feststoff aus, der filtriert und aus Ethanol umkristallisiert wird. Das Endprodukt ist ein brauner, glänzender Feststoff.
Ausbeute: 48% (10,0 g, 0,043 mol) -(Bromomethyl)benzylalkohol (2)
Unter Stickstoff werden 50 mL einer 25%igen Lösung von Diisobutylaluminium hydride in Hexane (8,17 g, 57,4 mmol, 2eq) auf 0°C im Eisbad gekühlt, bevor 6,57 g (28,7 mmol, 1 eq) Methyl 4-(bromomethyl)benzoat, gelöst in 30 mL Dichlormethan, über einen Tropftrichter innerhalb von 30 min zugefügt werden. Nach 4 h
Reaktionszeit wird zum Quenchen verbliebenen Diisobutylaluminiumhydrids langsam Wasser zugesetzt. Um den weißen Niederschlag, der sich während des Quenchens bildet, aufzulösen, werden 30 mL konz. HCI-Lösung und 30 mL Dichlormethan zugefügt. Die beiden Phasen werden getrennt und die wässrige Schicht viermal mit Dichlormethan extrahiert. Die organischen Phasen werden vereinigt, mit Na2SO4 getrocknet. Unter reduziertem Druck wird das Lösemittel entfernt; es verbleibt ein weißer Feststoff in einer Ausbeute von 77% (4,40 g, 22,0 mmol). Das Produkt wurde mittels 1H-NMR-Spaktroskopie als das Zielprodukt identifiziert.
In einem Rundkolben werden 4,40 g (22,0 mmol, 1 eq) 4-(Bromomethyl)benzylalkohol aus Stufe 2 in 15 mL Acetonitril gelöst und bei Raumtemperatur gerührt. Zu der Lösung werden in 2 mL Acetonitril gelöstes 5,22 g (22,5 mmol, 1 ,02 eq)
(Tetraethylammonium)carbonocyanidodithioat aus Stufe 1 b hinzugefügt. Nach einer Minute Reaktionszeit werden 5,22 mL (4,02 g, 60,9 mmol, 2,7eq) Cyclopentadien injiziert und die Mischung für 3 h gerührt. Das Lösemittel wird unter reduziertem Druck entfernt und das verbleibende gelbe Öl mittels Flash Chromatography (Silica gel/ Hexan :Ethylacetate (1 :1 )-(1 :2)) gereinigt. Das Produkt wurde mittels 1H- und 13C- NMR-Spaktroskopie als das Zielprodukt identifiziert. Ausbeute: 32% (2,03 g, 7,04 mmol)
Stufe 4: Cvclopentadien-blockierter Cvanodithioester-di-Linker (IPDI-DTE-Cp) (3a) 1 ,00 g (3,40 mmol, 2,3 eq.) Cyclopentadien-blockierter Cyanodithioester (3) aus Stufe 3, 0,33 g (1 ,50 mmol, 1 eq.) Isophorondiisocyanat (IPDI) und 1 ,00 g (0,0015 mmol, 0,01 eq.) Dibutylzinndilaurat werden unter Stickstoffatmosphäre in einem 25 mL-Zweihalskolben vorgelegt und anschließend mit 4 mL getrocknetem THF versetzt. Diese Mischung wird unter Rühren auf 55 °C erhitzt und bei dieser
Temperatur werden 0,5 mL (0,362 g, 3,50 mmol, 2,3 eq.) Triethylamin zugegeben. Die Mischung wird darauf über Nacht bei 55 °C gerührt und anschließend auf
Raumtemperatur angekühlt, bevor das THF im Unterdruck entfernt wird. Der Rückstand wird in 40 ml_ Dichlormethan gelöst und die organische Phase hintereinander mit 30 ml_ einer 1 molaren wässrigen NaOH-Lösung, 30 ml_ einer 1 molaren wässrigen HCI-Lösung und einer NaCL-Lösung gewaschen. Die organische Phase wird über Magnesiumsulfat getrocknet und darauf das Lösungsmittel im Unterdruck entfernt. Man erhält 1 ,40 g eines dunklen Feststoff, der wiederum chromatographisch über Silicagel mit einer 2:1 -Mischung aus Ethylacetat und Hexan als Laufmittel gereinigt. Man erhält eine Ausbeute von 53% (0,70 g, 0,8 mmol). Das Produkt wurde mittels 1 H-NMR-Spaktroskopie als das Zielprodukt identifiziert.
Beispiel 2: Isophoron-disorbinyl (IPDI-SA) (4)
Diese erfindungsgemäß als Dien eingesetzte Verbindung wird aus
Isophorondiisocyanat (IPDI) und Sorbinalkohol in Aceton synthetisiert.
Zur Synthese werden 1 ,092 mol (267,77 g) IPDI in einen 2000 ml Dreihalskolben eingewogen und anschließend in 300 g Aceton gelöst. Nach Zugabe von 0,01 Gew% DBTL wird die Lösung auf 60°C erhitzt, wobei 2,377 mol (233,26 g) Furfurylalkohol innerhalb von 60 min hinzu getropft werden. Der NCO-Gehalt der Reaktionslösung beträgt zu Beginn der Synthese 12,45 %. Nach 4,5 h Reaktionszeit wird der NCO- Gehalt bestimmt, um den Fortgang der Reaktion zu bestimmen. Er beträgt 0,506 %. Eine weitere Stunde später wird die Reaktion bei einem NCO-Gehalt von 0,20 % beendet. Das Lösungsmittel wird bei 100°C und 5*10"1 mbar im Rotationsverdampfer entfernt, wobei ein bei Raumtemperatur sehr hochviskoses, bräunliches Öl zurück bleibt. Die eindeutige Charakterisierung des Produktes erfolgte mittels
Infrarotspektroskopie und mittels 1 H-NMR- und 13C-NMR-Spektroskopie. Beispiel 3: Umsetzung des IPDI-SA mit dem Cp-blockierten Dienophil aus Beispiel 1
Equimolare Mengen des Diens IPDI-SA aus Beispiel 2 und des Cp-blockierten Dienophils aus Beispiel 1 (Stufe 4) werden in Dichlormethan gelöst und die beiden Lösungen miteinander gemischt. Anschließend wird das Dichlormethan im Vakuum entfernt. Der verbleibende Rest wird auf 75 °C erhitzt. Nach 20 - 60 min
Reaktionszeit wurde die Heizquelle entfernt und das entstandene, abgekühlte Polymer mittels GPC analysiert.
Beispiel 4: Synthese von Furfuryl-funktionalisiertem Polymethacrylat (PMMA- FU) mittels freiradikalischer Lösungspolymerisation
Zur Synthese des Copolymers wird in einem Glasbehälter ein Gemisch aus 60 Gewichtsteilen n-Butylmethacylat, (20 Teilen Methylmethacrylat und 10
Gewichtsteilen Furfurylmethacrylat in 35 Gewichtsteilen Xylol gelöst und mit 4 Gewichtsteilen Mercaptoethanol versetzt und mittels Durchleiten von Stickstoff entgast. In einem weiteren Behälter wird eine 10 gew%ige Lösung von α,α'-Azobis- (isobuttersäure-2-hydroxyethylamid (3 Gewichtsteile) hergestellt. Die beiden
Vorlagen werden in konstantem Verhältnis über einen Zeitraum von fünf Stunden in einen auf 1 10°C temperierten Glasdoppelmantelreaktor mit Thermostat unter Stickstoff zudosiert und polymerisieren gelassen. Nach Ablauf der Dosierung wird für eine weitere Stunde nachgeheizt (1 10°C) und die entstandene Polymerlösung abgekühlt und ausgetragen. Es wird eine zähviskose klare Polymerlösung erhalten, deren Zusammensetzung durch 1 H-NMR-Spektroskopie bestimmt wird.
Auf diese weise erhält man eine Dienkomponente mit mehr als zwei Dien- Funktionalitäten. Diese Verbindung wirkt entsprechend als Vernetzer. Beispiel 5: Umsetzung des PMMA-FU mit dem Cp-blockierten Dienophil aus Beispiel 1
Bezogen auf die Dienophilgruppen und die in der Polymerisation des Beispiels 4 eingesetzten Furfurylgruppen equimolare Mengen des PMMA-FU aus Beispiel 4 und des Cp-blockierten Dienophils aus Beispiel 1 (Stufe 4) werden in Dichlormethan gelöst und die beiden Lösungen miteinander gemischt. Anschließend wird das Dichlormethan im Vakuum entfernt. Der verbleibende Rest wird auf 75 °C erhitzt. Nach 20 - 60 min Reaktionszeit wurde die Heizquelle entfernt. Ein
Extraktionsversuch des entstandenen Feststoffs mit Dichlormehtan unter Rückfluss ergab, dass nur noch 5 Gew% des Materials löslich sind. Dagegen ergab eine
Extraktion mit Toluol unter Rückfluss und anschließender Filtration bei ca. 95 °C, dass ca. 85 Gew% des Materials bei 1 1 1 °C wieder gelöst wurden. Dieser Versuch zeigt, dass bei einer Temperatur von ca. 40 °C keine Entnetzung auftritt, während bei einer Temperatur von 1 1 1 °C ein großer Teil der Vernetzungsstellen wieder gelöst wird.
Beispiel 6: Synthese von Cp-telechelen Poly-n-butylacrylat (PBA-Cp) Bei diesen als Dien verwendeten Telechelen handelt es sich um ein Poly-n- butylacrylat mit jeweils zwei endständigen Cyclopentadiengruppen. Der
Herstellungsprozess ist zweistufig.
Stufe 1 : Synthese von Br-telechelen Polv-n-butylacrylat mittels ATRP
62 Äquivalente n-Butylacrylat (nBA), 1 Äquivalent 1 ,4-Bis(bromoisobutyryloxy)butan, 0,35 Äquivalente Kupfer(l)oxid, 0,0125 Äquivalente Kupfer(ll)bromid und 0,7
Äquivalente Pentamethyldiethylentriamin (PMDETA) werden in einem 1 L- Dreihalkskolben mit Magnetrührer, Stickstoffzuleitung und Rückflusskühler vorgelegt. Es wird soviel Aceton zu der Mischung hinzugefügt, dass 200 mL einer 50 %igen (vol .) Lösung vorliegen. Vorhandener Sauerstoff wird durch 40 minütiges Durchleiten von Stickstoff entfernt. Die Mischung wird darauf unter Stickstoff in einem Ölbad auf 60 °C erhitzt. Nach 1 ,5 h Polymerisation wird diese durch Abkühlen auf Raumtemperatur und Zuleiten von Luftsauerstoff abgebrochen. Der Kupferkartalysator wird durch elektrochemische Abscheidung auf Zinkstaub entsprechend dem Verfahren, das in WO 2012/007213 beschrieben wird, entfernt. Das Brom-terminierte Poly(n-butylacrylat) wird durch Verdampfen des Lösemittels gewonnen.
Stufe 2: Synthese von Cp-telechelem Polv(nBA) (PnBA-Cp)
1 Äquivalent Polymer aus der Vorstufe 1 , 6 Äquivalente Natriumjodid, 2 Äquivalente Triphenylphosphin und 2 Äquivalente Nickelocen werden in einem 50 mL-
Dreihalskolben mit Magnetrührer, Rückflusskühler und Tropftrichter unter Stickstoff in Aceton, so dass 25 mL einer bezogen auf das Polymer 0,1 -molaren Lösung gebildet werden, vorgelegt. Die Lösung wird 12 Stunden bei Raumtemperatur gerührt, die Reaktionslösung wird anschließend säulenchromatographisch über eine kurze, mit basischem Aluminiumoxid gefüllte Säule gereinigt. Das Cyclopentadienyl-terminierte Polymer wird zweimal in kaltem Ethanol durch Zugabe von Wasser gefällt. Die Umsetzung der Br-Endgruppen zu Cp-Endgruppen kann per
Kernresonanzspektroskopie nachgewiesen werden. Das Molekulargewicht wird mittels GPC mit Kalibration gegen PMMA-Standarts in THF bestimmt.
Beispiel 7: Umsetzung des PnBA-Cp mit dem Cp-blockierten Dienophil aus Beispiel 1
Equimolare Mengen des Diens PnBA-Cp aus Beispiel 6 und des Cp-blockierten Dienophils aus Beispiel 1 (Stufe 4) werden in Dichlormethan gelöst und die beiden Lösungen miteinander gemischt. Anschließend wird das Dichlormethan im Vakuum entfernt. Der verbleibende Rest wird auf 75 °C erhitzt. Nach 20 - 60 min
Reaktionszeit wurde die Heizquelle entfernt und das entstandene, abgekühlte Polymer mittels GPC analysiert (Beispiel 7a) und mit dem Molekulargewicht des Polymers aus Beispiel 6 verglichen (siehe Tabelle 1 ). Hier finden sich die Werte zum Zahlennnittel (Mn) bzw. zum Peakmaximum (Mp) des Molekulargewichts und die Molekulargewichtsverteilung (PDI).
Anschließend wird das Produkt in einer Lösung von 10 Equivalenten 2,3- Dimethylbutadien in Toluol aufgenommen und für 30 min auf 120 °C erhitzt. Auch von diesem Produkt wird darauf eine GPC-Messung vorgenommen (siehe Beispiel 7b in Tabelle 1 ). Das 2,3-Dimethylbutadien wird dabei als Dien benötigt, um die freien Cyanodithiocarbonatgruppen des entnetzten Dienophils abzufangen. Würde man dies nicht machen, würden die Cyanodithiocarbonate beim Abkühlen wieder mit den Diengruppen der Verbindung aus Beispiel 6 (erfindungsgemäß) reagieren.
In einem Parallelversuch ohne 2,3-Dimethylbutadien und Toluol wird die Mischung auf 120 °C erhitzt. Dabei stellt man fest, dass bei dieser hohen Temperatur aus einer pastösen Masse eine fließfähige Zusammensetzung wird. Dabei ist diese
Viskositätsabnahme nicht allein auf die geringere Viskosität des Polymers bei höheren Temperaturen zurückzuführen, sondern insbesondere auf die
erfindungsgemäß auftretende Retro-Hetero-Diels-Alder-Reaktion.
Tabelle 1

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Reversibel vernetzbare Fornnulierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Fornnulierung mittels einer Hetero-Diels-Alder-Reaktion vernetzbar ist, dass die Formulierung eine Komponente A enthält, die mindestens zwei
geschützte Dithioestergruppen aufweist,
und dass die Formulierung eine Komponente B enthält, die mindestens zwe Dien-Funktionalitäten aufweist.
Formulierung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem eschützten Dithioester um eine Verbindung mit der Struktur
, wobei es sich bei Z um eine
Elektronen-ziehende Gruppe, bei Rm um eine mehrbindige organische Gruppe oder um ein Polymer, bei der Gruppe Rn um eine zweibindige alkylische, aromatische oder oligoetherische Gruppe und bei n um eine
Zahl zwischen 2 und 20 handelt.
3. Formulierung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der
Gruppe Z um eine Cyanogruppe handelt.
4. Formulierung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Gruppe Rn um eine Benzylgruppe und bei n um eine ganze Zahl zwischen 2 und 4 handelt. 5. Formulierung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass es sich bei den Komponenten A und/oder B um ein oder mehrere Polymere handelt.
6. Formulierung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Polymeren um Polyacrylate, Polymethacrylate, Polystyrole,
Mischpolymerisate aus Acrylaten, Methacrylaten und/oder Styrolen, Polyacrylnitril, Polyether, Polyester, Polymilchsäuren, Polyamide,
Polyesteramide, Polyurethane, Polycarbonate, amorphe oder teilkristalline Poly-a-Olefine, EPDM, EPM, hydrierte oder nicht hydrierte Polybutadiene, ABS, SBR, Polysiloxane und/oder Block-, Kamm- und/oder
Sterncopolymeren dieser Polymere handelt.
7. Formulierung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Komponenten A oder B mindestens drei der jeweils genannten Funktionalitäten aufweist.
8. Formulierung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass es sich bei der Komponente A um eine
niedermolekulare organische Verbindung mit 3 bis 4 geschützten
Dithioestergruppen handelt, und dass die Formulierung bei einer
Temperatur Ti zwischen 35 und 70 °C aktivierbar und damit vernetzbar ist und die Vernetzung bei einer Temperatur T2, die mindestens 5 °C höher ist als die Temperatur Ti, zu mindestens 50% wieder rückgängig gemacht werden kann.
9. Verfahren zur reversiblen Vernetzung, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Formulierung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 bei einer Temperatur Ti von mindestens 35 °C aktiviert wird, darauf mittels einer Hetero-Diels-Alder-Reaktion vernetzt und bei einer Temperatur T2, die mindestens 5 °C höher ist als die Temperatur Ti mindestens 50% der Vernetzungsstellen mittels einer Retro-Hetero-Diels-Alder-Reaktion wieder gelöst werden.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der
Temperatur Ti um eine Temperatur zwischen 40 und 80 °C und bei der Temperatur T2 um eine Temperatur zwischen 85 und 150 °C handelt.
1 1 .Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Temperatur oberhalb von 80 °C bevorzugt innerhalb von 5 min mindestens 90 % der Formulierung in einem für die Formulierung vor der Vernetzung geeigneten Lösungsmittel wieder löslich sind.
12. Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass die Vernetzung der Formulierung, enthaltend Komponenten A und B bei einem Erwärmen auf die Temperatur Ti innerhalb von 5 min erfolgt.
13. Verwendung einer Formulierung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8 in Klebstoffen, Dichtstoffen, Formmassen, Lacken, Farben, Beschichtungen, Tinten oder Verbundmaterialien.
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