Reversible addition-fragmentation transfer (RAFT) was used as a controlling technique for studying the aqueous heterophase polymerization. The polymerization rates obtained by calorimetric investigation of ab initio emulsion polymerization of styrene revealed the strong influence of the type and combination of the RAFT agent and initiator on the polymerization rate and its profile. The studies in all-glass reactors on the evolution of the characteristic data such as average molecular weight, molecular weight distribution, and average particle size during the polymerization revealed the importance of the peculiarities of the heterophase system such as compartmentalization, swelling, and phase transfer. These results illustrated the important role of the water solubility of the initiator in determining the main loci of polymerization and the crucial role of the hydrophobicity of the RAFT agent for efficient transportation to the polymer particles. For an optimum control during ab-initio batch heterophase polymerization of styrene with RAFT, the RAFT agent must have certain hydrophilicity and the initiator must be water soluble in order to minimize reactions in the monomer phase.
An analytical method was developed for the quantitative measurements of the sorption of the RAFT agents to the polymer particles based on the absorption of the visible light by the RAFT agent. Polymer nanoparticles, temperature, and stirring were employed to simulate the conditions of a typical aqueous heterophase polymerization system. The results confirmed the role of the hydrophilicity of the RAFT agent on the effectiveness of the control due to its fast transportation to the polymer particles during the initial period of polymerization after particle nucleation. As the presence of the polymer particles were essential for the transportation of the RAFT agents into the polymer dispersion, it was concluded that in an ab initio emulsion polymerization the transport of the hydrophobic RAFT agent only takes place after the nucleation and formation of the polymer particles. While the polymerization proceeds and the particles grow the rate of the transportation of the RAFT agent increases with conversion until the free monomer phase disappears.<br><br>
The degradation of the RAFT agent by addition of KPS initiator revealed unambigueous evidence on the mechanism of entry in heterophase polymerization. These results showed that even extremely hydrophilic primary radicals, such as sulfate ion radical stemming from the KPS initiator, can enter the polymer particles without necessarily having propagated and reached a certain chain length. Moreover, these results recommend the employment of azo-initiators instead of persulfates for the application in seeded heterophase polymerization with RAFT agents.<br><br>
The significant slower rate of transportation of the RAFT agent to the polymer particles when its solvent (styrene) was replaced with a more hydrophilic monomer (methyl methacrylate) lead to the conclusion that a complicated cooperative and competitive interplay of solubility parameters and interaction parameter with the particles exist, determining an effective transportation of the organic molecules to the polymer particles through the aqueous phase. The choice of proper solutions of even the most hydrophobic organic molecules can provide the opportunity of their sorption into the polymer particles. Examples to support this idea were given by loading the extremely stiff fluorescent molecule, pentacene, and very hydrophobic dye, Sudan IV, into the polymer particles.<br><br>
Finally, the first application of RAFT at room temperature heterophase polymerization is reported. The results show that the RAFT process is effective at ambient temperature; however, the rate of fragmentation is significantly slower. The elevation of the reaction temperature in the presence of the RAFT agent resulted in faster polymerization and higher molar mass, suggesting that the fragmentation rate coefficient and its dependence on the temperature is responsible for the observed retardation. / Um neue Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften zu erstellen, muss man in der Lage sein, die Struktur der Moleküle zu kontrollieren, aus denen die Materialien bestehen. Für das Maßschneidern solcher neuer Eigenschaften besitzen Polymere ein großes Potenzial: Dies sind sehr lange Moleküle, die aus einer großen Zahl von kleineren Einheiten aufgebaut sind. Proteine und DNS sind Beispiele für natürliche Polymere; Plastik und Gummi sind Beispiele für künstliche Polymere. Letztere werden üblicherweise durch das Zusammenfügen einer Reihe von kleineren Molekülen, den Monomeren, hergestellt. Schon lange versuchen Wissenschaftler, die Anordnung, Anzahl und Art dieser Monomere zu kontrollieren, die sich in der Struktur der Polymermoleküle widerspiegeln.
Die gebräuchlichste Methode zur kommerziellen Produktion von Polymeren ist die so genannte freie radikalische Polymerisation. Die Strukturkontrolle durch diese Methode ist jedoch relativ schwierig und wurde maßgeblich erst im letzten Jahrzehnt entwickelt. Trotz der Existenz einiger effektiver Kontrollmethoden ist ihre industrielle Anwendung bislang sehr beschränkt, weil sie nicht für die Emulsionspolymerisation verwendbar sind. Die Emulsionspolymerisation ist die gängigste Technik in der industriellen Produktion von Polymeren. Es handelt sich dabei um ein vergleichsweise umweltfreundliches Verfahren, denn es werden keine organischen Lösungsmittel verwendet. Stattdessen dient Wasser als Lösungsmittel, in dem die Polymere in Form von kleinen, fein verteilten Partikeln vorliegen. In der Natur kommt dieses Prinzip beispielsweise in Pflanzen bei der Bildung von Kautschuk - allgemein als Latex bezeichnet - vor. Schließlich ist die Emulsionspolymerisation einfach durchzuführen: Das Produkt ist in vielen Fällen gebrauchsfertig, und es gibt viele technische Vorteile im Vergleich zu anderen Herstellungsprozessen.<br><br>
Doch bevor die Probleme beim Einsatz von Kontrollmethoden in der Emulsionspolymerisation gelöst werden können, müssen erst ihre Ursachen geklärt werden. Dies ist eine unverzichtbare Vorraussetzung zum Übertragen von Forschungsergebnissen auf das tägliche Leben.<br><br>
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Probleme, die für die kontrollierte radikalische Polymerisation in Emulsion von Bedeutung sind. Die wichtigste Fragestellung in der Emulsionspolymerisation zielt auf die Löslichkeit der Reaktionskomponenten in den verschiedenen Phasen, wie z.B. in Wasser oder in den Polymerpartikeln. Die Kontrollmethode der Wahl für diese Arbeit ist "Reversibler Additions-Fragmentierungs Transfer" (RAFT). Die RAFT-Methode ist die modernste Kontrollmethode, und sie ist für viele Reaktionsbedingungen und viele Arten von Monomeren anwendbar.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:580 |
| Date | January 2005 |
| Creators | Nozari, Samira |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Chemie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://opus.kobv.de/ubp/doku/urheberrecht.php |
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