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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren "kontrollierter" oder "lebender" radikalischer Polymerisation,
welche Zugriff auf Block-Copolymere gibt.
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Die
Blockpolymere werden für
gewöhnlich
durch ionische Polymerisation hergestellt. Diese Art der Polymerisation
weist den Nachteil auf, dass sie nur die Polymerisation von bestimmten
Arten apolarer Monomere ermöglicht,
insbesondere von Styrol und Butadien, und dass ein Reaktionsmedium
erforderlich ist, welches besonders rein ist, und oftmals Temperaturen,
die niedriger sind als Umgebungstemperatur, um parasitäre Nebenreaktionen
zu minimieren, daher die strenge Beschränkungen der Verwendung.
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Die
radikalische Polymerisation weist den Vorteil auf, dass sie leicht
verwendet werden kann, ohne dass Bedingungen außerordentlicher Reinheit beachtet
werden müssen,
bei Temperaturen, die gleich oder größer als die Umgebungstemperatur
sind. Jedoch existierte bis vor kurzem kein Verfahren der radikalischen Polymerisation,
welches es ermöglichte,
Blockpolymere zu erhalten.
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Seither
wurde ein neues Verfahren der radikalischen Polymerisation entwickelt:
Es handelt sich um die als "kontrolliert" oder "lebend" bezeichnete radikalische
Polymerisation. Bei der kontrollierten radikalischen Polymerisation
wird durch Wachstum durch Vermehrung von Makroradikalen verfahren.
Diese Makroradikale, welche nur eine sehr kurze Lebenszeit haben,
rekombinieren auf irreversible Art durch Verbindung oder Dismutation.
Wenn die Polymerisation in Gegenwart von Comonomeren abläuft, ist
die Änderung
der Zusammensetzung der Mischung außerordentlich langsam bezogen
auf die Lebenszeit des Makroradikals, so dass die Ketten eine statistische
Verkettung von Monomereinheiten und keine sequenzierte Verkettung
aufweisen.
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Kürzlich wurden
Techniken der kontrollierten radikalischen Polymerisation entwickelt,
bei welchen die Enden der Polymerketten reaktiviert werden können, dass
sie ein Radikal formen durch homolytische Spaltung der Verbindung
(zum Beispiel C-O, oder C-Halogen).
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Die
kontrollierte radikalische Polymerisation weist dementsprechend
die folgenden charakteristischen Aspekte auf
- 1.
die Anzahl der Ketten ist während
der Gesamtdauer der Reaktion fest,
- 2. die Ketten wachsen alle mit der gleichen Geschwindigkeit,
was sich überträgt durch:
- • eine
lineare Steigerung der Molekularmassen mit dem Umsatz,
- • eine
enge Massenverteilung,
- 3. die mittlere Molekularmasse wird kontrolliert durch das Molverhältnis Monomer
/ Vorläufer
der Kette,
- 4. die Möglichkeit,
Block-Copolymere herzustellen.
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Der
kontrollierte Charakter ist umso deutlicher gekennzeichnet, als
die Geschwindigkeit der Reaktivierung der Ketten im Radikal vor
der Geschwindigkeit des Wachstums der Ketten (Vermehrung) groß ist. Es
gibt Fälle,
in denen dies nicht immer stimmt (d. h. die Geschwindigkeit der
Reaktivierung der Ketten am Radikal ist höher oder gleich der Geschwindigkeit
der Vermehrung), und die Bedingungen 1 und 2 werden nicht beobachtet,
trotzdem ist es immer möglich,
Block-Copolymere herzustellen.
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In
der Offenlegung WO 98/58974 wird ein Verfahren zur lebenden radikalischen
Polymerisation beschrieben, welches es ermöglicht, Zugriff auf Block-Copolymere
zu haben mittels eines Verfahrens ohne UV-Strahlung, durch Verwendung
von Xanthat-Verbindungen, deren Funktion ist:
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Diese
radikalische Polymerisation ermöglicht
es, Blockpolymere in Abwesenheit einer UV-Quelle herzustellen mit Hilfe aller
Arten von Monomeren. Die erhaltenen Polymere enthalten keine metallischen
Unreinheiten, die bei ihrer Verwendung ungünstig sind. Sie werden am Ende
der Kette funktionalisiert und weisen einen geringen Polydispersionsindex,
kleiner 2, sogar kleiner 1,5, auf.
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In
dem Dokument WO99/31144 wird die Polymerisation von Styrol in Gegenwart
von O-Pentafluorphenyl-S-benzylxanthat
(Molekül
75, Beispiel 45) beschrieben.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues Verfahren zur
Polymerisation mit Hilfe von neuen Vorläufern der An Xanthat zu offenbaren.
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Ein
weiteres Ziel ist es, ein Polymerisationsverfahren zu offenbaren,
in welchem Vorläufer
der An Xanthat verwendet werden und im Laufe dessen die mittleren
Molmassen in der Zahl Mn der erhaltenen
Polymere gut kontrolliert werden, das heißt, nahe den theoretischen
Werten Mn th liegen,
besonders am Anfang der Reaktion der Polymerisation.
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Ein
weiteres Ziel ist es, ein Polymerisationsverfahren zu offenbaren,
in welchem Vorläufer
der Art Xanthat für
die Synthese von Blockpolymeren und Block-Copolymeren verwendet
werden, welche einen geringen Polydispersionsindex (Mw/Mn) aufweisen, das heißt nahe 1.
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Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
von Polymeren, dadurch gekennzeichnet, dass man in Kontakt bringt:
- – wenigstens
ein ethylenisch ungesättigtes
Monomer,
- – wenigstens
eine Quelle von freien Radikalen und
- – wenigstens
eine Verbindung (n der allgemeinen Formel (IA), (IB) oder (IC):
in denen: - – R2 und R2' darstellen:
- • eine
Alkyl-, Acyl-, Aryl-, Alken- oder Alkingruppe (i) oder
- • einen
Kohlenstoffring (ii), gesättigt
oder nicht, gegebenenfalls aromatisch, oder
- • einen
Heterozyklus (iii), gesättigt
oder nicht,
wobei diese Gruppen und Ringe (i), (ii) und (iii)
substituiert sind durch wenigstens ein Floratom, Chloratom und/oder
Bromatom,
- – R1 und R1' darstellen:
- • eine
Alkyl-, Acyl-, Aryl-, Alken- oder Alkingruppe (i), gegebenenfalls
substituiert, oder
- • einen
Kohlenstoffring (ii), gesättigt
oder nicht, gegebenenfalls substituiert oder aromatisch, oder
- • einen
Heterozyklus (iii), gesättigt
oder nicht, gegebenenfalls substituiert, wobei die Gruppen und Ringe
(i), (ii) und (iii) substituiert sein können durch substituierte Phenylgruppen,
substituierte aromatische Gruppen oder die Gruppen: Alkoxycarbonyl-
oder Aryloxycarbonyl- (-COOR), Carboxy-(-COOH), Acyloxy- (-O2CR),
Carbamoyl- (-CONR2), Cyano- (-CN), Alkylcarbonyl-,
Alkylarylcarbonyl-, Arylcarbonyl-, Arylalkylcarbonyl-, Phthalimido-,
Maleinimido-, Succinimido-, Amidino-, Guanimido-, Hydroxy- (-OH),
Amino- (-NR2), Halogen-, Alkyl-, Epoxy-,
Alkoxy- (-OR), S-Alkyl-,
S-Arylgruppen, wobei die Gruppen einen hydrophilen oder ionischen
Charakter aufweisen, wie die Alkalisalze der Karbonsäuren, die
Alkalisalze der Sulfosäure,
Polyoxyalkylenketten (POE, POP), kationische Substituenten (vierwertige
Amoniumsalze),
wobei R eine Alkyl- oder Arylgruppe darstellt,
oder
- • eine
Polymerkette,
- – p
zwischen 2 und 10 liegt.
- – die
Verbindung der allgemeinen Formel IA verschieden ist von einer Verbindung,
in welcher R2 eine Pentafluorphenylgruppe
und R1 eine Benzylgruppe ist (die Verbindung
ist verschieden zu O-Pentafluorphenyl-S-benzylxanthat).
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
besteht dementsprechend in dem Inkontaktbringen einer Quelle von
freien Radikalen, eines ethylenisch ungesättigten Monomers und einer
Verbindung (I) der Formel (IA), (IB) oder (IC).
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Die
Verbindung (I) trägt
eine Xanthatfunktion. Gemäß der wesentlichen
charakteristischen Eigenschaft der Erfindung trägt die Xanthatfunktion eine
Gruppe R2 oder R2', welche durch
wenigstens ein Fluor-, Chlor- und/oder Bromatom substituiert sein
muss. Vorzugsweise sind R2 und R2' durch
wenigstens ein Fluoratom substituiert, und noch bevorzugter einzig
durch Fluoratome.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante stellt R2 eine Gruppe
der Formel -CH2R'5 dar, in welcher
R'5 eine Alkylgruppe
ist, die durch wenigstens ein Fluor-, Chlor- und/oder Bromatom ersetzt
ist. Gemäß dieser
Art sind die bevorzugten Gruppen R2 die
folgenden:
- – CH2CF3,
- – CH2CF2CF2CF3,
- – CH2CH2C6F1 3.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Variante stellt R2 die
Gruppe CH(CF3)2 dar.
Vorzugsweise stellt in den Formeln (IA) und (IB) R1 dar:
- – eine
Gruppe der Formel CR'1R'2R'3, in welcher:
- • R'1,
R'2 und
R'3 Gruppen
(i), (ii) oder (iii) darstellen, wie oben definiert, oder
- • R'1 =
R'2 =
H sind und R'3 eine Aryl-, Alken- oder Alkingruppe ist,
- – oder
eine Gruppe -COR'4, in welcher R'4 eine Gruppe
(i), (ii) oder (iii) wie oben beschrieben darstellt.
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Die
interessantesten Ergebnisse wurden für die Verbindungen (I) erhalten,
wenn R' eine Gruppe
ist gewählt
aus:
- – CH(CH3)(CO2Et)
- – CH(CH3)(C6H5)
- – CH(CO2Et)2
- – C(CH3)(CO2Et)(S-C6H5)
- – C(CH3h(C6H5)
in welchen Et eine Ethylgruppe
darstellt und Ph eine Phenylgruppe darstellt.
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Die
Gruppen R1 und R1' können gleichermaßen eine
Polymerkette darstellen, die aus einer radikalischen oder ionischen
Polymerisation hervorgegangen ist oder aus einer Polykondensation
hervorgegangen ist. Für
die Verbindungen der Formel (IC) werden jene bevorzugt, für welche
R1' die
Gruppe – CH2 – Phenyl – CH2 – ist
oder die Gruppe – CHCH3CO2CH2CH2CO2CHCH3-.
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Gemäß der bevorzugten
Art der Erfindung wird in dem Polymerisationsverfahren eine Verbindung
(I) der Formel (IA) verwendet. Die bevorzugten Verbindungen der
Formel (IA) sind a-(O-heptafluorbutylxanthyl)ethylpropionat (R1 = CHCH3(CO2Et), R2 = CH2CF2CF2CF3), a-(O-trifluorethylxanthyl)ethylpropionat
(R1 = CHCH3(CO2Et), R2 = CH2CF3) und a-(O-tridecafluoroctanylxanthyl)ethylpropionat
(R1 = CHCH3(CO2Et), R2 = CH2CH2C6F13).
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Die
Verbindungen der Formeln (IA), (IB) und (IC) sind leicht zugänglich.
Sie können
insbesondere erhalten werden durch Reaktion eines Alkohols R2OH mit Kohlenstoffdisulfid CS2 (in
Gegenwart beispielweise von Wasserstoffhydrid), was zu einem Xanthat
R2O (C=S)S–Na+ führt.
Dann wird dieses Xanthat mit einem Alkylhalogenid R1X(X
= Halogen) zur Reaktion gebracht, was zu einem halogenierten Xanthat
führt: R2O(C=S)-SR1.
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Gemäß dem Verfahren
der Erfindung ist die Quelle an freien Radikalen im Allgemeinen
ein Initiator der radikalischen Polymerisation. Jedoch reicht für bestimmte
Monomere, wie beispielsweise Styrol, eine thermische Anregung aus,
um die freien Radikale zu erzeugen.
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In
dem ersten Fall kann der Initiator für die radikalische Polymerisation
gewählt
werden aus den Initiatoren, die üblicherweise
bei der radikalischen Polymerisation verwendet werden. Es kann sich
zum Beispiel um einen der folgenden Initiatoren handeln:
- – Wasserstoffperoxide
wie: tertiär-Butylhydroperoxid,
Cumolhydroperoxid, t-Butyl-peroxyacetat,
t-Butylperoxybenzoat, t-Butylperoxyoctoat, t-Butylperoxyneodecanoat, t-Butylperoxyisobutarat,
Laurylperoxid, t-Amylperoxypivalat,
t-Butylperoxypivalat, Dicumylperoxid, Benzoylperoxid, Kaliumpersulfat,
Ammoniumpersulfat,
- – Azo-Verbindungen
wie: 2-2'-Azobis(isobutyronitril),
2,2'-Azobis(2-butannitril), 4,4'-Azobis(4-Baldriansäure), 1,1'-Azobis(Cyclohexancarbonitril),
2-(t-Butylazo)-2-Cyanopropan, 2,2'-Azobis[2-methyl-N-(1,1)-bis(Hydroxyinethyl)-2-Hydroxyethyl]propionamid,
2,2'-Azobis(methyl-N-Hydroxyethyl]propionamid,
2,2'-Azobis(N,N'-Dimethylenisobutyramidin)dichlorid,
2,2'-Azobis(2-Amidinopropan)dichlorid, 2,2'-Azobis(N,N'-dimethylenisobutyramid),
2,2'-Azobis(2-methyl-N-[1,1-bis(Hydroxymethyl)-2-Hydroxyethyl]propionamid),
2,2'-Azobis(2-methyl-N-[1,1-bis(Hydroxymethyl)ethyl]propionamid),
2,2'-Azobis[2-methyl-N-(2-Hydroxyethyl)propionamid],
2,2-Azobis(isobutyramid)dihydrat,
- – Redoxsysteme,
welche Kombinationen aufweisen wie:
- • Mischungen
aus Wasserstoff-, Alkylperoxid, Perestern, Percarbonaten und Ähnlichen
und einem beliebigen aus Eisensalzen, Titansalzen, Zinkformaldehydsulfoxylat
oder Natriumformaldehydsulfoxylat, und Reduktionszuckern,
- • Persulfate,
Perborate oder Perchlorate von Alkalimetallen oder Ammonium in Verbindung
mit einem Bisulfit von Alkalimetall wie Natrium-Metabisulfit, und
Reduktionszuckern,
- – Persulfate
von Alkalimetall in Verbindung mit einer Arylphosphinsäure wie
Benzolphosphonsäure
und anderen vergleichbaren, und Reduktionszuckern.
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Die
zu verwendende Initiatormenge wird im Allgemeinen so bestimmt, dass
die Menge an erzeugten Radikalen höchstens 20 Mol-% im Verhältnis zur
Menge der Verbindung (II) ist, vorzugsweise höchstens 5 Mol %.
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Gemäß dem Verfahren
der Erfindung werden die ethylenisch ungesättigten Monomere mehr spezifisch
gewählt
aus Styrol oder seinen Derivaten, Butadien, Chloropren, (Meth)acrylestern,
Vinylestern und Vinylnitrilen.
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Als
(Meth)acrylester werden die Ester der Acrylsäure und der Methacrylsäure bezeichnet
mit an C1-C12 hydrierten
oder fluorierten Alkoholen, vorzugsweise an C1-C8. Unter den Verbindungen dieser An können genannt
werden: Methylacrylat, Ethylacrylat, Propylacrylat, n-Butylacrylat, Isobutylacrylat,
2-Ethylhexylacrylat, t-Butylacrylat, Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat,
n-Butylmethacrylat, Isobutylmethacrylat.
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Die
Vinylnitrile schließen
insbesondere jene mit 3 bis 12 Kohlenstoffatomen ein, wie insbesondere Acrylnitril
und Methacrylnitril.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass Styrol ganz oder teilweise durch Derivate
wie Alphamethylstyrol oder Vinyltoluol ersetzt werden kann.
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Andere
ethylenisch ungesättigte
Monomere, die einzeln oder als Mischung verwendbar sind, oder copolymerisierbar
mit den oben genannten Monomeren, sind insbesondere:
- – Vinylester
der Carbonsäure
wie Vinylacetat, Vinyl-Versatate®, Vinylpropionat,
- – Vinylhalogenide,
- – ethylenisch
ungesättigte
Mono- und Dicarbonsäuren
wie Acrylsäure,
Methacrylsäure,
Itaconsäure,
Maleinsäure,
Fumarsäure
und Mono-Alkylester von Di carbonsäuren der genannten Art mit
Alkanolen, die mit vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und ihren
Derivaten N-substituiert sind,
- – Amide
von ungesättigten
Carbonsäuren
wie Acrylamid, Methacrylamid, N-Methylolacrylamid
oder Methacrylamid, N-Alkylacrylamide,
- – ethylenische
Monomere, welche eine Sulfonsäuregruppe
aufweisen, und deren Alkali- oder Ammoniumsalze, zum Beispiel Vinylsulfonsäure, Vinylbenzolsulfonsäure, Alpha-Acrylamidomethylpropansulfonsäure, 2-Sulfoethylenmethacrylat,
- – Amide
von Vinylamin, insbesondere Vinylformamid oder Vinylacetamid,
- – die
ethylenisch ungesättigten
Monomere, welche eine sekundäre,
tertiäre
oder quartäre
Aminogruppe aufweisen, oder eine heterozyklische Gruppe, die Stickstoff
enthält,
wie beispielsweise die Vinylpyrridine, Vinylimidazol, Aminoalkyl(meth)acrylate
und Aminoalkyl(meth)acrylamide wie Dimethylaminoethylacrylat oder
-methacrylat, Ditertiobutylaminoethylacrylat oder -methacrylat,
Dimethylaminomethylacrylamid oder -methacrylamid. Es ist gleichermaßen möglich, zwitterionische
Monomere zu verwenden, wie beispielsweise Sulfopropyl(dimethyl)aminopropylacrylat.
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Für die Zubereitung
von Polyvinylaminen werden vorzugsweise als ethylenisch ungesättigte Monomere
die Amide von Vinylamin, zum Beispiel das Vinylformamid oder das
Vinylacetamid, verwendet. Dann wird das erhaltene Polymer bei einem
sauren oder basischen pH hydrolysiert.
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Für die Zubereitung
von Polyalkoholvinylen werden vorzugsweise als ethylenisch ungesättigte Monomere
die Vinylester der Carbonsäure
wie zum Beispiel Vinylacetat verwendet. Das erhaltene Polymer wird dann
bei saurem oder basischem pH hydrolysiert.
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Die
Arten und Mengen von polymerisierbaren Monomeren, die gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, variieren abhängig von der jeweiligen Endanwendung,
für die
das Polymer bestimmt ist. Diese Variationen sind wohlbekannt und
können
vom Durchschnittsfachmann leicht bestimmt werden.
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Die
Polymerisation kann in Masse, in Lösung oder in Emulsion durchgeführt werden.
Vorzugsweise wird sie in Emulsion durchgeführt.
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Vorzugsweise
wird das Verfahren auf halbkontinuierliche Weise durchgeführt.
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Die
Temperatur kann zwischen Umgebungstemperatur und 150°C gemäß der An
des verwendeten Monomers variieren.
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Im
Allgemeinen liegt im Laufe der Polymerisation der momentane Polymergehalt
im Vergleich zur momentanen Menge an Monomer und Polymer zwischen
50 und 99 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 75 und 99 %, noch bevorzugter
zwischen 90 und 99 %. Dieser Gehalt wird auf bekannte Weise durch
Kontrolle der Temperatur, der Geschwindigkeit des Hinzufügens der
Reagenzien und gegebenenfalls des Initiators der Polymerisation
gehalten.
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Im
Allgemeinen wird das Verfahren in Abwesenheit einer UV-Quelle durchgeführt.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
weist den Vorteil auf, eine Kontrolle der mittleren Molekularmassen
als Zahl M
n der Polymere zu erlauben. Somit
sind die Massen M
n nahe den theoretischen
Werten M
n th, wobei
M
n th durch die
folgende Formel ausgedrückt
wird,
in welcher:
- [M]0 die anfängliche
Molkonzentration an Monomer darstellt
- [P]0 die anfängliche Konzentration an Vorläuferverbindung
darstellt
- X den Umsatz des Monomers ausgedrückt als Prozentzahl darstellt
- M0 die Molmasse des Monomers (g/mol)
darstellt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Kontrolle von Mn besonders
sichtbar zu Beginn der Polymerisation.
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Darüber hinaus
führt das
Polymerisationsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zu Polymeren, welche einen geringen Polydispersionsindex
(Ip = Mw/Mn mit
Mw : mittlere Molekularmasse in Gewicht),
nahe 1, aufweist.
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Die
Erfindung betrifft folglich gleichermaßen die Polymere, die geeignet
sind, durch das Verfahren erhalten zu werden, welches darin besteht,
wenigstens ein ethylenisch ungesättigtes
Monomer, wenigstens eine Quelle von freien Radikalen und wenigstens
eine Verbindung der Formel (IA), (IB) oder (IC) in Kontakt zu bringen.
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Im
Allgemeinen weisen diese Polymere einen Polydispersionsindex von
höchstens
2, vorzugsweise von höchstens
1,5, auf.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zur Herstellung von Multiblock-Polymeren, in welchem wenigstens einmal
das zuvor beschriebene Polymerisationsverfahren wiederholt wird,
indem verwendet wird:
- – von der vorausgegangenen
Anwendung verschiedene Monomere und
- – anstelle
der Verbindung (I) der Formel (IA), (IB) oder (IC) das aus der vorausgegangenen
Durchführung hervorgegangene
Polymer, genannt Vorläuferpolymer.
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Das
komplette Verfahren zur Synthese eines Blockpolymers gemäß der Erfindung
kann demzufolge bestehen aus:
- (1) Synthetisieren
eines Vorläuferpolymers
durch Inkontaktbringen eines ethylenisch ungesättigten Monomers, einer Quelle
von freien Radikalen und einer Verbindung der Formel (IA), (IB)
oder (IC),
- (2) Verwenden des in Schritt (1) erhaltenen Vorläuferpolymers
zum Herstellen eines Diblock-Polymers durch Inkontaktbringen des
Vorläuferpolymers
mit einem neuen ethylenisch ungesättigten Monomer und einer Quelle
von freien Radikalen.
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Dieser
Schritt (2) kann so oft wie gewünscht
mit neuen Monomeren durchgeführt
werden, um neue Blöcke
zu synthetisieren und ein Multiblock-Polymer zu erhalten.
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Wird
die Durchführung
einmal wiederholt, wird ein Triblock-Polymer erhalten, wird es zweimal
durchgeführt,
wird ein "Quadriblock"-Polymer erhalten,
und so weiter. Auf diese Weise wird bei jedem neuen Durchgang das
erhaltene Produkt ein Blockpolymer, welches einen zusätzlichen
Polymerblock aufweist.
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Dementsprechend
besteht das Verfahren für
die Herstellung von Multiblock-Polymeren darin, mehrere Male die
Durchführung
des vorausgegangenen Verfahrens mit dem aus jedem vorherigen Durchgang
hervorgegangenen Blockpolymer mit unterschiedlichen Monomeren durchzuführen.
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Die
Verbindungen der Formel (IB) und (IC) sind besonders interessant,
da sie es ermöglichen,
eine Polymerkette an wenigstens zwei aktiven Orten wachsen zu lassen.
Mit dieser Art Verbindungen ist es möglich, Schritte der Polymerisation
zu sparen, um ein Copolymer mit n Blöcken zu erhalten. Folglich
wird, wenn p in der Formel (IB) oder (IC) den Wert 2 hat, der erste
Block durch Polymerisation eines Monomers M1 in Anwesenheit der
Verbindung der Formel (IB) oder (IC) erhalten. Dieser erste Block
kann dann an jedem seiner Enden durch Polymerisation eines zweiten
Monomers M2 wachsen. Ein Triblock-Copolymer wird erhalten, dieses Triblock-Polymer
kann wiederum an jedem seiner Enden durch Polymerisation eines dritten
Monomers M3 wachsen. Folglich wird ein "Pentablock"-Copolymer in nur drei Schritten erhalten.
Wenn p größer als
2 ist, ermöglicht
das Verfahren, Block-Homopolymere oder -copolymere mit einer "Multi-Arm"- oder hyperverzweigten Struktur
zu erhalten.
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Gemäß dem Verfahren
zur Herstellung von Multiblock-Polymeren, wenn gewünscht wird,
homogene Blockpolymere zu erhalten und nicht solche mit Gradienten
in der Zusammenset zung, und wenn alle aufeinanderfolgenden Polymerisationen
in dem gleichen Reaktor durchgeführt
werden, ist es notwendig, dass alle bei einem Schritt verwendeten
Monomere verbraucht werden, bevor die Polymerisation des folgenden
Schritts beginnt, dementsprechend bevor die neuen Monomere zugegeben
werden.
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Wie
für das
Verfahren zur Polymerisation von Monoblock-Polymeren weist das Verfahren
zur Polymerisation von Blockpolymeren den Vorteil auf, dass es Blockpolymere
ergibt, welche einen geringen Polydispersionsindex aufweisen. Es
ermöglicht
gleichermaßen,
die Molekularmasse der Blockpolymere zu kontrollieren.
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Die
Erfindung betrifft somit Blockpolymere, die geeignet sind, durch
das vorgenannte Verfahren erhalten zu werden.
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Im
Allgemeinen weisen diese Blockpolymere einen Polydispersionsindex
von höchstens
2, vorzugsweise von höchstens
1,5, auf.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere Blockpolymere, welche wenigstens
zwei Polymerblöcke
aufweisen, die aus den folgenden Assoziationen gewählt sind:
- – Polystyrol/Methylpolyacrylat,
- – Polystyrol/Ehylpolyacrylat,
- – Polystyrol/tert-Butylpolyacrylat,
- – Ethylpolyacrylat/Vinylpolyacetat,
- – Butylpolyacrylat/Vinylpolyacetat,
- – tert-Butylpolyacrylat/Vinylpolyacetat.
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Bei
der Verwendung von Verbindungen der Formel (IA) weisen die erhaltenen
Blockpolymere eine Struktur auf der Art:
in welcher:
- – R2, R1 die gleiche
Bedeutung haben wie zuvor,
- – V,
V', W und W', identisch oder
verschieden, darstellen: H, eine Alkylgruppe oder ein Halogen,
- – X,
X', Y und Y', identisch oder
verschieden, darstellen H, ein Halogen oder eine Gruppe R3, OR3, O2COR3, NHCOH, OH,
NHr, NHR3, N(R3)2, (R3)2N+O–, NHCOR3,
CO2H, CO2R3, CN, CONH2, CONHR3 oder CONR3 2, in welchen R3 gewählt ist
aus den Alkyl-, Aryl-, Aralkyl-, Alkaryl-, Alken- oder Organosilylgruppen,
gegebenenfalls perfluoriert und gegebenenfalls substituiert durch
eine oder mehrere Carboxyl-, Epoxy-, Hydroxyl-, Alkoxy-, Amino-,
Halogen- oder Sulfongruppen,
- – a
und b, identisch oder verschieden, den Wert 0 oder 1 haben,
- – m
und n, identisch oder verschieden, größer oder gleich 1 sind, und
wenn das eine oder der andere größer 1 ist,
die sich wiederholenden unitarischen Einheiten identisch oder verschieden
sind.
Diese Blockpolymere gehen hervor aus dem Inkontaktbringen:
- – eines
ethylenisch ungesättigten
Monomers der Formel: CYY' (=
CW – CW')b =
CH2,
- – eines
Vorläuferpolymers
der allgemeinen Formel (IIA):
- – einer
Quelle von freien Radikalen.
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Das
Polymer (IIA) geht hervor aus dem Inkontaktbringen eines ethylenisch
ungesättigten
Monomers der Formel: CXX' (=
CV – CV')a =
CH2, einer Verbindung (I) der allgemeinen
Formel (IA) und einer Quelle von freien Radikalen.
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Vorzugsweise
ist in der Formel (IIA) n größer oder
gleich 6.
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Die
besonders bevorzugten Verbindungen (IIA) sind die Homopolymere von
Styrol (Y' = H,
Y = C6H5, b = 0),
von Methylacrylat (Y' =
H, Y = COOMe, b = 0), von Ethylacrylat (Y' = H, Y = COOEt, b = 0), von Butylacrylat
(Y' = H, Y = COOBu,
b = 0), von Tertiobutylacrylat (Y' = H, Y = COOtBu, b = 0), von Vinylacetat
(Y' = H, Y = OCOMe,
b = 0), von Acrylsäure
(Y' = H, Y = COOH,
b = 0), und für
welche gilt:
- – R1 = CHCH3(CO2Et), CH(CO2Et)2 oder C(CH3)2(C6H5)
und
- – R2 = CH2CF3, -CH2CF2CF2CF3 oder
CH2CH2C6F13.
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Die
folgenden Beispiele stellen die Erfindung dar, ohne deren Umfang
zu begrenzen.
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1 zeigt Entwicklungskurven von Mn und Mw/Mn als Funktion des Umsatzgrads des Ethylacrylatmonomers
durch Verwendung eines Xanthats gemäß der Erfindung und eines Xanthats
gemäß dem Stand
der Technik.
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2 stellt Entwicklungskurven von Mn und Mw/Mn als Funktion des Umsatzgrads des Styrolmonomers
durch Verwendung eines Xanthats gemäß der Erfindung und eines Xanthats
gemäß dem Stand
der Technik dar.
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BEISPIELE
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BEISPIELE 1 – SYNTHESE
VON VORLÄUFERN
DER FORMEL (IA) (Xanthate)
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Beispiel 1.1 – Synthese
des Vorläufers
a-(O-Heptafluorbutylxanthyl)ethylpropionat (A)
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In
einem Glaskolben werden 1 g (5 mmol) Heptafluorbutanol mit 10 ml
DMF (N,N-Dimethylformamid) in
Lösung
gebracht. Es werden 0,6 ml (10 mmol) CS2 hinzugefügt. Die
Lösung
wird auf 0°C
abgekühlt,
dann werden 0,24 g (5 mmol) NaH hinzugefügt. Nach 1 Stunde Rühren bei
0°C werden
0,6 ml (4,5 mmol) Ethyl-2-brompropionat hinzugefügt. Die Lösung wird 1 Stunde bei 0°C gerührt, dann
2 Stunden bei Umgebungstemperatur, bevor sie mit Ethylether verdünnt wird.
Sie wird dann mit Wasser gewaschen, danach mit Salzlösung. Die
organische Phase wird unter Vakuum konzentriert, dann wird das Reaktionsgemisch
in einer Säule
(9/1: Heptan/Ethylacetat) gereinigt. Es werden 1,5 g (88 % Ertrag)
des Produkts A isoliert.
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Beispiel 1.2 – Synthese
des Vorläufers
a-(O-Trifluorethylxanthyl)ethylpropionat (B)
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In
einem Glaskolben werden 2g (20 mmol) Trifluorethanol mit 40 ml DMF
in Lösung
gebracht. Es werden 2,4 ml (40 mmol) CS2 hinzugefügt. Die
Lösung
wird auf 0°C
abgekühlt,
dann werden 0,96 g (20 mmol) NaH hinzugefügt. Nach 1 Stunde Rühren bei
0°C werden
2,34 ml (18 mmol) Ethyl-2-brompropionat hinzugefügt. Die Lösung wird 1 Stunde bei 0°C gerührt, dann
zwei Stunden bei Umgebungstemperatur, bevor sie mit Ethylether verdünnt wird.
Sie wird dann mit Wasser gewaschen, danach mit Salzlösung. Die
organische Phase wird unter Vakuum konzentriert, dann wird das Reaktionsgemisch
in einer Säule
(9/1: Heptan/Ethylacetat) gereinigt. Es werden 3,4 g (69 % Ertrag)
des Xanthats B isoliert.
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Beispiel 1.3 – Synthese
des Vorläufers
a-(O-Tridecafluoroctanylxanthyl)ethylpropionat
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In
einem Glaskolben werden 1,1 ml (5 mmol) Tridecafluoroctanol mit
10 ml DMF in Lösung
gebracht. Es werden 0,6 ml (10 mmol) CS2 hinzugefügt. Die
Lösung
wird auf 0°C
abgekühlt,
dann werden 0,24 g (5 mmol) NaH hinzugefügt. Nach 1 Stunde Rühren bei
0°C werden
0,6 ml (4,5 mmol) Ethyl-2-brompropionat hinzugefügt. Die Lösung wird 1 Stunde bei 0°C ge rührt, dann
2 Stunden bei Umgebungstemperatur, bevor sie mit Ethylether verdünnt wird.
Sie wird dann mit Wasser gewaschen, danach mit Salzlösung. Die
organische Phase wird unter Vakuum konzentriert, dann wird das Reaktionsgemisch
in einer Säule
(9/1: Heptan/Ethylacetat) gereinigt. Es werden 2,27 g (93 % Ertrag)
des Xanthats C isoliert.
-
BEISPIELE 2 – SYNTHESEN
VON POLYMEREN (HOMOPOLYMEREN)
-
Diese
Beispiele zeigen, dass die radikalische Polymerisation kontrolliert
ist aufgrund der Verwendung von Xanthaten gemäß der Erfindung.
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In
den unten stehenden Beispielen werden die Polymere in GPC analysiert
mit THF als Elutionslösungsmittel;
Mn wird ausgedrückt
als Äquivalente
Polystyrol (g/mol).
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Beispiel 2.1 – Homopolymerisation
von Ethylacrylat in Gegenwart von B
-
In
einen Glaskolben werden eingeführt:
- – 0,02
mmol Azo-bis-isobutyronitril (AIBN) (3,38 mg),
- – 54,9
mmol Ethylacrylat (5,5 g),
- – 0,69
mmol Xanthat B (0,19 g),
- – 5,97
cm3 Toluol (5,17 g).
-
Die
erhaltene Lösung
wird in acht Fraktionen geteilt, die auf genauso viele Carius-Rohre
verteilt werden. Die Rohre sind mit einer Vakuumrampe verbunden,
die in flüssigen
Stickstoff getaucht ist, dann werden drei Kreisläufe "Gefrieren/Evakuieren/Rückkehr auf
Umgebung" durchgeführt mit
dem Inhalt jedes Rohrs, um diese zu entgasen. Sie werden dann unter
Vakuum versiegelt. Nach Rückkehr
auf Umgebung werden sie in ein auf 80°C vorgeheiztes Ölbad eingetaucht.
Eins nach dem anderen, in regelmäßigen Zeitabständen (t),
werden sie dem Ölbad
entnommen und in flüssigen
Stickstoff getaucht, um die Polymerisation zu stoppen und analysiert
zu werden.
-
Das
Polymer wird durch Öffnen
des Rohrs und anschließendes
Verdampfen der verbleibenden Spuren des Monomers gewonnen.
-
Gleichermaßen wird
kontrolliert:
- – der Umsatz des Vorläufers durch
GPC (UV-Erkennung) und
- – der
Umsatz des Monomers durch Gravimetrie.
-
Die
erhaltenen Ergebnisse werden in Tabelle 1 und 1 dargestellt.
-
-
In 1 werden die mit den Xanthat B erhaltenen
Ergebnisse verglichen mit denen, die mit a-(O-Ethylxanthyl)ethylpropionat
(R2 = Ethyl) erhalten werden, unter gleichen
Bedingungen an anfänglichen
molaren Konzentrationen und Temperatur.
-
Es
wird festgestellt, dass mit Xanthat B der Wert Mn besser
kontrolliert ist: er nähert
sich dem theoretischen Wert (Mn th) von Beginn der Polymerisation an, im
Gegensatz zu dem Fall der Polymerisation mit Xanthat gemäß dem Stand
der Technik (a-(O-Ethylxanthyl)ethylpropionat).
-
Des
Weiteren tendiert der Wert von Mw/Mn im Fall des Xanthats B schnell gegen 1,
wohingegen dieser Wert stabil bei mehr als 1,6 bleibt für das Xanthat
gemäß dem Stand
der Technik (a-(O-Ethylxanthyl)ethylpropionat).
-
Beispiel 2.2 – Homopolymerisation
von Ethylacrylat in Anwesenheit von C
-
Es
werden 1,08 ml einer Lösung
abgenommen, die aus 3,9 mg AIBN und 7,5 ml Ethylacrylat besteht. Diese
Fraktion wird zu 68,1 mg (0,126 mmol) Xanthat C hinzugefügt, welches
in einem Carius-Rohr angeordnet ist. Das Rohr wird entgast, dann
unter Vakuum versiegelt. Die Reaktion findet für 21 h bei 80°C statt.
-
- Der Umsatz an Monomer ist 95 %.
- Der Umsatz an Xanthat ist 100 %.
- Mn ist 9400 g/mol.
- Mw/Mn hat den
Wert 1,48.
-
Es
wird festgestellt, dass mit gesteigertem Umsatzgrad der Wert des
Polymerisationsindex gering und nahe an 1 ist.
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Beispiel 2.3 – Homopolymerisation
von Ethylacrylat in Anwesenheit von A
-
In
einem Glaskolben werden eingeführt:
- – 0,01
mmol AIBN (1,69 mg),
- – 31,9
mmol Ethylacrylat (3,192 g),
- – 0,4
mmol Xanthat A (0,15 g),
- – 3,47
cm3 Toluol (3 g).
-
Auf
dem Beispiel 2.1 entsprechende Weise werden fünf Rohre zubereitet und unter
Vakuum versiegelt. Die Analysen werden auf gleiche Weise durchgeführt.
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Die
Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
-
-
Es
wird festgestellt, dass die Werte des Polydispersionsindex nahe
1,4 bei erhöhtem
Umsatz sind.
-
Beispiel 2.4 – Homopolymerisation
von Styrol in Anwesenheit von B
-
In
einen Glaskolben werden eingeführt:
- – 3,016
g (3,32 ml, 28,9 mmol) Styrol,
- – 0,1
g (0,36 mmol) Xanthat B,
- – 3,32
ml Toluol.
-
Die
erhaltene Mischung wird in 5 Fraktionen geteilt, die auf gleich
viele Carius-Rohre verteilt werden. Nachdem diese entgast wurden,
werden sie unter Vakuum versiegelt, dann in einem auf 110°C temperierten Wärmeschrank
angeordnet. In regelmäßigen Zeitabständen werden
die Rohre entnommen, abgekühlt,
dann geöffnet.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 3 und in 2 zusammengefasst.
-
-
In 2 werden die mit dem Xanthat B erhaltenen
Ergebnisse verglichen mit jenen, die mit a-(O-Ethylxanthyl)ethylpropionat
(R2 = Ethyl) erhalten wurden, unter gleichen
Bedingungen an anfänglichen
molaren Konzentrationen und Temperatur.
-
Es
wird festgestellt, dass mit dem Xanthat B der Wert Mn besser
kontrolliert ist: Er nähert
sich dem theoretischen Wert (Mn th) von Beginn der Polymerisation an, im
Gegensatz zum Fall der Polymerisation mit einem Xanthat gemäß dem Stand
der Technik (a-(O-Ethylxanthyl)ethylpropionat).
-
Des
Weiteren tendiert der Wert von Mw/Mn im Fall des Xanthats B schnell gegen 1,
wohingegen dieser Wert stabil bei mehr als 2,0 bleibt für das Xanthat
gemäß dem Stand
der Technik (a-(O-Ethylxanthyl)ethylpropionat).
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Beispiel 2.5 – Homopolymerisation
von Vinylacetat in Anwesenheit von B.
-
In
einen Glaskolben werden eingeführt:
- – 4,73
g (55 mmol) Viylacetat
- – 0,19
g (0,69 mmol) Xanthat B
- – 3,38
mg (0,02 mmol) AIBN.
-
Das
Rohr wird entgast, danach unter Vakuum versiegelt. Nach 8h20 bei
60°C wird
das Rohr geöffnet und
das Polymer wird analysiert:
- – Umsatz
an Monomer: 11,3
- – Mn = 740 g/mol
- – Mw/Mn = 1,19.
-
Es
wird festgestellt, dass, unter gleichen Bedingungen von Temperatur
und anfänglicher
Konzentration, es das Xanthat gemäß dem Stand der Technik (a-(O-Ethylxanthyl)ethylpropionat)
ermöglicht,
Mn (< 1000g/mol)
zu kontrollieren bei ungefähr
10 % des Umsatzes an Monomer, jedoch bleibt der Wert von Mw/Mn nahe 1,5.
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Beispiel 2.6 – Homopolymerisation
von Sterol in Anwesenheit von B
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In
einen Glaskolben werden eingeführt:
- – 0,81
g (0,9 ml, 7,8 mmol) Styrol
- – 27,7
mg (0,1 mmol) Xanthat B
- – 0,93
ml Toluol
-
Das
Rohr wird entgast, danach unter Vakuum versiegelt. Nach 114 Stunden
bei 120°C
wird das Rohr geöffnet
und das Polymer wird bestimmt. Die Ergebnisse sind wie folgt:
- – Umsatz
an Monomer: 84,4 %
- – Mn = 7500 g/mol
- – Mw/Mn = 1,57
-
Es
wird festgestellt, dass bei erhöhtem
Umsatzgrad der Wert des Polymerisationsindex gering und nahe an
1 ist.
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Beispiel 2.7 – Homopolymerisation
von Ethylacrylat in Anwesenheit von B
-
In
einen Glaskolben werden eingeführt:
- – 1,61
g (1,75 ml, 16,1 mmol) Ethylacrylat
- – 52,6
mg (0,19 mmol) Xanthat B
- – 1,84
ml Toluol
-
Das
Rohr wird entgast, danach unter Vakuum versiegelt. Nach 20 h bei
80°C wird
das Rohr geöffnet und
das Polymer wird bestimmt. Die Ergebnisse sind wie folgt:
- – Umsatz
an Monomer: 88,1
- – Mn = 8200 g/mol
- – Mw/Mn = 1,69
-
Es
wird festgestellt, dass bei erhöhtem
Umsatzgrad der Wert des Polymerisationsindex gering und nahe 1 ist.
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BEISPIELE 3 – SYNTHESEN
DER BLOCKPOLYMERE
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Beispiel 3.1 – Synthese
eines Diblock-Copolymers Polystyrol-b-Ethylpolyacrvlat
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In
einen Glaskolben werden eingeführt:
- – 0,25
g des in Beispiel 2.6 beschriebenen Polystyrols
- – 0,3
g (3 mmol) Ethylacrylat
- – 0,15
mg (9·10–7 mol)
AIBN
- – 0,57
ml Toluol
-
Das
Rohr wird entgast, danach unter Vakuum versiegelt. Nach 20 h bei
120°C wird
das Rohr geöffnet und
das Copolymer wird bestimmt. Die Ergebnisse sind wie folgt:
- – Umsatz
an Monomer: 40,1 %
- – Mn = 12400 g/mol
- – Mw/Mn = 1,45
-
Es
wird festgestellt, dass unter gleichen Bedingungen von Temperatur
und anfänglicher
Konzentration das Xanthat gemäß dem Stand
der Technik (a-(O-Ethylxanthyl)ethylpropionat) zu einem Diblock-Copolymer führt, welches
einen Polydispersionsindex von 1,8 aufweist.
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Beispiel 3.2 – Synthese
eines Diblock-Copolymers Polystyrol-b-Butylpolyacrylat
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In
einen Glaskolben werden eingeführt:
- – 0,175
g des in Beispiel 2.6 beschriebenen Polystyrols
- – 0,27
g (2,12 mmol) Butylacrylat
- – 0,15
mg (9·10–7 mol)
AIBN
- – 0,57
ml Toluol
-
Das
Rohr wird entgast, danach unter Vakuum versiegelt. Nach 20 h bei
120°C wird
das Rohr geöffnet und
das Copolymer wird bestimmt. Die Ergebnisse sind wie folgt:
-
- – Umsatz
an Monomer: 42,4 %
- – Mn = 12100 g/mol
- – Mw/Mn = 1,66
-
Beispiel 3.3 – Synthese
eines Diblock-Copolymers Ethylpolyacrylat-b-Vinylpolyacetat
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In
einen Glaskolben werden eingeführt:
- – 0,2
g des in Beispiel 2.7 beschriebenen Ethylpolyacrylats
- – 0,2
g (2,3 mmol) Vinylacetat
- – 0,44
mg (3,6·10– 6 mol) AIBN
- – 0,32
g Methylethylketon
-
Das
Rohr wird entgast, danach unter Vakuum versiegelt. Nach 20 h bei
80°C wird
das Rohr geöffnet und
das Polymer wird bestimmt. Die Ergebnisse sind wie folgt:
- – Umsatz
an Monomer: 71 %
- – Mn = 13300 g/mol
- – Mw/Mn = 1,66
-
Beispiel 3.4 – Synthese
eines Diblock-Copolymers Polystyrol-b-Vinylpolyacetat
-
In
einen Glaskolben werden eingeführt:
- – 0,2
g des in Beispiel 2.6 beschriebenen Polystyrols
- – 0,2
g (2,3 mmol) Vinylacetat
- – 0,44
mg (3,6·10–6 mol)
AIBN
- – 0,32
ml Toluol
-
Das
Rohr wird entgast, danach unter Vakuum versiegelt. Nach 20 h bei
80°C wird
das Rohr geöffnet und
das Polymer wird bestimmt. Die Ergebnisse sind wie folgt:
- – Umsatz
an Monomer: 74 %
- – Mn = 12800 g/mol
- – Mw/Mn = 1,61