2K initiation systems for radical polymerization of dental formulations

Abstract

Die radikalische Polymerisation ist eines der wichtigsten Werkzeuge für die Herstellung von Polymermaterialien. Für die zahnmedizinische Anwendung solcher Materialien ist ein bequemer Polymerisationsprozess bei Raumtemperatur und Umgebungsatmosphäre erforderlich, wobei sich Zweikomponentensysteme (2K), die auf redox-initiierter radikalischer Polymerisation basieren, auszeichnen. Diese radikalischen Polymerisationssysteme sind jedoch häufig mit Nachteilen wie Instabilität, Toxizität und schlechtem Geschmack verbunden. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde im ersten Teil dieser Arbeit (Part A) die Synthese eines Vitamin-C-Derivats als neues Reduktionsmittel für die redox-initiierte Polymerisation durchgeführt. Die Reaktivität der initiierten Polymerisation sowie die thermomechanischen und mechanischen Eigenschaften der resultierenden Polymernetzwerke wurden untersucht.Im zweiten Teil der Arbeit (Teil B) wurde festgestellt, dass die Verwendung von Diboranen als labile Bindungen und von Kupferkomplexen, die ihre Spaltung katalysieren, ein effizientes System zur Erzeugung von Radikalen darstellt. Die mechanistischen Details des neuen Initiationssystems wurden analysiert und ein Mechanismus vorgeschlagen. Die Reaktivität dieses radikalischen Polymerisationssystems wurde im Hinblick auf mehrere Diboranverbindungen und Kupferverbindungen sowie verschiedene Konzentrationen charakterisiert. Die resultierenden Polymernetzwerke wurden auf ihre thermomechanischen und mechanischen Eigenschaften hin untersucht. Es werden homogene Netzwerke vorgestellt, die hohe Doppelbindungsumsätze und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweisen, die mit dem Stand der Technik vergleichbar sind.

Free radical polymerization is one of the most important tools for the production of polymer materials. Dental applications of such materials require a convenient polymerization process at room temperature and ambient atmosphere, which is where two-component (2K) systems based on redox initiated radical polymerization truly stand out. However, these radical polymerization systems often come with drawbacks such as instability, toxicity and bad taste. In order to surpass these limitations, the synthesis of a vitamin-C derivative was performed as a new reducing agent for redox initiated polymerization in the first part of this work (Part A). The reactivity of the initiated polymerization, as well as thermomechanical and mechanical properties of the resulting polymer networks were investigated.In the second part of the work (Part B), the use of diboranes as labile bonds and copper complexes that catalyse their cleavage was found to be a very efficient radical initiation system. Mechanistic details of the new initiation system are analysed and a mechanism is proposed. Reactivity of this radical polymerization system was characterized with respect to multiple diborane compounds and copper compounds, as well as various concentrations. The resulting polymer networks were investigated regarding their thermomechanical and mechanical properties. Homogeneous networks are presented that show high double bond conversions and mechanical properties that are comparable to the state of the art.