[論文レビュー] Graft Copolymers of Maleic Anhydride and Its Isostructural Analogues: High Performance Engineering Materials

Zakir M. O. Rzayev|arXiv (Cornell University)|May 6, 2011

biodegradable polymer synthesis and properties参考文献 411被引用数 45

ひとこと要約

このレビューは、マレイン酸無水物およびその同一構造型アナログ（マレインイミド、シトロナール酸およびアクロレイン酸誘導体、フマル酸誘導体など）のグレフト共重合に関する15年間の研究を統合し、反応性エキスパンション、溶液系、固体状態でのグレフト化法を詳細に述べている。イン・シチュ・溶融グレフト化、ブレンドにおける水素結合効果、および高度な応用分野向けに向上した熱的・機械的・生分解性特性を有する高性能エンジニアリング材料の開発を強調している。

ABSTRACT

This review summarizes the main advances published over the last 15 years outlining the different methods of grafting, including reactive extruder systems, surface modification, grafting and graft copolymerization of synthetic and natural polymers with maleic anhydride and its isostructural analogues such as maleimides and maleates, and anhydrides, esters and imides of citraconic and itaconic acids, derivatives of fumaric acid, etc. Special attention is spared to the grafting of conventional and non-conventional synthetic and natural polymers, including biodegradable polymers, mechanism of grafting and graft copolymerization, in situ grafting reactions in melt by reactive extrusion systems, in solutions and solid state (photo- and plasma-induced graftings), and H-bonding effect in the reactive blend processing. The structural phenomena, unique properties and application areas of these copolymers and their various modifications and composites as high performance engineering materials have been also described.

研究の動機と目的

• 過去15年間におけるマレイン酸無水物およびその同一構造型アナログのグレフト共重合に関する最近の進展を統合すること。
• 反応性エキスパンション、溶液系、固体状態法を含む、さまざまなグレフト化技術のメカニズムと効率を分析すること。
• 反応性ブレンド処理における水素結合および分子間相互作用の役割が、適合性および性能を向上させるメカニズムを評価すること。
• エンジニアリング応用分野における、得られた共重合体および複合材料の構造的・機能的特性を検討すること。
• これらの材料が高性能および生分解性ポリマー系に与える可能性を強調すること。

提案手法

• 反応性エキスパンションシステムを用いて、合成および天然ポリマーへのマレイン酸無水物およびアナログのイン・シチュ・溶融グレフト化を実施した。
• 溶液系グレフト化を用いて、正確なモル比および分子量分布を制御した共重合を達成した。
• 光誘起およびプラズマ誘起反応による固体状態グレフト化により、バルク劣化を最小限に抑えた表面特異的機能化を実現した。
• 反応性ブレンド処理における水素結合効果を体系的に評価し、界面接着性および機械的性能の向上を図った。
• シトロナール酸、アクロレイン酸およびフマル酸誘導体などの同一構造型アナログを合成し、反応性および適合性をテストした。
• スペクトロスコピックおよび熱分析技術を用いてグレフト化のメカニズム経路を分析し、グレフト化効率および構造の妥当性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マレイン酸無水物およびその同一構造型アナログを多様なポリマー行列にグレフト化するための最も効果的な方法は何か？
• RQ2 水素結合相互作用は、グレフト化ポリマー・ブレンドのミクロ構造および機械的特性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 マレイン酸無水物と、マレインイミドおよびシトロナール酸誘導体などのアナログとの間で、反応性の傾向およびグレフト化効率にどのような差が生じるか？
• RQ4 反応性エキスパンションは、高性能グレフト共重合体のスケーラブルで連続的生産をどのように可能にするか？
• RQ5 これらのグレフト共重合体の性能を特徴付ける構造的および熱的特性は何か？

主な発見

• 反応性エキスパンションにより、最適化条件下でグレフト化収率が80％を超える条件で、ポリオレフィンおよび生分解性ポリマーへのマレイン酸無水物の効率的イン・シチュ・グレフト化が達成された。
• 光誘起およびプラズマ誘起固体状態グレフト化により、ベースポリマー行列の劣化を最小限に抑えつつ、選択的表面機能化が実現された。
• 水素結合相互作用は、ポリマー・ブレンドにおける界面接着性を顕著に向上させ、引張強度および衝撃強度の向上に寄与した。
• 立体効果および電子効果の影響により、特定の系ではシトロナール酸およびアクロレイン酸誘導体がマレイン酸無水物よりも高い反応性を示した。
• 生分解性ポリマーとグレフト化した共重合体は、向上した熱安定性および機械的性能を示し、高性能応用分野への適用が可能となった。
• 同一構造型アナログの使用により、グレフト共重合体の機能的多様性が拡張され、溶解性、クリスタル性、適合性の調整が可能となった。