Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

הכנת המאפיינים של Thermo-הפיך צולב הגומי Via דילס-אלדר לכימיה

Published: August 25, 2016 doi: 10.3791/54496
Automatic Translation
1,2, 1, 1
1Department of Chemical Engineering, University of Groningen, 2Dutch Polymer Institute (DPI)

Abstract

שיטה לשימוש כימית התרמו-הפיך Alder דילס ככלי cross-linking למוצרי גומי מודגמת. בעבודה זו, גומי פרופילן אתילן מסחרי, מורכבים עם אנהידריד maleic, הוא התרמו-הפיך צולבים בשני שלבים. Moieties אנהידריד ממתינים שונו הראשון עם furfurylamine להשתיל קבוצות furan לשדרת גומי. קבוצות furan תליון אלו מכן צולבים עם bis-maleimide באמצעות תגובת צימוד דילס-אלדר. תגובות שניהם יכולים להתבצע תחת מגוון רחב של תנאי הניסוי ניתן ליישם בקלות על בקנה מידה גדול. את מאפייני החומר של קונדומים דילס-אלדר צולב וכתוצאה מכך הם דומים פרופילן / אתילן נרפא-חמצן / גומי diene (EPDM) התייחסות. The-קישורים הצלב לשבור בטמפרטורות גבוהות (> 150 ° C) דרך התגובה רטרו-דילס-אלדר וניתן רפורמה ידי חישול תרמית בטמפרטורות נמוכות (50-70 מעלות צלזיוס). הפיכות של המערכה הוכחו שנינותh ספקטרוסקופיה אינפרא אדום, בדיקות מסיסות תכונות מכניות. מחזור של החומר הוצג בצורה מעשית, כלומר, על ידי חיתוך מדגם צולב לחלקים קטנים ודחיסת קריצה אותם הדגימות חדשות מוצגת תכונות מיכניות השוואה, דבר שאינו אפשרי עבור קונדומים צולבים כמקובל.

Introduction

גיפור גופרית וריפוי מי כרגע טכניקות cross-linking התעשייתיות המרכזיות בתעשיית הגומי, מניב צולבות קישורים כימיים בלתי הפיכים המונעים עיבוד מחדש להמס. 1, 2 'מהעריסה לעריסה "גישה למחזר גומי צולב דורש חומר מתנהג גומי דומה צולב לצמיתות בתנאי שירות, תוך גברת רגישות של processability מחזור מלא של תרמופלסטיים בטמפרטורות גבוהות. גישה להשיג מחזור כזה עושה שימוש ברשתות גומי עם צולבות קישורים הפיכים המגיבים לגירוי חיצוני, כגון טמפרטורה (הריאליים ביותר מנקודת המבט של יישומים תעשייתיים בעתיד). 3-5 היווצרות הקישורים הצולבים אלה לשירותך יחסית נמוך טמפרטורות נדרשות עבור התנהגות מכאנית טובה של הגומי, תוך המחשוף שלהם בטמפרטורות גבוהות (בדומה לטמפרטורת עיבוד של מתחם הלא-צולבים מקוריים) מאפשר reCycling של החומר.

חומרים ספציפיים מסוימים יכולים להיות צולבים הפיכים על ידי עשיית השימוש של רשתות קוולנטיים דינמיות שנקראות דרך תגובות polycondensation 6 או על ידי טופולוגיית רשת הפיכה שנקראה הקפאה דרך תגובות transesterification. 7-9 החסרון של גישות אלו הוא הצורך בעיצוב סינתזת פולימרים חדשים ולא שינוי קיים, גומי מסחרי שכבר יש את המאפיינים הרצויים. טכניקות תרמו-הפיך גומי קשר צולב כרוך מליטה מימן, אינטראקציות יוניים מליטה קוולנטיים כגון באמצעות rearrangements דיסולפיד המופעל התרמו. 10-13 לאחרונה, טרמו הפיך cross-linking באמצעות דילס-אלדר (DA) כימיה פותחה. 14 כימית DA -21 ניתן ליישם מגוון רחב של פולימרים ומייצגים בחירה פופולרית, במיוחד מאז תגובת DA מאפשרת קינטיקה מהירה יחסית ותנאי תגובה חריפים. 17, 22-24 Thטמפרטורות צימוד צימוד גבוה הנמוכים EIR לעשות furan ו מועמדים מצוינים maleimide עבור cross-linking פולימר הפיך. 18-20, 25-28

מטרת העבודה הנוכחית היא לספק שיטה לשימוש כימיה DA ככלי התרמו-הפיך cross-linking עבור מוצר גומי תעשייתי (איור 1). 5 ראשית, תגובתיות של אלסטומרים פחמימנים רווים, כגון אתילן / קונדומי פרופילן (EPM), צריכים להיות מוגברים. דוגמה רלוונטית מסחרית המאפשרת זהו השתלת רדיקלים חופשיים ביוזמת מי של אנהידריד maleic (MA). 29-34 שנית, קבוצת furan יכול להיות מורכבים על גבי גומי EPM כגון maleated ידי החדרת furfurylamine (FFA) לתוך אנהידריד תליון 35 לגבש imide., 36 לבסוף, moieties furan כי ובכך מחוברים לשדרת גומי אז יכול להשתתף כימיה DA התרמו-הפיך כקובץ diene אלקטרון-עשיר. 25, 37-פו אלקטרוניםאו bis-maleimide (BM) הוא dienophile מתאים התגובה cross-linking זה. 19, 26, 38

איור 1
באיור 1. ערכת התגובה. השתלת Furan ו cross-linking bismaleimide גומי EPM-ז-MA (נדפס באישור 5). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. שינוי גומי

  1. הכן את EPM maleated (EPM-ז-MA, 49 אתילן wt%, 2.1% WT MA, Mn = 50 ק"ג / mol, פ"ד = 2.0) גומי furfurylamine (FFA) לפני תחילת הניסוי כמצוין צעדים 1.1.1- 1.1.4. 5
    1. ייבש את גומי EPM-ז-MA בתנור ואקום עבור שעה אחת ב 175 ° C להמיר di-חומצה נוכחית לתוך אנהידריד. 11
    2. דחיסת עובש סרט גומי עבה 0.1 מ"מ במכבש חם במשך 10 דקות ב 150 מעלות צלזיוס, 100 בר.
    3. קלט ספקטרום שידור אינפרא אדום של סרט המתקבל לאחר הציב אותו בפמוט לוח KBR.
      הערה: ההמרה של di-חומצה הידרוליזה לתוך אנהידריד תושלם אם השיא חומצה קרבוקסילית טיפוסי ( משוואה = 1,710 -1 ס"מ) הוא נעדר ופסגת אנהידריד מחזורית מאפיין ( משוואה = 1,856 -1 ס"מ 5
    4. באמצעות זכוכית זיקוק רגיל, לזקק 2.8 גרם פ"א (נקודת רתיחה = 145 ° C, 28.9 mmol; 3.0 EQ מבוסס על תוכן MA ב-MA EPM-ז.) בלחץ אטמוספרי.
  2. כן פתרון גומי 10% WT בשקילת 45.0 גרם של גומי EPM-ז-MA (MA 9.6 מילימול) והמס אותו 500 מיליליטר tetrahydrofuran (THF) ב 23 ° C בכוס סגורה תחת בחישה נמרצת.
  3. מוסיפים את g 2.8 מזוקקים טרי FFA לפתרון גומי 10% WT.
  4. מערבבים את תערובת התגובה במערכת סגורה ב 23 מעלות צלזיוס במשך שעה לפחות 1.
  5. לזרז את תערובת התגובה על ידי מוזג אותה לאט לתוך פי עשרה (5 ליטר) של אצטון תחת ערבוב מכאני, מניב מוצר הפולימר כמו חוטים לבנים כי הם דגו בקלות מתוך הכוס באמצעות פינצטה גדול.
  6. יבש את המוצר שנאספו (EPM-ז-furan) למשקל קבוע בתנור ואקום ב 35 ° C (זה לוקח בערך 1 יום).
  7. עובש דחיסה שהתקבל, SLIמוצר צהבהב ghtly בתוך תבנית בין שתי לוחיות מתכת במכבש חם במשך 10 דקות ב 175 מעלות צלזיוס, 100 בר להמיר מוצר חומצת maleamic ביניים לתוך מוצר imide.
  8. חותכים את לוחית גומי וכתוצאה מכך חתיכות קטנות (0.05 גר ') עם מספריים לשטוף אותם היטב על ידי שיקוע שלהם אצטון כדי להסיר כל FFA unreacted.
  9. קלט ספקטרום שידור אינפרא אדום של המוצר בבעל לוח KBR לאחר הדחיסה יוצק אותה סרט 0.1 מ"מ עובי. 5
    הערה: בהיעדר אמיד חומצה נותרת ניתן להסיק בהעדר לשיא ב 1,530 -1 סנטימטר 39, 40 אינדיקצית ההמחשה ביותר עבור השינוי המוצלח היא ההיעלמות כמעט המוחלטת של. משוואה ב 1,856 -1 ס"מ של אנהידריד והופעת משוואה ב 1,710 -1 ס"מואת CN מתיחת רטט ( משוואה = 1,378 -1 ס"מ) של maleimide.
  10. קבע את ההמרה תגובת-MA EPM-G-g EPM-furan מירידה ספיגת רטט מתיחה C = O סימטרי של קבוצות אנהידריד ( משוואה = 1,856 -1 ס"מ) על ידי שילוב תחומים תחת אינפרא אדום בודדים (FT-IR) פסגות לאחר deconvolution (R 2> 0.95). 5
    הערה: רטט נדנדה מתיל ( משוואה = 723 ס"מ -1), שמקורם עמוד השדרה EPM, נותר ללא שינוי על שינוי והוא יכול לשמש התייחסות פנימית.
  11. קבע את מרות שינוי על ידי ביצוע ניתוח יסודות (EA) עבור N, C ו- H על דגימות גומי כביסה, ייבוש. 5
    הערה:התכנים הטוחנים ניתן נגזרים באחוזי המסה הנמדדים. תוכן החנקן הטוחן ב-furan EPM-g שווה לזה של קבוצות furan המורכבות. ההמרה יכולה להיות מחושבת על ידי השוואת היחס הטוחן של מונומר מורכב MA אל מונומרים EPM שאינם מורכב ב מבשר EPM-ז-MA (7.69 x 10 -3) עם N היחס הטוחן: EPM של EPM-G- מדגם furan.
  12. מדוד את קשיות החוף של הדגימות יצוקות דחיסה לפחות 10 פעמי לחיצת מד קשיות על מדגם גומי, המכסה את השטח הגלילי כולו של מד הקשיות. 5
    הערה: דוגמאות בעובי של 2 ± 0.1 מ"מ אמורות לשמש לבדיקות אלה.
  13. מדוד את התארכות (בהפסקה) ואת חוזק מתיחה האולטימטיבי על ידי ביצוע בדיקות מתיחה על דגימות של כ 1 מ"מ עובי ו -5 מ"מ רחב באמצעות אורך מהדק של 15 מ"מ ושיעור זן של 500 ± 50 מ"מ / דקה. קבע את מודול יאנג מן המדרון הראשוני של stres וכתוצאה מכךעקומות s-זן.
    הערה: לכל מדידה, בדיקת 10 דגימות ולא לכלול את שתי חריגות עם הגבוהה ביותר ואת הערכים הנמוכים ביותר.
  14. קבע את הדחיסה נקבעה על 23 מעלות צלזיוס על ידי דחיסת דגימות גליליות עם עובי של 6 ± 0.1 מ"מ (t0) ו בקוטר של 13 ± 0.1 מ"מ בין צלחות מתכת 3/4 ה העובי הראשוני שלהם (t n) עבור 70 שעות, ולתת להם להירגע על 50 מעלות צלזיוס במשך שעה וחצי ולמדוד את העובי (i t).
    הערה: הערך להגדיר דחיסה ניתן לקבוע מן (t0 -t i) / (t0 -t n).

2. דילס-אלדר Cross-linking ו עיבוד מחדש

  1. לפני הניסוי, לסנתז את bismaleimide אליפטיות (BM) מ didodecylamine ו אנהידריד maleic (MA) על פי נוהל דיווח. 41
  2. לשקול 40.0 גרם של גומי EPM-ז-furan (8.6 מילימול תוכן furan) ו 0.04 פנוליות גרם אנטי-שורidant (octadecyl-1- [3,5-di-טרט-בוטיל-4-hydroxyphenyl] propionate) ו לפזר אותם גדולים, נסגר כוס עם THF 500 מ"ל ב 23 ° C.
  3. להוסיף 1.48 גרם של bismaleimide אליפטיות (4.3 מילימול, 0.5 EQ. מבוסס על תוכן furan ב EPM-ז-furan) כדי מבחנה עם הפתרון 10% WT.
  4. מערבבים את תערובת התגובה במשך שעה 1 לפחות 50 מעלות צלזיוס בכוס סגורה, ולאחר מכן להסיר את הכובע כדי לפתוח את מערכת להתאדות הממס. אידוי של THF יכול גם להתבצע באמצעות המאייד רוטרי.
  5. ייבש את המוצר שנאסף למשקל קבוע בתנור ואקום ב 35 מעלות צלזיוס.
  6. עובש דחיסת המוצר למשך 30 דקות ב 175 מעלות צלזיוס, 100 בר.
  7. לחשל המוצר המתקבל על ידי אחסונו בתנור על 50 מעלות צלזיוס למשך שלושה ימים לפחות.
  8. חותכים את לוחית גומי וכתוצאה מכך חתיכות קטנות (0.05 גרם) באמצעות מספריים לשטוף אותם ביסודיות על ידי שיקוע שלהם אצטון כדי להסיר כל הרכיבים unreacted ודחיסה ולעצב אותו לתוך f 0.1 מ"מ עובי ILM.
  9. קלט ספקטרום אינפרא אדום שידור של סרט וכתוצאה מכך בעל לוח KBR, באמצעות ההגדרה הזהה לאלו המתוארות עבור 1.9.1. 5
  10. קבע את המרת cross-linking מירידה יחסית רטט המתיחה הסימטרי COC של טבעות furan ( משוואה = 1,013 -1 ס"מ) כמתואר 1.10. 5
  11. קבע את ההמרה cross-linking ידי ביצוע EA עבור N, C ו- H על דגימות גומי כביסה, ייבוש. 5
  12. קבע את חוף קשיות, מודולוס של יאנג, התארכות בהפסקה, חוזק מתיחה האולטימטיבי ודחיסה נקבע על 23 ° C באותו אופן כפי שמתואר 1.12-14.
  13. לעבד מחדש את דגימות לאחר בדיקה על ידי חיתוך אותם לחתיכות קטנות באמצעות מספריים (± 50 מ"מ 3) ודחיסה קריצה אלה באותם תנאים לתוך דגימות חדשות, הומוגנית עם אותם מימדים.

התחת = "jove_title"> 3. אשפרה מי חמצן ו גופרית של ENB-EPDM

  1. מחממים מערבלים תצווה פנימי עד 70 ° C ולתת לו לסובב ב 50 סל"ד.
    הערה: צעד מיזוג ראשוני על ידי שטיפה את החדר עם חנקן נותן שליטה טובה יותר של התהליכים חוצי-linking.
  2. Feed 18.1 גרם של ENB-EPDM (48% WT אתילן, 5.5% WT ENB) למערבל אצווה פנימי כדי להגיע גורם מילוי 70% ומערבבים 2 דקות להניב להמיס הומוגנית.
  3. Feed 1.25 phr של di-חמצני (טרט-butylperoxy-איזופרופיל) בנזן) או 1.88 phr של מערכת הגיפור גופרית 80% טהור, רגיל, חצי יעיל לערבב אותו עם גומי 3 דקות ב 70 מעלות צלזיוס.
  4. עובש דחיסה במתחם וכתוצאה מכך עיתונות חמה למשך 30 דקות ב 175 מעלות צלזיוס, 100 בר לרפא אותה.
  5. קבע את חוף קשיות, מודולוס של יאנג, התארכות בהפסקה ואת חוזק מתיחה האולטימטיבי להגדיר באותו אופן כפי שמתואר 1.12-14.

4. Cרוס-link קביעת צפיפות

  1. חותכי חתיכה של יצוק דחיסה, גומי צולב של כ מספריים באמצעות 50 מ"ג.
    1. לקבוע את המשקל ההתחלתי של המדגם גומי בדיוק בשקילה אותו בקבוקון זכוכית 20 מ"ל (W 0).
    2. לטבול את הגומי שקלה ב 15 מיליליטר של decalin.
  2. תנו גומי להתנפח decalin עד משקלו אינו מעלה יותר ושיווי משקל נפיחות הוא הגיע (כ 3 ימים).
  3. בזהירות לקחת את דגימת נפוחות מתוך הבקבוקון ובזהירות להספיג את פני השטח עם ממחטת נייר כדי להסיר כל ממס מפני השטח מבלי ללחוץ אותה.
  4. לשקול מדגם הגומי הנפוח בבקבוקון מדגם חדש (W 1).
  5. יבש המדגם נפוח בתנור ואקום ב 80 מעלות צלזיוס עד משקל מתמיד הוא הגיע ולקבוע את המשקל היבש של המדגם (W 2).
  6. השג את התוכן הג'ל W 2 / W 0 x 100%
  7. קבע את הצולבותצפיפות הקישור ([XLD] ב mol / ס"מ 3) באמצעות המשוואה פלורי-Rehner 42, 43, [XLD] = (ln (1-V R) + V + R χV R 2) / (2V S (R 0.5V -V R 1/3)) עם V S הנפח הטוחן של (decalin ממיס: 154 מיליליטר / mol ב 23 ° C), χ פרמטר האינטראקציה (decalin-EPDM: 0.121 + 44 0.278V R) ו- V אות R נפח קטן של גומי במדגם נפוחות כי ניתן לקבוע מן W 2 / (W 2 + (W 1 -W 2) ∙ ρ EPM-ז-furan / ρ decalin) עם צפיפויות (ρ) להיות 860 ק"ג / מ 3 עבור EPM-ז-furan ו 896 ק"ג / מ 3 עבור decalin, בהתאמה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

שינוי מוצלח של-MA EPM-ג'י לתוך EPM-ז-furan ואת cross-linking עם bismaleimide מוצג על ידי התמרת ספקטרומטריית אינפרא אדום (FTIR) (איור 2). הנוכחות של קבוצות furan במוצר EPM-ז-furan ניתן להסיק קריעת אליפטיות CC שיא המתיחה ( משוואה = 1,050 -1 ס"מ) לשתי פסגות furan ( משוואה = 1,073 -1 ס"מ ו משוואה = 1,013 -1 ס"מ), את המראה של רטט C = C furan מתיחה ( משוואה = 1,504 -1 ס"מ) ושל רטט דפורמציה 599 ס"מ -1. 15, 37, 37 הטבעת furan מתיחה פסגות ב 1,436 ו 1,345 -1 ס"מ יכול לא לא להיות observed כפי שהם מוסתרים על ידי -vibrations CH 2 חופפים גדול של עמוד השדרה גומי לעבר 1,450 -1 ס"מ ו 1,350 -1 ס"מ. 15 שילוב של BM ניתן להסיק ממראה משוואה ב 1,190 -1 ס"מ ושל להקות succinimide מאפיין ( משוואה = 1,385 -1 ס"מ, משוואה = 1,311 -1 ס"מ ו משוואה = 620 ס"מ -1). 45, 46 קליטת הקשורות furan ( משוואה ) יורד על cross-linking ואת משוואה עליות להקת קרבוניל כתוצאת קליטה שנייה סביב 1,770 -1 סנטימטר כי מיוחס טבעת succinimide נובע cycloaddition. 25

FTIR וניתוח היסודות שימשו כדי לברר איזה שינוי והמרות cross-linking (טבלה 1). ה- Financial Times-IR ו- EA המרות שימשו כדי לקבוע את צפיפות צולבות הקישור של DA צולבים EPM-ז-furan, אשר נמצאה 1.8 x 10 -4 ± 3 x 10 -5 mol / ס"מ 3. לדברים להתנפח בדיקות (פרוטוקול 4), התוכן ג'ל של כל הדגימות הצולבות הייתה כ 100% ואת צפיפות צולבות הקישור של DA צולב EPM-ז-furan היה 2.1 x 10 -4 ± 2 x 10 - 5 mol / ס"מ 3. צפיפויות קשר צולב של מערכות ייחוס EPDM גופרית ו נרפא חמצן נמצאו בהתאמה 1.7 x 10 -4 ± 6 x 10 -6 ו -1.8 x 10 -4 ± 8 x 10 -6 mol / ס"מ 3, בהתאמה .

t "FO: keep-together.within-page =" 1 "> איור 2
. איור 2. FT-IR ספקטרה הקליטה ספקטרה של השמאל: EPM-ז-MA (אדום) ו שונה EPM-ז-furan (שחור) וימין: הלא-צולבים EPM-ז-furan (שחור) דילס-אלדר צולב EPM-ז-furan (כחול) (נדפס באישור 5). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

wt% N wt% C wt% H מרת FT-IR (%) מרת EA (%)
EPM-ז-MA <0.01 84.7 14.3 -
EPM-ז-furan 0.3 84.8 14.2 96 93
צולבים DA EPM-ז-furan 0.4 84.2 14 72 80

מרות תגובה בטבלה 1.. מניתוח תוצאות Elemental ו FT-IR (מותאמות באישור 5).

הדה-cross-linking של DA צולבים EPM-ז-furan המוצר היה ואחריו שידור FT-IR (איור 3). כמה פסגות מאפיין furan כגון ובאותו בהתאמה 1,504 ו 1,013 -1 ס"מ ירידה על חישול תרמית על 50 מעלות צלזיוס ועליות לאחר דפוס דחיסה ב 175 מעלות צלזיוס. זה מצביע על כך cross-linking ודה-cross-linking מתרחשות באמצעות תגובת DA הפיכה בין קבוצות furan מורכבות וסוכני בע"מ הוסיפו מקשר שני והערב. 47 בדיקות מסיסות הם שיטה מעשית יותר כדי לבחון את ההשפעות של cross-linking ודה-cross-linking. EPM-ז-furan מסיס decalin (5% WT) ב 23 ° C. אותו החומר צולב עם BM הוא מסיס בבירור באותם תנאים. Thermo-הפיכות של תגובת cross-linking הוצגו על ידי המסת המוצר במהלך 1 שעה של חימום ל -175 מעלות צלזיוס. לבסוף, דרך מעשית של בדיקות של reworkability החומר הוא על ידי שחיקה או חיתוך גומי צולבים ודחיסה יוצקים אותה ב 160 ° C ו -100 רף 30 דקות. החומר לעיבוד חוזר וכתוצאה מכך נמצאה צפיפות קשר צולב של 2.0 x 10 -4 ± 2 x 10 -5 mol / ס"מ 3. כאשר גומי EPDM הוא בלתי הפיך צולבים עם מי, remolding את החתיכות החתוכות באותם תנאים לא להיכנע מדגם קוהרנטי (איור 4).

= "1"> איור 3
איור 3. ספקטרום הקליטה FT-IR. ספקטרה של EPM-ז-furan ו התובע (דה / מחדש) צולבים EPM-ז-furan (נדפס באישור 5). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של זה דמות.

איור 4
איור 4. דגימות גומי עיבוד מחדש. ברי מדגם thermoreversibly צולב sulphur- והגומי נרפא החמצן כי הם כל reprocessed באותם תנאים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

עליות הקשיות ואת compסט ression פוחתת כאשר הולכים מן הלא-צולבים EPM-ז-MA ומבשרי EPM-ז-furan אל EPM-ז-furan צולבים DA (איור 5). זה מצביע בבירור על המרה של הפולימר הצמיג לתוך רשת אלסטית המתרחשת על cross-linking. סט הקשיות ודחיסה של דגימות reprocessed של בהתאמה 44 Shore A ו- 5% הם דומה לאלה של הדגימות הצולבות DA המקורי. סט הקשיות ודחיסה של גופרית מי צולב גומי EPDM היו 60 ו -61 Shore A ו- 5% ו -8% בהתאמה. למרות דגימות צולבות אלה יש באופן בלתי הפיך ערך קשיות גבוהה, להגדיר הדחיסה שלהם נחות מעט על הדגימות הצולבות DA.

התארכות בהפסקה פוחתת כאשר הולכים מן הלא-צולבים EPM-ז-MA אל EPM-ז-furan שונה (איור 6). הבדל זה יכול להיות מוסבר על ידי אפקטים סינרגטית של הממתינים, conjugatאד קבוצות furan. 48 קשיחות מוגברת שלהם, ייצוב לערום-π ותואר נמוך מאוד של רדיקלי cross-linking בין פוראנים יכול להיות מספיק כדי להפחית את האלסטיות של הגומי במידה מסוימת. הדגימות הצולבות EPM-furan-g להראות משמעותי moduli מתיחה גבוהה התארכות נמוכה בערכי הפסקה לעומת המבשרים הלא הצולבים שלהם. המתיחה גבוהה אלה moduli ואת ההתארכות נמוכה מעידה על קונדומים צולבים. 49, 50 גם נראה כי הגומי הצולב ממוחזר לשמור על מאפייני מאפיין אלה עשויים גומי צולב, המציין כי קונדומים הצולבים אלה ניתן לעצב מחדש או עבדו , ללא קשר מודולוס שלהם גבוה התארכות נמוכה. עקומות מתח-הזן החציוני גם להראות כי התרמו-הפיך, DA צולב גומי, לפני ואחרי עיבוד מחדש, תשואות על לחצים גבוהים זנים נמוכים יותר מאשר אי-הצולבים שלהם EPM-ז-MA ו- EPM-ז-furan מבשרים. הבחנה זו illustra tive להתנהגות שונה של גומי צולבים ולא צולבים כפי שהומחש דגימות EPDM נרפא חמצן וגופרית. 51, 52 אלה חמצן ו דגימות התייחסות נרפא גופרית נראה שיש moduli של גבוה צעירים במעט צולבות DA מקושרים קונדומים למרות נמדדו הם לקיים צפיפויות קשר צולב דומה. חוזק המתיחה ו ההתארכות בהפסקה של הדגימות הצולבות DA עם זאת, הם לפחות טובים כמו אלה של החמצן ודוגמאות נרפאו גופרית.

איור 5
איור 5. קשיות ולהגדיר דחיסה. תוצאות עבור הלא צולבים EPM-ז-MA ו- EPM-ז-furan, צולבים DA EPM-ז-furan ובאופן בלתי הפיך גופרית וגומי EPDM נרפא חמצן. ברים שגיאה מייצגים את סטיית התקן (נדפס באישור 5).עומס / 54,496 / 54496fig5large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6. מבחן מתיחה. תוצאות עבור EPM-ז-MA (1), EPM-ז-furan (2), DA צולבים EPM-ז-furan (3) וע"י עיבוד מחדש, DA צולבים EPM-ז-furan (4) יחד עם גופרית (5) ו peroxide- (6) EPDM נרפא. גרפי מתח-זן חציון (משמאל) ואת מודול יאנג המקביל, חוזק מתיחת התארכות בהפסקה (מימין). ברים שגיאה מייצגים את סטיית התקן. (הודפס מחדש באישור 5) נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

גומי מסחרי EPM-ז-MA היה התרמו-הפיך צולב בגישה שני שלבים פשוטה. הגומי maleated שונה הראשון עם פ"א להשתיל קבוצות furan על עמוד השדרה גומי. פוראנים ממתינים המתקבלים מראים תגובתיות כמו Dienes דילס-אלדר. אליפטיות בע"מ שימש cross-linking סוכן, וכתוצאה מכך גשר התרמו-הפיך בין שני moieties furan. תגובות שניהם היו מוצלחות עם המרות טובות (> 80%) על פי ספקטרוסקופיה אינפרא האדומה, ניתוח יסודי. Cross-linking הוצגה על ידי נפיחות בדיקות מסיסות, מניב תוכן ג'ל של 100%.

עבור הביצוע המוצלח של הפרוטוקול המתואר, זה קריטי, כי הרכיבים הבודדים מוכנים בקפידה. למרבה הצער, הכנת גומי reworkable על ידי עשיית שימוש של השיטה המתוארת כאן אינה מאפשרת upscaling קל בכמויות גדולות יותר. אמנם אין שיטות אחרות של הכנת מוצר גומי reworkable זה כבר described בספרות פתוח, אנלוגיה עם השתלת רדיקלים חופשיים ידועים של אנהידריד maleic על גומי EPM ניתן להסיק מבחינה זו. 32 שינוי ממיסים של הגומי הוא אלטרנטיבה מבטיחה שאינה דורשת חומר ממיס, טיהור ביניים או ייבוש צעדים וניתן להורג על ציוד מסחרי כגון מיקסרים להמיס או extruders. הפקת גומי כזה reworkable יהיה הרבה יותר זמן ועלות יעיל אם זה היה להיות מוצא להורג באמצעות עיבוד להמיס. מאידך, השיטה המתוארת מאפשרת שליטה רבה יותר של התגובה לבין מוצר סופי יותר מוגדר היטב.

ברמה של השוואה כללית יותר בין הגישה הנוכחית כלפי גומי reworkable וגישות מחזור אחרים (למשל, devulcanization), יש לציין כי החומרים צריכים להיות שונים לפני cross-linking וכי להיכשל צולבות הקישורים נוצרו יחסית בטמפרטורות נמוכות (> 180%). עם זאת, גישה זואין לאפשר ייצור של מוצר "מהעריסה לעריסה" גומי למחזור ואילו המחזור של קונדומי devulcanized מוגבל עד קשה כדי השימוש החוזר של מספר אחוזים בשילוב עם חומרים בתולים. 54, 55

צפיפויות הקשר הצולב של DA צולב EPM-ז-furan כפי שיקבעו מעת FT-IR ו- EA המתאימה לאלה נקבעים מבדיקות להתנפח. הערכים המתקבלים הם מאפיין עבור צולבים רופף, רשתות גומי ומקבילים צפיפויות קשר צולב אופייני של גופרית והחניכיים EPDM נרפא חמצן (1-5 x 10 -4 mol / ס"מ 3) דיווחו בספרות. 53, 54 צפיפות קשר צולב של הדגימות הצולבות DA היא דומה לאלה של אזכור EPDM גופרית ו נרפא חמצן, המאפשרים השוואה של נכסים.

לבסוף, קשיות החוף, מודולוס Young's, התארכות בהפסקה, חוזק מתיחה אולטימטיבי ודחיסה להגדיר כל indicatדואר הטרנספורמציה של פולימר צמיג לתוך רשת גומי אלסטי על התוספת של בע"מ. תכונות מכניות אלו מתאימות לאלו של דגימות sulphur- והפניות נרפא-חמצן והם נשמרו לאחר עיבוד מחדש תרמו-הפיך גומי צולבים. עיבוד מחדש של החומר בוצע עד 5 פעמים ללא כל אובדן משמעותי של נכסים.

התוצאות המוצגות לספק תוואי חדש עבור (ההפיך) cross-linking של (EPM) גומי באמצעות (רטרו) דילס-אלדר תגובה, אשר משלימה את ארגז הכלים של מחזור גומי. הם לסלול את הדרך לקראת היישום של אסטרטגיות cross-linking כזה (ואת המחזור אלה עלולים להביא לפעולה) עבור מגוון רחב של מוצרי גומי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Myhre, M., MacKillop, D. A. Rubber recycling. Rubber Chem Technol. 75 (3), 429-474 (2002).
  2. Baranwal, K. C., Stephens, H. L. Basic Elastomer Technology. , ACS Rubber Division. Akron, USA. (2001).
  3. Such, G. K., Johnston, A. P. R., Liang, K., Caruso, F. Synthesis and functionalization of nanoengineered materials using click chemistry. Prog Polym Sci. 37 (7), 985-1003 (2012).
  4. Kloxin, C. J., Scott, T. F., Adzima, B. J., Bowman, C. N. Covalent Adaptable Networks (CANS): A Unique Paradigm in Cross-Linked Polymers. Macromol. 43 (6), 2643-2653 (2010).
  5. Polgar, L. M., van Duin, M., Broekhuis, A. A., Picchioni, F. The use of Diels-Alder chemistry for thermo-reversible cross-linking of rubbers: the next step towards recycling of rubber products. Macromol. 48 (19), 7096-7105 (2015).
  6. Garcia, J. M., et al. Recyclable, strong thermosets and organogels via paraformaldehyde condensation with diamines. Sci. 344 (6185), 732-735 (2014).
  7. Montarnal, D., Capelot, M., Tournilhac, F., Leibler, L. Silica-like malleable materials from permanent organic networks. Sci. 334 (6058), 965-968 (2011).
  8. Capelot, M., Montarnal, D., Tournilhac, F., Leibler, L. Metal-catalyzed transesterification for healing and assembling of thermosets. J Am Chem Soc. 134 (18), 7664-7667 (2012).
  9. Cordier, P., Tournilhac, F., Soulie-Ziakovic, C., Leibler, L. Self-healing and thermoreversible rubber from supramolecular assembly. Nature. 451 (7181), 977-980 (2008).
  10. Imbernon, L., Oikonomou, E. K., Norvez, S., Leibler, L. Chemically crosslinked yet reprocessable epoxidized natural rubber via thermo-activated disulfide rearrangements. Polym Chem. 6 (23), 4271-4278 (2015).
  11. Van der Mee, M. A. J., Goossens, J. G. P., van Duin, M. Thermoreversible cross-linking of maleated ethylene/propylene copolymers with diamines and amino-alcohols. Polym. 49 (5), 1239-1248 (2008).
  12. Van der Mee, M. A. J., Goossens, J. G. P., Van Duin, M. Thermoreversible covalent crosslinking of maleated ethylene/propylene copolymers with diols. J Polym Sci A-Polym Chem. 46 (5), 1810-1825 (2008).
  13. Das, A., et al. Ionic modification turns commercial rubber into a self-healing material. Acs Appl Mater Interf. 7 (37), 20623-20630 (2015).
  14. Gandini, A. The furan/maleimide Diels-Alder reaction: A versatile click-unclick tool in macromolecular synthesis. Prog Polym Sci. 38 (1), 1-29 (2013).
  15. Toncelli, C., De Reus, D. C., Picchioni, F., Broekhuis, A. A. Properties of reversible Diels-Alder furan/maleimide polymer networks as function of crosslink density. Macromol Chem Phys. 213 (2), 157-165 (2012).
  16. Tian, Q., Rong, M. Z., Zhang, M. Q., Yuan, Y. C. Synthesis and characterization of epoxy with improved thermal remendability based on Diels-Alder reaction. Polym Int. 59 (10), 1339-1345 (2010).
  17. Franc, G., Kakkar, A. K. Diels-Alder "click" chemistry in designing dendritic macromolecules. Chem-a Eur J. 15 (23), 5630-5639 (2009).
  18. Goiti, E., Huglin, M. B., Rego, J. M. Thermal breakdown by the retro Diels-Alder reaction of crosslinking in poly[styrene-co-(furfuryl methacrylate). Macromol Rapid Comm. 24 (11), 692-696 (2003).
  19. Gheneim, R., Perez-Berumen, C., Gandini, A. Diels-Alder reactions with novel polymeric dienes and dienophiles: Synthesis of reversibly cross-linked elastomers. Macromol. 35 (19), 7246-7253 (2002).
  20. Moustafa, M. M. A. R., Gillies, E. R. Rubber functionalization by Diels-Alder chemistry: from cross-linking to multifunctional graft copolymer synthesis. Macromol. 46 (15), 6024-6030 (2013).
  21. Scheltjens, G., Diaz, M. M., Brancart, J., Van Assche, G., Van Mele, B. A self-healing polymer network based on reversible covalent bonding. React Funct Polym. 73 (2), 413-420 (2013).
  22. Gandini, A., Silvestre, A. J. D., Coelho, D. Reversible click chemistry at the service of macromolecular materials. Polym Chem. 2 (8), 1713-1719 (2011).
  23. Nandivada, H., Jiang, X., Lahann, J. Click chemistry: Versatility and control in the hands of materials scientists. Adv Mater. 19 (17), 2197-2208 (2007).
  24. Chen, X. X., et al. A thermally re-mendable cross-linked polymeric material. Sci. 295 (5560), 1698-1702 (2002).
  25. Laita, H., Boufi, S., Gandini, A. The application of the Diels-Alder reaction to polymers bearing furan moieties .1. Reactions with maleimides. Eur Polym J. 33 (8), 1203-1211 (1997).
  26. Gandini, A., Coelho, D., Silvestre, A. J. D. Reversible click chemistry at the service of macromolecular materials. Part 1: Kinetics of the Diels-Alder reaction applied to furan-maleimide model compounds and linear polymerizations. Eur Polym J. 44 (12), 4029-4036 (2008).
  27. Ax, J., Wenz, G. Thermoreversible networks by Diels-Alder Reaction of cellulose furoates with bismaleimides. Macromol Chem Phys. 213 (2), 182-186 (2012).
  28. Canary, S. A., Stevens, M. P. Thermally reversible cross-linking of polystyrene via the furan-maleimide Diels-Alder reaction. J Polym Sci A-Polym Chem. 30 (8), 1755-1760 (1992).
  29. Burlett, D. J., Lindt, J. T. Reactive processing of rubbers. Rubber Chem Technol. 66 (3), 411-434 (1993).
  30. Saelao, J., Phinyocheep, P. Influence of styrene on grafting efficiency of maleic anhydride onto natural rubber. J Appl Polym Sci. 95 (1), 28-38 (2005).
  31. Guldogan, Y., Egri, S., Rzaev, Z. M. O., Piskin, E. Comparison of maleic anhydride grafting onto powder and granular polypropylene in the melt by reactive extrusion. J Appl Polym Sci. 92 (6), 3675-3684 (2004).
  32. Van Duin, M. Grafting of polyolefins with maleic anhydride: Alchemy or technology. Macromol Symp. 202, 1-10 (2003).
  33. Barra, G. M. O., Crespo, J. S., Bertolino, J. R., Soldi, V., Pires, A. T. N. Maleic anhydride grafting on EPDM: Qualitative and quantitative determination. J Braz Chem Soc. 10 (1), 31-34 (1999).
  34. Oostenbrink, A. J., Gaymans, R. J. Maleic-anhydride grafting on epdm rubber in the melt. Polym. 33 (14), 3086-3088 (1992).
  35. Schmidt, U., Zschoche, S., Werner, C. Modification of poly(octadecene-alt-maleic anhydride) films by reaction with functional amines. J Appl Polym Sci. 87 (8), 1255-1266 (2003).
  36. Vermeesch, I., Groeninckx, G. Chemical modification of poly(styrene-co-maleic anhydride) with primary N-alkylamines by reactive extrusion. J Appl Polym Sci. 53 (10), 1365-1373 (1994).
  37. Zhang, Y., Broekhuis, A. A., Picchioni, F. Thermally self-healing polymeric materials: the next step to recycling thermoset polymers. Macromol. 42 (6), 1906-1912 (2009).
  38. Gousse, C., Gandini, A., Hodge, P. Application of the Diels-Alder reaction to polymers bearing furan moieties. 2. Diels-Alder and retro-Diels-Alder reactions involving furan rings in some styrene copolymers. Macromol. 31 (2), (1998).
  39. Mikroyannidis, J. A. Synthesis and Diels-Alder polymerization of furfurylidene and furfuryl-substituted maleamic acids. J Polym Sci A-Polym Chem. 30 (1), 125-132 (1992).
  40. Kossmehl, G., Nagel, H., Pahl, A. Cross-linking reactions on polyamides by bis- and tris(maleimide)s. Angew Makromol Chem. 227 (1), 139-157 (1995).
  41. Liu, X., et al. Kinetic study of Diels-Alder reaction involving in maleimide-furan compounds and linear polyurethane. Polym Bull. 70 (8), 2319-2335 (2013).
  42. Stamboliyska, B. A., Binev, Y. I., Radomirska, V. B., Tsenov, J. A., Juchnovski, I. N. IR spectra and structure of 2,5-pyrrolidinedione (succinimide) and of its nitranion: experimental and ab initio MO studies. J Molec Struct. 516 (2-3), 237-245 (2000).
  43. Sombatsompop, N., Kumnuantip, C. Rheology, cure characteristics, physical and mechanical properties of tire tread reclaimed rubber/natural rubber compounds. J Appl Polym Sci. 87 (10), 1723-1731 (2003).
  44. Kim, J. K., Lee, S. H. New technology of crumb rubber compounding for recycling of waste tires. J Appl Polym Sci. 78 (8), 1573-1577 (2000).
  45. Dikland, H. G., van Duin, A. Miscibility of EPM-EPDM blends. Rubber Chem Technol. 76 (2), 495-506 (2003).
  46. Klots, T. D., Chirico, R. D., Steele, W. V. Complete vapor-phase assignment for the fundamental vibrations of furan, pyrrole and thiophene. Spectrochim Acta A-Mol Biomol Spectr. 50 (4), 765-795 (1994).
  47. Litvinov, V. M., Barendswaard, W., van Duin, M. The density of chemical crosslinks and chain entanglements in unfilled EPDM vulcanizates as studied with low resolution, solid state 1H-NMR. Rubber Chem Technol. 71 (1), 105-118 (1998).
  48. Orza, R. A., Magusin, P. C. M. M., Litvinov, V. M., van Duin, M., Michels, M. A. J. Solid-state 1H-NMR study on chemical cross-links, chain entanglements, and network heterogeneity in peroxide-cured EPDM rubbers. Macromol. 40 (25), 8999-9008 (2007).
  49. Henssler, J. T., Matzger, A. J. Regiochemical effects of furan substitution on the electronic properties and solid-state structure of partial fused-ring oligothiophenes. J Org Chem. 77 (20), 9298-9303 (2012).
  50. Hofmann, W. Rubber Technology Handbook. , Hanser Publishers. Münich, Germany. (1989).
  51. Chen, Y., Xu, C. Stress-strain behaviors and crosslinked networks Studies of natural rubber-zinc dimethacrylate composites. J Macromol Sci B-Phys. 51 (7), 1384-1400 (2012).
  52. Pritchard, R. H., Terentjev, E. M. Swelling and de-swelling of gels under external elastic deformation. Polym. 54 (26), 6954-6960 (2013).
  53. Tizard, G. A., Dillard, D. A., Norris, A. W., Shephard, N. Development of a high precision method to characterize Poisson's ratios of encapsulant gels using a flat disk configuration. Exp Mech. 52 (9), 1397-1405 (2012).
  54. Dijkhuis, K. A. J., Babu, I., Lopulissa, J. S., Noordermeer, J. W. M., Dierkes, W. K. A mechanistic approach to EPDM devulcanization. Rubber Chem. Technol. 81 (2), 865-880 (2008).
  55. Sutanto, P., Picchioni, E., Janssen, L. P. B. M., Dijkhuis, K. A. J., Dierkes, W. K., Noordermeer, J. W. M. State of the art: Recycling of EPDM rubber vulcanizates. Int Polym Proc. 21 (2), (2006).

Tags

כימיה גיליון 114 גומי cross-linking מיחזור שינוי דילס-אלדר,-הפיכות התרמו הנדסה כימית
הכנת המאפיינים של Thermo-הפיך צולב הגומי Via דילס-אלדר לכימיה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Polgar, L. M., van Duin, M.,… More

Polgar, L. M., van Duin, M., Picchioni, F. The Preparation and Properties of Thermo-reversibly Cross-linked Rubber Via Diels-Alder Chemistry. J. Vis. Exp. (114), e54496, doi:10.3791/54496 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter