Zou, X., Xie, T., Xu, J., Bai, H., Wang, D., Ke, X., Zhao, W., & Lv, M. (2026). Enthüllung autokatalytischer Kinetiken in der Kurzketten-Polyaddition von Poly(amic acid) mittels In Situ FTIR. Industrial & Engineering Chemistry Research, 65(10), 5452–5459. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.6c00046
Es gibt zwei Phasen bei der Polyaddition aromatischer Diamine und Dianhydride (PAA): eine schnelle Phase der Kurzkettenbildung (Phase 1) und eine anschließende langsame Kettenwachstumsphase (Phase 2). Nahezu alle bisherigen kinetischen Untersuchungen konzentrieren sich auf die Kinetik der zweiten Phase unter Einsatz verschiedener Methoden. Obwohl diese Methoden bei Monomeren mit geringer Reaktivität wirksam sind, erfassen sie nicht die stark exotherme Phase 1 reaktiverer Monomere. Dies führt in den ersten Reaktionsminuten zu Simulationsabweichungen von 20−30 %, was die Prozesssteuerung, die Zuverlässigkeit des Scale-up und die Sicherheit beeinträchtigt. Daher ist eine datendichte Echtzeitüberwachung entscheidend, um das vermutete autokatalytische Verhalten zu erfassen, das diese frühe Phase steuert.
In dieser Arbeit wird in situ FTIR eingesetzt, um die für ein umfassenderes Verständnis der Kinetik in der Frühphase der Polyaddition von Poly(amic acid) (PAA) erforderlichen Informationen bereitzustellen. Dies wird typischerweise als ein kinetischer Prozess zweiter Ordnung betrachtet, bei dem die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zum Produkt der Konzentrationen von Diamin und Dianhydrid ist. Theoretische Modelle zeigen, dass diese Reaktionen ausgeprägte autokatalytische Eigenschaften aufweisen, bei denen Reaktionsprodukte die nachfolgenden Reaktionsgeschwindigkeiten beschleunigen, und dass Zwischenprodukte den autokatalytischen Effekt verursachen. Es wird ein Modell für die autokatalytische Kinetik hochreaktiver aromatischer Diamin–Dianhydrid-Systeme entwickelt, das Mechanismusannahmen, Herleitung der Geschwindigkeitsgleichung, Datenanpassung und thermodynamische Analyse umfasst. Das Modell gibt Aufschluss darüber, wie Komponenten wie Temperatur und Monomerstruktur das Ausmaß der Autokatalyse steuern. Die Daten zeigen, dass die Kurzketten-Polyaddition einem irreversiblen autokatalytischen kinetischen Modell zweiter Ordnung folgt, das primär durch Protonenkatalyse aus den neu gebildeten –COOH-Gruppen angetrieben wird. Temperatur und Elektrophilie des Monomers modulieren gemeinsam das Ausmaß der Autokatalyse, wobei BTDA die stärkste katalytische Beschleunigung und s-BPDA die schwächste zeigt.
„Wir verwenden in situ FTIR spektroskopie, um die Frühphasen-Polyaddition von 4,4′-Diaminodiphenylmethan (MDA) mit drei Dianhydriden quantitativ zu untersuchen: 3,3′,4,4′-Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid (BTDA), 3,3′,4,4′-Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid (s-BPDA) und 2,3,3′,4′-Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid (a-BPDA). Die isolierte charakteristische Bande von MDA bei 818 cm–1 kann als wirksame Sonde dienen, um die Veränderung der MDA-Konzentration quantitativ zu verfolgen. Die kinetische Analyse der normalisierten Bandintensitäten (A-818 cm–1, T-818 cm–1 und S-818 cm–1) zeigt, dass die Reaktion einer irreversiblen autokatalytischen Kinetik zweiter Ordnung folgt. Dieser kombinierte in situ FTIR- und Modellierungsansatz liefert erstmals quantitative Einblicke, wie Elektrophilie des Dianhydrids, molekulare Struktur und Temperatur synergistisch das Ausmaß der Autokatalyse bestimmen, und bietet damit entscheidende experimentelle und theoretische Orientierung für die präzise Steuerung und Optimierung der PAA-Synthese.“