Co-polyesteramides of different microstructures : synthesis, properties and fiber spinning

Gupta, Manisha; Pich, Andrij; Möller, Martin

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-035366

Co-polyesteramides of different microstructures : synthesis, properties and fiber spinning = Co-Polyesteramide verschiedener Mikrostrukturen : Synthese, Eigenschaften und Faserspinnen

Gupta, Manisha

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Manisha Gupta, M.Tech.

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (149 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Möller, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Pich, Andrij (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-04-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-035366
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/573503/files/573503.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/573503/files/573503.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Chemie (frei) ; anionic ring-opening polymerization (frei) ; crystallinity (frei) ; polyesteramides (frei) ; reactive extrusion (frei) ; fiber spinning (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Unter dem synthetischen bioabbaubaren Polymeren stellen aliphatische Polyesteramide(PEA) eine neue Klasse von Hochleistungspolymeren dar, die die Eigenschaften vonaliphatischen Polyestern und Polyamiden verbinden. In dieser Arbeit wurden aliphatischePEA unterschiedlicher Mikrostrukturen synthetisiert, zum einen über einen Batch-Schmelz-Polykondensationsprozess und zum anderen über einen kontinuierlichenreaktiven Extrusionsprozess, und Morphologie und Eigenschaften untersucht. Der erste Teil dieser Arbeit fokussiert auf die Darstellung einer Serie von PEAinsbesondere Poly(ε-caprolacton-co-ε-caprolactam)-Copolymeren, wobei der reaktive Extrusionsprozess genutzt wurde. Die Copolymere wurden durch anionische ringöffnende Polymerisation von ε-Caprolactam in einer Poly(ε-caprolacton)-Schmelze dargestellt. Der Prozess wurde in einem zwei Schrauben-Mikromischer durchgeführt dabei wurde eine quantitative Umsetzung des Monomers erreicht. Der erfolgreichen Synthese im kleinen Maßstab folgte ein Up-Scaling, das in einem Laborextruder durchgeführt wurde und durch Simulationsrechnungen mittels desProgramms MOREX unterstützt wurde, das es erlaubt, die Residenzzeit derPolymerschmelze über die gesamte Länge der entworfenen Extruderschnecken zuberechnen. Bei einer geeigneten Schneckenkonfiguration kann der Monomerumsatz 95%erreichen wobei die resultierenden Polymere hohe Molekulargewichte aufweisen. Es ist wichtig die Spinnbarkeit der PEA zu untersuchen, da zahlreiche textile Strukturenin bio-medizinischen Anwendungen eingesetzt werden. Es ist eine große Herausforderunggeeignete und stabile Bedingungen für den Spinnprozess zu finden, wie Aufnahmegeschwindigkeit, Durchsatz, Ablageverhältnis, Schmelztemperatur und Aufnahmepunkt.In der vorliegenden Arbeit wurden die via reaktivem Extrusionsprozess über eineanionische ringöffnende Polymerisation von epsilon-Caprolactam in einer Schmelze vonkommerziell erhältlichen Polycaprolacton synthetisierten PEA erfolgreich zu Fasernversponnen in einem Mikromischer, der mit einer Schmelzspinnanlage ausgerüstet war. Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit befasst sich mit der Synthese hochmolekularerPoly(esteramidamid)en (PEAA) durch Schmelzpolykondensation von maßgeschneiderten Amid-haltigen Monomeren basierend auf 1,4-Diaminobutan und epsilon-Caprolacton undverschiedenen Dicarboxylsäuremethlestern mit einer unterschiedlichen Anzahl vonMethylgruppen katalysiert durch organische Titan-Verbindungen. Es wurde eine Serievon PEAA Polymeren synthetisiert und daraus Fasern mittels Schmelzspinnprozess hergestellt. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften der gesponnenen undkonditionierten Fasern wurden evaluiert und hinsichtlich der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen untersucht.Diese Arbeit führte durch die Einbettung von Ester- und Amidgruppen in das Polymerrückgrad zu einer neuen Klasse von abbaubaren Polymeren, den PEA. Es wurdesowohl ein kontinuierlicher als auch ein diskontinuierlicher Syntheseprozess zur Darstellung der Polymere entwickelt. Es wurden PEA mit maßgeschneiderten chemischen Strukturen synthetisiert, die durch einen Schmelzspinnprozesse zu Fasern mit guten mechanischen Eigenschaften verarbeitet werden konnten.

Among synthetic biodegradable polymers, aliphatic polyesteramides (PEAs) are a newclass of high performance polymers combining the properties of aliphatic polyesters andpolyamide. In this work, aliphatic PEAs of different microstructures have beensynthesized via a batch melt polycondensation process as well as continuous reactiveextrusion, and their morphology and properties have been investigated.The first part of this work focuses on the preparation of a series of PEAs, namely poly(ε-caprolactone-co-ε-caprolactam) copolymers, using a reactive extrusion process. Thecopolymers are prepared by anionic ring opening polymerization of ε-caprolactam in thepoly(ε-caprolactone) melt. The process is performed on a twin-screw microcompounder,and a quantitative monomer conversion can be achieved.Followed by the successful synthesis in a small scale, up-scaling assisted by a simulationprogram MOREX that allows calculating the residence time of the polymer melt over theentire length of the designed extruder screw has been realized on a lab extruder. With aproper screw configuration, the monomer conversion can reach more than 95 %, yieldingpolymers with significantly high molecular weight.It is important to study the spinnability of PEAs, since various textile structures are oftenused for biomedical applications, and it is a big challenge to find proper and stablespinning conditions such as take-up speed, throughput, draw-down ratio, meltingtemperature and take-up point. In this work PEAs synthesized via the reactive extrusionprocess based on anionic polymerization of ε-caprolactam in the melt of commerciallyavailable polycaprolactone were successfully spun into fibers on a microcompounderequipped with a melt spinning line.The second part of the thesis deals with the synthesis of high molecular weightpoly(esteramideamides) (PEAAs) by melt polycondensation of a tailor-made amidecontainingmonomer based on 1,4-diaminobutane and ε-caprolactone and differentdicarboxylic acid methyl esters with a varied number of methylene groups under catalysisof an organo-titanium catalyst. A series of PEAA polymers were synthesized and theirfibers were prepared via a melt spinning process. The mechanical and thermal properties of as spun and conditioned fibers were then evaluated and interpreted regarding thestructure property relationship.This work shows the incorporation of ester and amide groups in a polymer backboneleading to a new class of degradable polymers, PEAs. Both continuous and batchsynthetic procedures have been developed for their preparation. PEAs with tailor-madechemical structures have been synthesized, and they can be melt-spun into fibers of goodmechanical properties.

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