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DE102006058755A1 - Process for the preparation of an alternating multiblock copolymer with shape memory - Google Patents

Process for the preparation of an alternating multiblock copolymer with shape memory Download PDF

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DE102006058755A1
DE102006058755A1 DE200610058755 DE102006058755A DE102006058755A1 DE 102006058755 A1 DE102006058755 A1 DE 102006058755A1 DE 200610058755 DE200610058755 DE 200610058755 DE 102006058755 A DE102006058755 A DE 102006058755A DE 102006058755 A1 DE102006058755 A1 DE 102006058755A1
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Ceased
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DE200610058755
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German (de)
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Andreas Prof. Dr. Lendlein
Günter Dr. Malsch
Hans-Jürgen Dr. Kosmella
Helmut Dr. Kamusewitz
Steffen Dr. Kelch
Nico Dr. Scharnagl
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Helmholtz Zentrum Geesthacht Zentrum fuer Material und Kustenforschung GmbH
Original Assignee
GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines alternierenden Multiblockcopolymers mit Formgedächtnis, das eine aus den alternierend aufeinanderfolgenden Makromonomeren A und B bestehende Struktur aufweist, mit den Schritten (a) Bereitstellung des Makromonomers A mit einer beidseitigen Funktionalisierung mit einer nukleophilen Endgruppe und Bereitstellung des Makromonomers M mit einer beidseitigen Funktionalisierung mit einer elektrophilen Endgruppe und (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. Die Erfindung umfasst ferner ein alternierendes Multiblockcopolymer, herstellbar nach dem beanspruchten Verfahren.The invention relates to a process for the preparation of an alternating multiblock copolymer having a shape consisting of the alternating successive macromonomers A and B, comprising the steps of (a) providing the macromonomer A with a bilateral functionalization with a nucleophilic end group and providing the macromonomer M with bilateral functionalization with an electrophilic end group and (b) reacting the nucleophile endgroup-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 not more than ± 8 mol%. The invention further comprises an alternating multiblock copolymer preparable by the claimed process.

Description

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, that - beside a permanent form - at least a temporary one Can save shape. The polymer is an alternating multiblock copolymer, one of the alternating successive macromonomers A and B has existing structure.

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 State of the art are so-called shape memory polymers or SMPs (shape memory polymer) known in induction by a suitable Stimulus a shape transition from a temporary shape in a permanent form according to a previous programming demonstrate. Most frequently is this shape memory effect thermally stimulated, that is, when heated of the programmed polymer material over the defined transition temperature the provision driven by entropy elasticity takes place. Shape memory polymers are usually polymer networks where chemical (covalent) or physical (non-covalent) crosslinks the permanent ones Determine shape. Programming is done by passing above the transition temperature a switching segment deforms the polymer material and then under Maintaining the deformation forces below this temperature chilled is going to be the temporary one To fix the shape. Reheating above the transition temperature leads to a phase transition the switching phase determining phase and restore the original permanent form.

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 TtransB ist die das Schaltsegment bestimmen de Phase und ist für das Schalten des thermisch induzierten Formgedächtniseffekts mit der Schalttemperatur Tschalt (≈ TtransB) 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 transA in the system. The phase with the next lowest thermal transition temperature T TRANSb is the segment determine the switching de phase and for switching the thermally induced shape memory effect with the switching temperature T switching (≈ T TRANSb) 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 Blockcopolymere 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 Kupplungsreaktion zur Herstellung der Multiblockcopolymere erfolgt durch Reaktion der Makrodiole mit einem niedermolekularen Diisicyanat, das heißt über Diurethanbrücken, wodurch statistische Multiblockcopolymere entstehen.In US 6,388,043 B1 ( EP 1 062 278 A ) and US 6,160,084 B ( EP 156 487 A ) block copolymers are described, 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 coupling reaction for the preparation of the multiblock copolymers is carried out by reaction of the macrodiols with a low molecular weight diisocyanate, that is, via diurethane bridges, resulting in random multiblock copolymers.

Weitere statistische Multiblockcopolymere und deren Herstellungsverfahren sind etwa aus Lendlein & Langer (Science 296 (2002), 1673–1676) , Lendlein & Kelch (Angew. Chem. 114 (2002), 2138–2162) und Cho et al. (J. Appl. Polym. Sci. 93 (2004), 2410–2415) bekannt.Further statistical multiblock copolymers and their production processes are approximately off Lendlein & Langer (Science 296 (2002), 1673-1676) . Lendlein & Kelch (Angew Chem. 114 (2002), 2138-2162) and Cho et al. (J. Appl. Polym. Sci. 93 (2004), 2410-2415) known.

Von Teng et al. (J. Polymer Sci. 42, 2004, 5045–53) ist ein Multiblockcopolymer bekannt, das aus Poly-(ε-caprolacton)- und Poly-(L-lactid)-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) For example, a multiblock copolymer is known that is 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. The influence of the composition and the molecular weight on the thermal behavior and the crystalline properties is investigated, while the mechanical properties and shape memory behavior are 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 Multiblockcopolymer 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 as a result lead statistical multiblock copolymers. In the case of a synthesis from the solution 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 incorporation rate of the same varies in the multiblock copolymer. 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 erforderlichen 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 molecular weights can be realized so far only with considerable process engineering effort.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Multiblockcopolymers mit Formgedächtnis zu schaffen, das mit hoher Zuverlässigkeit zu einer alternierenden Abfolge der Blöcke A und B oder zu einer homogenen Verteilung der Abfolge mit 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 Multiblockcopolymere – ebenso wie ihre statistischen Vergleichsmuster – ein zur Ausbildung des SM-Effektes erforderliches Mindestmolekulargewicht erreichen.Of the The invention is therefore based on the object, a process for the preparation a multi-block copolymer with shape memory to create with high reliability to an alternating sequence of blocks A and B or to a homogeneous one Distribution of the sequence with narrow length distribution leads and thus produces polymer products that have an improved performance profile in terms of SM effect and mechanical properties have. It is also important that the resulting Multiblock copolymers - as well like their statistical comparison patterns - one for the formation of the SM effect reach required minimum molecular weight.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines alternierenden Multiblockcopolymers mit Formgedächtniseigenschaften, das eine aus den alternierend aufeinanderfolgen Makromonomeren A und B bestehende Struktur aufweist, mit den Schritten:

  • (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
  • (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 minimiert wird, insbesondere höchstens ± 8 mol-% beträgt.
This object is achieved by a method 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) 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) reacting the nucleophile end-group-functionalized macromonomer A with the electrophilic end group-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 minimized, in particular at most ± 8 mol% is.

In der ersten Verfahrensstufe werden demnach durch Endgruppenfunktionalisierung elektrophile 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 funktionalisierten 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 Multiblockcopolymer 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 der 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.In the first stage of the process, electrophilic and nucleophilic reaction centers are thus created by end-group functionalization, 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 eliminate 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 according to the structure (AB) n alternate in succession. In order to achieve this, it has proved essential on the one hand to observe the strictest possible stoichiometry of the nucleophilic end group of the macromonomer A and the electrophilic end group of the macromonomer B in step (b), ie a molar ratio of the nucleophilic end group to the electrophilic end group of 1, wherein a maximum molar deviation of ± 8 mol% has been found to be tolerable. 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%.

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.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 thermomechanische 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 Übergangstemperatur 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 Material eigenschaften 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 this means, it is capable of being dependent from the temperature next to a permanent form at least one temporary Take shape. Is one of the blocks A or B, the switching segment determining block with defined thermal transition temperature and the another block of the hard segment determining block can be to save a shape in "shape memory". alternative can but also both blocks A and B contribute to the construction of switching segment-forming phases, the different transition temperatures form so that in addition to the permanent form two temporary forms are programmable. It is under the term switching segment understood a phase in the solid polymer whose structure by defines the macromonomers A and B used in the synthesis is. The formation of a separate phase by Phasenentmischung in the solid state is thus the basis for the training of the typical material properties the corresponding connection. In this way it is achieved that the polymer system as a whole has material properties which the respective blocks can be assigned. At the switching temperatures for the thermally induced effect may be, in particular, glass transition or Act 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 Mi die Molmasse der Polymersorte i bedeutet, ni die Anzahl aller hergestellten Polymere mit der Molmasse Mi 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 i is the molar mass of the polymer type i, n i is the number of polymers produced with the molecular weight M i and n is the total number of polymers.

Figure 00060001
Figure 00060001

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%).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. The polymers according to the invention also have an increased modulus of elasticity (modulus of elasticity) on the random polymers. In particular, on average, an E-modulus is achieved that is an order of magnitude greater than that of the corresponding random multiblock copolymers with 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.To Another preferred embodiment of the invention is in step 1 of the process used as the nucleophilic end group of a hydroxyl group, this means the nucleophile end-group functionalized macromonomer A is an α, ω-diol. This has the advantage of having many macromonomers, potentially as blocks in multiblock copolymers with shape memory can be used 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-Diisocyanat. 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.When electrophilic end group can be used with advantage an isocyanate group become. In this case, the electrophile is end-group functionalized Macromonomer B is an α, ω-diisocyanate. Isocyanates, on the one hand, react well with hydroxyl groups and leave on the other hand, in good yield from the commercially available α, ω-diols produce. In addition, isocyanates have comparable reactivities like hydroxyl groups, what - like already stated above was - the Building an alternating and homogeneous product structure favors. Particularly preferred is the α, ω-diisocyanate of the macromonomer B in step 1 by reacting the corresponding α, ω-diol of the Makromonomers B provided with an isocyanate alkane. Especially For example, the reaction can be with a diisocyanate alkane with 1,6-diisocyanato-2,2,4-trimethylhexane or 1,6-diisocyanato-2,4,4-trimethylhexane (TMDI), an isomeric mixture of these or 1,6-diisocyanatohexane (HDI). To one as possible quantitative reaction of the hydroxyl groups with the isocyanate achieve, will advantageously be a surplus of isocyanate groups Submitted hydroxyl groups. In particular, a molar ratio of Isocyanate groups to hydroxyl groups of at least 20: 1, preferably set by at least 50: 1.

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.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, derivatives of the polyester according to formula I include structures 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 14 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.

Figure 00080001
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist eines der Makromere A oder B ein Polyether der Formel II (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 II eingesetzt, das heißt Poly-(p-dioxanon) (PPDO). Die vorgenannten Makromere nach den Formeln II 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.

Figure 00080002
Figure 00080002

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-Diisocyanat), und das PPDO mit der nukleophilen Endgruppe, insbesondere mit Hydroxylgruppen (α,ω-PPDO-Diol). Ebenso kann jedoch im zweiten Verfahrensschritt α,ω-PPDO-Diisocyanat mit α,ω-PCL-Diol umgesetzt werden.To a particularly advantageous embodiment is as a first Macromonomer used a polyester of formula I, in particular PCL, and as a second macromonomer a polyether of formula II, in particular PPDO. In this case, the PCL with the electrophilic end group on both sides be functionalized, especially with isocyanate groups (α, ω-PCL diisocyanate), and the PPDO with the nucleophilic end group, especially with hydroxyl groups (Α, ω-diol PPDO). Likewise, however, in the second process step α, ω-PPDO 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.To an alternative embodiment is a macromonomer of the formula I with n ≤ 5 and a macromonomer of formula I with n ≥ 10 to an alternating multiblock copolymer implemented after functionalization. This is the macromonomer of formula I with n ≤ 5 preferably with an electrophilic end group (especially diisocyanate) and macromonomer of formula I with n ≥ 10, preferably with a nucleophilic End group (especially diol) provided.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbares Multiblockcopolymer, das die beschriebenen vorteilhaften Materialeigenschaften aufweist.One Another aspect of the present invention relates to a with inventive method producible multiblock copolymer containing the described advantageous Has 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 others, in the subclaims mentioned features.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below in embodiments with reference to FIG associated Drawings explained. Show it:

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; 1 the chemical process steps for preparing an alternating multiblock copolymer according to a first embodiment of the invention, wherein the α, ω-macrodiisocyanate of PCL is reacted with the α, ω-macrodiol of PPDO;

2 die chemischen Verfahrensschritte zur Herstellung eines alternierenden Multiblockcopolymers nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher das α,ω-Makrodiisocyanat von PPDO mit dem α,ω-Makrodiol von PCL umgesetzt wird; 2 the chemical process steps for the preparation of an alternating multiblock copolymer according to a second embodiment of the invention, wherein the α, ω-macrodiisocyanate of PPDO is reacted with the α, ω-macrodiol of PCL;

3 FTIR-Spektren von PCL nach verschiedenen Reaktionszeiten der Diisocyanatisierung; 3 FTIR spectra of PCL after different reaction times of the diisocyanation;

4 FTIR-Referenzspektren von α,ω-Diisocyanat funktionalisiertem PCL; 4 FTIR reference spectra of α, ω-diisocyanate functionalized PCL;

5 1H-NMR-Spektren von PCL nach verschiedenen Reaktionszeiten der Diisocyanatisierung; 5 1 H-NMR spectra of PCL after different reaction times of the diisocyanation;

6 1H-NMR-Spektrum des alternierenden Multiblockcopolymers PCL-10K-bl-PPDO-1.5K; 6 1 H-NMR spectrum of the alternating multiblock copolymer PCL-10K-bl-PPDO-1.5K;

7 1H-NMR-Spektrum des alternierenden Multiblockcopolymers PCL-2K-bl-PPDO-1.5K; 7 1 H-NMR spectrum of the alternating multiblock copolymer PCL-2K-bl-PPDO-1.5K;

8 Spannungs-Dehunungsdiagramm eines alternierenden Poly-(PCL-alt-PPDO)-Multiblockcopolymers; 8th Stress-strain plot of an alternating poly (PCL-old-PPDO) multiblock copolymer;

9 zeitliche Verläufe der Temperatur und der Dehnung eines alternierenden Poly-(PCL-alt-PPDO)-Multiblockcopolymers in einem zyklischen, thermomechanischen Experiment. 9 Temporal plots of the temperature and elongation of an alternating poly (PCL-old-PPDO) multiblock copolymer in a cyclic, thermomechanical experiment.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung alternierender Multiblockcopolymeren mit Formgedächtnis soll nachfolgend am Beispiel eines Polyetherester-Multiblockcopolymers 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.The Principle of the method according to the invention for the production of alternating multi-block copolymers with shape memory below using the example of a polyether ester multiblock copolymer from the macromonomers poly (ε-caprolactone) (PCL) and poly (p-dioxanone) (PPDO) explained will. In this selection, PCL blocks determine the switching segment, the thermally induces a phase transition (Melting transition) performs, and PPDO blocks determine the hard segment due to physical crosslinking the highest thermal transition temperature in the polymer product.

Erfindungsgemäß erfolgt die Synthese in zwei Schritten, wobei im ersten Schritt die Diisocyanatisierung 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-Makrodiisocyanat von PPDO mit dem α,ω-Makrodiol von PCL (Beispiel 2).According to the invention the synthesis in two steps, wherein in the first step, the diisocyanation one of the two macromonomer diols takes place and in the second step the reaction of the thus prepared α, ω-macrodiisocyanate with the α, ω-macrodiol of the other macromonomer through crossover coupling. In this case, the α, ω-macrodiisocyanate of PCL with the α, ω-macrodiol of PPDO (Example 1) or the α, ω-macrodiisocyanate of PPDO with the α, ω-macrodiol from 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-trimethylhexan (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 Über schuss 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 the Generally, in the first stage of the process for end-group functionalization the α, ω macrodiols an α, ω-diisocyanate alkane, preferably 1,6-diisocyanato-2,4,4-trimethylhexane (TMDI) used. To minimize side reactions and to achieve a possible high 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 the in solution to be performed Reaction submitted and a solution of the macrodiol with stirring added. Thus, a stable high excess of NCO groups is ensured. The reaction may be advantageous by a suitable catalyst catalytically supported become. The diisocyanatizations of the α, ω macrodiols of PCL and PPDO require due to the significantly different solubility an adaptation of the reaction procedure to the desired To obtain reaction products.

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 construction with a 1: 1 stoichiometry in the product, the number average molecular weights M n of the macromonomers are aligned as far as possible. The coupling reaction can be catalyzed by a suitable catalyst.

Beispiel 1: Herstellung eines PCL-PPDO-Multiblockcopolymers aus dem α,ω-Makrodiisocyanat von PCL und dem α,ω-Makrodiol von PPDOExample 1: Preparation of a PCL-PPDO Multiblock Copolymer from the α, ω-macrodiisocyanate of PCL and the α, ω-macrodiol from PPDO

Verfahrensstufe 1:Process stage 1:

Die Funktionalisierung von PCL-Makrodiol mit Isocyanatendgruppen erfolgt gemäß der in 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 10K von Sigma Aldrich) in wasserfreiem THF tropfenweise zudosiert. Während der Zudo sierung wird der Reaktionsansatz sowie die Polymerlösung bei etwa 0°C 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. 60°C 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 Zudosierung 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 in 1 (1st step) reaction shown. 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 10K from Sigma Aldrich) in anhydrous THF is added dropwise to this template while stirring. During Zudo tion, the reaction mixture and the polymer solution is maintained at about 0 ° C. The concentration of TMDI in the template is adjusted so that there is a 50-fold molar excess of TMDI over the PCL macrodiol with respect to the completed reaction mixture. After complete addition of the solution of the PCL macrodiol, the reaction mixture is heated to about 60 ° C and stirred under argon atmosphere at this temperature over a period of 24-72 h. This is - favored by the good dissolution behavior of PCL in THF - a temperature control allows 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-Spektroskopie, Gelpermeationschromatographie (GPC) und Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) unterzogen.The reaction described above was carried out in three different approaches in which PCL macrodiols having molecular weights con 2,000 g / mol (PCL 2K), 3,300 g / mol (PCL 3.3K) relationship 10,000 g / mol (PCL 10K) were used. The products were subjected to a 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 3 dargestellt, während 4 als Referenz die FTIR-Spektren von PCL-Makrodiol (PCL 1R), und PCL-Makrodiisocyanat (PCL 1R-NCO) und TMDI zeigt. Die mit FTIR aufgenommenen Intensitäten der NCO-Streckschwingung bei 2270 cm–1 (3) zeigt, dass der Endumsatz nach ca. 48 h erreicht ist.The FTIR spectra recorded as a function of the reaction time are in 3 shown while 4 as a reference shows the FTIR spectra of PCL macrodiol (PCL 1R), and PCL macro diisocyanate (PCL 1R-NCO) and TMDI. The intensities of the NCO stretching vibration at 2270 cm -1 recorded with FTIR ( 3 ) shows that the final conversion is reached after about 48 h.

Zur Bestimmung des Funktionalisierungsgrades mit Isocyanatgruppen wurde 1H-NMR-spektroskopisch das Verhältnis des CH3-Signals von endständigen TMDI-Einheiten bei chemischen Verschiebungen von ca. 0,9 ppm und der charakteristischen CH2-Signale der funktionalisierten PCL-Blöcke bei ca. 2,3 ppm bestimmt (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.To determine the degree of functionalization with isocyanate groups, the ratio of the CH 3 signal of terminal TMDI units at chemical shifts of about 0.9 ppm and the characteristic CH 2 signals of the functionalized PCL blocks was determined by 1 H NMR spectroscopy at ca. 2.3 ppm determined ( 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 within a narrow range of 1.5 to 3 coupling steps could be determined, which are 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-]: 114 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. Tabelle 1: Molenbruch Anpassung Mn,PPDO XPCL XPPDO Mn,PCL = 10 K Mn,PCL = 3.3 K Mn,PCL = 2 K 0,9 0,1 1.050 380 250 0,8 0,2 2.250 770 480 0,7 0,3 3.850 1.280 780 0,6 0,4 5.950 1.950 1.200 0,5 0,5 8.900 2.900 1.750 0,4 0,6 13.300 4.300 2.600 0,3 0,7 20.700 6.700 4.000 0,2 0,8 35.400 11.400 6.800 0,1 0,9 79.600 25.600 15.200 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 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-]: 114 g / mol), the molecular weights M n of PPDO listed in the table are by a factor of 1.12 to 1, 14 to arrive at the corresponding molecular weights M n of PCL. Table 1: mole fraction Adaptation M n, PPDO X PCL X PPDO Mn , PCL = 10K Mn , PCL = 3.3K Mn , PCL = 2K 0.9 0.1 1050 380 250 0.8 0.2 2250 770 480 0.7 0.3 3850 1280 780 0.6 0.4 5950 1950 1200 0.5 0.5 8900 2900 1750 0.4 0.6 13,300 4300 2600 0.3 0.7 20,700 6700 4000 0.2 0.8 35400 11,400 6800 0.1 0.9 79,600 25,600 15,200

Im zweiten in 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 70°C 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 70°C über eine Zeit von 24 h. Anschließend wird das Produkt gefällt und bis zur Gewichtskonstanz getrocknet.In the second in 1 (2nd step) reaction step of the crossover coupling of the α, ω-PCL diisocyanate with the α, ω-PPDO diol is catalyzed with a suitable catalyst. For this purpose, the dissolved in dichloroethane (DCE) α, ω-PCL diisocyanate is heated to 70 ° C under argon atmosphere and 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 ° 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 (6 und 7), thermisch mittels der DSC (Tabelle 2) und mechanisch mittels Zugdehnungsmessung und auf Formgedächtniseigenschaften mittels zyklischer, thermodynamischer Untersuchungen (8 und 9) charakterisiert. Die Ergebnisse werden weiter unten zusammen mit den Ergebnissen aus Beispiel 2 diskutiert.The reaction products were chemically analyzed by 1 H NMR spectroscopic analysis ( 6 and 7 ) thermally by means of DSC (Table 2) and mechanically by means of tensile strain measurement and shape memory properties by means of cyclic, thermodynamic investigations ( 8th and 9 Characterized. The results are discussed below together with the results of Example 2.

Beispiel 2: Herstellung eines PCL-PPDO-Multiblockcopolymers aus dem α,ω-Makrodiisocyanat von PPDO und dem α,ω-Makrodiol von PCLExample 2: Preparation of a PCL-PPDO Multiblock Copolymer from the α, ω-macrodiisocyanate of PPDO and the α, ω-macrodiol from PCL

Verfahrensstufe 1:Process stage 1:

Die Funktionalisierung von PPDO-Makrodiol mit Isocyanatendgruppen erfolgt gemäß der in 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 70°C 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. 70°C 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.The functionalization of isocyanate-terminated PPDO macrodiol is carried out according to the method described in US Pat 2 (1st step) reaction shown. 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 DCE is added dropwise to this template while stirring. During the metered addition, the reaction mixture and the polymer solution are kept at about 70 ° 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 ° 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.

Die Produkte wurden einer umfassenden Analytik der FTIR-Spektroskopie, 1H-NMR-Spektroskopie, Gelpermeationschromatographie (GPC) und Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) unterzogen.The products were subjected to a 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-Spektroskopie 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 Multiblockcopolymer zu realisieren.The determination of the degree of functionalization with isocyanate end groups was carried out analogously to Example 1. By combined application of GPC and 1 H NMR spectroscopy, coupling rates within a narrow range of 1.5 to 3 coupling steps could be determined. 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 Äquimolarität 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 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 70°C über eine Zeit von 24 h. Anschließend wird das Produkt mit wasserfreiem und auf –30°C gekühltem Diethylether gefällt und bis zur Gewichtskonstanz getrocknet.The second in 2 (2nd step) reaction step of the crossover coupling of the α, ω-PPDO diisocyanate with the α, ω-PCL diol 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 is carried out at 70 ° C over a period of 24 h. The product is then precipitated with anhydrous and cooled to -30 ° C diethyl ether and dried to constant weight.

Die Reaktionsprodukte wurden chemisch charakterisiert mittels 1H-NMR-spektroskopischer Analyse (6 und 7), thermisch mittels der DSC (Tabelle 2), mechanisch mittels Zugdehnungsmessungen und die Formgedächtniseigenschaften mittels zyklischer, thermo-mechanischer Untersuchungen (8 und 9) charakterisiert.The reaction products were chemically characterized by 1 H-NMR spectroscopic analysis ( 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 ( 8th and 9 Characterized.

1H-NMR-spektroskopische Charakterisierung der alternierenden Multiblockcopolymere 1 H NMR spectroscopic characterization of the alternating multiblock copolymers

Das 1H-NMR-Spektrum eines gemäß Beispiel 1 hergestellten Multiblockcopolymers PCL-10K-bl-PPDO-1.5K ist in 6 gezeigt, während 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 PCL(mol%) = PCL,dd/(PCL,dd + PPDO,dd)bestimmt. Für PCL-10K-bl-PPDO-1.5K (6) wurde ein PCL-Anteil von 84,5 mol-% und für PCL-2K-bl-PPDO-1.5K (7) von 53,5 mol-% ermittelt.The 1 H-NMR spectrum of a multiblock copolymer PCL-10K-bl-PPDO-1.5K prepared according to Example 1 is described in FIG 6 shown while 7 1 H-NMR spectrum of a also prepared according to Example 1 multiblock copolymer PCL-2K-bl-PPDO-1.5K. The molar fraction of PCL in the multiblock copolymers was determined by the integral intensities of the characteristic doublet doublet signals of PCL (PCL, dd) at about 4.05 ppm and PPDO (PPDO, dd) at about 3.8 or 4.35 ppm according to the equation PCL (mol%) = PCL, dd / (PCL, dd + PPDO, dd) certainly. For PCL-10K-bl-PPDO-1.5K ( 6 ) was a PCL fraction of 84.5 mol% and for PCL-2K-bl-PPDO-1.5K ( 7 ) of 53.5 mol%.

Thermomechanische Charakterisierung der alternierenden MultiblockcopolymereThermomechanical characterization the alternating multiblock copolymers

Tabelle 2 zeigt die in DSC-Messungen an ausgewählten Poly-(PCL-alt-PPDO)-Multiblockcopolymeren 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-Blocksegments 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. Tabelle 2 Blockkomponenten CPCL (Gew.-%) ΔHPCL (J·g–1) ΔHPPDO (J·g–1) PCL-10K 100 78,7 PCL-10K-NCO/PPDO-1.5K 87,3 64,0 4,3 PCL-2K-NCO/PPDO-1.5K 68,4 49,0 24,5 PPDO-1,5K-NCO/PCL-10K 53,4 45,9 42,4 PPDO-1,5K-NC-1,5K/PCL-2K 13,0 33,4 48,2 PPDO-1,5K 0 105,1 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 fractions of the PCL and PPDO block segments. In particular, an approach of the enthalpies of fusion of the PCL segment to the enthalpy of fusion of the pure PCL-10K macrodiol can be observed as a reference sample with increasing PCL content. Analogously, this applies to the enthalpies of fusion of the PPDO 1.5K segment. Table 2 block components C PCL (wt%) ΔH PCL (J * g -1 ) ΔH PPDO (J · g -1 ) PCL 10K 100 78.7 PCL 10K NCO / PPDO-1.5K 87.3 64.0 4.3 PCL 2K NCO / PPDO-1.5K 68.4 49.0 24.5 PPDO-1.5C NCO / PCL 10K 53.4 45.9 42.4 PPDO-1.5K-NC-1.5K / 2K PCL 13.0 33.4 48.2 PPDO-1.5K 0 105.1

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 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 diagram 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%) in 8th with curve 1 represented 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 ) in the initial range to about 200% elongation a visco-elastic deformation, while in the course up to 1000% elongation an analogous behavior as 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 8 bestimmt und vergleichsweise herangezogenen mechanischen Eigenschaften der entsprechenden statistischen Poly-(PCL-alt-PPDO)-Multiblockcopolymere (aus: Lendlein & Kelch: Clin. Hemorheol. Microcirc. 32 (2005), 105–116 ) gegenübergestellt. Die mechanischen Eigenschaften sind in Abhängigkeit von der Temperatur (T = 20°C, 37°C und 50°C) 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 Poly-(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 modulus of elasticity E were determined for the inventive alternating poly (PCL-old-PPDO) multiblock copolymers from stress-strain studies according to 8th determined and comparatively used mechanical 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 Table 2 as a function of the temperature (T = 20 ° C, 37 ° C and 50 ° C). 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 further shows that the former have comparable values for σ max and ε max at lower molecular weights. However, the alternating multiblock copolymers have significantly higher moduli of elasticity compared to their statistical comparison patterns, which indicates an influence on the materials produced according to the invention by 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. 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 Th = 52°C auf εmax = 100% gedehnt und anschließend auf Tt = –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 Tt = –5°C beim 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 Th = 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 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 Rr-Werte für die drei beschriebenen Zyklen Rr(1) 84%, Rr(2) 98% und Rr(3) 99%.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). 9 shows the time course of the strain (curve 1 ) and the temperature (curve 2 ) during the first three cycles. For this purpose, the sample was stretched within a cycle at T h = 52 ° C to ε max = 100% and then cooled to T t = -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 t = -5 ° C leads to the sample for easy relaxation of the sample to 105% when fixing the sample. 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 h = 52 ° C initiates the thermally-stimulated recovery of the sample - the so-called switching - which is 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 strain ε m applied for fixing. The mean of the cycles in 9 R f (1-3) is 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 R r values for the three described cycles R r (1) are 84%, R r (2) 98% and R r (3) 99%.

Figure 00190001
Figure 00190001

Claims (13)

Verfahren zur Herstellung eines alternierenden Multiblockcopolymers mit Formgedächtnis, das eine aus den alternierend aufeinanderfolgen Makromonomeren A und B bestehende Struktur aufweist, mit den Schritten (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 (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.Process for making an alternating Multiblock copolymers with shape memory, one of the alternating successive macromonomers A and B has existing structure, with the steps (a) Provision of 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) Reaction of the nucleophile end-group-functionalized Macromonomer A with the electrophilic endgruppenfunktionalisierten Macromonomer B in solution, being a stoichiometric relationship the nucleophilic end group to the electrophilic end group set becomes such that a molar deviation from the stoichiometric ratio is at most ± 8 mol% is. 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.Method according to claim 1, characterized in that that the molar deviation of the stoichiometric ratio of the nucleophilic end group to the electrophilic end group in step (b) not more than ± 5 mol%, preferably ± 3 mol%. 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.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the number-average molecular weights Mn of the end-group functionalized macromonomers A and B for their implementation in step (b) are adjusted to each other such that a difference between the degrees of polymerization of the macromonomers at most 15%, especially at most 10% , preferably at most 5%, based on the number-average degree of polymerization P n of the heavier macromonomer. 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.Method according to 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. 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.Method according to 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. 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.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the nucleophilic end group is a hydroxyl group and the nucleophile end-group functionalized macromonomer A is an α, ω-diol. 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.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the electrophilic end group is an isocyanate group and the electrophilic end group-functionalized macromonomer B is an α, ω-diisocyanate is. 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.Method according to claim 7, characterized in that that the provision of the α, ω-diisocyanate by Reaction of an α, ω-diol of Macromonomer B with an isocyanate alkane, in particular a diisocyanate alkane takes place, preferably with 1,6-diisocyanato-2,2,4-trimethylhexane or 1,6-diisocyanato-2,4,4-trimethylhexane (TMDI) or 1,6-diisocyanatohexane. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Umsetzung des α,ω-Diols des Makromonomers B mit dem Isocyanatalkan ein Überschuss von Isocyanatgruppen gegenüber Hydroxylgruppen vorgelegt wird, insbesondere ein molares Verhältnis von Isocyanatgruppen zu Hydroxylgruppen von zumindest 20:1, vorzugsweise von zumindest 50:1 eingestellt wird.Method according to claim 8, characterized in that that in the implementation of the α, ω-diol of Makromonomers B with the isocyanatoalkane an excess of isocyanate groups across from Hydroxyl groups is presented, in particular a molar ratio of Isocyanate groups to hydroxyl groups of at least 20: 1, preferably of at least 50: 1 is set. 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 = 14
Figure 00210001
Method according to 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
Figure 00210001
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Makromere A oder B ein Polyether nach einer der Formeln II bis V oder ein Derivat von diesen ist
Figure 00220001
Method according to 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
Figure 00220001
Alternierendes Multiblockcopolymer, herstellbar nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.Alternating multiblock copolymer, preparable according to the method of any one of claims 1 to 11. Verwendung eines alternierendes Multiblockcopolymers nach Anspruch 12 für biomedizinische Anwendungen.Use of an alternating multiblock copolymer according to claim 12 for biomedical applications.
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