1. ábra. Dehalogénezéses polikondenzáció (a) és oxidatív polimerizáció (b) (Me=metil)

Új csúcstechnológiai mûanyagokat fejlesztettek ki japán kutatók, ráadásul olcsó és környezetkímélő előállítási módszerrel.

Azokat a kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkező mûanyagokat csúcstechnológiai szerkezeti mûanyagoknak nevezzük, amelyeknek tartós hőállósága 150 °C felett van. Ezek általában lineáris polimerek, tehát hőre lágyulók. Ennek az az előnye, hogy a feldolgozás gyors, olcsó és termelékeny módszerei, mint a sajtolás vagy a fröccsöntés rájuk kiválóan alkalmazhatók. A mûanyagoknak ez a kis csoportja elengedhetetlenül szükséges az olyan, csúcstechnológiát alkalmazó területeken, mint az elektronika, a híradástechnika, a gépkocsiipar, a repülőgyártás vagy az ûrhajózás.

Jelenleg a legmagasabb hőállóságú fröccsönthető mûanyag a poliéter-éter-keton, amelynek kristályos olvadáspontja 300 °C felett van. A poliéter-éter-keton (röviden PEEK), és más hasonló polimerek előállítása az úgynevezett dehalogénezéses polikondenzációval (1.a ábra) történik. Mint látható, ebben az egyik kiinduló anyag halogénvegyület. A halogének viszont veszélyes környezetszenynyezők és használatuk kézben tartása nehéz. Ezen felül a gyártás során nagy mennyiségû szervetlen só, nátriumfluorid (NaF) keletkezik. Ha ehhez még hozzászámítjuk, hogy a reakció végrehajtásához magas hőmérséklet szükséges (energia, korróziós problémák), érthető, hogy az ilyen típusú mûanyagok meglehetősen drágák: a poliéter-éter-keton kilogrammja mintegy 110 dollárba kerül.

A másik forgalomban lévő csúcstechnológiai szerkezeti mûanyagtípus a poli-(2,6- dimetil-1,4-fenilénoxid), röviden p2,6- DMPO nevû mûanyag, amelyet a 2,6- dimetil-fenolból állítanak elő oxidatív polimerizációval (1.b ábra). Ebben az eljárásban a (gyökös) polimerizáció megfelelő katalizátor jelenlétében, alacsony hőmérsékleten, atmoszferikus nyomáson megy végbe, és a reakció mellékterméke csak víz. Az alkalmazott katalizátor és az oldószer (toluol) visszanyerhető és újrahasznosítható, ezért az eljárás környezetkímélőnek tekinthető. Sajnos, bár tartós hőállósága ennek is meghaladja a 150 °C, sokkal alacsonyabb mint a poliéter-éter-ketoné. Mindez tükröződik a termék árában: a DMPO ára 5 dollár/kilogramm alatt van, és ez teszi a leggyakrabban használt mûszaki szerkezeti mûanyaggá mindazokban az alkalmazásokban, ahol a nagyon magas hőállóság nem követelmény. Tudni kell azonban azt is, hogy ezzel a polimerizációs módszerrel lineáris polimerek csak a 2,6-helyzetben helyettesített fenolokból állíthatók elő (ez a kisebb hőállóság egyik oka), mert az alkalmazott körülmények közt a reakció fenoxi-gyökökön keresztül megy, és ezek - ha az orto-helyzetek helyettesítővel nem védettek -, térhálós polimer keletkezéséhez és tördelődéshez vezetnek (2.a ábra), s ennek következtében a polimer minősége a használhatatlanságig romlik.

2. ábra. (a) Hagyományos katalizátor ill. szabad gyök ill. (b) Tirozináz modellkatalizátor

Azt a célt tûzték ki maguk elé a japán kutatók, hogy a környezetet nem veszélyeztető és olcsóbb eljárást dolgozzanak ki magas hőállóságú, csúcstechnológiai szerkezeti mûanyagtípus előállítására. A kutatómunka elsődleges célja olyan nagy szelektivitású katalizátor kifejlesztése volt, amely meg tudja előzni a kapcsolódást a fenolok ortohelyzetében úgy, hogy legalább az egyik orto-helyzetben helyettesítetlen fenolból lehessen kiindulni. Közel ötéves kutatómunka után jutottak el ahhoz a felismeréshez, hogy a hagyományos katalizátorok nem kontrollálhatják a szelektív kapcsolást, mert szabad gyökök keletkezését segítik elő (2.a ábra). Ekkor olyan katalizátor után néztek, amely nem vezet kontrollálhatatlan szabadgyökképződéshez. A természet, az élő szervezetekben lejátszódó folyamatok felé fordultak. A tirozináz nevû enzimről, amely fenolszármazékokat alakít melaninná (egy bőrfesték), megtudható volt, hogy szintén oxidatív polimerizációt katalizál, de nem szabad gyököket, hanem kontrollált gyököket állít elő. Ezeknek az ismereteknek a birtokában a Fukui Mûszaki Egyetem és a Tsukuba Egyetem kutatóinak közösen sikerült egy nagy mértékben szelektív tirozináz modellkatalizátort kifejleszteniük.

3. ábra. Poli-(2,5-dimetil-1,4 - fenilénoxid) előállítása 2,5 dimetil-fenolból

Az új katalizátort alkalmazva laboratóriumi körülmények közt a 2,5-dimetil-fenolból (amelyben az egyik orto-helyzet szabad) oxidatív polimerizációval elő tudták állítani a poli-(2,5-dimetil-1,4-fenilénoxid)-ot, röviden p-2,5-DMPO-t (3. ábra). A reakciót toluolos közegben, alacsony hőmérsékleten, atmoszferikus nyomáson hajtották végre 78 százalékos termeléssel. A kapott polimer átlagos mólsúlya 19 000 volt. A legnagyobb meglepetést azonban az jelentette, hogy az előállított polimer reverzíbilisen kristályosodott 300 °C feletti olvadásponttal, ami azt jelenti, hogy hőállósága megközelítette a PEEK-ét.

Jelenleg magas ára ellenére a poliéteréter- ketonok a leggyakrabban használt szerkezeti anyagok mindazokon a helyeken, ahol a kiváló mechanikai tulajdonságok mellett a magas hőállóság is követelmény. A p-2,5-DMPO olvadáspontja csaknem ugyanilyen magas, és sokkal olcsóbb lesz, ha majd gyártják. Most kezdik vizsgálni az új anyag mechanikai tulajdonságait és feldolgozhatóságát. Mint ez a polimerek területén megszokott, egy új anyag laboratóriumi előállításától még hosszú út, sok munka vezet a gyártásig úgy hogy az új japán mûanyagok még nem egyhamar jelennek meg a piacon.