WO2008068072A1 - Method for the production of an alternating multi-block copolymer with shape memory - Google Patents

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WO2008068072A1
WO2008068072A1 PCT/EP2007/059583 EP2007059583W WO2008068072A1 WO 2008068072 A1 WO2008068072 A1 WO 2008068072A1 EP 2007059583 W EP2007059583 W EP 2007059583W WO 2008068072 A1 WO2008068072 A1 WO 2008068072A1
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pcl
mol
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alternating
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PCT/EP2007/059583
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Andreas Lendlein
Günter Malsch
Hans-Jürgen KOSMELLA
Helmut Kamusewitz
Steffen Kelch
Nico Scharnagl
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Gkss-Forschungszentrum Geesthacht Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a shape memory polymer, which - in addition to a permanent mold - can store at least one temporary shape.
  • the polymer is an alternating multiblock copolymer having a structure consisting of the alternating successive macromonomers A and B.
  • shape memory polymers which, when induced by a suitable stimulus, show a shape transition from a temporary shape to a permanent shape according to a prior programming. Most often, this shape memory effect is thermally stimulated, that is, when the programmed polymer material is heated above the defined transition temperature, the return driven by entropy elasticity takes place.
  • Shape memory polymers are typically polymer networks in which chemical (covalent) or physical (noncovalent) crosslinks determine the permanent shape.
  • the programming is carried out by deforming the polymer material above the transition temperature of a switching segment and then cooling it down while maintaining the deformation forces under this temperature in order to fix the temporary shape. Reheating above the transition temperature results in a phase transition of the switching segment defining phase and restoration of the original permanent shape.
  • Shape memory polymers are usually random multiblock copolymers, which are mostly composed of two thermodynamically incompatible segments (macromonomers A and B).
  • the blocks A and B must each have a minimum molecular weight and a minimum proportion, so that a phase separation of the blocks in the polymer is ensured.
  • Statistical multiblock copolymers form physical crosslinks.
  • the responsible phase is called hard segment and has the highest thermal transition temperature T tran s A in the system.
  • the phase with the next lower thermal transition temperature T tra ns B is that which determines the switching segment. de phase and is for switching the thermally induced shape memory effect with the switching temperature T SC hait B) responsible.
  • Statistical multiblock copolymers are prepared by polyaddition or polycondensation of the macromonomers A and B.
  • the chemical structure of these multiblock copolymers is generally characterized by a statistical sequence of the macromonomers A and B. This results in a different number of repeat units A and B within the multiblocks and thus a heterogeneous distribution of each coupled blocks of the same type (-AA- or -BB-) or other type (-AB-) (eg AABABBBAB).
  • a distinction is made between (strictly) alternating multiblock copolymers, which are characterized by an alternating sequence of blocks A and B and accordingly have the structure - (AB) n -. Alternating multiblock copolymers with shape memory have not been realized so far.
  • Teng et al. discloses a multiblock copolymer composed of poly ( ⁇ -caprolactone) and poly (L-lactide) blocks.
  • the polymer is prepared from the PCL diisocyanate ( ⁇ , ⁇ -macrodiisocyanate) and the PLLA diol ( ⁇ , ⁇ -macrodiol).
  • the coupling reaction of the end group-functionalized macromonomers takes place from the melt at variable mass ratios of the segments, so that statistical multiblock copolymers are to be expected. It will be the influence of Composition and molecular weight on the thermal behavior and the crystalline properties studied, while the mechanical properties and shape memory behavior is not reported.
  • the dipole component with increased solubility and reactivity, in particular at low conversions, is intensified incorporated the multiblock copolymer.
  • the resulting non-uniformity of the chemical composition contributes to irregularities of the microstructure.
  • no homogeneous mixing of the two macromonomers A and B can be ensured, so that there are different concentration ratios of the components in the different partial volumes of the melt.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for producing a multi-block copolymer with shape memory, which leads with high reliability to an alternating sequence of blocks A and B or to a homogeneous distribution of sequence / nit narrow length distribution and thus produces polymer products which have an improved performance profile in terms of SM effect and mechanical properties.
  • This object is achieved by a process for producing an alternating multiblock copolymer with shape memory properties which has a structure consisting of the alternately successive macromonomers A and B, with the following steps:
  • end functionalization creates electrophilic and nucleophilic reaction centers so that an alternating "crossover coupling" is achieved by their reaction in the second process stage.
  • Targeted selection of the two end groups and the preparation of the correspondingly functionalized macromonomers A and B in step (a) can minimize reactivity differences of the macromonomers and preclude interfering influences on the homogeneity of the coupling steps in step (b).
  • the multiblock copolymer resulting from the process has a largely regular AB block structure in which the macromonomers A and B follow one another alternately according to the structure (AB) n . To achieve this, on the one hand, it has proved essential to have the strictest possible stoichiometry
  • step (b) to maintain the nucleophilic end group of the macromonomer A and the electrophilic end group of the macromonomer B in step (b), that is to set a molar ratio of the nucleophilic end group to the electrophilic end group of 1, with a maximum molar deviation of ⁇ 8 mol% still tolerable has been found.
  • the reliability of the process can be further increased if the molar deviation from the stoichiometric ratio is at most ⁇ 5 mol%, in particular at most ⁇ 3 mol%.
  • this measure ensures - unlike the implementation in melt - a homogeneous mixing of the reactants, so that ideally in each subvolume of the reaction mixture corresponding concentrations of the macromonomers A and B are present.
  • the number-average molecular weights M n of the end group-functionalized macromonomers A and B are matched as far as possible for their reaction in step (b).
  • a difference between the degrees of polymerization of the macromonomers A and B is set, which is at most 15%, in particular at most 10%, preferably at most 5%, based on the number-average degree of polymerization P n of the heavier macromonomer.
  • the resulting multiblock copolymer has thermally inducible shape memory properties, that is, it is capable of assuming at least a temporary shape as well as a permanent form depending on the temperature.
  • one of the blocks A or B of the switching segment determining block with defined thermal transition temperature and the other block of the hard segment determining block can store a shape in the "shape memory".
  • both blocks A and B can contribute to the construction of switching segment-forming phases that form mutually different transition temperatures, so that two temporary shapes are programmable in addition to the permanent shape.
  • switching segment is understood to mean a phase in the solid polymer whose structure is defined by the macromonomers A and B used in the synthesis.
  • the formation of a separate phase by phase separation in the solid is thus the basis for the formation of the typical material properties of the corresponding compound.
  • the polymer system as a whole has material properties that can be assigned to the respective blocks.
  • the switching temperatures for the thermally induced effect may in particular be glass transition or melting temperatures.
  • an advantageous embodiment of the invention provides that the number average molecular weight M n of the alternating multiblock copolymer in the range of 10,000 to 50,000 g / mol, in particular in the range of 20,000 to 40,000 g / mol, while the preferred weight average molecular weight M w of the alternating Multiblockcopolymers in the range of 40,000 to 80,000 g / mol, in particular in the range of 50,000 to 70,000 g / mol.
  • M n of the alternating multiblock copolymer in the range of 10,000 to 50,000 g / mol, in particular in the range of 20,000 to 40,000 g / mol
  • M w of the alternating Multiblockcopolymers in the range of 40,000 to 80,000 g / mol, in particular in the range of 50,000 to 70,000 g / mol.
  • higher molecular weights are necessary for achieving good mechanical properties and a highly reproducible SM effect.
  • the number average molecular weight M n is defined by Equation 1 and the weight average molecular weight M w by Equation 2, where M, the molecular weight of the polymer type i means n, the number of all produced polymers with the molecular weight M, and n the total number of polymers.
  • the switching temperatures of the alternating multiblock copolymers lie in a narrower temperature range than the statistical counterparts. This means a sharper and well-defined transition.
  • the polymers of the invention have an increased modulus of elasticity (modulus of elasticity) over the random polymers. In particular, on average, an E-modulus is achieved which is larger by one order of magnitude than in the case of the corresponding random multiblock copolymers at comparable elongation at break ( ⁇ max ⁇ 1000%).
  • a hydroxyl group is used in step 1 of the method as the nucleophilic end group, that is, the nucleophile end phenomenonfunktionalinstrumente macromonomer A is an ⁇ , ⁇ -diol.
  • the electrophilic end group can advantageously be used isocyanate group.
  • the electrophilic end group-functionalized macromonomer B is an ⁇ , ⁇ -diisocyanate.
  • isocyanates readily react with hydroxyl groups and on the other hand can be prepared in good yield from the commercially available .alpha.,. Omega.-diols.
  • isocyanates have comparable reactivities to hydroxyl groups, which, as already explained above, favors the construction of an alternating and homogeneous product structure.
  • the ⁇ , ⁇ -diisocyanate of the macromonomer B is particularly preferably provided in step 1 by reacting the corresponding ⁇ , ⁇ -diol of the macromonomer B with an isocyanate alkane.
  • the reaction can be carried out with a Diisocyanatalkan, for example, with 1, 6-diisocyanato-2,2,4-trimethylhexane or 1,6-diisocyanato-2,4,4-trimethylhexane (TMDI), a mixture of isomers of these or 1,6 - Diisocyanatohexane (HDI).
  • a molar ratio of isocyanate groups to hydroxyl groups of at least 20: 1, preferably at least 50: 1 is set.
  • one of the macromers A or B is a polyether of the formula II (poly (p-dioxanone), PPDO), the formula III (poly (ethylene oxide), PEO), the formula III (poly (tetrahydrofuran), PTHF), the formula V (poly (propylene oxide))) or a derivative of these, in which one or more of the hydrogen radicals of the methylene units (-CH 2 -) are replaced by unbranched or branched, saturated or unsaturated C 1 to C 6 radicals ,
  • the abovementioned macromers according to the formulas II to V generally function as switching segments ("soft segments") in the corresponding multiblock copolymers.
  • a polyester of the formula I, in particular PCL is used as a first macromonomer, and a polyether of the formula II, in particular PPDO, as a second macromonomer.
  • the PCL with the electrophilic end group can be functionalized on both sides, in particular with isocyanate groups ( ⁇ , ⁇ -PCL diisocyanate), and the PPDO with the nucleophilic end group, in particular with hydroxyl groups ( ⁇ , ⁇ -PPDO-diol).
  • ⁇ -PPD0 diisocyanate can be reacted with ⁇ , ⁇ -PCL diol.
  • a macromonomer of the formula I with n ⁇ 5 and a macromonomer of the formula I with n> 10 are converted to an alternating multiblock copolymer after the functionalization has taken place.
  • the macromonomer of the formula I with n ⁇ 5 is preferably provided with an electrophilic end group (in particular diisocyanate) and macromonomer of the formula I where n> 10, preferably with a nucleophilic end group (in particular diol).
  • a further aspect of the present invention relates to a multiblock copolymer which can be prepared by the process according to the invention and which has the described advantageous material properties.
  • FIG. 1 shows the chemical process steps for producing an alternating multiblock copolymer according to a first embodiment of the invention, in which the ⁇ , ⁇ -macrodiisocyanate of PCL is reacted with the ⁇ , ⁇ -macrodiol of PPDO;
  • Figure 2 shows the chemical process steps for producing an alternating multiblock copolymer according to a first embodiment of the invention, in which the ⁇ , ⁇ -macrodiisocyanate of PCL is reacted with the ⁇ , ⁇ -macrodiol of PPDO;
  • Figure 2 shows the chemical process steps for producing an alternating
  • a multiblock copolymer according to a second aspect of the invention wherein the ⁇ , ⁇ -macrodiisocyanate of PPDO is reacted with the ⁇ , ⁇ -macrodiol of PCL;
  • FIG. 3 shows FTIR spectra of PCL after different reaction times of the diisocyanation
  • FIG. 6 1 H-NMR spectrum of the alternating multiblock copolymer PCL-10K-bl
  • FIG. 7 1 H-NMR spectrum of the alternating multiblock copolymer PCL-2K-bl
  • FIG. 8 shows a stress-strain diagram of an alternating poly- (PCL-old)
  • Figure 9 shows time courses of the temperature and the elongation of an alternating
  • PCL poly ( ⁇ -caprolactone)
  • PPDO poly (p-dioxanone)
  • the synthesis takes place in two steps, the diisocyanation of one of the two macromonomer diols taking place in the first step, and the reaction of the ⁇ , ⁇ macrodiisocyanate thus produced with the ⁇ , ⁇ macrodiol of the other macromonomer by crossover Clutch.
  • the ⁇ , ⁇ -macrodiisocyanate of PCL can be reacted with the ⁇ , ⁇ -macrodiol of PPDO (Example 1) or the ⁇ , ⁇ -macro-diisocyanate of PPDO with the ⁇ , ⁇ -macrodiol of PCL (Example 2).
  • an ⁇ , ⁇ -diisocyanate alkane preferably 1,6-diisocyanato-2,4,4-trimethylhexane (TMDI)
  • TMDI 1,6-diisocyanato-2,4,4-trimethylhexane
  • the reaction can advantageously be supported catalytically by a suitable catalyst.
  • the diisocyanatizations of the .alpha.,. Omega.-macrodiols of PCL and PPDO necessitate an adaptation of the reaction instructions in order to obtain the desired reaction products because of the distinctly different solubility.
  • the crossover coupling in the second process stage of ⁇ , ⁇ -PCL diisocyanate and ⁇ , ⁇ -PPDO-diol (Example 1) or ⁇ , ⁇ -PPDO diisocyanate and ⁇ , ⁇ -PCL diol (Example 2) is under a stoichiometric (molar) ratio of the NCO and OH groups of the macromonomers used.
  • concentrations of the end groups are calculated assuming the fullest possible ⁇ , ⁇ -end functionalization of the macro-diisocyanates to be coupled from the number average molecular weight M n . Thereafter, an equimolar incorporation rate of the macromonomers is given in the multiblock copolymer.
  • Example 1 Preparation of a PCL-PPDO multiblock copolymer from the ⁇ , ⁇ -macro-diisocyanate of PCL and the ⁇ , ⁇ -macrodiol of PPDO
  • PCL-macrodiol with isocyanate end groups is carried out according to the reaction shown in Figure 1 (1st step).
  • TMDI 1, 6-diisocyanato-2,4,4-trimethylhexane
  • THF tetrahydrofuran
  • PCL macrodiol PCL 3.3 K: prepared from ⁇ -caprolactone from Sigma Aldrich, PCL 2K and PCL 1 OK from Sigma Aldrich
  • the concentration of TMDI in the template is adjusted so that there is a 50-fold molar excess of TMDI with respect to the PCL macrodiol with respect to the completed reaction mixture.
  • the reaction mixture is heated to about 60 0 C and stirred under argon atmosphere at this temperature over a period of 24-72 h. This is facilitated by the good solution behavior of PCL in THF - a temperature control, under which during the addition at low temperature, the reaction is suppressed and after increasing the temperature, a uniform reaction start. Subsequently, the PCL diisocyanate is precipitated from the solution, washed extensively, dried under vacuum to constant weight and stored cooled.
  • PCL macrodiols with molecular weights of 2,000 g / mol (PCL 2K), 3,300 g / mol (PCL 3.3K) and 10,000 g / mol (PCL 10K).
  • PCL 2K 1,3 g / mol
  • PCL 3.3K 3,300 g / mol
  • PCL 10K 10,000 g / mol
  • the products were subjected to comprehensive analysis of FTIR spectroscopy, 1 H NMR spectroscopy, gel permeation chromatography (GPC) and differential scanning calorimetry (DSC).
  • FIG. 3 The FTIR spectra recorded as a function of the reaction time are shown in FIG. 3, while FIG. 4 shows as reference the FTIR spectra of PCL macrodiol (PCL 1 R), and PCL macro diisocyanate (PCL 1 R-NCO) and TMDI.
  • PCL 1 R PCL macrodiol
  • PCL 1 R-NCO PCL macro diisocyanate
  • TMDI TMDI
  • the reaction mixture and the polymer solution is maintained at about 70 0 C to keep the PPDO-diol in solution.
  • concentration of TMDI in the template is adjusted so that there is a 50-fold molar excess of TMDI over the PPDO macrodiol with respect to the completed reaction mixture.
  • the reaction mixture is stirred at about 70 0 C under an argon atmosphere over a period of 48 h.
  • the self-adjusting turbidity of the solution persists throughout the reaction time.
  • the PPDO diisocyanate is precipitated from the solution, washed extensively, dried under vacuum to constant weight and stored refrigerated.
  • the products were subjected to comprehensive analysis of FTIR spectroscopy, 1 H NMR spectroscopy, gel permeation chromatography (GPC) and differential scanning calorimetry (DSC).
  • the "crossover coupling" of the two macromers is carried out under strict equimolarity of the end group concentration of the two reactants and the molecular weights M n of the PCL macrodiisocyanates used are adjusted.
  • the second reaction step of the crossover coupling of the ⁇ , ⁇ -PPDO diisocyanate with the ⁇ , ⁇ -PCL diol shown in FIG. 2 (2nd step) is catalyzed with a suitable catalyst.
  • a suitable catalyst for this purpose, the dissolved in DCE ⁇ , ⁇ -PPDO diisocyanate is heated to 70 ° C under argon atmosphere and stirring. This is followed by the dropwise addition of dissolved in DCE ⁇ , ⁇ -PCL diol.
  • 20% by weight PCL and 10% by weight PPDO solutions are used for this reaction.
  • the reaction takes place at 70 0 C over a period of from 24 h.
  • the product with anhydrous and cooled to -30 0 C di- ethyl ether is precipitated and dried to constant weight.
  • reaction products were characterized chemically by means of 1 H-NMR spectroscopic analysis (FIGS. 6 and 7), thermally by means of DSC (Table 2), mechanically by means of tensile strain measurements and the shape memory properties by means of cyclic, thermo-mechanical investigations (FIGS. 8 and 9). characterized.
  • PCL (mol%) PCL, dd / (PCL, dd + PPDO, dd).
  • PCL-1 OK-bl-PPDO-1.5K (FIG. 6)
  • a PCL fraction of 84.5 mol% and for PCL-2K-bl-PPDO-1.5K (FIG. 7) of 53.5 mol% % determined.
  • Table 2 shows the enthalpies ⁇ H determined in DSC measurements on selected poly (PCL-old-PPDO) multiblock copolymers according to the present invention of different composition. It can be stated that there is a significant dependence of the enthalpy of fusion on the crystalline parts of the PCL as well as the PPDO block segment. In particular, an approach of the enthalpies of fusion of the PCL segment to the enthalpy of fusion of the pure PCL-10K macrodiol as a reference sample can be observed with increasing PCL content. Analogously, this applies to the enthalpies of fusion of the PPDO-1, 5K segment.
  • the elastically beginning, visco-elastic stretching region A shows a significant increase in stress at low elongation of up to 10%.
  • area B which extends to an elongation of about 200%, occurs purely plastic strain (so-called "necking behavior"), wherein the material "flows" without voltage increase.
  • the subsequent third region C which extends to an elongation of about 1000%, is characterized by the proportionality between stress and strain.
  • the sample annealed at 55 ° C. for 48 h exhibits viscoelastic deformation in the initial range up to about 200% elongation, while in the further course up to 1000% elongation an analogous behavior to that of the untempered sample is observed.
  • the maximum tensile strength ⁇ max , the maximum elongation ⁇ max and the modulus of elasticity decrease with increasing temperature.
  • the comparison of the thermomechanical characteristics of the alternating poly (PCL-old-PPDO) multiblock copolymers prepared according to the invention with the statistical variants of comparable composition also shows that the former have comparable values for ⁇ max and ⁇ max at lower molecular weights.
  • the alternating multiblock copolymers have distinctly higher moduli of elasticity than their statistical reference patterns, which indicates an influence on the materials produced according to the invention by the formation of a molecular superstructure.
  • the quantities for quantifying the SM behavior can be determined.
  • the elongation fixing ratio R f is determined from the ratio of the elongation of the fixed sample and the real maximum elongation ⁇ m applied for fixing.
  • the average of the cycles in Figure 9 is R f (1-3) 96%.
  • the strain recovery ratio R r of the Nth cycle can be calculated from ⁇ m and the strain after recovery in the previous (N-1) th cycle. Thereafter, the Rr values for the three described cycles R r (1) are 84%, R r (2) 98% and R r (3) 99%. Table 3:

Abstract

The invention relates to a method for the production of an alternating multi-block copolymer with shape memory whose structure is composed of the macromonomers A and B alternating in succession, using the steps of (a) provision of the macromonomer A having bilateral functionalization using a nucleophilic end group and provision of the macromonomer B having bilateral functionalization using an electrophilic end group and (b) reaction of the nucelophilically end-group-functionalized macromonomer A with the electrophilically end-group-functionalized macromonomer B in solution, where a stoichiometric ratio of the nucleophilic end group with respect to the electrophilic end group is established, in such a way that any molar deviation from the stoichiometric ratio is at most ± 8 mol%. The invention further encompasses an alternating multi-block copolymer which can be prepared by the method claimed.

Description

Verfahren zur Herstellung eines alternierenden Multiblockcopolymers mit Formgedächtnis Process for the preparation of an alternating multiblock copolymer with shape memory
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formgedächtnispolymers, das - neben einer permanenten Form - mindestens eine temporäre Form speichern kann. Das Polymer ist ein alternierendes Multiblockcopolymer, das eine aus den alternierend aufeinanderfolgen Makromonomeren A und B bestehende Struktur aufweist.The invention relates to a method for producing a shape memory polymer, which - in addition to a permanent mold - can store at least one temporary shape. The polymer is an alternating multiblock copolymer having a structure consisting of the alternating successive macromonomers A and B.
Im Stand der Technik sind so genannte Formgedächtnispolymere oder SMPs (shape memory polymers) bekannt, die bei Induktion durch einen geeigneten Stimulus einen Formübergang von einer temporären Form in eine permanente Form entsprechend einer vorherigen Programmierung zeigen. Am häufigsten ist dieser Formgedächtniseffekt thermisch stimuliert, das heißt, bei Erwärmung des programmierten Polymermaterials über die definierte Übergangstemperatur findet die durch Entropieelastizität angetriebene Rückstellung statt. Formgedächtnispolymere sind in der Regel Polymernetzwerke, bei denen chemische (kovalente) oder physikalische (nicht kovalente) Vernetzungsstellen die permanente Form bestimmen. Die Programmierung erfolgt, indem oberhalb der Übergangstemperatur eines Schaltsegmentes das Polymermaterial deformiert und anschließend unter Aufrechterhaltung der Deformationskräfte unter diese Temperatur abgekühlt wird, um die temporäre Form zu fixieren. Erneute Erwärmung oberhalb der Übergangstemperatur führt zu einem Phasenübergang der das Schaltsegment bestimmenden Phase und Wiederherstellung der ursprünglichen permanenten Form.In the prior art so-called shape memory polymers or SMPs (shape memory polymers) are known which, when induced by a suitable stimulus, show a shape transition from a temporary shape to a permanent shape according to a prior programming. Most often, this shape memory effect is thermally stimulated, that is, when the programmed polymer material is heated above the defined transition temperature, the return driven by entropy elasticity takes place. Shape memory polymers are typically polymer networks in which chemical (covalent) or physical (noncovalent) crosslinks determine the permanent shape. The programming is carried out by deforming the polymer material above the transition temperature of a switching segment and then cooling it down while maintaining the deformation forces under this temperature in order to fix the temporary shape. Reheating above the transition temperature results in a phase transition of the switching segment defining phase and restoration of the original permanent shape.
Formgedächtnispolymere sind in der Regel statistische Multiblockcopolymere, die zumeist aus zwei thermodynamisch unverträglichen Segmenten (Makromonomeren A und B) aufgebaut sind. Dabei müssen die Blöcke A und B jeweils ein Mindestmolekulargewicht und einen Mindestanteil aufweisen, so dass eine Phasenseparation der Blöcke im Polymer gewährleistet ist. Statistische Multiblockcopolymere bilden physikalische Vernetzungsstellen aus. Die dafür verantwortliche Phase wird als Hartsegment bezeichnet und verfügt über die höchste thermische Übergangstemperatur TtransA im System. Die Phase mit der nächst niedrigeren thermischen Übergangstemperatur Ttrans B ist die das Schaltsegment bestimmen- de Phase und ist für das Schalten des thermisch induzierten Formgedächtniseffekts mit der Schalttemperatur TSChait
Figure imgf000004_0001
B) verantwortlich.
Shape memory polymers are usually random multiblock copolymers, which are mostly composed of two thermodynamically incompatible segments (macromonomers A and B). The blocks A and B must each have a minimum molecular weight and a minimum proportion, so that a phase separation of the blocks in the polymer is ensured. Statistical multiblock copolymers form physical crosslinks. The responsible phase is called hard segment and has the highest thermal transition temperature T tran s A in the system. The phase with the next lower thermal transition temperature T tra ns B is that which determines the switching segment. de phase and is for switching the thermally induced shape memory effect with the switching temperature T SC hait
Figure imgf000004_0001
B) responsible.
Statistische Multiblockcopolymere werden durch Polyaddition oder Polykondensation der Makromonomere A und B hergestellt. Die chemische Struktur dieser Multiblockcopolymere ist im Allgemeinen durch eine statistische Abfolge der Makromonomere A und B gekennzeichnet. Daraus resultiert eine unterschiedliche Anzahl der Wiederholungseinheiten A und B innerhalb der Multiblöcke und somit eine heterogene Verteilung der jeweils miteinander gekoppelten Blöcke der gleichen Art (-A-A- oder -B-B-) oder anderen Art (-A-B-) (z.B. AABABBBAB). Demgegenüber werden (streng) alternierende Multiblockcopolymere unterschieden, die durch eine wechselweise Abfolge der Blöcke A und B gekennzeichnet sind und demzufolge die Struktur -(AB)n- aufweisen. Alternierende Multiblockcopolymere mit Formgedächtnis sind bislang nicht realisiert worden.Statistical multiblock copolymers are prepared by polyaddition or polycondensation of the macromonomers A and B. The chemical structure of these multiblock copolymers is generally characterized by a statistical sequence of the macromonomers A and B. This results in a different number of repeat units A and B within the multiblocks and thus a heterogeneous distribution of each coupled blocks of the same type (-AA- or -BB-) or other type (-AB-) (eg AABABBBAB). On the other hand, a distinction is made between (strictly) alternating multiblock copolymers, which are characterized by an alternating sequence of blocks A and B and accordingly have the structure - (AB) n -. Alternating multiblock copolymers with shape memory have not been realized so far.
In US 6,388,043 B1 (EP 1 062 278 A) und US 6,160,084 B (EP 156 487 A) werden Block- copolymere beschrieben, die aus zumindest zwei unterschiedlichen Segmenten (Blöcken) aufgebaut sind und zumindest zwei temporäre Formen in ihrem "Formgedächtnis" speichern können. Im speziellen Ausführungsbeispiel werden PDS-Makromonomere (Copolymer aus p-Dioxan-2-on- und Ethylenglycol-Monomere) und Poly-(ε-caprolacton)- Makromonomere (PCL) miteinander verknüpft. Die Kijpplungsreaktion zur Herstellung der Multiblockcopolymere erfolgt durch Reaktion der Makrodiole mit einem niedermolekularen Diisicyanat, das heißt über Diurethanbrücken, wodurch statistische Multiblockcopolymere entstehen.No. 6,388,043 B1 (EP 1 062 278 A) and US Pat. No. 6,160,084 B (EP 156 487 A) describe block copolymers which are composed of at least two different segments (blocks) and can store at least two temporary forms in their "shape memory" , In the specific embodiment, PDS macromonomers (copolymer of p-dioxan-2-one and ethylene glycol monomers) and poly (ε-caprolactone) macromonomers (PCL) are linked together. The Kijpplungsreaktion for the preparation of the multiblock copolymers is carried out by reaction of the macrodiols with a low molecular weight diisocyanate, that is on Diurethanbrücken, creating random multiblock copolymers.
Weitere statistische Multiblockcopolymere und deren Herstellungsverfahren sind etwa aus Lendlein & Langer (Science 296 (2002), 1673-1676), Lendlein & Kelch (Angew. Chem. 1 14 (2002), 2138-2162) und Cho et al. (J. Appl. Polym. Sei. 93 (2004), 2410-2415) bekannt.Other random multiblock copolymers and their methods of preparation are described, for example, by Lendlein & Langer (Science 296 (2002), 1673-1676), Lendlein & Kelch (Angew. Chem. 1 14 (2002), 2138-2162) and Cho et al. (J. Appl. Polym., 93 (2004), 2410-2415).
Von Teng et al. (J. Polymer Sei. 42, 2004, 5045-53) ist ein Multiblockcopolymer bekannt, das aus Poly-(ε-caprolacton)- und Poly-(L-Iactid)-Blöcken aufgebaut ist. Das Polymer wird aus dem PCL-Diisocynat (α,ω-Makrodiisocyanat) und dem PLLA-Diol (α,ω-Makrodiol) hergestellt. Die Kupplungsreaktion der endgruppenfunktionalisierten Makromonomere erfolgt aus der Schmelze bei variablen Massenverhältnissen der Segmente, so dass statistische Multiblockcopolymere zu erwarten sind. Es wird der Einfluss der Zusammensetzung und des Molekulargewichts auf das thermische Verhalten und die kristallinen Eigenschaften untersucht, während über die mechanischen Eigenschaften und ein Shape-Memory-Verhalten nicht berichtet wird.Teng et al. (J. Polymer Sci. 42, 2004, 5045-53) discloses a multiblock copolymer composed of poly (ε-caprolactone) and poly (L-lactide) blocks. The polymer is prepared from the PCL diisocyanate (α, ω-macrodiisocyanate) and the PLLA diol (α, ω-macrodiol). The coupling reaction of the end group-functionalized macromonomers takes place from the melt at variable mass ratios of the segments, so that statistical multiblock copolymers are to be expected. It will be the influence of Composition and molecular weight on the thermal behavior and the crystalline properties studied, while the mechanical properties and shape memory behavior is not reported.
Die bekannten Verfahren zur Herstellung von Multiblockcopolymeren weisen den Nachteil auf, dass der Einbau der Makromonomere A und B in die Polymerkette stets statistisch erfolgt, das heißt im Ergebnis zu statistischen Multiblockcopolymeren führen. Im Falle einer Synthese aus der Lösung kann nicht ausgeschlossen werden, dass aufgrund einer unterschiedlichen Löslichkeit der eingesetzten Makromonomere im verwendeten Lösungsmittel oder aufgrund von Reaktivitätsunterschieden die Einbaurate derselben in das Multiblock- copolymer variiert. Ursache hierfür ist vermutlich eine infolge einer unterschiedlichen Knäuelaufweitung mehr- oder weniger gute sterische Zugänglichkeit oder Unterschiede in der Aktivierung der miteinander konkurrierenden reaktiven Endgruppen der beiden Makromonomere A und B. Somit wird diejenige Dipolkomponente mit erhöhter Solubilität und Reaktivität, insbesondere bei niedrigen Umsätzen, verstärkt in das Multiblockcopolymer eingebaut. Die daraus resultierende Veruneinheitlichung der chemischen Zusammensetzung trägt zu Unregelmäßigkeiten der Mikrostruktur bei. Im Falle der Durchführung der Kupplungsreaktion in der Schmelze kann hingegen keine homogene Vermischung der beiden Makromonomere A und B gewährleistet werden, so dass in den verschiedenen Teilvolumina der Schmelze unterschiedliche Konzentrationsverhältnisse der Komponenten vorliegen.The known processes for the preparation of multiblock copolymers have the disadvantage that the incorporation of the macromonomers A and B into the polymer chain always takes place statistically, that is to say result in statistical multiblock copolymers. In the case of a synthesis from the solution, it can not be ruled out that due to a different solubility of the macromonomers used in the solvent used or due to reactivity differences, the rate of incorporation thereof into the multiblock copolymer varies. The reason for this is presumably a more or less good steric accessibility or differences in the activation of the competing reactive end groups of the two macromonomers A and B, as a result of different widening of the wedge. Thus, the dipole component with increased solubility and reactivity, in particular at low conversions, is intensified incorporated the multiblock copolymer. The resulting non-uniformity of the chemical composition contributes to irregularities of the microstructure. In the case of carrying out the coupling reaction in the melt, however, no homogeneous mixing of the two macromonomers A and B can be ensured, so that there are different concentration ratios of the components in the different partial volumes of the melt.
Nachteilig an den bekannten, zu statistischen Multiblockcopolymeren führenden Herstellungsverfahren ist ferner ihre mangelnde Reproduzierbarkeit. So kann zufallsbedingt die statistische Abfolge der Makromonomere A und B im Produkt selbst bei identischen Reaktionsansätzen differieren mit der Folge, dass die resultierenden thermomechanischen Eigenschaften des Polymers ebenfalls stark variieren und der Formgedächtniseffekt aufgrund der nicht regelmäßig ausgebildeten Mikrostruktur nicht programmiert und ausgelöst werden kann. Ferner wurde beobachtet, dass gute mechanische Eigenschaften und das Formgedächtnisverhalten nur dann erreicht werden, wenn das Multiblockcopolymer vergleichsweise hohe Molekulargewichte aufweist. Typischerweise sind in diesem Zusammenhang zahlenmittlere Molekulargewichte Mn von mindestens 30.000 g/mol und gewichtsmittlere Molekulargewichte Mw von mindestens 100.000 g/mol erforderlich. Diese erforder- liehen Molekulargewichte lassen sich bisher nur mit erheblichem verfahrenstechnischen Aufwand realisieren.Another disadvantage of the known production methods leading to random multiblock copolymers is their lack of reproducibility. Thus, randomly the statistical sequence of the macromonomers A and B in the product may differ even with identical reaction mixtures, with the result that the resulting thermomechanical properties of the polymer also vary widely and the shape memory effect due to the not regularly formed microstructure can not be programmed and triggered. Further, it has been observed that good mechanical properties and shape memory performance are achieved only when the multiblock copolymer has comparatively high molecular weights. Typically, number-average molecular weights M n of at least 30,000 g / mol and weight-average molecular weights M w of at least 100,000 g / mol are required in this connection. These required lent molecular weights can be realized so far only with considerable procedural effort.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Multi- blockcopolymers mit Formgedächtnis zu schaffen, das mit hoher Zuverlässigkeit zu einer alternierenden Abfolge der Blöcke A und B oder zu einer homogenen Verteilung der Abfolge/nit enger Längenverteilung führt und somit Polymerprodukte hervorbringt, die ein verbessertes Leistungsprofil hinsichtlich des SM-Effektes und der mechanischen Eigenschaften besitzen. Dabei ist insbesondere auch wichtig, dass die resultierenden Multi- blockcopolymere - ebenso wie ihre statistischen Vergleichsmuster - ein zur Ausbildung des SM-Effektes erforderliches Mindestmolekulargewicht erreichen.The invention is therefore based on the object to provide a method for producing a multi-block copolymer with shape memory, which leads with high reliability to an alternating sequence of blocks A and B or to a homogeneous distribution of sequence / nit narrow length distribution and thus produces polymer products which have an improved performance profile in terms of SM effect and mechanical properties. In this case, it is also important in particular that the resulting multiblock copolymers - as well as their statistical comparison samples - achieve a minimum molecular weight required for the formation of the SM effect.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines alternierenden Multi- blockcopolymers mit Formgedächtniseigenschaften, das eine aus den alternierend aufeinanderfolgen Makromonomeren A und B bestehende Struktur aufweist, mit den Schritten:This object is achieved by a process for producing an alternating multiblock copolymer with shape memory properties which has a structure consisting of the alternately successive macromonomers A and B, with the following steps:
(a) Bereitstellung des Makromonomers A mit einer beidseitigen Funktionalisierung mit einer nukleophilen Endgruppe und Bereitstellung des Makromonomers B mit einer beidseitigen Funktionalisierung mit einer elektrophilen Endgruppe und(A) providing the macromonomer A with a two-sided functionalization with a nucleophilic end group and providing the macromonomer B with a bilateral functionalization with an electrophilic end group and
(b) Umsetzung des nukleophil endgruppenfunktionalisierten Makromonomers A mit dem elektrophil endgruppenfunktionalisierten Makromonomer B in Lösung, wobei ein stö- chiometrisches Verhältnis der nukleophilen Endgruppe zu der elektrophilen Endgruppe eingestellt wird derart, dass eine molare Abweichung vom stöchio- metrischen Verhältnis minimiert wird, insbesondere höchstens ± 8 mol-% beträgt.(b) Reaction of the nucleophile end-group-functionalized macromonomer A with the electrophile-endgroup-functionalized macromonomer B in solution, adjusting a stoichiometric ratio of the nucleophilic end group to the electrophilic end group such that a molar deviation from the stoichiometric ratio is minimized, in particular at most ± 8 mol%.
In der ersten Verfahrensstufe werden demnach durch Endgruppenfunktionalisierung elek- trophile und nukleophile Reaktionszentren geschaffen, so dass durch deren Umsetzung in der zweiten Verfahrensstufe eine alternierende "Crossover-Kupplung" erreicht wird. Durch gezielte Auswahl der beiden Endgruppen und die Herstellung der entsprechend funktionali- sierten Makromonomere A und B in Schritt (a) können Reaktivitätsunterschiede der Makromonomere minimiert und störende Einflüsse auf die Homogenität der Kupplungsschritte in Schritt (b) ausgeschlossen werden. Das aus dem Verfahren resultierende Multiblockcopoly- mer weist eine weitgehend regelmäßige A-B-Blockstruktur auf, in der die Makromonomere A und B gemäß der Struktur (AB)n alternierend aufeinanderfolgen. Um dies zu erreichen, hat sich einerseits als essentiell herausgestellt, eine möglichst strenge Stöchiometrie derIn the first process stage, therefore, end functionalization creates electrophilic and nucleophilic reaction centers so that an alternating "crossover coupling" is achieved by their reaction in the second process stage. Targeted selection of the two end groups and the preparation of the correspondingly functionalized macromonomers A and B in step (a) can minimize reactivity differences of the macromonomers and preclude interfering influences on the homogeneity of the coupling steps in step (b). The multiblock copolymer resulting from the process has a largely regular AB block structure in which the macromonomers A and B follow one another alternately according to the structure (AB) n . To achieve this, on the one hand, it has proved essential to have the strictest possible stoichiometry
- A - nukleophilen Endgruppe des Makromonomers A und der elektrophilen Endgruppe des Makromonomers B in Schritt (b) einzuhalten, das heißt ein Mol-Verhältnis der nukleophilen Endgruppe zu der elektrophilen Endgruppe von 1 einzustellen, wobei sich eine maximale molare Abweichung von ± 8 mol-% als noch tolerierbar herausgestellt hat. Die Zuverlässigkeit des Verfahrens kann noch weiter gesteigert werden, wenn die molare Abweichung vom stöchiometrischen Verhältnis höchstens ± 5 mol-%, insbesondere höchstens ± 3 mol-% beträgt. Des Weiteren ist wichtig, die Kupplungsreaktion im Schritt (b) in Lösung durchzuführen. Zusammen mit der strengen Stöchiometrie gewährleistet diese Maßnahme - anders als die Durchführung in Schmelze - eine homogene Durchmischung der Reaktanden, so dass idealerweise in jedem Teilvolumen des Reaktionsansatzes übereinstimmende Konzentrationen der Makromonomere A und B vorliegen.- A - to maintain the nucleophilic end group of the macromonomer A and the electrophilic end group of the macromonomer B in step (b), that is to set a molar ratio of the nucleophilic end group to the electrophilic end group of 1, with a maximum molar deviation of ± 8 mol% still tolerable has been found. The reliability of the process can be further increased if the molar deviation from the stoichiometric ratio is at most ± 5 mol%, in particular at most ± 3 mol%. Furthermore, it is important to carry out the coupling reaction in step (b) in solution. Together with the strict stoichiometry, this measure ensures - unlike the implementation in melt - a homogeneous mixing of the reactants, so that ideally in each subvolume of the reaction mixture corresponding concentrations of the macromonomers A and B are present.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die zahlenmittleren Molekulargewichte Mn der endgruppenfunktionalisierten Makromonomere A und B für ihre Umsetzung in Schritt (b) möglichst weit aneinander angeglichen. Dabei wird eine Differenz zwischen den Polymerisationsgraden der Makromonomere A und B eingestellt, die höchstens 15 -%, insbesondere höchstens 10 %, vorzugsweise höchstens 5 -%, bezogen auf den zahlenmittleren Polymerisationsgrad Pn des schwereren Makromonomers beträgt. Diese Maßnahme bedingt zwei vorteilhafte Effekte. Erstens wird durch die Angleichung der Molekulargewichte erreicht, dass beide Endgruppenfunktionen eine ähnliche sterische Zugänglichkeit während der Umsetzung in Lösung in Schritt (b) aufweisen und die Segmentlängen im Produkt weitgehend übereinstimmen. Dadurch werden übereinstimmende Einbauraten der Makromonomere A und B in die Kette des entstehenden Multiblockcopolymers und somit eine weitere Unterstützung des alternierenden Aufbaus erzielt. Zweitens führt die Maßnahme zu ungefähr übereinstimmenden Kettensegmentlängen der Blöcke A und B im Produkt, was wiederum die Ausbildung einer homogenen, phasensegregierten Morphologie im Polymerprodukt begünstigt, welche die Grundlage für besonders vorteilhafte thermomecha- nische SM-Eigenschaften darstellen.According to a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention, the number-average molecular weights M n of the end group-functionalized macromonomers A and B are matched as far as possible for their reaction in step (b). In this case, a difference between the degrees of polymerization of the macromonomers A and B is set, which is at most 15%, in particular at most 10%, preferably at most 5%, based on the number-average degree of polymerization P n of the heavier macromonomer. This measure requires two advantageous effects. First, by aligning the molecular weights, it is achieved that both end group functions have similar steric accessibility during the reaction in solution in step (b) and the segment lengths in the product are broadly consistent. This results in consistent rates of incorporation of the macromonomers A and B into the chain of the resulting multiblock copolymer and thus further support for the alternate construction. Second, the approach results in approximately consistent chain segment lengths of blocks A and B in the product, which in turn favors the formation of a homogeneous, phase-segregated morphology in the polymer product that forms the basis for particularly advantageous SM thermomechanical properties.
Das resultierende Multiblockcopolymer weist thermisch induzierbare Formgedächtniseigenschaften auf, das heißt, es ist in der Lage, in Abhängigkeit von der Temperatur neben einer permanenten Form mindestens eine temporäre Form einzunehmen. Ist einer der Blöcke A oder B der das Schaltsegment bestimmende Block mit definierter thermischer Übergangs- temperatur und der andere Block der das Hartsegment bestimmende Block, lässt sich eine Form im "Formgedächtnis" speichern. Alternativ können jedoch auch beide Blöcke A und B zum Aufbau von Schaltsegment bildenden Phasen beitragen, die voneinander abweichende Übergangstemperaturen ausbilden, so dass neben der permanenten Form zwei temporäre Formen programmierbar sind. Dabei wird unter dem Begriff Schaltsegment eine Phase in dem festen Polymer verstanden, deren Aufbau durch die in der Synthese eingesetzten Makromonomere A und B definiert ist. Die Ausbildung einer eigenen Phase durch Phasenentmischung im Festkörper ist somit die Grundlage zur Ausbildung der typischen Materialeigenschaften der entsprechenden Verbindung. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Polymersystem als Ganzes Materialeigenschaften aufweist, die den jeweiligen Blöcken zugeordnet werden können. Bei den Schalttemperaturen für den thermisch induzierten Effekt kann es sich insbesondere um Glasübergangs- oder Schmelztemperaturen handeln.The resulting multiblock copolymer has thermally inducible shape memory properties, that is, it is capable of assuming at least a temporary shape as well as a permanent form depending on the temperature. Is one of the blocks A or B of the switching segment determining block with defined thermal transition temperature and the other block of the hard segment determining block, can store a shape in the "shape memory". Alternatively, however, both blocks A and B can contribute to the construction of switching segment-forming phases that form mutually different transition temperatures, so that two temporary shapes are programmable in addition to the permanent shape. The term switching segment is understood to mean a phase in the solid polymer whose structure is defined by the macromonomers A and B used in the synthesis. The formation of a separate phase by phase separation in the solid is thus the basis for the formation of the typical material properties of the corresponding compound. In this way it is achieved that the polymer system as a whole has material properties that can be assigned to the respective blocks. The switching temperatures for the thermally induced effect may in particular be glass transition or melting temperatures.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass durch die homogene Abfolge der Bausteine A und B Materialien erhalten werden, die aufgrund ihrer homogenen Mikrostruktur sehr gute mechanische Eigenschaften und besonders gute Formgedächtniseigenschaften (Shape-Memory-Eigenschaften) aufweisen. Insbesondere überraschend war die Feststellung, dass verglichen mit den entsprechenden statistischen Pendants bereits relativ niedrige Molekulargewichte ausreichen, um überlegene mechanische Eigenschaften und definierte Formenübergänge zu realisieren. Entsprechend sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das zahlenmittlere Molekulargewicht Mn des alternierenden Multiblockcopolymers im Bereich von 10.000 bis 50.000 g/mol, insbesondere im Bereich von 20.000 bis 40.000 g/mol, liegt, während das bevorzugte gewichtsmittlere Molekulargewicht Mw des alternierenden Multiblockcopolymers im Bereich von 40.000 bis 80.000 g/mol, insbesondere im Bereich von 50.000 bis 70.000 g/mol, liegt. Demgegenüber sind bei den im Stand der Technik beschriebenen Multiblockcopolymeren höhere Molekulargewichte zur Erzielung von guten mechanischen Eigenschaften und eines gut reproduzierbaren SM-Effektes notwendig. Dabei ist das zahlenmittlere Molekulargewicht Mn definiert durch Gleichung 1 und das gewichtsmittlere Molekulargewicht Mw durch Gleichung 2, worin M, die Molmasse der Polymersorte i bedeutet, n, die Anzahl aller hergestellten Polymere mit der Molmasse M, und n die Gesamtanzahl der Polymere.In the context of the present invention, it has been found that, due to the homogeneous sequence of the components A and B, materials are obtained which, owing to their homogeneous microstructure, have very good mechanical properties and particularly good shape memory properties (shape memory properties). Particularly surprising was the finding that, compared with the corresponding statistical counterparts, relatively low molecular weights are already sufficient to realize superior mechanical properties and defined shape transitions. Accordingly, an advantageous embodiment of the invention provides that the number average molecular weight M n of the alternating multiblock copolymer in the range of 10,000 to 50,000 g / mol, in particular in the range of 20,000 to 40,000 g / mol, while the preferred weight average molecular weight M w of the alternating Multiblockcopolymers in the range of 40,000 to 80,000 g / mol, in particular in the range of 50,000 to 70,000 g / mol. In contrast, in the multiblock copolymers described in the prior art, higher molecular weights are necessary for achieving good mechanical properties and a highly reproducible SM effect. Here, the number average molecular weight M n is defined by Equation 1 and the weight average molecular weight M w by Equation 2, where M, the molecular weight of the polymer type i means n, the number of all produced polymers with the molecular weight M, and n the total number of polymers.
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Als weiterhin vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass die Schalttemperaturen der alternierenden Multiblockcopolymere, das heißt die Übergangstemperaturen des Phasenübergangs, in einem engeren Temperaturbereich gegenüber den statistischen Pendants liegen. Dies bedeutet einen schärferen und gut definierten Übergang. Auch weisen die erfindungsgemäßen Polymere ein erhöhtes Elastizitätsmodul (E-Modul) gegenüber den statistischen Polymeren auf. Insbesondere wird im Mittel ein E-Modul erreicht, das um eine Größenordnung größer ist als bei den entsprechenden statistischen Multiblockcopolymeren bei vergleichbarer Bruchdehnung (εmax~ 1000 %).
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As further advantageous, it has been found that the switching temperatures of the alternating multiblock copolymers, that is, the transition temperatures of the phase transition, lie in a narrower temperature range than the statistical counterparts. This means a sharper and well-defined transition. Also, the polymers of the invention have an increased modulus of elasticity (modulus of elasticity) over the random polymers. In particular, on average, an E-modulus is achieved which is larger by one order of magnitude than in the case of the corresponding random multiblock copolymers at comparable elongation at break (ε max ~ 1000%).
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird in Schritt 1 des Verfahrens als nukleophile Endgruppe eine Hydroxylgruppe eingesetzt, das heißt das nukleophil endgruppenfunktionalisierte Makromonomer A ist ein α,ω-Diol. Dies hat den Vorteil, dass viele Makromonomere, die potentiell als Blöcke in Multiblockcopolymere mit Formgedächtnis eingesetzt werden können, kommerziell als α,ω-Diol erhältlich sind.According to a further preferred embodiment of the invention, a hydroxyl group is used in step 1 of the method as the nucleophilic end group, that is, the nucleophile endgruppenfunktionalisierte macromonomer A is an α, ω-diol. This has the advantage that many macromonomers that can potentially be used as blocks in multiblock copolymers with shape memory are commercially available as α, ω-diol.
Als elektrophile Endgruppe kann mit Vorteil eine Isocyanatgruppe eingesetzt werden. In diesem Fall ist das elektrophil endgruppenfunktionalisierte Makromonomer B ein α,ω-Diisocya- nat. Isocyanate regieren einerseits gut mit Hydroxylgruppen und lassen sich andererseits mit guter Ausbeute aus den kommerziell erhältlichen α,ω-Diolen herstellen. Zudem weisen Isocyanate vergleichbare Reaktivitäten auf wie Hydroxylgruppen, was - wie bereits oben ausgeführt wurde - den Aufbau eines alternierenden und homogenen Produktaufbaus begünstigt. Besonders bevorzugt wird das α,ω-Diisocyanat des Makromonomers B in Schritt 1 durch Umsetzung des entsprechenden α,ω-Diols des Makromonomers B mit einem Isocyanatalkan bereitgestellt. Insbesondere kann die Reaktion mit einem Diisocyanatalkan erfolgen, beispielsweise mit 1 ,6-Diisocyanato-2,2,4-trimethylhexan oder 1 ,6-Diisocyanato- 2,4,4-trimethylhexan (TMDI), einem Isomerengemisch von diesen oder 1 ,6- Diisocyanatohexan (HDI). Um eine möglichst quantitative Umsetzung der Hydroxylgruppen mit dem Isocyanat zu erzielen, wird mit Vorteil ein Überschuss von Isocyanatgruppen gegenüber Hydroxylguppen vorgelegt. Insbesondere wird ein molares Verhältnis von Isocyanatgruppen zu Hydroxylguppen von zumindest 20 : 1 , vorzugsweise von zumindest 50 : 1 eingestellt. Eine spezielle Ausführung der Erfindung sieht vor, dass eines der Makromonomere A oder B ein Polyester der allgemeinen Formel I mit n = 1...14 oder ein Co-Polyester mit unterschiedlichen n oder ein Derivat von diesen ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfassen Derivate des Polyesters nach Formel I Strukturen, in denen einer oder mehrere der Wasserstoffreste der Methyleneinheiten (-CH2-) durch unverzweigte oder verzweigte, gesättigte oder ungesättigte C1- bis C14-Reste ausgetauscht sind. Entscheidend bei der Auswahl der Substituenten im angegebenen Rahmen ist, dass die Ausbildung einer eigenen Phase der Schaltsegmente durch Kristallisation nicht verhindert wird. Besonders bevorzugt kann ein Poly(ε-caprolacton) (PCL) eingesetzt werden, das heißt ein Polyester der allgemeinen Formel I mit n = 5, oder ein Poly(pentadekalacton), das heißt ein Polyester der allgemeinen Formel I mit n = 14.As the electrophilic end group can advantageously be used isocyanate group. In this case, the electrophilic end group-functionalized macromonomer B is an α, ω-diisocyanate. On the one hand, isocyanates readily react with hydroxyl groups and on the other hand can be prepared in good yield from the commercially available .alpha.,. Omega.-diols. In addition, isocyanates have comparable reactivities to hydroxyl groups, which, as already explained above, favors the construction of an alternating and homogeneous product structure. The α, ω-diisocyanate of the macromonomer B is particularly preferably provided in step 1 by reacting the corresponding α, ω-diol of the macromonomer B with an isocyanate alkane. In particular, the reaction can be carried out with a Diisocyanatalkan, for example, with 1, 6-diisocyanato-2,2,4-trimethylhexane or 1,6-diisocyanato-2,4,4-trimethylhexane (TMDI), a mixture of isomers of these or 1,6 - Diisocyanatohexane (HDI). In order to achieve the most quantitative possible reaction of the hydroxyl groups with the isocyanate, an excess of isocyanate groups with respect to hydroxyl groups is advantageously presented. In particular, a molar ratio of isocyanate groups to hydroxyl groups of at least 20: 1, preferably at least 50: 1 is set. A specific embodiment of the invention provides that one of the macromonomers A or B is a polyester of the general formula I where n = 1 ... 14 or a co-polyester with different n or a derivative of these. In the context of the present invention include derivatives of the polyester of Formula I structures in which one or more of the hydrogen radicals of the methylene units (-CH 2 -) are replaced by straight or branched, saturated or unsaturated C1 to C14 radicals. Crucial in the selection of the substituents in the specified framework is that the formation of a separate phase of the switching segments is not prevented by crystallization. Particular preference is given to using a poly (ε-caprolactone) (PCL), ie a polyester of the general formula I where n = 5, or a poly (pentadecactone), ie a polyester of the general formula I where n = 14.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist eines der Makromere A oder B ein Polyether der Formel Il (Poly(p-dioxanon), PPDO), der Formel III (Poly(ethylenoxid), PEO), der Formel III (Poly(tetrahydrofuran), PTHF), der Formel V (Poly(propylenoxid))) oder ein Derivat von diesen, in welchem einer oder mehrere der Wasserstoffreste der Methyleneinheiten (-CH2-) durch unverzweigte oder verzweigte, gesättigte oder ungesättigte C1- bis C6-Reste ausgetauscht sind. Bevorzugt wird jedoch ein unsubstituiertes Polymer der Formel Il eingesetzt, das heißt Poly-(p-dioxanon) (PPDO). Die vorgenannten Makromere nach den Formeln Il bis V fungieren in der Regel als Schaltsegmente ("Weichsegemente") in den entsprechenden Multiblockcopolymeren.In a further advantageous embodiment of the invention, one of the macromers A or B is a polyether of the formula II (poly (p-dioxanone), PPDO), the formula III (poly (ethylene oxide), PEO), the formula III (poly (tetrahydrofuran), PTHF), the formula V (poly (propylene oxide))) or a derivative of these, in which one or more of the hydrogen radicals of the methylene units (-CH 2 -) are replaced by unbranched or branched, saturated or unsaturated C 1 to C 6 radicals , However, preference is given to using an unsubstituted polymer of the formula II, that is to say poly (p-dioxanone) (PPDO). The abovementioned macromers according to the formulas II to V generally function as switching segments ("soft segments") in the corresponding multiblock copolymers.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird als ein erstes Makromonomer ein Polyester der Formel I eingesetzt, insbesondere PCL, und als ein zweites Makromonomer ein Polyether der Formel II, insbesondere PPDO. Dabei kann das PCL mit der elektrophilen Endgruppe beidseitig funktionalisiert sein, insbesondere mit Isocyanatgruppen (α,ω-PCL-Di- isocyanat), und das PPDO mit der nukleophilen Endgruppe, insbesondere mit Hydroxylgruppen (α,ω-PPDO-Diol). Ebenso kann jedoch im zweiten Verfahrensschritt α,ω-PPD0- Diisocyanat mit α,ω-PCL-Diol umgesetzt werden.According to a particularly advantageous embodiment, a polyester of the formula I, in particular PCL, is used as a first macromonomer, and a polyether of the formula II, in particular PPDO, as a second macromonomer. In this case, the PCL with the electrophilic end group can be functionalized on both sides, in particular with isocyanate groups (α, ω-PCL diisocyanate), and the PPDO with the nucleophilic end group, in particular with hydroxyl groups (α, ω-PPDO-diol). Likewise, however, in the second process step α, ω-PPD0 diisocyanate can be reacted with α, ω-PCL diol.
Nach einer alternativen Ausgestaltung wird ein Makromonomer der Formel I mit n < 5 und ein Makromonomer der Formel I mit n > 10 zu einem alternierenden Multiblockcopolymer nach erfolgter Funktionalisierung umgesetzt. Dabei wird das Makromonomer der Formel I mit n < 5 bevorzugt mit einer elektrophilen Endgruppe (insbesondere Diisocyanat) und Makromonomer der Formel I mit n > 10 bevorzugt mit einer nukleophilen Endgruppe (insbesondere Diol) versehen.According to an alternative embodiment, a macromonomer of the formula I with n <5 and a macromonomer of the formula I with n> 10 are converted to an alternating multiblock copolymer after the functionalization has taken place. In this case, the macromonomer of the formula I with n <5 is preferably provided with an electrophilic end group (in particular diisocyanate) and macromonomer of the formula I where n> 10, preferably with a nucleophilic end group (in particular diol).
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbares Multiblockcopolymer, das die beschriebenen vorteilhaften Materialeigenschaften aufweist.A further aspect of the present invention relates to a multiblock copolymer which can be prepared by the process according to the invention and which has the described advantageous material properties.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 die chemischen Verfahrensschritte zur Herstellung eines alternierenden Multiblockcopolymers nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher das α,ω-Makrodiisocyanat von PCL mit dem α,ω-Makrodiol von PPDO umgesetzt wird; Figur 2 die chemischen Verfahrensschritte zur Herstellung eines alternierenden1 shows the chemical process steps for producing an alternating multiblock copolymer according to a first embodiment of the invention, in which the α, ω-macrodiisocyanate of PCL is reacted with the α, ω-macrodiol of PPDO; Figure 2 shows the chemical process steps for producing an alternating
Multiblockcopolymers nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher das α,ω-Makrodiisocyanat von PPDO mit dem α,ω-Makrodiol von PCL umgesetzt wird;A multiblock copolymer according to a second aspect of the invention, wherein the α, ω-macrodiisocyanate of PPDO is reacted with the α, ω-macrodiol of PCL;
Figur 3 FTIR-Spektren von PCL nach verschiedenen Reaktionszeiten der Diiso- cyanatisierung;FIG. 3 shows FTIR spectra of PCL after different reaction times of the diisocyanation;
Figur 4 FTIR-Referenzspektren von α,ω-Diisocyanat funktionalisiertem PCL;Figure 4 FTIR reference spectra of α, ω-diisocyanate functionalized PCL;
Figur 5 1H-NMR-Spektren von PCL nach verschiedenen Reaktionszeiten derFigure 5 1 H-NMR spectra of PCL after different reaction times of
Diisocyanatisierung;Diisocyanatisierung;
Figur 6 1H-NMR-Spektrum des alternierenden Multiblockcopolymers PCL-10K-bl-FIG. 6: 1 H-NMR spectrum of the alternating multiblock copolymer PCL-10K-bl
PPDO-1.5K;PPDO-1.5K;
Figur 7 1H-NMR-Spektrum des alternierenden Multiblockcopolymers PCL-2K-bl-FIG. 7 1 H-NMR spectrum of the alternating multiblock copolymer PCL-2K-bl
PPDO-1.5K;PPDO-1.5K;
Figur 8 Spannungs-Dehunungsdiagramm eines alternierenden Poly-(PCL-alt-FIG. 8 shows a stress-strain diagram of an alternating poly- (PCL-old)
PPDO)-Multiblockcopolymers;PPDO) -Multiblockcopolymers;
Figur 9 zeitliche Verläufe der Temperatur und der Dehnung eines alternierendenFigure 9 shows time courses of the temperature and the elongation of an alternating
Poly-(PCL-alt-PPDO)-Multiblockcopolymers in einem zyklischen, thermo- mechanischen Experiment.Poly (PCL-old PPDO) multiblock copolymer in a cyclic, thermomechanical experiment.
Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung alternierender Multiblock- copolymeren mit Formgedächtnis soll nachfolgend am Beispiel eines Polyetherester-Multi- blockcopolymers aus den Makromonomeren Poly-(ε-caprolacton) (PCL) und Poly-(p- dioxanon) (PPDO) erläutert werde. In dieser Auswahl bestimmen PCL-Blöcke das Schaltsegment, das thermisch induziert einen Phasenübergang (Schmelzübergang) durchführt, und PPDO-Blöcke bestimmen infolge physikalischer Vernetzung das Hartsegment, das die höchste thermische Übergangstemperatur im Polymerprodukt aufweist. Erfindungsgemäß erfolgt die Synthese in zwei Schritten, wobei im ersten Schritt die Diiso- cyanatisierung eines der beiden Makromonomer-Diole erfolgt und im zweiten Schritt die Umsetzung des so hergestellten α,ω-Makrodiisocyanats mit dem α,ω-Makrodiol des anderen Makromonomers durch Crossover-Kupplung. Dabei kann das α,ω-Makrodiisocyanat von PCL mit dem α,ω-Makrodiol von PPDO umgesetzt werden (Beispiel 1 ) oder das α,ω-Makro- diisocyanat von PPDO mit dem α,ω-Makrodiol von PCL (Beispiel 2).The principle of the process according to the invention for the production of alternating multiblock copolymers with shape memory will be explained below using the example of a polyetherester multiblock copolymer from the macromonomers poly (ε-caprolactone) (PCL) and poly (p-dioxanone) (PPDO). In this selection, PCL blocks determine the switching segment that thermally induces a phase transition (melt transition), and PPDO blocks due to physical crosslinking determine the hard segment that has the highest thermal transition temperature in the polymer product. According to the invention, the synthesis takes place in two steps, the diisocyanation of one of the two macromonomer diols taking place in the first step, and the reaction of the α, ω macrodiisocyanate thus produced with the α, ω macrodiol of the other macromonomer by crossover Clutch. The α, ω-macrodiisocyanate of PCL can be reacted with the α, ω-macrodiol of PPDO (Example 1) or the α, ω-macro-diisocyanate of PPDO with the α, ω-macrodiol of PCL (Example 2).
Im Allgemeinen wird in der ersten Verfahrensstufe für die Endgruppenfunktionalisierung der α,ω-Makrodiole ein α,ω-Diisocyanatalkan, vorzugsweise 1 ,6-Diisocyanato-2,4,4-trimethyl- hexan (TMDI), eingesetzt. Zur Minimierung von Nebenreaktionen sowie zum Erreichen eines möglichst hohen Umsatzes und hohen Funktionalisierungsgraden mit Diisocyanatendgruppen werden hohe molare [NCO]/[OH]-Verhältnisse von 50 mol/mol (50- facher molarer Überschuss von NCO bezogen auf OH) für die in Lösung durchzuführende Reaktion vorgelegt und eine Lösung des Makrodiols unter Rühren zudosiert. Somit wird ein stabil hoher Überschuss an NCO-Gruppen gewährleistet. Die Reaktion kann vorteilhaft durch einen geeigneten Katalysator katalytisch unterstützt werden. Die Diisocyanatisierungen der α,ω-Makrodiole von PCL und PPDO erfordern aufgrund der deutlich unterschiedlichen Löslichkeit eine Anpassung der Reaktionsvorschrift, um die gewünschten Reaktionsprodukte zu erhalten.In general, in the first stage of the process for end-group functionalization of the α, ω-macrodiols, an α, ω-diisocyanate alkane, preferably 1,6-diisocyanato-2,4,4-trimethylhexane (TMDI), is used. To minimize side reactions and to achieve the highest possible conversion and high degrees of functionalization with Diisocyanatendgruppen be high molar [NCO] / [OH] ratios of 50 mol / mol (50-fold molar excess of NCO based on OH) for to be carried out in solution Submitted reaction and metered in a solution of the macrodiol with stirring. Thus, a stable high excess of NCO groups is ensured. The reaction can advantageously be supported catalytically by a suitable catalyst. The diisocyanatizations of the .alpha.,. Omega.-macrodiols of PCL and PPDO necessitate an adaptation of the reaction instructions in order to obtain the desired reaction products because of the distinctly different solubility.
Die Crossover-Kupplung in der zweiten Verfahrensstufe von α,ω-PCL-Diisocyanat und α,ω- PPDO-Diol (Beispiel 1 ) beziehungsweise α,ω-PPDO-Diisocyanat und α,ω-PCL-Diol (Beispiel 2) wird unter einem stöchiometrischen (molaren) Verhältnis der NCO- und OH-Gruppen der eingesetzten Makromonomere durchgeführt. Die Konzentrationen der Endgruppen werden unter Annahme einer möglichst vollständigen α,ω-Endfunktionalisierung der zu kuppelnden Makro-Diisocyanate aus dem Zahlenmittel des Molekulargewichts Mn berechnet. Danach ist eine äquimolare Einbaurate der Makromonomere in das Multiblockcopolymer gegeben. Im Gegensatz hierzu unterscheiden sich bei stark differierenden Molekulargewichten Mn der kuppelnden Makromonomere die Einbauraten signifikant, wobei das Makromonomer mit dem geringeren Molekulargewicht eine geringere Einbaurate erreicht mit der Folge, dass das Makromonomer mit dem höheren Molekulargewicht teilweise kumuliert im Produktpolymer auftritt. Dies führt zu einem Multiblockcopolymer mit statistischem Aufbau. Demgegenüber werden erfindungsgemäß zum Erzielen eines alternierenden Aufbaus mit einer 1 :1-Stöchiometrie im Produkt die zahlenmittleren Molekulargewichte Mn der Makromonomere weitmöglichst aneinander angeglichen. Die Kupplungsreaktion kann durch einen geeigneten Katalysator katalysiert werden.The crossover coupling in the second process stage of α, ω-PCL diisocyanate and α, ω-PPDO-diol (Example 1) or α, ω-PPDO diisocyanate and α, ω-PCL diol (Example 2) is under a stoichiometric (molar) ratio of the NCO and OH groups of the macromonomers used. The concentrations of the end groups are calculated assuming the fullest possible α, ω-end functionalization of the macro-diisocyanates to be coupled from the number average molecular weight M n . Thereafter, an equimolar incorporation rate of the macromonomers is given in the multiblock copolymer. In contrast, with widely differing molecular weights M n of the coupling macromonomers, incorporation rates differ significantly, with the lower molecular weight macromonomer achieving a lower incorporation rate, with the result that the higher molecular weight macromonomer appears partially cumulated in the product polymer. This leads to a multiblock copolymer with a statistical structure. In contrast, according to the invention to achieve an alternating structure with of a 1: 1 stoichiometry in the product, the number average molecular weights M n of the macromonomers match as closely as possible. The coupling reaction can be catalyzed by a suitable catalyst.
Beispiel 1 : Herstellung eines PCL-PPDO-Multiblockcopolymers aus dem α,ω-Makro- diisocyanat von PCL und dem α,ω-Makrodiol von PPDOExample 1: Preparation of a PCL-PPDO multiblock copolymer from the α, ω-macro-diisocyanate of PCL and the α, ω-macrodiol of PPDO
Verfahrensstufe 1 :Process stage 1:
Die Funktionalisierung von PCL-Makrodiol mit Isocyanatendgruppen erfolgt gemäß der in Figur 1 (1. Schritt) dargestellten Reaktion. Hierfür wird eine Lösung von 1 ,6-Diisocyanato- 2,4,4-trimethylhexan (TMDI) (Sigma Aldrich) in wasserfreiem Tetrahydrofuran (THF) unter Argonatmosphäre vorgelegt. Zu dieser Vorlage wird unter Rühren eine Lösung des PCL- Makrodiols (PCL 3,3K: hergestellt aus ε-Caprolacton von Sigma Aldrich; PCL 2K und PCL 1 OK von Sigma Aldrich) in wasserfreiem THF tropfenweise zudosiert. Während der Zudo- sierung wird der Reaktionsansatz sowie die Polymerlösung bei etwa 00C gehalten. Die Konzentration von TMDI in der Vorlage wird so eingestellt, dass bezüglich des komplettierten Reaktionsansatzes ein 50-facher molarer Überschuss von TMDI gegenüber dem PCL- Makrodiol vorliegt. Nach vollständiger Zugabe der Lösung des PCL-Makrodiols wird der Reaktionsansatz auf ca. 600C erwärmt und unter Argonatmosphäre bei dieser Temperatur über einen Zeitraum von 24-72 h gerührt. Damit wird - begünstigt durch das gute Lösungsverhalten von PCL in THF - eine Temperaturführung ermöglicht, unter der während der Zu- dosierung bei niedriger Temperatur die Reaktion unterdrückt bleibt und nach Erhöhung der Temperatur ein einheitlicher Reaktionsstart erfolgt. Anschließend wird das PCL-Diisocyanat aus der Lösung gefällt, ausgiebig gewaschen, unter Vakuum bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und gekühlt gelagert.The functionalization of PCL-macrodiol with isocyanate end groups is carried out according to the reaction shown in Figure 1 (1st step). For this purpose, a solution of 1, 6-diisocyanato-2,4,4-trimethylhexane (TMDI) (Sigma Aldrich) in anhydrous tetrahydrofuran (THF) is placed under an argon atmosphere. A solution of the PCL macrodiol (PCL 3.3 K: prepared from ε-caprolactone from Sigma Aldrich, PCL 2K and PCL 1 OK from Sigma Aldrich) in anhydrous THF is added dropwise to this template while stirring. During the addition of the reaction mixture and the polymer solution is kept at about 0 0 C. The concentration of TMDI in the template is adjusted so that there is a 50-fold molar excess of TMDI with respect to the PCL macrodiol with respect to the completed reaction mixture. After complete addition of the solution of PCL-macrodiol, the reaction mixture is heated to about 60 0 C and stirred under argon atmosphere at this temperature over a period of 24-72 h. This is facilitated by the good solution behavior of PCL in THF - a temperature control, under which during the addition at low temperature, the reaction is suppressed and after increasing the temperature, a uniform reaction start. Subsequently, the PCL diisocyanate is precipitated from the solution, washed extensively, dried under vacuum to constant weight and stored cooled.
Der vorstehend beschriebene Reaktion wurde in drei unterschiedlichen Ansätzen durchgeführt, bei denen PCL-Makrodiole mit Molekulargewichten con 2.000 g/mol (PCL 2K), 3.300 g/mol (PCL 3.3K) beziehungsweise 10.000 g/mol (PCL 10K) zum Einsatz kamen. Die Produkte wurden einer umfassenden Analytik der FTIR-Spektroskopie, 1H-NMR-Spek- troskopie, Gelpermeationschromatographie (GPC) und Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) unterzogen.The reaction described above was carried out in three different batches using PCL macrodiols with molecular weights of 2,000 g / mol (PCL 2K), 3,300 g / mol (PCL 3.3K) and 10,000 g / mol (PCL 10K). The products were subjected to comprehensive analysis of FTIR spectroscopy, 1 H NMR spectroscopy, gel permeation chromatography (GPC) and differential scanning calorimetry (DSC).
Die in Abhängigkeit von der Reaktionszeit aufgenommenen FTIR-Spektren sind in Figur 3 dargestellt, während Figur 4 als Referenz die FTIR-Spektren von PCL-Makrodiol (PCL 1 R), und PCL-Makrodiisocyanat (PCL 1 R-NCO) und TMDI zeigt. Die mit FTIR aufgenommenen Intensitäten der NCO-Streckschwingung bei 2270 cm"1 (Figur 3) zeigt, dass der Endumsatz nach ca. 48 h erreicht ist.The FTIR spectra recorded as a function of the reaction time are shown in FIG. 3, while FIG. 4 shows as reference the FTIR spectra of PCL macrodiol (PCL 1 R), and PCL macro diisocyanate (PCL 1 R-NCO) and TMDI. The recorded with FTIR Intensities of the NCO stretching vibration at 2270 cm -1 (FIG. 3) shows that the final conversion is reached after approx. 48 h.
Zur Bestimmung des Funktionalisierungsgrades mit Isocyanatgruppen wurde 1H-NMR-spek- troskopisch das Verhältnis des CH3-Signals von endständigen TMDI-Einheiten bei chemischen Verschiebungen von ca. 0,9 ppm und der charakteristischen CH2-Signale der funktio- nalisierten PCL-Blöcke bei ca. 2,3 ppm bestimmt (Figur 5). Bei dieser Bestimmung wurden Isocyanatendgruppen-Funktionalisierungsgrade von 70 bis 90 % ermittelt. Durch kombinierte Anwendung der GPC und 1H-NMR-Spektroskopie konnten als Nebenreaktion Kupplungsraten innerhalb eines engen Bereichs von 1 ,5 bis 3 Kupplungsschritten ermittelt werden, die auf ein Kuppeln von bereits gebildetem NCO-Makromer mit noch nicht umgesetztem Makrodiol trotz des hohen [NCO]/[OH]-Verhältnisses zurückgeführt werden können. Die Berücksichtigung der Anzahl der Kupplungsschritte auf die Auswertung der Signalintensitätsverhältnisse im 1H-NMR-Spektrum bei der Endgruppenanalyse führt zu einer nahezu vollständigen Diisocyanatisierungsrate.In order to determine the degree of functionalization with isocyanate groups, the ratio of the CH 3 signal of terminal TMDI units at chemical shifts of approximately 0.9 ppm and the characteristic CH 2 signals of the functionalized PCL was characterized by 1 H NMR spectroscopy. Blocks determined at about 2.3 ppm (Figure 5). In this determination, isocyanate end group functionalization levels of 70 to 90% were determined. By combined application of GPC and 1 H NMR spectroscopy, as a side reaction coupling rates could be determined within a narrow range of 1, 5 to 3 coupling steps, based on coupling of already formed NCO macromer with unreacted macrodiol despite the high [NCO ] / [OH] ratio can be attributed. The consideration of the number of coupling steps on the evaluation of the signal intensity ratios in the 1 H-NMR spectrum in the end group analysis leads to a nearly complete Diisocyanatisierungsrate.
Verfahrensstufe 2:Process level 2:
Die "Crossover-Kupplung" der beiden Makromere erfolgt unter strenger Äquimolarität der Endgruppenkonzentration der beiden Reaktionspartner. Daher resultiert zwangsläufig - im Unterschied zu den statistischen Multiblockcopolymeren - die durch das Zahlenmittel des Molekulargewichts Mn definierte alternierende Zusammensetzung des Multiblockcopolymers. Für die gezielte Einstellung der molaren Zusammensetzung an PCL- und PPDO-Makromonomereinheiten wird daher eine Anpassung der Molekulargewichte Mn der PPDO-Makrodiole an die Molekulargewichte Mn der verwendeten PCL- Makrodiisocyanate (hier: 10 K, 3.3 K und 2 K) gemäß Tabelle 1 vorgenommen, wobei vorliegend Grenzen durch die kommerzielle Verfügbarkeit der Makromonomere gesetzt sind. Da die Monomereinheiten unterschiedliche Molmassen aufweisen ([-PPDO-]: 102 g/mol; [-PCL-]: 1 14 g/mol) sind die in der Tabelle aufgeführten Molekulargewichte Mn von PPDO mit einem Faktor von 1 ,12 bis 1 ,14 zu multiplizieren, um zu den entsprechenden Molekulargewichte Mn von PCL zu gelangen.The "crossover coupling" of the two macromers occurs under strict equimolarity of the end group concentration of the two reactants. Therefore, unlike the random multiblock copolymers, the alternating composition of the multiblock copolymer as defined by the number average molecular weight M n inevitably results. For the targeted adjustment of the molar composition of PCL and PPDO macromonomer units, therefore, an adaptation of the molecular weights M n of the PPDO macrodiols to the molecular weights M n of the PCL macro diisocyanates used (here: 10 K, 3.3 K and 2 K) according to table 1, where present limits are set by the commercial availability of macromonomers. Since the monomer units have different molar masses ([-PPDO-]: 102 g / mol; [-PCL-]: 14 g / mol), the molecular weights M n of PPDO listed in the table are with a factor of 1.12 to 1 To multiply 14 to arrive at the corresponding molecular weights M n of PCL.
Tabelle 1Table 1
Molenbruch Anpassung Mn, PPDOMole fraction adjustment M n , PPDO
XPCL XPPDO Mn, PCL = 1 0 K Mn, PCL = 3.3 K Mn, PCL - 2 KXPCL XPPDO M n , PCL = 1 0 KM n, P C L = 3.3 KM n , PCL - 2 K
0,9 0,1 1.050 380 250 0.9 0.1 1050 380 250
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Im zweiten in Figur 1 (2. Schritt) dargestellten Reaktionsschritt der Crossover-Kupplung des α,ω-PCL-Diisocyanats mit dem α,ω-PPDO-Diol wird mit einem geeigneten Katalysator katalysiert. Dazu wird das in Dichlorethan (DCE) gelöste α,ω-PCL-Diisocyanat unter Argonatmosphäre und Rühren auf 700C erwärmt. Anschließend erfolgt die tropfenweise Zugabe von in DCE gelöstem α,ω-PPDO-Diol. In der Regel gelangen für diese Umsetzung 20 Gew.- %ige PCL- und 10 Gew.-%ige PPDO-Lösungen zum Einsatz. Die Reaktion erfolgt bei 700C über eine Zeit von 24 h. Anschließend wird das Produkt gefällt und bis zur Gewichtskonstanz getrocknet.In the second reaction step of the crossover coupling of the .alpha.,. Omega.-PCL diisocyanate with the .alpha.,. Omega.-PPDO diol shown in FIG. 1 (2nd step) is catalyzed with a suitable catalyst. For this purpose, the α, ω-PCL diisocyanate dissolved in dichloroethane (DCE) is heated to 70 ° C. under argon atmosphere and with stirring. This is followed by the dropwise addition of dissolved in DCE α, ω-PPDO-diol. As a rule, 20% by weight PCL and 10% by weight PPDO solutions are used for this reaction. The reaction is carried out at 70 0 C over a period of 24 h. The product is then precipitated and dried to constant weight.
Die Reaktionsprodukte wurden chemisch mittels 1H-NMR-spektroskopischer Analyse (Figuren 6 und 7), thermisch mittels der DSC (Tabelle 2) und mechanisch mittels Zugdehnungsmessung und auf Formgedächtniseigenschaften mittels zyklischer, thermodynamischer Untersuchungen (Figuren 8 und 9) charakterisiert. Die Ergebnisse werden weiter unten zusammen mit den Ergebnissen aus Beispiel 2 diskutiert.The reaction products were characterized chemically by 1 H-NMR spectroscopic analysis (Figures 6 and 7), thermally by DSC (Table 2) and mechanically by tensile strain measurement and shape memory properties by cyclic thermodynamic studies (Figures 8 and 9). The results are discussed below together with the results of Example 2.
Beispiel 2: Herstellung eines PCL-PPDO-Multiblockcopolymers aus dem α,ω-Makro- diisocvanat von PPDO und dem α,ω-Makrodiol von PCLExample 2 Preparation of a PCL-PPDO Multiblock Copolymer from the α, ω-macro-diisocyanate of PPDO and the α, ω-macrodiol of PCL
Verfahrensstufe 1 :Process stage 1:
Die Funktionalisierung von PPDO-Makrodiol mit Isocyanatendgruppen erfolgt gemäß der in Figur 2 (1. Schritt) dargestellten Reaktion. Gegenüber der Funktionalisierung von PCL (Beispiel 1 ) ist die homogene Umsetzung der PPDO-Makrodiole aufgrund ihrer geringen Löslichkeit deutlich erschwert und auf die Verwendung von DCE als Lösungsmittel unter erhöhten Temperaturen beschränkt. Es wird eine Lösung von TMDI in wasserfreiem DCE unter Argonatmosphäre vorgelegt. Zu dieser Vorlage wird unter Rühren eine Lösung des PPDO-Makrodiols (hergestellt aus p-Dioxanon von Boehringer-Ingelheim) in wasserfreiem DCE tropfenweise zudosiert. Während der Zudosierung wird der Reaktionsansatz sowie die Polymerlösung bei etwa 700C gehalten, um das PPDO-Diol in Lösung zu halten. Die Konzentration von TMDI in der Vorlage wird so eingestellt, dass bezüglich des komplettierten Reaktionsansatzes ein 50-facher molarer Überschuss von TMDI gegenüber dem PPDO- Makrodiol vorliegt. Nach vollständiger Zugabe der Lösung des PPDO-Makrodiols wird der Reaktionsansatz bei ca. 700C unter Argonatmosphäre über einen Zeitraum von 48 h gerührt. Die sich einstellende Trübung der Lösung bleibt über die gesamte Reaktionsdauer bestehen. Anschließend wird das PPDO-Diisocyanat aus der Lösung gefällt, ausgiebig gewaschen, unter Vakuum bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und gekühlt gelagert. Die Produkte wurden einer umfassenden Analytik der FTIR-Spektroskopie, 1H-NMR-Spek- troskopie, Gelpermeationschromatographie (GPC) und Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) unterzogen.The functionalization of PPDO-macrodiol with isocyanate end groups is carried out according to the reaction shown in Figure 2 (1st step). Compared with the functionalization of PCL (Example 1), the homogeneous reaction of the PPDO macrodiols is considerably more difficult due to their low solubility and limited to the use of DCE as a solvent under elevated temperatures. A solution of TMDI in anhydrous DCE is placed under an argon atmosphere. A solution of the PPDO macrodiol (prepared from p-dioxanone from Boehringer-Ingelheim) in anhydrous form is added to this initial charge with stirring DCE added dropwise. During the addition of the reaction mixture and the polymer solution is maintained at about 70 0 C to keep the PPDO-diol in solution. The concentration of TMDI in the template is adjusted so that there is a 50-fold molar excess of TMDI over the PPDO macrodiol with respect to the completed reaction mixture. After complete addition of the solution of PPDO macrodiol, the reaction mixture is stirred at about 70 0 C under an argon atmosphere over a period of 48 h. The self-adjusting turbidity of the solution persists throughout the reaction time. Subsequently, the PPDO diisocyanate is precipitated from the solution, washed extensively, dried under vacuum to constant weight and stored refrigerated. The products were subjected to comprehensive analysis of FTIR spectroscopy, 1 H NMR spectroscopy, gel permeation chromatography (GPC) and differential scanning calorimetry (DSC).
Die Bestimmung des Funktionalisierungsgrades mit Isocyanatendgruppen wurde analog Beispiel 1 vorgenommen. Durch kombinierte Anwendung der GPC und 1H-NMR-Spek- troskopie konnten dafür Kupplungsraten innerhalb eines engen Bereichs von 1 ,5 bis 3 Kupplungsschritten ermittelt werden. Die Berücksichtigung der Anzahl der Kupplungsschritte führt zu einer nahezu vollständigen Endgruppenfunktionalisierung. Eine derartige in der ersten Reaktionsstufe ablaufende Kupplung lässt sich aber auch gezielt nutzen, speziell im Fall von PPDO-Diolen mit in der Regel niedrigen Molekulargewichten von Mn<3.000 g/mol, um höhere Anteile dieser Komponente im alternierenden Multiblockco- polymer zu realisieren.The determination of the degree of functionalization with isocyanate end groups was carried out analogously to Example 1. Coupling rates within a narrow range of 1.5 to 3 coupling steps could be determined by combined application of GPC and 1 H NMR spectroscopy. The consideration of the number of coupling steps leads to an almost complete end-group functionalization. However, such a coupling occurring in the first reaction stage can also be used selectively, especially in the case of PPDO diols with generally low molecular weights of M n <3,000 g / mol, in order to realize higher proportions of this component in the alternating multiblock copolymer.
Verfahrensstufe 2:Process level 2:
Wie in Beispiel 1 wird die "Crossover-Kupplung" der beiden Makromere unter strenger Äqui- molarität der Endgruppenkonzentration der beiden Reaktionspartner durchgeführt und die Molekulargewichte Mn der verwendeten PCL-Makrodiisocyanate angeglichen.As in Example 1, the "crossover coupling" of the two macromers is carried out under strict equimolarity of the end group concentration of the two reactants and the molecular weights M n of the PCL macrodiisocyanates used are adjusted.
Der zweite in Figur 2 (2. Schritt) dargestellte Reaktionsschritt der Crossover-Kupplung des α,ω-PPDO-Diisocyanats mit dem α,ω-PCL-Diol wird mit einem geeigneten Katalysator katalysiert. Dazu wird das in DCE gelöste α,ω-PPDO-Diisocyanat unter Argonatmosphäre und Rühren auf 70°C erwärmt. Anschließend erfolgt die tropfenweise Zugabe von in DCE gelöstem α,ω-PCL-Diol. In der Regel gelangen für diese Umsetzung 20 Gew.-%ige PCL- und 10 Gew.-%ige PPDO-Lösungen zum Einsatz. Die Reaktion erfolgt bei 700C über eine Zeit von 24 h. Anschließend wird das Produkt mit wasserfreiem und auf -300C gekühltem Di- ethylether gefällt und bis zur Gewichtskonstanz getrocknet.The second reaction step of the crossover coupling of the α, ω-PPDO diisocyanate with the α, ω-PCL diol shown in FIG. 2 (2nd step) is catalyzed with a suitable catalyst. For this purpose, the dissolved in DCE α, ω-PPDO diisocyanate is heated to 70 ° C under argon atmosphere and stirring. This is followed by the dropwise addition of dissolved in DCE α, ω-PCL diol. As a rule, 20% by weight PCL and 10% by weight PPDO solutions are used for this reaction. The reaction takes place at 70 0 C over a period of from 24 h. The product with anhydrous and cooled to -30 0 C di- ethyl ether is precipitated and dried to constant weight.
Die Reaktionsprodukte wurden chemisch charakterisiert mittels 1H-NMR-spektroskopischer Analyse (Figuren 6 und 7), thermisch mittels der DSC (Tabelle 2), mechanisch mittels Zugdehnungsmessungen und die Formgedächtniseigenschaften mittels zyklischer, thermo-me- chanischer Untersuchungen (Figuren 8 und 9) charakterisiert.The reaction products were characterized chemically by means of 1 H-NMR spectroscopic analysis (FIGS. 6 and 7), thermally by means of DSC (Table 2), mechanically by means of tensile strain measurements and the shape memory properties by means of cyclic, thermo-mechanical investigations (FIGS. 8 and 9). characterized.
1H-NMR-spektroskopische Charakterisierung der alternierenden Multiblockcopolvmere Das 1H-NMR-Spektrum eines gemäß Beispiel 1 hergestellten Multiblockcopolymers PCL- 10K-bl-PPDO-1.5K ist in Figur 6 gezeigt, während Figur 7 das 1H-NMR-Spektrum eines ebenfalls gemäß Beispiel 1 hergestellten Multiblockcopolymers PCL-2K-bl-PPDO-1.5K darstellt. Der molare Anteil an PCL in den Multiblockcopolymeren wurde anhand der integralen Intensitäten der charakteristischen Dublett-Dublett-Signale von PCL (PCL,dd) bei etwa 4,05 ppm und von PPDO (PPDO, dd) bei etwa 3.8 oder 4.35 ppm gemäß der Gleichung 1 H-NMR spectroscopic characterization of the alternating multiblock copolymers The 1 H-NMR spectrum of a multiblock copolymer PCL-10K-bl-PPDO-1.5K prepared according to Example 1 is shown in FIG. 6, while FIG. 7 shows the 1 H-NMR spectrum of a also prepared according to Example 1 Multiblockcopolymers PCL-2K-bl-PPDO-1.5K. The molar fraction of PCL in the multiblock copolymers was determined to be about 4.05 ppm and PPDO (PPDO, dd) at about 3.8 or 4.35 ppm according to the integral intensities of the characteristic doublet doublet signals of PCL (PCL, dd) according to the equation
PCL(mol%)=PCL,dd / (PCL,dd + PPDO,dd) bestimmt. Für PCL-1 OK-bl-PPDO-1.5K (Figur 6) wurde ein PCL-Anteil von 84,5 mol-% und für PCL-2K-bl-PPDO-1.5K (Figur 7) von 53,5 mol-% ermittelt.PCL (mol%) = PCL, dd / (PCL, dd + PPDO, dd). For PCL-1 OK-bl-PPDO-1.5K (FIG. 6), a PCL fraction of 84.5 mol% and for PCL-2K-bl-PPDO-1.5K (FIG. 7) of 53.5 mol% % determined.
Thermomechanische Charakterisierung der alternierenden Multiblockcopolvmere Tabelle 2 zeigt die in DSC-Messungen an ausgewählten Poly-(PCL-alt-PPDO)-Multiblock- copolymeren gemäß der vorliegenden Erfindung unterschiedlicher Zusammensetzung bestimmten Schmelzenthalpien ΔH. Es lässt sich feststellen, dass eine signifikante Abhängigkeit der Schmelzenthalpie von den kristallinen Anteilen des PCL- als auch des PPDO-Block- segments vorliegt. Insbesondere ist mit zunehmenden PCL-Anteil eine Annäherung der Schmelzenthalpien des PCL-Segments an die Schmelzenthalpie des reinen PCL-10K- Makrodiols als Referenzprobe zu beobachten. Analog gilt dieses für die Schmelzenthalpien des PPDO-1 ,5K-Segments.Thermomechanical Characterization of Alternate Multiblock Copolymers Table 2 shows the enthalpies ΔH determined in DSC measurements on selected poly (PCL-old-PPDO) multiblock copolymers according to the present invention of different composition. It can be stated that there is a significant dependence of the enthalpy of fusion on the crystalline parts of the PCL as well as the PPDO block segment. In particular, an approach of the enthalpies of fusion of the PCL segment to the enthalpy of fusion of the pure PCL-10K macrodiol as a reference sample can be observed with increasing PCL content. Analogously, this applies to the enthalpies of fusion of the PPDO-1, 5K segment.
Tabelle 2Table 2
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Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm einer ungetemperten Probe eines Poly-(PCL-alt- PPDO)-Multiblockcopolymers (Mn = 23.600 g/mol; Mw = 52.400 g/mol; CPCL = 68,0 Gew.-%) ist in Figur 8 mit Kurve 1 dargestellt und durch drei Bereiche gekennzeichnet. Der elastisch beginnende, visko-elastische Dehnungsbereich A zeigt eine deutliche Spannungserhöhung bei geringer Dehnung bis zu 10 %. Im folgenden Bereich B, der sich bis zu einer Dehnung von etwa 200 % erstreckt, tritt rein-plastische Dehnung (so genanntes "Necking-Verhalten") auf, wobei das Material ohne Spannungserhöhung "fließt". Der sich anschließende dritte Bereich C, der sich bis zu einer Dehnung von etwa 1000 % erstreckt, ist durch Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung gekennzeichnet. Demgegenüber zeigt die bei 55°C über 48 h getemperte Probe (Kurve 2) im Anfangsbereich bis etwa 200 % Dehnung eine visko-elastische Verformung, während im weiteren Verlauf bis zu 1000 % Dehnung ein analoges Verhalten wie der ungetemperten Probe beobachtet wird.The stress-strain curve of an unannealed sample of a poly (PCL-old-PPDO) multiblock copolymer (M n = 23,600 g / mol; M w = 52,400 g / mol; C PCL = 68.0 wt%) shown in Figure 8 with curve 1 and characterized by three areas. The elastically beginning, visco-elastic stretching region A shows a significant increase in stress at low elongation of up to 10%. In the following area B, which extends to an elongation of about 200%, occurs purely plastic strain (so-called "necking behavior"), wherein the material "flows" without voltage increase. The subsequent third region C, which extends to an elongation of about 1000%, is characterized by the proportionality between stress and strain. In contrast, the sample annealed at 55 ° C. for 48 h (curve 2) exhibits viscoelastic deformation in the initial range up to about 200% elongation, while in the further course up to 1000% elongation an analogous behavior to that of the untempered sample is observed.
Die Werte für die maximale Zugfestigkeit σmax, die maximale Dehnung εmax sowie den E- Modul E wurden für die erfindungsgemäßen alternierenden Poly-(PCL-alt-PPDO)- Multiblockcopolymere aus Spannungs-Dehnungs-Untersuchungen gemäß Figur 8 bestimmt und vergleichsweise herangezogenen mechanischen Eigenschaften der entsprechenden statistischen Poly-(PCL-alt-PPDO)-Multiblockcopolymere (aus: Lendlein & Kelch: Clin. Hemorheol. Microcirc. 32 (2005), 105-1 16) gegenübergestellt. Die mechanischen Eigenschaften sind in Abhängigkeit von der Temperatur (T = 200C, 37°C und 500C) in Tabelle 2 zusammengestellt. Es zeigt sich, dass für die alternierenden wie auch für die statistischen Multiblockcopolymere die maximale Zugfestigkeit σmax, die maximale Dehnung εmax sowie der E-Modul mit steigender Temperatur abnehmen. Die Gegenüberstellung der thermomechanischen Kenndaten der erfindungsgemäß hergestellten alternierenden PoIy- (PCL-alt-PPDO)-Multiblockcopolymere mit den statistischen Varianten vergleichbarer Zusammensetzung zeigt ferner, dass erstere bei geringeren Molekulargewichten vergleichbare Werte für σmax und εmax aufweisen. Jedoch besitzen die alternierenden Multiblockcopolymere gegenüber ihren statistischen Vergleichsmustern deutlich höhere E-Moduli, was auf eine Beeinflussung der erfindungsgemäß hergestellten Materialien durch Ausbildung einer molekular Überstruktur hinweist.The values for the maximum tensile strength σ max , the maximum elongation ε max and the E modulus E were determined for the inventive alternating poly (PCL-old-PPDO) multiblock copolymers from stress-strain studies according to FIG. 8 and comparatively used mechanical properties Properties of the corresponding random poly (PCL-old PPDO) multiblock copolymers (from: Lendlein & Kelch: Clin Hemorheol, Microcirc., 32 (2005), 105-116). The mechanical properties are summarized in dependence on the temperature (T = 20 0 C, 37 ° C and 50 0 C) in Table 2 below. It can be seen that for the alternating as well as for the statistical multiblock copolymers the maximum tensile strength σ max , the maximum elongation ε max and the modulus of elasticity decrease with increasing temperature. The comparison of the thermomechanical characteristics of the alternating poly (PCL-old-PPDO) multiblock copolymers prepared according to the invention with the statistical variants of comparable composition also shows that the former have comparable values for σ max and ε max at lower molecular weights. However, the alternating multiblock copolymers have distinctly higher moduli of elasticity than their statistical reference patterns, which indicates an influence on the materials produced according to the invention by the formation of a molecular superstructure.
Zur Charakterisierung der Formgedächtniseigenschaften (SM-Verhalten) wurden zyklische thermomechanische Untersuchungen an einer getemperten Probe Poly-(PCL-alt-PPDO)- Multiblockcopolymers (Mn = 23.600 g/mol; Mw = 52.400 g/mol; CPCL = 68,0 Gew.-%) vorgenommen. Figur 9 zeigt die zeitlichen Verläufe der Dehnung (Kurve 1 ) sowie der Temperatur (Kurve 2) während der ersten drei Zyklen. Hierzu wurde die Probe innerhalb eines Zyklus bei Tn = 52°C auf εmax = 100 % gedehnt und anschließend auf T1 = -5°C abgekühlt. Das Diagramm zeigt während dieser Abkühlung eine Zunahme der Dehnung auf 110 %. Nach Zurücknahme der äußeren, zur Dehnung genutzten Zugkraft auf Nullkraft führt bei T1 = -5°Cbeim Fixieren der Probe zur leichten Relaxation der Probe auf 105 %. Dieser als temporäre Form bezeichnete Zustand kann über einen längeren Zeitraum auch bei Raumtemperatur ohne spontane Formveränderung beibehalten werden. Eine anschließende Erwärmung der Probe auf eine Temperatur von Tn = 52°C leitet die thermisch stimulierte Rückstellung der Probe - das so genannte Schalten - ein, das im ersten Zyklus durch die Rückstellung der Dehnung auf unter 20 % ausgewiesen ist. Hiervon ausgehend wird die Probe im zweiten Zyklus erneut auf die bereits im ersten Zyklus eingestellte Probenlänge gedehnt. Der zweite und dritte Zyklus bestätigen das SM-Verhalten, was durch die Rückstellung der Dehnung von etwa 105 % auf etwa 20 % in allen drei Zyklen belegt ist. Aus diesen drei Zyklen lassen sich die Größen zur Quantifizierung des SM-Verhaltens bestimmen. So wird das Dehnungsfixierungsverhältnis Rf aus dem Verhältnis der Dehnung der fixierten Probe und der zur Fixierung angewandten realen maximalen Dehnung εm bestimmt. Der Mittelwert aus den Zyklen in Figur 9 beträgt Rf(1-3) 96 %. Des weiteren lässt sich das Dehnungsrückstellungsverhältnis Rr des N-ten Zyklus aus εm und der Dehnung nach Rückstellung im vorhergehenden (N-1 )-ten Zyklus berechnen. Danach betragen die RrWerte für die drei beschriebenen Zyklen Rr(1 ) 84%, Rr(2) 98 % und Rr(3) 99 %. Tabelle 3:Cyclic thermomechanical investigations on a tempered sample of poly (PCL-old-PPDO) multiblock copolymers (M n = 23,600 g / mol; M w = 52,400 g / mol; C PCL = 68) were used to characterize the shape memory properties (SM behavior). 0% by weight). FIG. 9 shows the time profiles of the elongation (curve 1) and the temperature (curve 2) during the first three cycles. For this purpose, the sample was stretched within a cycle at T n = 52 ° C to ε max = 100% and then cooled to T 1 = -5 ° C. The graph shows an increase in elongation to 110% during this cooling. After retraction of the outer tensile force used to stretch to zero force, at T 1 = -5 ° C, when fixing the sample, the sample is easily relaxed to 105%. This state, referred to as a temporary shape, can be maintained over a longer period even at room temperature without spontaneous change in shape. Subsequent heating of the sample to a temperature of T n = 52 ° C initiates the thermally-stimulated recovery of the sample - the so-called switching - indicated by the recovery of elongation to less than 20% in the first cycle. On this basis, the sample is stretched again in the second cycle to the sample length already set in the first cycle. The second and third cycles confirm the SM behavior, which is evidenced by the recovery of the strain from about 105% to about 20% in all three cycles. From these three cycles, the quantities for quantifying the SM behavior can be determined. Thus, the elongation fixing ratio R f is determined from the ratio of the elongation of the fixed sample and the real maximum elongation ε m applied for fixing. The average of the cycles in Figure 9 is R f (1-3) 96%. Furthermore, the strain recovery ratio R r of the Nth cycle can be calculated from ε m and the strain after recovery in the previous (N-1) th cycle. Thereafter, the Rr values for the three described cycles R r (1) are 84%, R r (2) 98% and R r (3) 99%. Table 3:
Polymere mechanische EigenschaftenPolymeric mechanical properties
CpCL MolekulargewichteCpCL molecular weights
T Omax £max E-ModulT Omax £ max modulus
(Gew.-%) (kg/mol) (0C) (MPa) 10/. (MPa) Mn Mw alt stat alt stat alt stat alt stat alt stat alt stat(Wt%) (kg / mol) ( 0 C) (MPa) 10 /. (MPa) M n M w old stat old stat old stat old stat old stat old stat
87,3 90,0 36,4 75,6 73,1 158,7 20 20 ±3 16± 1 700 ±50 1037 ± 100 275 ± 30 34 ±887.3 90.0 36.4 75.6 73.1 158.7 20 20 ± 3 16 ± 1 700 ± 50 1037 ± 100 275 ± 30 34 ± 8
20 22 ±5 21 ± 1 805 ± 50 1100 ± 100 410 ±50 39 ±5 37 15 ± 3 11 ±2 695 ± 105 1200 ±70 77 ±33 10 ± 320 22 ± 5 21 ± 1 805 ± 50 1100 ± 100 410 ± 50 39 ± 5 37 15 ± 3 11 ± 2 695 ± 105 1200 ± 70 77 ± 33 10 ± 3
68,4 70,0 18,7 62,8 64,6 134,4 50 3 ±0,3 0,6 ±0,1 340 ± 40 740 ± 60 4± 1 0,9 ±0,168.4 70.0 18.7 62.8 64.6 134.4 50 3 ± 0.3 0.6 ± 0.1 340 ± 40 740 ± 60 4 ± 1 0.9 ± 0.1
20 32 ± 0,7 13 ± 2 815±2 700 ± 50 214± 1 34 ±5 37 28 ± 0,2 10±2 835 ± 25 800 ± 50 121 ±29 15 ± 320 32 ± 0.7 13 ± 2 815 ± 2 700 ± 50 214 ± 1 34 ± 5 37 28 ± 0.2 10 ± 2 835 ± 25 800 ± 50 121 ± 29 15 ± 3
53,4 60,0 20,2 31,5 117 76,5 50 18 ± 3 4 ±0,6 735 ± 120 560 ± 60 94 ± 19 2 ±0,653.4 60.0 20.2 31.5 117 76.5 50 18 ± 3 4 ± 0.6 735 ± 120 560 ± 60 94 ± 19 2 ± 0.6
13,0 10,2 17,8 38,0 45,4 65,4 20 20 ±5 25 ±4 400 ± 50 730 ± 50 680 ± 65 90 ±30 13.0 10.2 17.8 38.0 45.4 65.4 20 20 ± 5 25 ± 4 400 ± 50 730 ± 50 680 ± 65 90 ± 30

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung eines alternierenden Multiblockcopolymers mit Formgedächtnis, das eine aus den alternierend aufeinanderfolgen Makromonomeren A und B bestehende Struktur aufweist, mit den SchrittenA process for the preparation of an alternating multi-block copolymer with shape memory which has a structure consisting of the alternately successive macromonomers A and B, comprising the steps
(a) Bereitstellung des Makromonomers A mit einer beidseitigen Funktionalisie- rung mit einer nukleophilen Endgruppe und Bereitstellung des Makromonomers B mit einer beidseitigen Funktionalisierung mit einer elektrophilen Endgruppe und(a) providing the macromonomer A with bilateral functionalization with a nucleophilic end group and providing the macromonomer B with bilateral functionalization with an electrophilic end group and
(b) Umsetzung des nukleophil endgruppenfunktionalisierten Makromonomers A mit dem elektrophil endgruppenfunktionalisierten Makromonomer B in Lösung, wobei ein stöchiometrisches Verhältnis der nukleophilen Endgruppe zu der elektrophilen Endgruppe eingestellt wird derart, dass eine molare Abweichung vom stöchiometrischen Verhältnis höchstens ± 8 mol-% beträgt.(b) Reaction of the nucleophile end-group-functionalized macromonomer A with the electrophile-endgroup-functionalized macromonomer B in solution, setting a stoichiometric ratio of the nucleophilic end group to the electrophilic end group such that a molar deviation from the stoichiometric ratio is at most ± 8 mol%.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die molare Abweichung des stöchiometrischen Verhältnisses der nukleophilen Endgruppe zur elektrophilen Endgruppe in Schritt (b) höchstens ± 5 mol-%, vorzugsweise ± 3 mol-% beträgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the molar deviation of the stoichiometric ratio of the nucleophilic end group to the electrophilic end group in step (b) is at most ± 5 mol%, preferably ± 3 mol%.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zahlenmittleren Molekulargewichte Mn der endgruppenfunktionalisierten Makromonomere A und B für ihre Umsetzung in Schritt (b) aufeinander angeglichen werden derart, dass eine Differenz zwischen den Polymerisationsgraden der Makromonomere höchstens 15 %, insbesondere höchstens 10 %, vorzugsweise höchstens 5% bezogen auf den zahlenmittleren Polymerisationsgrad Pn des schwereren Makromonomers beträgt.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the number average molecular weights M n of the end-group functionalized macromonomers A and B for their implementation in step (b) are aligned with each other such that a difference between the degrees of polymerization of the macromonomers at most 15%, in particular at most 10%, preferably at most 5%, based on the number-average degree of polymerization P n of the heavier macromonomer.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zahlenmittlere Molekulargewicht Mn des alternierenden Multiblockcopolymers im Bereich von 10.000 bis 50.000 g/mol, insbesondere im Bereich von 20.000 bis 40.000 g/mol, liegt. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the number average molecular weight M n of the alternating multiblock copolymer in the range of 10,000 to 50,000 g / mol, in particular in the range of 20,000 to 40,000 g / mol.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gewichtsmittlere Molekulargewicht Mw des alternierenden Multiblockcopolymers im Bereich von 40.000 bis 80.000 g/mol, insbesondere im Bereich von 50.000 bis 70.000 g/mol, liegt.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the weight-average molecular weight M w of the alternating multiblock copolymer in the range of 40,000 to 80,000 g / mol, in particular in the range of 50,000 to 70,000 g / mol.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nukleophile Endgruppe eine Hydroxylgruppe und das nukleophil endgruppenfunktionalisierte Makromonomer A ein α,ω-Diol ist.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the nucleophilic end group is a hydroxyl group and the nucleophile endgruppenfunktionalisierte macromonomer A is an α, ω-diol.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrophile Endgruppe eine Isocyanatgruppe und das elektrophil endgruppenfunktionalisierte Makromonomer B ein α,ω-Diisocyanat ist.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrophilic end group is an isocyanate group and the electrophilic endgruppenfunktionalisierte macromonomer B is an α, ω-diisocyanate.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung des α,ω-Diisocyanats durch Umsetzung eines α,ω-Diols des Makromonomers B mit einem Isocyanatalkan, insbesondere einem Diisocyanatalkan erfolgt, vorzugsweise mit 1 ,6- Diisocyanato-2,2,4-trimethylhexan oder 1 ,6-Diisocyanato-2,4,4-trimethylhexan (TMDI) oder 1 ,6-Diisocyanatohexan.8. The method according to claim 7, characterized in that the provision of the α, ω-diisocyanate by reacting an α, ω-diol of the macromonomer B with an isocyanate, in particular a Diisocyanatalkan, preferably with 1, 6- diisocyanato-2.2 , 4-trimethylhexane or 1,6-diisocyanato-2,4,4-trimethylhexane (TMDI) or 1,6-diisocyanatohexane.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Umsetzung des α,ω-Diols des Makromonomers B mit dem Isocyanatalkan ein Überschuss von Isocya- natgruppen gegenüber Hydroxylgruppen vorgelegt wird, insbesondere ein molares Verhältnis von Isocyanatgruppen zu Hydroxylgruppen von zumindest 20 : 1 , vorzugsweise von zumindest 50 : 1 eingestellt wird.9. The method according to claim 8, characterized in that in the reaction of the α, ω-diol of the macromonomer B with the isocyanato an excess of isocyanate natgruppen is presented to hydroxyl groups, in particular a molar ratio of isocyanate groups to hydroxyl groups of at least 20: 1 , preferably of at least 50: 1.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Makromonomere A oder B ein Polyester der allgemeinen Formel I mit n = 1...14 oder ein Co-Polyester mit unterschiedlichen n oder ein Derivat von diesen ist, insbesondere Poly(ε-caprolacton) mit n = 5 ist oder Poly(pentadekalacton) mit n = 1410. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that one of the macromonomers A or B is a polyester of general formula I with n = 1 ... 14 or a co-polyester with different n or a derivative thereof, in particular poly (ε-caprolactone) with n = 5 or poly (pentadekalactone) with n = 14
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1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Makromere A oder B ein Polyether nach einer der Formeln Il bis V oder ein Derivat von diesen ist1 1. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that one of the macromers A or B is a polyether according to one of the formulas II to V or a derivative thereof
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12. Alternierendes Multiblockcopolymer, herstellbar nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1.12. Alternating multiblock copolymer, which can be prepared by the process according to one of claims 1 to 11.
13. Verwendung eines alternierendes Multiblockcopolymers nach Anspruch 12 für biomedizinische Anwendungen. 13. Use of an alternating multiblock copolymer according to claim 12 for biomedical applications.
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