• No results found

Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state"

Copied!
159
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution

and in the solid state

Citation for published version (APA):

Cakir, S. (2012). Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state. Technische Universiteit Eindhoven. https://doi.org/10.6100/IR730916

DOI:

10.6100/IR730916

Document status and date: Published: 01/01/2012 Document Version:

Publisher’s PDF, also known as Version of Record (includes final page, issue and volume numbers) Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

(2)

Polyamide 6 Based Block Copolymers  

 

Synthesized in Solution and in the Solid State 

 

      PROEFSCHRIFT      ter verkrijging van de graad van doctor aan de  Technische Universiteit Eindhoven, op gezag van de  rector magnificus, prof.dr.ir. C.J. van Duijn, voor een  commissie aangewezen door het College voor  Promoties in het openbaar te verdedigen  op maandag 19 maart 2012 om 16.00 uur        door      Seda Çakır      geboren te Giresun, Turkije     

(3)

prof.dr. C.E. Koning 

 

Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state   by Seda Çakır  Technische Universiteit Eindhoven, 2012    A catalogue record is available from the Eindhoven University of Technology Library.  ISBN: 978‐90‐386‐3113‐4    Copyright © 2012, Seda Çakır    Cover design: Taylan Çakır  Printed by: Proefschriftmaken.nl || Printyourthesis.com   Published by: Uitgeverij BOXPress, Oisterwijk 

(4)

      “Ya ölü yıldızlara hayatı götüreceğiz ya da dünyamıza inecek ölüm.”               “Either we bring life to the dead stars or the death will descend to earth.”         Nazım Hikmet 

To my mom, dad, Taylan and İso…

(5)
(6)

Table of contents

Chapter 1  General Introduction  1.1 Introduction to polyamides and polyamide 6                  2    1.2 Crystal structure of polyamide 6             5    1.3 Modification of polyamides            8  1.4 Modification of polyamides by solid‐state polymerization               9  1.5 Objectives and outline of the thesis            12  References         13  Chapter 2  Partially Degradable Polyamide 6‐Polycaprolactone Multiblock Copolymers              2.1 Introduction        18  2.2 Experimental        20    2.2.1 Materials        20    2.2.2 Synthesis of diamine end‐capped PA6        21    2.2.3 Synthesis of hydroxyl end‐capped oligoester          21    2.2.4 Synthesis of diisocyanate end‐capped polycaprolactone        22    2.2.5 Copolymer synthesis        22    2.2.6 Enzymatic and non‐enzymatic hydrolysis          22    2.2.7 Characterization         23      2.2.7.1 Size Exclusion Chromatography (SEC)        24      2.3.7.2 Nuclear Magnetic Resonance (NMR)  Spectroscopy        24      2.3.7.3 Differential Scanning Calorimetry (DSC)            24      2.3.7.4 Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy       24      2.3.7.5 Potentiometric titration                24      2.3.7.6 Scanning Electron Microscopy (SEM)          25  2.3 Results and Discussion        25    2.3.1 Diamine end‐capped PA6           26    2.3.2 Hydroxyl and diisocyanate end‐capped polypropylene adipate      30    2.3.3 Diisocyanate end‐capped PCL (TPCL)        32    2.3.4 Multiblock copolymers of PA6C and TPCL           34    2.3.5 Hydrolytic and enzymatic degradation of PEA‐ASM        39  2.4 Conclusions        42  References        43    Chapter 3  Multiblock Copolymers of Polyamide 6 and Diepoxy Propylene         Adipate Obtained by Solution and Solid‐State Polymerization    3.1 Introduction        46  3.2 Experimental        48    3.2.1 Materials    3.2.2 Model reactions of glycidyl phenyl ether and propanoic acid           48    3.2.3 Synthesis of fully carboxyl end‐capped polyamide 6        48    3.2.4 Polyamide 6‐poly(propylene glycol) diglycidyl ether model   reactions        49    3.2.5 Polyamide 6‐diepoxy propylene adipate reactions         49    3.2.6 Characterization         50 

(7)

    3.2.6.1 Size Exclusion Chromatography (SEC)          50      3.3.6.2 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR)       50      3.3.6.3 Differential Scanning Calorimetry (DSC)        50      3.3.6.4 Thermogravimetric Analysis (TGA)          51      3.3.6.5 Potentiometric titration        51  3.3 Results and Discussion        51    3.3.1 Model reactions with glycidyl phenyl ether and propanoic acid       51    3.3.2 Model reactions with poly(propylene glycol) diglycidyl ether   (PPGE) and PA6          54    3.3.3 Diepoxy propylene adipate (DEPA) and PA6 reactions         63  3.4 Conclusions        70  References        71    Chapter 4  Incorporation of a Semi‐Aromatic Nylon Salt into Polyamide 6 by          Solid State or Melt Polymerization    4.1 Introduction        74  4.2 Experimental        75    4.2.1 Materials         75    4.2.2 Dytek A‐isophthalic acid salt preparation          76    4.2.3 Solution mixing of PA6/Dytek A‐IPA nylon salt in HFIP        76    4.2.4 Solid‐state polymerization (SSP)                76    4.2.5 Melt polymerizations        78      4.2.5.1 Caprolactam (CL)/Dytek A‐IPA salt          78      4.2.5.2 Dytek A‐IPA homopolymer          78    4.2.6 Characterization            79      4.2.6.1 Size Exclusion Chromatography (SEC)        79      4.2.6.2 Differential Scanning Calorimetry (DSC)        79      4.2.6.3 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy           79      4.2.6.4 Potentiometric titration        80  4.3 Results and Discussion        80  4.3.1 Low molecular weight PA6/Dytek A‐IPA copolyamides via SSP   and MP        83    4.3.1.1 Molecular characterization of PA6/Dytek A‐IPA   copolyamides by 1H NMR, SEC and titration          83  4.3.1.2 Thermal properties of PA6/Dytek A‐IPA copolyamides          90  4.3.2 High molecular weight PA6/Dytek A‐IPA copolyamides via SSP and MP      93    4.3.2.1 Molecular characterization of PA6/Dytek A‐IPA   copolyamides         93  4.3.2.2 Sequence distribution and degree of randomness   analysis by 13C NMR        96  4.3.3.3 Thermal properties of the copolyamides prepared   with limited Dytek A loss       101  4.4 Conclusions      107  References      108       

(8)

  Chapter 5 Investigation of Local Chain Conformation and Morphology of         Polyamide 6 Modified by a Semi‐Aromatic Nylon Salt    5.1 Introduction      112  5.2 Experimental      114    5.2.1 Wide Angle X‐Ray Diffraction (WAXD)      114    5.2.2 Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy        114    5.2.3 Solid State NMR       115  5.3 Results and Discussion      115    5.3.1 WAXD studies      116    5.3.2 FTIR analysis      117    5.3.3 Solid State NMR analysis      121  5.4 Conclusions      126  References      126  Chapter 6  Epilogue and technology assessment          129  Appendix                  133  Summary                  137  Acknowledgements                141  List of publications                145  Curriculum vitae        146                     

(9)

     

(10)

Glossary 

α    Alpha form  γ    Gamma form  ∆HC    Enthalpy of crystallization  ∆Hm    Enthalpy of melting   [NH2]     Amine end group content    [COOH]    Carboxylic acid end group content  1H NMR    Hydrogen‐1 nuclear magnetic resonance spectroscopy  13 C NMR   Carbon‐13 nuclear magnetic resonance spectroscopy  AA    Adipic acid   ACA    6‐Aminocaproic acid   ATR    Attenuated total reflectance  C    Concentration or carbon  CDCl3    Deuterated chloroform   CL    ‐Caprolactam   CP/MAS NMR  Cross‐polarization magic angle spinning NMR spectroscopy   D2O     Deuterium oxide   DBD    Dibutyltin dilaurate   DEPA    Diepoxy propylene adipate   DMA    Dimethyl adipate   DMAP    4‐Dimethylaminopyridine   DMSO    Dimethyl sulfoxide   DSC    Dynamic scanning calorimetry  DyI    Dytek A‐isophthalic acid salt  Dytek A    1,5‐diamino‐2‐methylpentane   FTIR    Fourier transform infrared spectroscopy  GPE    Glycidyl phenyl ether   HCl    Hydrochloric cid  HFIP    1,1,1,3,3,3‐Hexafluoro‐2‐propanol  

(11)

IPA    Isopropanol or isophthalic acid  L    Number average block length  Mn    Number average molecular weight  Mw    Weight average molecular weight  meq    Milliequivalent  MP    Melt polymerization  Mp    Peak maximum  MW    Molecular weight  p    Conversion  PA    Polyamide   PBS    Phosphate buffered saline  PCL    Polycaprolactone diol   PD    1,3‐Propane diol   PDI    Polydispersity  PE    Polyester  PEA    Polyesteramide  PEA‐ASM  Polyesteramide after solution mixing  PPA    Polypropylene adipate or propanoic acid   PPGE    Poly(propylene glycol) diglycidyl ether   p‐XDA    p‐Xylylenediamine   r     Ratio of the reactants   R    Degree of randomness  RT    Room temperature  SEC     Size exclusion chromatography  SEM    Scanning electron microscopy  SH    Salt homopolymer  SSP    Solid‐state polymerization   T5%     Temperature at 5% weight  loss  Tc    Crystallization temperature  Tg    Glass transition temperature 

(12)

Tm    Melting temperature  TBO    Titanium(IV)butoxide   TDI    Toluene 2,4‐diisocyanate   TEA     Triethylamine   TFE    2,2,2‐Trifluoroethanol   TGA    Thermogravimetric analysis  THF    Tetrahydrofuran   TPCL    Toluene diisocyanate end capped polycaprolactone  VT    Variable‐temperature   WAXD    Wide angle X‐ray diffraction   Xc    Percent crystallinity  Xn     Degree of polymerization

(13)
(14)

CHAPTER

 

1

 

 

G

ENERAL 

I

NTRODUCTION

 

Summary  

In  this  chapter  a  general  introduction  to  polyamides  and  specifically  to  polyamide  6  is  given.  Synthetic  techniques  for  the  production  of  PA6  as well  as  its  crystal  structure are  described.  Possible  modification  techniques  of  the  polyamides  are  covered  and  modification by solid‐state polymerization is discussed in detail. Finally, the objectives and  the outline of this thesis are explained.     

 

 

 

 

(15)

1.1 Introduction to polyamides and polyamide 6 

Polyamide, in its fully aliphatic form also known as nylon, is the first commercial synthetic  polymer  entering  modern  life.  The  chemical  structure  is  similar  to  that  of  proteins  and  polypeptides  such  as  silk  and  wool,  which  are  formed  by  the  coupling  of  amino  acids  in  nature. Polyamides have a repeating amide group (–CONH–) in their molecular structure  and  the  type  of  the  repeating  unit  determines  the  properties  of  the  polyamides.  The  structure  of  the  amide  bond  and  the  chain  dimensions  are  represented  in  Figure  1.1  as  postulated by Flory in 1953.1 The first commercial polyamide was invented by the research  group  of  Wallace  Carothers  at  Du  Pont  in  1935  and  was  presented  as  the  world’s  first  synthetic fiber. The polymer was called Nylon 66 (PA66) because of the six carbons in the  diamine  and  respectively  the  diacid  residues.2  So,  here  the  repeat  unit  consists  of  two  monomeric  residues.  The  reaction  for  the  preparation  of  PA66  is  shown  in  Figure  1.2.  Commercialization of Nylon 66 replaced the usage of silk and in first instance it was used  for military supplies such as parachutes, vests, tires and ropes. 

 

Figure 1.1 Structure and the dimensions of the amide group in aliphatic polyamides. 

Figure 1.2 Reaction scheme for the synthesis of Polyamide 66.  

A  few  years  after  the  invention  of  PA66,  in  1938,  Paul  Schlack  and  his  co‐workers  at  IG  Farben  were  able  to  make  a  polyamide  out  of  one  starting  material  which  was  named 

(16)

Polyamide  6  (PA6).3  In  this  case  the  ‘6’  stands  for  the  total  number  of  carbon  atoms  present  in  the  single  amino  acid  residue  representing  the  repeat  unit.  In  1940  the  first  polyamide  stockings  were  introduced  to  the  American  market.  Up  till  1950  almost  the  total  polyamide  market  consisted  of  PA66.  Thereafter  PA6  slowly  found  its  place.4  Later  on,  many  other  polyamides  were  introduced  to  the  market  such  as  PA69,  PA610,  PA11,  PA12  and  PA46  as  well  as  aromatic  polyamides.  The  type  of  polyamide  based  on  amino  acids  is  called  an  AB polymer,  whereas  a  polyamide  based  on  diamines  and  dicarboxylic  acids is a polymer of the AABB type.  

The  most  common  synthetic  technique  for  the  preparation  of  PA6  is  the  hydrolytic  ring  opening  polymerization  of  ε‐caprolactam  (CL)  at  250‐270  °C.  This  technique  consists  of  three equilibrium reactions as shown in Figure 1.3.  The first step involves the hydrolysis  of  CL  forming  ε‐aminocaproic  acid  followed  by  the  direct  addition  by  ring  opening  polymerization (ROP) of CL to the amine end group of a growing chain (which can also be  the ε‐aminocaproic acid). Finally, the polycondensation reaction between the amine and  carboxylic  acid  end  groups  leads  to  high  molecular  weight  product  where  water  is  released.  In  practice,  the  ROP  and  the  polycondensation  reaction  occur  simultaneously  during a significant part of the process. 

Figure  1.3  Hydrolytic  ring  opening  polymerization  of  ε‐caprolactam  for  the  synthesis  of  Polyamide  6.  Hydrolytic  ring  opening  of  ε‐caprolactam  (1),  addition  reaction  of  ε‐ caprolactam to a growing chain, the CL ROP (2) and polycondensation reaction between  the end groups (3).  

(17)

The  PA6  polymerization  consists  of  equilibrium  reactions  and  at  the  polymerization  temperature  around  260  °C  at  the  end  of  process  there  are  always  around  10  wt%  unreacted CL and cyclic oligomers present. These cyclic compounds, mainly CL, are formed  by back biting reactions. Therefore, these low molecular weight extractables are removed  by extraction with water after the reaction.  

PA6  is  predominantly  produced  by  a  continuous  multi‐step  process  in  industry  as  schematically shown  in  Figure  1.4.5,  6  CL and  water  enter  the top  of  the  VK  (Vereinfacht  Kontinuierlich) tube, which operates at about 250 °C and 1 atm. As the polymer forms it  moves  down  the  column  with  increasing  viscosity  and  a  mixture  of  polymer,  unreacted  monomer,  water  and  water  soluable  oligomers  exits  the  bottom  of  the  VK  tube.  This  mixture enters a pelletizer, and the pellets containing extractables enter the top of a hot‐ water  leacher.  Water  and  the  product  stream  of  the  VK  tube  flow  countercurrently  to  remove caprolactam and oligomers from the polymer pellets. Finally, the extracted pellets  enter  a  solid‐state  polymerization  reactor.  Dry  nitrogen  gas  entering  the  bottom  of  the  reactor increases the temperature and drives the reaction equilibrium forward, leading to  the formation of higher molecular weight polyamide 6 (Mn=24‐32 kg/mol).  

  Figure 1.4 VK tube process for PA6 production.5  

(18)

Today,  PA6  and  PA66  continue  being  the  most  widely  produced  commercial  products  among  all  polyamides  accounting  for  90%  of  the  nylon  manufactured  globally  (3.4  x  106  ton/year).7  Nylon  has  replaced  metal  for  mechanical  performance  by  serving  as  an  engineering plastic  with good  stiffness,  strength, toughness,  resistance  to  chemicals and  thermal  stability.  The  chemistry  and  properties  of  polyamides  and  specifically  PA6  were  well described by several authors.6,  8‐10 PA6 is mostly used for automotive, electrical and  packaging  applications.  Additives  used  during  the  production  provide  end‐products  for  various applications. Drawback of PA6 is the relatively high moisture absorption (9.5% at  100%  relative  humidity  and  22  °C),  which  results  in  a  plasticizing  effect  and  enhances  toughness  due  to  the  drop  of  the  glass  transition  temperature  to  a  value  below  room  temperature.6  

1.2 Crystal structure of polyamide 6 

Polyamides are semi‐crystalline polymers having regular crystalline lamellae separated by  amorphous  regions  at  room  temperature.  Semi‐crystallinity  of  polymers  is  desired  for  many  applications  where  the  crystalline  part  provides  strength,  stiffness  and  chemical  resistance and the amorphous region provides flexibility and toughness. One of the main  characteristics of the polyamides is the ability of the –N–H group to form strong intra and  intermolecular  hydrogen  bonds  with  the  –C=O  group  in  the  amide  linkages  within  the  same or neighboring chains. The chains are oriented in a way to maximize the hydrogen  bonding  which  also  provides  high  regularity  (Figure  1.5.c).11‐13  The  character  of  the  hydrogen bonds and the electrostatic attraction between the electric dipoles contribute to  the strength of the amide‐amide interactions.14 During the glass transition around 47‐57  °C dipolar interactions are broken, whereas during the melting process at 220‐223 °C most  of the hydrogen bonds are broken.15  

Although during the early years of polymer science polymer crystals were believed to be  formed  according  to  the  fringed  micelle  model,  Keller  in  195716  showed  that  polymer  chains are folding back and forth on themselves where folds occur at the faces as shown  in  Figure  1.5.a  according to his electron diffraction experiments. This model was called 

(19)

the  “adjacent  re‐entry  model”  and  was  shown  to  be  more  predominant  for  solution‐ grown  crystals  than  for  crystals  grown  from  the  melt.  Low  molecular  weight  polymers  tend  to  fold  into  this  structure  as  well.17  This  model  is  also  divided  into  two  different  forms:  the  smooth  surface  model  or  the  rough  surface  model  where  there  is  a  sharp  boundary between the crystal and the amorphous phase in the former model while large  variations  in  the  fold  length  may  exist  in  the  latter  one.18  Later  Flory  suggested  that  a  “switchboard model” is more probable for melt‐grown crystals where chains are randomly  folding back into the same lamellae as shown in Figure 1.5.b.19 In this model the amount  of adjacent re‐entry is small since the conditions are far from equilibrium so that adjacent  folding depends on molecular weight and molecular architecture.20, 21 The driving force for  the chain to uncoil from a high entropy conformation is the lowering of the enthalpy due  to  the  formation  of  favorable  secondary  H‐bonding  interactions.  The  extent  to  which  a  polymer will crystallize is determined firstly by thermodynamic forces favoring maximum  potential  crystallinity  at  equilibrium,  and  secondly  by  the  kinetic  forces  determining  the  rate and extent to which the polymer may actually approach such a theoretical maximum  degree  of  crystallinity.  Thermodynamic  forces  that  can  be  mentioned  are  regularity,  symmetry, even or odd number of atoms in the monomeric unit, polarity and branching,  while the kinetic forces include molecular flexibility and processing conditions.21 

 

 

Figure  1.5  Two  main  fold  models  of  polymer  crystals:  adjacent  re‐entry  model  (a),  switchboard model (b) and intramolecular hydrogen bonding in PA6 (c). 

(20)

In  the  most  ideal  PA6  crystallization  case,  i.e.  from  solution,  chain  folding  and  the  formation  of  hydrogen  bonds  occur  in  lamellar  sheets,  named  β‐sheets,  as  shown  in  Figure  1.5.  The  lowest  enthalpy  level  for  a  folded  molecule  results  in  intramolecular  hydrogen  bonding  which  is  only  formed  within  the  sheets.  The  sheets  are  connected  to  each other by van der Waals interactions. The most stable crystal packing for PA6 is called  the  “α”  form.  This  phase  consists  of  molecules  in  an  extended  chain  conformation  with  hydrogen bonds between anti‐parallel chains (see anti‐parallel orientation in Figure 1.6.a).  In this case within each β‐sheet all possible H‐bonds can be formed without any problem,  which  is  why  this  crystal  form  is  the  most  stable  one.  In  the  second  form,  which  is  less  stable and is called the “γ” form, the chains within one β‐sheet are oriented in the parallel  form (Figure 1.6.b) and complete H‐bonding is only possible if the chains are somewhat  distorted.  The  amide  groups  are  twisted  out  of  the  plane  of  the  methylene  groups,  shortening  the  chain  repeat  distance  and  permitting  intermolecular  hydrogen  bonding  between the parallel chains.11, 22‐27 Both forms are shown in Figure 1.6.  

(21)

1.3 Modification of polyamides 

In  most  cases  polyamides  are  modified  for  industrial  applications  to  end  up  with  better  properties  in  line  with  the  desired  applications.  In  this  way,  properties  of  the  bulk  polyamide  can  be  modified  to  yield  more  flexibility,  longer  pack  life,  increased  glass  transition  temperature,  lower  melting  temperature,  higher  thermal/solvent/abrasion  resistance,  enhanced  flame  retardancy,  improved  shrinkage  and  mechanical  properties,  etc.  All  of  these  improvements  can  usually  be  obtained  without  following  expensive  production routes.  

The  most common  technique  used  for  this  modification  is  to  copolymerize  the  standard  monomers  of  a  specific  polyamide  with  desired  comonomers  in  the  melt  by  which  a  random  distribution  of  the  property‐changing  comonomers  is  obtained.  Another  technique  is  blending  the  specific  PA  with  a  polymer  improving  the  desired  properties  where  the  components  are  mixed  only  to  some  level  to  make  a  physical  mixture.  If  a  physical  mixture  of  two  step‐growth  polymers  is  held  in  the  molten  state,  interchain  reactions  can  take  place  yielding  block‐like  copolymers  which  will  convert  into  a  totally  random microstructure as the reaction proceeds.  

For  instance  a  melt  reaction  of  AB  type  monomers  with  AA  and  BB  type  monomers  will  result in a copolyamide with both AB and AABB type structures.  However, depressions in  melting and crystallization temperatures to below the original values of both polymers are  obtained  in  the  end.28‐31  This  behavior  is  well  described  by  Flory32  and  Jo  et  al.33  theoretically.  This  depression  might  be  prevented  by  blending  two  types  of  homopolyamides  for  just  a  sufficient  time,  or  by  sequential  addition  of  monomers  and  preventing transamidation reactions, by which block‐like copolymers can be obtained.34, 35   The  advantage  of  such  blocky  structures  is  that  the  physical  properties  of  both  original  polyamides  are  still  present  in  the  final  material,  whereas  a  completely  random  copolyamide  might  lose  the  crystallinity  and  favorable  physical  properties  of  both  blend  components. 

(22)

Copolymerization of polyamides with non‐amidic units is also possible and widely used to  make  copolymers  like  poly(ester  amide)s,  poly(ether  amide)s,  poly(urea  amide)s  and  poly(urethane  amide)s  where  the  strength,  crystallinity  and  thermal  stability  of  the  polyamide can be combined with the desired properties of the other polymer type by the  addition  of  the  other  components.  Polyesteramides  have  gained  much  interest,  mainly  due to enhanced biodegradability by the incorporation of ester linkages. Polyamides are  well known to be highly resistant to biodegradation in nature; however, it has been shown  that  the  combination  with  aliphatic  ester  groups  makes  it  liable  to  hydrolytic  and  enzymatic degradation. Preparation of biomaterials for tissue engineering or drug delivery  is  also  possible  by  this  method.36‐40  Different  synthetic  approaches  such  as  ring  opening  polymerization,  ester‐amide  interchange  reactions,  anionic  polymerization,  interfacial  polymerization  and  polycondensation  in  the  melt  can  be  used.41‐56  It  is  also  possible  to  enhance  properties  like  lower  moisture  absorption  and  better  dimensional  stability  by  incorporating  polyesters  such  as  polyethylene  terephthalate  (PET).57‐63  Thermoplastic  polyether‐block‐amides  (PEBA)  elastomers  are  also  an  interesting  class  of  copolymers  where  hard  segments  consisting  of  crystallizable  polyamide  blocks  provide  the  strength  and the soft ether blocks provide the flexibility. In these PEBAs hard segments can interact  with  each  other  by  hydrogen  bonds.64‐67  Preparation  of  poly(urea  amide)s  and  poly(urethane  amide)s  give  the  possibility  to  obtain  polyureas  or  polyurethanes  with  improved  thermal,  mechanical  and  solvent  resistance 68‐72  or  dendritic  self‐assembly  structures.73, 74 

1.4 Modification of polyamides by solid‐state polymerization  

Solid‐state  polymerization  (SSP)  implies  heating  the  starting  material,  being  either  dry  monomers  or  the  prepolymer,  at  a  temperature  above  the  glass  transition  temperature  but below the melting temperature , so that the mobile reactive groups are able to react  but the material does not become sticky or a fluid. By‐products are removed by passing  inert  gas  through  the  reaction  medium  or  by  maintaining  reduced  pressure.  If  SSP  is  performed starting with dry monomers it is referred to as direct SSP, whereas the latter is 

(23)

called  post‐SSP  (or  solid  state  postcondensation).  Although  SSP  can  be  used  for  chain‐ growth  polymers  in  industry  it  is  mainly  used  for  polyamides  and  polyesters.    It  is  for  example an important finishing technique to obtain high molecular weight polyamides (Mn  > 25 kg/mol) suitable for spinning, extrusion and injection.75  

The  kinetics  and  the  influence  of  various  parameters  involved  in  the  SSP  reactions  of  polyamides75‐83  and  polyesters76,  81‐84  have  been  investigated  by  several  research  groups  until now. There are four main steps governing the rate of SSP:75, 82 

i) The  intrinsic  kinetics  of  the  chemical  reaction  where  the  reaction  temperature and the presence of catalyst are the most important factors.  ii) The  diffusion of  the  reactive  end  groups  which  is  mainly dependent  on  the 

reaction temperature, initial prepolymer molecular weight and crystallinity.  iii) The diffusion of the condensate in the solid reacting mass which is affected 

by the reaction temperature, particle size, gas flow rate and the presence of  the catalyst. 

iv) The  transfer  of  the  condensate  from the  reacting  mass  surface  to  the  inert  gas. Similar parameters as in the previous item (iii) are important.  

The  intermolecular  exchange  reactions  involved  in  the  SSP  of  polyamides  are  acidolysis,  aminolysis and amidolysis reactions as shown in Figure 1.7.75,  85 Acidolysis is the reaction  between an alkyl carboxyl group and an amide linkage, aminolysis is the reaction between  an alkyl amine and an amide group, whereas the amidolysis is the reaction between two  amide groups. All these reactions result in linear products such as polyamides, oligomers  and  by‐products.  On  the  other  hand,  intramolecular  reactions  result  in  the  formation of  cyclic compounds.  

(24)

  Figure 1.7 Exchange reactions of polyamides: acidolysis (1), aminolysis (2), amidolysis (3).  Possible  side  reactions  observed  after  long  reaction  times  during  SSP  of  polyamides  involve  the  formation  of  a  secondary  amine  group  from  the  reaction  of  two  amine  end  groups which, after the reaction with a carboxyl end group, forms branched structures in  the case of an AB type polyamide (like PA6) and crosslinked structures in the case of an  AABB type of PA. Crosslinking is especially observed in case of PA66.86 During the SSP of  PA46  the  formation  of  high  molecular  weight  polymers  is  inhibited  by  pyrrolidine  formation, which is a chain stopper (Figure 1.8).87 The reaction of pyrrolidine end groups  with  water  results  in  carboxyl  end‐capped  polymer  chains  which  act  as  terminating  agents.  

 

Figure 1.8 Pyrrolidine end‐group formation and its reaction with water to form carboxyl‐ terminated chains.  SSP is a very efficient and mild technique not only to reach high molecular weight step‐ growth polymers without having too many side reactions or without suffering from a very  high melt viscosity, but also to incorporate other monomers/polymers into the main chain  of the step‐growth polymer. As discussed in the previous section, most of the modification  techniques  for  semi‐crystalline  polymers  lead  to  randomization  by  which  the  crystalline 

(25)

phase  is  deteriorated,  and  as  a  result,  mechanical  and  physical  properties  are  reduced.  However, SSP gives the possibility to modify step‐growth polymers by transreactions (see  Figure 1.7) without the entire deterioration of the crystalline behavior. Previously, a three  phase  model  has  been  proposed  for  semi‐crystalline  polymers  which  consists  of  a  crystalline  fraction,  mobile  amorphous  fraction  (MAF)  and  rigid  amorphous  fraction  (RAF).88, 89 During the SSP reactions, it is expected that only the mobile amorphous phase  takes  part  in  the  aminolysis,  acidolysis  and  amidolysis  reactions  so  that  the  crystalline  phase remains intact. This modification is represented in the picture in the first pages of  this chapter and in Chapter 4. This concept accordingly should result in a block copolymer  structure  with  crystalline  homopolymer  blocks  and  chemically  modified  and  usually  amorphous  copolymer  blocks.  By  this  way,  comonomers/polymers  can  be  incorporated  into  PA6  backbone  in  the  solid  state  and  the  resulting  copolymers  can  retain  their  high  melting  temperatures,  crystallization  rates  and  good  mechanical/physical  properties.  Recently,  Jansen  et  al.89‐93  and  Sablong  et  al.94,  95  studied  the  incorporation  of  diol  monomers  into  poly(butylene  terephthalate)  (PBT)  above  Tg  but  below  the  melting  temperature  of  PBT.  Jansen  and  coworkers  showed  for  the  first  time  that  copolyesters  with  non‐random  distributions  and  high  molecular  weights  were  obtained  after  solution  mixing of both components in a common solvent followed by subsequent removal of the  solvent  and  SSP.  Comparison  with  melt‐polymerized  samples  proved  the  superior  properties  obtained  after  the  modification  by  SSP.  Molecular  and  morphological  structures  were  studied  in  detail  via  SEC,  DSC, 1H  NMR  and  13C  NMR  and  blocky  microstructures were indeed confirmed after SSP reactions.  

1.5 Objectives and outline of the thesis 

The  objective  of  the  work  described  in  this  thesis  is  to  chemically  modify  polyamide  6  (PA6)  for  realizing  enhanced  properties  by  solution  and/or  solid‐state  polymerization  in  such  a  way  that  good  material  properties  can  be  retained.  One  of  the  aims  is  to  make  partially degradable PA6 by incorporating hydrolyzable ester groups into the backbone of  PA6. This can be done either in solution or in the solid state, depending on the functional 

(26)

end groups which connect the short polyamide and oligoester/polyester blocks together.  In  this  way  multiblock  copolymers  of  polyamide‐polyester  can  be  prepared  so  that  degradability  is  obtained  in addition  to  the  good  properties  of  PA6.  Chapter 2  describes  the  incorporation  of  diisocyanate  end‐capped  polyester  into  amino  end‐capped  PA6  in  solution, whereas in Chapter 3 the incorporation of an epoxide end‐capped oligoester into  carboxylic acid end‐capped PA6 is reported. Another aspect is to show that high molecular  weight PA6 can be modified below its melting temperature by selective incorporation of a  nylon salt where the salt is only incorporated in the amorphous phase, excluding the large  crystalline fractions from the transreactions. For this purpose, as described in Chapter 4, a  semi‐aromatic  nylon  salt  with  an  irregular  structure  was  chosen  so  that  it  cannot  co‐ crystallize  with  the  crystallizable  PA6  segments  and  can  be  easily  forced  into  the  amorphous phase. It was shown that incorporation of the nylon salt into the amorphous  phase  via  intermolecular  exchange  reactions  without  the  deterioration  of  the  crystalline  phase  is  indeed  possible.  The  effects  of  salt  composition,  reaction  temperature  and  reaction time were investigated. Detailed characterization in terms of molecular weights,  thermal properties and blockiness were performed. Morphological changes obtained after  the  SSP  reactions  via  heating  up  to  the  melting  temperature  of  the  blocky  copolyamide  are also presented in Chapter 5. The thesis ends with a technology assessment (Chapter  6), describing the possible industrial implementation of the promising SSP concept for PA6  modification.     References  1. Flory, P. J. Statistical Mechanics of Chain Molecules. Wiley‐Interscience: New York, 1969.  2. Carothers, W. H. US 2071250, 1937.  3. Schlack, P. US 2241321, 1941. 

4. Koslowski,  H.  J.,  Dictionary  Of  Man‐Made  Fibers:Terms,  Figures,  Trademarks.  International  Business  Press: 1998. 

5. Seavey, K. C.; Liu, Y. A. Step‐Growth Polymerization Process Modeling and Product Design. John Wiley  & Sons, Inc: 2008. 

(27)

7. Nylon 6, retrieved on October 10, 2011, from  http://www.chemsystems.com/about/cs/news/items/PERP%200708S6_Nylon%206.cfm.  8. Galanty, P. G. Nylon 6. Oxford University Press: 1999.  9. Marchildon, K. Macromol. React. Eng. 2011, 5, (1), 22‐54.  10. Aharoni, S. M. n‐Nylons Wiley: Chichester, New York, Weinheim, Brisbane, Singapore, Toronto, 1997.  11. Murthy, N. S. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2006, 44, (13), 1763‐1782.  12. Schroeder, L. R.; Cooper, S. L. J. Appl. Phys. 1976, 47, (10), 4310‐4317.  13. Vinken, E.; Terry, A. E.; Hoffmann, S.; Vanhaecht, B.; Koning, C. E.; Rastogi, S. Macromolecules 2006,  39, (7), 2546‐2552.  14. Garcia, D.; Starkweather, H. W. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 1985, 23, (3), 537‐555.  15. Botta, A.; Decandia, F.; Palumbo, R. J. Appl. Polym. Sci. 1985, 30, (4), 1669‐1677.  16. Keller, A. Phil. Mag. 1957, 2, (21), 1171‐1175. 

17. Elias,  H.  G.  Macromolecules:  Volume  3:  Physical  Structures  and  Properties.  Wiley‐VCH:  Weinheim, 

2008. 

18. Hoffman, J. D.; Lauritzen, J. I. J. Res. Nat. Bur. Stand. 1961, A 65, (4), 297‐&.  19. Flory, P. J. J. Am. Chem. Soc. 1962, 84, (15), 2857‐&. 

20. Rastogi,  S.;  Lippits,  D.;  Terry,  A.;  Lemstra,  P.;  Reiter,  G.;  Strobl,  G.  Progress  in  Understanding  of  Polymer Crystallization. In Springer Berlin / Heidelberg: 2007; Vol. 714, pp 285‐327.  21. Dhanvijay, P. U.; Shertukde, V. V. Polym. Plast. Technol. Eng. 2011, 50, (13), 1289‐1304.  22. Li, Y.; Goddard, W. A. Macromolecules 2002, 35, (22), 8440‐8455.  23. Parker, J. P.; Lindenmeyer, P. H. J. Appl. Polym. Sci. 1977, 21, (3), 821‐837.  24. Hatfield, G. R.; Glans, J. H.; Hammond, W. B. Macromolecules 1990, 23, (6), 1654‐1658.  25. Arimoto, H. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1964, 2, (5), 2283‐2295.  26. Arimoto, H.; Ishibashi, M.; Hirai, M.; Chatani, Y. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1965, 3, (1), 317‐ 326.  27. Holmes, D. R.; Bunn, C. W.; Smith, D. J. J. Polym. Sci. 1955, 17, (84), 159‐177.  28. Harvey, E. D.; Hybart, F. J. J. Appl. Polym. Sci. 1970, 14, (8), 2133‐2143.  29. Suehiro, K.; Egashira, T.; Imamura, K.; Nagano, Y. Acta Polym. 1989, 40, (1), 4‐8.  30. Johnson, C. G.; Cypcar, C. C.; Mathias, L. J. Macromolecules 1995, 28, (25), 8535‐8540. 

31. Stouffer,  J.  M.;  Starkweather  Jr,  H.  W.;  Hsiao,  B.  S.;  Avakian,  P.;  Jones,  G.  A.  Polymer  1996,  37,  (7),  1217‐1228.  32. Flory, P. J. J. Chem. Phys. 1949, 17, (3), 223‐240.  33. Jo, W. H.; Baik, D. H. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 1989, 27, (3), 673‐687.  34. Williamson, D. T.; Wilson, T.; Forrester, M. E. US 2007293629  (A1), 2007.  35. Coffman, D. D. US 2193529, 1940.  36. Hemmrich, K.; Meersch, M.; Wiesemann, U.; Salber, J.; Klee, D.; Gries, T.; Pallua, N. Tissue Eng. 2006,  12, (12), 3557‐3565.  37. Mihov, G.; Draaisma, G.; Dias, A.; Turnell, B.; Gomurashvili, Z. J. Controlled Release 2010, 148, (1), 46‐ 47.  38. Okada, M. Prog. Polym. Sci. 2002, 27, (1), 87‐133.  39. Katsarava, R.; Beridze, V.; Arabuli, N.; Kharadze, D.; Chu, C. C.; Won, C. Y. J. Polym. Sci., Part A: Polym.  Chem. 1999, 37, (4), 391‐407.  40. Guo, K.; Chu, C. C. J. Biomed. Mater. Res. Part B: Appl. Biomat. 2009, 89B, (2), 491‐500. 

41. Deshayes,  G.;  Delcourt,  C.;  Verbruggen,  I.;  Trouillet‐Fonti,  L.;  Touraud,  F.;  Fleury,  E.;  Degee,  P.;  Destarac, M.; Willem, R.; Dubois, P. React. Funct. Polym. 2008, 68, (9), 1392‐1407. 

42. Ellis, T. S. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 1993, 31, (9), 1109‐1125. 

43. Alla, A.; Rodriguez‐Galan, A.; Martinez de llarduya, A.; Munoz‐Guerra, S. Polymer 1997, 38, (19), 4935‐ 4944. 

(28)

44. Lips, P. A. M.; Broos, R.; van Heeringen, M. J. M.; Dijkstra, P. J.; Feijen, J. Polymer 2005, 46, (19), 7834‐ 7842.  45. Ferre T.; Franco, L.; Rodriguez‐Galan, A.; Puiggali, J. Polymer 2003, 44, (20), 6139‐6152.  46. Villuendas, I.; Molina, I.; Regano, C.; Bueno, M.; Martinez de Ilarduya, A.; Galbis, J. A.; Munoz‐Guerra,  S. Macromolecules 1999, 32, (24), 8033‐8040.  47. Chromcova, D.; Baslerova, L.; Roda, J.; Brozek, J. Eur. Polym. J. 2008, 44, (6), 1733‐1742.  48. Tokiwa, Y.; Suzuki, T.; Ando, T. J. Appl. Polym. Sci. 1979, 24, (7), 1701‐1711.  49. Goodman, I.; Kehayoglou, A. H. Eur. Polym. J. 1983, 19, (4), 321‐325.  50. Gonsalves, K. E.; Chen, X.; Cameron, J. A. Macromolecules 1992, 25, (12), 3309‐3312.  51. Chromcova, D.; Bernaskova, A.; Brozek, J.; Prokopova, I.; Roda, J.; Nahlik, J.; Sasek, V. Polym. Degrad.  Stab. 2005, 90, (3), 546‐554.  52. Jakisch, L.; Komber, H.; Bohme, F. Macromol. Mat.  Eng. 2007, 292, (5), 557‐570.  53. Ramaraj, B.; Poomalai, P. J. Appl. Polym. Sci. 2005, 98, (6), 2339‐2346.  54. Kim, I.; White, J. L. J.Appl. Polym. Sci. 2003, 90, (14), 3797‐3805.  55. Stapert, H. R.; Bouwens, A. M.; Dijkstra, P. J.; Feijen, J. Macromol. Chem. Phys. 1999, 200, (8), 1921‐ 1929.  56. Luckachan, G. E.; Pillai, C. K. S. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2006, 44, (10), 3250‐3260.  57. Gaymans, R. J. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1985, 23, (5), 1599‐1605.  58. Gaymans, R. J.; Aalto, S.; Maurer, F. H. J. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1989, 27, (2), 423‐430.  59. Persyn,  O.;  Miri,  V.;  Lefebvre,  J.  M.;  Ferreiro,  V.;  Brink,  T.;  Stroeks,  A.  J.  Polym.  Sci.,  Part  B:  Polym. 

Phys. 2006, 44, (12), 1690‐1701.  60. Retolaza, A.; Eguiazábal, J. I.; Nazábal, J. J. Appl. Polym. Sci. 2005, 97, (2), 564‐574.  61. Aharoni, S. M. Int. J. Polymer. Mater. 1997, 38, (3‐4), 173‐203.  62. Denchev, Z.; Kricheldorf, H. R.; Fakirov, S. Macromol. Chem. Phys. 2001, 202, (4), 574‐586.  63. Bailly, C. M. E.; Chisholm, B.; De Jongh, R.; De Wit, G. US 5731389 (A), 1998.  64. Gupta, A.; Singhal, R.; Nagpal, A. K. J. Appl. Polym. Sci. 2004, 92, (2), 687‐697.  65. Sheth, J. P.; Xu, J. N.; Wilkes, G. L. Polymer 2003, 44, (3), 743‐756.  66. Yu, Y. C.; Jo, W. H. J. Appl. Polym. Sci. 1995, 56, (8), 895‐904.  67. Gaymans, R. J.; Schwering, P.; Dehaan, J. L. Polymer 1989, 30, (6), 974‐977.  68. Dutta, S.; Karak, N. Prog. Org. Coat. 2005, 53, (2), 147‐152.  69. Takeichi, T.; Suefuji, K.; Inoue, K. Polym. J. 2002, 34, (6), 455‐460.  70. Tanzi, M. C.; Barzaghi, B.; Anouchinsky, R.; Bilenkis, S.; Penhasi, A.; Cohn, D. Biomaterials 1992, 13, (7),  425‐431.  71. Arun, A.; Dullaert, K.; Gaymans, R. J. Macromol. Chem. Phys. 2009, 210, (1), 48‐59.  72. Gonzalez‐de los Santos, E. A.; Lopez‐Rodriguez, A. S.; Lozano‐Gonzalez, M. J.; Soriano‐Corral, F. J. Appl.  Polym. Sci. 2001, 80, (13), 2483‐2494.  73. Yang, M.; Wang, W.; Lieberwirth, I.; Wegner, G. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, (17), 6283‐6292.  74. Yang, M.; Zhang, Z.; Yuan, F.; Wang, W.; Hess, S.; Lienkamp, K.; Lieberwirth, I.; Wegner, G. Chem. Eur.  J. 2008, 14, (11), 3330‐3337.  75. Vouyiouka, S. N.; Papaspyrides, C. D., Kinetic Aspects of Polyamide Solid State Polymerization. Wiley:  New Jersey, 2009.  76. Fakirov, S. Solid State Reactions In Linear Polycondensates Prentice Hall: New Jersey, 1990.  77. Gaymans, R. J.; Amirtharaj, J.; Kamp, H. J. Appl. Polym. Sci. 1982, 27, (7), 2513‐2526.  78. Mizerovskii, L. N.; Bazarov, Y. M. Fibre Chem. 2006, 38, (4), 313‐324.  79. Vouyiouka, S. N.; Papaspyrides, C. D.; Weber, J. N.; Marks, D. N. Polymer 2007, 48, (17), 4982‐4989.  80. Xie, J. J. J. Appl. Polym. Sci. 2002, 84, (3), 616‐621.  81. Almonacil, C.; Desai, P.; Abhiraman, A. S. Macromolecules 2001, 34, (12), 4186‐4199.  82. Vouyiouka, S. N.; Karakatsani, E. K.; Papaspyrides, C. D. Prog. Polym. Sci. 2005, 30, (1), 10‐37. 

(29)

83. Seavey,  K.  C.;  Liu,  Y.  A.  Fundamental  Process  Modeling  and  Product  Design  for  the  Solid  State  Polymerization of Polyamide 6 and Poly(ethylene terephthalate). Wiley: New Jersey, 2009.  84. Ma, Y.; Agarwal, U. S.; Sikkema, D. J.; Lemstra, P. J. Polymer 2003, 44, (15), 4085‐4096.  85. Kotliar, A. M. Macromol.Rev. Part D‐J. Polym. Sci. 1981, 16, 367‐395.  86. Korshak, V.; Frunze, T. Synthetic Hetero‐Chain Polyamides IPST: Jerusalem, 1964.  87. Roerdink, E.; Warnier, J. M. M. Polymer 1985, 26, (10), 1582‐1588.  88. Wunderlich B. Prog. Polym. Sci. 2003, (28), 383‐450.  89. Jansen, M. A. G.; Goossens, J. G. P.; de Wit, G.; Bailly, C.; Koning, C. E. Macromolecules 2005, 38, (7),  2659‐2664.  90. Jansen, M. A. G.; Goossens, J. G. P.; de Wit, G.; Bailly, C.; Koning, C. E. Anal. Chim. Acta 2006, 557, (1‐ 2), 19‐30. 

91. Jansen,  M.  A.  G.;  Goossens,  J.  G.  P.;  de  Wit,  G.;  Bailly,  C.;  Schick,  C.;  Koning,  C.  E.  Macromolecules 

2005, 38, (26), 10658‐10666. 

92. Jansen, M. A. G.; Goossens, J. G. P.; Wu, L. H.; de Wit, G.; Bailly, C.; Koning, C. E. J. Polym. Sci., Part A: 

Polym. Chem. 2007, 45, (5), 882‐899. 

93. Jansen, M. A. G.; Goossens, J. G. P.; Wu, L. H.; De Wit, G.; Bailly, C.; Koning, C. E.; Portale, G. J. Polym. 

Sci., Part A: Polym. Chem. 2008, 46, (4), 1203‐1217. 

94. Sablong,  R.;  Duchateau,  R.;  Koning,  C.  E.;  de  Wit,  G.;  van  Es,  D.;  Koelewijn,  R.;  van  Haveren,  J. 

Biomacromolecules 2008, 9, (11), 3090‐3097.  95. Sablong, R.; Duchateau, R.; Koning, C. E.; Pospiech, D.; Korwitz, A.; Komber, H.; Starke, S.; Haussler, L.;  Jehnichen, D.; Landwehr, M. A. D. Polym. Degrad. Stab. 2011, 96, (3), 334‐341.                           

(30)

CHAPTER 2  

P

ARTIALLY DEGRADABLE POLYAMIDE 6‐

P

OLYCAPROLACTONE 

M

ULTIBLOCK 

COPOLYMERS  

Summary  Low  molecular  weight  polycaprolactone  was  successfully  incorporated  into 

polyamide  6  by  solution  and  solid‐state  polymerization  after  synthesis  of  both  components with desired co‐reactive end groups. The structure and thermal properties of  polymers  before  and  after  incorporation  were  analyzed  by  SEC,  FTIR,  NMR,  titration  analysis as well as TGA and DSC. DSC data, together with an increase in molecular weight  pointed  to  a  multiblock  structure  with  almost  maintained  melting  temperatures  with  respect to pure components. Degradation of polymers was performed via enzymatic and  hydrolytic routes at 25 °C and followed by weight loss analysis, SEM and SEC. 

 

   

(31)

2.1 Introduction

  

Polyamide  6  (PA6)  is  a  high‐performance  engineering  plastic  used  for  a  wide  range  of  applications  in  everyday  life.  Strong  hydrogen  bonding  between  the  chains  and  high  regularity in the crystalline phase provide excellent thermal and mechanical properties but  on  the  other  hand  result  in  a  highly  resistant  material  to  biodegradation  in  nature.  As  there is an increasing demand for disposable packaging applications the biodegradability  of PA6 could be enhanced by incorporating hydrolyzable groups into the main chain.   These  hydrolyzable  groups  can  be  selected  from  various  aliphatic  polyesters  which  are  well known to be biodegradable due to cleavable ester links. Polycaprolactone (PCL) is one  of these polyesters which can be used both for biomedical and ecological applications.1‐3  As a special class of biodegradable polymeric materials, the synthesis and characterization  of  poly(ε‐caprolactam‐co‐ε‐caprolactone)  copolymers  have  been  studied  by  different  research  groups.  Synthetic  approaches  include  ester‐amide  exchange  reactions,  anionic  polymerization,  interfacial polymerization, ring opening and polycondensation reactions.4‐ 14 Most  of  these  works  showed  that  the  resulting  copolymers  have  a  random  structure,  whereas only a few papers described di‐ or tri‐ block structures. Degradation studies were  also described in several articles5,  9,  11,  15,  16 by using different methods proving that these  type of copolymers are susceptible to degradation, although mostly enzymatically.   If  the  ester  groups  are  randomly  introduced  into  the  PA6  main  chain,  the  crystallization  behavior of PA6 will be negatively affected, the melting temperature will be significantly  reduced  and  the  mechanical  and  physical  properties,  crucial  for  packaging  applications  (such  as  barrier  properties),  will  become  worse.  This  fact  is  also  seen  in  the  literature  covered above where there is a big decrease in melting temperatures as the amount of ε‐ caprolactone  increases  when  random  copolymers  are  prepared.    To  the  best  of  our  knowledge well‐defined multiblock copolymers of this type of polyesteramides have not  been synthesized yet and have certainly not been tested as biodegradable materials.  

(32)

A  promising  synthetic  method  can  be  incorporating  these  degradable  groups  or  blocks  into  the  amorphous  part  of  a  relatively  low  molecular  weight  PA6  below  the  melting  temperature  of  the  PA6  crystals.17,  18  For  this  purpose,  well‐known  synthetic  techniques  can  be  applied  to  prepare  this  new  type  of  PA6‐PCL  block  polymers  by  making  use  of  isocyanate‐amine reactions at low temperatures. Until now D’Hollander et al.19 obtained  shape  memory  polyurethane  networks  based  on  a  triblock  copolymer  made  by  the  reaction  of  isocyanate  end‐capped  PCL  and  excess  of  amine  end‐capped  poly(propylene  oxide). Lee et al.20 prepared shape memory polyamides by linear chain extension of PCL  and diamine‐terminated polyamide in the presence of hexamethylene diisocyanate (HDI).  Their  aim  was  to  have  shape  recovery  by  using  high  fractions  of  (PCL‐HDI)n  units  (70%)  compared to (polyamide‐HDI) units. According to the thermal analysis of the copolymers  the  highest  melting  temperature  of  the  polyamide  segments  was  183  °C.  It  should  be  realized that the synthetic route used by Lee et al. results in a rather ill‐defined structure,  since HDI can couple either two PA blocks, two PCL blocks or one PA and one PCL block.   The  aim  of  this  chapter  was  to  make  well‐defined  PA6‐based  multiblock  copolymers  where the good properties of PA6 such as high melting temperature and crystallinity can  still be maintained, whereas biodegradation can be an additional property. We followed a  stepwise  technique  where  low  molecular  weight  amine  end‐capped  PA6  and  isocyanate  end‐capped  PCL  polymers  were  synthesized  separately  followed  by  solution  and  solid  state  step‐growth  copolymerization  of  these  telechelic  building  blocks  at  reduced  temperatures. The relatively low temperatures should prevent aminolysis of the PCL ester  groups  by  the  PA6  amine  end  groups.  In  this  way,  the  targeted  reasonably  well‐defined  multiblock copolymers of PA6 and PCL could be obtained with PA6‐like thermal properties  and  partial  biodegradability.  We  realize  that  the  PA6  blocks  are  not  degradable,  but  by  degrading the PCL blocks the material may disentangle and fall apart into small fragments.  Molecular weights of the synthesized polymers were characterized by using SEC, NMR and  titration  methods.  SEC  was  also  used  as  a  useful  tool  to  follow  the  reactions  with  time.  Molecular  structures  of  the  products  were  investigated  by  FTIR  spectroscopy.  Thermal 

(33)

analysis  was  performed  by  using  TGA  and  DSC.  Hydrolytic  and  enzymatic  degradations  were done in PBS buffer solution followed by surface analysis of the films by using SEM.   HN 250 °C, 3 bar, 6 hours H2O O NH2 H2N HO O O O OH O O n n 65 °C, in THF, 2 hours OCN H3C NCO

PA6 (Mn=2,500 g/mol, titration) Diisocyanate end capped PCL

(Mn=1,850 g/mol, titration)

(CL) Polycaprolactone (PCL, Mn=1,600 g/mol)

[PA 6-b-PCL]nmultiblock copolymers

DBD O O O O O O O n H N HN O nO OCN H3C NCO CH3 H N H2N N H NH2 O O n m Caprolactam N H C O N H    

Figure  2.1  Schematic  drawing  of  stepwise  synthesis  of  polyamide  6‐polycaprolactone  multiblock copolymers obtained by solution and solid‐state polymerization. 

 

2.2 Experimental  

2.2.1 Materials 

‐Caprolactam  (CL)  was kindly  provided  by  DSM.  p‐Xylylenediamine (p‐XDA,  >98  %)  and  toluene 2,4‐diisocyanate (TDI, >98 %)  were purchased from Fluka. 1,3‐propane diol (PD),  dimethyl  adipate  (DMA)  and  titanium(IV)butoxide  (TBO)  were  obtained  from  Acros  for  polyester synthesis. Dibutyltin dilaurate (DBD, 97 %), polycaprolactone diol (PCL, average 

Mn=530  g/mol  and  1250  g/mol)  and  2,2,2‐trifluoroethanol  (TFE,  99  %)  were  purchased  from  Aldrich.  1,1,1,3,3,3‐Hexafluoro‐2‐propanol  (HFIP,  99  %),  tetrahydrofuran  (THF)  and  diethyl  ether  were  obtained  from  Biosolve.  Deuterated  chloroform  (CDCl3,  99  %)  was  purchased  from  Cambridge  Isotope  Laboratory,  Inc.  (CIL).  Lipase  from  Aspergillus  niger 

(34)

(184  U/g)  was  obtained  from  Sigma.  A  commercial  grade  PA6  (Akulon,  Mn=31  kg/mol,  PDI=2.0) was provided by DSM and was used as a reference for biodegradation analysis.  All chemicals were used as received, unless otherwise mentioned.  

2.2.2 Synthesis of diamine end‐capped PA6 

For  the  synthesis  of  diamine end‐capped  PA6  a batch  reactor  with  a  capacity of 380 mL  was  used.  Temperature  and  pressure  were  controlled  via  a  computer.  First,  100  g  (0.88  mol) CL was charged to the reactor and heated until complete melting. Later, 3, 6 or 8 g p‐ XDA  (0.022,  0.044,  0.059  mol,  respectively)  and  3  g  (0.17  mol)  water  were  added.  The  polymerizations were carried out at 250 °C at 3 bar for 6 hours under the flow of N2 gas  and  with  continuous  mechanical  stirring.  Samples  for  SEC  analysis  were  withdrawn  at  various  time  intervals.  Final  products  were  extracted  with  water  at  80  °C  for  20  hours,  filtered under vacuum and dried in an oven at 80 °C for at least 24 hours. Samples were  investigated by using SEC, NMR, DSC and titration analysis. 

2.2.3 Synthesis of hydroxyl end‐capped oligoester 

For  the  synthesis  of  hydroxyl  end‐capped  oligoesters  3.5  g  (46.4  mmol)  or  4.0  g  (52.2  mmol) 1,3‐propane diol (PD) and 5 g (29 mmol) dimethyl adipate (DMA) were put in a 100  mL three neck flask. All the reactions were performed under argon with strong agitation at  180  °C  in  the  melt  using  20  mg  TBO  catalyst.  Temperature  control  was  provided  by  a  heating mantle connected to a temperature controller. The reactor was equipped with a  distillation set up to remove the methanol that was produced during the polymerization.  The  reaction  time  varied  between  2.5‐3  hours.  After  cooling  of  the  polymer  to  room  temperature, it was put in methanol, precipitated by immersing in a liquid N2 and acetone  mixture and then filtered. In every case, these steps were carried out three times for the  complete  removal  of  the  excess  diol  and  the  catalyst  and  later  followed  by  drying  in  a  rotary evaporator and a vacuum oven. The polymers were investigated by using SEC and  NMR. 

(35)

2.2.4 Synthesis of diisocyanate end‐capped polycaprolactone 

5.6 g (32 mmol) TDI was placed in a Schlenk vessel which was connected to argon. 10 g (8  mmol) PCL was dissolved in 20 ml THF and placed in an addition funnel. After the addition  of 1 drop of dibutyltin dilaurate (DBD), the Schlenk flask was heated to 65 °C and the slow  addition  of  PCL  solution  to  TDI  was  started  with  a  rate  of  1  drop/2  sec  under  strong  agitation. Heating and stirring were stopped after 2 hours. The product was slowly added  into  diethyl  ether  which  was  cooled  in  an  acetone‐liquid  N2  mixture,  which  resulted  in  precipitation  of  the  polymer.  The  solvent  was  removed  from  the  polymer‐diethyl  ether  mixture  to  another  flask  by  using  a  filtrating  cannula  and  a  filter  by  applying  a  pressure  difference.  In  every  case  these  steps  were  carried  out  three  times  to  assure  complete  removal  of  excess  diisocyanate  and  the catalyst.  Later,  residual  solvent  was  removed  by  using reduced pressure. The product was characterized by NMR and titration. 

2.2.5 Copolymer synthesis 

Totally  dry  10  g  (4  mmol)  diamine  end‐capped  PA6  and  5  g  (4  mmol)  diisocyanate  end‐ capped polyester were put in a 100 mL three neck round bottom flask under argon and  dissolved in 50 ml HFIP for mixing on the molecular level. After complete dissolution, HFIP  was slowly removed by vacuum distillation. This was done at room temperature to avoid  the  reaction  between  isocyanate  end  groups  of  the  PCL  and  hydroxyl  groups  of  HFIP.  Then,  the  lump  of  material  was  taken  out  of  the  flask,  ground  in  liquid  N2,  sieved  and  reduced pressure was applied again. As soon as the particles were almost totally dry, the  product  was  stirred  and  heated  gradually  up  to  160  °C,  which  is  below  the  melting  temperature of the polyamide. Reaction was continued overnight. Polymer fractions were  investigated via SEC, FTIR and DSC. 

2.2.6 Enzymatic and non‐enzymatic hydrolysis 

Biodegradation  studies  were  performed  with  and  without  enzyme.  For  both  methods,  polymer films (25‐30 mg) with an average thickness of 0.4 mm prepared by solvent casting 

(36)

in HFIP were incubated in separate tubes filled with 10 mL phosphate buffer solution (pH  7.5)  which  were  kept  at  25±1  °C.  The  reference  PA6  film  was  prepared  by  compression  molding. For the enzymatic degradation, lipase from Aspergillus niger (1.6 U/mL) was used  and the media was replaced periodically.  Films were removed from the media at specific  time  intervals,  washed  with  distilled  water,  dried  and  weighed  to  determine  the  weight  loss. The morphology of the films was investigated by SEM. 

2.2.7 Characterization 

2.2.7.1 Size Exclusion Chromatography (SEC)  

Size  exclusion  chromatography  (SEC)  was  used  to  determine  molecular  weights  and  molecular weight distributions, Mw/Mn, of polymer samples. For the PA6 samples and for  the  blocky  polyesteramides  SEC  in  HFIP  was  performed  on  a  system  equipped  with  a  Waters  1515  Isocratic  HPLC  pump,  a  Waters  2414  refractive  index  detector  (35  °C),  a  Waters  2707  autosampler,  and  a  PSS  PFG  guard  column  followed  by  2  PFG‐linear‐XL  (7  µm,  8*300  mm)  columns  in  series  at  40  °C.  HFIP  with  potassium  trifluoroacetate (3 g/L)  was used as eluent at a flow rate of 0.8 mL/min. The molecular weights were calculated  against poly(methyl methacrylate) standards (Polymer Laboratories, Mp = 1020 g/mol up  to Mp = 1.9*106 g/mol). For the polyester samples SEC in THF was performed on a Waters  Alliance  system  equipped  with  a  Waters  2695  separation  module,  a  Waters  2414  refractive index detector (40 °C), a Waters 2487 dual absorbance detector, and a PSS SDV  5 μ guard column followed by 2 PSS SDV linear XL columns in series of 5 μ (8*300) at 40  °C.  THF,  stabilized  with  2,6‐di‐tert‐butyl‐4‐methylphenol  (BHT),  was  used  as  eluent  at  a  flow rate of 1 mL/min. The molecular weights were calculated with respect to polystyrene  standards (Polymer Laboratories, Mp = 580 Da up to Mp = 7.1*106 Da). Before SEC analysis  was  performed,  the  samples  were  filtered  through  a  0.2  µm  PTFE  filter  (13  mm,  PP  housing, Alltech).  

   

(37)

2.2.7.2 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR) 

 1H NMR spectra of the polymers were recorded on a Varian 400 MHz spectrometer at 25  °C. PA6 containing samples were dissolved in a 2:1 vol% CDCl3:TFE mixture, whereas the  analyses  of  PCL  and  its  derivatives  were  performed  in  CDCl3.  For  the  PA6  polymers,  the  number average molecular weight Mn was calculated from the NMR spectra by estimating  the  ratio  of  the  integrals  of  the  proton  signals  of  repeat  units  to  the  corresponding end  groups. 

2.2.7.3 Differential Scanning Calorimetry (DSC) 

Melting  (Tm)  and  crystallization  temperatures  (Tc)  as  well  as  enthalpies  of  melting  (∆Hmand  crystallization  (∆Hc)  of  the  polymers  were  measured  using  a  TA  Instruments  Q100  calorimeter. For all the measurements 4‐6 mg samples and a heating rate of 10°C min–1  were used. DSC measurements of fully amine end‐capped PA6 polymers were carried out  from 0°C to 260°C whereas the rest of the samples were analyzed from ‐50°C to 220°C. For  each  measurement  the  second  heating  curve  was  used  to  determine  the  Tm.  For  the  determination of both Tm and Tc peak maximums were taken into account. 

2.2.7.4 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) 

The  presence  of  various  chemical  linkages  of  the  products  was  derived  from  FTIR‐ATR  spectra  that  were  obtained  on  a  Bio‐Rad  Excalibur  FTS3000MX  spectrophotometer.  The  measurements were performed by making 50 scans using a golden gate set‐up, equipped  with  a  diamond  ATR  crystal.  The  Varian  Resolution  Pro  software  version  4.0.5.009  was  used for the analysis of the spectra.  

2.2.7.5 Potentiometric titration 

For  the  determination  of  amine  [NH2]  and  carboxylic  acid  [COOH]  end  group  content,  potentiometric  end  group  titrations  were  done  at  room  temperature  in  non‐aqueous  environment using phenolic solvents. Molecular weight of the polyamides were calculated  by using the formula 2*106/([NH2]+[COOH]). Isocyanate end‐group titration was done by 

(38)

using the back titration method. The sample was dissolved in THF and then, mixed with 10  mL 2.0 M diisobutylamine solution and finally titrated with 1.0 M HCl solution in IPA. Both  blank and sample measurements were repeated at least three times. Molecular weight of  the polyester was calculated by using the formula MWKOH*2*103/[OH].  2.2.7.6 Scanning Electron Microscopy (SEM)  Surface changes of the polymer films after degradation were observed by using Quanta 3D  FEG  (FEI)  scanning  electron  microscopy  (SEM)  equipped  with  a  field  emission  electron  source. High vacuum conditions were applied and a secondary electron detector was used  for image acquisition. No additional sample treatment, such as surface etching or coating  with  a  conductive  layer,  has  been  applied  before  surface  scanning.  Standard  acquisition  conditions for charge contrast imaging were used. 

2.3 Results and Discussion 

Synthesis  of  polyamide  6‐polycaprolactone  (PA6‐PCL)  or  polyamide  6‐polypropylene  adipate  (PA6‐PPA)  block  copolymers  consisted  of  three  synthetic  steps  as  presented  in  Figure  2.1.  Firstly,  low  molecular  weight  fully  diamine  end‐capped  PA6  was  synthesized.  Later,  fully  diisocyanate  end‐capped  PPA  and  PCL  oligoester  was  synthesized  and  finally  solution and solid‐state polymerization was performed with the co‐reactive oligoester and  PA6  components.  For  the  diisocyanate  end‐capped  oligoester  synthesis  initially  hydroxyl  end‐capped  polypropylene  adipate  was  synthesized  and  later  end‐capping  with  toluene  diisocyanate  was  done.  Since  this  polyester  had  poor  properties  at  room  temperature,  later  fully  hydroxyl  end‐capped  polycaprolactone  was  used  which  is  commercially  available.  

     

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

The results suggest that control, financial leverage, firm size, asymmetric information in relative deals, and cross-border target firms contribute to more use of stock in a

Ondanks het feit dat gebleken is dat ‘kalveren bij de koe’ niet in iedere bedrijfssituatie en bij elke ondernemer past, en er ook melkveehouders met het systeem gestopt zijn, zijn

De stap naar veldcondities is nog groot; in het veld functioneert de robot in 2009 minder goed dan de mens De ziekzoekrobot trok veel aandacht vanuit de media; regionale

De daling van het drogestofgehalte van het strooisel in beide verdieping tijdens het laatste deel van de tweede meetperiode werd waarschijnlijk veroorzaakt door veranderingen in

Die hipotese van die begin van hierdie ondersoek (vgl. 1.2 hierbo) is dus bevestig, naamlik dat hierdie denkers uit die sestiende eeu die Bybel volgens ʼn onaanvaarbare metode van

• Tijdens de opleiding Social Work van de CHE is er in twee modules aandacht voor het onderwerp informele zorg:.. - in het eerste jaar in blok 3 (van de 4), - in het tweede jaar

that, provided that the block length is at least as long as the measured RIR, the poles estimated from input-output data provide an approximation of the target RIR almost as good as

Figure 6: Schematic drawings and ultrasound images illustrating measurement of junctional zone (JZ) thickness. Measurement of JZ max and JZ min is illustrated in the