Polimerización de benzoxazinas funcionalizadas. Estudio mecanístico.

Abstract

Actualmente en el campo de los materiales poliméricos se está desarrollando un nuevo tipo de resinas fenólicas a partir de las 3,4-dihidro-2H-1,3-benzoxazinas. La síntesis de estos compuestos heterocíclicos tiene lugar por reacción de un fenol, una amina primaria y formaldehído. Estos monómeros bajo la acción de temperatura o catalizadores dan lugar a las polibenzoxazinas mediante un proceso de apertura de anillo.<br/>Los polímeros resultantes poseen buena estabilidad térmica, interesantes propiedades mecánicas, además de una excelente resistencia química y a la radiación UV. El pequeño cambio de volumen que experimentan durante el proceso de polimerización junto con su baja viscosidad que facilita el procesado los hacen muy útiles en la industria. Su baja constante dieléctrica y su bajo nivel de absorción de agua hacen que sean especialmente utilizados como soportes electrónicos. Por último, cabe destacar que la presencia de nitrógeno y anillos aromáticos les confiere cierto carácter retardante a la llama.<br/>Normalmente la polimerización de benzoxazinas transcurre a elevadas temperaturas, generalmente superiores a 200ºC. Sin embargo, es habitual el uso de catalizadores de naturaleza ácida para facilitar el proceso. Así, los mecanismos de propagación descritos en la literatura para la polimerización de este tipo de monómeros son de naturaleza catiónica y están basados en el ataque de las posiciones nucleófilas al anillo heterocíclico activado.<br/>La mayoría de las benzoxazinas utilizadas a nivel industrial para la obtención de materiales son difuncionales, como las derivadas del Bisfenol-A, ya que dan lugar a estructuras entrecruzadas. Este hecho hace que la mayoría de estudios realizados hasta el momento hagan referencia a este tipo de compuestos y no a las benzoxazinas monofuncionales, por lo que existe poca información acerca del mecanismo y la estructura de este tipo de polímeros. Por esta razón, en este trabajo se ha estudiado la formación de polímeros mediante la polimerización de benzoxazinas monofuncionales preparadas expresamente para dicho fin.<br/>Así, el objetivo principal ha consistido en la realización de un minucioso estudio del mecanismo de polimerización. Para ello, se ha llevado a cabo la síntesis de una familia de benzoxazinas que contienen grupos con distinto carácter electrónico, a partir de distintos fenoles y aminas aromáticas, optimizando los métodos de síntesis existentes.<br/>En primer lugar se ha estudiado la polimerización térmica de dichos monómeros mediante calorimetría diferencial de barrido, teniendo en cuenta principalmente la influencia de sustituyentes con diferente carácter electrónico sobre la temperatura de polimerización. Además, también se ha estudiado la polimerización térmica en monómeros altamente reactivos que contienen grupos ácido y fenol, observando el efecto activador que originan estos grupos sobre la polimerización.<br/>Se ha propuesto un nuevo sistema iniciador consistente en la combinación de trifluoruro de boro con alcoholes basándose en los resultados obtenidos en la polimerización térmica. Este sistema resulta especialmente efectivo en la polimerización en solución de este tipo de monómeros, permitiendo obtener los correspondientes polímeros con elevadas conversiones en unas condiciones de polimerización muy suaves. Se ha demostrado que con este sistema iniciador el mecanismo de propagación es distinto al descrito en la literatura. Se ha propuesto un nuevo mecanismo de polimerización en base a estudios cinéticos, a la caracterización microestructural por RMN, y a la realización de experimentos con monómeros marcados isotópicamente con deuterio.<br/>Finalmente, se ha llevado a cabo un estudio de la polimerización térmica de monómeros benzoxazínicos que contienen a la vez grupos glicidilo en su estructura, pudiéndose llegar a separar los dos procesos de polimerización con el uso de catalizadores. Este hecho ha permitido la obtención de poliéteres lineales con grupos benzoxazina laterales, pudiendo ser entrecruzados a temperaturas superiores.

Nowadays, in the field of polymeric materials a new type of phenolic resins are being developed from 3,4-dihydro-2H-1,3-benzoxazines. The synthesis of these compounds takes place by reaction of a phenol, a primary amine and formaldehyde. These monomers give polybenzoxazines by means of temperature or catalysts by a ring-opening process.<br/>The resulting polymers exhibit good thermal stability, interesting mechanical properties, and excellent resistance to chemicals and radiation UV. The low change of volume during polymerization together with their low viscosity facilitates its processing in industrial applications. Their low dielectric constant and low water absorption make them useful in electronic applications. Finally, the presence of nitrogen and aromatic rings contributes to confer them a flame retardant character.<br/>Usually, the benzoxazine polymerization is carried out at high temperatures, generally exceeding 200ºC. Nevertheless, is typical to use acidic catalyst to accelerate the process. The propagation mechanism of benzoxazine polimerization described in the literature is cationic and proceeds through the attack of the nucleophilic positions to the oxonium activated heterocyclic ring.<br/>Most benzoxazines used in the industry are difunctional like the Bisphenol-A derivate, and lead to crosslinked materials. Consequently there is not much information concerning the mechanism of polymerization and the structure of these polymers. For this reason this work is focused on the study of the polymer formation by means the use of monofunctional benzoxazines that have been synthesised for this purpose.<br/>The main aim of this work is to establish a feasible polymerization mechanism. For this reason a family of benzoxazines containing functional groups with different electron-withdrawing o electron-donating capacity has been prepared.<br/>First, the thermal polymerization of these monomers has been studied by differential scanning calorimetry, analysing the influence of the electronic character of the substituents in the polymerization temperature. Moreover, the thermal polymerization of highly reactive monomers that containing acid and phenol groups has been studied. In this case a relationship between the acidity of these groups and the activating effect has been established.<br/>Based in the thermal polymerization results a new initiator system consisting in a combination of BF3 and alcohols has been proposed. This initiator system results especially effective in the polymerization in solution of this type of monomers allowing to obtain the corresponding polymers with high conversions in mild polymerization conditions. It has been demonstrated that with this initiator the propagation mechanism is different to the described in the literature. A new polymerization mechanism has been proposed in basis of kinetic studies, NMR microstructural characterization of the polymers and deuterium isotopic labelling experiments.<br/>Finally, the thermal polymerization of benzoxazinic monomers that contain glycidyl groups in their structure has been studied. It has been possible to separate the two polymerization processes with the use of an appropriate catalyst. This result allows to prepare linear polyethers with pendant benzoxazine groups that can be further crosslinked at higher temperatures.