DD292468A5

DD292468A5 - Verfahren zur polymerisation von epoxidverbindungen

Info

Publication number: DD292468A5
Application number: DD90338526A
Authority: DD
Inventors: Axel Boettcher; Klaus Dathe; Manfred Fedtke; Manfred Doering; Egon Uhlig; Bernd Nestler
Original assignee: Zeiss Carl Jena Gmbh
Priority date: 1990-03-09
Filing date: 1990-03-09
Publication date: 1991-08-01
Also published as: LTIP217A; LT3106B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Polymerisation von Epoxidverbindungen mittels einer die Reaktion beschleunigenden Lewis-Base. Dies erfolgt, indem eine epoxidische Verbindung, z. B. Diglycidether des Bisphenol-A mit einer Metallkomplexverbindung der allgemeinen Formel{Epoxidverbindung; Reaktion, beschleunigend; Lewis-Base; Metallkomplexverbindung; Polymerisationsinitiierung, mehrstufig; Polymerisation, doppeltlatent; Chelatligandenabspaltung; Lewis-Base-Aktivierung; Lewis-Base H-acid}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Polymerisationsverfahren von epoxidischen Verbindungen mittels einer die Reaktion beschleunigenden Lewis-Base, welches durch die Art seines ablaufenden Reaktionsmechanismuses es ermöglicht, die Polymerisation der epoxidischen Verbindungen so zu gestalten, daß universell einsetzbare Klebe-, Schicht- und Formmassen für die Medizin, den Umweltschutz, besonders aber für die Justierung von Klebeteilen in der optischen Industrie hergestellt werden können.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Aus der Fach- und Patentliteratur ist bekannt, daß Lewis-Basen, wie beispielsweise Imidazole sehr reaktive Beschleuniger von Polymerisationsreaktionen Epoxid- bzw. Oxiran-Gruppen enthaltender Materialien sind (Ricciardi, F. et. al., J. Polym. Sei. Polym.

Chem. Ed. 1983,21,1475-1490; Farkas, A. et. al., J. Appl. Polym. Sei. 1968,12,159-68).

Nachteilig an diesen Lösungen erwies sich besonders die starke Temperaturerhöhung während des Polymerisationsvorganges,

- zu einer unerwünschten Verfärbung der Polymermassen

• Strehmel, V., Diss. 1985, Technische Hochschule Leuna-Merseburg

• D. J.Filippo, G.V. Van der Sande, J. B. Uhlmann, D. R., J. Appl. Polym. Sa 1988,35,2,485

- und zu Inhomogenitäten innerhalb der Polymermasse führt.

In der DE-OS 2810428 wird eine Möglichkeit aufgezeigt, die große Reaktivität der eingesetzten Lewis-Basen gegenüber polymerisationsfähigen epoxidischen Verbindungen durch Zugabe von Lösungsmitteln «aus der Gruppe Methanol, Ethanol oder Gemischen davon" zu mildern.

Die Problematik der Lösung besteht

- in dem Erfordernis zusätzlicher Verarbeitungsschritte zur Entfernung des Lösungsmittels nach der Polymerisation

- im Entstehen eigenschaftsmindernder Hohlräume im Polymer, die die Wasseraufnahmefähigkeit steigern.

In den Patentschriften US 3636007; US 3792016; US 4101514 und DE 2300489 und US 3553166 wurden Imidazol-Metall-Verbindungen mit und ohne Zusatz in ihrei Wirkung als Lewis-Base zur reaktiven Beschleunigung von Polymerisationsreaktionen untersucht. Diei.e Verbindungen stellen sehr stabile Koordinationspolymere dar und spalten daher auch erst bei relativ hohen Temperaturen Imidazo! ab, das dann seine Wirkung als Lewis-Base entfaltet. Es wird kleiner 17O⁰C keine beschleunigende Wirkung auf Epoxidharzmassen beobachtet. Die Problematik bei Polymerisationsreaktionen mit Epoxiden bei derartig hohen Temperaturen besteht im Auftreten von Ringspaltungsproduktan, die einen schlechten Netzwerkaufbau bewirken und somit negative Polymereigenschaften, wie Schwindungsverhalten, Wasseraufnahme u.a. bedingen (s. a. Fedtke, M., Strehmel, V.: Acta Polymerica 40 [1989] 497).

Durch den Einsatz von Hilfsbasen können die Temperaturen gemildert und die Beschleunigungswirkung somit gesteuert werden. Der Einsatz derartiger Hüfebasen besitzt Jedoch folgende Nachtelle:

- hohe ökonomische Aufwendungen, da diese Hilfsbasen sehr kostenintensiv sind

- die Möglichkeit des Regierens der Hilfsbasen selbst mit den Epoxidsystemen (US 3553166, US 3635894). Aus den DE 201981 β und US 4137276 ist der Einsatz von Acetylacetpnatokomplexen zur Polymerisation von Epoxidverbindungen auch in Gegenwart von Carbonsäureanhydriden bekannt. Nachteilig an diesen Lösungen ist ebenfalls die hohe VerarbeitungstemperaUir größer 150°C. Neben der bereits aufgeführten Problematik bei Polymerisationsreaktionen mit Epoxiden bei derartig hohen Temperaturen bedeutet dies, daß es zu enormen Aufwendungen in der Verarbeitung führt und die Anwendungsbreite stark einschränkt, beispielsweise erscheint der Einsatz in speziellen Gebieten wie Elektrotechnik/Elektronik sehr fraglich. In der DE 2 525 246 wird beispielsweise Cr (acac)₃; acac=8cetylacetonat als Härtersystem für Epoxidharzmassen beschrieben. Nachteilig dabei ist, daß neben der Oxiransauerstoffve-'.indung zusätzlich eine labile Wasserstoffverbindung vorhanden sein muß, um eine Polymerisation oder Aushärtung zu erreichen. Ein weiterer Nachteil derartiger Mischungen besteht darin, daß mit Zugabe des Härters oftmals, z.B. bei Epoxidverbindungen die Polymerisation einsetzt. Es können somit keine lagerfähigen Polymermischungen gewährleistet werden, s. Tänzer, Fedtke, Acata Polymerica 1986,37,24-28. Bekannt ist auch die Überführung von Imidazolen in latente Härter und Beschleuniger durch Salzbildung mit unterschiedlichen Säuren, wie Polycarbonsäure (US 3746686), Isocyanursäure (DE 2811764). Die besondere Problematik dieser Lösungen besteht

- in der hohen toxischen Wirkung dieser Imidazolverbindungen _N

- im vorzeitigen Polymerisationsabbruch durch die Anwesenheit von Anionen *

- damit verbunden im Auftreten eines erhöhten Monomeranteils im polymeren Epoxid und solcher Parameter, wie Ausschwitzung und erhöhte Wasseraufnahme.

In der DD-PS 277081 wird ein Verfahren zur Herstellung von zweistufig aushärtenden Klebstoffen auf der Basis einer härtenden Mischung eines Isocyanates mit einem Thiol, dem zusätzlich eine Mischung eines Thiol/Er.-Systems zugefügt wird, vorgestellt. Nachteilig an dieser Lösung ist, daß es sich hierbei um ein Mehrkomponentensystem handelt. Die Wirkung als zweistufig aushärtender Klebstoff besteht lediglich im Zusammenmischen zweier an sich bekannter Härtungsmischungen und in der photochemischen Fixierung. Eine weitere Problematik besteht in der Verwendung der hochgiftigen Einzelkomponenten, wie Isocyanate und Thiole.

Die generelle Problematik bei der Verwendung von Imidazolen als Beschleuniger besteht u.a. darin, daß bei ihrem Einsatz unablu ngig, ob in freier oder gebundener Form, sofort eine vollständige Durchhärtung erfolgt. Daher existieren immer zwei Zustände der Harzmasse, zum einen der u η vernetzte und zum anderen der völlig vernetzte Zustand. Dies gewährleistet zwar einen Einsatz als Form- und Schichtmaterial mit optimalen Gclzeiten, die auch je nach der Art des verwendeten Imidazole variiert werden können, jedoch ist es nicht möglich nach Zugabe des Beschleunigers eine Reaktionsphase der langsamen Aushärtung und damit verbunden eine individuelle Verarbeitungsphase, beispielsweise eine Justierphase beim Einpassen von zu verklebenden Teilen, vor der eigentlichen Härtungsphase einzusteuern.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Polymerisation von epoxidischen Verbindungen mittels einer Lewis-Base, welches die Herstellung von kostengünstigen Epoxidharzmassen ermöglicht. Der Einsatz dieser Epoxidharzmassen beispielsweise als Form-, Schicht-, oder Klebemasse erweist sich als äußerst effektiv, da auf Grund des ablaufenden Reaktionsmechanismus eine optimale Justierung der Form- oder Klebeteile gegeben ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Polymerisation von epoxidischen Verbindungen mittels einer Lewis-Base als Initiator zu schaffen, der eine mehrstufige Initiierung der Polymerisation bei Temperaturen kleiner/gleich 140⁰C

realisiert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgr je durch ein Verfahren zur Polymerisation von Epoxidverbindungen mittels einer die Reaktion

beschleunigenden Lewis-Base dadurch gelöst, daß 100 Gewichtsteile der epoxidischen Verbindung mit 0,01 und bis50 Gewichtsteilen einer Metallkomplexverbindung der allgemeinen Formel

ML_x [HBIy

versetzt und Energie zugeführt werden, wobei

- M ein Metallion

- LeinChelatligand

- HB eine H-acide Lewis-Base

- χ eine natürliche Zahl analog der Wertigkeit des Metallic is

- y eine natürliche Zahl sind.

Als epoxidische Verbindungen können Epoxidverbindungen mit mindestens zwei Epc xygruppen im Molekül eingesetzt werden. Es erweist sich als günstig, als Chelatliganden Acetylaceton oder eine Carbonsäure ζ ι verwenden. Vorteilhafterweise kann als Lewis-Baso ein H-acides Pyridin, Imidazol, Tetrahydrofuran, Alkohol, Keton, Thioeth .x oder ein Mercaptan verwendet werden. Eine günstige Ausgestaltung der Lösung besteht darin, daß die H-aciden Lewis-Basen über Stickstoff- und/oder Sauerstoff- und/oder Schwefel- und/oder Phosphor-Atome bzw. Wass jrstoffbrüchen an die Metallchelat-Verbindung gebunden sind. Die Vorteile der Lösung ergeben sich in wesentlichen dadurch, daß

- eine Möglichkeit gegeben wird eine mehrstufige Polymerisation aufgrund einer doppelten Latenz zu gewährleisten

- die doppeltlatente Polymerisation nabh folgendem Wlrkungemechanlemus verlauft:

• bei leicht erhöhter Tor iperatur Abspaltung des Chelatliganden; dieser wirkt im System als Härter, d. h. er leitet die Härtung ein

• bei kurzzeitiger weiterer Temperaturerhöhung wird die Lewis-Base aktiviert, es erfolgt die beschleunigte Aushärtung der Epoxidharzmasse

- die Mischung daher bei Raumtemperatur beliebig Zeit lagerfähig ist.

AusfOhrüngsbelsplele

Die Erfindung soll nachfolgend an verschiedenen Ausführungsbeispielen erläutert werden: In Tabelle 1 sind

- die jeweils verwendeten Epoxidverbindungen

- die jeweils verwendeten Additive mit den durch sie erzielten Gelzeiten

- die prozentuale Wacseraufnahme der polymeriaierten Epoxidverbindung nach zweistündiger Erhitzung bei 100⁰C

- die prozentuale Acetonaufnahme nach vierstündiger Er litzung baj Siedetemperatur

- die Glasübergangstemperatur T₈ aufgeführt.

Tabelle 1	Epoxid	Additiv	Tempera	Gelzeit	Wasser	Aceton	I⁰CI
Bsp.	verbin		tur	[min]	aufnah	aufnah
	dung		I⁰Cl		me (%)	me [%)
	Digly-	Me[ace-	RT	keine Ge
1	cidether	tylace-		lierung			164
	der Bis-	tonato]₂l₂	80	145-fest
	phenol-A		100	10-fest	0,5	1,2
			120	6-fest
	Digly-	Me[ace-	RT	keine Ge
2	cidether	tylaceto-		lierung			159
	der Bis-	nato]₂!₂	80	165-fost
	phenol-A		100	12-fest	0,2	0,3
			120	8-fest
	Digly-	Co[ace-	RT	keine Ge
3	cidether	tato]₂l₂		lierung			• 153
	derBis-		60	90-fest
	phenol-A		80	20-fest	0,3	0,35
			90	2-fest
	= Imidazol
I	= Bsp. 1: Co
Me	Bsp. 2: N!

Es wurden jeweils 1 mol der Epoxidverbindung mit 0,05 mol Additiv innig vermischt und mittels thermischer Energie

polymerisiert.

Die Zuführung von Energie kann als thermische Energie, Licht, Mikrowellen, Strahlung, Laserenergie etc. erfolgen. Besonders geeignete Beispiele als Additive sind folgende Metallkomplexe: Bisfacetylacetonatol-Cobalt-ll-diimidazol Bisfacetylacetonatol-Nickel-ll-diimidazol BisJacetylacetonatoJ-Zink-ll-diimidazol Bisfacetylacetcnatol-Mangan-ll-diimidazol Bisfacetylacetonatol-Eisen-ll-diimidazo¹ BisfacetylacetonatoJ-Cobalt-ll-didimethylimidazol Bislacetylacelonatol-Cobalt-ll-dibenzimidazol Bis(acetato)-Cobalt-ll-diimidazol Bis(2-ethylhexanto)-Cobalt-ll-diimidazol Bislsalicylaldehydol-Cobalt-ll-diimidazol Die Anwendung der Metallkomplexe mit der polymorisierbaren Verbindung ist mit oder ohne den Zusatz von weiteren Additiven

(z. B. Härter) oder Zusatzstoffe, z. B. Verstärkungsmaterialien oder Färbemittel möglich, d. h. die Polymermischungen sindmultivariabel.

Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, daß der Beginn der Polymerisation, d. h. die Initiierungstemperatur durch die Wahl der Chelatliganden, bzw. die Wahl der H-aciden Lewis-Basen oder die Wahl des Metallions bestimmbar ist. Die Reaktion zwischen dem Initiator und der polymerisierbaren Verbindung verläuft bei deutlich tieferen Temperaturen, als dies

von der KomplexzerseUung aus der Literatur zu erwarten wäre.

Es wäre anzunehmen, daß der einzähnige Ligand < die H-acide Lewis-Base < Imidazol statt des Chelatliganden abgespalten

wird, da bei der Betrachtung der Komplexstabilität Chelatliganden gegenüber Komplexen mit einzähnigen Liganden größere

Gleichgewichtskonstanten aufweisen. So können die Stabilitäten bis nahezu 10¹⁰mal größer sein, resultierend aus der Beziehung G=- RT InK, wobei K die Gleichgewichtskonstante darstellt. Die erhöhte Komplexstabilität bei Chelatliganden kann auch aus der Beziehung AG = ΔΗ - TAS anhand der Entropie ersehen werden; s. Cotton, Wilkinson, Anorganische Chemie, Verlag Chemie,

4.Aufl. Weinheim 1982, S. 73 f.; Hein, Chemie der Komplexverbindungen, Hirzel-Verlag Leipzig 1971, s. 322 f. Die Elementaranalyse beweist jedoch, daß der Chelatligand abgespalten wird. Bei einer thermischen Behandlung von Co (acetylacetonato)₂l2 zerfällt dieser Metallkomplex bei 212°C unter Abspaltung von Acetylaceton. Es entsteht (CoI₂),, wobei χ eine natürliche Zahl und I = Imidazo! ist.

Co [acetylacetonatojjlj	erm.%	Co[l₂)k+acetylacetonato£H	erm.% C
theor.%	14,95	theor.%	30,24
CO 15,1	48,71	30,5	• 38,36
C 4f),3	5,39	37,5	3,39
' H 5,3	14,6	3,11	29,18
N 14,3		29,01
LU 5,1OB. M.	4,6 B. M.

Die thermogravimetrische Untersuchung ergab einen Masseverlust von 51,3M %.

Es ist weiterhin erkennbar, daß bei der Polymerisation von Epoxidverbindungen mittels der in der Tabelle aufgeführten Metall-Komplex-Verbindungen neben optimalen Gelzeiten auch eine reduzierte Wasseraufnahmefähigkeit und Acetonaufnahme gegenüber der Verwendung reiner Lewis-Basen, wie Imidazol {Wasseraufnahmefähigkeit = 3,2%, Acetonaufnahme = 8,1 %) zu verzeichnen ist. Neben der doppelten Latenz besitzen die erfindungsgemäßen Mischungen noch weitere Vorteile, z. B. in der Anwendung als Klebstoff masse, wobei nach der Abspaltung der H-aciden Verbindung aus dem Additiv die Polymermasse so viskos wird, daß eine Justierung der zu klebenden Teile möglich ist und der zweite aktivierende Schritt zu einer schnellen Aushärtung führt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein normalerweise sehr stabiler Chelatkomplex - ersichtlich aus der Komplexbildungskonstante - in Verbindung mit Epoxidverbindungen zum sehr reaktiven Beschleuniger der Polymerisationsreaktion wird.

Claims

1. Verfahren zur Polymerisation von Epoxidverbindungen mittels einer die Reaktion beschleunigenden Lewis-Base, gekennzeichnet dadurch, daß 100 Gewichtsteile der epoxidischen Verbindung mit 0,01 bis 50 Gewichtsteilen einer Metallkomplexverbindung der allgemeinen Formel

ML_x[HB]₇

versetzt und Energie zugeführt werden, wobei

- M ein Metallion

- LeinChelatligand

- HB eine H-acide Lewis-Base

- χ eine natürliche Zahl analog der Wertigkeit des Metallions

- γ eine natürliche Zahl sind, _N

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als epoxidische Verbindungen Epoxidverbindungen mit mindestens zwei Epoxydgruppen im Molekül eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Chelatligand Acetylaceton oder eine Carbonsäure verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Lewis-Base ein H-acides Pyridin, Imidazol, Tetrahydrofuran, Alkohol, Keton, Thioether oder ein Mercaptan verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die H-aciden Lewis-Basen über Stickstoff- und/oder Sauerstoff-Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die H-aciden Lewis-Basen über Stickstoff- und/oder Sauerstoff und/oder Schwefel- und/oder Phosphor-Atome bzw. Wasse stoffbrücken an die Metallchelat-Verbindung gebunden sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, g .'kennzeichnet dadurch, daß der Chelatiligand über Stickstoff- und/ oder Sauerstoff- und/oder Schwefel- und/oder Phosphor-Atome bzw. Wasserstoff brücken an den Metallkomplex gebunden sind.