Cyclopolymerizable monomers for radical photopolymerization based on difunctional (meth)acrylamides

Abstract

Radikalische Photopolymerisation ist eine der am häufigsten verwendeten industriellen Aushärtungsmethoden. Ihre Polymere bieten attraktive Eigenschaften und finden in verschiedensten Bereichen Anwendung, wie etwa in Beschichtungen, Additiven Fertigungstechnologien, sowie in der Dental- und Medizinindustrie. Darüber hinaus weist diese Methode – besonders im Vergleich zur thermischen Polymerisationsstrategie – diverse Vorteile auf, wie z.B. einen geringen Energieverbrauch, lösungsmittelfreie Verwendung und schnelle Reaktionszeiten. Einer der größten Nachteile der radikalischen Photopolymerisation ist das Auftreten volumetrischer Schrumpfung während des Polymerisationsprozesses, und folglich die Entwicklung von Schrumpfspannungen im ausgehärteten Material. Dieses Verhalten ist für viele Anwendungsgebiete hoch problematisch, insbesondere im dentalen und medizinischen Bereich.Somit ist es nicht verwunderlich, dass großer industrieller Aufwand betrieben wird, um Monomere zu entwickeln, bei denen die Aushärtung mit reduziertem bzw. keinem Schrumpf möglich ist. In der Forschung und Entwicklung werden viele verschiedene Strategien verfolgt, um dieses Ziel zu erreichen. Ein sehr vielversprechender Ansatz ist die Verwendung so genannter zyklopolymerisierbarer Monomere, die nach der Polymerisation Ringstrukturen in der ansonsten linearen Polymerhauptkette aufweisen. Neuere Studien konzentrierten sich auf die Entwicklung und Untersuchung von difunktionellen zyklopolymerisierbaren Monomeren, die zu vernetzten Polymeren mit reduzierter Schrumpfspannung führen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Materialeigenschaften durch Modifizierung des Gliedteiles der difunktionellen Spezies beeinflusst werden können.Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, basierend auf (Meth)acrylamid Einheiten, neuartige difunktionelle zyklopolymerisierbare Monomere herzustellen, die auch ein verringertes Schrumpfverhalten aufweisen sollten. Diese Monomere wurden hinsichtlich ihrer Reaktivität mittels Photo DSC und RT NIR-Photorheologie, sowie hinsichtlich ihres thermomechanischen Verhaltens mittels DMTA und Zugversuchen analysiert.

Free radical photopolymerization is one of the most used curing methods in industry and its photocurable polymers offer an enormous number of applications, such as coatings, additive manufacturing, dental and medical industry. Furthermore, this method offers various advantages, especially compared to thermal polymerization approaches, like low energy consumption, solvent free usage and fast reaction times. Unfortunately, one of the major drawbacks of free radical photopolymerization is the appearance of volumetric shrinkage during polymerization, and, consequently, the development of shrinkage stress in the cured material. This behavior triggers major problems in several application sectors, especially in the sector of bulky curing, e.g. dental and medical applications.Therefore, it is not surprising that, at an industrial level, there is a significant desire to develop monomers showing reduced or ideally zero shrinkage. Many different strategies are pursued in the research and development industry to achieve this goal, whereas one promising approach is the use of so called cyclopolymerizable monomers, which yield linear polymers with cyclic structure in the polymer backbone upon polymerization. Recent studies were focusing on the development and investigation of difunctional cyclopolymerizable monomers, leading to crosslinked polymers with reduced shrinkage stress. Furthermore, it was shown that the material properties could be tuned by modifying the spacer unit of the difunctional species.The aim of this work was to create new difunctional cyclopolymerizable monomers with reduced volumetric shrinkage based on (meth)acrylamides. Furthermore, their reactivity was investigated via photo DSC, RT NIR photorheology as well as their thermomechanical behavior by DMTA and tensile testing.