DE102007006776A1 - Polymer network with adjustable gel time and good mechanical and thermal properties, is obtained by mixing unsaturated polyester and natural epoxy resins - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Polymernetzwerke, die durch das Mischen von ungesättigten Polyesterharzen (UP-Harzen) und nativen Epoxidharzen (EP-Harzen) erhältlich sind.The This invention relates to polymer networks obtained by the mixing of unsaturated Polyester resins (UP resins) and native epoxy resins (EP resins) are available.
Polymermischungen,
z. B. zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften oder der Wärmeformbeständigkeit
gegenüber dem Einzelpolymer, sind aus verschiedenen Druckschriften,
wie der
Aus
der Kunststofftechnik ist auch bekannt, dass mitunter verschiedene
Polymere in gemischter Phase unverträglich sind. Diese
Unverträglichkeit kann entweder durch Pfropf- oder Blockpolymerisation überwunden
werden. Verlaufen zwei unterschiedliche Polymerisationsreaktionen,
die sich gegenseitig nicht beeinflussen, nebeneinander, entstehen
dagegen verträgliche Gemische. Gemäß der
Auch
Polymermischungen aus vinylaromatischen Polymeren mit aromatischen
Polycarbonaten oder mit Butadienacrylnitril modifizierte synthetische
EO-Harze gehören zu solchen so genannten „Interpenetrating Networks",
die in der
Eine
weitere Möglichkeit der Eigenschaftsmodifizierung von Kunststoffen
besteht darin, sie so zu funktionalisieren, dass sie mit synthetischen
oder natürlichen Epoxiden entweder vernetzbar werden oder
dass ihre Monomereinheiten mit Epoxiden vor der Polymerisation so
derivatisiert werden, dass sie im anschließenden Polymerisationsprozess
vernetzen. So wird in der
Es ist Aufgabe der Erfindung, ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik, Polymermischungen mit verbesserten mechanischen und thermischen Eigenschaften sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.It is the object of the invention, starting from the above-mentioned state Technique, polymer blends with improved mechanical and thermal properties and a process for their preparation provide.
Diese Aufgabe wird durch Polymernetzwerke gelöst, die aus einem Gemisch von ungesättigten Polyesterharzen (UP-Harzen) einerseits und nativen Epoxidharzen (EP-Harzen) andererseits erhältlich sind.These Task is solved by polymer networks, which consist of a Mixture of unsaturated polyester resins (UP resins) on the one hand and native epoxy resins (EP resins), on the other hand are.
Im Unterschied zum oben genannten Stand der Technik, bei dem synthetische oder native Epoxide in einem gegebenen Polymerprozess als zusätzliche Vernetzer eingesetzt oder zusätzlich radikalisch nachpolymerisiert werden, liegen in der vorliegenden Erfindung zwei getrennte Polymersysteme vor.in the Difference to the above-mentioned prior art, in which synthetic or native epoxides in a given polymer process as additional Crosslinker used or additionally free-radical polymerized are in the present invention, two separate polymer systems in front.
Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass mit den ungesättigten Polyesterharzen (UP-Harze) und den nativen Epoxidharzen (EP-Harze) zwei Einzelpolymersysteme in ein Gemisch gebracht werden, deren Initiierung jeweils unterschiedlich erfolgt. Das heißt, beide Polymer- bzw. Harzsysteme polymerisieren nach völlig unterschiedlichen Mechanismen, wobei die EP-Systeme kationisch und die UP-Systeme radikalisch initiiert werden.The Concept of the invention is that with the unsaturated Polyester resins (UP resins) and the native epoxy resins (EP resins) two individual polymer systems are brought into a mixture whose Initiation takes place differently. This means, Both polymer or resin systems polymerize completely different mechanisms whereby the EP systems are cationic and the UP systems are radically initiated.
Die Reaktion kann so gesteuert werden, dass die Polymermischphasen nebeneinander in einer Prozessstufe vorliegen. Auf diese Weise kann man die Starrheit und eingeschränkte Haftung der UP-Systeme durch das Zumischen der EP-Harze nachhaltig verbessern.The Reaction can be controlled so that the polymer mixing phases next to each other present in a process stage. That way you can get the rigidity and limited adhesion of the UP systems by mixing improve the EP resins sustainably.
Die Polymerisation kann sowohl zeitgleich als auch zeitversetzt erfolgen. Bei zeitversetzter Polymerisation startet das EP-System bei Zugabe einer Startersäure zunächst bei Zimmertemperatur mit der Eingelung. Erst bei erhöhter Temperatur startet die radikalische Polymerisation des UP-Harzes. Dabei setzt sich die Vernetzung des EP-Harzes bei > 100°C parallel dazu fort. Mithin liegen ideale Voraussetzungen zur Bildung eines „Interpenetrating Networks" vor. Die beiden Polymersysteme sind dann im Molenbruchbereich 0 ≤ xi ≤ 1 mit den Molenbrüchen xi und 1 – xi der beiden Harze miteinander mischbar. Für die Herstellung des erfindungsgemäßen Polymernetzwerkes haben sich für die EP-Komponente Werte im Bereich des Molenbruchs von 0,1 ≤ xi ≤ 0,35 als vorteilhaft erwiesen. Dementsprechend beträgt der Anteil an UP-Harzen im Gemisch 90 ≥ UP ≥ 65%, wobei diese sowohl aus Vinyl- als auch aus Polyesterkondensaten gebildet werden können.The polymerization can take place both simultaneously and with a time delay. In the case of time-delayed polymerization, the EP system initially starts at room temperature with the inclusion of a starter acid. Only at elevated temperature starts the radical polymerization of the UP resin. In this case, the crosslinking of the EP resin continues at> 100 ° C in parallel. Thus are ideal conditions for the formation of an "interpenetrating networks" before the two polymer systems are then in a molar composition 0 ≤ x i ≤ 1 with the mole fractions x i and 1 -.. X i of the two resins mixed with each other for the production of the polymer network according to the invention have For the EP component, values in the range of the mole fraction of 0.1 ≦ x i ≦ 0.35 have proven to be advantageous Accordingly, the proportion of UP resins in the mixture is 90 ≥ UP ≥ 65%, which can be formed from both vinyl and polyester condensates.
Die EP-Harzkomponente besteht bevorzugt aus Epoxiden von nativen Lein-, high-Ω-Lein- oder Drachenkopföl mit 6 bis 7 Oxiranringen.The EP resin component preferably consists of epoxides of native flax, high Ω flax or dragon's head oil with 6 to 7 oxirane rings.
In den verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung werden Vernetzer für die EP-Harzkomponenten eingesetzt. Die Vernetzer können entweder aus Malein (MS)- oder Phosphorsäure als Startersäure bestehen, oder aus Polycarbonsäureanhydriden, wie z. B. den Anhydriden der Pyromellithsäurebzw. der Trimellithsäure. Darüber hinaus können die Vernetzer auch Derivate der Pyromellithsäure bzw. der Trimellithsäure sein, wie z. B. Diester beider Säuren mit aliphatischen Diolen. Ebenfalls kann als Vernetzer auch Methyltetrahydrophthalsäure eingesetzt werden.In The various embodiments of the invention are crosslinkers used for the EP resin components. The crosslinkers can either from maleic (MS) or phosphoric acid as the starter acid consist, or from polycarboxylic anhydrides, such as. B. the anhydrides of Pyromellithsäurebzw. trimellitic acid. About that In addition, the crosslinkers may also derivatives of pyromellitic acid or trimellitic acid, such as. B. Diester both Acids with aliphatic diols. Also can be used as a crosslinker Methyltetrahydrophthalic be used.
Im Unterschied gegenüber den in den Dokumenten zum Stand der Technik beschriebenen Effekten der Eigenschaftsverbesserungen vom Polymersystem bieten die erfindungsgemäßen Polymernetzwerke auch zusätzliche fertigungstechnologische Vorteile. Zum Beispiel sind die EP/UP-Harzsysteme durch Konzentrationsvariation der beiden Komponenten variabel in ihrer Eingelzeit einstellbar. Die Vorteile liegen jedoch nicht nur in der präzisen Einstellung der Viskosität durch die Vorgelung. So ist die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Polymerisation des EP-Systems durch die Wasserstoffkonzentration in einem Styren-haltigen System gegeben und einstellbar. Bei niedrigen Wasserstoffionenkonzentrationen erreicht man mehrstündige Eingelphasen. Eine Beschleunigung des Systems kann sowohl durch die Erhöhung der Konzentration der Startersäure, ihrer erhöhten Dissoziation durch Temperaturerhöhung oder der Erhöhung der Hydrophilie des Mediums erfolgen, wie die Gleichungen 1 bis 3 zeigen: In contrast to the effects of improving the properties of the polymer system described in the prior art documents, the polymer networks according to the invention also offer additional manufacturing technological advantages. For example, by varying the concentration of the two components, the EP / UP resin systems are variably adjustable in their seeding time. However, the advantages are not only in the precise adjustment of the viscosity by the precursor. Thus, the reaction rate in the polymerization of the EP system is given by the hydrogen concentration in a styrene-containing system and adjustable. At low hydrogen ion concentrations, one reaches several hours of indwelling phases. An acceleration of the system can be achieved both by increasing the concentration of the starter acid, its increased dissociation by increasing the temperature or by increasing the hydrophilicity of the medium, as shown by equations 1 to 3:
Da z. B. im wasserfreien Leinölepoxid vom Typ EP 10/1 von Dracosa eine Reaktion zwischen den Oxiranstrukturen und den Polycarbonsäuren bzw. ihren Anhydriden ausbleibt, ist gerade die Hydrophilie des Systems von entscheidender Bedeutung für den Polymerisationsverlauf.There z. B. in anhydrous Linseölepoxid type EP 10/1 of Dracosa a reaction between the oxirane structures and the polycarboxylic acids or their anhydrides, is just the hydrophilicity of Systems of crucial importance for the course of polymerization.
Fertigungstechnisch muss aber in das System nicht notwendigerweise Wasser eingebracht werden. Es reicht eigentlich bei der Herstellung von Verstärkermaterialien die Oberflächenfeuchte auf dem Material. Die Oberflächenfeuchten auf den Verstärkungsmaterialien reagieren durch die Reaktion mit den Epoxiden als EP-Komponente weg, womit sich die Haftung zwischen Füllstoff und Matrix verbessert. Eine eventuell in Betracht zu ziehende Nebenreaktion zwischen der Oxiranstruktur und dem Wasser führt zur Bildung von Polyolen gemäß der Gleichung 4: In terms of manufacturing technology, however, water does not necessarily have to be introduced into the system. It actually suffices in the production of reinforcing materials, the surface moisture on the material. The surface moisture on the reinforcing materials reacts away by reaction with the epoxides as an EP component, improving adhesion between the filler and the matrix. A possible side reaction between the oxirane structure and the water leads to the formation of polyols according to Equation 4:
Da die Oxiranstrukturen im Leinölepoxid jedoch im Unterschied zu synthetischen Epoxiden im großen Überschuss vorhanden sind (6 bis 7 Oxiranringe pro Mol Epoxid), führt das nicht etwa zum Polymerisationsabbruch, sondern zum Anstieg der Hydrophilie und damit der Reaktionsgeschwindigkeit. Überraschenderweise ist die nach Gleichung 3 gebildete Hydroxyesterstruktur als Polymerisationszwischenstufe der kationischen EP-Harz-Polymerisation in der Lage, die Fertigungstechnologie von silikatischen UP/EP-Produkten zu verbessern. Vorteilhafterweise kann die zwischenzeitlich nach der Gleichung 3 entstehende α-Hydroxyesterstruktur in der EP-Harzkomponente als Resonanzstelle für eine Mikrowelleneinstrahlung genutzt werden. Dadurch erfolgt im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten thermischen Härtungsprozessen anstelle der Wärmekonvektion eine Strangaushärtung nicht von außen nach innen, sondern zeitgleich innen und außen entsprechend den vom elektromagnetischen Wechselfeld initiierten Torsionsschwingungen der OH-Gruppen. Über intra- und intermolekulare Energiedissipationen werden diese Energien auf die gesamte Matrix verteilt, also auch auf das UP-System übertragen. Letztlich kann mit der MW-Anregung Prozessenergie im z. B. Pultrusionsprozess eingespart werden. Natürlich kann man in einem protonisierten Medium und mittels Sensibilisatorgemisch den Oxiranring, aber auch das UP-System, ohne Vernetzer mittels UV-Einstrahlung zur Polymerisation bringen, was eine weitere Möglichkeit darstellt, die Fertigungstechnologie durch Bildung des Polymernetzwerkes energetisch zu verbessern. Dies führt das UP/EP-Polymersystem zu einer zeitgleichen Polymerisation.However, since the Oxiranstrukturen in Leinölepoxid unlike synthetic epoxides in large excess are present (6 to 7 Oxiranringe per mole of epoxide), this does not lead to the polymerization, but to increase the hydrophilicity and thus the reaction rate. Surprisingly, the hydroxyester structure formed by Equation 3 as a polymerization intermediate of the cationic EP resin polymerization is able to improve the production technology of silicatic UP / EP products. Advantageously, the resulting α-hydroxyester structure in the meantime according to equation 3 in the EP resin component can be used as a resonance point for a microwave irradiation. As a result, in contrast to the known from the prior art thermal curing processes instead of the heat convection strand hardening does not take place from outside to inside, but at the same time inside and outside in accordance with the torsional vibrations of the OH groups initiated by the electromagnetic alternating field. Intra- and intermolecular energy dissipation, these energies are distributed over the entire matrix, so transferred to the UP system. Ultimately, with the MW excitation process energy in z. B. pultrusion process can be saved. Of course, in a protonated medium and by means of a sensitizer mixture, the oxirane ring, but also the UP system, can be polymerized without UV crosslinking by means of UV irradiation, which represents a further possibility to improve the production technology by forming the polymer network energetically. This leads the UP / EP polymer system to a simultaneous polymerization.
Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung der Versuchsdurchführung
mit Bezugnahme auf die zugehörigen Tabellen. Es zeigen:
Tabelle
1: Komponenten der Polymernetzwerke und
Tabelle 2: optimale
Konzentrationen für UP/EP-Harz-Mischungen.Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of the experimental procedure with reference to the accompanying tables. Show it:
Table 1: Components of polymer networks and
Table 2: optimum concentrations for UP / EP resin mixtures.
Versuchsdurchführung:Experimental procedure:
A: Herstellung der UP/EP-Durchdringungspolymere für ein erfindungsgemäßes Polymernetzwerk:A: Preparation of the UP / EP Penetration Polymers for a polymer network according to the invention:
Die Polymergemische werden durch Zusammengießen der jeweils beiden Einzelpolymersysteme, gemäß Tabelle 1, bei Zimmertemperaturen hergestellt. Dabei werden Konzentrationsreihen zwischen 10 und 35%, was den EP-Anteil betrifft, hergestellt und die Eingelzeiten durch Viskositätsmessungen bei 40°C bestimmt. Die für die Verarbeitung optimalen Bedingungen für die Eingelung und die Gesamtaushärtung sind anhand der Polymersysteme in Tabelle 2, Spalte 4 gekennzeichnet. Dabei wird das Konzentrationsverhältnis zwischen einer EP-Harzkomponente und der UP-Harzkomponente der maximalen Eingelzeit und der erreichten Shore-Härte gegenübergestellt. Für die Herstellung des erfindungsgemäßen Polymernetzwerkes haben sich für die EP-Komponente gemäß Tabelle 2, Spalten 2 und 4, Werte im Bereich des Molenbruchs von 0,1 ≤ xi ≤ 0,35 als vorteilhaft erwiesen.The polymer mixtures are prepared by pouring together the two individual polymer systems, according to Table 1, at room temperatures. In this case, concentration ranges between 10 and 35%, which relates to the EP content produced, and the tonic times determined by viscosity measurements at 40 ° C. The optimal conditions for inlaying and overall cure are indicated by the polymer systems in Table 2, column 4. Here, the concentration ratio between an EP resin component and the UP resin component is compared with the maximum seeding time and the achieved Shore hardness. For the preparation of the polymer network according to the invention, values in the range of the mole fraction of 0.1 ≦ x i ≦ 0.35 have proved to be advantageous for the EP component according to Table 2, columns 2 and 4.
B: Versuche zur Glasfaserpultrusion:B: Experiments on glass fiber pultrusion:
Die EP/UP-Harzkombination d und g wird entsprechend Tabelle 2, letzte Zeile, als Matrix für ein Glasfaserpultrusat mit 2,1 mm Durchmesser benutzt. Die Temperatur des Pultrusionsprozesses beträgt maximal 200°C. Das Pultrusat hatte folgende Kennwerte:
- – Faseranteil 65 Vol-%,
- – Zugkraft bei 0,5% Dehnung: 850 N,
- – Zugkraft bei 1,0% Dehnung: 1670 N,
- – E-Modul: 51500 N/mm2.
- Fiber content 65% by volume,
- Tensile force at 0.5% elongation: 850 N,
- Tensile force at 1.0% elongation: 1670 N,
- - modulus of elasticity: 51500 N / mm 2 .
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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