JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Türkçe

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

Termo-tersinir Çapraz bağlı Lastik Via Diels-Alder Kimya hazırlanması ve Özellikleri

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

Summary

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

Abstract

kauçuk çapraz bağlama aracı olarak Diels Alder termo-tersinir kimyası kullanılarak için bir yöntem gösterilmiştir. Bu çalışmada, maleik anhidrid ile aşılanmış bir ticari bir etilen-propilen kauçuk, termo-geri çevrilebilir şekilde iki adımda çapraz bağlıdır. bekleyen anhidrit kısımları ilk kauçuk omurgasına furan grupları greft furfurilamin ile değiştirilir. Bu askılı furan grupları daha sonra, bir Diels-Alder birleştirme reaksiyonu vasıtasıyla, bir bis-maleimid çapraz bağlanmış. Her iki reaksiyon deney koşulları geniş bir aralığı altında gerçekleştirilebilir ve kolay büyük ölçekte uygulanabilir. Elde edilen Diels-Alder çapraz-bağlanmış kauçuk malzeme özellikleri bir peroksit kürlenen etilen / propilen / dien kauçuk (EPDM) referans benzerdir. çapraz bağlantılar retro-Diels Alder reaksiyonu ile (> 150 ° C) yüksek sıcaklıklarda bozulabilir ve daha düşük sıcaklıklarda ısıl tavlama (50-70 ° C) yeniden edilebilir. Sistemin reversibilite zekâ kanıtlanmıştırh kızılötesi spektroskopi, çözünürlük testleri ve mekanik özellikleri. Malzemenin devri daim aynı zamanda, geleneksel olarak çapraz-bağlanmış kauçuk mümkün değildir benzer mekanik özelliklere yeniye örnekleri içine kalıplama küçük parçalar ve sıkıştırma bir çapraz bağlı örnek keserek, yani pratik bir şekilde gösterilmiştir.

Introduction

Kükürt vulkanizasyon ve peroksit kür halen eriyik yeniden işleme önlemek geri dönüşü olmayan kimyasal çapraz bağlarını veren kauçuk sektöründe ana sanayi çapraz bağlama teknikleri vardır. 1, yaklaşımı 2 A 'beşiğe beşiği' çapraz bağlı kauçuklar geri dönüşüm için bir malzeme gerektirir yüksek sıcaklıklarda, bir termoplastik işlenebilirlik ve tam bir geri dönüşüm yaparken, hizmet koşullarında kalıcı çapraz bağlanmış benzer kauçuklar davranır. Böyle geri dönüşüm elde etmek için bir yaklaşım (gelecek endüstriyel uygulamalar açısından en uygun) sıcaklık gibi dış uyaranlara cevap tersinir çapraz bağlantıları ile lastik ağları kullanır. 3-5 nispeten düşük hizmet bu çapraz bağların oluşumunu (orijinal olmayan çapraz bağlı bileşimin işleme sıcaklığına benzer), yüksek sıcaklıklarda klivaj r sağlarken sıcaklık, lastik iyi mekanik özellikler için gereklidirmalzemenin eCycling.

Bazı özel maddeler, tersine çevrilebilir şekilde transesterifikasyon reaksiyonları yoluyla hemen dondurma polikondansasyon reaksiyonları 6 üzerinden ya da sözde geri ağ topolojisi sözde dinamik kovalent ağları kullanarak çapraz-bağlanmış. 7-9, bu yaklaşımların dezavantajı tasarlama gerekliliğidir olabilir ve zaten istenen özelliklere sahip mevcut ticari kauçuklar değiştirerek yerine yeni polimerlerin sentezlenmesi. Teknikleri termo-geri dönüşümlü olarak çapraz bağ lastikleri gibi termo-aktive disülfit düzenlenmeleri yoluyla hidrojen bağı, iyonik etkileşimler ve kovalent bağ içerir. 10-13 Son zamanlarda, termo-geri dönüşümlü çapraz bağlama Diels-Alder üzerinden (DA) kimya geliştirilmiştir. 14 -21 DA kimya polimerlerin geniş bir uygulanan ve DA reaksiyonu nispeten hızlı kinetik ve ılımlı reaksiyon koşulları sağlayan, özellikle de popüler bir seçim temsil edilebilir. 17, 22-24 ThEIR düşük bağlantı ve yüksek ayrıştırma sıcaklıkları geri dönüşümlü polimer çapraz bağlama için furan ve maleimid mükemmel aday olun. 18-20, 25-28

Bu çalışmanın amacı, endüstriyel kauçuk ürünü (Şekil 1) için bir termo-geri dönüşümlü çapraz bağlama aracı olarak DA kimya kullanımı için bir yöntem sağlamaktır. 5 İlk olarak, örneğin etilen, doymuş bir hidrokarbon elastomerleri, reaktivitesi / propilen kauçukları (EPM), arttırılmalıdır. Bu kolaylaştıran bir ticari anlamda ilgili, örneğin maleik anhidrit (MA) peroksit ile başlatılan serbest radikal aşılama olan. İkinci olarak, bir furan grubu kolye anhidrid içine furfurilamin (FFA) sokulmasıyla bir maleatlanmış EPM kauçuk üzerinde tapa edilebilir 29-34 bir imid oluşturulması için. 35, 36 son olarak, bu şekilde lastik omurgasına bağlı furan parçaları daha sonra bir elektron açısından zengin bir dien gibi ısı geri dA kimya katılabilir. 25, 37, elektron-POya da bis-maleimid (BM), bu çapraz bağlama reaksiyonu için uygun bir dienophile olan. 19, 26, 38

Şekil 1
Şekil 1. Reaksiyon Şeması. Furan aşılama ve (5 izniyle) EPM-g-MA kauçuğun bismaleimit çapraz bağlama. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Protocol

1. Lastik Modifikasyon adımlarda belirtildiği gibi deney başlamadan önce maleatlanmış EPM (EPM-g-MA, 49 ağırlıkça% etilen, 2,1 ağırlıkça% MA, Mn 50 kg / mol = PDI = 2.0) ve kauçuk furfurilamin (FFA) hazırlayın 1.1.1- 1.1.4. 5 Anhidrid halinde, bu da di-asit dönüştürmek için 175 ° C de bir saat boyunca vakumlu bir fırında EPM-g-MS kuru kauçuk. 11 Sıkıştırma kalıbı, 150 ° C'de 10 dakika karıştırıldı ve 100 bar bir sıcak pres 0,1…

Representative Results

EPM-g-furan ve çapraz bağlama bismaleimit ile yapılan EPM-g-MS başarılı bir şekilde modifikasyonu kızıl ötesi spektrometresi (FTIR) (Şekil 2) Fourier dönüşüm ile gösterilmiştir. EPM-g-furan üründe furan grupların varlığı CC alifatik uzanan tepe bölme (anlaşılacağı = 1.050 cm-1) iki furan zirveleri içine ( <img alt="denklem" src="/files/ftp_upload/54496/54496eq_v-…

Discussion

Bir ticari EPM-g-MA kauçuk termo-geri dönüşümlü olarak çapraz bağlı basit bir iki aşamalı bir yaklaşım oldu. maleatlanmış kauçuk ilk lastik omurgası üzerine furan grupları greft FFA ile modifiye edildi. Ortaya çıkan bekleyen furan Diels-Alder dienler olarak reaktivite gösterirler. Bir alifatik BM iki furan kısımları arasında bir termo-geri bir köprü ile sonuçlanan çapraz bağlantı maddesi olarak kullanılmıştır. Her iki reaksiyon kızılötesi spektroskopi, element analizine göre iyi b…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This research forms part of the research program of the Dutch Polymer Institute, project #749.

Materials

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

Diels-Alder ChemistryThermo-reversibly Cross-linked RubberRecyclable RubberMaleated Ethylene-propylene Rubber (EPM)FurfurylamineFuran-modified ProductAmide ProductShore A HardnessYoung’s ModulusTensile StrengthCompression SetPhenolic AntioxidantBismaleimide

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image