Copolimerización de injerto
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Copolimerización de injerto
La idea de copolimerización por injerto o en bloque probablemente surgió primero como un medio para modificar polímeros naturales, como la celulosa (algodón). , caucho o lana. La copolimerización de injerto, por analogía con el término botánico, se refiere al crecimiento de una "rama" de diferente composición química en la "columna vertebral" de una macromolécula lineal. Por el contrario, el término relacionado, copolimerización en bloque, se refiere al caso específico de crecimiento de una cadena de polímero desde el final de una macromolécula lineal, lo que conduce a una macromolécula lineal compuesta que consta de dos o más "bloques" de estructura química diferente. La importancia de este tipo de estructuras poliméricas se debe básicamente al hecho de que las cadenas poliméricas de diferente estructura química, que normalmente son incompatibles y forman fases separadas (porque la pequeña entropía de la mezcla es insuficiente para superar la entalpía mayoritariamente positiva de la mezcla), son unidos químicamente entre sí. Esto conduce a la formación de microheterogeneidades, que pueden tener un efecto profundo sobre las propiedades mecánicas de estos sistemas de heterofase en comparación con los dos homopolímeros o con una mezcla física de los dos polímeros. Como era de esperar, la copolimerización de injerto y bloque se puede lograr por medio de cada uno de los tres mecanismos conocidos, es decir, radical, catiónico y aniónico, cada uno de los cuales muestra sus propias características especiales. Por tanto, estos mecanismos se han utilizado siempre que sea apropiado para el polímero y el monómero implicados. Los ejemplos citados en las siguientes discusiones tratarán principalmente con elastómeros.
Existen esencialmente tres enfoques para la preparación de copolímeros de injerto mediante mecanismo de radicales libres:
1. Transferencia de cadena a un polímero saturado o insaturado
2. Activación por métodos fotoquímicos o radiativos.
3. Introducción y posterior activación de los grupos peróxido e hidroperóxido.
La formación de copolímero de injerto por transferencia de cadena requiere tres componentes: un monómero polimerizable, un polímero y un iniciador. Por definición, el iniciador sirve para crear sitios activos en el polímero o en el monómero. La cantidad de iniciador agregado a un sistema de polimerización es generalmente baja. Por lo tanto, si esta es la única fuente para el inicio de sitios radicales en la cadena principal del polímero por medio de transferencia de cadena, solo se producirán relativamente pocas ramas. En consecuencia, para lograr una cantidad razonable de injerto, el polímero en sí debe ser capaz de generar radicales a través de la abstracción de hidrógeno y, por lo tanto, promover la transferencia de la cadena.
Las relaciones de reactividad relativas dictan que para que ocurra la copolimerización, la naturaleza del monómero debe ser tal que pueda reaccionar con el radical polimérico. Esto significa que no todos los monómeros pueden injertarse en una cadena principal de polímero y, por el mismo argumento, no todos los polímeros pueden reaccionar con un monómero dado. Por ejemplo, mientras que el acetato de vinilo se puede injertar en poli (cloruro de vinilo) o poliacrilonitrilo, casi ningún injerto ocurre en el caso de acetato de vinilo o cloruro de vinilo y poliestireno; estireno o cloruro de vinilo y poli (acetato de vinilo); o estireno y poli (cloruro de vinilo). Los sitios que son susceptibles a la transferencia de cadena pueden introducirse en la estructura del polímero durante la síntesis o como una reacción posterior. Monómeros tales como estireno, acrilato y metacrilato se han injertado en este polímero, con un rendimiento relativamente alto de copolímero de injerto puro. Un copolímero de injerto comercialmente importante que resulta de la transferencia a un polímero insaturado es el poliestireno de impacto, que es un butadieno injertado en poliestireno. La naturaleza del proceso de transferencia en este caso da como resultado un copolímero con el injerto de caucho (polibutadieno) existente como una fase dispersa dentro de una matriz de estireno. Tal estructura morfológica de copolímero reduce la fragilidad del poliestireno, y esto aumenta su resistencia al impacto. Se pueden generar sitios activos en un polímero para iniciar la copolimerización del injerto mediante luz ultravioleta e irradiación de alta energía. El proceso puede implicar (1) irradiación simultánea de polímero en contacto con monómero; (2) irradiación del polímero predispuesto en el monómero; (3) pre-irradiación del polímero en ausencia de aire (O2) seguido de exposición al monómero; y (4) pre-irradiación del polímero en aire para formar peróxido y descomposición posterior en presencia del monómero. Las dos primeras técnicas se conocen como irradiación mutua, a diferencia de la irradiación previa. La activación fotolítica del crecimiento del polímero se basa en la capacidad de ciertos grupos funcionales para absorber la radiación. Esto generalmente involucra polímeros con átomos de halógeno colgantes o grupos carbonilo, que son altamente susceptibles a la activación por radiación UV. Cuando se absorbe suficiente energía, se produce una escisión de enlace que da como resultado la generación de radicales. Los monómeros como el acrilonitrilo, el metacrilato de metilo y el acetato de vinilo se han injertado en poli (vinil metil cetona) mediante esta técnica. Otros ejemplos incluyen el injerto de estireno y metacrilato de metilo sobre estireno bromado. La irradiación mutua con UV en presencia de un fotosensibilizador también se ha utilizado para injertar metacrilato de metilo y acrilamida en caucho natural. La generación de sitios activos para la copolimerización de injerto radical usando rayos X o rayos γ es menos selectiva. En este caso, se produce la escisión por hidrógeno y la escisión del enlace carbono-carbono, lo que da como resultado la homopolimerización del monómero de vinilo, reticulación además de la reacción de injerto. Los compuestos inestables como los peróxidos e hidroperóxidos son iniciadores habituales para las reacciones de polimerización de vinilo. Estos grupos pueden introducirse en un polímero sólido mediante preirradiación en presencia de aire o oxígeno. La descomposición térmica de estos grupos en presencia de monómero produce copolímeros de injerto. Algunos ejemplos incluyen el injerto de acrilonitrilo, estireno y metacrilato de metilo en polietileno y polipropileno.
Reacciones radicales
Este ha sido el sistema más ampliamente aplicado para la formación de copolímeros de injerto, ya que proporciona el método más simple y puede usarse con una amplia variedad de polímeros y monómeros. No ha sido muy útil en la síntesis de copolímeros de bloques, como resultará evidente al examinar los métodos utilizados. Este tipo de copolimerización por injerto se ha aplicado al injerto de monómeros como estireno y metacrilato de metilo a caucho natural, directamente en el látex. Se han desarrollado métodos similares para injertar los monómeros anteriores, y muchos otros monómeros vinílicos, en cauchos sintéticos como SBR, lo que conduce a una variedad de elastómeros reforzados con plástico y plásticos de alto impacto reforzados con caucho. También se pueden utilizar otros métodos de generación de radicales libres para iniciar la polimerización por injerto con elastómeros, tanto naturales como sintéticos. Estos incluyen la irradiación de mezclas de polímero y monómero mediante luz ultravioleta, radiación de alta energía y cizallamiento mecánico.
Copolímeros de bloque mediante mecanismos de radicales controlados
El advenimiento de los métodos de polimerización de radicales controlados, como ATRP, RAFT y NMP, ha permitido preparar una amplia variedad de nuevos polímeros de bloque e injerto debido a la variedad química de monómeros que pueden ser polimerizados por estos métodos. Los copolímeros de bloques se pueden polimerizar mediante la adición secuencial de monómeros, pero más a menudo el primer bloque se sintetiza, se aísla y se caracteriza, antes de la extensión de la cadena con un segundo monómero. El orden de adición de los monómeros es de particular importancia cuando se preparan copolímeros de bloques mediante métodos controlados de polimerización por radicales. El orden a menudo depende del mecanismo de polimerización utilizado en la síntesis de los materiales. Por ejemplo, en ATRP el orden de reactividad es el siguiente: acrilonitrilo> metacrilatos> estireno ≈ acrilatos> acrilamidas. Los efectos estéricos dominan en la polimerización RAFT dando como resultado que los metacrilatos sean los más reactivos. Existen muy pocos informes sobre la polimerización de 1,3-dienos mediante métodos de polimerización de radicales controlados, dejando la polimerización aniónica como el método de polimerización principal para preparar copolímeros compuestos de estireno y 1,3-dienos. También se ha informado de una gran cantidad de trabajo sobre la capacidad de combinar diferentes mecanismos de polimerización para preparar un conjunto diverso de copolímeros de bloque mediante la transformación del sitio activo o el uso de iniciadores duales. Esto generalmente implica la funcionalización final del primer bloque seguida de la química de pospolimerización apropiada para preparar el macroiniciador deseado. Por ejemplo, se ha informado de la polimerización aniónica de un isopreno difuncional de butadieno en medio bloque seguido de NMP para formar el segundo bloque de estireno. También hay numerosos informes sobre la conversión de polímeros elaborados mediante polimerización catiónica, ROMP y de crecimiento escalonado en macroiniciadores de polimerización por radicales controlados. Las técnicas de polimerización radical controlada también se han utilizado ampliamente para preparar copolímeros multibloque (ABC, ABCA, etc.) que están emergiendo como materiales de elección a medida que los investigadores desean explorar nuevos espacios morfológicos. La síntesis de estos tipos de materiales requerirá definitivamente la combinación de múltiples métodos de polimerización que incluyen polimerización aniónica, de apertura de anillo, catiónica y de radicales controlados.
Copolímeros de bloque por mecanismo aniónico
Una de las características únicas y útiles de las polimerizaciones vivas es la capacidad de preparar copolímeros de bloque mediante la adición secuencial de monómeros. Aunque ahora existen metodologías de polimerización vivas para catiónicos, metátesis de apertura de anillo, así como el desarrollo de métodos de polimerización de radicales de desactivación reversible (p. ej., polimerización de radicales por transferencia de átomo (ATRP), nitróxido polimerización de radicales mediada (NMP) y polimerización de transferencia de cadena de adición-fragmentación reversible (RAFT)), la polimerización aniónica viva, especialmente la polimerización iniciada por alquil-litio en medios de hidrocarburos, es el método sintético más importante para la síntesis de polímeros bien definidos tanto para la investigación como para los procesos comerciales. Mediante la adición secuencial de monómeros, la polimerización iniciada con alquil-litio procede en solución homogénea para formar bloques en los que cada bloque tiene un peso molecular prescrito, basado en la estequiometría monómero-iniciador, así como una distribución de peso molecular estrecha (Mw/Mn 1,1). Como era de esperar, tales copolímeros de bloques tienen una composición homogénea, debido a la ausencia de reacciones secundarias durante la polimerización (por ejemplo, terminación, transferencia de monómeros, ramificación). Los iniciadores de organolitio han sido particularmente útiles a este respecto, ya que son solubles en una variedad de disolventes y dado que pueden iniciar la polimerización de una variedad de monómeros, como el estireno y sus homólogos, los 1,3-dienos. , metacrilatos de alquilo, vinilpiridinas, óxidos y sulfuros cíclicos y siloxanos cíclicos. Utilizando estos monómeros, se han sintetizado varios copolímeros de bloque (Riess y Hurtrez, 1985), algunos comercialmente, pero el desarrollo sobresaliente en esta área ha sido en el caso del tipo ABA de copolímeros tribloque, particularmente poliestireno-b-polidieno-b- poliestireno (SDS) y sus análogos hidrogenados. Los tribloques ABA que más se han explotado comercialmente son del tipo estireno-dieno-estireno, preparados por polimerización secuencial iniciada por compuestos de alquil-litio. El comportamiento de estos copolímeros de bloque ilustra las características especiales de los copolímeros de bloque (y de injerto), que se basan en la incompatibilidad general de los diferentes bloques. Por lo tanto, para un típico "elastómero termoplástico", los bloques terminales de poliestireno (∼15,000-20,000 MW) se agregan en una fase separada, que forma una microdispersión dentro de la matriz compuesta por las cadenas de polidieno (50,000-70,000 MW). Esta separación de fases, que se produce en estado fundido (o hinchado), da como resultado, a temperatura ambiente, una red de cadenas de polidieno elásticas que se mantienen juntas mediante microdominios de poliestireno vítreo. Por tanto, estos materiales se comportan como elastómeros virtualmente reticulados a temperatura ambiente, pero son completamente termoplásticos y fluidos a temperaturas elevadas.
Copolímeros de bloque por mecanismo catiónico
El descubrimiento de la polimerización catiónica viva ha proporcionado métodos y tecnología para la síntesis de copolímeros de bloque útiles, especialmente aquellos basados en poliisobutileno elastomérico. Es de destacar que el isobutileno solo se puede polimerizar mediante un mecanismo catiónico. Uno de los elastómeros termoplásticos más útiles preparados por polimerización catiónica es el copolímero tribloque de poliestireno-b-poliisobutileno-b-poliestireno (SIBS). Este polímero impregnado de fármacos antiinflamatorios fue uno de los primeros polímeros utilizados para recubrir stents metálicos como tratamiento para las arterias bloqueadas. Los polímeros SIBS poseen un bloque central de poliisobutileno elastomérico estable a la oxidación y exhiben las propiedades habilitadoras críticas para esta aplicación, incluido el procesamiento, la compatibilidad vascular y la bioestabilidad. Como se ilustra a continuación, los polímeros SIBS se pueden preparar mediante la adición secuencial de monómeros utilizando un iniciador difuncional con tetracloruro de titanio en un disolvente mixto (cloruro de metileno/metilciclohexano) a baja temperatura (-70 a -90°C) en presencia de una trampa de protones (2,6-di-t-butilpiridina). Para evitar la formación de productos acoplados formados por alquilación intermolecular, la polimerización se termina antes del consumo completo de estireno. Estos polímeros SIBS exhiben propiedades de tracción esencialmente las mismas que las del polivinilciclohexeno altamente isotáctico producido por catalizador (mm> 95%) mediante un mecanismo de polimerización vivo determinado por análisis cinético.