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WO2021207777A1 - Curable composition for producing a vitrimer, and vitrimer obtainable therefrom, and method for production of same - Google Patents

Curable composition for producing a vitrimer, and vitrimer obtainable therefrom, and method for production of same Download PDF

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WO2021207777A1
WO2021207777A1 PCT/AT2021/060126 AT2021060126W WO2021207777A1 WO 2021207777 A1 WO2021207777 A1 WO 2021207777A1 AT 2021060126 W AT2021060126 W AT 2021060126W WO 2021207777 A1 WO2021207777 A1 WO 2021207777A1
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WO
WIPO (PCT)
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vitrimer
curable composition
group
epoxy
anhydride
Prior art date
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Ceased
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PCT/AT2021/060126
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German (de)
French (fr)
Inventor
Florian WANGHOFER
Michael GIEBLER
Sandra SCHLÖGL
Archim WOLFBERGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Polymer Competence Center Leoben GmbH
Original Assignee
Polymer Competence Center Leoben GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • C08G59/18Macromolecules obtained by polymerising compounds containing more than one epoxy group per molecule using curing agents or catalysts which react with the epoxy groups ; e.g. general methods of curing
    • C08G59/40Macromolecules obtained by polymerising compounds containing more than one epoxy group per molecule using curing agents or catalysts which react with the epoxy groups ; e.g. general methods of curing characterised by the curing agents used
    • C08G59/42Polycarboxylic acids; Anhydrides, halides or low molecular weight esters thereof
    • C08G59/4207Polycarboxylic acids; Anhydrides, halides or low molecular weight esters thereof aliphatic

Definitions

  • the invention relates to a curable composition for producing a vitrimer.
  • the invention also relates to a cured composition derived therefrom.
  • the invention relates to a method for producing an epoxy-based duromer, in particular a vitrimer.
  • Vitrimers are among the covalently adaptable networks, the so-called “covalent adaptable networks” (CANs). Vitrimers are polymeric networks, but thermally activated bond exchange reactions can induce topology changes and thus offer the possibility of influencing the shape of a network.
  • CANs covalent adaptable networks
  • the CANs are divided into two subgroups, the dissociative and associative CANs.
  • the dissociative CANs In the former, existing connections are first dissolved, which are later formed again with a different spatial molecular shape.
  • the associative CANs With the associative CANs, the total number of bonds remains constant over time, as the chains involved carry out exchange reactions such as transesterification or transamination reactions.
  • Associative CANs also include vitrimers (see: Winne, JM, Leibier, L, Du Prez, F., Dynamic Covalent Chemistry in Polymer Networks: A Mechanistic Perspective, Polym. Chem. 10 (2019) 6091; Montarnal, D. , Capelot, M., Tournilhac, F., Leibier, L, Silica-Like Malleable Materials from Permanent Organic Networks, Science 334 (2011) 965).
  • Vitrimer systems are particularly capable of transesterification reactions; most of the theoretical background that follows deals with such vitrimer systems.
  • the viscosity of vitrimers changes over the temperature as with strong glass formers and behaves according to the Arrhenius law. If the material exceeds a certain temperature limit, the viscosity drops only slightly. In the case of classical strong glass formers such as silicon oxide and other inorganic compounds, this point is the glass transition temperature T g and in the case of vitrimers the structural freezing transition temperature Tv (so-called topology freezing transition temperature). According to the definition, this is at the point at which the material has a viscosity of 10 12 Pa s (Montarnal, D., Capelot, M., Tournilhac, F., Leibier, L., Silica-Like Malleable Materials from Permanent Organic Networks , Science 334 (2011) 965).
  • the choice of the main components (epoxy, hardener and / or catalyst) in the network can have an influence on the reactivity or on the Tv generated.
  • the choice of the stoichiometry used for the reactants also appears to be important. In the case of an epoxy, with a stoichiometric epoxy: anhydride ratio of 1: 1, fewer hydroxyl groups are naturally formed. If the monomers do not already have hydroxyl groups, transesterification reactions can only take place to a limited extent with this ratio.
  • OH groups are also formed by the termination of the homopolymerization of the epoxy groups and can arise from side reactions such as the hydrolysis of epoxides or anhydrides by water. Water can be released from the catalyst under the action of heat.
  • vitrimer systems published to date are mostly soft and have a low hardness, which limits industrial application (Yang, Y., Urban, M. W., Self-healing polymeric materials, Chem.
  • T g values of cured epoxy resin materials are often above 100 ° C. in order to meet the requirements of high operating temperatures, especially for applications in the aerospace industry.
  • Previous vitrimer systems usually have a T g ⁇ 100 ° C.
  • Reasons for obtaining such soft networks are, on the one hand, the intended incomplete curing of the resin to generate further important hydroxyl groups, which results in a lower network density.
  • using flexible epoxy monomers such as fatty acids leads to softer networks. This is also reflected in the patent reports published to date.
  • the object of the invention is to provide a curable composition for producing a vitrimer which has a high glass transition temperature (T g ) and high mechanical strength with rapid stress relaxation at the same time and which can be produced from easily available, inexpensive components.
  • T g glass transition temperature
  • a cured composition derived therefrom is to be specified.
  • Another aim of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset with which an epoxy-based duromer, in particular a vitrimer, can be produced which has a high glass transition temperature (T g ) and high mechanical strength with simultaneous rapid stress relaxation and that from simply available, inexpensive components can be produced.
  • T g glass transition temperature
  • a curable composition for producing a vitrimer comprising: a) a crosslinkable monomer having at least one amino group -NR 1 R 2 , where R 1 and R 2 stand for a glycidyl group, and optionally at least one further functionally crosslinkable group such as, in particular, a glycidyl group; b) an anhydride of a carboxylic acid and / or a carboxylic acid as hardener; c) optionally a catalyst which catalyzes transesterification and / or curing.
  • composition according to the invention a starting basis for the production of a vitrimer is created which has a high glass transition temperature (T g ) and has high mechanical strength with simultaneous rapid stress relaxation and which can be produced from easily available, inexpensive components.
  • T g glass transition temperature
  • the approach according to the invention is conceptually based on epoxy monomers which have tertiary amino groups with the ability to accelerate the transesterification reactions.
  • rapid stress relaxation is observed in the vitrimer obtained later.
  • This stress relaxation is an important parameter of vitrimers, since the ability to self-heal, weldability and recyclability usually increases with improved stress relaxation.
  • a catalytic converter can be provided.
  • the composition manage entirely without an additional catalyst, since the amino groups of the monomer can at least partially take over the function of the catalyst.
  • the monomer has at least two, preferably two to four, amino groups —NR 1 R 2 .
  • Each amino group can carry two glycidyl radicals.
  • the monomer can have the formula I, whereby
  • R 4 stands for a C 3 -C 4 o-alkyl, aryl or arylalkyl radical, in particular a C 5 -C 12 - cycloalkane which is optionally substituted by one or more halogens, for example cyclopentane or cyclohexane, or an aryl radical such as Benzyl, naphthyl, anthracyl, benzylphenyl radicals, diphenylmethanyl or a diclyohexylmethanyl radical and
  • R 5 represents an amino group, mono- or disubstituted with a glycidyl group, or an ether or sulfide group with a glycidyl radical or a vinyl ester group.
  • Examples of radicals of the type R 4 are shown below:
  • the represented radicals R 4 can also be substituted, it being possible for individual hydrogens to be substituted by a halogen, in particular fluorine, chlorine or bromine, or by an alkyl radical, in particular by a straight-chain or branched C Ce-alkyl.
  • Particularly suitable hardeners are anhydrides of carboxylic acids and / or carboxylic acids.
  • Replaceable anhydrides are, for example: 5-norbornene-2,3-dicarboxylic anhydride, methyl-5-norbornene-2,3-dicarboxylic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, methylhexahydrophthalic anhydride, phthalic anhydride, trimellitic anhydride, trimellitic anhydride, triellitic anhydride, maleic anhydride, maleic anhydride, tetracarboxylic acid bis anhydride.
  • carboxylic acids in particular dicarboxylic acids, are for example: trimellitic acid, hemimellitic acid, trimesic acid, azelaic acid, sebacic acid, adipic acid, Glutaric acid, pimelic acid, octanedioic acid, cyclohexanedicarboxylic acid, phthalic acid, terephthalic acid, isophthalic acid and / or 5-norbornene-2,3-dicarboxylic acid.
  • dicarboxylic acids are for example: trimellitic acid, hemimellitic acid, trimesic acid, azelaic acid, sebacic acid, adipic acid, Glutaric acid, pimelic acid, octanedioic acid, cyclohexanedicarboxylic acid, phthalic acid, terephthalic acid, isophthalic acid and / or 5-norbornene-2,3-dicarboxylic acid.
  • the hardener has the formula II, where R 6 represents a straight-chain or branched C3-C2o-alkyl radical, preferably a C3-Cio-alkylene, which is optionally substituted, or R 6 represents a C3-C2o-aryl or a C3-C2o-arylalkyl radical.
  • a molar ratio of monomer to hardener is preferably about 1: 1 to 1: 0.5. This molar ratio relates to the respective total number of functional groups (epoxy groups on the one hand and carboxylic acid groups on the other). Lower ratios down to about 1: 0.5 can prove beneficial for rapid stress relaxation. Overall, by adjusting the molar ratio of monomer to hardener, the properties in the composition that is hardened later can be set or adjusted in a targeted manner. In this way, an optimized range of properties can be achieved for the respective application.
  • the process-related object of the invention is achieved if a composition according to the invention is cured in a process of the type mentioned at the beginning.
  • FIG. 1 conversion of the epoxy groups of different resin systems at 120 ° C. over time;
  • FIG. 2 a comparison of the epoxy band before and after curing in a section of an exemplary FTIR spectrum;
  • FIG. 1 conversion of the epoxy groups of different resin systems at 120 ° C. over time;
  • FIG. 2 a comparison of the epoxy band before and after curing in a section of an exemplary FTIR spectrum;
  • FIG. 1 conversion of the epoxy groups of different resin systems at 120 ° C. over time;
  • FIG. 2 a comparison of the epoxy band before and after curing in a section of an exemplary FTIR spectrum;
  • FIG. 3 normalized relaxation modulus curves of a DGEBA glutaric anhydride reference system with 5 mol% zinc acetylacetonate hydrate at different temperatures;
  • FIG. 4 Arrhenius diagram for the DGEBA / glutaric anhydride reference system from FIG. 3;
  • FIG. 4 Arrhenius diagram for the DGEBA / glutaric anhydride reference system from FIG. 3;
  • FIG. 5 shows stress relaxation for a 1: 1 amintriepoxide / glutaric anhydride system with 5 mol% zinc acetylacetonate hydrate
  • FIG. 6 Arrhenius diagram for the amine triepoxide / glutaric anhydride system from FIG. 5
  • FIG. 7 shows a master curve with the reference temperature of 220 ° C .
  • FIG. 9 Arrhenius diagram for the diamine tetraepoxide / glutaric anhydride system from FIG. 8; FIG.
  • 11 shows the temperature-dependent viscosities of the amine triepoxide system
  • 12 shows the temperature-dependent viscosities of the diamine tetraepoxide system
  • 13 shows the temperature-dependent complex moduli of elasticity and mechanical loss factors of the DGEBA reference
  • FIG. 22 Comparison of the stress relaxation of the three systems from FIGS. 8, 20 and 21.
  • Measuring devices Measuring devices which were used to carry out measurements are given in Table 3 below. Table 3: Measuring devices used
  • the resin was then allowed to cure in an oven at 120 ° C. for 18 hours.
  • the degree of cure was then measured by means of FTIR spectroscopy. Characterization of the vitrimer systems
  • the MCR 501 rheometer was heated to the respective measuring temperature. Based on this, the maximum measurement duration had to be estimated.
  • the measuring chamber was flooded with nitrogen at a constant volume flow of 1 m 3 / h. Rectangular samples were tested for the measurement. The samples were 5 mm wide, 30 mm high, and approximately 1.5 mm thick. The following steps were also carried out.
  • Thermogravimetric analyzes were carried out under a nitrogen atmosphere, at a heating rate of 10 K / min and an approximate sample weight of 10 mg.
  • the results of the FTIR spectroscopy are shown in FIG.
  • the height of the peaks was analyzed, compared with the initial values and standardized.
  • the epoxy bands at a wave number of 913 cm ⁇ 1 were analyzed (see FIG. 2).
  • the two anhydride peaks are superimposed in the course of the reaction by the carbonyl peak of the ester group formed, which was taken into account in the evaluation.
  • the epoxy groups react quickly in all systems and are only present in small amounts after 100 minutes. If the gel point is reached more quickly, the diamine tetraepoxide system could transition to diffusion-controlled curing earlier and thus slow down the rate of reaction.
  • FIG. 3 shows the normalized relaxation module of the DGEBA reference vitrimer. It can be seen here that the modules drop faster at higher temperatures. This trend is consistent with relaxation curves in the literature. Steps that can be seen in the illustration of the measurement at 220 ° C can be explained by slipping of the sample or by shaking the measurement setup, but this does not affect the validity of the measurement results due to the insignificance.
  • the relaxation times from FIG. 3 made it possible to create an Arrhenius diagram which is shown in FIG. 4.
  • the activation energy was calculated and is 119.5 kJ / mol.
  • a similar system has been described in the literature, but with a significantly higher epoxide: anhydride ratio of 1: 0.5. In this latter system, the material has more hydroxyl groups due to the stoichiometry and transesterification reactions can therefore take place more frequently, which lowers the activation energy.
  • the reference sample relaxes strongly, which can be explained by the catalytic activity of the tertiary amines which are in the structure of the epoxide.
  • This second type of catalyst means that the activation energy of the samples is correspondingly low.
  • the master curve of this system in FIG. 7 shows that only the 200 ° C. and 220 ° C. curves are on top of one another; deviations can be seen from a temperature of 250 ° C. and above. This could be caused by a greater deviation of the deformation from the linear viscoelastic range or by the second reaction path (transesterification catalysis by amines).
  • FIGS. 8 and 9 The results for the corresponding diamine tetraepoxide system are shown in FIGS. 8 and 9. As can be seen, the relaxation is slower than with the amine triepoxide system. In addition, the reference sample relaxes faster than the sample at 200 ° C, but this does not occur with the other systems.
  • Viscosities can be calculated on the basis of the relaxation times and shear modulus obtained from the relaxation tests. Using an exponential extrapolation, the viscosities of 10 12 Pa s could be calculated, as shown in Fig.
  • the dynamic mechanical analysis made it possible to determine the complex moduli of elasticity and the mechanical loss factors as a function of the temperature of the vitrimer systems. These are shown in FIGS. 13 to 15.
  • the glass transition temperatures could be determined with the aid of the mechanical loss maxima.
  • the high glass transition temperatures of the amine triepoxide and the di am i ntetrae poxi d system are noticeable.
  • FIG. 16 shows the TGA curves of vitrimers. The onset of decomposition is indicated by vertical lines. It can be seen that the two amine systems begin to decompose at 340 ° C and the DGEBA system at 380 ° C. Since the relaxation measurements were carried out at these temperatures, it can be assumed that no significant degradation has taken place under these conditions. This testifies to the accuracy of the data obtained during the relaxation measurement, as no material degradation took place during the measurement.
  • the above test series 1 was based on stoichiometric resin formulations (ratio of epoxy and anhydride groups of 1: 1) with Zn (acac) 2 as the catalyst.
  • resin formulations with a non-stoichiometric ratio between epoxide and anhydride (1: 0.5) and Zn (acac) 2 as a catalyst were produced.
  • the excess of epoxy groups leads to a higher number of OH groups and, associated with this, to a higher activity in stress relaxation.
  • stoichiometric resin formulations ratio of epoxy and anhydride groups of 1: 1 were produced without the addition of a catalyst. The aim here was to show that the tertiary amino groups in the structure of the epoxy crosslinkers are capable of catalyzing the transesterification reactions.
  • compositions for this test series 2 are given in Tables 3 to 5.
  • Table 3 Weighing in of further amine triepoxide systems
  • Table 4 Weighing in of further diamine tetraepoxide systems
  • Tv values and activation energies given in Tables 6 and 7 were determined for the vitrimer systems.
  • Table 6 Tv values and activation energy E a for the amine triepoxide system
  • Table 7 Tv values and activation energy E a for the diamine tetraepoxide system
  • the cured networks were comminuted with a ball mill for 90 seconds and 30 Hz.
  • the resulting powder was pressed with a press (Dr. Collins) for 40 min at a maximum of 250 ° C and 5 bar pressure or a PVT 100 press (SWO Polymertechnik) with 500 bar at 250 ° C.
  • the highly crosslinked vitrimer powders can be easily compressed and thus also recycled, whereby, naturally at higher pressures, pellets of better quality can be produced.
  • Vitrimers according to the invention are generally distinguished by a high T v value, which can be higher than 180 ° C., preferably 190 ° C. or more.
  • T g values are higher than 110.degree. C., preferably higher than 120.degree.

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Abstract

The invention relates to a curable composition for producing a vitrimer, comprising: a) a crosslinkable monomer, comprising at least one amino group -NR1R2, wherein R1 and R2 represent a glycidyl group, and optionally at least one further functionally crosslinkable group, such as in particular a glycidyl group; b) an anhydride of a carboxylic acid and/or a carboxylic acid as curing agent; c) optionally a catalyst that catalyses a transesterification and/or a curing. The invention also relates to a corresponding cured composition and to a method for producing an epoxy-based thermoset.

Description

Aushärtbare Zusammensetzung zur Herstellung eines Vitrimers und daraus erhältliches Vitrimer und Verfahren zu dessen Herstellung Curable composition for producing a vitrimer and vitrimer obtainable therefrom and process for its production

Die Erfindung betrifft eine aushärtbare Zusammensetzung zur Herstellung eines Vitrimers. The invention relates to a curable composition for producing a vitrimer.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine daraus abgeleitete ausgehärtete Zusammensetzung. The invention also relates to a cured composition derived therefrom.

Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines epoxidbasierten Duromers, insbesondere eines Vitrimers. Finally, the invention relates to a method for producing an epoxy-based duromer, in particular a vitrimer.

Vitrimere zählen zu den kovalent anpassungsfähigen Netzwerken, den sogenannten „covalent adaptable networks“ (CANs). Vitrimere sind zwar polymere Netzwerke, können aber durch thermisch aktivierte Bindungsaustauschreaktionen zur Topologieänderung angeregt werden und bieten somit die Möglichkeit, die Gestalt eines Netzwerkes zu beeinflussen. Vitrimers are among the covalently adaptable networks, the so-called "covalent adaptable networks" (CANs). Vitrimers are polymeric networks, but thermally activated bond exchange reactions can induce topology changes and thus offer the possibility of influencing the shape of a network.

Bei den CANs wird in zwei Untergruppen unterschieden, die dissoziativen und assoziativen CANs. Bei ersteren werden zuerst bestehende Verbindungen aufgelöst, die später wieder mit einer anderen räumlichen Molekülgestalt gebildet werden. Bei den assoziativen CANs bleibt die gesamte Anzahl an Bindungen zeitlich konstant, indem die betroffenen Ketten Austauschreaktionen wie Umesterungs- oder Transaminierungsreaktionen durchführen. Zu den assoziativen CANs zählen auch Vitrimere (siehe hierzu: Winne, J. M., Leibier, L, Du Prez, F., Dynamic Covalent Chemistry in Polymer Networks: A Mechanistic Perspective, Polym. Chem. 10 (2019) 6091; Montarnal, D., Capelot, M., Tournilhac, F., Leibier, L, Silica-Like Malleable Materials from Permanent Organic Networks, Science 334 (2011) 965). The CANs are divided into two subgroups, the dissociative and associative CANs. In the former, existing connections are first dissolved, which are later formed again with a different spatial molecular shape. With the associative CANs, the total number of bonds remains constant over time, as the chains involved carry out exchange reactions such as transesterification or transamination reactions. Associative CANs also include vitrimers (see: Winne, JM, Leibier, L, Du Prez, F., Dynamic Covalent Chemistry in Polymer Networks: A Mechanistic Perspective, Polym. Chem. 10 (2019) 6091; Montarnal, D. , Capelot, M., Tournilhac, F., Leibier, L, Silica-Like Malleable Materials from Permanent Organic Networks, Science 334 (2011) 965).

Vitrimersysteme, auf welche nachfolgend Bezug genommen wird, sind insbesondere zu Umesterungsreaktionen fähig; der Großteil des folgenden theoretischen Hintergrundes behandelt solche Vitrimersysteme. Vitrimer systems, to which reference is made below, are particularly capable of transesterification reactions; most of the theoretical background that follows deals with such vitrimer systems.

Durch Neuanordnung von Bindungen lassen sich Spannungen innerhalb einer Polymermatrix relaxieren, die auch zu einem Fließen führen können. Dies ermöglicht neue Materialeigenschaften wie z. B. Selbstheilung und Recyclierbarkeit. Eine Aktivierung dieser Umesterungsreaktionen benötigt einen externen Stimulus, wobei dieser thermisch oder fotochemisch erfolgen kann (siehe hierzu: Capelot, M., Unterlass, M. M., Tournilhac, F., Leibier, L., Catalytic control of the vitrimer glass transition, ACS Macro Lett. 1 (2012) 789). By rearranging bonds, tensions within a polymer matrix can be relaxed, which can also lead to flow. this makes possible new material properties such as B. Self-healing and recyclability. Activation of these transesterification reactions requires an external stimulus, which can take place thermally or photochemically (see: Capelot, M., Unterlass, MM, Tournilhac, F., Leibier, L., Catalytic control of the vitrimer glass transition, ACS Macro Lett . 1 (2012) 789).

Die Viskosität von Vitrimeren verändert sich über die Temperatur wie bei starken Glasbildnern und verhält sich nach dem Arrheniusgesetz. Wenn das Material eine gewisse Temperaturgrenze überschreitet, sinkt die Viskosität nur schwach ab. Dieser Punkt ist bei klassischen starken Glasbildnern, wie Siliciumoxid und anderen anorganischen Verbindungen, die Glasübergangstemperatur Tg und bei Vitrimeren die strukturelle Einfrier-Übergangstemperatur Tv (sogenannte topology freezing transition temperature). Diese liegt laut Definition bei dem Punkt, bei dem das Material eine Viskosität von 1012 Pa s aufweist (Montarnal, D., Capelot, M., Tournilhac, F., Leibier, L., Silica-Like Malleable Materials from Permanent Organic Networks, Science 334 (2011) 965). The viscosity of vitrimers changes over the temperature as with strong glass formers and behaves according to the Arrhenius law. If the material exceeds a certain temperature limit, the viscosity drops only slightly. In the case of classical strong glass formers such as silicon oxide and other inorganic compounds, this point is the glass transition temperature T g and in the case of vitrimers the structural freezing transition temperature Tv (so-called topology freezing transition temperature). According to the definition, this is at the point at which the material has a viscosity of 10 12 Pa s (Montarnal, D., Capelot, M., Tournilhac, F., Leibier, L., Silica-Like Malleable Materials from Permanent Organic Networks , Science 334 (2011) 965).

Im Gegensatz hierzu verhalten sich klassische Polymere wie schwache Glasbildner.In contrast, classic polymers behave like weak glass formers.

Diese zeigen eine starke Verringerung der Viskosität über der entsprechenden Übergangstemperatur. Ein solches Verhalten kann sehr gut über die Williams-Landel- Ferry-Gleichung beschrieben werden. These show a strong reduction in viscosity above the corresponding transition temperature. Such behavior can be described very well using the Williams-Landel-Ferry equation.

Austauschreaktionen bei Temperaturerhöhung können sowohl katalysiert als auch nicht katalysiert ablaufen. Katalysierte Vitrimere weisen jedoch im Vergleich zu nicht katalysierten Systemen eine signifikant höhere Austauschrate auf. Essentiell sind insbesondere freie Hydroxy-Gruppen (OH) in ß-Position zu einer Ester-Gruppe. Exchange reactions when the temperature rises can take place in a catalyzed or non-catalyzed manner. However, catalyzed vitrimers have a significantly higher exchange rate compared to non-catalyzed systems. In particular, free hydroxyl groups (OH) in the β position to an ester group are essential.

Bisher wurden eine Reihe unterschiedlicher Katalysatoren veröffentlicht, welche Einfluss auf die Aktivierungsenergie einer Umesterungsreaktion eines Vitrimers haben. Beispiele für solche Katalysatoren sind Zinkacetylacetonat Zn(acac)2, Zinkacetat Zn(Oac) und sekundäre oder tertiäre Amine. Bei erstgenannten Katalysatoren wird davon ausgegangen, dass das Zink-Ion einen Ligandenaustausch mit zwei Carbonsäuregruppen oder einem Anhydrid ausführt, um anschließend mit einem Epoxid zu reagieren. So wird ein negativ geladenes Sauerstoffatom erzeugt, welches zu Umesterungsreaktionen führt (Demongeot, A., Mougnier, S.-J., Okada, S., Soulie-Ziakovic, C., Tournilhac, F., Coordination and Catalysis of Zn2+ in Epoxy-Based Vitrimers, Polym. Chem. 7 (2016) 4486). So far, a number of different catalysts have been published which influence the activation energy of a transesterification reaction of a vitrimer. Examples of such catalysts are zinc acetylacetonate Zn (acac) 2, zinc acetate Zn (Oac) and secondary or tertiary amines. In the case of the first-mentioned catalysts, it is assumed that the zinc ion exchanges ligands with two carboxylic acid groups or an anhydride in order to then react with an epoxide. This creates a negatively charged oxygen atom, which leads to transesterification reactions (Demongeot, A., Mougnier, S.-J., Okada, S., Soulie-Ziakovic, C., Tournilhac, F., Coordination and Catalysis of Zn 2+ in Epoxy-Based Vitrimers, Polym. Chem. 7 ( 2016) 4486).

Darüber kann auch die Wahl der Hauptkomponenten (Epoxid, Härter und/oder Katalysator) im Netzwerk einen Einfluss auf die Reaktivität bzw. auf die generierte Tv haben. Zusätzlich scheint auch die Auswahl der verwendeten Stöchiometrie der Reaktanten wichtig. Bei einem Epoxid entstehen bei einem stöchiometrischen Epoxid:Anhydrid-Verhältnis von 1:1 naturgemäß weniger Hydroxylgruppen. Wenn die Monomere nicht schon Hydroxylgruppen aufweisen, können mit diesem Verhältnis nur eingeschränkt Umesterungsreaktionen stattfinden. Gründe, warum es trotzdem zu einer messbaren Relaxation kommt, sind einerseits, dass bei der Härtung des Harzes nicht jede der Hydroxylgruppen mit einem Epoxidring reagiert und es andererseits auch bei der Härtung von äquimolaren Harzmischungen zur Ausbildung von Hydroxylestergruppen kommt. Generell werden OH-Gruppen auch durch die Terminierung der Homopolymerisation der Epoxidgruppen gebildet und können durch Nebenreaktionen wie die Hydrolyse von Epoxiden oder Anhydriden durch Wasser entstehen. Wasser kann von dem Katalysator unter Hitzeeinwirkung freigesetzt werden. In addition, the choice of the main components (epoxy, hardener and / or catalyst) in the network can have an influence on the reactivity or on the Tv generated. In addition, the choice of the stoichiometry used for the reactants also appears to be important. In the case of an epoxy, with a stoichiometric epoxy: anhydride ratio of 1: 1, fewer hydroxyl groups are naturally formed. If the monomers do not already have hydroxyl groups, transesterification reactions can only take place to a limited extent with this ratio. Reasons why a measurable relaxation still occurs are, on the one hand, that when the resin cures, not all of the hydroxyl groups react with an epoxy ring and, on the other hand, when equimolar resin mixtures are cured, hydroxyl ester groups are formed. In general, OH groups are also formed by the termination of the homopolymerization of the epoxy groups and can arise from side reactions such as the hydrolysis of epoxides or anhydrides by water. Water can be released from the catalyst under the action of heat.

Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften von Vitrimeren sind bisher veröffentliche Vitrimersysteme meist weich und weisen eine niedrige Härte auf, was eine industrielle Anwendung limitiert (Yang, Y., Urban, M. W., Self-healing polymeric materials, Chem.With regard to the mechanical properties of vitrimers, vitrimer systems published to date are mostly soft and have a low hardness, which limits industrial application (Yang, Y., Urban, M. W., Self-healing polymeric materials, Chem.

Soc. Rev. 42 (2013) 7446). In industriellen Anwendungen liegen Tg-Werte ausgehärteter Epoxidharzmaterialien oft über 100 °C, um den Anforderungen hoher Betriebstemperaturen, insbesondere für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, gerecht zu werden. Bisherige Vitrimersysteme weisen meist eine Tg < 100 °C auf. Gründe für den Erhalt solch weicher Netzwerke sind einerseits das beabsichtigte unvollständige Aushärten des Harzes zur Generierung weiterer wichtiger Hydroxylgruppen, wobei dies eine niedrigere Netzwerkdichte ergibt. Andererseits führt ein Verwenden flexibler Epoxidmonomere wie beispielsweise Fettsäuren zu weicheren Netzwerken. Dies spiegelt sich auch in den bisher veröffentlichten Patentmeldungen wider. In einem Großteil bisher veröffentlichter Patentanmeldungen werden Glutarsäureanhydrid und Pripol 1040 bzw. Bisphenol-A-diglycidylether (DGEBA) verwendet, welches zwar zu hohen Tg-Werten führt, aber im stöchiometrischen Mischungsverhältnis von 1:1 eine langsame Spannungsrelaxation ergibt (US 2017/0044305 A1, US 9,266,292 B2). Die meisten Patentanmeldungen weisen ein System mit Pripol 1040 auf, welches ein Gemisch unterschiedlicher Fettsäuren ist und somit zu den flexiblen Monomeren gehört. Um diese Limitierung zu überwinden, wurden unterschiedliche Strategien entwickelt und umgesetzt. Zum einen wurden unterschiedliche Blends hergestellt und Vitrimereigenschaften bewusst abgeändert, zum anderen wurden hochvernetzte Systeme mit hoher Tg hergestellt, die allerdings teure Ausgangsmaterialien benötigten. Insgesamt betrachtet bestehen noch keine zufriedenstellenden Lösungen für wirtschaftliche Applikationen. Soc. Rev. 42 (2013) 7446). In industrial applications, the T g values of cured epoxy resin materials are often above 100 ° C. in order to meet the requirements of high operating temperatures, especially for applications in the aerospace industry. Previous vitrimer systems usually have a T g <100 ° C. Reasons for obtaining such soft networks are, on the one hand, the intended incomplete curing of the resin to generate further important hydroxyl groups, which results in a lower network density. On the other hand, using flexible epoxy monomers such as fatty acids leads to softer networks. This is also reflected in the patent reports published to date. Most of the previously published patent applications use glutaric anhydride and Pripol 1040 or bisphenol A diglycidyl ether (DGEBA), which leads to high T g values, but a slow one in the stoichiometric mixing ratio of 1: 1 Stress relaxation results (US 2017/0044305 A1, US 9,266,292 B2). Most patent applications have a system with Pripol 1040, which is a mixture of different fatty acids and thus belongs to the flexible monomers. To overcome this limitation, different strategies have been developed and implemented. On the one hand, different blends were produced and vitrimer properties were deliberately changed; on the other hand, highly crosslinked systems with a high T g were produced, which, however, required expensive starting materials. Overall, there are still no satisfactory solutions for economical applications.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine aushärtbare Zusammensetzung zur Herstellung eines Vitrimers anzugeben, das eine hohe Glasübergangstemperatur (Tg) und hohe mechanische Festigkeit bei gleichzeitig schneller Spannungsrelaxation aufweist und das aus einfach erhältlichen, günstigen Komponenten herstellbar ist. The object of the invention is to provide a curable composition for producing a vitrimer which has a high glass transition temperature (T g ) and high mechanical strength with rapid stress relaxation at the same time and which can be produced from easily available, inexpensive components.

Des Weiteren soll eine daraus abgeleitete ausgehärtete Zusammensetzung angegeben werden. Furthermore, a cured composition derived therefrom is to be specified.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem ein epoxidbasiertes Duromer, insbesondere ein Vitrimer, herstellbar ist, das eine hohe Glasübergangstemperatur (Tg) und hohe mechanische Festigkeit bei gleichzeitig schneller Spannungsrelaxation aufweist und das aus einfach erhältlichen, günstigen Komponenten herstellbar ist. Another aim of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset with which an epoxy-based duromer, in particular a vitrimer, can be produced which has a high glass transition temperature (T g ) and high mechanical strength with simultaneous rapid stress relaxation and that from simply available, inexpensive components can be produced.

Die Aufgabe betreffend eine aushärtbare Zusammensetzung wird gelöst durch eine aushärtbare Zusammensetzung zur Herstellung eines Vitrimers, umfassend: a) ein vernetzbares Monomer, aufweisend mindestens eine Aminogruppe -NR1R2, wobei R1 und R2 für eine Glycidylgruppe stehen, und optional mindestens eine weitere funktionell vernetzbare Gruppe wie insbesondere eine Glycidylgruppe; b) ein Anhydrid einer Carbonsäure und/oder eine Carbonsäure als Härter; c) optional einen Katalysator, welcher eine Umesterung und/oder eine Aushärtung katalysiert. The object relating to a curable composition is achieved by a curable composition for producing a vitrimer, comprising: a) a crosslinkable monomer having at least one amino group -NR 1 R 2 , where R 1 and R 2 stand for a glycidyl group, and optionally at least one further functionally crosslinkable group such as, in particular, a glycidyl group; b) an anhydride of a carboxylic acid and / or a carboxylic acid as hardener; c) optionally a catalyst which catalyzes transesterification and / or curing.

Mit einer solchen, erfindungsgemäßen Zusammensetzung ist eine Ausgangsbasis für die Herstellung eines Vitrimers geschaffen, das eine hohe Glasübergangstemperatur (Tg) und hohe mechanische Festigkeit bei gleichzeitig schneller Spannungsrelaxation aufweist und das aus einfach erhältlichen, günstigen Komponenten herstellbar ist. Der erfindungsgemäße Ansatz geht konzeptionell von Epoxidmonomeren aus, die tertiäre Aminogruppen mit der Fähigkeit aufweisen, die Umesterungsreaktionen zu beschleunigen. Trotz grundsätzlich stöchiometrischen Einsatzes von Epoxidmonomer und Härter (hoher Aushärtegrad und damit verbunden eine hohe Tg) wird im später erhaltenen Vitrimer eine schnelle Spannungsrelaxation beobachtet. Diese Spannungsrelaxation ist eine wichtige Kenngröße von Vitrimeren, da mit verbesserter Spannungsrelaxation üblicherweise die Fähigkeit zu Selbstheilung, Verschweißbarkeit und Recyclierbarkeit steigt. Dabei kann ein Katalysator vorgesehen sein. Für einige Anwendungen kann es aber bevorzugt sein, dass die Zusammensetzung völlig ohne zusätzlichen Katalysator auskommt, da die Aminogruppen des Monomers die Funktion des Katalysators zumindest teilweise übernehmen können. With such a composition according to the invention a starting basis for the production of a vitrimer is created which has a high glass transition temperature (T g ) and has high mechanical strength with simultaneous rapid stress relaxation and which can be produced from easily available, inexpensive components. The approach according to the invention is conceptually based on epoxy monomers which have tertiary amino groups with the ability to accelerate the transesterification reactions. Despite the basically stoichiometric use of epoxy monomer and hardener (high degree of cure and associated high T g ), rapid stress relaxation is observed in the vitrimer obtained later. This stress relaxation is an important parameter of vitrimers, since the ability to self-heal, weldability and recyclability usually increases with improved stress relaxation. A catalytic converter can be provided. For some applications, however, it may be preferred that the composition manage entirely without an additional catalyst, since the amino groups of the monomer can at least partially take over the function of the catalyst.

In der aushärtbaren Zusammensetzung weist das Monomer zumindest zwei, vorzugsweise zwei bis vier, Aminogruppen -NR1R2 auf. Jede Aminogruppe kann zwei Glycidylreste tragen. In the curable composition, the monomer has at least two, preferably two to four, amino groups —NR 1 R 2 . Each amino group can carry two glycidyl radicals.

Das Monomer kann die Formel I aufweisen,

Figure imgf000006_0001
wobei The monomer can have the formula I,
Figure imgf000006_0001
whereby

R4 für einen C3-C4o-Alkyl-, Aryl- oder Arylalkylrest steht, insbesondere ein C5-C12- Cycloalkan, das gegebenenfalls mit einem oder mehreren Halogenen substituiert, ist, beispielsweise Cyclopentan oder Cyclohexan, oder einen Arylrest wie Benzyl-, Naphtyl-, Anthrazyl-, Benzylphenyl-Reste, Diphenylmethanyl oder einen Diclyohexylmethanylrest und R 4 stands for a C 3 -C 4 o-alkyl, aryl or arylalkyl radical, in particular a C 5 -C 12 - cycloalkane which is optionally substituted by one or more halogens, for example cyclopentane or cyclohexane, or an aryl radical such as Benzyl, naphthyl, anthracyl, benzylphenyl radicals, diphenylmethanyl or a diclyohexylmethanyl radical and

R5 für eine Aminogruppe, mono- oder disubstituiert mit einer Glycidylgruppe, oder eine Ether- oder Sulfidgruppe mit einem Glycidylrest oder eine Vinylestergruppe steht. Beispiele für Reste des Typs R4 sind nachfolgend dargestellt: Die dargestellten Reste R4 können auch substituiert sein, wobei einzelne Wasserstoffe durch ein Halogen, insbesondere Fluor, Chlor oder Brom, oder durch einen Alkylrest, insbesondere durch ein geradkettiges oder verzweigtes C Ce-Alkyl, substituiert sein können. R 5 represents an amino group, mono- or disubstituted with a glycidyl group, or an ether or sulfide group with a glycidyl radical or a vinyl ester group. Examples of radicals of the type R 4 are shown below: The represented radicals R 4 can also be substituted, it being possible for individual hydrogens to be substituted by a halogen, in particular fluorine, chlorine or bromine, or by an alkyl radical, in particular by a straight-chain or branched C Ce-alkyl.

Als Reste R5 kommen infrage: -H, -CH3, -(CH2)nCH3 (n = 1 bis 9), -CH=CH2, -OH, -OCH3, - -(OCH2)nCH3 (n = 1 bis 9), NH2, SH, COOH, -COOEt, -COOMe, (CH2)n-Epoxid (n = 1 bis 9), -CN, -F, -CI, -Br, insbesondere die nachfolgend dargestellten funktionellen Gruppen:

Figure imgf000007_0001
Possible radicals R 5 are: -H, -CH 3 , - (CH 2 ) n CH 3 (n = 1 to 9), -CH = CH 2 , -OH, -OCH 3 , - - (OCH 2 ) n CH 3 (n = 1 to 9), NH 2 , SH, COOH, -COOEt, -COOMe, (CH 2 ) n -epoxide (n = 1 to 9), -CN, -F, -CI, -Br, in particular the functional groups shown below:
Figure imgf000007_0001

Als Härter kommen insbesondere Anhydride von Carbonsäuren und/oder Carbonsäuren infrage. Particularly suitable hardeners are anhydrides of carboxylic acids and / or carboxylic acids.

Ersetzbare Anhydride sind beispielsweise: 5-Norbornen-2,3-dicarbonsäureanhydrid, Methyl-5-norbornen-2,3-dicarbonsäureanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Methylhexahydrophthalsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, T rimellitsäureanhydrid, Dodecylbernsteinsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid, Pyromellitsäuredianhydrid und/oder Benzophenon-tetracarbonsäure-bis-anhydrid. Replaceable anhydrides are, for example: 5-norbornene-2,3-dicarboxylic anhydride, methyl-5-norbornene-2,3-dicarboxylic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, methylhexahydrophthalic anhydride, phthalic anhydride, trimellitic anhydride, trimellitic anhydride, triellitic anhydride, maleic anhydride, maleic anhydride, tetracarboxylic acid bis anhydride.

Einsetzbare Carbonsäuren, insbesondere Dicarbonsäuren, sind beispielsweise: Trimellitsäure, Hemimellitsäure, Trimesinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Adipinsäure, Glutarsäure, Pimelinsäure, Octandisäure, Cyclohexandicarbonsäure, Phtalsäure, Terephthalsäure, Isophthalsäure und/oder 5-Norbornen-2,3-dicarbonsäure. Usable carboxylic acids, in particular dicarboxylic acids, are for example: trimellitic acid, hemimellitic acid, trimesic acid, azelaic acid, sebacic acid, adipic acid, Glutaric acid, pimelic acid, octanedioic acid, cyclohexanedicarboxylic acid, phthalic acid, terephthalic acid, isophthalic acid and / or 5-norbornene-2,3-dicarboxylic acid.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Härter die Formel II aufweist,

Figure imgf000008_0001
wobei R6 für einen geradkettigen oder verzweigten C3-C2o-Alkylrest steht, bevorzugt ein C3-Cio-Alkylen, welches gegebenenfalls substituiert ist, oder R6 einen C3-C2o-Aryl- oder einen C3-C2o-Arylalkylrest darstellt. It is particularly preferred if the hardener has the formula II,
Figure imgf000008_0001
where R 6 represents a straight-chain or branched C3-C2o-alkyl radical, preferably a C3-Cio-alkylene, which is optionally substituted, or R 6 represents a C3-C2o-aryl or a C3-C2o-arylalkyl radical.

Ein molares Verhältnis von Monomer zu Härter beträgt vorzugsweise etwa 1:1 bis 1:0,5. Dabei bezieht sich dieses molare Verhältnis jeweils auf die jeweilige Gesamtanzahl der funktionellen Gruppen (Epoxidgruppen einerseits und Carbonsäuregruppen andererseits). Niedrigere Verhältnisse bis zu etwa 1:0,5 können sich für eine schnelle Spannungsrelaxation als günstig erweisen. Insgesamt lassen sich durch eine Abstimmung des molaren Verhältnisses von Monomer zu Härter die Eigenschaften in der später ausgehärteten Zusammensetzung gezielt einstellen bzw. abstimmen. So kann für den jeweiligen Anwendungszweck ein optimiertes Eigenschaftsspektrum erreicht werden. A molar ratio of monomer to hardener is preferably about 1: 1 to 1: 0.5. This molar ratio relates to the respective total number of functional groups (epoxy groups on the one hand and carboxylic acid groups on the other). Lower ratios down to about 1: 0.5 can prove beneficial for rapid stress relaxation. Overall, by adjusting the molar ratio of monomer to hardener, the properties in the composition that is hardened later can be set or adjusted in a targeted manner. In this way, an optimized range of properties can be achieved for the respective application.

Entsprechend den vorstehenden Ausführungen erweist es sich als günstig, wenn aus der erläuterten aushärtbaren Zusammensetzung durch Aushärtung eine ausgehärtete Zusammensetzung erstellt wird. In accordance with the foregoing, it has proven to be advantageous if a cured composition is created from the curable composition explained by curing.

Die verfahrensmäßige Aufgabe der Erfindung wird gelöst, wenn bei einem Verfahren der eingangs genannten Art eine erfindungsgemäße Zusammensetzung ausgehärtet wird. The process-related object of the invention is achieved if a composition according to the invention is cured in a process of the type mentioned at the beginning.

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen: Fig. 1 Umsatz der Epoxidgruppen verschiedener Harzsysteme bei 120 °C über die Zeit; Fig. 2 Vergleich der Epoxidbande vor und nach dem Aushärten in einem Ausschnitt eines exemplarischen FTIR-Spektrums; Further features, advantages and effects of the invention emerge from the following exemplary embodiments. In the drawings to which reference is made: 1 conversion of the epoxy groups of different resin systems at 120 ° C. over time; FIG. 2 a comparison of the epoxy band before and after curing in a section of an exemplary FTIR spectrum; FIG.

Fig. 3 normierte Relaxationsmodulkurven eines DGEBA-Glutarsäureanhydrid- Referenzsystems mit 5 mol-% Zinkacetylacetonathydrat bei verschiedenen Temperaturen; Fig. 4 Arrhenius-Diagramm für das DGEBA/Glutarsäureanhydrid-Referenzsystem aus Fig. 3; 3 normalized relaxation modulus curves of a DGEBA glutaric anhydride reference system with 5 mol% zinc acetylacetonate hydrate at different temperatures; FIG. 4 Arrhenius diagram for the DGEBA / glutaric anhydride reference system from FIG. 3; FIG.

Fig. 5 Stressrelaxation für ein 1:1-Amintriepoxid/Glutarsäureanhydrid-System mit 5 mol-% Zinkacetylacetonathydrat; Fig. 6 Arrhenius-Diagramm für das Amintriepoxid/Glutarsäureanhydrid-System aus Fig. 5; Fig. 7 eine Masterkurve mit der Referenztemperatur von 220 °C; 5 shows stress relaxation for a 1: 1 amintriepoxide / glutaric anhydride system with 5 mol% zinc acetylacetonate hydrate; FIG. 6 Arrhenius diagram for the amine triepoxide / glutaric anhydride system from FIG. 5; FIG. 7 shows a master curve with the reference temperature of 220 ° C .;

Fig. 8 Stressrelaxation für ein 1:1-Diamintetraepoxid/Glutarsäureanhydrid-System mit 5 mol-% Zinkacetylacetonathydrat; 8 shows stress relaxation for a 1: 1 diamine tetraepoxide / glutaric anhydride system with 5 mol% zinc acetylacetonate hydrate;

Fig. 9 Arrhenius-Diagramm für das Diamintetraepoxid/Glutarsäureanhydrid-System aus Fig. 8; FIG. 9 Arrhenius diagram for the diamine tetraepoxide / glutaric anhydride system from FIG. 8; FIG.

Fig. 10 Darstellung der temperaturabhängigen Viskositäten der DGEBA-Referenz; 10 shows the temperature-dependent viscosities of the DGEBA reference;

Fig. 11 Darstellung der temperaturabhängigen Viskositäten des Amintriepoxid-Systems; Fig. 12 Darstellung der temperaturabhängigen Viskositäten des Diamintetraepoxid- Systems; Fig. 13 Darstellung der temperaturabhängigen komplexen E-Moduln und mechanischen Verlustfaktoren der DGEBA-Referenz; 11 shows the temperature-dependent viscosities of the amine triepoxide system; 12 shows the temperature-dependent viscosities of the diamine tetraepoxide system; 13 shows the temperature-dependent complex moduli of elasticity and mechanical loss factors of the DGEBA reference;

Fig. 14 Darstellung der temperaturabhängigen komplexen E-Moduln und mechanischen Verlustfaktoren des Amintriepoxid-Systems; 14 shows the temperature-dependent complex moduli of elasticity and mechanical loss factors of the amine triepoxide system;

Fig 15 Darstellung der temperaturabhängigen komplexen E-Moduln und mechanischen Verlustfaktoren des Diamintetraepoxid-Systems; 15 shows the temperature-dependent complex moduli of elasticity and mechanical loss factors of the diamine tetraepoxide system;

Fig. 16 Thermogravimetrische Analysekurven untersuchter Vitrimersysteme; 16 shows thermogravimetric analysis curves of examined vitrimer systems;

Fig. 17 Spannungsrelaxation des 1:0,5-Amintriepoxid-Systems mit 5 mol-% Zinkacetylacetonathydrat; 17 shows stress relaxation of the 1: 0.5 amintriepoxide system with 5 mol% zinc acetylacetonate hydrate;

Fig. 18 Spannungsrelaxation des 1:1-Amintriepoxid-Systems ohne zusätzlichen Katalysator; 18 shows the stress relaxation of the 1: 1 amine triepoxide system without an additional catalyst;

Fig. 19 Vergleich der Spannungsrelaxation der drei Systeme aus Fig. 5, Fig. 17 und Fig. 18; 19 shows a comparison of the stress relaxation of the three systems from FIGS. 5, 17 and 18;

Fig. 20 Spannungsrelaxation des 1:0,5-Diamintetraepoxid-Systems mit 5 mol-% Zinkacetylacetonathydrat; Fig. 21 Spannungsrelaxation des 1:1-Diamintetraepoxid-Systems ohne zusätzlichen Katalysator; 20 stress relaxation of the 1: 0.5 diamine tetraepoxide system with 5 mol% zinc acetylacetonate hydrate; 21 stress relaxation of the 1: 1 diamine tetraepoxide system without additional catalyst;

Fig. 22 Vergleich der Spannungsrelaxation der drei Systeme aus Fig. 8, Fig. 20 und Fig. 21. FIG. 22 Comparison of the stress relaxation of the three systems from FIGS. 8, 20 and 21.

Versuchsreihe 1 Test series 1

Chemikalien Chemicals

Es wurden verschiedene Vitrimersysteme untersucht. Nachstehend werden einige Beispiele angegeben. Für die Herstellung beispielhafter Vitrimersysteme verwendete Materialien und Chemikalien sind mit Molmassen und weight-per-epoxy-Werten (WPE) in Tabelle 1 aufgelistet. Various vitrimer systems were investigated. Some examples are given below. The materials and chemicals used for the production of exemplary vitrimer systems are listed in Table 1 with molecular weights and weight-per-epoxy values (WPE).

Tabelle 1 : Chemikalien für Vitrimersysteme

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Table 1: Chemicals for vitrimer systems
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Zum Verständnis sind in Tabelle 2 die Strukturformeln der Chemikalien angegeben. Tabelle 2: Chemikalien für Vitrimersysteme

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For understanding, the structural formulas of the chemicals are given in Table 2. Table 2: Chemicals for vitrimer systems
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Messgeräte Messgeräte, welche zur Durchführung von Messungen benutzt wurden, sind in der nachfolgenden Tabelle 3 angegeben. Tabelle 3: Verwendete Messgeräte

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Measuring devices Measuring devices which were used to carry out measurements are given in Table 3 below. Table 3: Measuring devices used
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Herstellung von Vitrimersystemen Manufacture of vitrimer systems

Es wurden 1:1 (molare Äquivalente) Epoxid:Anhydrid-Vitrimere hergestellt. Dies bedeutet, dass im nicht ausgehärteten Harz die Epoxid- und die Anhydridgruppen im äquimolaren Verhältnis Vorlagen. Als Umesterungs- und Aushärtungskatalysator wurde Zinkacetylacetonathydrat in einer Konzentration von 5 mol-% bezogen auf die Epoxidgruppen verwendet. Dabei wurden die folgenden Schritte ausgeführt. 1: 1 (molar equivalents) epoxy: anhydride vitrimers were made. This means that in the uncured resin, the epoxy and anhydride groups are present in an equimolar ratio. Zinc acetylacetonate hydrate in a concentration of 5 mol% based on the epoxide groups was used as the transesterification and curing catalyst. The following steps were carried out.

- Vorbereiten der Gussform mittels Siliconschläuchen mit einem Durchmesser von 2,5 mm, doppelseitigem Klebeband und 0,5 mm dickem Abstandshalter;- Prepare the mold using silicone tubes with a diameter of 2.5 mm, double-sided adhesive tape and 0.5 mm thick spacer;

- Einwiegen des jeweiligen Epoxids und des Katalysators in einen Teflonbecher;- Weighing the respective epoxy and the catalyst into a Teflon beaker;

- Einwiegen des Glutarsäureanhydrids in ein Wiegeschälchen; - Weighing in the glutaric anhydride in a weighing bowl;

- Erhitzen und Homogenisieren der Epoxidmischung mittels eines Spatels auf 100 °C für 15 bis 20 Minuten; - heating and homogenizing the epoxy mixture using a spatula to 100 ° C for 15 to 20 minutes;

- stufenweise Hinzugabe des Anhydrids und anschließende Homogenisierung mittels eines Spatels; - Gradual addition of the anhydride and subsequent homogenization using a spatula;

- Entfernen von allfälligen Blasen und niedermolekularen Substanzen aus dem Harz durch Anlegen eines Vakuums mittels eines Exsikkators, gegebenenfalls Erwärmen des Harzes auf 110 °C bis 120 °C; - Removal of any bubbles and low molecular weight substances from the resin by applying a vacuum by means of a desiccator, if necessary heating the resin to 110 ° C to 120 ° C;

- Gießen des Harzes in die vorher vorbereitete Gussform. - Pour the resin into the previously prepared mold.

Das Harz wurde dann für 18 h bei 120 °C in einem Ofen aushärten gelassen. Danach wurde der Aushärtegrad mittels FTIR-Spektroskopie gemessen. Charakterisierung der Vitrimersysteme The resin was then allowed to cure in an oven at 120 ° C. for 18 hours. The degree of cure was then measured by means of FTIR spectroscopy. Characterization of the vitrimer systems

FT-IR-Spektroskopie: FT-IR spectroscopy:

Für die IR-Spektroskopie wurden die folgenden Schritte ausgeführt. The following steps were carried out for IR spectroscopy.

- Auflösen der Harzformulierung in wenigen Millilitern Chloroform und Homogenisieren der Probe durch händisches Schütteln der verschlossenen Probefläschchen; - Dissolve the resin formulation in a few milliliters of chloroform and homogenize the sample by shaking the sealed sample bottle by hand;

- Aufträgen des Gemisches mittig auf einen Siliciumwafer; - Application of the mixture in the middle of a silicon wafer;

- Herstellung einer dünnen Schicht mittels Zentrifugalschleuderverfahrens (spin coating); - Production of a thin layer by means of a centrifugal spin coating process;

- Abdecken der Schicht mit einem Calciumfluoridplättchen; - Covering the layer with a calcium fluoride plate;

- Messen des Backgrounds; - measuring the background;

- Einspannen des Siliciumwafers in die Messvorrichtung; - Clamping the silicon wafer in the measuring device;

- Messen der Probe in einem Wellenzahlbereich von 4500 cm-1 bis 750 cm-1;- measuring the sample in a wave number range from 4500 cm -1 to 750 cm -1 ;

- Härtung der Probe bei 120 °C und Messen der abgekühlten Probe in periodischen Abständen. - Hardening of the sample at 120 ° C and measurement of the cooled sample at periodic intervals.

Schubspannunqsrelaxationsversuch: Shear stress relaxation test:

Für den Relaxationsversuch wurde das Rheometer MCR 501 auf die jeweilige Messtemperatur aufgeheizt. Anhand dieser musste die maximale Messdauer abgeschätzt werden. Die Messkammer wurde bei einem konstanten Volumenstrom von 1 m3/h mit Stickstoff geflutet. Für die Messung wurden rechteckige Proben getestet. Die Proben hatten eine Breite von 5 mm, eine Höhe von 30 mm und eine ungefähre Dicke von 1,5 mm. Folgende Schritte wurden des Weiteren durchgeführt. For the relaxation test, the MCR 501 rheometer was heated to the respective measuring temperature. Based on this, the maximum measurement duration had to be estimated. The measuring chamber was flooded with nitrogen at a constant volume flow of 1 m 3 / h. Rectangular samples were tested for the measurement. The samples were 5 mm wide, 30 mm high, and approximately 1.5 mm thick. The following steps were also carried out.

- Abmessen der Probegeometrie und Eingabe dieser Werte in ein Computerprogramm; - Measuring the sample geometry and entering these values into a computer program;

- Einspannen der Probe in eine Festkörpereinspannung; - Clamping the sample in a solid fixture;

- Warten bis die Prüfkammertemperatur den eingestellten Wert erreicht; - Wait until the test chamber temperature reaches the set value;

- nochmaliges Lösen und Einspannen der Probe, um die Wärmeausdehnung zu kompensieren und so Spannungen zu reduzieren; - Repeated loosening and clamping of the specimen in order to compensate for the thermal expansion and thus to reduce stresses;

- Starten der Messung nach einer 20-minütigen erneuten Stabilisierung der Temperatur; - Start the measurement after the temperature has stabilized again for 20 minutes;

- Aufbringen einer Verformung von 1 % und Messung des zeitlichen Drehmomentes; - Vergleichen der vom Computer ausgerechneten Anfangsschubmodul und des veränderten Schubmoduls; - Applying a deformation of 1% and measuring the torque over time; - Comparing the initial thrust module calculated by the computer and the changed thrust module;

- Stoppen der Messung bei einer Relaxation von 36,78 %, da diese die Relaxationszeit mit einem Wert von 1/e kennzeichnet. - Stopping the measurement at a relaxation of 36.78%, as this indicates the relaxation time with a value of 1 / e.

Weitere Charakterisierungsmethoden: Further characterization methods:

Die weiteren Messmethoden wurden wie folgt durchgeführt: The other measurement methods were carried out as follows:

- Dynamisch-mechanische Analysen wurden im linear-viskoelastischen Bereich durchgeführt. Hierbei war die Prüffrequenz 1 Hz und der komplexe E-Modul sowie auch der mechanische Verlustmodul wurden aus den Messdaten berechnet. - Dynamic mechanical analyzes were carried out in the linear viscoelastic range. The test frequency was 1 Hz and the complex modulus of elasticity as well as the mechanical loss modulus were calculated from the measurement data.

- Thermogravimetrische Analysen wurden unter Stickstoffatmosphäre, bei einer Heizrate von 10 K/min und einem ungefähren Probegewicht von 10 mg durchgeführt. - Thermogravimetric analyzes were carried out under a nitrogen atmosphere, at a heating rate of 10 K / min and an approximate sample weight of 10 mg.

Ergebnisse und Interpretation Results and interpretation

Aushärtung der Vitrimersvsteme Curing of the vitrimers systems

Mit IR-Spektroskopie wurde das Aushärteverhalten von zwei Harzsysteme im Vergleich zu einem Standardsystem aus der Literatur, nämlich Bisphenol-A-Diglycidylether, DGEBA vernetzt mit Glutarsäureanhydrid, untersucht (zu den Zusammensetzungen siehe Tabellen 1 und 2). The curing behavior of two resin systems in comparison to a standard system from the literature, namely bisphenol A diglycidyl ether, DGEBA crosslinked with glutaric anhydride, was investigated using IR spectroscopy (for the compositions, see Tables 1 and 2).

In Fig. 1 sind die Ergebnisse der FTIR-Spektroskopie dargestellt. Hierzu wurde die Höhe der Peaks analysiert und mit den Anfangswerten verglichen und normiert. Hierfür wurden nur die Epoxidbanden bei einer Wellenzahl von 913 cm-1 analysiert (siehe hierzu Fig. 2). Die beiden Anhydridpeaks werden im Laufe der Reaktion durch den Carbonylpeak der gebildeten Estergruppe überlagert, was bei der Auswertung berücksichtigt wurde. Wie in Fig. 1 ersichtlich, reagieren die Epoxidgruppen bei allen Systemen rasch und sind nach 100 Minuten nur noch in geringen Mengen vorhanden. Das Diamintetraepoxidsystem könnte durch eine raschere Erreichung des Gelpunkts früher in eine diffusionsgesteuerte Aushärtung übergehen und so Reaktionsgeschwindigkeit verlangsamen. Da die IR- Proben ebenso wie die Harzplatten für die Relaxationsmessungen 18 h bei 120 °C gelagert wurden, kann davon ausgegangen werden, dass auch in den Vitrimerplatten die Epoxide und Anhydride vollständig reagiert sind. Solch ein exemplarischer Vergleich der Epoxidbande vor und nach der Härtung ist in Fig. 2 gezeigt. The results of the FTIR spectroscopy are shown in FIG. For this purpose, the height of the peaks was analyzed, compared with the initial values and standardized. For this purpose, only the epoxy bands at a wave number of 913 cm −1 were analyzed (see FIG. 2). The two anhydride peaks are superimposed in the course of the reaction by the carbonyl peak of the ester group formed, which was taken into account in the evaluation. As can be seen in FIG. 1, the epoxy groups react quickly in all systems and are only present in small amounts after 100 minutes. If the gel point is reached more quickly, the diamine tetraepoxide system could transition to diffusion-controlled curing earlier and thus slow down the rate of reaction. Since the IR samples as well as the resin plates for the relaxation measurements were stored at 120 ° C. for 18 h, it can be assumed that the vitrimer plates also contain the Epoxides and anhydrides have reacted completely. Such an exemplary comparison of the epoxy band before and after curing is shown in FIG.

Auswertung vitrimerer Eigenschaften anhand von Relaxationsversuchen In Fig. 3 ist der normierte Relaxationsmodul des DGEBA-Referenz-Vitrimers ersichtlich. Hierbei ist zu erkennen, dass die Moduln bei höheren Temperaturen schneller abfallen. Dieser Trend stimmt mit Relaxationskurven in der Literatur überein. Stufen, die in der Abbildung der Messung bei 220 °C erkennbar sind, lassen sich durch ein Verrutschen der Probe oder durch eine Erschütterung des Messaufbaus erklären, was jedoch eine Validität der Messergebnisse aufgrund der Geringfügigkeit nicht beeinflusst. Evaluation of vitrimer properties on the basis of relaxation tests FIG. 3 shows the normalized relaxation module of the DGEBA reference vitrimer. It can be seen here that the modules drop faster at higher temperatures. This trend is consistent with relaxation curves in the literature. Steps that can be seen in the illustration of the measurement at 220 ° C can be explained by slipping of the sample or by shaking the measurement setup, but this does not affect the validity of the measurement results due to the insignificance.

Durch die Relaxationszeiten aus Fig. 3 konnte ein Arrhenius-Diagramm erstellt werden, das in Fig. 4 dargestellt ist. Die Aktivierungsenergie wurde berechnet und beträgt 119,5 kJ/mol. In der Literatur wurde zwar ein ähnliches System beschrieben, allerdings mit einem deutlich höheren Epoxid:Anhydrid-Verhältnis von 1 :0,5. Bei diesem letzteren System weist das Material aufgrund der Stöchiometrie mehr Hydroxylgruppen auf und es können somit Umesterungsreaktionen häufiger stattfinden, was die Aktivierungsenergie senkt. The relaxation times from FIG. 3 made it possible to create an Arrhenius diagram which is shown in FIG. 4. The activation energy was calculated and is 119.5 kJ / mol. A similar system has been described in the literature, but with a significantly higher epoxide: anhydride ratio of 1: 0.5. In this latter system, the material has more hydroxyl groups due to the stoichiometry and transesterification reactions can therefore take place more frequently, which lowers the activation energy.

Für ein Amintriepoxid-Vitrimer gemäß Tabellen 1 und 2 sind entsprechende Messkurven sowie eine Masterkurve in Fig. 5 bis Fig. 7 dargestellt. For an amine triepoxide vitrimer according to Tables 1 and 2, corresponding measurement curves and a master curve are shown in FIGS. 5 to 7.

Wie ersichtlich relaxiert die Referenzprobe stark, was durch die katalytische Wrkung der tertiären Amine erklärt werden kann, die sich in der Struktur des Epoxids befinden. Durch diese zweite Art von Katalysator ist die Aktivierungsenergie der Proben dementsprechend niedrig. An der Masterkurve dieses Systems in Fig. 7 ist erkenntlich, dass nur die 200 °C- und die 220 °C-Kurven übereinander liegen, ab einer Temperatur von 250 °C sind Abweichungen ersichtlich. Dies könnte durch ein stärkeres Abweichen der Deformation von dem linear-viskoelastischen Bereich oder durch den zweiten Reaktionsweg (Umesterungskatalyse durch Amine), verursacht sein. As can be seen, the reference sample relaxes strongly, which can be explained by the catalytic activity of the tertiary amines which are in the structure of the epoxide. This second type of catalyst means that the activation energy of the samples is correspondingly low. The master curve of this system in FIG. 7 shows that only the 200 ° C. and 220 ° C. curves are on top of one another; deviations can be seen from a temperature of 250 ° C. and above. This could be caused by a greater deviation of the deformation from the linear viscoelastic range or by the second reaction path (transesterification catalysis by amines).

Für das entsprechende Diamintetraepoxid-System sind die Ergebnisse in Fig. 8 und Fig. 9 dargestellt. Wie ersichtlich, ist die Relaxation langsamer als bei dem Amintriepoxid-System. Außerdem relaxiert die Referenzprobe schneller als die Probe bei 200 °C, dies tritt bei den anderen Systemen allerdings nicht auf. The results for the corresponding diamine tetraepoxide system are shown in FIGS. 8 and 9. As can be seen, the relaxation is slower than with the amine triepoxide system. In addition, the reference sample relaxes faster than the sample at 200 ° C, but this does not occur with the other systems.

Anhand der aus den Relaxationsversuchen gewonnenen Relaxationszeiten und Schubmoduln können Viskositäten berechnet werden. Durch eine exponentielle Extrapolation konnten die Viskositäten von 1012 Pa s berechnet werden, wie dies in Fig. Viscosities can be calculated on the basis of the relaxation times and shear modulus obtained from the relaxation tests. Using an exponential extrapolation, the viscosities of 10 12 Pa s could be calculated, as shown in Fig.

10 bis Fig. 12 dargestellt ist. Hierbei ist zu erkennen, dass bei dem DGEBA- Referenzsystem und dem Diamintetraepoxid-System die errechnete Tvüber einer Temperatur liegt, bei der eine Relaxation beobachtet wurde. Dies widerspricht der Literatur, nachdem unter der strukturellen Einfrier-Übergangstemperatur keine ausreichenden Umesterungsreaktionen stattfinden können, um eine Relaxation zu beobachten. Ein solches Einfrieren wurde auch schon bei vielen elastomerartigen Systemen beobachtet. Diese haben einen deutlich geringeren Schubmodul, welcher die Viskosität erniedrigt und so die Tv senkt. Bei den duromerartigen Systemen dürfte demnach die Definition der strukturellen Einfrier-Übergangstemperatur einer Überarbeitung benötigen; diese Änderung wäre möglich, da die Viskositätsgrenze von 1012 Pa s eine rein willkürliche gesetzte Grenze ist. Eine andere Möglichkeit wäre die Benützung eines anderen Materialgesetzes als die in der Literatur verwendeten, um so eine bessere Berechnung der Viskositäten zu erhalten. Hierbei kann das Maxwellmodell ebenfalls durch das aufwendigere allgemeine Maxwellmodell ersetzt werden. 10 to 12 is shown. It can be seen here that in the DGEBA reference system and the diamine tetraepoxide system, the calculated T v is above a temperature at which relaxation was observed. This contradicts the literature, according to which no sufficient transesterification reactions can take place below the structural freezing transition temperature to observe relaxation. Such freezing has also been observed in many elastomeric systems. These have a significantly lower shear modulus, which lowers the viscosity and thus lowers the T v. In the case of thermoset-like systems, the definition of the structural freezing transition temperature should therefore require a revision; this change would be possible because the viscosity limit of 10 12 Pa s is a purely arbitrary limit. Another possibility would be to use a different material law than that used in the literature in order to obtain a better calculation of the viscosities. Here, the Maxwell model can also be replaced by the more complex, general Maxwell model.

Auswertung der mechanischen Analyse Durch die dynamisch mechanischen Analysen konnten die komplexen E-Moduln und die mechanischen Verlustfaktoren in Abhängigkeit der Temperatur der Vitrimersysteme ermittelt werden. Diese sind in Fig. 13 bis Fig. 15 dargestellt. Mithilfe der mechanischen Verlustmaxima konnten die Glasübergangstemperaturen ermittelt werden. Auffällig sind die hohen Glasübergangstemperaturen bei dem Amintriepoxid- und dem D i a m i ntetrae poxi d-Sy ste m . Evaluation of the mechanical analysis The dynamic mechanical analysis made it possible to determine the complex moduli of elasticity and the mechanical loss factors as a function of the temperature of the vitrimer systems. These are shown in FIGS. 13 to 15. The glass transition temperatures could be determined with the aid of the mechanical loss maxima. The high glass transition temperatures of the amine triepoxide and the di am i ntetrae poxi d system are noticeable.

Auswertung der thermogravimetrischen Analysen In Fig. 16 sind die TGA-Kurven von Vitrimeren abgebildet. Der Onset der Zersetzung ist durch vertikale Linien gekennzeichnet. Dabei ist zu erkennen, dass bei den beiden Aminsystemen bei 340 °C und das DGEBA-System bei 380 °C eine Zersetzung beginnt. Da die Relaxationsmessungen jeweils unter diesen Temperaturen durchgeführt wurden, kann davon ausgegangen werden, dass bei diesen Bedingungen kein signifikanter Abbau stattgefunden hat. Dies zeugt von der Richtigkeit der bei der Relaxationsmessung gewonnen Daten, da keine Materialdegradierung während der Messung stattgefunden hat. Evaluation of the thermogravimetric analyzes FIG. 16 shows the TGA curves of vitrimers. The onset of decomposition is indicated by vertical lines. It can be seen that the two amine systems begin to decompose at 340 ° C and the DGEBA system at 380 ° C. Since the relaxation measurements were carried out at these temperatures, it can be assumed that no significant degradation has taken place under these conditions. This testifies to the accuracy of the data obtained during the relaxation measurement, as no material degradation took place during the measurement.

Versuchsreihe 2 Test series 2

Die vorstehende Versuchsreihe 1 basierte auf stöchiometrischen Harzformulierungen (Verhältnis Epoxid und Anhydridgruppen von 1:1) mit Zn(acac)2 als Katalysator. In einer ergänzenden weiteren Versuchsreihe 2 wurden Harzformulierungen mit einem nicht stöchiometrischen Verhältnis zwischen Epoxid und Anhydrid (1:0,5) und Zn(acac)2 als Katalysator hergestellt. Der Überschuss an Epoxidgruppen führt zu einer höheren Anzahl an OH-Gruppen und damit verbunden zu einer höheren Aktivität in der Spannungsrelaxation. Darüber hinaus wurden stöchiometrische Harzformulierungen (Verhältnis Epoxid und Anhydridgruppen von 1:1) ohne den Zusatz eines Katalysators hergestellt. Hierbei sollte gezeigt werden, dass die tertiären Aminogruppen in der Struktur der Epoxidvernetzer zur Katalyse der Umesterungsreaktionen befähigt sind. The above test series 1 was based on stoichiometric resin formulations (ratio of epoxy and anhydride groups of 1: 1) with Zn (acac) 2 as the catalyst. In a supplementary further test series 2, resin formulations with a non-stoichiometric ratio between epoxide and anhydride (1: 0.5) and Zn (acac) 2 as a catalyst were produced. The excess of epoxy groups leads to a higher number of OH groups and, associated with this, to a higher activity in stress relaxation. In addition, stoichiometric resin formulations (ratio of epoxy and anhydride groups of 1: 1) were produced without the addition of a catalyst. The aim here was to show that the tertiary amino groups in the structure of the epoxy crosslinkers are capable of catalyzing the transesterification reactions.

Zusammensetzung zu dieser Versuchsreihe 2 sind in den Tabellen 3 bis 5 angegeben. The compositions for this test series 2 are given in Tables 3 to 5.

Tabelle 3: Einwaagen weitere Amintriepoxid-Systeme

Figure imgf000017_0001
Tabelle 4: Einwaagen weitere Diamintetraepoxid-Systeme
Figure imgf000018_0001
Table 3: Weighing in of further amine triepoxide systems
Figure imgf000017_0001
Table 4: Weighing in of further diamine tetraepoxide systems
Figure imgf000018_0001

Tabelle 5: Einwaagen für das Referenz-System

Figure imgf000018_0002
Table 5: Weights for the reference system
Figure imgf000018_0002

Untersuchungen zu Spannunqsrelaxation im Amintriepoxid-Svstem Investigations on stress relaxation in the amine triepoxide system

Wie in den Fig. 5, Fig. 17 bis Fig. 19 ersichtlich, weisen alle Systeme eine für hoch vernetzte Vitrimernetzwerke schnelle temperaturabhängige Spannungsrelaxation auf. Dies wird deutlich, wenn die drei Systeme untereinander verglichen werden (Fig. 19).As can be seen in FIGS. 5, 17 to 19, all systems have a temperature-dependent stress relaxation which is rapid for highly networked vitrimer networks. This becomes clear when the three systems are compared with one another (FIG. 19).

Durch die Homopolymerisation der Epoxidgruppen werden vor allem im 1:0,5-System OH- Gruppen generiert, die zu einer noch schnelleren Spannungsrelaxation beitragen. Dieser Effekt ist an sich aus der einschlägigen Fachliteratur bekannt. Bei Zugabe von Zn(acac)2 wird die Spannungsrelaxation erhöht, da die Umesterungsreaktionen in Gegenwart des Katalysators bei erhöhter Temperatur beschleunigt werden. Ohne Zusatz desThe homopolymerization of the epoxy groups generates OH groups, especially in the 1: 0.5 system, which contribute to even faster stress relaxation. This effect is known per se from the relevant specialist literature. When Zn (acac) 2 is added, the stress relaxation is increased, since the transesterification reactions are accelerated in the presence of the catalyst at an elevated temperature. Without the addition of the

Katalysators weist das Netzwerk zwar eine weniger ausgeprägte Spannungsrelaxation auf, allerdings kann diese offenbar auch ohne Katalysator noch in durchaus zufriedenstellendem Ausmaß erreicht werden. Untersuchungen zu Spannungsrelaxation im Amintriepoxid-Svstem Im Vergleich zum Amintriepoxid-System weist das unkatalysierte Diamintetratepoxid- System bei 220 °C eine sehr hohe Spannungsrelaxation auf, die in ähnlichen Größenordnungen wie jene der katalysierten Harzformulierung liegt. Dies wird deutlich, wenn die beiden 1:1-Systeme bei 220 °C verglichen werden (siehe Fig. 8 und Fig. 20 bis Fig. 22). Daraus kann geschlossen werden, dass die tertiären Aminogruppen in den Epoxidmonomeren bei geeigneter Netzwerkstruktur eine ausreichend hohe Reaktivität aufweisen, um Umesterungen bei erhöhter Temperatur in einem hohen Ausmaß zu katalysieren. Although the network exhibits a less pronounced stress relaxation due to the catalyst, this can evidently still be achieved to an entirely satisfactory extent even without a catalyst. Investigations on stress relaxation in the amine triepoxide system In comparison to the amine triepoxide system, the uncatalyzed diamine tetrate epoxide system shows a very high stress relaxation at 220 ° C, which is of a similar magnitude to that of the catalyzed resin formulation. This becomes clear when the two 1: 1 systems are compared at 220 ° C. (see FIGS. 8 and 20 to 22). It can be concluded from this that the tertiary amino groups in the epoxy monomers, with a suitable network structure, have a sufficiently high reactivity to catalyze transesterification to a high degree at elevated temperature.

Basierend auf den vorliegenden Spannungsrelaxations-Daten wurden die in den Tabellen 6 und 7 angegebenen Tv- Werte und Aktivierungsenergien für die Vitrimersysteme ermittelt. Tabelle 6: Tv-Werte und Aktivierungsenergie Ea für das Amintriepoxid-System

Figure imgf000019_0001
Based on the available stress relaxation data, the Tv values and activation energies given in Tables 6 and 7 were determined for the vitrimer systems. Table 6: Tv values and activation energy E a for the amine triepoxide system
Figure imgf000019_0001

Tabelle 7: Tv-Werte und Aktivierungsenergie Ea für das Diamintetraepoxid-System

Figure imgf000019_0002
Table 7: Tv values and activation energy E a for the diamine tetraepoxide system
Figure imgf000019_0002

Die Glasübergangstemperaturen der Netzwerke wurden im Rahmen von DMA- Untersuchungen bestimmt (ermittelt aus dem Maximum der tan(ö) Kurve) und sind in nachfolgender Tabelle 8 zusammengefasst. Tabelle 8: Tg-Werte der Netzwerke

Figure imgf000020_0001
The glass transition temperatures of the networks were determined in the course of DMA investigations (determined from the maximum of the tan (δ) curve) and are summarized in Table 8 below. Table 8: T g values of the networks
Figure imgf000020_0001

Recvclierunq der Vitrimere Die ausgehärteten Netzwerke wurden mit einer Kugelmühle für 90 sec und 30 Hz zerkleinert. Die entstandenen Pulver wurde mit einer Presse (Dr. Collins) für 40 min bei max. 250 °C und 5 bar Druck bzw. einer PVT 100-Presse (SWO Polymertechnik) mit 500 bar bei 250 °C gepresst. Die hoch vernetzten Vitrimerpulver ließen sich gut verpressen und damit auch recyclieren, wobei sich naturgemäß bei höheren Drücken Presslinge mit besseren Qualitäten erzeugen lassen. Recycle of the Vitrimers The cured networks were comminuted with a ball mill for 90 seconds and 30 Hz. The resulting powder was pressed with a press (Dr. Collins) for 40 min at a maximum of 250 ° C and 5 bar pressure or a PVT 100 press (SWO Polymertechnik) with 500 bar at 250 ° C. The highly crosslinked vitrimer powders can be easily compressed and thus also recycled, whereby, naturally at higher pressures, pellets of better quality can be produced.

Erfindungsgemäße Vitrimere zeichnen sich allgemein durch einen hohen Tv-Wert aus, der höher als 180 °C, bevorzugt 190 °C oder mehr, liegen kann. Tg-Werte liegen gleichzeitig bei höher als 110 °C, bevorzugt höher als 120 °C. Vitrimers according to the invention are generally distinguished by a high T v value, which can be higher than 180 ° C., preferably 190 ° C. or more. At the same time, T g values are higher than 110.degree. C., preferably higher than 120.degree.

Claims

Patentansprüche Claims 1. Aushärtbare Zusammensetzung zur Herstellung eines Vitrimers, umfassend a) ein vernetzbares Monomer, aufweisend mindestens eine Aminogruppe -NR1R2, wobei R1 und R2 für eine Glycidylgruppe stehen, und optional mindestens eine weitere funktionell vernetzbare Gruppe wie insbesondere eine Glycidylgruppe; b) ein Anhydrid einer Carbonsäure und/oder eine Carbonsäure als Härter; c) optional einen Katalysator, welcher eine Umesterung und/oder eine Aushärtung katalysiert. 1. A curable composition for the production of a vitrimer, comprising a) a crosslinkable monomer having at least one amino group -NR 1 R 2 , where R 1 and R 2 stand for a glycidyl group, and optionally at least one further functionally crosslinkable group such as, in particular, a glycidyl group; b) an anhydride of a carboxylic acid and / or a carboxylic acid as hardener; c) optionally a catalyst which catalyzes transesterification and / or curing. 2. Aushärtbare Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Monomer zumindest zwei, vorzugsweise zwei bis vier, Aminogruppen -NR1R2 aufweist. 2. Curable composition according to claim 1, wherein the monomer has at least two, preferably two to four, amino groups -NR 1 R 2 . 3. Aushärtbare Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Monomer die Formel I aufweist,
Figure imgf000021_0001
wobei R4 für einen C3-C4o-Alkyl-, Aryl- oder Arylalkylrest steht und wobei
3. Curable composition according to claim 1 or 2, wherein the monomer has the formula I,
Figure imgf000021_0001
where R 4 is a C3-C4o-alkyl, aryl or arylalkyl radical and where
R5 für eine Aminogruppe, mono- oder disubstituiert mit einer Glycidylgruppe, oder eine Ether- oder Sulfidgruppe mit einem Glycidylrest oder eine Vinylestergruppe steht. R 5 represents an amino group, mono- or disubstituted with a glycidyl group, or an ether or sulfide group with a glycidyl radical or a vinyl ester group.
4. Aushärtbare Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Härter die Formel II aufweist,
Figure imgf000021_0002
wobei R6 für einen geradkettigen oder verzweigten C3-C2o-Alkylrest steht, bevorzugt ein C3-Cio-Alkylen, welches gegebenenfalls substituiert ist, oder einen C3-C2o-Aryl- oder einen C3-C2o-Arylalkylrest darstellt. 5. Aushärtbare Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein molares Verhältnis von Monomer zu Härter etwa 1:1 bis 1:0,
4. Curable composition according to one of claims 1 to 3, wherein the hardener has the formula II,
Figure imgf000021_0002
where R 6 stands for a straight-chain or branched C3-C2o-alkyl radical, preferably a C 3 -Cio-alkylene, which is optionally substituted, or a C 3 -C 2 o-aryl or a C3-C2o-arylalkyl radical. 5. Curable composition according to one of claims 1 to 4, wherein a molar ratio of monomer to hardener is about 1: 1 to 1: 0,
5 beträgt. 5 is. 6. Ausgehärtete Zusammensetzung, gebildet durch Aushärtung einer aushärtbaren Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. 6. Cured composition formed by curing a curable composition according to any one of claims 1 to 5. 7. Verfahren zur Herstellung eines epoxidbasierten Duromers, insbesondere eines Vitrimers, umfassend die Schritte der Bereitstellung einer aushärtbaren Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und eine nachfolgende Aushärtung der Zusammensetzung. 7. A method for producing an epoxy-based thermoset, in particular a vitrimer, comprising the steps of providing a curable composition according to one of claims 1 to 5 and subsequent curing of the composition.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114891249A (en) * 2022-05-07 2022-08-12 重庆国际复合材料股份有限公司 Preparation method of glass fiber reinforced epoxy resin composite material

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2650746A1 (en) * 1975-11-06 1977-05-12 Lord Corp EPOXY RESIN COMPOUNDS
DE19828248A1 (en) * 1998-06-25 1999-12-30 Abb Corporate Research Ltd Bad Low temperature curing epoxy resin system, useful as an adhesive, matrix resin or casting resin
EP1331234A1 (en) * 2002-01-28 2003-07-30 ABB Research Ltd. Potting composition based on duroplastic epoxid resin
US9266292B2 (en) 2010-05-31 2016-02-23 Centre National De La Recherche Scientifique Epoxy acid thermoset resins and composites that can be hot-fashioned and recycled
US20170044305A1 (en) 2014-04-24 2017-02-16 Arkema France Composition for manufacturing epoxy/anhydride vitrimer resins including an organic catalyst
US20170044307A1 (en) * 2014-04-24 2017-02-16 Arkema France Titanium-based catalyst for vitrimer resins of epoxy/anhydride type

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2584412B1 (en) * 1985-07-03 1988-02-05 Aerospatiale CATALYST SYSTEM FOR THE POLYMERIZATION OF EPOXIDE RESINS
JP7687947B2 (en) * 2018-09-06 2025-06-03 マリンダ An Anhydrous Route to Highly Processable Covalent Network Polymers and Blends

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2650746A1 (en) * 1975-11-06 1977-05-12 Lord Corp EPOXY RESIN COMPOUNDS
DE19828248A1 (en) * 1998-06-25 1999-12-30 Abb Corporate Research Ltd Bad Low temperature curing epoxy resin system, useful as an adhesive, matrix resin or casting resin
EP1331234A1 (en) * 2002-01-28 2003-07-30 ABB Research Ltd. Potting composition based on duroplastic epoxid resin
US9266292B2 (en) 2010-05-31 2016-02-23 Centre National De La Recherche Scientifique Epoxy acid thermoset resins and composites that can be hot-fashioned and recycled
US20170044305A1 (en) 2014-04-24 2017-02-16 Arkema France Composition for manufacturing epoxy/anhydride vitrimer resins including an organic catalyst
US20170044307A1 (en) * 2014-04-24 2017-02-16 Arkema France Titanium-based catalyst for vitrimer resins of epoxy/anhydride type

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CAPELOT, M.UNTERLASS, M. M.TOURNILHAC, F.LEIBLER, L.: "Catalytic control of the vitrimer glass transition", ACS MACRO LETT, vol. 1, 2012, pages 789, XP002733960, DOI: 10.1021/mz300239f
MONTARNAL, D.CAPELOT, M.TOURNILHAC, F.LEIBLER, L.: "Silica-Like Malleable Materials from Permanent Organic Networks", SCIENCE, vol. 334, 2011, pages 965, XP055383718, DOI: 10.1126/science.1212648
WINNE, J. M.LEIBLER, L.DU PREZ, F.: "Dynamic Covalent Chemistry in Polymer Networks: A Mechanistic Perspective", POLYM. CHEM., vol. 10, 2019, pages 6091
YANG, Y.URBAN, M. W.: "Self-healing polymeric materials", CHEM. SOC. REV., vol. 42, 2013, pages 7446, XP055225694, DOI: 10.1039/c3cs60109a

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114891249A (en) * 2022-05-07 2022-08-12 重庆国际复合材料股份有限公司 Preparation method of glass fiber reinforced epoxy resin composite material

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