159
Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916 Published: 01/01/2012 Document Version Publisher’s PDF, also known as Version of Record (includes final page, issue and volume numbers) Please check the document version of this publication: • A submitted manuscript is the author's version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website. • The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review. • The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers. Link to publication General rights Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal ? Take down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Download date: 15. Jul. 2018

Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

  • Upload
    trantu

  • View
    250

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Polyamide 6 based block copolymers synthesized insolution and in the solid stateCakir, S.

DOI:10.6100/IR730916

Published: 01/01/2012

Document VersionPublisher’s PDF, also known as Version of Record (includes final page, issue and volume numbers)

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the author's version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differencesbetween the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact theauthor for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.

• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal ?

Take down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediatelyand investigate your claim.

Download date: 15. Jul. 2018

Page 2: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

    

 

Polyamide 6 Based Block Copolymers   

Synthesized in Solution and in the Solid State  

 

 

 

PROEFSCHRIFT 

 

 

ter verkrijging van de graad van doctor aan de Technische Universiteit Eindhoven, op gezag van de rector magnificus, prof.dr.ir. C.J. van Duijn, voor een 

commissie aangewezen door het College voor Promoties in het openbaar te verdedigen op maandag 19 maart 2012 om 16.00 uur 

 

 

 

door 

 

 

Seda Çakır 

 

 

geboren te Giresun, Turkije 

 

 

Page 3: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

 

Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotor: 

prof.dr. C.E. Koning 

 

Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state  

by Seda Çakır 

Technische Universiteit Eindhoven, 2012 

 

A catalogue record is available from the Eindhoven University of Technology Library. 

ISBN: 978‐90‐386‐3113‐4 

 

Copyright © 2012, Seda Çakır 

 

Cover design: Taylan Çakır 

Printed by: Proefschriftmaken.nl || Printyourthesis.com  

Published by: Uitgeverij BOXPress, Oisterwijk 

Page 4: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

    

 

      “Ya ölü yıldızlara hayatı götüreceğiz ya da dünyamıza inecek ölüm.” 

                   “Either we bring life to the dead stars or the death will descend to earth.” 

                                                            

Nazım Hikmet 

To my mom, dad, Taylan

and İso…

Page 5: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

 

Page 6: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

       

I  

Table of contents

Chapter 1  General Introduction 

1.1 Introduction to polyamides and polyamide 6                  2   

1.2 Crystal structure of polyamide 6                                   5   

1.3 Modification of polyamides                  8 

1.4 Modification of polyamides by solid‐state polymerization               9 

1.5 Objectives and outline of the thesis                12 

References                   13 

Chapter 2  Partially Degradable Polyamide 6‐Polycaprolactone Multiblock Copolymers     

       

2.1 Introduction                  18 

2.2 Experimental                  20 

  2.2.1 Materials                20 

  2.2.2 Synthesis of diamine end‐capped PA6            21 

  2.2.3 Synthesis of hydroxyl end‐capped oligoester          21 

  2.2.4 Synthesis of diisocyanate end‐capped polycaprolactone        22 

  2.2.5 Copolymer synthesis              22 

  2.2.6 Enzymatic and non‐enzymatic hydrolysis          22 

  2.2.7 Characterization               23 

    2.2.7.1 Size Exclusion Chromatography (SEC)        24 

    2.3.7.2 Nuclear Magnetic Resonance (NMR)  Spectroscopy        24 

    2.3.7.3 Differential Scanning Calorimetry (DSC)                                24 

    2.3.7.4 Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy                                           24 

    2.3.7.5 Potentiometric titration                            24 

    2.3.7.6 Scanning Electron Microscopy (SEM)          25 

2.3 Results and Discussion                25 

  2.3.1 Diamine end‐capped PA6               26 

  2.3.2 Hydroxyl and diisocyanate end‐capped polypropylene adipate      30 

  2.3.3 Diisocyanate end‐capped PCL (TPCL)            32 

  2.3.4 Multiblock copolymers of PA6C and TPCL           34 

  2.3.5 Hydrolytic and enzymatic degradation of PEA‐ASM        39 

2.4 Conclusions                  42 

References                  43 

 

Chapter 3 Multiblock Copolymers of Polyamide 6 and Diepoxy Propylene  

                    Adipate Obtained by Solution and Solid‐State Polymerization 

 

3.1 Introduction                  46 

3.2 Experimental                  48 

  3.2.1 Materials 

  3.2.2 Model reactions of glycidyl phenyl ether and propanoic acid                 48 

  3.2.3 Synthesis of fully carboxyl end‐capped polyamide 6        48 

  3.2.4 Polyamide 6‐poly(propylene glycol) diglycidyl ether model  

reactions                  49 

  3.2.5 Polyamide 6‐diepoxy propylene adipate reactions         49 

  3.2.6 Characterization               50 

Page 7: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Table of contents

II  

    3.2.6.1 Size Exclusion Chromatography (SEC)          50 

    3.3.6.2 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR)       50 

    3.3.6.3 Differential Scanning Calorimetry (DSC)        50 

    3.3.6.4 Thermogravimetric Analysis (TGA)          51 

    3.3.6.5 Potentiometric titration            51 

3.3 Results and Discussion                51 

  3.3.1 Model reactions with glycidyl phenyl ether and propanoic acid       51 

  3.3.2 Model reactions with poly(propylene glycol) diglycidyl ether  

(PPGE) and PA6                  54 

  3.3.3 Diepoxy propylene adipate (DEPA) and PA6 reactions         63 

3.4 Conclusions                  70 

References                  71 

 

Chapter 4  Incorporation of a Semi‐Aromatic Nylon Salt into Polyamide 6 by  

                   Solid State or Melt Polymerization 

 

4.1 Introduction                  74 

4.2 Experimental                  75 

  4.2.1 Materials                 75 

  4.2.2 Dytek A‐isophthalic acid salt preparation          76 

  4.2.3 Solution mixing of PA6/Dytek A‐IPA nylon salt in HFIP        76 

  4.2.4 Solid‐state polymerization (SSP)                76 

  4.2.5 Melt polymerizations              78 

    4.2.5.1 Caprolactam (CL)/Dytek A‐IPA salt          78 

    4.2.5.2 Dytek A‐IPA homopolymer          78 

  4.2.6 Characterization                79 

    4.2.6.1 Size Exclusion Chromatography (SEC)        79 

    4.2.6.2 Differential Scanning Calorimetry (DSC)        79 

    4.2.6.3 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy               79 

    4.2.6.4 Potentiometric titration            80 

4.3 Results and Discussion                80 

4.3.1 Low molecular weight PA6/Dytek A‐IPA copolyamides via SSP  

and MP                  83 

  4.3.1.1 Molecular characterization of PA6/Dytek A‐IPA  

copolyamides by 1H NMR, SEC and titration          83 

4.3.1.2 Thermal properties of PA6/Dytek A‐IPA copolyamides          90 

4.3.2 High molecular weight PA6/Dytek A‐IPA copolyamides via SSP and MP      93 

  4.3.2.1 Molecular characterization of PA6/Dytek A‐IPA  

copolyamides               93 

4.3.2.2 Sequence distribution and degree of randomness  

analysis by 13C NMR              96 

4.3.3.3 Thermal properties of the copolyamides prepared  

with limited Dytek A loss           101 

4.4 Conclusions                107 

References                108 

 

 

 

Page 8: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                         Table of contents

III

 

Chapter 5 Investigation of Local Chain Conformation and Morphology of  

                Polyamide 6 Modified by a Semi‐Aromatic Nylon Salt 

 

5.1 Introduction                112 

5.2 Experimental                114 

  5.2.1 Wide Angle X‐Ray Diffraction (WAXD)          114 

  5.2.2 Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy        114 

  5.2.3 Solid State NMR             115 

5.3 Results and Discussion              115 

  5.3.1 WAXD studies              116 

  5.3.2 FTIR analysis              117 

  5.3.3 Solid State NMR analysis            121 

5.4 Conclusions                126 

References                126 

Chapter 6  Epilogue and technology assessment          129 

Appendix                  133 

Summary                  137 

Acknowledgements                141 

List of publications                145 

Curriculum vitae                146 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 9: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Table of contents

IV  

 

 

 

Page 10: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

       

V  

Glossary 

α    Alpha form 

γ    Gamma form 

∆HC    Enthalpy of crystallization 

∆Hm    Enthalpy of melting  

[NH2]     Amine end group content  

 [COOH]    Carboxylic acid end group content 

1H NMR    Hydrogen‐1 nuclear magnetic resonance spectroscopy 

13C NMR   Carbon‐13 nuclear magnetic resonance spectroscopy 

AA    Adipic acid  

ACA    6‐Aminocaproic acid  

ATR    Attenuated total reflectance 

C    Concentration or carbon 

CDCl3    Deuterated chloroform  

CL    ‐Caprolactam  

CP/MAS NMR  Cross‐polarization magic angle spinning NMR spectroscopy  

D2O     Deuterium oxide  

DBD    Dibutyltin dilaurate  

DEPA    Diepoxy propylene adipate  

DMA    Dimethyl adipate  

DMAP    4‐Dimethylaminopyridine  

DMSO    Dimethyl sulfoxide  

DSC    Dynamic scanning calorimetry 

DyI    Dytek A‐isophthalic acid salt 

Dytek A    1,5‐diamino‐2‐methylpentane  

FTIR    Fourier transform infrared spectroscopy 

GPE    Glycidyl phenyl ether  

HCl    Hydrochloric cid 

HFIP    1,1,1,3,3,3‐Hexafluoro‐2‐propanol  

Page 11: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Glossary

VI  

IPA    Isopropanol or isophthalic acid 

L    Number average block length 

Mn    Number average molecular weight 

Mw    Weight average molecular weight 

meq    Milliequivalent 

MP    Melt polymerization 

Mp    Peak maximum 

MW    Molecular weight 

p    Conversion 

PA    Polyamide  

PBS    Phosphate buffered saline 

PCL    Polycaprolactone diol  

PD    1,3‐Propane diol  

PDI    Polydispersity 

PE    Polyester 

PEA    Polyesteramide 

PEA‐ASM  Polyesteramide after solution mixing 

PPA    Polypropylene adipate or propanoic acid  

PPGE    Poly(propylene glycol) diglycidyl ether  

p‐XDA    p‐Xylylenediamine  

r     Ratio of the reactants  

R    Degree of randomness 

RT    Room temperature 

SEC     Size exclusion chromatography 

SEM    Scanning electron microscopy 

SH    Salt homopolymer 

SSP    Solid‐state polymerization  

T5%     Temperature at 5% weight  loss 

Tc    Crystallization temperature 

Tg    Glass transition temperature 

Page 12: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                         Glossary

VII

Tm    Melting temperature 

TBO    Titanium(IV)butoxide  

TDI    Toluene 2,4‐diisocyanate  

TEA     Triethylamine  

TFE    2,2,2‐Trifluoroethanol  

TGA    Thermogravimetric analysis 

THF    Tetrahydrofuran  

TPCL    Toluene diisocyanate end capped polycaprolactone 

VT    Variable‐temperature  

WAXD    Wide angle X‐ray diffraction  

Xc    Percent crystallinity 

Xn     Degree of polymerization

Page 13: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916
Page 14: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

       

1  

CHAPTER 1  GENERAL INTRODUCTION 

Summary  

In  this  chapter  a  general  introduction  to  polyamides  and  specifically  to  polyamide  6  is 

given. Synthetic  techniques  for  the production of PA6 as well as  its crystal structure are 

described.  Possible  modification  techniques  of  the  polyamides  are  covered  and 

modification by solid‐state polymerization is discussed in detail. Finally, the objectives and 

the outline of this thesis are explained. 

 

 

 

 

 

 

Page 15: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 1

2  

1.1 Introduction to polyamides and polyamide 6 

Polyamide, in its fully aliphatic form also known as nylon, is the first commercial synthetic 

polymer entering modern  life. The  chemical  structure  is  similar  to  that of proteins  and 

polypeptides such as silk and wool, which are  formed by  the coupling of amino acids  in 

nature. Polyamides have a repeating amide group (–CONH–)  in their molecular structure 

and  the  type  of  the  repeating  unit  determines  the  properties  of  the  polyamides.  The 

structure of  the amide bond and  the chain dimensions are  represented  in Figure 1.1 as 

postulated by Flory in 1953.1 The first commercial polyamide was invented by the research 

group of Wallace Carothers  at Du Pont  in 1935  and was presented  as  the world’s  first 

synthetic fiber. The polymer was called Nylon 66 (PA66) because of the six carbons in the 

diamine  and  respectively  the diacid  residues.2  So, here  the  repeat unit  consists of  two 

monomeric  residues.  The  reaction  for  the  preparation  of  PA66  is  shown  in  Figure  1.2. 

Commercialization of Nylon 66 replaced the usage of silk and in first instance it was used 

for military supplies such as parachutes, vests, tires and ropes. 

 

Figure 1.1 Structure and the dimensions of the amide group in aliphatic polyamides. 

Figure 1.2 Reaction scheme for the synthesis of Polyamide 66.  

A  few years after  the  invention of PA66,  in 1938, Paul Schlack and his co‐workers at  IG 

Farben were  able  to make  a polyamide out of one  starting material which was named 

Page 16: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                         Chapter 1

3  

Polyamide  6  (PA6).3  In  this  case  the  ‘6’  stands  for  the  total  number  of  carbon  atoms 

present  in  the  single amino acid  residue  representing  the  repeat unit.  In 1940  the  first 

polyamide  stockings were  introduced  to  the American market. Up  till  1950  almost  the 

total polyamide market consisted of PA66. Thereafter PA6 slowly  found  its place.4 Later 

on, many other polyamides were  introduced  to  the market such as PA69, PA610, PA11, 

PA12 and PA46 as well as aromatic polyamides. The  type of polyamide based on amino 

acids  is called an AB polymer, whereas a polyamide based on diamines and dicarboxylic 

acids is a polymer of the AABB type.  

The most common synthetic  technique  for  the preparation of PA6  is  the hydrolytic  ring 

opening polymerization of  ε‐caprolactam  (CL)  at 250‐270  °C.  This  technique  consists of 

three equilibrium reactions as shown  in Figure 1.3.   The first step  involves the hydrolysis 

of  CL  forming  ε‐aminocaproic  acid  followed  by  the  direct  addition  by  ring  opening 

polymerization (ROP) of CL to the amine end group of a growing chain (which can also be 

the ε‐aminocaproic acid). Finally, the polycondensation reaction between the amine and 

carboxylic  acid  end  groups  leads  to  high  molecular  weight  product  where  water  is 

released.  In practice,  the ROP  and  the polycondensation  reaction occur  simultaneously 

during a significant part of the process. 

Figure 1.3 Hydrolytic  ring opening polymerization of  ε‐caprolactam  for  the  synthesis of 

Polyamide  6.  Hydrolytic  ring  opening  of  ε‐caprolactam  (1),  addition  reaction  of  ε‐

caprolactam to a growing chain, the CL ROP  (2) and polycondensation reaction between 

the end groups (3).  

Page 17: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 1

4  

The  PA6  polymerization  consists  of  equilibrium  reactions  and  at  the  polymerization 

temperature  around  260  °C  at  the  end  of  process  there  are  always  around  10  wt% 

unreacted CL and cyclic oligomers present. These cyclic compounds, mainly CL, are formed 

by back biting reactions. Therefore, these low molecular weight extractables are removed 

by extraction with water after the reaction.  

PA6  is  predominantly  produced  by  a  continuous  multi‐step  process  in  industry  as 

schematically shown  in Figure 1.4.5,  6 CL and water enter  the top of  the VK  (Vereinfacht 

Kontinuierlich) tube, which operates at about 250 °C and 1 atm. As the polymer forms  it 

moves down  the  column with  increasing viscosity and a mixture of polymer, unreacted 

monomer, water  and water  soluable  oligomers  exits  the  bottom  of  the  VK  tube.  This 

mixture enters a pelletizer, and the pellets containing extractables enter the top of a hot‐

water  leacher. Water  and  the product  stream of  the VK  tube flow  countercurrently  to 

remove caprolactam and oligomers from the polymer pellets. Finally, the extracted pellets 

enter a  solid‐state polymerization  reactor. Dry nitrogen gas entering  the bottom of  the 

reactor increases the temperature and drives the reaction equilibrium forward, leading to 

the formation of higher molecular weight polyamide 6 (Mn=24‐32 kg/mol).  

 

Figure 1.4 VK tube process for PA6 production.5  

Page 18: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                         Chapter 1

5  

Today,  PA6  and  PA66  continue  being  the most widely  produced  commercial  products 

among all polyamides accounting  for 90% of  the nylon manufactured globally  (3.4 x 106 

ton/year).7  Nylon  has  replaced  metal  for  mechanical  performance  by  serving  as  an 

engineering plastic with good stiffness, strength, toughness, resistance  to chemicals and 

thermal stability. The chemistry and properties of polyamides and specifically PA6 were 

well described by several authors.6, 8‐10 PA6  is mostly used for automotive, electrical and 

packaging  applications.  Additives  used  during  the  production  provide  end‐products  for 

various applications. Drawback of PA6  is the relatively high moisture absorption (9.5% at 

100%  relative  humidity  and  22  °C), which  results  in  a  plasticizing  effect  and  enhances 

toughness due  to  the  drop of  the  glass  transition  temperature  to  a  value  below  room 

temperature.6  

1.2 Crystal structure of polyamide 6 

Polyamides are semi‐crystalline polymers having regular crystalline lamellae separated by 

amorphous  regions  at  room  temperature.  Semi‐crystallinity  of  polymers  is  desired  for 

many  applications where  the  crystalline  part  provides  strength,  stiffness  and  chemical 

resistance and the amorphous region provides flexibility and toughness. One of the main 

characteristics of the polyamides is the ability of the –N–H group to form strong intra and 

intermolecular  hydrogen  bonds with  the  –C=O  group  in  the  amide  linkages within  the 

same or neighboring chains. The chains are oriented  in a way to maximize the hydrogen 

bonding  which  also  provides  high  regularity  (Figure  1.5.c).11‐13  The  character  of  the 

hydrogen bonds and the electrostatic attraction between the electric dipoles contribute to 

the strength of the amide‐amide  interactions.14 During the glass transition around 47‐57 

°C dipolar interactions are broken, whereas during the melting process at 220‐223 °C most 

of the hydrogen bonds are broken.15  

Although during the early years of polymer science polymer crystals were believed to be 

formed  according  to  the  fringed micelle model,  Keller  in  195716  showed  that  polymer 

chains are folding back and forth on themselves where folds occur at the faces as shown 

in Figure 1.5.a according to his electron diffraction experiments. This model was called 

Page 19: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 1

6  

the  “adjacent  re‐entry model”  and was  shown  to  be more  predominant  for  solution‐

grown  crystals  than  for  crystals  grown  from  the melt.  Low molecular weight  polymers 

tend  to  fold  into  this  structure  as well.17  This model  is  also  divided  into  two  different 

forms:  the  smooth  surface model  or  the  rough  surface model where  there  is  a  sharp 

boundary between the crystal and the amorphous phase in the former model while large 

variations  in  the  fold  length may  exist  in  the  latter one.18  Later  Flory  suggested  that  a 

“switchboard model” is more probable for melt‐grown crystals where chains are randomly 

folding back into the same lamellae as shown in Figure 1.5.b.19 In this model the amount 

of adjacent re‐entry is small since the conditions are far from equilibrium so that adjacent 

folding depends on molecular weight and molecular architecture.20, 21 The driving force for 

the chain to uncoil from a high entropy conformation is the lowering of the enthalpy due 

to  the  formation of  favorable  secondary H‐bonding  interactions. The extent  to which a 

polymer will crystallize  is determined firstly by thermodynamic forces favoring maximum 

potential crystallinity at equilibrium, and secondly by  the kinetic  forces determining  the 

rate and extent to which the polymer may actually approach such a theoretical maximum 

degree  of  crystallinity.  Thermodynamic  forces  that  can  be  mentioned  are  regularity, 

symmetry, even or odd number of atoms  in the monomeric unit, polarity and branching, 

while the kinetic forces include molecular flexibility and processing conditions.21 

 

 

Figure  1.5  Two  main  fold  models  of  polymer  crystals:  adjacent  re‐entry  model  (a), 

switchboard model (b) and intramolecular hydrogen bonding in PA6 (c). 

Page 20: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                         Chapter 1

7  

In  the  most  ideal  PA6  crystallization  case,  i.e.  from  solution,  chain  folding  and  the 

formation  of  hydrogen  bonds  occur  in  lamellar  sheets,  named  β‐sheets,  as  shown  in 

Figure  1.5.  The  lowest  enthalpy  level  for  a  folded molecule  results  in  intramolecular 

hydrogen bonding which  is only  formed within  the sheets. The sheets are connected  to 

each other by van der Waals interactions. The most stable crystal packing for PA6 is called 

the “α”  form. This phase consists of molecules  in an extended chain conformation with 

hydrogen bonds between anti‐parallel chains (see anti‐parallel orientation in Figure 1.6.a). 

In this case within each β‐sheet all possible H‐bonds can be formed without any problem, 

which  is why  this crystal  form  is  the most  stable one.  In  the  second  form, which  is  less 

stable and is called the “γ” form, the chains within one β‐sheet are oriented in the parallel 

form  (Figure 1.6.b) and complete H‐bonding  is only possible  if the chains are somewhat 

distorted.  The  amide  groups  are  twisted  out  of  the  plane  of  the  methylene  groups, 

shortening  the  chain  repeat  distance  and  permitting  intermolecular  hydrogen  bonding 

between the parallel chains.11, 22‐27 Both forms are shown in Figure 1.6.  

Figure 1.6 Two crystalline forms of PA6:  α form (a) and γ form (b).  

Page 21: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 1

8  

1.3 Modification of polyamides 

In most cases polyamides are modified  for  industrial applications  to end up with better 

properties  in  line  with  the  desired  applications.  In  this  way,  properties  of  the  bulk 

polyamide  can  be  modified  to  yield  more  flexibility,  longer  pack  life,  increased  glass 

transition  temperature,  lower  melting  temperature,  higher  thermal/solvent/abrasion 

resistance,  enhanced  flame  retardancy,  improved  shrinkage  and mechanical properties, 

etc.  All  of  these  improvements  can  usually  be  obtained  without  following  expensive 

production routes.  

The most common  technique used  for  this modification  is  to copolymerize  the standard 

monomers  of  a  specific  polyamide  with  desired  comonomers  in  the melt  by  which  a 

random  distribution  of  the  property‐changing  comonomers  is  obtained.  Another 

technique  is  blending  the  specific  PA with  a  polymer  improving  the  desired  properties 

where  the  components  are mixed  only  to  some  level  to make  a  physical mixture.  If  a 

physical mixture  of  two  step‐growth  polymers  is  held  in  the molten  state,  interchain 

reactions  can  take place yielding block‐like  copolymers which will  convert  into a  totally 

random microstructure as the reaction proceeds.  

For  instance a melt reaction of AB  type monomers with AA and BB  type monomers will 

result in a copolyamide with both AB and AABB type structures.  However, depressions in 

melting and crystallization temperatures to below the original values of both polymers are 

obtained  in  the  end.28‐31  This  behavior  is  well  described  by  Flory32  and  Jo  et  al.33 

theoretically.  This  depression  might  be  prevented  by  blending  two  types  of 

homopolyamides  for  just  a  sufficient  time, or by  sequential  addition of monomers  and 

preventing transamidation reactions, by which block‐like copolymers can be obtained.34, 35  

The advantage of  such blocky  structures  is  that  the physical properties of both original 

polyamides  are  still  present  in  the  final  material,  whereas  a  completely  random 

copolyamide might  lose  the crystallinity and  favorable physical properties of both blend 

components. 

Page 22: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                         Chapter 1

9  

Copolymerization of polyamides with non‐amidic units is also possible and widely used to 

make  copolymers  like  poly(ester  amide)s,  poly(ether  amide)s,  poly(urea  amide)s  and 

poly(urethane  amide)s  where  the  strength,  crystallinity  and  thermal  stability  of  the 

polyamide can be combined with the desired properties of the other polymer type by the 

addition of  the  other  components.  Polyesteramides  have  gained much  interest, mainly 

due to enhanced biodegradability by the  incorporation of ester  linkages. Polyamides are 

well known to be highly resistant to biodegradation in nature; however, it has been shown 

that  the  combination  with  aliphatic  ester  groups  makes  it  liable  to  hydrolytic  and 

enzymatic degradation. Preparation of biomaterials for tissue engineering or drug delivery 

is also possible by  this method.36‐40 Different synthetic approaches such as  ring opening 

polymerization,  ester‐amide  interchange  reactions,  anionic  polymerization,  interfacial 

polymerization and polycondensation  in  the melt  can be used.41‐56  It  is also possible  to 

enhance  properties  like  lower moisture  absorption  and  better  dimensional  stability  by 

incorporating  polyesters  such  as  polyethylene  terephthalate  (PET).57‐63  Thermoplastic 

polyether‐block‐amides  (PEBA)  elastomers  are  also  an  interesting  class  of  copolymers 

where hard  segments  consisting of  crystallizable polyamide blocks provide  the  strength 

and the soft ether blocks provide the flexibility. In these PEBAs hard segments can interact 

with  each  other  by  hydrogen  bonds.64‐67  Preparation  of  poly(urea  amide)s  and 

poly(urethane  amide)s  give  the  possibility  to  obtain  polyureas  or  polyurethanes  with 

improved  thermal,  mechanical  and  solvent  resistance  68‐72  or  dendritic  self‐assembly 

structures.73, 74 

1.4 Modification of polyamides by solid‐state polymerization  

Solid‐state  polymerization  (SSP)  implies  heating  the  starting material,  being  either  dry 

monomers or  the prepolymer, at a  temperature above  the glass  transition  temperature 

but below the melting temperature , so that the mobile reactive groups are able to react 

but the material does not become sticky or a  fluid. By‐products are removed by passing 

inert  gas  through  the  reaction medium  or  by maintaining  reduced  pressure.  If  SSP  is 

performed starting with dry monomers it is referred to as direct SSP, whereas the latter is 

Page 23: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 1

10  

called  post‐SSP  (or  solid  state  postcondensation). Although  SSP  can  be  used  for  chain‐

growth  polymers  in  industry  it  is mainly  used  for  polyamides  and  polyesters.    It  is  for 

example an important finishing technique to obtain high molecular weight polyamides (Mn 

> 25 kg/mol) suitable for spinning, extrusion and injection.75  

The  kinetics  and  the  influence  of  various  parameters  involved  in  the  SSP  reactions  of 

polyamides75‐83 and polyesters76,  81‐84 have been  investigated by  several  research groups 

until now. There are four main steps governing the rate of SSP:75, 82 

i) The  intrinsic  kinetics  of  the  chemical  reaction  where  the  reaction 

temperature and the presence of catalyst are the most important factors. 

ii) The diffusion of  the reactive end groups which  is mainly dependent on  the 

reaction temperature, initial prepolymer molecular weight and crystallinity. 

iii) The diffusion of the condensate  in the solid reacting mass which  is affected 

by the reaction temperature, particle size, gas flow rate and the presence of 

the catalyst. 

iv) The  transfer of  the condensate  from the reacting mass surface  to  the  inert 

gas. Similar parameters as in the previous item (iii) are important.  

The  intermolecular exchange  reactions  involved  in  the SSP of polyamides are acidolysis, 

aminolysis and amidolysis reactions as shown  in Figure 1.7.75, 85 Acidolysis  is the reaction 

between an alkyl carboxyl group and an amide linkage, aminolysis is the reaction between 

an alkyl amine and an amide group, whereas the amidolysis is the reaction between two 

amide groups. All these reactions result in linear products such as polyamides, oligomers 

and by‐products. On  the other hand,  intramolecular reactions result  in  the  formation of 

cyclic compounds.  

Page 24: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                         Chapter 1

11  

 

Figure 1.7 Exchange reactions of polyamides: acidolysis (1), aminolysis (2), amidolysis (3). 

Possible  side  reactions  observed  after  long  reaction  times  during  SSP  of  polyamides 

involve  the  formation of a  secondary amine group  from  the  reaction of  two amine end 

groups which, after the reaction with a carboxyl end group, forms branched structures in 

the case of an AB type polyamide  (like PA6) and crosslinked structures  in the case of an 

AABB type of PA. Crosslinking  is especially observed  in case of PA66.86 During the SSP of 

PA46  the  formation  of  high  molecular  weight  polymers  is  inhibited  by  pyrrolidine 

formation, which is a chain stopper (Figure 1.8).87 The reaction of pyrrolidine end groups 

with  water  results  in  carboxyl  end‐capped  polymer  chains  which  act  as  terminating 

agents.  

 

Figure 1.8 Pyrrolidine end‐group formation and  its reaction with water to form carboxyl‐

terminated chains. 

SSP  is a very efficient and mild technique not only to reach high molecular weight step‐

growth polymers without having too many side reactions or without suffering from a very 

high melt viscosity, but also to incorporate other monomers/polymers into the main chain 

of the step‐growth polymer. As discussed in the previous section, most of the modification 

techniques  for  semi‐crystalline polymers  lead  to  randomization by which  the  crystalline 

Page 25: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 1

12  

phase  is deteriorated, and as a  result, mechanical and physical properties are  reduced. 

However, SSP gives the possibility to modify step‐growth polymers by transreactions (see 

Figure 1.7) without the entire deterioration of the crystalline behavior. Previously, a three 

phase  model  has  been  proposed  for  semi‐crystalline  polymers  which  consists  of  a 

crystalline  fraction,  mobile  amorphous  fraction  (MAF)  and  rigid  amorphous  fraction 

(RAF).88, 89 During the SSP reactions, it is expected that only the mobile amorphous phase 

takes  part  in  the  aminolysis,  acidolysis  and  amidolysis  reactions  so  that  the  crystalline 

phase remains  intact. This modification  is represented  in the picture  in the first pages of 

this chapter and in Chapter 4. This concept accordingly should result in a block copolymer 

structure  with  crystalline  homopolymer  blocks  and  chemically  modified  and  usually 

amorphous  copolymer blocks. By  this way,  comonomers/polymers  can be  incorporated 

into PA6 backbone  in  the  solid  state and  the  resulting copolymers can  retain  their high 

melting  temperatures,  crystallization  rates  and  good  mechanical/physical  properties. 

Recently,  Jansen  et  al.89‐93  and  Sablong  et  al.94,  95  studied  the  incorporation  of  diol 

monomers  into  poly(butylene  terephthalate)  (PBT)  above  Tg  but  below  the  melting 

temperature of PBT.  Jansen  and  coworkers  showed  for  the  first  time  that  copolyesters 

with non‐random distributions and high molecular weights were obtained after solution 

mixing of both components in a common solvent followed by subsequent removal of the 

solvent  and  SSP.  Comparison  with  melt‐polymerized  samples  proved  the  superior 

properties  obtained  after  the  modification  by  SSP.  Molecular  and  morphological 

structures  were  studied  in  detail  via  SEC,  DSC,  1H  NMR  and  13C  NMR  and  blocky 

microstructures were indeed confirmed after SSP reactions.  

1.5 Objectives and outline of the thesis 

The objective of  the work described  in  this  thesis  is  to  chemically modify polyamide  6 

(PA6)  for  realizing enhanced properties by  solution and/or  solid‐state polymerization  in 

such a way  that good material properties  can be  retained. One of  the aims  is  to make 

partially degradable PA6 by incorporating hydrolyzable ester groups into the backbone of 

PA6. This can be done either in solution or in the solid state, depending on the functional 

Page 26: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                         Chapter 1

13  

end groups which connect the short polyamide and oligoester/polyester blocks together. 

In  this  way  multiblock  copolymers  of  polyamide‐polyester  can  be  prepared  so  that 

degradability  is obtained  in addition  to  the good properties of PA6. Chapter 2 describes 

the  incorporation  of  diisocyanate  end‐capped  polyester  into  amino  end‐capped  PA6  in 

solution, whereas in Chapter 3 the incorporation of an epoxide end‐capped oligoester into 

carboxylic acid end‐capped PA6 is reported. Another aspect is to show that high molecular 

weight PA6 can be modified below its melting temperature by selective incorporation of a 

nylon salt where the salt is only incorporated in the amorphous phase, excluding the large 

crystalline fractions from the transreactions. For this purpose, as described in Chapter 4, a 

semi‐aromatic  nylon  salt with  an  irregular  structure was  chosen  so  that  it  cannot  co‐

crystallize  with  the  crystallizable  PA6  segments  and  can  be  easily  forced  into  the 

amorphous phase. It was shown that  incorporation of the nylon salt  into the amorphous 

phase via  intermolecular exchange  reactions without  the deterioration of  the crystalline 

phase  is  indeed  possible.  The  effects  of  salt  composition,  reaction  temperature  and 

reaction time were investigated. Detailed characterization in terms of molecular weights, 

thermal properties and blockiness were performed. Morphological changes obtained after 

the SSP  reactions via heating up  to  the melting  temperature of  the blocky copolyamide 

are also presented  in Chapter 5. The thesis ends with a technology assessment (Chapter 

6), describing the possible industrial implementation of the promising SSP concept for PA6 

modification.  

 

References 

1. Flory, P. J. Statistical Mechanics of Chain Molecules. Wiley‐Interscience: New York, 1969. 

2. Carothers, W. H. US 2071250, 1937. 

3. Schlack, P. US 2241321, 1941. 

4. Koslowski, H.  J., Dictionary Of Man‐Made Fibers:Terms, Figures, Trademarks.  International Business 

Press: 1998. 

5. Seavey, K. C.; Liu, Y. A. Step‐Growth Polymerization Process Modeling and Product Design. John Wiley 

& Sons, Inc: 2008. 

6. Kohan, M. I. Nylon Plastics Handbook. Hanser Publishers: Munich, Vienna, New York, 1995. 

Page 27: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 1

14  

7. Nylon 6, retrieved on October 10, 2011, from 

http://www.chemsystems.com/about/cs/news/items/PERP%200708S6_Nylon%206.cfm. 

8. Galanty, P. G. Nylon 6. Oxford University Press: 1999. 

9. Marchildon, K. Macromol. React. Eng. 2011, 5, (1), 22‐54. 

10. Aharoni, S. M. n‐Nylons Wiley: Chichester, New York, Weinheim, Brisbane, Singapore, Toronto, 1997. 

11. Murthy, N. S. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2006, 44, (13), 1763‐1782. 

12. Schroeder, L. R.; Cooper, S. L. J. Appl. Phys. 1976, 47, (10), 4310‐4317. 

13. Vinken, E.; Terry, A. E.; Hoffmann, S.; Vanhaecht, B.; Koning, C. E.; Rastogi, S. Macromolecules 2006, 

39, (7), 2546‐2552. 

14. Garcia, D.; Starkweather, H. W. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 1985, 23, (3), 537‐555. 

15. Botta, A.; Decandia, F.; Palumbo, R. J. Appl. Polym. Sci. 1985, 30, (4), 1669‐1677. 

16. Keller, A. Phil. Mag. 1957, 2, (21), 1171‐1175. 

17. Elias,  H. G. Macromolecules:  Volume  3:  Physical  Structures  and  Properties. Wiley‐VCH: Weinheim, 

2008. 

18. Hoffman, J. D.; Lauritzen, J. I. J. Res. Nat. Bur. Stand. 1961, A 65, (4), 297‐&. 

19. Flory, P. J. J. Am. Chem. Soc. 1962, 84, (15), 2857‐&. 

20. Rastogi,  S.;  Lippits,  D.;  Terry,  A.;  Lemstra,  P.;  Reiter,  G.;  Strobl,  G.  Progress  in  Understanding  of 

Polymer Crystallization. In Springer Berlin / Heidelberg: 2007; Vol. 714, pp 285‐327. 

21. Dhanvijay, P. U.; Shertukde, V. V. Polym. Plast. Technol. Eng. 2011, 50, (13), 1289‐1304. 

22. Li, Y.; Goddard, W. A. Macromolecules 2002, 35, (22), 8440‐8455. 

23. Parker, J. P.; Lindenmeyer, P. H. J. Appl. Polym. Sci. 1977, 21, (3), 821‐837. 

24. Hatfield, G. R.; Glans, J. H.; Hammond, W. B. Macromolecules 1990, 23, (6), 1654‐1658. 

25. Arimoto, H. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1964, 2, (5), 2283‐2295. 

26. Arimoto, H.; Ishibashi, M.; Hirai, M.; Chatani, Y. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1965, 3, (1), 317‐

326. 

27. Holmes, D. R.; Bunn, C. W.; Smith, D. J. J. Polym. Sci. 1955, 17, (84), 159‐177. 

28. Harvey, E. D.; Hybart, F. J. J. Appl. Polym. Sci. 1970, 14, (8), 2133‐2143. 

29. Suehiro, K.; Egashira, T.; Imamura, K.; Nagano, Y. Acta Polym. 1989, 40, (1), 4‐8. 

30. Johnson, C. G.; Cypcar, C. C.; Mathias, L. J. Macromolecules 1995, 28, (25), 8535‐8540. 

31. Stouffer,  J. M.; Starkweather  Jr, H. W.; Hsiao, B. S.; Avakian, P.;  Jones, G. A. Polymer 1996, 37,  (7), 

1217‐1228. 

32. Flory, P. J. J. Chem. Phys. 1949, 17, (3), 223‐240. 

33. Jo, W. H.; Baik, D. H. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 1989, 27, (3), 673‐687. 

34. Williamson, D. T.; Wilson, T.; Forrester, M. E. US 2007293629  (A1), 2007. 

35. Coffman, D. D. US 2193529, 1940. 

36. Hemmrich, K.; Meersch, M.; Wiesemann, U.; Salber, J.; Klee, D.; Gries, T.; Pallua, N. Tissue Eng. 2006, 

12, (12), 3557‐3565. 

37. Mihov, G.; Draaisma, G.; Dias, A.; Turnell, B.; Gomurashvili, Z. J. Controlled Release 2010, 148, (1), 46‐

47. 

38. Okada, M. Prog. Polym. Sci. 2002, 27, (1), 87‐133. 

39. Katsarava, R.; Beridze, V.; Arabuli, N.; Kharadze, D.; Chu, C. C.; Won, C. Y. J. Polym. Sci., Part A: Polym. 

Chem. 1999, 37, (4), 391‐407. 

40. Guo, K.; Chu, C. C. J. Biomed. Mater. Res. Part B: Appl. Biomat. 2009, 89B, (2), 491‐500. 

41. Deshayes,  G.;  Delcourt,  C.;  Verbruggen,  I.;  Trouillet‐Fonti,  L.;  Touraud,  F.;  Fleury,  E.;  Degee,  P.; 

Destarac, M.; Willem, R.; Dubois, P. React. Funct. Polym. 2008, 68, (9), 1392‐1407. 

42. Ellis, T. S. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 1993, 31, (9), 1109‐1125. 

43. Alla, A.; Rodriguez‐Galan, A.; Martinez de llarduya, A.; Munoz‐Guerra, S. Polymer 1997, 38, (19), 4935‐

4944. 

Page 28: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                         Chapter 1

15  

44. Lips, P. A. M.; Broos, R.; van Heeringen, M. J. M.; Dijkstra, P. J.; Feijen, J. Polymer 2005, 46, (19), 7834‐

7842. 

45. Ferre T.; Franco, L.; Rodriguez‐Galan, A.; Puiggali, J. Polymer 2003, 44, (20), 6139‐6152. 

46. Villuendas, I.; Molina, I.; Regano, C.; Bueno, M.; Martinez de Ilarduya, A.; Galbis, J. A.; Munoz‐Guerra, 

S. Macromolecules 1999, 32, (24), 8033‐8040. 

47. Chromcova, D.; Baslerova, L.; Roda, J.; Brozek, J. Eur. Polym. J. 2008, 44, (6), 1733‐1742. 

48. Tokiwa, Y.; Suzuki, T.; Ando, T. J. Appl. Polym. Sci. 1979, 24, (7), 1701‐1711. 

49. Goodman, I.; Kehayoglou, A. H. Eur. Polym. J. 1983, 19, (4), 321‐325. 

50. Gonsalves, K. E.; Chen, X.; Cameron, J. A. Macromolecules 1992, 25, (12), 3309‐3312. 

51. Chromcova, D.; Bernaskova, A.; Brozek, J.; Prokopova, I.; Roda, J.; Nahlik, J.; Sasek, V. Polym. Degrad. 

Stab. 2005, 90, (3), 546‐554. 

52. Jakisch, L.; Komber, H.; Bohme, F. Macromol. Mat.  Eng. 2007, 292, (5), 557‐570. 

53. Ramaraj, B.; Poomalai, P. J. Appl. Polym. Sci. 2005, 98, (6), 2339‐2346. 

54. Kim, I.; White, J. L. J.Appl. Polym. Sci. 2003, 90, (14), 3797‐3805. 

55. Stapert, H. R.; Bouwens, A. M.; Dijkstra, P. J.; Feijen, J. Macromol. Chem. Phys. 1999, 200, (8), 1921‐

1929. 

56. Luckachan, G. E.; Pillai, C. K. S. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2006, 44, (10), 3250‐3260. 

57. Gaymans, R. J. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1985, 23, (5), 1599‐1605. 

58. Gaymans, R. J.; Aalto, S.; Maurer, F. H. J. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1989, 27, (2), 423‐430. 

59. Persyn, O.; Miri, V.;  Lefebvre,  J. M.; Ferreiro, V.; Brink, T.; Stroeks, A.  J. Polym. Sci., Part B: Polym. 

Phys. 2006, 44, (12), 1690‐1701. 

60. Retolaza, A.; Eguiazábal, J. I.; Nazábal, J. J. Appl. Polym. Sci. 2005, 97, (2), 564‐574. 

61. Aharoni, S. M. Int. J. Polymer. Mater. 1997, 38, (3‐4), 173‐203. 

62. Denchev, Z.; Kricheldorf, H. R.; Fakirov, S. Macromol. Chem. Phys. 2001, 202, (4), 574‐586. 

63. Bailly, C. M. E.; Chisholm, B.; De Jongh, R.; De Wit, G. US 5731389 (A), 1998. 

64. Gupta, A.; Singhal, R.; Nagpal, A. K. J. Appl. Polym. Sci. 2004, 92, (2), 687‐697. 

65. Sheth, J. P.; Xu, J. N.; Wilkes, G. L. Polymer 2003, 44, (3), 743‐756. 

66. Yu, Y. C.; Jo, W. H. J. Appl. Polym. Sci. 1995, 56, (8), 895‐904. 

67. Gaymans, R. J.; Schwering, P.; Dehaan, J. L. Polymer 1989, 30, (6), 974‐977. 

68. Dutta, S.; Karak, N. Prog. Org. Coat. 2005, 53, (2), 147‐152. 

69. Takeichi, T.; Suefuji, K.; Inoue, K. Polym. J. 2002, 34, (6), 455‐460. 

70. Tanzi, M. C.; Barzaghi, B.; Anouchinsky, R.; Bilenkis, S.; Penhasi, A.; Cohn, D. Biomaterials 1992, 13, (7), 

425‐431. 

71. Arun, A.; Dullaert, K.; Gaymans, R. J. Macromol. Chem. Phys. 2009, 210, (1), 48‐59. 

72. Gonzalez‐de los Santos, E. A.; Lopez‐Rodriguez, A. S.; Lozano‐Gonzalez, M. J.; Soriano‐Corral, F. J. Appl. 

Polym. Sci. 2001, 80, (13), 2483‐2494. 

73. Yang, M.; Wang, W.; Lieberwirth, I.; Wegner, G. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, (17), 6283‐6292. 

74. Yang, M.; Zhang, Z.; Yuan, F.; Wang, W.; Hess, S.; Lienkamp, K.; Lieberwirth, I.; Wegner, G. Chem. Eur. 

J. 2008, 14, (11), 3330‐3337. 

75. Vouyiouka, S. N.; Papaspyrides, C. D., Kinetic Aspects of Polyamide Solid State Polymerization. Wiley: 

New Jersey, 2009. 

76. Fakirov, S. Solid State Reactions In Linear Polycondensates Prentice Hall: New Jersey, 1990. 

77. Gaymans, R. J.; Amirtharaj, J.; Kamp, H. J. Appl. Polym. Sci. 1982, 27, (7), 2513‐2526. 

78. Mizerovskii, L. N.; Bazarov, Y. M. Fibre Chem. 2006, 38, (4), 313‐324. 

79. Vouyiouka, S. N.; Papaspyrides, C. D.; Weber, J. N.; Marks, D. N. Polymer 2007, 48, (17), 4982‐4989. 

80. Xie, J. J. J. Appl. Polym. Sci. 2002, 84, (3), 616‐621. 

81. Almonacil, C.; Desai, P.; Abhiraman, A. S. Macromolecules 2001, 34, (12), 4186‐4199. 

82. Vouyiouka, S. N.; Karakatsani, E. K.; Papaspyrides, C. D. Prog. Polym. Sci. 2005, 30, (1), 10‐37. 

Page 29: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 1

16  

83. Seavey,  K.  C.;  Liu,  Y.  A.  Fundamental  Process  Modeling  and  Product  Design  for  the  Solid  State 

Polymerization of Polyamide 6 and Poly(ethylene terephthalate). Wiley: New Jersey, 2009. 

84. Ma, Y.; Agarwal, U. S.; Sikkema, D. J.; Lemstra, P. J. Polymer 2003, 44, (15), 4085‐4096. 

85. Kotliar, A. M. Macromol.Rev. Part D‐J. Polym. Sci. 1981, 16, 367‐395. 

86. Korshak, V.; Frunze, T. Synthetic Hetero‐Chain Polyamides IPST: Jerusalem, 1964. 

87. Roerdink, E.; Warnier, J. M. M. Polymer 1985, 26, (10), 1582‐1588. 

88. Wunderlich B. Prog. Polym. Sci. 2003, (28), 383‐450. 

89. Jansen, M. A. G.; Goossens, J. G. P.; de Wit, G.; Bailly, C.; Koning, C. E. Macromolecules 2005, 38, (7), 

2659‐2664. 

90. Jansen, M. A. G.; Goossens, J. G. P.; de Wit, G.; Bailly, C.; Koning, C. E. Anal. Chim. Acta 2006, 557, (1‐

2), 19‐30. 

91. Jansen, M. A. G.; Goossens,  J. G. P.; de Wit, G.; Bailly, C.; Schick, C.; Koning, C. E. Macromolecules 

2005, 38, (26), 10658‐10666. 

92. Jansen, M. A. G.; Goossens, J. G. P.; Wu, L. H.; de Wit, G.; Bailly, C.; Koning, C. E. J. Polym. Sci., Part A: 

Polym. Chem. 2007, 45, (5), 882‐899. 

93. Jansen, M. A. G.; Goossens, J. G. P.; Wu, L. H.; De Wit, G.; Bailly, C.; Koning, C. E.; Portale, G. J. Polym. 

Sci., Part A: Polym. Chem. 2008, 46, (4), 1203‐1217. 

94. Sablong,  R.;  Duchateau,  R.;  Koning,  C.  E.;  de Wit,  G.;  van  Es,  D.;  Koelewijn,  R.;  van  Haveren,  J. 

Biomacromolecules 2008, 9, (11), 3090‐3097. 

95. Sablong, R.; Duchateau, R.; Koning, C. E.; Pospiech, D.; Korwitz, A.; Komber, H.; Starke, S.; Haussler, L.; 

Jehnichen, D.; Landwehr, M. A. D. Polym. Degrad. Stab. 2011, 96, (3), 334‐341. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 30: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

17  

CHAPTER 2  PARTIALLY DEGRADABLE POLYAMIDE 6‐POLYCAPROLACTONE MULTIBLOCK 

COPOLYMERS  

Summary  Low  molecular  weight  polycaprolactone  was  successfully  incorporated  into 

polyamide  6  by  solution  and  solid‐state  polymerization  after  synthesis  of  both 

components with desired co‐reactive end groups. The structure and thermal properties of 

polymers  before  and  after  incorporation  were  analyzed  by  SEC,  FTIR,  NMR,  titration 

analysis as well as TGA and DSC. DSC data, together with an increase in molecular weight 

pointed  to  a multiblock  structure  with  almost maintained melting  temperatures  with 

respect to pure components. Degradation of polymers was performed via enzymatic and 

hydrolytic routes at 25 °C and followed by weight loss analysis, SEM and SEC. 

 

 

 

Page 31: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 2

18  

2.1 Introduction  

Polyamide  6  (PA6)  is  a  high‐performance  engineering  plastic  used  for  a wide  range  of 

applications  in  everyday  life.  Strong  hydrogen  bonding  between  the  chains  and  high 

regularity in the crystalline phase provide excellent thermal and mechanical properties but 

on  the other hand  result  in  a highly  resistant material  to  biodegradation  in nature. As 

there  is an  increasing demand for disposable packaging applications the biodegradability 

of PA6 could be enhanced by incorporating hydrolyzable groups into the main chain.  

These  hydrolyzable  groups  can  be  selected  from  various  aliphatic  polyesters which  are 

well known to be biodegradable due to cleavable ester links. Polycaprolactone (PCL) is one 

of these polyesters which can be used both for biomedical and ecological applications.1‐3 

As a special class of biodegradable polymeric materials, the synthesis and characterization 

of  poly(ε‐caprolactam‐co‐ε‐caprolactone)  copolymers  have  been  studied  by  different 

research  groups.  Synthetic  approaches  include  ester‐amide  exchange  reactions,  anionic 

polymerization,  interfacial polymerization, ring opening and polycondensation reactions.4‐

14 Most of  these works  showed  that  the  resulting copolymers have a  random  structure, 

whereas only a few papers described di‐ or tri‐ block structures. Degradation studies were 

also described  in several articles5, 9, 11, 15, 16 by using different methods proving that these 

type of copolymers are susceptible to degradation, although mostly enzymatically.  

If  the ester groups are  randomly  introduced  into  the PA6 main chain,  the crystallization 

behavior of PA6 will be negatively affected, the melting temperature will be significantly 

reduced  and  the mechanical  and  physical properties,  crucial  for  packaging  applications 

(such  as  barrier  properties), will  become worse.  This  fact  is  also  seen  in  the  literature 

covered above where there is a big decrease in melting temperatures as the amount of ε‐

caprolactone  increases  when  random  copolymers  are  prepared.    To  the  best  of  our 

knowledge well‐defined multiblock copolymers of this type of polyesteramides have not 

been synthesized yet and have certainly not been tested as biodegradable materials.  

Page 32: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 2

19  

A  promising  synthetic method  can  be  incorporating  these  degradable  groups  or  blocks 

into  the  amorphous  part  of  a  relatively  low molecular weight  PA6  below  the melting 

temperature of  the PA6 crystals.17,  18 For  this purpose, well‐known  synthetic  techniques 

can  be  applied  to  prepare  this  new  type  of  PA6‐PCL  block  polymers  by making  use  of 

isocyanate‐amine reactions at  low temperatures. Until now D’Hollander et al.19 obtained 

shape  memory  polyurethane  networks  based  on  a  triblock  copolymer  made  by  the 

reaction of  isocyanate end‐capped PCL and excess of amine end‐capped poly(propylene 

oxide). Lee et al.20 prepared shape memory polyamides by  linear chain extension of PCL 

and diamine‐terminated polyamide in the presence of hexamethylene diisocyanate (HDI). 

Their aim was  to have  shape  recovery by using high  fractions of  (PCL‐HDI)n units  (70%) 

compared to (polyamide‐HDI) units. According to the thermal analysis of the copolymers 

the  highest melting  temperature  of  the  polyamide  segments was  183  °C.  It  should  be 

realized that the synthetic route used by Lee et al. results in a rather ill‐defined structure, 

since HDI can couple either two PA blocks, two PCL blocks or one PA and one PCL block.  

The  aim  of  this  chapter  was  to  make  well‐defined  PA6‐based  multiblock  copolymers 

where the good properties of PA6 such as high melting temperature and crystallinity can 

still be maintained, whereas biodegradation can be an additional property. We followed a 

stepwise  technique where  low molecular weight amine end‐capped PA6 and  isocyanate 

end‐capped  PCL  polymers were  synthesized  separately  followed  by  solution  and  solid 

state  step‐growth  copolymerization  of  these  telechelic  building  blocks  at  reduced 

temperatures. The relatively low temperatures should prevent aminolysis of the PCL ester 

groups by  the PA6 amine end groups.  In  this way,  the  targeted  reasonably well‐defined 

multiblock copolymers of PA6 and PCL could be obtained with PA6‐like thermal properties 

and partial biodegradability. We  realize  that  the PA6 blocks are not degradable, but by 

degrading the PCL blocks the material may disentangle and fall apart into small fragments. 

Molecular weights of the synthesized polymers were characterized by using SEC, NMR and 

titration methods. SEC was also used as a useful  tool  to  follow  the  reactions with  time. 

Molecular  structures  of  the  products were  investigated  by  FTIR  spectroscopy.  Thermal 

Page 33: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 2

20  

analysis was  performed  by  using  TGA  and DSC. Hydrolytic  and  enzymatic  degradations 

were done in PBS buffer solution followed by surface analysis of the films by using SEM.  

HN

250 °C, 3 bar, 6 hours

H2O

O

NH2

H2N

HO

OO

OO

H

O O

n n

65 °C, in THF, 2 hoursOCN

H3C

NCO

PA6 (Mn=2,500 g/mol, titration) Diisocyanate end capped PCL(Mn=1,850 g/mol, titration)

(CL) Polycaprolactone (PCL, Mn=1,600 g/mol)

[PA 6-b-PCL]n multiblock copolymers

DBD

OO

OO

OO O

n

HN

HN

O On

OCN

H3C

NCO

CH3

HN

H2NNH

NH2

O

O nm

Caprolactam

NH

CO

NH

 

 

Figure  2.1  Schematic  drawing  of  stepwise  synthesis  of  polyamide  6‐polycaprolactone 

multiblock copolymers obtained by solution and solid‐state polymerization. 

 

2.2 Experimental  

2.2.1 Materials 

‐Caprolactam  (CL) was kindly provided by DSM. p‐Xylylenediamine  (p‐XDA, >98 %) and 

toluene 2,4‐diisocyanate (TDI, >98 %)  were purchased from Fluka. 1,3‐propane diol (PD), 

dimethyl  adipate  (DMA)  and  titanium(IV)butoxide  (TBO) were  obtained  from  Acros  for 

polyester synthesis. Dibutyltin dilaurate (DBD, 97 %), polycaprolactone diol (PCL, average 

Mn=530  g/mol  and  1250  g/mol)  and  2,2,2‐trifluoroethanol  (TFE,  99 %) were purchased 

from Aldrich. 1,1,1,3,3,3‐Hexafluoro‐2‐propanol  (HFIP, 99 %),  tetrahydrofuran  (THF) and 

diethyl  ether were  obtained  from  Biosolve.  Deuterated  chloroform  (CDCl3,  99  %)  was 

purchased  from  Cambridge  Isotope  Laboratory,  Inc.  (CIL).  Lipase  from Aspergillus  niger 

Page 34: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 2

21  

(184 U/g) was  obtained  from  Sigma.  A  commercial  grade  PA6  (Akulon, Mn=31  kg/mol, 

PDI=2.0) was provided by DSM and was used as a reference for biodegradation analysis. 

All chemicals were used as received, unless otherwise mentioned.  

2.2.2 Synthesis of diamine end‐capped PA6 

For  the synthesis of diamine end‐capped PA6 a batch reactor with a capacity of 380 mL 

was used. Temperature and pressure were controlled via a computer. First, 100 g  (0.88 

mol) CL was charged to the reactor and heated until complete melting. Later, 3, 6 or 8 g p‐

XDA  (0.022, 0.044, 0.059 mol,  respectively)  and 3  g  (0.17 mol) water were  added.  The 

polymerizations were carried out at 250 °C at 3 bar for 6 hours under the flow of N2 gas 

and with  continuous mechanical  stirring.  Samples  for  SEC  analysis were withdrawn  at 

various  time  intervals.  Final products were extracted with water at 80  °C  for 20 hours, 

filtered under vacuum and dried  in an oven at 80 °C for at  least 24 hours. Samples were 

investigated by using SEC, NMR, DSC and titration analysis. 

2.2.3 Synthesis of hydroxyl end‐capped oligoester 

For  the  synthesis  of  hydroxyl  end‐capped  oligoesters  3.5  g  (46.4 mmol)  or  4.0  g  (52.2 

mmol) 1,3‐propane diol (PD) and 5 g (29 mmol) dimethyl adipate (DMA) were put in a 100 

mL three neck flask. All the reactions were performed under argon with strong agitation at 

180  °C  in  the melt  using  20 mg  TBO  catalyst.  Temperature  control was  provided  by  a 

heating mantle connected to a temperature controller. The reactor was equipped with a 

distillation set up to remove the methanol that was produced during the polymerization. 

The  reaction  time  varied  between  2.5‐3  hours.  After  cooling  of  the  polymer  to  room 

temperature, it was put in methanol, precipitated by immersing in a liquid N2 and acetone 

mixture and then filtered. In every case, these steps were carried out three times for the 

complete  removal of  the excess diol  and  the  catalyst and  later  followed by drying  in  a 

rotary evaporator and a vacuum oven. The polymers were  investigated by using SEC and 

NMR. 

Page 35: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 2

22  

2.2.4 Synthesis of diisocyanate end‐capped polycaprolactone 

5.6 g (32 mmol) TDI was placed in a Schlenk vessel which was connected to argon. 10 g (8 

mmol) PCL was dissolved in 20 ml THF and placed in an addition funnel. After the addition 

of 1 drop of dibutyltin dilaurate (DBD), the Schlenk flask was heated to 65 °C and the slow 

addition  of  PCL  solution  to  TDI was  started with  a  rate  of  1  drop/2  sec  under  strong 

agitation. Heating and stirring were stopped after 2 hours. The product was slowly added 

into diethyl  ether which was  cooled  in  an  acetone‐liquid N2 mixture, which  resulted  in 

precipitation of  the polymer. The  solvent was  removed  from  the polymer‐diethyl ether 

mixture  to another  flask by using a  filtrating cannula and a  filter by applying a pressure 

difference.  In  every  case  these  steps were  carried  out  three  times  to  assure  complete 

removal of excess diisocyanate and  the catalyst. Later, residual solvent was removed by 

using reduced pressure. The product was characterized by NMR and titration. 

2.2.5 Copolymer synthesis 

Totally dry 10 g  (4 mmol) diamine end‐capped PA6 and 5 g  (4 mmol) diisocyanate end‐

capped polyester were put  in a 100 mL three neck round bottom  flask under argon and 

dissolved in 50 ml HFIP for mixing on the molecular level. After complete dissolution, HFIP 

was slowly removed by vacuum distillation. This was done at room temperature to avoid 

the  reaction  between  isocyanate  end  groups  of  the  PCL  and  hydroxyl  groups  of  HFIP. 

Then,  the  lump of material was  taken out of  the  flask,  ground  in  liquid N2,  sieved  and 

reduced pressure was applied again. As soon as the particles were almost totally dry, the 

product  was  stirred  and  heated  gradually  up  to  160  °C,  which  is  below  the  melting 

temperature of the polyamide. Reaction was continued overnight. Polymer fractions were 

investigated via SEC, FTIR and DSC. 

2.2.6 Enzymatic and non‐enzymatic hydrolysis 

Biodegradation  studies were  performed with  and without  enzyme.  For  both methods, 

polymer films (25‐30 mg) with an average thickness of 0.4 mm prepared by solvent casting 

Page 36: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 2

23  

in HFIP were incubated in separate tubes filled with 10 mL phosphate buffer solution (pH 

7.5) which were kept at 25±1  °C. The  reference PA6  film was prepared by compression 

molding. For the enzymatic degradation, lipase from Aspergillus niger (1.6 U/mL) was used 

and the media was replaced periodically.  Films were removed from the media at specific 

time  intervals, washed with distilled water, dried and weighed  to determine  the weight 

loss. The morphology of the films was investigated by SEM. 

2.2.7 Characterization 

2.2.7.1 Size Exclusion Chromatography (SEC)  

Size  exclusion  chromatography  (SEC)  was  used  to  determine  molecular  weights  and 

molecular weight distributions, Mw/Mn, of polymer samples. For the PA6 samples and for 

the  blocky  polyesteramides  SEC  in  HFIP was  performed  on  a  system  equipped with  a 

Waters  1515  Isocratic  HPLC  pump,  a Waters  2414  refractive  index  detector  (35  °C),  a 

Waters 2707 autosampler, and a PSS PFG guard  column  followed by 2 PFG‐linear‐XL  (7 

µm, 8*300 mm) columns  in series at 40  °C. HFIP with potassium  trifluoroacetate  (3 g/L) 

was used as eluent at a flow rate of 0.8 mL/min. The molecular weights were calculated 

against poly(methyl methacrylate) standards (Polymer Laboratories, Mp = 1020 g/mol up 

to Mp = 1.9*106 g/mol). For the polyester samples SEC in THF was performed on a Waters 

Alliance  system  equipped  with  a  Waters  2695  separation  module,  a  Waters  2414 

refractive index detector (40 °C), a Waters 2487 dual absorbance detector, and a PSS SDV 

5 μ guard column followed by 2 PSS SDV linear XL columns in series of 5 μ (8*300) at 40 

°C. THF,  stabilized with 2,6‐di‐tert‐butyl‐4‐methylphenol  (BHT), was used  as eluent  at  a 

flow rate of 1 mL/min. The molecular weights were calculated with respect to polystyrene 

standards (Polymer Laboratories, Mp = 580 Da up to Mp = 7.1*106 Da). Before SEC analysis 

was  performed,  the  samples  were  filtered  through  a  0.2  µm  PTFE  filter  (13 mm,  PP 

housing, Alltech).  

 

 

Page 37: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 2

24  

2.2.7.2 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR) 

 1H NMR spectra of the polymers were recorded on a Varian 400 MHz spectrometer at 25 

°C. PA6 containing samples were dissolved  in a 2:1 vol% CDCl3:TFE mixture, whereas the 

analyses of PCL and  its derivatives were performed  in CDCl3. For  the PA6 polymers,  the 

number average molecular weight Mn was calculated from the NMR spectra by estimating 

the ratio of  the  integrals of  the proton signals of repeat units  to  the corresponding end 

groups. 

2.2.7.3 Differential Scanning Calorimetry (DSC) 

Melting  (Tm) and crystallization  temperatures  (Tc) as well as enthalpies of melting  (∆Hm) 

and  crystallization  (∆Hc)  of  the  polymers were measured  using  a  TA  Instruments Q100 

calorimeter. For all the measurements 4‐6 mg samples and a heating rate of 10°C min–1 

were used. DSC measurements of fully amine end‐capped PA6 polymers were carried out 

from 0°C to 260°C whereas the rest of the samples were analyzed from ‐50°C to 220°C. For 

each measurement  the  second  heating  curve was  used  to  determine  the  Tm.  For  the 

determination of both Tm and Tc peak maximums were taken into account. 

2.2.7.4 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) 

The  presence  of  various  chemical  linkages  of  the  products was  derived  from  FTIR‐ATR 

spectra  that were obtained on a Bio‐Rad Excalibur FTS3000MX  spectrophotometer. The 

measurements were performed by making 50 scans using a golden gate set‐up, equipped 

with  a diamond ATR  crystal.  The Varian Resolution  Pro  software  version  4.0.5.009 was 

used for the analysis of the spectra.  

2.2.7.5 Potentiometric titration 

For  the  determination  of  amine  [NH2]  and  carboxylic  acid  [COOH]  end  group  content, 

potentiometric  end  group  titrations  were  done  at  room  temperature  in  non‐aqueous 

environment using phenolic solvents. Molecular weight of the polyamides were calculated 

by using the formula 2*106/([NH2]+[COOH]).  Isocyanate end‐group titration was done by 

Page 38: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 2

25  

using the back titration method. The sample was dissolved in THF and then, mixed with 10 

mL 2.0 M diisobutylamine solution and finally titrated with 1.0 M HCl solution in IPA. Both 

blank and sample measurements were repeated at least three times. Molecular weight of 

the polyester was calculated by using the formula MWKOH*2*103/[OH]. 

2.2.7.6 Scanning Electron Microscopy (SEM) 

Surface changes of the polymer films after degradation were observed by using Quanta 3D 

FEG  (FEI)  scanning  electron microscopy  (SEM)  equipped with  a  field  emission  electron 

source. High vacuum conditions were applied and a secondary electron detector was used 

for image acquisition. No additional sample treatment, such as surface etching or coating 

with a conductive  layer, has been applied before surface scanning. Standard acquisition 

conditions for charge contrast imaging were used. 

2.3 Results and Discussion 

Synthesis  of  polyamide  6‐polycaprolactone  (PA6‐PCL)  or  polyamide  6‐polypropylene 

adipate  (PA6‐PPA) block  copolymers  consisted of  three  synthetic  steps  as presented  in 

Figure 2.1. Firstly,  low molecular weight  fully diamine end‐capped PA6 was synthesized. 

Later,  fully diisocyanate end‐capped PPA and PCL oligoester was  synthesized and  finally 

solution and solid‐state polymerization was performed with the co‐reactive oligoester and 

PA6 components. For  the diisocyanate end‐capped oligoester synthesis  initially hydroxyl 

end‐capped polypropylene adipate was  synthesized and  later end‐capping with  toluene 

diisocyanate was done.  Since  this polyester had poor properties  at  room  temperature, 

later  fully  hydroxyl  end‐capped  polycaprolactone  was  used  which  is  commercially 

available.  

 

 

 

Page 39: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 2

26  

2.3.1 Diamine end‐capped PA6 

 

Figure 2.2 Reaction scheme of the synthesis of amine end‐capped PA6. 

The synthesis of amine end‐capped PA6 as shown in Figure 2.2 involved the reaction of ‐

caprolactam  (CL) with  p‐xylylenediamine  (p‐XDA)  in  the  presence  of water.  p‐XDA was 

chosen as the diamine to be used because of its high boiling point (230 °C) with respect to 

other diamines which  limits  its evaporation during  the CL polymerization. Statistically p‐

XDA  should  be  incorporated  inside  the  polymer  chain  during  the  polymerization  and 

should not be present as an end‐group.  

0 1 2 3 4 5 60

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Mn vs. time

Mn (

g/m

ol)

Reaction time (h)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

CL conversion vs. time CL

conv

ersi

on

 

Figure 2.3 Mn (SEC) (□) and CL conversion (■) vs. reaction time of the amine end‐capped 

PA6 containing 6 wt% p‐XDA (PA6C in Table 2.1). 

Changes in molecular weight and CL conversion vs. time in case of the polymer containing 

6 wt% p‐XDA are presented  in Figure 2.3. The molecular weight change as a  function of 

the CL  conversion  is  shown  in  Figure 2.4.  In order  to  analyze  the CL  conversion of  the 

reaction, a calibration curve for different concentrations of CL was prepared by using SEC. 

Later, known copolymer concentrations of SEC samples were prepared from the polymer 

Page 40: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 2

27  

fractions taken during the polymerization and by monitoring the change  in CL peak area 

the  conversion  was  calculated.  In  view  of  the  perfectly  stable  baselines  in  the  SEC 

chromatograms and the  fully separated peaks of  the PA6 polymer and the CL monomer 

we believe that the determined CL conversions are reliable. From the obtained results it is 

observed that after 2.5 hours the CL conversion already reached ca. 90%.  

Figure 2.4 demonstrates that Mn keeps increasing when the CL conversion almost remains 

constant  after  90%  conversion.  This  is  because  in  the  first  stages  of  hydrolytic  CL 

polymerization  ring opening and polyaddition  reactions are  taking place simultaneously, 

whereas during the  last 3 hours the polycondensation reaction  is dominant,  leading to a 

dramatic increase in Mn.  Residual monomer and cyclic dimers and oligomers (<10 %) were 

subsequently removed by extraction with water.  The theoretical Mn for this PA6 which is 

prepared by 6 wt% p‐XDA  addition  can be  calculated by using  the Carother’s  equation 

(Xn=(1+r)/(1+r‐2rp) where Xn is the degree of polymerization, r is the ratio of the reactants 

and p  is the conversion). From this equation Mn  is calculated as 1,230 g/mol  if p=0.96 as 

found from SEC and calculated as 2,420 g/mol if p=1.0 which is closer to the real case.  

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Mn (

g/m

ol)

CL conversion 

Figure 2.4 Mn (SEC) vs. conversion of the amine end‐capped PA6 containing 6 wt% p‐XDA 

(PA6C in Table 2.1). 

Page 41: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 2

28  

Titration results proved that with the addition of 3‐8 wt% p‐XDA almost all the polyamide 

end  groups were  amine  groups  (Table  2.1).  The  percentage  of  the  carboxylic  acid  end 

groups with respect to the total number of end groups decreased from 4 to 1% as the p‐

XDA composition was increased from 3 to 8 wt%. It was also not possible to see any peaks 

in  the  NMR  spectrum  related  to  carboxylic  acid  end  groups  as  their  concentration  is 

negligible (Figure 2.5). An increase of the p‐XDA amount with a constant amount of water 

resulted  in an  increase of the amine end group concentration with respect to carboxylic 

acid end groups, and resulted in a decrease of the molecular weight of the polymer. When 

the p‐XDA concentration was kept the same but when no water was added during one of 

the polymerizations, very high concentrations of amine end groups were detected. This is 

due to the elimination of water  initiation. In this case, only p‐XDA acts as an  initiator for 

the  ring  opening  polymerization  of  CL which  results  in  a  higher  amount  of  amine  end 

groups than in the case of the previous reaction where water was also used.         

Table  2.1  Chemical  compositions  of  the  reactants  used  and  PA6  molecular  weights 

according to titration, SEC and NMR. 

PA6 

code 

Water 

(wt%)* 

p‐XDA 

(wt%)* 

COOH 

(meq/kg) 

NH2 

(meq/kg) 

Mn 

(Titration) 

(g/mol) 

Mn 

(NMR) 

(g/mol) 

Mn 

(SEC) 

(g/mol) 

PA6A  3  0 94 95 10,500 ‐ 20,300 

PA6B  3  3 18 467 4,100 3,800  9,800 

PA6C  3  6 22 787 2,500 2,550  6,800 

PA6D  3  8 17 977 2,000 2,250  5,300 

PA6E  0  8 15 1,622 1,200 1,300  3,400 

*Based on CL weight. 

Full characterization of the synthesized diamine end‐capped PA6 polymers is presented in 

Table 2.1 and Table 2.2. From the obtained results  it  is visible that the SEC Mn values of 

the PA6 samples are roughly a factor 2.5 higher than the corresponding values obtained 

from  the  titration  data.  This  difference  is  related  to  the  differences  in  hydrodynamic 

Page 42: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 2

29  

volumes  of  the  synthesized  PA6  and  the  PMMA  standards  used  during  the  SEC 

measurements. Molecular  weights  were  also  calculated  from  the  analysis  of  the  end 

groups in NMR spectra. The 1H NMR spectrum of a PA6 sample which was prepared with 3 

wt% water and 6 wt% p‐XDA addition (PA6C) is shown in Figure 2.5. All the protons of the 

molecular structure were assigned with the corresponding letters as shown. From the 1H 

NMR  spectra one can observe only  trace amounts of unreacted CL  left after extraction. 

The methylene  group which  is  connected  to  the  amine  end  group  results  in  a  triplet 

around 2.65 ppm, whereas the methylene group in the repeating unit gives a quadruplet 

around 3.15 ppm. From the integral values of these two peaks, which are assigned as (E) 

and  (E’)  respectively,  it was possible  to calculate  the molecular weights of  the different 

PA6 samples. Mn values calculated from 1H NMR were close to Mn values obtained from 

the titration data (See Table 2.1), confirming the overestimation of the Mn values by SEC. 

 

Figure 2.5 1H NMR spectrum of amine end‐capped PA6 containing 6 wt% p‐XDA  (PA6C). 

The spectrum was recorded in a TFE/CDCl3 mixture. 

 

Thermal properties of  the PA6 polymers which were determined by DSC measurements 

are  collected  in Table 2.2.  It  is obvious  that  there  is a  correlation between  the melting 

temperature s and the Mn of the synthesized PA6 polymers. With a decrease in molecular 

ppm (t1) 1.502.002.503.00

22

.51

11

.33

9.7

7

0.3

8

0.3

8

0.4

1

10

.98

1.0

0

A

A'CL CLCL

B C

E'

DE

n m

NH

NH2

O

E'A'

B'

C'

D'HN

H2N

OE

D

C

B

ANH

O HN

O

E' A'C'

B'D'DB

ECA

Page 43: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 2

30  

weight, a significant decrease  in melting temperature  is observed, as expected. A similar 

behavior  is observed for the crystallization temperatures. The enthalpy of melting values 

(∆Hm1)  during  the  1st  cycle  show  an  increasing  trend.  This might  be  because  of  crystal 

perfectioning  due  to  decreasing  molecular  weight.  Once  the  sample  is  cooled  and 

reheated, ∆Hm2 values show a decreasing trend with decreasing Mn, similar to a decrease 

in melting temperatures. Glass transition temperatures (Tg) were not detectable from the 

measured DSC  samples  since  the observation of  the Tg of  the polyamides  is difficult by 

using conventional DSC techniques. 

 

Table 2.2 Thermal properties of PA6 polymers determined by DSC.     

PA6  

Mn 

Titration 

(g/mol) 

Tm1 

(°C) 

∆Hm1 

(J/g) 

      Tc 

 (°C) 

∆Hc

(J/g) 

Tm2  

(°C) 

 ∆Hm2  

     (J/g) 

PA6A  10,500  222.0  70.6  185.0  74.3  220.8  82.8 

PA6B  4,100  215.8  75.5  180.7  71.7  214.2  64.0 

PA6C  2,500  208.7  87.5  175.7  73.5  206.4  68.9 

PA6D  2,000  204.3  86.3  173.7  74.3  204.0  67.6 

PA6E  1,200  180.2  122.6  137.3  52.2  173.9  51.7 

 

2.3.2 Hydroxyl and diisocyanate end‐capped polypropylene adipate 

For the synthesis of hydroxyl end‐capped oligoester, dimethyl adipate (DMA) was reacted 

with an excess of 1,3‐propane diol (PD) at 180 °C (Figure 2.6). Tin(IV)butoxide (TBO)  is a 

well‐known catalyst for methyl ester and diol reactions.21, 22 Reaction details are shown in 

Table 2.3. During the synthesis of the first polypropylene adipate (PPA1) a molar ratio of 

1.6 was used for PD/DMA and reaction was allowed to proceed for 3 hours. The number 

average molecular weight was calculated as 1,400 g/mol from NMR and 3,100 g/mol from 

SEC.  SEC  was  performed  using  polystyrene  standards  and  due  to  the  differences  in 

hydrodynamic volumes the Mn calculated by SEC was an overestimation. When the molar 

ratio  of  PD/DMA  was  increased  to  1.8  and  the  reaction  time  was  kept  the  same,  a 

Page 44: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 2

31  

decrease in molecular weight was observed both by SEC and NMR (PPA2). For the 3rd run 

the same reaction conditions were used except that the reaction time was slightly shorter. 

This resulted in a further decrease in Mn as expected (PPA3).  

Figure  2.6  Reaction  scheme  of  the  synthesis  of  hydroxyl  end‐capped  polypropylene 

adipates.  

Table 2.3 Feed  compositions,  reaction  temperature,  reaction  time and number average 

molecular weights of the polypropylene adipate polymers as determined by SEC and NMR. 

 

 

 

 

 

 

1H NMR was performed on samples taken during the reaction of PPA3. From the spectrum 

in Figure 2.7 it is clear that after 1 hour, the reaction medium is a mixture of PD, DMA and 

PPA. However at the end of the reaction  (2.5 hours) the methyl ester (‐CH3) peak of the 

DMA, which appears at 3.609 ppm, was  totally disappeared, meaning  that all  the DMA 

was consumed and converted into PPA together with PD. Excess of PD is also seen in the 

spectra  taken  after  1  and  2.5  hours  around  3.7  ppm which  could  be  totally  removed 

together with  the  catalyst  upon  purification  and  totally  hydroxyl  end‐capped  PPA was 

obtained. 

PPA  PD/DMA T 

(°C) 

Time 

(h) 

Mn (SEC) 

(g/mol) 

Mn (NMR) 

(g/mol) 

PPA1 1.6 180 3.0 3,100 1,400 

PPA2 1.8 180 3.0 2,600 1,100 

PPA3 1.8 180 2.5 2,200 900 

Page 45: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 2

32  

 

Figure 2.7 1H NMR spectra of samples during the PPA synthesis after reaction times of 1 

and 2.5 hours.  

All  the  synthesized PPA polymers were very  soft and  sticky, which made  their handling 

very difficult. The second step before the solution mixing with PA6  involved diisocyanate 

end‐capping of the oligoesters. For this purpose PPA3 was chosen, exhibiting the  lowest 

molecular weight.  However,  even  after  end  capping  resulting  polymer was  still  sticky. 

Therefore  free‐flowing,  non‐sticky  PCL was  used  instead  of  PPA.  In  the  following  parts 

diisocyanate end‐capping of PCL followed by the synthesis of PCL‐b‐PA6 copolymers and 

their characterization will be explained. 

2.3.3 Diisocyanate end‐capped PCL (TPCL) 

For  the  synthesis  of  α,γ-diisocyanate  terminated  PCL,  PCL  prepolymers with molecular 

weights of 530 g/mol and 1,250 g/mol were used as well as TDI as the end capper. TDI was 

chosen  for  end‐capping  because  of  the  highly  unequal  reactivity  of  its  two  isocyanate 

groups.23 This difference  in  reactivity of  the  isocyanate groups  together with  the highly 

excess amounts of TDI should limit the amount of chain extension. During the end‐capping 

due to the low Tg of the low molecular weight TDI end‐capped PCL (TPCL), the purification 

ppm (t1) 1.502.002.503.003.504.00

c

b

b'

d

a''aa'

PD

PD3.6003.6103.6203.630

3.63

3

3.61

8

3.60

3

1 hr

2.5 hr

3.6003.6103.6203.630

3.63

3

3.61

8

3.60

9

3.60

3 OO

O

O

OHHO

n

a

bc

d

c

d a

a'a''

b'

Page 46: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 2

33  

by precipitation of the polymer was rather difficult. However, when PCL with a molecular 

weight of 1,250 g/mol was used it was possible to obtain a totally solid and purified TPCL. 

Figure  2.8  shows  the  1H  NMR  spectra  of  PCL  before  and  after  TDI  end‐capping  with 

structural assignments. All PCL and TPCL peaks were assigned as the methylene groups in 

the repeating unit. The TDI spectrum was also shown for clarity. For a completely TDI end‐

capped PCL, the signal for the protons of the methylene group  (a’), that  is connected to 

the  hydroxyl  end  groups,  should  disappear  and  form  a  new  signal.  This  indeed  was 

observed  in  the  1H NMR  spectrum of  the purified polymer after end‐capping. This peak 

shifted from 3.63 ppm to 4.14 ppm, and was assigned as (a”). This is strong evidence for 

TDI end‐capping of all hydroxyl end groups of the PCL polymer. It is also observed that the 

signals for the phenyl protons of TDI entirely shift to lower field between 7.0‐7.1 ppm as 

the isocyanate end groups react with the hydroxyl end groups of the PCL. From this, it can 

also be concluded that all the excess TDI was successfully removed from the product after 

purification.  

 

 

Figure 2.8 1H NMR spectra and structural assignments of TDI, PCL and TPCL as recorded in 

CDCl3. 

e

a

f a'

l

km n

4.2

29

3.6

943

.630

cd

a''

b

TDI

PCL

TPCL

ppm (t1) 1.02.03.04.05.06.07.0

4.2

174

.139

3.6

79

NCOOCNk

lm

n CH3

OO

OO

O

O O

a d b

cc e

f a''n

HN

HN

O On

OCN

H3C

NCO

CH3

HO

OO

OO

H

O O

a d b

cb e

f a'n n

Page 47: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 2

34  

Isocyanate end group titration was performed to calculate the absolute molecular weight 

of the TPCL. If the PCL  is only end‐capped with 2 TDI units (MW2TDI≈350 g/mol) and  if no 

chain extension has occurred, the total Mn after end‐capping should be 1,250+350=1,600 

g/mol. However, the molecular weight calculated from the titration data results in an Mn 

of 1,850 g/mol, which points to a minor amount of chain‐extension. Number average and 

weight average molecular weights of TPCL were also measured by SEC and were found to 

be Mn =3,500 g/mol, Mw=5,200 g/mol,  respectively, where PS was used as  the standard 

and THF was used as the eluent. For low molecular weight PCL, SEC determined values are 

overestimated with a factor of almost 2 if PS standards are used.24 

2.3.4 Multiblock copolymers of PA6C and TPCL 

Preparation  of  multiblock  copolymers  was  done  by  using  PA6C  (Mn  =2,500  g/mol 

calculated from titration results) and TPCL (Mn =1,850 g/mol calculated from titration). As 

explained  in  the experimental part,  the procedure started with solution mixing at  room 

temperature  (RT)  and  then  continued  with  heating  up  the  polymer  gradually  after 

complete removal of the solvent. Solution mixing in an argon atmosphere and removal of 

solvent under reduced pressure were all done at RT. The temperature was not increased 

before complete removal of HFIP since HFIP and isocyanate groups are highly reactive at 

elevated  temperatures.  It was observed  that TDI and HFIP already  react  to a  full extent 

only after 1.5 hours at 65 °C, however almost no reaction was observed after 24 hours at 

RT.     

Table  2.4  shows  the  changes  in  the  molecular  weight  during  solution  mixing  and 

subsequent heating  in the solid state according to SEC analysis. The results demonstrate 

that  average molecular weights  had  increased with  respect  to  the  initial Mn  values  of 

separate building blocks, being 2,500 and 1,850 g/mol,  for PA6C and TPCL,  respectively, 

even after 1 hr of mixing at room temperature in HFIP. At the end of the solution mixing 

the  desired molecular  weights  were  obtained  (PEA‐ASM‐Polyesteramide  after  solution 

mixing). 

Page 48: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 2

35  

Table 2.4 Molecular weight and polydispersity data of  the  fractions obtained during  the 

synthesis of multiblock copolymers of fully amine‐terminated PA6C and fully  isocyanate‐

terminated TPCL as obtained by SEC. 

Sample Mn (SEC)

(g/mol) 

Mw (SEC)

(g/mol)  PDI  

Solution mixing‐1 hr     9,600 15,300 1.6 

Solution mixing‐2 hr      10,300 19,400 1.9 

Solution mixing‐3 hr 11,200 21,300 1.9 

Solution mixing‐4 hr 12,600 23,800 1.9 

Solution mixing‐20 hr* 22,500 54,300 2.4 

SSP‐ 40 °C 23,000 54,700 2.4 

SSP‐ 60 °C 22,000 60,000 2.7 

SSP‐ 80 °C 24,350 66,200 2.7 

SSP‐ 100 °C 23,700 59,000 2.5 

SSP‐ 120 °C 22,500 57,350 2.5 

SSP‐ 160 °C 15,700 68,500 4.4 

* = end of solution mixing (PEA‐ASM=Polyesteramide after solution mixing); RT=room temperature; SSP=solid‐state polymerization  

Figure  2.9  shows  the disappearance of  the  TPCL  and  PA6C peaks  after  solution mixing 

during which a higher molecular weight polymer was  formed at a  lower  retention  time. 

Realizing  that the Mn data obtained  from SEC are roughly overestimated by a  factor 2.5 

(see earlier), and given the  fact that the average Mn  from titration or NMR of the  initial 

building blocks is ca. 2,200 g/mol (ca. (2,500 + 1,850)/2), we can conclude that multiblock 

copolymers were formed at the end of the solution mixing process. From the SEC curves it 

can be observed that after solution mixing all the TPCL was consumed and that the PA6C 

peak had shifted to lower retention times. However, PDI also increased significantly above 

2 which may be a result of some branching during multiblock copolymer formation.  It  is 

also seen that Mn does not change a lot during the heating process up to 120 °C, whereas 

Page 49: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 2

36  

an  increase  in  Mw  is  observed.  This  means  that  heating  is  not  necessary  for  these 

reactions, since  incorporation of TPCL  into PA6C already  takes place at RT  resulting  in a 

system  with  a  sufficiently  high Mn. When  the  heating  is  continued  up  to  160  °C Mn 

decreased while Mw  increased,  resulting  in an  increase  in polydispersity. Most  likely, as 

the heating was continued at high temperatures the formation of biuret and allophanate 

groups via reactions of free  isocyanate with urea‐urethane  linkages resulted  in extensive 

branching,  and  cross‐linking. Moreover,  thermal degradation  resulting  in  low molecular 

weight  molecules,  thereby  lowering  Mn,  can  also  not  be  excluded.  The  mentioned 

branching reactions are highly favorable above 100 °C after sufficient reaction times, and 

may  even  result  in  an  insoluble  product  which  is  removed  by  filtration  before  SEC 

analysis.25, 26 

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

N

orm

aliz

ed R

I S

EC

sig

nal

SSP-160 C

SSP-140 C

SSP-100 C

PA6C

TPCL

Elution time (min)

End of solution mixing

SSP-60 C

 

Figure 2.9 SEC chromatograms recorded during the multiblock formation. 

Infrared spectra of PEA‐ASM (polyesteramide after solution mixing) and TPCL are shown in 

Figure 2.10.  In  the case of  the PEA‐ASM spectrum,  the N‐H stretching vibration band at 

3292  cm‐1 and  the amide  I  (C=O  stretch) and amide  II  (C‐N  stretch and C(O)‐N‐H bend) 

bands, which are observed in the range of 1650‐1540 cm‐1, can be assigned to PA6C blocks 

whereas the ester carbonyl band (OC=O stretch) at 1724 cm‐1 corresponds to TPCL blocks. 

The ‐CH2‐ stretching band is seen between 2934‐2853 cm‐1 for both PA6C and TPCL blocks. 

The disappearance of  the peak  around  2270  cm‐1, which  represents  the  absorbance of 

Page 50: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 2

37  

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Abs

orba

nce

Wavenumber (cm-1)

TPCL

PEA-ASM

N-H CH2

NCO

OC=O

Amide

I&II

isocyanate  groups,  proves  the  complete  reaction  between  the  two  polymer  building 

blocks. 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  2.10  FTIR  spectra  of  diisocyanate  terminated  polycaprolactone  (TPCL)  and 

polyesteramide  copolymer  after  solution mixing  (PEA‐ASM)  after  20  hours  of  solution 

mixing. 

 

Figure  2.11  1H  NMR  spectrum  and  structural  assignments  of  the  polyesteramide 

copolymer after solution mixing (PEA‐ASM) as recorded in TFE:CDCl3 mixture. 

ppm (t1) 1.502.002.503.00

E

b

A

D+B+C+c+d

OO N

H

O O

NH

NH

HN

OCH3

Omna

c

d

c

b

E

D

C

B

A

Page 51: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 2

38  

The  1H  NMR  spectrum  of  the  PEA‐ASM  presents  the  characteristic  peaks  from  the 

repeating units of both components. The methylene groups of the TPCL and PA6C chains 

are  identified as shown  in Figure 2.11. From the disappearance of the peak around 2.65 

ppm, which corresponds to the –CH2 connected to the end groups of PA6C, (Figure 2.5), it 

can be concluded that all the end groups reacted with the  isocyanate end groups of the 

TPCL.  

The thermal stability of the synthesized multiblock copolymer was analyzed by performing 

TGA measurements. The results were compared with  the neat polymers  that were used 

for the reaction. The first steps of thermal decomposition described as 5% weight loss for 

PCL, TPCL, PA6C and PEA‐ASM were found at 272 °C, 254 °C, 334 °C, 282 °C, respectively 

(Table 2.5). The thermal stability of the PEA‐ASM copolymer is lower than the stability of 

PA6C  polymer,  however  still  sufficient  for  melt  processing.  DSC  analysis  allows  a 

comparison  between  the  melting  temperatures  of  the  TPCL,  PA6C  and  PEA‐ASM 

copolymer. Before the copolymerization, the Tm of TPCL is 43.6 °C, whereas the Tm of PA6C 

is 206.4 °C. After solution mixing, the PEA‐ASM sample clearly shows two separate melting 

temperatures, where 36.6 °C represents the TPCL melting temperature  and 199.3 °C the 

Tm of PA6. Two separate crystallization temperatures are observed as well, viz. ‐7.6 °C and 

156.3 °C for TPCL and PA6C, respectively.  

Table  2.5  Thermal  properties  of  starting  components  (TPCL,  PA6C)  and  the multiblock 

copolymer (PEA‐ASM) determined by DSC.   

 

  T5%wt loss 

     (°C) 

Tm1 

(°C) 

∆Hm1  

(J/g) 

Tc 

(°C) 

∆Hc 

(J/g) 

Tm2 

(°C) 

∆Hm2 

(J/g) 

TPCL  254  –  –  –  –  43.6  68.1 

PA6C  334  208.7  87.5  175.7  73.5  206.4  68.9 

PEA‐ASM  282  201.6  28.6 ‐7.6 

156.3 

8.4 

21.5 

36.6 

199.3 

11.5 

35.4 

  

Page 52: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 2

39  

In combination with the earlier described molecular weight increase after solution mixing 

of  isocyanate‐terminated  PCL  and  amine‐terminated  PA6  this  observation  points  to  a 

block copolymer  formation without destroying the crystallinity of PA6  (Figure 2.12). The 

melting temperatures after copolymerization do not change significantly when compared 

to  the data of pure  TPCL  and  PA6C blocks. However,  as  shown  in  Table  2.5,  a distinct 

decrease  in melting and crystallization enthalpies  is observed which might be a result of 

the  reduction of  the  lamellar  thickness due  to  the chemical  linkage  to another polymer 

block.  

-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Temperature (C)

H

eat f

low

(W

/g)

End

o do

wn

156.3°C

-7.6°C

36.6°C 199.3°C

206.4°C

TPCL

PA6C

PEA-ASM

heating

cooling

43.6°C

 

Figure 2.12 DSC heating scans of TPCL and PA6C, and heating and cooling scans of PEA‐

ASM polymer. 

2.3.5 Hydrolytic and enzymatic degradation of PEA‐ASM 

Degradation studies were carried out with and without enzyme on PEA‐ASM samples. The 

degradability  of  a  commercial  PA6  (Mn=31  kg/mol)  was  also  analyzed  as  a  reference. 

However,  it was not possible  to analyze  the  initial PA6C and TPCL building blocks which 

were used  for  the preparation of PEA‐ASM  copolymers,  since  stable  films  could not be 

prepared.  Lipase  from  Aspergillus  niger  was  used  as  the  enzyme  and  all  degradation 

Page 53: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 2

40  

studies were done at 25 °C which is relatively close to natural conditions, for a period of 8 

weeks. The remaining weight of the films as a function of degradation time is presented in 

Figure 2.13. From the obtained results  it  is visible that PA6  is totally non‐degradable, as 

expected, while PEA‐ASM films are degradable both enzymatically and hydrolytically.   

0 10 20 30 40 50 6075

80

85

90

95

100

Enzymatic degradation of PA 6 Hydrolytic degradation of PEA-ASM Enzymatic degradation of PEA-ASMR

emai

ning

wei

ght (

%)

Degradation time (days) 

Figure  2.13  Remaining  weight  (%)  vs.  time  of  degradation  during  (♦)  enzymatic 

degradation  of  PEA‐ASM,  (●)  hydrolytic  degradation  of  PEA‐ASM,  (▲)  enzymatic 

degradation of PA6.  

Almost 12 wt%  loss was observed after 8 weeks of  incubation  in case of  the enzymatic 

degradation  of  PEA‐ASM  films.  Since  degradation  mainly  occurs  as  a  surface  erosion 

process12, 27and  it  is difficult to reach the PCL chain parts buried  inside the  film,  it  is not 

possible  to degrade  the PCL  content entirely within 8 weeks. Another  constraint  is  the 

crystallinity of the PCL chains which makes it less sensitive for a rapid degradation.28, 29 It is 

also interesting to observe that the non‐enzymatic degradation occurs up to almost 7 wt% 

in  8 weeks.  PCL  degradation  is  known  to  be  very  slow  under  hydrolytic  conditions.1,  30 

However, abiotic degradation of PCL can be enhanced due to  increased hydrophilicity by 

the presence of the amide groups in the copolymer.12, 31, 32 SEC analysis of the remaining 

films after degradation showed a minor decrease in molecular weights (Table 2.6). This is 

Page 54: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 2

41  

an expected result for surface erosion where a significant  loss  in molecular weight  is not 

observed for short degradation times.27, 33 As stated by Hakkarainen33, these results agree 

with the general observation that enzymatic degradation of PCL proceeds by rapid weight 

loss with minor  reduction  in molecular weight. On  the  contrary, hydrolytic degradation 

proceeds by a reduction in molecular weight combined with minor weight loss.  

Table  2.6  SEC  data  of  PEA‐ASM  films  before  degradation  and  after  4  and  8 weeks  of 

enzymatic  and  hydrolytic  degradation.  (E=enzymatic,  H=hydrolytic)  (HFIP  was  used  as 

eluent.) 

Degradation 

time (weeks) Deg. 

Mn 

(g/mol) 

Mw 

(g/mol) PDI 

0  ‐  22,500  54,300  2.4 

4  E  21,800  51,300  2.3 

8  E  20,200  54,800  2.7 

4  H  20,800  52,400  2.5 

8  H  19,500  60,000  2.9 

 

Degradation can be easily visualized by SEM pictures (Figure 2.14). PEA‐ASM film before 

degradation has  a  rather  smooth  surface  exhibiting  some holes because of  the  solvent 

evaporation.  Erosion  on  the  surface  is  clearly  visible  after  4  weeks  of  enzymatic 

degradation. After 8 weeks  the depth of  the holes  and  the  irregularities  at  the  surface 

have  increased  significantly.    The  difference  between  the  PA6  film  and  the multiblock 

copolymer [PA6‐b‐PCL]n (PEA‐ASM) films is very obvious after the same degradation time, 

showing the higher stability of PA6 while PEA‐ASM is being degraded.  

 

Page 55: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 2

42  

 

Figure  2.14  Scanning  electron micrographs  of  the  polymer  films:  (A)  PEA‐ASM  before 

degradation,  (B) PEA‐ASM after 4 weeks of enzymatic degradation,  (C) PEA‐ASM after 8 

weeks  of  enzymatic  degradation,  (D)  Commercial  PA  6  after  8  weeks  of  enzymatic 

degradation. 

2.4 Conclusions 

Amine terminated low molecular weight PA6 polymers were successfully prepared by ring 

opening and polycondensation polymerization of ‐caprolactam with  the addition of 3‐8 

wt% p‐XDA and water as initiator. Molecular weights and melting temperatures decreased 

with  the  increase of p‐XDA  content  in  the PA6 polymers.   Diisocyanate  terminated PCL 

oligomer  was  also  synthesized  and  characterized  with  1H  NMR.    Reaction  of  both 

components  in  solution  demonstrated  the multiblock  copolymer  formation  as  desired, 

which was proven by molecular characterization and DSC analysis. Biodegradation studies 

showed  the enhanced degradability of PA6‐based  films after block copolymer  formation 

with  the  ester  groups  being  cleaved  by  hydrolytic  and  enzymatic  degradation.  After  8 

weeks of enzymatic degradation a weight loss of 12% loss was achieved. It was shown that 

Page 56: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 2

43  

by applying  this stepwise synthetic route the crystalline structure of  the PA6 blocks and 

their relatively high Tm are retained, which renders novel materials with properties close 

to  those  of  PA6, while  the  biodegradability  is  enhanced  by  the  PCL  incorporation.  The 

combination of PA6‐like thermal and crystalline properties with biodegradability is a clear 

advantage  with  respect  to  earlier  described  random  polyesteramides  prepared  from 

caprolactam and caprolactone.  

 

 

References 

1. Gan, Z. H.; Liang, Q. Z.; Zhang, J.; Jing, X. B. Polym. Degrad. Stab. 1997, 56, (2),  209‐213. 

2. Ikada, Y.; Tsuji, H. Macromol. Rapid Commun. 2000, 21, (3), 117‐132. 

3. Tokiwa, Y.; Ando, T.; Suzuki, T. J. Ferment. Tech. 1976, 54, (8), 603‐608. 

4. Bernaskova, A.; Chromcova, D.; Brozek, J.; Roda, J. Polymer 2004, 45, (7), 2141‐2148. 

5. Chromcova, D.; Bernaskova, A.; Brozek, J.; Prokopova, I.; Roda, J.; Nahlik, J.; Sasek, V. Polym. Degrad. 

Stab. 2005, 90, (3), 546‐554. 

6. Deshayes,  G.;  Delcourt,  C.;  Verbruggen,  I.;  Trouillet‐Fonti,  L.;  Touraud,  F.;  Fleury,  E.;  Degee,  P.; 

Destarac, M.; Willem, R.; Dubois, P. React. Funct. Polym. 2008, 68, (9), 1392‐1407. 

7. Deshayes,  G.;  Delcourt,  C.;  Verbruggen,  I.;  Trouillet‐Fonti,  L.;  Touraud,  F.;  Fleury,  E.;  Degee,  P.; 

Destarac, M.; Willem, R.; Dubois, P. Macromol. Chem. and Phys. 2009, 210, (12), 1033‐1043. 

8. Ellis, T. S. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 1993, 31, (9), 1109‐1125. 

9. Gonsalves, K. E.; Chen, X.; Cameron, J. A. Macromolecules 1992, 25, (12), 3309‐3312. 

10. Goodman, I.; Vachon, R. N. Eur. Polym. J. 1984, 20, (6), 539‐547. 

11. Iwamoto, A.; Tokiwa, Y. Polym. Degrad. Stab. 1994, 45, (2), 205‐213. 

12. Stapert, H. R. Environmentally Degradable Polyesters, Poly(ester‐amide)s and Poly(ester‐urethane)s. 

PhD Thesis, Universiteit Twente, 1998. 

13. Tokiwa, Y.; Suzuki, T.; Ando, T. J. Appl. Polym. Sci. 1979, 24, (7), 1701‐1711. 

14. Toncheva, N. V.; Mateva, R. P. Adv. Polym. Tech. 2007, 26, (2), 121‐131. 

15. Michell, R. M.; Muller, A. J.; Castelletto, V.; Hamley, I.; Deshayes, G.; Dubois, P. Macromolecules 2009, 

42, (17), 6671‐6681. 

16. Sasek, V.; Vitasek, J.; Chromcova, D.; Prokopova, I.; Brozek, J.; Nahlik, J. Folia Microbiologica 2006, 51, 

(5), 425‐430. 

17. Jansen, M. A. G.; Wu, L. H.; Goossens, J. G. P.; De Wit, G.; Bailly, C.; Koning, C. E.; Portale, G. J. Polym. 

Sci., Part A: Polym. Chem. 2008, 46, (4), 1203‐1217. 

18. Vouyiouka, S. N.; Karakatsani, E. K.; Papaspyrides, C. D. Prog. Polym. Sci. 2005, 30, (1), 10‐37. 

19. D'hollander, S.; Van Assche, G.; Van Mele, B.; Du Prez, F. Polymer 2009, 50, (19), 4447‐4454. 

20. Lee, H. Y.; Jeong, H. M.; Lee, J. S.; Kim, B. K. Polym. J. 2000, 32, (1), 23‐28. 

21. Kricheldorf, H. R.; Behnken, G.; Schwarz, G. Polymer 2005, 46, (25), 11219‐11224. 

22. Montaudo, G.; Rizzarelli, P. Polym. Degrad. Stab. 2000, 70, (2), 305‐314. 

23. Odian, G., Principles of Polymerization. 4 ed.; McGraw Hill: New York, 1970. 

24. Kricheldorf, H. R.; Eggerstedt, S. Macromol. Chem. Phys. 1998, 199, (2), 283‐290. 

25. Dusek, K.; Spirkova, M.; Havlicek, I. Macromolecules 1990, 23, (6), 1774‐1781. 

Page 57: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 2

44  

26. Lapprand, A.; Boisson, F.; Delolme, F.; Mechin, F.; Pascault,  J. P. Polym. Degrad. Stab. 2005, 90,  (2), 

363‐373. 

27. Bikiaris, D. N.; Papageorgiou, G. Z.; Achilias, D. S. Polym. Degrad. Stab. 2006, 91, (1), 31‐43. 

28. Albertsson, A. C.; Varma, I. K. 2002, 157, 1‐40. 

29. Mochizuki, M.; Hirano, M.; Kanmuri, Y.; Kudo, K.; Tokiwa, Y. J. Appl. Polym. Sci. 1995, 55, (2), 289‐296. 

30. Eldsater, C.; Erlandsson, B.; Renstad, R.; Albertsson, A. C.; Karlsson, S. Polymer 2000, 41,  (4), 1297‐

1304. 

31. He, Y.; Liu, X. B.; Luo, D. W.; Chen, W. J. J. Appl. Polym. Sci. 2008, 108, (3), 1689‐1695. 

32. Papadimitriou, S.; Bikiaris, D. N.; Chrissafis, K.; Paraskevopoulos, K. M.; Mourtas, S. J. Polym. Sci., Part 

A: Polym. Chem. 2007, 45, (22), 5076‐5090. 

33. Hakkarainen, M. Degradable Aliphatic Polyesters 2002, 157, 113‐138. 

 

  

 

 

 

Page 58: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

45  

CHAPTER 3                                         MULTIBLOCK COPOLYMERS OF 

POLYAMIDE 6 AND DIEPOXY PROPYLENE ADIPATE OBTAINED BY SOLUTION AND SOLID STATE POLYMERIZATION  

Summary  Polyamide  6‐diepoxy  propylene  adipate  multiblock  copolymers  were 

synthesized by solution and solid‐state polymerization by using carboxyl‐terminated PA6 

and  epoxide‐terminated  oligoester.  The  structure  and  thermal  properties  of  the 

copolymers were analyzed by SEC, NMR and DSC. DSC data, together with an increase in 

molecular weight pointed  to  a multiblock  structure with  an  almost maintained melting 

temperature of PA6. However, the presence of side reactions restricted the formation of 

high molecular weight products. 

O O

Oligoester

+

HOOC COOH

Polyamide 6

C

O

O CH2 CH

OH

CH2 O C

O

Page 59: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 3

46  

3.1 Introduction

Polyamide  6  (PA6)  is  an  important  engineering  plastic  and  as  such  mainly  used  for 

automotive,  electrical  and  packaging  applications.  However  it  is  not  susceptible  to 

degradation  like  some  other  industrial  plastics.  It  would  be  desirable  for  PA6  to  be 

environmentally biodegradable, especially for the packaging applications.  

It was well  described  in  the  previous  chapter  that  the  biodegradation  of  PA6  can  be 

enhanced  by  the  incorporation  of  hydrolyzable  ester  groups  into  the  PA6  backbone. 

However,  if this  is done via melt polymerization random copolymers are obtained which 

result in the deterioration of the crystallization behavior of the PA6. This finally negatively 

affects  the good mechanical and physical properties of PA6 which  is not desired  for  the 

applications.   

It was  shown  in  Chapter  2  that  the  incorporation  of  degradable  ester  groups  into  the 

amorphous part of a relatively low molecular weight PA6 below the melting temperature 

of the PA6 crystals  is possible without a significant deterioration of the crystalline region 

of the PA6. For this purpose, highly reactive isocyanate and amine end groups present at 

the  chain  ends of polyesters  and polyamides,  respectively, were used  so  that  PA6  and 

polyester  blocks  can be  coupled  already  at  room  temperature  in  solution.  In  this way, 

multiblock  copolymers  were  obtained  for  which  the  high  melting  temperature  and 

crystallinity of the PA6 blocks can still be maintained.  

The  same  approach  can  be  used  by making  use  of  epoxide‐carboxyl  reactions.  These 

reactions are widely used to produce crosslinked coatings  from epoxy resins.1‐7  It  is also 

possible  to  synthesize  linear  polymers  in  bulk  without  crosslinking  if  moderate 

temperatures and proper reaction times are used.8‐17 In this study we used a similar step‐

wise  approach  as  used  in  Chapter  2 where  the  functional  end  groups were  changed. 

Firstly,  a  low  molecular  weight  carboxyl  end‐capped  PA6  was  synthesized  and  a 

degradable oligoester with epoxide end groups was obtained from the Biocatalysis Group 

of M. Martinelle  at  the  Royal  Institute  of  Technology  at  Stockholm.  Both  components 

Page 60: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 3

47  

were mixed  in  a  common  solvent  at  room  temperature with  the  addition of  a  tertiary 

amine as a catalyst. After the complete evaporation of the solvent solid state step‐growth 

copolymerization was performed well below the melting temperature of the PA6. Figure 

3.1  shows  the  reaction  scheme.  In  this  way,  multiblock  polyesteramides  could  be 

prepared  where  the  degradability  of  PA6  is  enhanced  by  the  incorporation  of  the 

hydrolyzable  ester  groups.  Molecular  weights  of  the  synthesized  polymers  were 

determined by using SEC, NMR and titration methods. SEC was also used as a useful tool 

to monitor reactions with time. Thermal analysis was performed by using TGA and DSC. 

 

 

Figure  3.1  Schematic  overview  of  the  stepwise  synthesis  of  polyamide  6‐diepoxy 

propylene  adipate  multiblock  copolymers  obtained  by  solution  and  solid‐state 

polymerization. 

 

Page 61: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 3

48  

3.2 Experimental 

3.2.1 Materials 

Dry  ε‐Caprolactam  (CL) was  kindly  provided  by DSM  (Geleen,  The Netherlands). Adipic 

acid  (AA) was  purchased  from  Sigma.  Propanoic  acid  (PPA) was  obtained  from Merck. 

Irganox  1330  was  purchased  from  Ciba  Speciality  Chemicals. Catalysts  4‐

dimethylaminopyridine  (DMAP)  and  triethylamine  (TEA)  were  obtained  from  Aldrich. 

Glycidyl phenyl ether  (GPE) was purchased  from Acros. Poly(propylene glycol) diglycidyl 

ether  (PPGE,  average MW=380  g/mol)  was  obtained  from  Aldrich.  Diepoxy  propylene 

adipate (DEPA, average MW=450 g/mol) was synthesized as described before.18 1,1,3,3,3‐

Hexafluoro‐2‐propanol  (HFIP,  99%,  Biosolve)  and  deuterated  chloroform  (CDCl3,  99.8%, 

Cambridge Isotope Laboratory) were used for NMR measurements. All the chemicals were 

used as received unless stated otherwise. 

3.2.2 Model reactions of glycidyl phenyl ether and propanoic acid 

0.27 g (1.8 mmol) glycidyl phenyl ether (GPE) and 0.54 g (1.8 mmol) propanoic acid (PPA) 

were mixed in a Schlenk reactor under argon atmosphere with 1.4‐5.6 mol% TEA addition 

as catalyst with respect to the total weight. The reaction was conducted at 60‐80 °C and 

samples were analyzed by NMR to follow the conversion with time.  

3.2.3 Synthesis of carboxyl end‐capped polyamide 6 

Carboxylic acid end‐capped PA6 was synthesized in a batch reactor with a capacity of 380 

mL. Temperature and pressure were controlled via a computer. First, 100 g (0.88 mol) ε‐

caprolactam was  charged  to  the  reactor  and heated until  complete melting.  Later,  5  g 

(0.034 mol)  adipic  acid,  1  g  (0.056 mol) water  and  1  g  Irganox  1330 were  added.  The 

polymerizations were carried out at 250 °C at 3 bar for 5 hours under the flow of N2 gas 

and with continuous mechanical stirring. The product was extracted with water at 80 °C 

for 20 hours, filtered under vacuum and dried in an oven at 80 °C for at least 24 hours. The 

product was characterized by using SEC, NMR, DSC and titration analysis. 

Page 62: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 3

49  

3.2.4 Polyamide 6‐poly(propylene glycol) diglycidyl ether model reactions 

3.63  g  (1.58 mmol) dry  carboxyl  end‐capped PA6  (dried under  vacuum  at 80  °C  for 24 

hours) and 0.60 g (1.58 mmol) poly(propylene glycol) diglycidyl ether (PPGE) were put in a 

100 mL  three neck  round bottom  flask under argon atmosphere and dissolved  in 30ml 

HFIP for mixing. Also 0.45‐1.35 wt% DMAP was added as catalyst, the amount calculated 

with  respect  to  the  total  weight  of  PA6  and  PPGE  (see  Table  3.2).  After  complete 

dissolution,  HFIP was  slowly  removed  by  vacuum  distillation  at  RT.  Then,  the  lump  of 

material was taken out of the flask, ground in liquid N2, sieved and reduced pressure was 

applied again at RT for 2 days. As soon as the particles were completely dry, the product 

was placed  in a Schlenk connected to Argon and a solid state reaction was performed  in 

the  temperature  range  70‐120  °C,  which  is  below  the  melting  temperature  of  the 

polyamide. Reaction was  continued overnight.  Polymer  samples were  characterized  via 

SEC, NMR and DSC. 

3.2.5 Polyamide 6‐diepoxy propylene adipate reactions 

Diepoxy propylene adipate (DEPA) was prepared by Eriksson et al. by following a synthetic 

procedure as explained before.18 For the reaction of 0.30 g (0.67 mmol) DEPA with 1.61 g 

(0.70 mmol) PA6 the same synthetic method as explained above for PA6/PPGE was used 

except that the molar ratio of PA6/DEPA was mostly 1.05/1 whereas  in two cases  it was 

1:1. A first set of reactions were performed with the addition of DMAP as catalyst with the 

same concentration as in the case of the PA6/PPGE reactions (0.45‐1.35 wt% with respect 

to  the  total weight of PA6 and DEPA)  (see Table 3.4). The second set of  reactions were 

either performed with the addition of a TEA catalyst (2 and 5 wt% with respect to the total 

weight of PA6 and DEPA) or without. Polymer fractions were characterized via SEC, FTIR 

and DSC. 

 

 

Page 63: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 3

50  

3.2.6 Characterization 

3.2.6.1 Size Exclusion Chromatography (SEC) 

SEC was used to determine molecular weights and molecular weight distributions, Mw/Mn, 

of  the  polymer  samples.  The  system was  equipped with  a Waters  1515  Isocratic HPLC 

pump, a Waters 2707 autosampler, a Waters 2487 dual absorbance UV detector, a Waters 

2414  refractive  index detector  (35  °C) and a PSS PFG guard  column  followed by 2 PFG‐

linear‐XL  (7  µm,  8*300  mm)  columns  in  series.  The  temperature  was  40  °C. 

Hexafluoroisopropanol with  potassium  trifluoroacetate  (3  g/L) was  used  as  eluent  at  a 

flow  rate  of  0.8  mL/min.  Toluene  was  used  as  the  internal  standard.  The  molecular 

weights were  calculated with  respect  to poly(methyl methacrylate)  standards  (Polymer 

Laboratories, Mp = 1020 g/mol up to Mp = 1.9*106 g/mol). 

3.2.6.2 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy  

1H NMR spectra of the polymers were recorded on a Varian 400 MHz spectrometer at 25 

°C. Samples were dissolved in a 1:1 vol:vol CDCl3:TFE mixture. 

3.2.6.3 Differential Scanning Calorimetry (DSC) 

Melting  (Tm)  and  crystallization  temperatures  (Tc)  as  well  as  melting  (∆Hm)  and 

crystallization enthalpies (∆Hc) were measured using a TA Instruments Q100 calorimeter. 

For  all  the measurements,  4‐6 mg  samples  and  a  heating  rate  of  10°C/min were  used 

under N2  atmosphere. DSC measurements were  carried  out  from  ‐80  °C  to  150  °C  for 

oligomers  and  from  ‐80°C  to  240°C  for  the  copolymers.  During  each  measurement 

samples  were  equilibrated  at  ‐80  °C  and  150  or  240  °C  for  5  minutes.    For  the 

determination of both Tm and Tc peak maximums were taken into account. 

 

 

 

Page 64: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 3

51  

3.2.6.4 Thermogravimetric Analysis (TGA) 

Thermogravimetric analyses  (TGA) were performed on a TA  Instruments Q500 TGA  in a 

nitrogen atmosphere. Samples were heated from 30 °C to 600 °C with a heating rate of 10 

°C/min.  

3.2.6.5 Potentiometric titration  

For  the  determination  of  amine  [NH2]  and  carboxylic  acid  [COOH]  end  group 

concentrations, potentiometric titrations were done at room temperature in non‐aqueous 

environment  using  phenolic  solvents.  Both  blank  and  sample  measurements  were 

repeated  at  least  3  times.  Molecular  weights  were  calculated  by  using  the  formula 

2*106/([NH2]+[COOH]), thus assuming the presence of two end groups per chain. 

3.3 Results and Discussion 

Epoxide‐carboxyl  reactions  are  widely  used  to  synthesize  crosslinked  structures  for 

applications  like coatings. However,  it  is also possible  to get  linear polymers  if  the  right 

reaction  conditions  are  used.9‐12,  14  For  this  purpose,  firstly model  bulk  reactions were 

performed  by  using  glycidyl  phenyl  ether  (GPE)  and  propanoic  acid  (PPA)  as  model 

compounds for epoxide‐ and carboxylic acid‐terminated polymers and triethylamine (TEA) 

as  catalyst.  After  finding  the  conditions  rendering  the  highest  conversion  for  these 

reactions, model  reactions with  poly(propylene  glycol)  diglycidyl  ether  (PPGE)  and  PA6 

were  performed,  since  PPGE  is  a  low molecular  weight  diepoxy  compound  similar  to 

diepoxy propylene adipate (DEPA) of which very limited amounts were available. PA6 and 

PPGE were mixed in HFIP and later SSP was performed. Finally, DEPA and PA6 were used 

to make polyesteramide block copolymers. 

3.3.1 Model reactions with glycidyl phenyl ether and propanoic acid 

To find the optimum conditions for carboxyl‐epoxide reactions bulk reactions, of glycidyl 

phenyl  ether  (GPE)  and  propanoic  acid  (PPA)  were  performed  with  the  action  of 

triethylamine  (TEA) as the base catalyst. The chemical structures of the components are 

Page 65: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 3

52  

shown in Figure 3.2 and the proposed mechanism under base catalysis is shown in Figure 

3.3.  

 

Figure  3.2  Reaction  scheme  of  glycidyl  phenyl  ether  and  propanoic  acid  with  TEA  as 

catalyst. 

An anionic mechanism  is  the most probable one  for epoxide‐carboxyl  reactions. Firstly, 

amine  catalyst  takes  one  proton  from  the  carboxyl  group  and  then  the  resulting 

nucleophilic  carboxylate  group  attacks  the  epoxide  ring  resulting  in  the  product  as 

presented in Figure 3.2. Attack to both carbon atoms of the ring is possible although only 

one possibility  is shown here. The type and the concentration of the catalyst control the 

reaction rate. Reactions of GPE and PPA were conducted at 60, 70 and 80 °C with different 

concentrations of TEA. Reactions were  followed by  1H NMR and  the highest  conversion 

was determined for each reaction before the occurrence of any side reactions. 

 

Figure 3.3 Proposed anionic reaction mechanism of epoxide‐carboxyl groups under base 

catalysis. 

A summary of the results of the model reactions is presented in Table 3.1. Bulk reactions 

were performed  at different  temperatures, with different  catalyst  amounts  and mostly 

Page 66: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 3

53  

with a PPA/GPE molar ratio of 1. The conversion was calculated from 1H NMR by putting 

the  integral  areas  of  the  corresponding  peaks  in  the  formula  1‐

((b1+b2+c)/(d+e+f+d’+e’+f’)).  A  typical  1H  NMR  spectrum  before  any  side  reaction  has 

occurred is shown in Figure 3.4. The highest conversion before the side reactions became 

significant  was  calculated  for  each  reaction.  The  most  probable  side  reaction  is  the 

reaction of an unreacted epoxide with the hydroxyl group of the reaction 3 in Figure 3.3, 

which is formed after the epoxide ring opening. 

Table 3.1 GPE and PPA  reactions @ 60, 70 and 80  °C with TEA as  catalyst and highest 

conversions recorded before any side reactions occurred. 

Rxn # PPA/GPE 

(mol/mol) 

TEA 

mol%* 

TEA 

wt%** 

T  

(°C) 

Time 

(h)*** 

Highest 

conversion 

(%)**** 

1  1 1.4 1.25 60 16 54 

2  1 1.4 1.25 70 9 70 

3  1 1.4 1.25 80 5 85 

4  1 2.8 2.5 60 14 77 

5  1 5.6 5.0 60 10 80 

    *With respect to the total amount of moles.      **With respect to the total weight.     ***Time before the side reactions were observed.     ****Data calculated from NMR according to GPE conversion.                                                                         

 

From the results collected in Table 3.1 it can be seen that when the catalyst concentration 

is the same with increasing temperature, the time of reaction before the first side product 

formation can be observed is decreasing and the GPE conversion is increasing. When the 

catalyst  concentration  is  increased  at  the  same  reaction  temperature  (60  °C),  the GPE 

conversion  is  increasing as well and the time of reaction until the first side reactions are 

taking place is decreasing. The highest conversion of 85% was achieved when the reaction 

temperature was 80 °C with 1.4 mol% TEA.  

 

Page 67: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 3

54  

 

Figure 3.4 1H NMR spectrum of a GPE‐PPA reaction (Rxn #3 in Table 3.1) in CDCl3. 

3.3.2 Model reactions with poly(propylene glycol) diglycidyl ether (PPGE) and PA6 

After determining the optimum conditions for the epoxide‐carboxyl reactions in bulk using 

low molecular weight model  compounds, model  reactions with  poly(propylene  glycol) 

diglycidyl  ether  (PPGE)  and  PA6 were  done.  For  this  purpose  initially  a  carboxyl  end‐

capped PA6 was prepared. It was explained in the previous chapter that the addition of a 

diamine  during  the  ε‐caprolactam  ring  opening  polymerization  results  in  totally  amine 

end‐capped  low molecular weight PA6 of which the molecular weight changes according 

to the added percentage of the diamine. For the preparation of carboxyl end‐capped PA6 

5 wt% adipic acid was put together with 1 wt% water as initiator and 1 wt% Irganox 1330 

as  the  antioxidant.  All  weight  percentages  were  calculated  as  added  amounts  to  ε‐

caprolactam.  The  reaction  scheme  is  shown  in  Figure  3.5.  For  the  calculation  of  the 

molecular weight  SEC  and NMR were  used  and  titration  experiments were  also  done. 

From the SEC measurement an Mn of 3,500 g/mol was obtained (PDI=1.6). Potentiometric 

titration,  however  resulted  in  an Mn  of  2,400  g/mol  ([NH2]=9.5 meq/kg,  [COOH]=838 

meq/kg). This difference in molecular weights is caused by the SEC technique in which the 

molecular weights are determined according to PMMA standards. Mn was also calculated 

1.02.03.04.05.06.07.0

d+e+f+d'+e'+f' a1+a2+a1'+a2'+b1'+b2'+c'

c b1b2x y

m+m'

n+n'

ppm

O O

a 1 a2

b2

d

d

e

ed

b 1

c

O O

OH

O

d`

d`d`e`

e ` c '

a '1 a '2 b '1 b '2

N

m

n

m 'n'

G P E

P roduc t TE A

C OO H

x

y

P P A

Page 68: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 3

55  

from the corresponding 1H NMR spectrum by using the integral values of the peaks which 

are  assigned  as  (A)  and  (A’)  and  was  found  as  2,300  g/mol  (Figure  3.6).  (A)  is  one 

methylene  group  in  the  repeating  unit  and  (A’)  is  the  methylene  connected  to  the 

carboxylic  acid  end  groups.  For  the molar  calculations  the Mn  value obtained  from  the 

titration  was  used  since  it  is  supposed  to  be  the  most  accurate  molecular  weight 

determination method compared to others.  

Figure 3.5 Reaction scheme of carboxylic acid end‐capped PA6. 

 

Figure 3.6 1H NMR of PA6 with only carboxyl end groups recorded in TFE:CDCl3 1:1 solvent 

mixture. 

To make multiblock copolymers based on PA6 by carboxyl‐epoxide end group  reactions 

PPGE  (Mn=380 g/mol, see Figure 3.7) was used. Although  it has ether groups  instead of 

ester groups present  in the DEPA,  it was chosen for model reactions with PA6, since  it  is 

epoxy  end‐capped  and has  almost  the  same molecular weight  as DEPA. As    catalyst 4‐

(dimethylamino)pyridine (DMAP) was selected, since it has a higher boiling point (162 °C) 

1.502.002.503.003.50

18

.94

9.0

1

9.1

1

8.6

8

1.0

0

A

B CDE

A'

ppm

NH

HN

O

NH

HN

O

HO

O

O O

O

OH

n mE

D

C

B

A

E

D

C

B

AE'

D'

C'

B'

A'

A'

B'

C'

D'

E'

Page 69: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 3

56  

than TEA  (90  °C) so  that a possible  loss during  the  reaction can be prevented.   A molar 

ratio of 1/1 PA6/PPGE was used and DMAP was added in amounts of  0.45, 0.9 and 1.35 

wt% with respect  to  the weight of  the PPGE. These values correspond  to 11, 22 and 33 

mol%,  respectively.  As  explained  in  the  experimental  section,  all  components  were 

charged  to  a  reactor  and  dissolved  in  HFIP.  After  complete  dissolution,  vacuum  was 

applied at room temperature (RT) to remove HFIP as much as possible. This was done at 

RT because epoxide groups are  reactive with  the hydroxyl groups of  the HFIP at higher 

temperatures. As the mixture was solid it was removed from the flask and ground in liquid 

nitrogen. After that it was left under reduced pressure at RT for 4 days. Finally the totally 

dry   mixture was placed  in a Schlenk reactor and a solid‐state step‐growth reaction was 

started at various temperatures under an argon atmosphere.  

Figure 3.7 Chemical structure of poly(propylene glycol) diglycidyl ether (PPGE).  

Molecular  weights  and  PDI  values  calculated  from  SEC  measurements  performed 

throughout the reactions, which were performed at 70 °C and 80 °C with different catalyst 

amounts,  are  shown  in  Figure  3.8.  It  is  seen  that  at  the highest  temperature with  the 

highest catalyst content (80 °C, 1.35 wt% catalyst) the fastest built‐up in molecular weight 

is obtained within the first 72 hours. During the rest of the reaction time molecular weight 

almost levels off while for reactions at 70 °C the Mn values keep increasing. However, even 

after  such    long  reaction  times,  the  highest maximum  achieved Mn  values  were  only 

around 10 kg/mol. Furthermore, a decrease  in the Mn of the reaction at 80 °C with 0.45 

wt%  DMAP  is  observed, which  is most  probably  due  to  degradation.  This  degradation 

might be due  to  acidolysis  of  the  ester  groups which  are  formed  after  the  reaction  of 

epoxide‐carboxyl end groups.  

Page 70: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 3

57  

0 20 40 60 80 100 120 140 160

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000M

n S

EC

(g/

mo

l)

Time (h)

70 °C, 0.45 wt% DMAP 70 °C, 0.90 wt% DMAP 60 °C, 1.35 wt% DMAP 80 °C, 0.45 wt% DMAP 80 °C, 0.90 wt% DMAP 80 °C, 1.35 wt% DMAP

a.

0 20 40 60 80 100 120 140 1601.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3.2b.

Time (h)

PD

I 70 °C, 0.45 wt% DMAP 70 °C, 0.90 wt% DMAP 60 °C, 1.35 wt% DMAP 80 °C, 0.45 wt% DMAP 80 °C, 0.90 wt% DMAP 80 °C, 1.35 wt% DMAP

Figure 3.8 Molecular weight (a) and PDI developments (b) of PA6/PPGE reactions at 70 °C 

and 80 °C with different weight % of DMAP (weight% DMAP based on total weight).  

PPGE/PA6 reactions were also done at 100 °C and 120 °C with the same catalyst amounts 

as  before.  As  the  reaction  temperature was  increased  higher molecular weights were 

obtained  as  shown  in  Figure  3.9.a.  The  highest  molecular  weight  was  obtained  at  a 

reaction temperature of 120 °C with 0.45 wt% DMAP catalsyt. In the case of this reaction 

Mn reached 16,600 g/mol after 18 hours and later decreased to 15,800 g/mol, which can 

again be a  result of degradation. Reactions with higher amounts of DMAP at  the  same 

temperature yielded somewhat lower Mn values. It should also be mentioned that in every 

case the last sample recorded had a high PDI and it was very difficult to filter the samples 

when  they were dissolved  in HFIP  for  SEC analysis. That  is why  the  reactions were not 

continued further.  In the case of reactions performed at 100 °C molecular weight values 

Page 71: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 3

58  

obtained at  the end of  the  reactions decreased with  increasing catalyst amounts.  It can 

also be observed in both figures that in general PDI values are increasing with increasing 

reaction time. Formation of insoluble parts points to extensive branching and crosslinking 

which will be discussed in more detail according to Figure 3.10.  

0 10 20 30 40 50 60 702000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

Mn S

EC

(g/m

ol)

Time (h)

100 °C, 0.45 wt% DMAP 100 °C, 0.90 wt% DMAP 100 °C, 1.35 wt% DMAP 120 °C, 0.45 wt% DMAP 120 °C, 0.90 wt% DMAP 120 °C, 1.35 wt% DMAP

a.

0 10 20 30 40 50 60 70

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

b.

Time (h)

PD

I

100 °C, 0.45 wt% DMAP 100 °C, 0.90 wt% DMAP 100 °C, 1.35 wt% DMAP 120 °C, 0.45 wt% DMAP 120 °C, 0.90 wt% DMAP 120 °C, 1.35 wt% DMAP

Figure 3.9 Molecular weight (a) and PDI developments (b) of PA6/PPGE reactions at 100 

°C and 120 °C with different weight % of DMAP (weight% DMAP based on total weight).   

 

 

 

 

 

Page 72: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 3

59  

Table 3.2 Overview of PA6/PPGE reactions.  

 DMAPwt%* 

DMAP mol%** 

T (°C) 

Time (h) 

Mn (SEC)  PDI 

PPGE  ‐  ‐  120  72  1,100  1.2 

PA6  ‐  ‐  120  72  3,500  1.6 

PA6/PPGE‐1  0.45  5.2  70  168  10,200  2.4 

PA6/PPGE‐2  0.90  10.5  70  168  10,300  2.3 

PA6/PPGE‐3  1.35  15.7  70  168  10,200  1.9 

PA6/PPGE‐4  0.45  5.2  80  168  8,200  3.0 

PA6/PPGE‐5  0.90  10.5  80  168  10,400  2.0 

PA6/PPGE‐6  1.35  15.7  80  168  9,300  2.1 

PA6/PPGE‐7  0.45  5.2  100  72  14,600  2.8 

PA6/PPGE‐8  0.90  10.5  100  72  12,000  2.8 

PA6/PPGE‐9  1.35  15.7  100  72  10,600  2.3 

PA6/PPGE‐10  0.45  5.2  120  24  15,800***  3.5 

PA6/PPGE‐11  0.90  10.5  120  24  12,000  2.6 

PA6/PPGE‐12  1.35  15.2  120  24  13,300  2.8      *wt% DMAP is with respect to the total weight of PA6 and PPGE.      **mol% DMAP is with respect to the total molar amount of PA6 and PPGE.           ***After 18 h Mn=16,600 g/mol.                                                                                                          

 An overview of all the reactions with feed ratios, final molecular weights, PDI and reaction 

times are  shown  in Table 3.2.    In  the  first  two  rows Mn and PDI values of  the PA6 and 

PPGE  are  presented which were  heated  at  120  °C  for  72  hours. No  self‐condensation 

reactions were observed as the same Mn and PDI values were obtained as those measured 

for the neat PA6 and PPGE. One should take into account that the Mn, Mw and PDI values 

of  all  the  copolymers  were  determined  for  the  HFIP‐soluble  part  of  the  multiblock 

copolymer.  It  was  reported  in  literature  that  epoxide‐carboxyl  reactions  are  not  very 

straightforward and side reactions can occur easily.9, 10, 13 A reaction scheme is presented 

in  Figure  3.10.  The  first  reaction  shown  is  the  primary  reaction  of  epoxide‐carboxyl 

reactions. As the hydroxyl groups form they can react with acid end groups as in reaction 

(2). However, this reaction is suppressed in the case of base catalysis. Hydroxyl groups of 

the primary product can also react with the epoxide groups forming an ether compound 

(see reaction 3). This reaction is more favored if the epoxide groups are in excess. Finally, 

water that was formed in reaction (2) can react with epoxide groups (4).   

Page 73: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 3

60  

 

Figure  3.10  Possible  reactions  and  side  reactions  of  epoxide‐carboxyl  end  groups  and 

intermediates.  

For GPE/PPA  reactions  in  bulk  the  right  conditions were  found  resulting  in  reasonably  

high yields. However it is observed here that much lower conversions are reached in case 

of PA6/PPGE reactions. First of all, the reactivity of the end groups is significantly lower in 

solid‐state reactions compared to the bulk reactions of GPE/PPA which means that longer 

reaction  times,  higher  reaction  temperatures  and/or  higher  amounts  of  catalysts  are 

required.  It  can  be  seen  from  the  previous  reaction  graphs  that  at  70  °C  and  80  °C 

molecular weights are low and do not increase upon elongation of the reaction time. This 

as a result increases the possibility for side reactions, most likely the reaction of hydroxyl 

groups with unreacted epoxide  rings, making  it difficult  to  reach high molecular weight, 

linear multiblock copolymers as desired.   

DSC second heating and cooling traces of PA6, PPGE and PA6/PPGE‐10 were recorded and 

presented in Figure 3.11 and Figure 3.12 as well as in Table 3.3. PPGE has a Tg of ‐76.2 °C, 

but there  is no melting endotherm as  it  is a totally amorphous oligomer. The heating of 

PPGE  was  only  performed  until  150  °C,  since  the  thermal  stability  is  quite  low. 

Additionally,  we  were  not  able  to  go  to  lower  temperatures  during  the  DSC 

measurements, since ‐80 °C is the lowest temperature limit for the cooling device.  

Page 74: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 3

61  

It  is not possible  to determine  the Tg of PA6  from DSC but  the melting  temperature  is 

clearly  observed  at  205.5  °C with  a  small  shoulder  at  a  somewhat  lower  temperature. 

When  the PA6/PPGE‐10  after 18 hours of  reaction  (Mn=16,600  g/mol)  is  investigated  a 

glass transition is observed at 17.2 °C, whereas the melting of the PA6 blocks is observed 

at 202.4 °C. To check if this Tg value is obtained from the miscibility of the PA6 and PPGE 

blocks, a DCS measurement of the physical mixture of both components was performed. 

From this measurement no Tg value was detected.  This result points to the fact that this 

Tg  value  is  only  related  to  PPGE  blocks.  The  remarkable  shift  in  Tg  is  related  to  the 

formation  of  hydroxyl  and  ester  groups  during  the  reaction  of  epoxide  and  carboxyl 

groups by which the flexibility of the PPGE chains is reduced.19, 20  

The very small shift in the Tm indicates that the PA6 blocks stay intact. The slight decrease 

in Tm points to a slightly hindered crystallization and a reduction in crystal thickness due to 

the chemical connection of the oligoether blocks. When the first heating endotherms of 

PA6 and  the  copolymer are  compared an  increase  is observed after  the  reaction which 

might be due to the annealing step at 120 °C. On the other hand, a lower melting enthalpy 

during the second heating is observed as well as a decrease in the crystallization enthalpy, 

which means  that  there  is a decrease  in  the degree of crystallinity of  the PA6 although 

high Tm  and Tc  values  are  retained. Additionally,  although  the  thermal  stability of PPGE 

oligomer  is  very  low,  a  highly  thermally  stable  copolymer  was  obtained  with  5  wt% 

degradation  at  298.2  °C which  is  quite  close  to  the  thermal  stability  of  PA6  itself.  The 

observations of the enhanced Tg of the PPGE block and the somewhat lowered Tm of the 

PA6 and the high thermal stability together with an increase in molecular weight up to 17 

kg/mol strongly point to multiblock copolymer formation.  

Page 75: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 3

62  

-80 -40 0 40 80 120 160 200

-76.2 C

17.2 C

202.4 C

205.5 C

Temperature (C)

Hea

t flo

w (

W/g

) E

ndo

dow

n

PPGE

PA6

PA6/PPGE

Figure  3.11  2nd  heating  DSC  traces  of  PPGE,  PA6  and  PA6/PPGE‐10  after  18  hours  of 

reaction time of COOH‐terminated PA6 and PPGE.  

-40 0 40 80 120 160 200

170.5 C

166.1 C

Hea

t flo

w (

W/g

) E

ndo

dow

n

Temperature (C)

PPGE

PA6

PA6/PPGE

Figure 3.12 Cooling DSC traces of PPGE, PA6 and PA6/PPGE‐10 after 18 hours of reaction 

time of COOH‐terminated PA6 and PPGE.  

 

 

Page 76: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 3

63  

Table  3.3  Thermal  properties  of  starting  components  (PPGE,  PA6)  and  the multiblock 

copolymer (PA6/PPGE‐10) determined by DSC. 

 T5% (°C) 

Tg (°C) 

Tm1 

(°C) ∆Hm1 

  (J/g) Tc (°C) 

∆Hc 

(J/g) Tm2 

(°C) ∆Hm2 

(J/g) 

PPGE  140.5  ‐76.2  –  –  –  –  –  – 

PA6  340.2 – 201.2 83.0 166.1 77.3 205.5  71.4 

PA6/PPGE‐10*  298.2 17.2 206.6 99.0 170.5 53.0 202.4  50.8 

*After 18 hours of reaction (Mn=16,600 g/mol). 

3.3.3 Diepoxy propylene adipate (DEPA) and PA6 reactions 

After  reaching  a molecular weight  (Mn)  of  almost  17  kg/mol with  PA6/PPGE  reactions 

PPGE was replaced with DEPA  in order to obtain multiblock copolymers of PA6/DEPA of 

which the polyester block should be biodegradable. A first set of reactions was performed 

at 80, 100, 120 and 140 °C, either with 0.45 or 0.90 wt% DMAP addition. Except two runs, 

all  the reactions were performed with a 1.05/1 mol/mol PA6/DEPA molar ratio  to make 

sure that epoxide end groups are not in excess in order to limit the epoxide‐hydroxyl side 

reaction mentioned in Figure 3.10. The molecular weight and PDI data from this first set of 

reactions  are  collected  in  Figure  3.13.  It  can  be  clearly  observed  that with  increasing 

reaction temperature the reaction rate significantly  increases  (compare the  initial slopes 

of the curves). The final Mn values for all the reactions vary from 8 to 10 kg/mol. It was not 

possible  to  reach  higher molecular weights,  neither  by  raising  the  temperature  nor  by 

reacting for a  longer time.   The results  in Figure 3.13.b demonstrate that the PDI values 

are increasing throughout the reactions and even approaching 5 in the case of 140 °C only 

after 2 hours of reaction time.  

Page 77: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 3

64  

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 702000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

Mn

SE

C (

g/m

ol)

Time (h)

80 °C, 0.45 wt% DMAP 80 °C, 0.90 wt% DMAP 100 °C, 0.45 wt% DMAP 100 °C, 0.90 wt% DMAP 120 °C, 0.45 wt% DMAP 120 °C, 0.90 wt% DMAP 140 °C, 0.45 wt% DMAP

a.

 

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 701.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

Time (h)

PD

I

80 °C, 0.45 wt% DMAP 80 °C, 0.90 wt% DMAP 100 °C, 0.45 wt% DMAP 100 °C, 0.90 wt% DMAP 120 °C, 0.45 wt% DMAP 120 °C, 0.90 wt% DMAP 140 °C, 0.45 wt% DMAP

b.

Figure 3.13 Molecular weight (a) and PDI developments (b) of PA6/DEPA reactions at 80‐

140 °C with different weight % of DMAP catalyst (weight % DMAP based on total weight). 

To check whether higher molecular weights could be obtained, TEA was used to catalyze 

the reactions and reactions without any catalyst were performed as well. These reactions 

were  performed  in  the  temperature  range  80‐120  °C  (Figure  3.14).  It  is  interesting  to 

observe that all the reactions at 80 °C reach almost the same molecular weight regardless 

of the presence of a catalyst and  its concentration. At 100 °C, the final molecular weight 

reached  increases  when  the  amount  of  catalyst  (TEA)  is  increased  from  0  to  2  wt%.  

However crosslinking occurs rapidly with 5 wt% TEA at the same temperature. The highest 

molecular weight (10 kg/mol) was obtained without any catalyst addition at 120 °C. This 

means that these reactions can already occur without the presence of catalyst.9 PDI values 

Page 78: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 3

65  

are increase with increasing reaction time like in the previous set of DEPA reactions where 

a more rapid increase is observed during the reactions at 100 and 120 °C. The reaction at 

100  °C with 5 wt% TEA addition  reaches a PDI of 8.6  (also  shown  in Table 3.4) after 6 

hours of reaction time.  

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 502000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

Time (h)

Mn

SE

C (

g/m

ol) 80 °C, no cat.

80 °C, 2 wt% TEA 80 °C, 5 wt% TEA 100 °C, no cat. 100 °C, 2 wt% TEA 100 °C, 5 wt% TEA 120 °C, no cat.

a.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 501

2

3

4

5

6

7

8

9

Time (h)

PD

I

80 °C, no cat. 80 °C, 2 wt% TEA 80 °C, 5 wt% TEA 100 °C, no cat. 100 °C, 2 wt% TEA 100 °C, 5 wt% TEA 120 °C, no cat.

b.

Figure 3.14 Molecular weight (a) and PDI developments (b) of PA6/DEPA reactions at 80‐

120 °C with different weight % DMAP catalyst (weight % DMAP based on total weight).

 

 

 

 

Page 79: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 3

66  

Table 3.4 Overview of PA6/DEPA reactions.  

PA6/DEPA mol/mol 

Cat. Cat. wt%*  

Cat. mol%**  

T(°C) 

Time (h) 

Mn  (SEC)  PDI 

DEPA  ‐  ‐  120  72  1,100  1.3 

PA6  ‐  ‐  120  72  3,500  1.6 

PA6/DEPA‐1  1.05  DMAP  0.45  5.1  80  64  7,900  2.3 

PA6/DEPA‐2  1.05  DMAP  0.90  10.2  80  64  7,800  3.5 

PA6/DEPA‐3  1.05  DMAP  0.45  5.1  100  48  9,800  3.0 

PA6/DEPA‐4  1.05  DMAP  0.90  10.2  100  10  8,300  3.4 

PA6/DEPA‐5  1.05  DMAP  0.45  5.1  120  6  8,500  3.4 

PA6/DEPA‐6  1.05  DMAP  0.90  10.2  120  2  8,000  3.1 

PA6/DEPA‐7  1.05  DMAP  0.45  5.1  140  2  9,200  4.8 

PA6/DEPA‐8  1.05  –  –  –  80  48  7,400  3.3 

PA6/DEPA‐9  1.05  TEA  2  17  80  48  7,800  3.1 

PA6/DEPA‐10  1.05  TEA  5  42  80  48  7,800  3.5 

PA6/DEPA‐11  1.05  –  –  –  100  24  7,500  6.4 

PA6/DEPA‐12  1.05  TEA  2  17  100  18  8,800  3.2 

PA6/DEPA‐13  1.05  TEA  5  42  100  6  8,000  8.6 

PA6/DEPA‐14  1.05  –  –  –  120  24  10,300  5.8 

PA6/DEPA‐15  1.0  DMAP  0.45  5.1  100  52  7,700  7.3 

PA6/DEPA‐16  1.0  TBA  2  14.3  100  52  7,500  4.0 

     *wt% cat. is with respect to the total weight of PA6 and DEPA.      **mol% cat. is with respect to the total molar amount of PA6 and DEPA. 

An overview of all  the  reactions before crosslinking was observed  is presented  in Table 

3.4.  In  the  first  two  rows Mn and PDI values of  the PA6 and DEPA are presented which 

were heated at 120 °C for 72 hours. No self‐condensation reactions were observed as the 

same Mn and PDI values were obtained as for the neat PA6 and DEPA. After these reaction 

times,  it was not possible  to dissolve  the polymers  in HFIP anymore. PDI values mainly 

vary  from 3  to 9, but  like Mw might be under‐estimated, because  insoluble parts of  the 

copolymer are not taken into account. Two other reactions were also performed, namely 

one  with  tributylamine  (TBA)  as  catalyst,  which  is more  difficult  to  evaporate  at  the 

reaction temperatures used (b.p.=214 °C), and another one with DMAP where the molar 

ratio of PA6/DEPA was 1/1. These reactions were performed at 100 °C and it was possible 

to reach only an Mn of almost 8 kg/mol for both reactions. 

Page 80: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 3

67  

 

 

 

 

 

 

 

Figure 3.15 1H NMR spectrum and structural assignments of the PA6 and DEPA blocks as 

recorded in a TFE:CDCl3 1:1 mixture. 

Although the same reaction conditions as in the case of PA6/PPGE reactions were used it 

was not possible to reach such high molecular weights. The main difference between the 

two types of reactions  is the presence of ester groups  in DEPA. These ester groups after 

splitting by acidolysis of the COOH groups of the PA6 might have an accelerating effect on 

the  formation of crosslinks. As a consequence higher PDI values  in comparison with  the 

previous  PA6/PPGE  reactions  are  observed.  In  these  additional  crosslinking  reactions 

1.502.002.503.00

a ab+d

e

E

A

D+B+cC

PA6/DEPA-12-0 h

PA6/DEPA-12-12 h

ppm

Page 81: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 3

68  

possible low molecular weight and mobile acidolysis products of the dicarboxylic acid type 

might play a role.  

The NMR spectra of PA6/DEPA‐12 reaction at the start and after 12 hours of reaction time 

(Mn=9,200 g/mol) are shown in Figure 3.15 with the chemical structures of PA6, DEPA and 

the  copolymer  together  with  the  structural  assignments.    After  the  reaction  the 

methylene group of the epoxide ring (a) has otally vanished. However the chemical shifts 

of (b), (d) and (e) of the DEPA as well as of the PA6 are still observed at the same chemical 

shifts as before.  It can be concluded  from these spectra that all the epoxide‐terminated 

DEPA has reacted with the COOH‐terminated PA6.  

DSC analyses of DEPA and PA6/DEPA‐10 copolymer were compared with  the previously 

analyzed PA6 (Figure 3.16). DEPA is also a totally amorphous oligomer like PPGE and has a 

Tg at  ‐68.9 °C. Heating of DEPA was performed up to maximum 150 °C, since  its thermal 

stability  is  low. The Tm of PA6  is at 205.5 °C as mentioned  in the previous section.   After 

the copolymer formation the Tm value is totally retained, whereas Tg value shifts to 4.9 °C. 

This shift in Tg can again be explained by the restricted movement of DEPA chain segments 

due  to  the  chemically attached PA6 blocks.  In  comparison  to neat PA6 a  lower melting 

enthalpy during the second heating is observed as well as a decrease in the crystallization 

enthalpy, which means that there is a decrease in the degree of crystallinity of the PA6 as 

mentioned  before,  but  nevertheless  high  Tm  and  Tc  values  are  retained.  The  thermal 

stability  of  the  copolymer  is  very  close  to  the  thermal  stability  of  the  neat  PA6.  In 

conclusion, SEC, NMR and DSC data point to a segmented structure where a few blocks of 

PA6  and  DEPA  are  present.  Although molecular weights  only  up  to  10  kg/mol  can  be 

obtained these copolymers can be used for some special applications in e.g. the coatings 

area and should be partially degradable due to the ester linkages.  

Page 82: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 3

69  

-80 -40 0 40 80 120 160 200

-68.9 C

205.0 C

Hea

t flo

w (

W/g

) E

ndo

dow

n

Temperature (C)

DEPA

PA6

PA6/DEPA

4.9 C205.5 C

 

Figure  3.16  2nd  heating  DSC  traces  of  DEPA,  PA6  and  PA6/DEPA‐12  after  12  hours  of 

reaction time of COOH‐terminated PA6 and DEPA.  

-40 0 40 80 120 160 200

169.4 C

166.1 C

Temperature (C)

Hea

t flo

w (

W/g

) E

ndo

dow

n DEPA

PA6

PA6/DEPA

 

Figure 3.17 Cooling DSC traces of DEPA, PA6 and PA6/DEPA‐12 after 12 hours of reaction 

time of COOH‐terminated PA6 and DEPA.  

 

 

Page 83: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 3

70  

Table  3.5  Thermal  properties  of  starting  components  (DEPA,  PA6)  and  the  copolymer 

(PA6/DEPA‐12) determined by DSC.  

T5%

(°C) 

Tg

(°C) 

Tm1 

(°C) 

∆Hm1 

(J/g) 

Tc 

(°C) 

∆Hc 

(J/g) 

Tm2 

(°C) 

∆Hm2 

(J/g) 

DEPA  206.5  ‐68.9  –  –  –  –  –  – 

PA6  340.2 – 201.2 82.9 166.1 77.3 205.5  71.4 

PA6/DEPA‐12* 325.3 4.9 206.0 82.5 169.4 58.4 205.0  60.8 

*After 12 hours of reaction.  

3.4 Conclusions 

Fully  carboxylic  acid  end‐capped  low  molecular  weight  PA6  polymer  was  successfully 

prepared by ring opening and polycondensation polymerization of ‐caprolactam with the 

addition of 5 wt% adipic acid and water as initiator. The purpose was then to react these 

PA6 telechelics with an epoxide‐terminated, hydrolyzable polyester, to obtain a PA6‐like 

but  at  least  partially  degradable  block  copolymer.  To  understand  the  nature  of  the 

epoxide‐carboxyl  reactions  first model  reactions  were  performed  with  gylcidyl  phenyl 

ether  and propanoic  acid  and  for which maximum  conversion  of  85% was  achieved. A 

second  series  of  model  reactions  was  performed  with  carboxyl‐terminated  PA6  and 

poly(propylene glycol) diglycidyl ether with the addition of DMAP as catalyst in  different 

amounts and in the temperature range of 70‐120 °C. These reactions were carried out in 

the solid state after solution mixing  in a common solvent.   A high reaction  temperature 

together  with  low  catalyst  amount  yielded  the  highest  achievable  number  average 

molecular  weight  product.  However,  side  reactions  resulted  in  crosslinking  making  it 

difficult to reach very high molecular weights. DSC measurements revealed an enhanced 

Tg of the PPGE block and a slightly lowered Tm of the PA6. The high melting temperature 

together  with  an  increase  in  molecular  weight  up  to  17  kg/mol  strongly  point  to  a 

multiblock  copolymer  formation.  Finally,  PA6‐diepoxy  propylene  adipate  reactions with 

COOH‐terminated  PA6  telechelics were  performed with  or without  the  addition  of  the 

catalysts DMAP or TEA. Various amounts of catalyst were used in a temperature range of 

Page 84: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 3

71  

80‐140 °C. Lower molecular weights were obtained as compared to PA6/PPGE reactions, 

most probably due to the additional side reactions with the ester groups of the DEPA. On 

the other hand, high Tm and Tc values of PA6 were retained. The melting temperature  of 

the copolymer  is very close  to  the melting temperature   of  the neat PA6.  In conclusion, 

SEC,  NMR  and  DSC  data  point  to  a  blocky  structure  upon  reacting  carboxylic  acid‐

terminated PA6 with epoxide‐terminated propylene adipate, where a  few blocks of PA6 

and DEPA are present. These copolymers might be suitable for certain applications where 

the enhanced degradability is of additional value for PA6.  

 

References 

 1.  Drake, R. S.; Egan, D. R.; Murphy, W. T. ACS Symp. Ser. 1983, 221, 1‐20. 

   2.  Steinmann, B. Polym. Bull. 1989, 22, (5‐6), 637‐644. 

   3.  Ambrogi, V.; Giamberini, M.; Cerruti, P.; Pucci, P.; Menna, N.; Mascolo, R.; Carfagna, C. Polymer 2005, 

46, (7), 2105‐2121. 

   4.  Soucek, M. D.; Abu‐Shanab, O. L.; Anderson, C. D.; Wu, S. Macromol. Chem. Phys. 1998, 199, (6), 

1035‐1042. 

   5.    Bucknall, C. B.; Partridge, I. K. Polym. Eng. Sci. 1986, 26, (1), 54‐62. 

   6.  Ratna, D. Polymer 2001, 42, (9), 4209‐4218. 

   7.  Pearson, R. A.; Yee, A. F. J. Mater. Sci. 1989, 24, (7), 2571‐2580. 

 8.  Alvey, F. B. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1969, 7, 2117‐2124. 

 9.  Blank, W. J.; He, Z. A.; Picci, M. J. Coat. Technol. 2002, 74, (926), 33‐41. 

     10.  Chalykh, A. E.; Zhavoronok, E. S.; Kochnova, Z. A.; Kiselev, M. R. Russ. J. Phys. Chem. B 2009, 3, (3), 

507‐511. 

   11.  Davy, K. W. M.; Kalachandra, S.; Pandain, M. S.; Braden, M. Biomaterials 1998, 19, (22), 2007‐2014. 

   12.  Matejka, L.; Dusek, K. Polym. Bull. 1986, 15, (3), 215‐221. 

           13.  Matejka, L.; Pokorny, S.; Dusek, K. Polym. Bull. 1982, 7, (2‐3), 123‐128. 

           14.  Patel, B. K.; Patel, H. S. Polym. Plast. Technol. Eng. 2009, 48, (9), 966‐969. 

           15.  Patel, H. S.; Patel, B. K. Int. J. Polymer. Mater. 2009, 58, (12), 654‐664. 

           16.  Sheela, M. S.; Selvy, K. T.; Krishnan, V. K.; Pal, S. N. J. Appl. Polym. Sci. 1991, 42, (3), 561‐573. 

           17.  Yeniad, B.; Albayrak, A. Z.; Olcum, N. C.; Avci, D. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2008, 46, (6), 

2290‐2299. 

18.  Eriksson, M.; Fogelstrom, L.; Hult, K.; Malmstrom, E.; Johansson, M.; Trey, S.; Martinelle, M.             

Biomacromolecules 2009, 10, (11), 3108‐3113. 

19.  Nielsen, L. E. J. Macromol. Sci., Rev. Macromol. Chem. 1969, C 3, (1), 69. 

20.  Hirose, S.; Hatakeyama, T.; Hatakeyama, H. Thermochim. Acta 2005, 431, (1‐2), 76‐80. 

  

Page 85: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 3

72  

Page 86: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

 

73  

CHAPTER 4 INCORPORATION OF A SEMI‐AROMATIC 

NYLON SALT INTO POLYAMIDE 6 BY EITHER SOLID STATE OR MELT 

POLYMERIZATION 

Summary The nylon  salt of 1,5‐diamino‐2‐methylpentane  (Dytek A) and  isophthalic acid 

(IPA) was  incorporated  into  the  PA6  backbone  via  solid‐state  polymerization  (SSP)  and 

melt  polymerization  (MP).  It  was  shown  that  the  incorporation  of  the  salt  already 

occurred 20 °C below the melting temperature of the PA6. Molecular characterization was 

done  by  SEC,  1H  NMR  and  titration  analysis.  13C  NMR  sequence  distribution  analysis 

together with detailed DSC analysis strongly pointed to a blocky microstructure after SSP 

and to a fully random microstructure after MP. 

 

ismail
Rectangle
Page 87: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

74  

4.1 Introduction 

PA6 has outstanding properties due to its high chain regularity and strong H‐bonding.1, 2  It 

is possible to adapt the properties of PA6 by melt modification with different monomers 

or polymers. However, melt polymerization usually results in random copolymers and thus 

in a deterioration of  the crystallization behavior and  in a deformation of  the crystalline 

phase. This means a decrease in melting temperature, crystallization rate and the degree 

of crystallinity, leading to undesired change of mechanical and physical properties.3 

Therefore, it is important to find an alternative modification method to make copolymers 

based  on  PA6  which  would  not  only  have  a  high  crystallinity  and  a  non‐random 

distribution  but  improved  material  properties  as  well.  Very  recently,  Novitsky  et  al.4 

prepared polyamide 6‐polyamide 12,T copolymers by anionic polymerization exhibiting a 

blocky microstructure. Another method for making non‐random step‐growth polymers  is 

the  solid‐state  polymerization  (SSP)  which  is  traditionally  used  as  a  postcondensation 

technique  to  increase  the  molecular  weight  of  polycondensates.5,  6  During  SSP  the 

temperature  is set  just below  the melting  temperature  (Tm) of  the polymer. This makes 

the chains  in the amorphous phase mobile enough to undergo further polycondensation 

and/or modification by transreactions, while the well‐ordered chain fragments present in 

the crystals remain intact and do not participate in these interchange reactions. James et 

al.7, 8 were the first to show that block copolymers can be obtained  in the solid state by 

blending poly(ethylene  terephthalate)  and poly(ethylene naphthalene).  Later,  Jansen  et 

al.9‐13 and Sablong et. al.14, 15 studied the incorporation of different types of diol monomers 

into poly(butylene terephthalate) by SSP. Jansen and coworkers showed that copolyesters 

with non‐random distributions and high molecular weights were obtained after short SSP 

reaction  times. Moreover  they made comparisons with melt‐polymerized samples. They 

investigated  the  kinetics,  the  sequence  distribution  (characterized  by  the  degree  of 

randomness R) and morphology of the copolymers in detail.  

In view of its semi‐crystalline character and the fact that it is a step‐growth polymer, PA6 

can also be modified  in the same manner  in the solid state.  In this study, a nylon salt of 

Page 88: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

75  

1,5‐diamino‐2‐methylpentane  (Dytek  A)  and  isophthalic  acid  (IPA)  was  prepared  and 

incorporated  into  PA6  in  different weight  percentages.    This was  done  via  a  two‐step 

process.  First,  the  salt  and  PA6 were  solution mixed  in  a  common  solvent which was 

hexafluoroisopropanol  (HFIP).  After  the  removal  of  the  solvent,  the  temperature  was 

raised  to 20  °C below  the Tm of  the PA6 which  is high enough  to  force  transamidation 

reactions. 

The  microstructure  of  polyamides  has  been  studied  by  solution  13C  NMR  by  several 

researchers.16‐18 In addition to this, it has been shown that 13C NMR is a powerful tool for 

sequence  distribution  analysis  by  investigating  the  possible  dyad  or  triad  structures 

formed  after  copolymerization.19‐26  If  the  right  parameters  are  used,  it  is  a  promising 

technique  for  quantitative  analysis  just  like  1H  NMR  spectroscopy.  Block  lengths  and 

degrees of randomness can be calculated using this method. Different types of deuterated 

solvents and solvent mixtures have been used for polyamide analysis. Lately, Novitsky et 

al.4 showed  the possibility of quantitative  13C NMR measurements by preparing a highly 

concentrated polyamide sample  in a HFIP/CDCl3 3/1 vol/vol mixture.    In this chapter, we 

used  the  same  solvent  mixture  to  compare  the  microstructures  of  the  copolyamides 

prepared  by  SSP  and  melt  polymerization  (MP)  by  calculating  the  block  lengths  and 

degrees of randomness. In addition to titration measurements, changes  in the molecular 

weight distributions were monitored  in  time, while  the  incorporation of Dytek  and  IPA 

into  the copolyamide was monitored separately. Detailed  thermal analysis also revealed 

the  differences  in  the  thermal  properties,  related  to  different  monomer  sequence 

distributions of the copolyamides prepared by SSP and MP.  

4.2 Experimental 

4.2.1 Materials 

Commercial grade polyamide 6 (PA6) pellets (Mn=21 kg/mol, measured using amine‐ and 

acid‐  specific  potentiometric  titration  methods)  and  ε‐caprolactam  (CL)  were  kindly 

provided  by  DSM  (Geleen,  The  Netherlands)  and  used  as  received  after  drying.  1,5‐

Page 89: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

76  

diamino‐2‐methylpentane (Dytek A, Aldrich) and isophthalic acid (IPA, Aldrich) were used 

as  received  for  the  salt  preparation.  6‐Aminocaproic  acid  (ACA)  was  purchased  from 

Aldrich and dried before use.  Irganox 1330 was available  from Ciba Speciality Chemicals 

and used as an antioxidant. 1,1,1,3,3,3‐Hexafluoro‐2‐propanol  (HFIP, 99 %) and ethanol 

were obtained  from Biosolve. The deuterated NMR  solvents  chloroform  (CDCl3, 99.8%), 

dimethyl  sulfoxide  (DMSO,  99.9%)  and  deuterium  oxide  (D2O,  99.9%) were  purchased 

from Cambridge Isotope Laboratory, Inc. (CIL).   

4.2.2 Dytek A‐isophthalic acid salt preparation 

To a mixture of isophthalic acid (66.5 g, 0.4 mol) in ethanol (150 mL) at 80 °C a solution of 

Dytek A  (46.5 g, 0.4 mol)  in ethanol  (120 mL) was added dropwise. Precipitation started 

during the addition of the Dytek A solution. After all the Dytek A was added, stirring was 

continued  for  1.5  h.  The  white  precipitate  was  filtered,  recrystallized  from  an 

ethanol/water mixture (10:1, v/v) and dried at 80 °C in an oven under vacuum.  

4.2.3 Solution mixing of PA6/Dytek A‐IPA nylon salt in HFIP 

PA6  pellets  were  ground  into  powder  by  a  mill  (IKA,  A11B)  after  cooling  with  liquid 

nitrogen and dried in a vacuum oven at 80 °C. Dried PA6 and nylon salt (5‐30 wt%, 4‐25.6 

mol% with respect to the total amount of feed, see Table 4.1 and Table 4.4) were mixed 

together in a three‐neck round bottom flask under argon with a minimum amount of HFIP 

at 55 °C. After  the  full dissolution of both components HFIP was removed by applying a 

reduced pressure below 10 mbar. The  lump of material was removed from the flask and 

ground to a powder in the mill mentioned earlier. The fine powder obtained after sieving 

was dried in a vacuum oven at 80 °C.   

4.2.4 Solid‐state polymerization (SSP) 

Low  molecular  weight  PA6/Dytek  A‐IPA  (DyI)  salt  copolyamides  were  synthesized  by 

placing  the  polymer/salt mixture, which was  prepared  by  solution mixing  as  described 

above,  in a glass tube reactor. Salt weight compositions of 5, 10, 15, 20, 25 and 30 wt% 

Page 90: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

77  

were used with respect to the total amount of feed. The PA6/DyI powder was deposited 

on the sintered glass plate at the bottom of the reactor  (diameter=2.5 cm) and covered 

with  glass  beads.  Inert  gas was  introduced  below  this  glass  plate  through  a  glass  coil 

surrounding  the  reactor.  The  gas  was  heated  while  passing  through  this  coil  before 

entering  the  reactor.  To  reach  the  desired  reaction  temperature  of  200  °C  a  salt  bath 

consisting of KNO3  (53 wt%), NaNO2  (40 wt%) and NaNO3  (7 wt%) was used.9‐15 Samples 

were  taken  from  the  reactor  until  it  reached  the  reaction  time  of  24  hours.  The 

synthesized  low molecular weight  SSP  copolyamides will  be  abbreviated  as  (CL/DyIx)S1 

where  x  denotes  the  feed weight  percentage  of  the  DyI  salt  and  S1  denotes  the  SSP 

reaction. 

 

Figure 4.1 Schematic representation of the set up used for solid‐state polymerization. 

For the synthesis of high molecular weight PA6/DyI copolyamides the following procedure 

was used. At the first stage of the solid‐state polymerization the reaction was conducted 

in a closed glass vial (r=1 cm, h=7.5 cm) which was pressurized with inert gas to avoid the 

evaporation  of  the  diamine.  After  the  total  incorporation  of  the  diamine  (followed  by 

SEC), the polymer‐salt mixture was transferred to a glass tube reactor as described above. 

SSP was performed  in the vial at 180 °C  for 6, 12 or 14 hours depending on the DyI salt 

content  in  the mixture  (10,  20,  30 wt%,  respectively)  and was  later  continued  in  the 

reactor at 200 °C until a total reaction time of 24 hours. Another CL/DyI mixture with a 4:1 

Page 91: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

78  

weight ratio was prepared with the addition of 0.8 wt% excess Dytek A with respect to the 

total  amount of  the CL/DyI mixture during    the  solution mixing. Abbreviation  for  these 

copolyamides will be  (CL/DyIx)S2 where x denotes  the  feed weight percentage of  the DyI 

salt and S2 denotes the SSP resulting in high molecular weight copolyamides. The product 

resulting from the excess Dytek A addition is denoted as (CL/DyIEx.)S2 and this reaction was 

performed for 48 hours to reach the desired molecular weight.  

4.2.5 Melt Polymerizations (MP) 

4.2.5.1 Caprolactam (CL)/Dytek A‐IPA (DyI) salt 

Preparations of CL/DyI copolyamides via melt polymerization (MP) were performed in 100 

mL cylindrical  flasks connected  to a condenser and placed  in a heating carousel. During 

the first set of copolyamides prepared by MP, flasks were filled with 5, 10, 15, 20 and 25 

wt% DyI salt according to the total amount and with CL (see Table 4.1 and Table 4.4). For 

the second set of reactions 10, 20 and 30 wt% DyI salt were used with an addition of 0.6, 1 

and  0.6 wt% Dytek A  diamine,  respectively.    For  all MP  reactions  6‐Aminocaproic  acid 

(ACA) was added as the initiator. An excess Dytek A in the second set of experiments was 

used to compensate for the diamine loss during the polymerization under a nitrogen flow.  

Before starting the reactions, firstly vacuum was applied for at  least 2 hours, until  it was 

below 10 mbar to ensure that all O2 was removed. Then, the temperature was raised to 

265  °C  under  a  constant  nitrogen  flow.  The  reaction  was  carried  out  overnight  with 

magnetic stirring. The product was removed from the flask, ground in liquid N2, extracted 

with demineralized water at 100 °C for at  least 4 hours and filtered. Finally,  it was dried 

under reduced pressure at 80 °C for 1 day. For the 1st set of MP reactions the synthesized 

MP  copolyamides will  be  abbreviated  as  (CL/DyIx)M1, where  x  denotes  the  feed weight 

fraction of  the DyI  salt and M1 denotes  the melt polymerization. For  the 2nd  set of MP 

polymerizations copolyamides will be abbreviated as (CL/DyIx)M2. 

 

 

Page 92: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

79  

4.2.5.2 Dytek A‐IPA homopolymer  

4 g  Dytek A‐IPA salt, 0.2 g excess Dytek A and 0.12 g Irganox (1330 type stabilizer) were 

charged to a three neck round bottom flask equipped with a mechanical stirrer, a vigreux 

column and a condenser. A continuous argon  flow was applied  throughout  the  reaction 

flask. The temperature was gradually raised to 290 °C and was kept at this temperature 

for 3 hours.  Later,  vacuum  (4‐6 mbar) was  applied  for 2 hours  to  remove  the  reaction 

product water  and  increase  the molecular weight.  The product was  removed  from  the 

flask and ground into a fine powder. 

4.2.6 Characterization 

4.2.6.1 Size Exclusion Chromatography (SEC)  

SEC was used to determine molecular weights and molecular weight distributions, Mw/Mn, 

of  the  polymer  samples.  The  system was  equipped with  a Waters  1515  Isocratic HPLC 

pump, a Waters 2707 autosampler, a Waters 2487 dual absorbance UV detector, a Waters 

2414  refractive  index detector  (35  °C) and a PSS PFG guard  column  followed by 2 PFG‐

linear‐XL  (7  µm,  8*300  mm)  columns  in  series.  The  temperature  was  40  °C. 

Hexafluoroisopropanol with  potassium  trifluoroacetate  (3  g/L) was  used  as  eluent  at  a 

flow  rate  of  0.8  mL/min.  Toluene  was  used  as  the  internal  standard.  The  molecular 

weights were  calculated with  respect  to  poly(methyl methacrylate)  standards  (Polymer 

Laboratories, Mp = 1020 g/mol up to Mp = 1.9*106 g/mol). 

4.2.6.2 Differential Scanning Calorimetry (DSC)  

Melting  (Tm)  and  crystallization  temperatures  (Tc)  as  well  as  melting  (∆Hm)  and 

crystallization enthalpies (∆Hc) were measured using a TA Instruments Q100 calorimeter. 

For all the measurements 4‐6 mg samples and a heating rate of 10°C/min were used under 

N2  atmosphere.  DSC measurements  were  carried  out  from  0  to  240  °C.  During  each 

measurement,  samples  were  equilibrated  at  0  °C  and  240  °C  for  5 minutes.  For  the 

determination of both Tm and Tc peak maximums were taken into account.  

Page 93: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

80  

4.2.6.3 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy  

NMR samples were prepared by following the sample preparation procedure described by 

Novitsky  et  al.4  10 wt%  polymer was  dissolved  in  a  3/1  vol/vol  hexafluoroisopropanol: 

CDCl3 mixture.  1H  NMR  spectra  of  the  polymers were  recorded  on  a  Varian  400 MHz 

spectrometer at 25 °C. Quantitative solution 13C NMR spectra were recorded on a Varian 

Unity Inova 400 MHz spectrometer at 25 °C. TMS was used as the internal standard. A 90° 

pulse width of 5.8 µs was used. 35,000 scans were acquired with a relaxation delay of 5 s 

and  an  acquisition  time  of  1.3  s.  The  data  was  zero‐filled  to  128,000  datapoints  and 

filtered using 1 Hz  line broadening. Quantitative analysis of the peak  integrals was done 

after baseline correction and deconvolution of the overlapping peaks using Varian VNMRJ 

2.2d software.  13C NMR measurements of PA6 and DyI homopolymer were done with a 

delay time of 0 seconds and thus are not quantitative.  

4.2.6.4 Potentiometric titration 

For  the  determination  of  amine  [NH2]  and  carboxylic  acid  [COOH]  end  group 

concentration,  potentiometric  end  group  titrations were  done  at  room  temperature  in 

non‐aqueous environment using phenolic solvents. Both blank and sample measurements 

were repeated at  least 3 times. Molecular weights were calculated by using the formula 

2*106/([NH2]+[COOH]). 

4.3 Results and Discussion 

Preparation of caprolactam (CL)/Dytek A‐IPA (DyI) copolyamides was done both by solid‐

state polymerization (SSP) and melt polymerization (MP). The nylon salt was synthesized 

from 1,5‐diamino‐2‐methylpentane (Dytek A) and isophthalic acid (IPA) as described in the 

experimental section 4.2.2. Dytek A is an isomer of hexamethylene diamine and contains 

one asymmetric carbon atom (carbon (b) in Figure 4.2.). It was chosen together with IPA 

for the incorporation into PA6 since it was presumed that Dytek A‐IPA salt could easily be 

distributed  in  the  amorphous  phase  but  not  readily  in  the  crystalline  phase  due  to  its 

chemical structure which strongly deviates from that of PA6 (see Chapter 5).  

Page 94: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

81  

 

Figure 4.2 Chemical structure of the DyI nylon salt with the labels used for the 1H NMR 

interpretation (see Figure 4.3).  

1H NMR was  performed  to  investigate  the  structure  of  the DyI  salt.    All  the  expected 

chemical shifts of  the Dytek A and  IPA after  the salt  formation are shown  in Figure 4.3. 

The molar ratio of Dytek A to IPA was calculated to be 1 by using the integral peak areas.  

SSP  was  performed  to  force  the  incorporation  of  the  salt  into  the  PA6  backbone  by 

aminolysis, acidolysis and amidolysis reactions.27‐30 On the other hand, MP was used  for 

the copolymerization of ε‐caprolactam and the salt in the melt state. The overall chemical 

structure of the expected copolyamides is shown in Figure 4.4. 

 

Figure 4.3 1H NMR of Dytek A‐IPA nylon salt performed in D20/DMSO 1/1 vol/vol mixture 

(see Figure 4.1 for the labels). 

1.02.03.04.05.06.07.08.0

a+fb

c

d+e

gh

DMSOD2O

i

ppm

Page 95: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

82  

 

Figure 4.4 Chemical structure of PA6/Dytek A‐IPA copolyamides synthesized by SSP and 

MP. 

Two  sets of SSP  reactions were performed  following  two different  synthetic  routes. For 

both sets similar solution mixing, grinding and drying steps were used for the preparation 

of the desired PA6/Dytek A‐IPA (DyI) mixtures. In the first synthetic route, these mixtures 

prepared with different weight percentages of DyI salt (see Table 4.1), were directly put in 

a SSP reactor at a reaction temperature of 200 °C. Due to the volatility of Dytek A at high 

temperatures  (b.p.=193  °C)  under  a  continuous  flow  of  argon,  evaporation  of  diamine 

occurred  leading  to  a  stoichiometric  imbalance.    This  resulted  in  low molecular weight 

copolyamides. For comparison, copolyamides by MP were also prepared. Characteristics 

of all the copolyamides synthesized by SSP and MP can be seen in Table 4.1 (shown as S1 

and M1). 

In the second set of SSP reactions, PA6/DyI mixtures were first brought into an inert gas‐

pressurized closed glass vial at 180 °C to minimize the loss of diamine. After the expected 

partial  incorporation of Dytek A‐IPA  salt  into PA6,  samples were  transferred  to  the SSP 

reactor  to  complete  the  incorporation  of  the  salt  at  200  °C.  To  compensate  for  the 

diamine loss during the MP reactions excess of Dytek A was used. Characteristics of these 

copolyamides can be seen in Table 4.4 (shown as S2 and M2).  

In  the  first  set of experiments presented  in  this  chapter  low molecular weight PA6/DyI 

copolyamides,  in  the  second  set  of  experiments  high molecular weight  copolyamides, 

synthesized via SSP and MP reactions, will be discussed in detail.  

 

 

Page 96: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

83  

4.3.1 Low molecular weight PA6/Dytek A‐IPA copolyamides via SSP and MP 

4.3.1.1 Molecular  characterization of PA6/Dytek A‐IPA  copolyamides by  1H NMR,  SEC 

and titration 

All PA6/Dytek A‐IPA copolymers were characterized by 1H NMR spectroscopy. The 1H NMR 

spectrum  of  (CL/DyI20)S1  is  shown  in  Figure  4.5  with  the  structural  assignments.  The 

composition  of  the  copolymers  was  calculated  by  using  the  peak  integrals  of  the 

corresponding residues. For the composition calculations peaks represented as (g), (h), (i) 

were used for IPA, while (a), (f), (c) were used for Dytek A and (A) was used for PA6 based 

on 1 proton integral value for each residue. Compositions of all the copolymers calculated 

according to 1H NMR are shown  in Table 4.1. Although (A’)  is not shown  in the chemical 

structure  of  the  copolyamide  as  given  in  Figure  4.5  it  stands  for  the methylene  group 

connected to the carboxyl end groups. This  is  just given as additional  information and  is 

not used  for  the  calculations.  It  is  also  visible  from  this  spectrum  that  there  are  some 

traces of unreacted IPA observed below a chemical shift of 8 ppm. 

  

Figure  4.5  1H  NMR  spectrum  of  (CL/DyI20)S1  copolyamide  recorded  in  a  3/1  vol/vol 

HFIP/CDCl3 mixture. 

 

1.02.03.04.05.06.07.08.0

g h i j

kHFIP HFIP

a+f

EA

A'

d+e+b+D+B+C

c

ppm

OO

NH

NH

NH

O

a b

c

d

e

f g

h

i

CH3 h

E

D B

C A

j k

Page 97: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

84  

It  can  be  seen  from  Table  4.1  that  in  general, with  respect  to  the  composition  feed, 

slightly  lower molar fractions of the DyI salt were obtained after SSP reactions. A higher 

difference is observed when 30 wt% salt was mixed with PA6. In case of MP reactions, an 

opposite  trend  is  seen:  copolyamides  had  a  slightly  higher  molar  fraction  of  salt 

incorporated compared to the corresponding feed fractions. In both cases the differences 

are  within  the  experimental  error  of  1H  NMR,  with  the  exception  of  the  (CL/DyI30)S1 

sample.   

Table  4.1  Characteristics  of  neat  PA6  and  CL/DyI  copolymers  with  different  DyI  feed 

compositions prepared by SSP and MP reactions. 

  

Composition  feed    

(CL/DyI)   

Composition after SSP and MP          (CL/DyI) by 1H 

NMR***    

Mn 

(SEC) PDI 

  wt%*  mol%*  mol%  kg/mol 

PA6   100/0  100/0  ‐  35  1.9 

PA6SSP**  100/0  100/0  ‐  79  2.0 

(CL/DyI5)S1  95/5  96/4  96/4  10  2.7 

(CL/DyI10)S1  90/10  92/8  91/9  9.3  3.2 

(CL/DyI15)S1  85/15  88/12  90/10  6.8  2.8 

(CL/DyI20)S1  80/20  83/17  86/14  6.0  2.8 

(CL/DyI25)S1  75/25  79/21  83/17  5.6  2.7 

(CL/DyI30)S1  70/30  74/26  

82/18  

5.1  3.2 

(CL/DyI5)M1  95/5  96/4  95/5  25  2.1 

(CL/DyI10)M1  90/10  92/8  90/10  19  2.2 

(CL/DyI15)M1  85/15  88/12  84/16  15  2.3 

(CL/DyI20)M1  80/20  83/17  81/19  12  2.3 

DyI HP  0/100 0/100 0/100 24  2.5 *wt% and mol% were calculated by using the molecular weights of CL and DyI salt units.  **PA6SSP was obtained for comparison after dissolving in HFIP, removal of solvent followed by SSP at 200 °C for        24 hours. ***mol% DyI salt was calculated from the total amount of Dytek A and IPA present. 

Page 98: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

85  

Incorporation of the DyI salt into PA6 can be monitored by Size Exclusion Chromatogram 

(SEC).  Incorporation  of  Dytek  A  and  IPA  can  be  monitored  by  RI  and  UV  detectors, 

respectively.  In Figure 4.6 changes in the RI and UV polymer and monomer peaks in the 

SEC  for  (CL/DyI20)S1 samples  recorded during  the  reaction are shown. The PA6 peak and 

the  Dytek  A  peak  can  be  easily  seen  at  elution  times  of  21.6  and  29.2  minutes, 

respectively, at the start of the SSP. Already after 15 minutes, the intensity of the Dytek A 

peak decreases while the polymer peak becomes a bit broader and shifts to higher elution 

times. At the end of the first full hour of SSP the Dytek A peak had almost disappeared and 

the polymer peak continued shifting to higher elution times. This is the result of PA6 chain 

scission by  the attack of  the DyI salt. As can also be seen  in Figure 4.7 Mn  is decreasing 

between 0‐8 hours of SSP and after  that only a minor  increase  in Mn  is observed. After 

chain  scission obviously postcondensation does not occur  to a  significant extent due  to 

the evaporation of Dytek A. This means that the disappearance of the Dytek A peak is not 

only  caused  by  the  incorporation  of  the  diamine  via  aminolysis  reactions,  but  is  also 

because of the loss of diamine at the SSP temperature used (200 °C). It is also interesting 

to observe that after 10 hours of SSP PDI  increases but  later decreases again. This might 

point  to  some  branching  and  crosslinking  reactions which  result  in  an  increase  of  PDI. 

However,  as  the  degree  of  branching  increases  further  in  time,  these  parts might  be 

filtered out before the measurement leading to a decrease in PDI.  

Additionally, an  increase  in PDI was observed during SSP. This  is because  the crystalline 

part  does  not  participate  in  the polycondensation  reactions  and  the  total  copolyamide 

does not have a Flory distribution.31  

In Figure 4.6.b SEC UV chromatograms of the samples taken at various reaction times are 

given. The wavelength of  the UV detector was 275 nm. At  the start of SSP  the only UV 

active part  is the  IPA part of the salt, visible at an elution time of 32.3 minutes. After 15 

minutes of reaction time a small peak appears at 29 minutes, most probably because IPA 

is at  least partly  incorporated  in oligomers. Compared  to  the  rate at which  the Dytek A 

diamine peak disappears (see Figure 4.6.b) the disappearance of IPA occurs much slower 

and only  after 8 hours  a  clear but broad polymer peak  at  an  elution  time of  about 23 

Page 99: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

86  

minutes  is  visible.  As  IPA  takes  part  slowly  in  the  reaction,  it  is  incorporated  into  the 

polymer chain, making it UV‐active. After 24 hours only 3 wt% IPA remains unreacted. The 

copolyamide peak containing DyI is clearly visible with a high intensity at an elution time 

of 25.5 minutes.  

16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

No

rmal

ized

UV

SE

C s

igna

l

Elution Time (min)

2 h

1 h

4 h

16 h

24 h

10 h

8 h

0.5 h

0 h

0.25 h

6 h

b.

16 18 20 22 24 26 28 30

2 h

1h

4 h

16 h

24 h

10 h

8 h

0.5 h

0 h

0.25 h

Norm

aliz

ed R

I S

EC

sig

nal

Elution Time (min)

6 h

IPADytek

a.

 

Figure  4.6  SEC  chromatogramphs  of  (CL/DyI20)S1  samples  at  different  reaction  times 

recorded with RI detector (a)  and UV detector (λ=275 nm) (b).  

SEC was also used to calculate the amount of IPA incorporated into the PA6 backbone by 

using  the  UV  detection.  For  this  purpose  a  calibration  curve was made  by measuring 

several known concentrations of the DyI salt in HFIP and by calculating the corresponding 

UV areas of the UV‐active IPA part of the salt (See Figure 4.8 and equation 4.1). After that, 

samples submitted to 0‐24 hour SSP reaction time were taken and prepared with known 

concentrations. From the SEC measurements of these samples with known concentrations 

it  is possible to calculate the UV peak areas under the  IPA curve and the polymer curve 

after  the  incorporation  of  IPA.  Finally,  by  using  the  equation  in  the  calibration  curve 

(y=7.9708x)  the unreacted  and  reacted  amounts of  IPA during  the  SSP  reaction  can be 

estimated qualitatively (Equation 4.2 and 4.3). 

Page 100: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

87  

0 4 8 12 16 20 24

5

10

15

20

25

30

35 M

n

PDI

Time (h)

Mn (

SE

C)

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

PD

I

 

Figure 4.7 Number average molecular weight and PDI development of (CL/DyI20)S1 as a 

function of SSP reaction time.  

CIPA*MWDytek A = (CDYI‐CIPA)*MWIPA            (4.1) 

CIPA,sample = AIPA,sample/7.9708            (4.2) 

wt% IPA = CIPA,sample*100/Csample          (4.3) 

where CIPA and CDYI are the concentrations of IPA and DyI salt, respectively, and MWDytek A 

and MWIPA  are  the molecular weights of Dytek A  and  IPA,  respectively. CIPA,sample  is  the 

concentration  of  IPA  and  AIPA,sample  is  the  UV  area  of  the  IPA  in  the measured  sample 

obtained from the SSP reaction. Csample is the total concentration of the measured sample.  

The estimated weight percentages of unreacted and reacted  IPA during the SSP reaction 

of the (CL/DyI20)S1 copolyamide can be seen  in Figure 4.9.  It  is very clearly observed that 

the wt% of unreacted  IPA  is rapidly decreasing during the first 10 hours of reaction time 

and almost totally disappears after 24 hours. The wt% reacted IPA is increasing during the 

reaction reaching a value of 12.4 wt% of DyI at the end of the reaction, which  is slightly 

higher than the amount of IPA in feed (11.8 wt%, 8.3 mol%).   

Page 101: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

88  

 

Figure 4.8 UV peak area of IPA versus IPA concentration in HFIP.   

 

Figure  4.9  Weight  fraction  of  reacted  and  unreacted  IPA  during  the  (CL/DyI20)S1 

copolyamide formation by SSP according to  IPA‐related UV signals recorded by SEC with 

UV detection.  

Amine  [NH2]  and  carboxyl  [COOH]  end  group  titrations  of  some  copolyamides  were 

performed  and  the  calculated Mn  values were  compared with  the Mn  values  obtained 

from  SEC  (Table  4.2).  A  striking  difference  between  the  [NH2]  and  [COOH]  values  is 

observed  for  all  the  copolyamides  synthesized by  SSP  and MP.  The  evaporation of  the 

diamine  is  visible  from  the data presented. As  the  diamine was  lost  from  the  reaction 

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.00

2

4

6

8

10

12

14

16

IPA concentration (mg/ml)

UV

Are

a (

*10

-6)

y=7.9708x

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

2

4

6

8

10

12

14

Time (h)

IPA

(w

t%) IPA reacted

IPA unreacted

Page 102: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

89  

medium, most of  the chains were end capped with  IPA via acidolysis and condensation 

reactions,  leading to very high [COOH] values compared to [NH2]. Additionally, when the 

ratio  [COOH]/[NH2]  is considered,  it can be seen  that  the difference  increases when  the 

salt changes from 20 to 30 wt%. This can also explain the decrease in molecular weight as 

the salt content is increased (Table 4.1). The loss of diamine is probably more pronounced 

with  increasing  salt  content.  The  [COOH]/[NH2]  value  is  smaller  in  case  of  melt 

polymerization with 20 wt% salt. During  the MP  the  reactivity of Dytek A can be higher 

due  to  the much  higher  applied  temperatures  than  during  SSP  (265  °C  versus  200  °C, 

respectively.) and so the amount of lost diamine during MP could be limited. Although the 

molecular  weights  of  the  copolyamides  prepared  by  MP  are  higher  compared  to 

copolyamides prepared by SSP,  the  same  trend  in Mn  is observed as  for SSP. Molecular 

weights  of  the  copolyamides  synthesized  by MP  also  decrease with  the  increasing  salt 

fraction, but to a much smaller extent than in the SSP case. This trend again points to an 

increasing  imbalance between  the diamine  and  the diacid with  increasing  salt  content, 

obviously because of the evaporation of the diamine.   

 Table 4.2 [NH2] and [COOH] values of copolyamides obtained by potentiometric titration 

and molecular weights calculated from titration and determined by SEC. 

[NH2] (meq/kg) 

[COOH] (meq/kg) 

[COOH]/[NH2] Mn titration(kg/mol) 

Mn SEC (kg/mol) 

PA6  48  50  1.0  20.0  35 

(CL/DyI20)S1  62  535  8.6  3.4  5.9 

(CL/DyI30)S1  42  619  14.7  3.0  5.1 

(CL/DyI20)M1  32  182  5.6  9.3  11.3 

 

In summary, the molecular characterization study by 1H NMR, SEC and titration shows us 

that without special precaution part of the volatile diamine is lost and that the amount of 

incorporated IPA is significantly higher than the amount of incorporated Dytek A diamine. 

Especially for SSP the imbalance is dramatic, resulting in an incomplete restoration of the 

molecular weight after the initial chain scission.  

Page 103: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

90  

4.3.1.2 Thermal properties of PA6/DytekA‐IPA copolyamides 

Differences  in  chemical  microstructures,  reflected  in  thermal  properties  of  the 

copolyamides synthesized by SSP and MP, can be indirectly investigated by DSC analyses. 

The  thermal characteristics are summarized  in Table 4.3 and also  represented  in Figure 

4.10.  

Table 4.3 Melting and crystallization  temperatures, and enthalpy of  transitions analyzed 

from the first and second heating and cooling runs after 24 h SSP. 

Tm1 

(°C) ∆Hm1 

(J/g) Tc(°C) 

∆Hc

(J/g) Tm2 

(°C) ∆Hm2 

(J/g) Xc1*  Xc2* 

PA6  222.2  77.3  188.1  64.1  220.6  64.1  33.6  27.9 

PA6HFIP**  220.8  85.1  186.3  65.7  219.4  60.9  37.0  26.5 

PA6SSP**  220.0  90.1  186.3  69.9  220.2  65.8  39.2  28.6 

(CL/DyI5)S1  214.3  92.4  185.5  79.8  216.3  92.2  40.2  40.1 

(CL/DyI10)S1  220.3  96.9  188.4  78.7  216.2  72.5  42.1  31.5 

(CL/DyI15)S1  217.4  100.7  176.1  71.9  208.0  63.8  43.8  27.7 

(CL/DyI20)S1  215.6  87.7  169.2  63.2  203.1  56.0  38.1  24.4 

(CL/DyI25)S1  215.2  59.7  165.5  54.0  201.9  45.6  26.0  19.8 

(CL/DyI30)S1  218.8  57.5  168.5  56.8  202.7  49.0  25.0  21.3 

(CL/DyI5)M1  213.3  63.6  164.6  53.3  211.0  54.1  27.7  23.5 

(CL/DyI10)M1  203.0  61.8  144.4  44.1  194.4  43.5  26.9  18.9 

(CL/DyI15)M1  187.8  53.4  121.1  29.0  183.7  36.5  23.2  15.9 

(CL/DyI20)M1  174.7  40.1  123.0  3.45  172.0  26.8  17.4  11.7 

*Xc1 and Xc2 represent the degree of crystallinity during the first and second heating, respectively. **PA6HFIP was obtained after dissolving in HFIP and removal of the solvent. PA6SSP was obtained after dissolving in HFIP, removal of solvent followed by SSP at 200 °C for 24 hours.  

The  homopolyamide  of  the DyI  salt was  also  synthesized  to  analyze  its molecular  and 

thermal properties for comparison. This polymer has a very broad melting peak during the 

1st melting, but shows no crystallization and melting during  the cooling and 2nd heating, 

respectively.  Polyamides  from  Dytek  A  were  reported  in  literature  before  and  it  was 

shown that because of the chemical structure of this diamine only a very  limited crystal 

formation can be possible.32‐34 These crystals totally disappear during the 2nd heating run. 

After recording the first heating DSC traces of the (CL/DyI)S1 copolyamides, it is seen that 

Page 104: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

91  

the high melting temperature of PA6 is almost retained after the incorporation of the DyI 

salt. This supports the hypothesis that DyI  is not  incorporated  in the crystalline phase of 

the PA6 and only reacts in the amorphous phase, as expected. This supports the idea that 

after SSP still  long homo PA6 chain segments exist. However, during the second heating 

there  is a decrease of the melting temperature up to 18 °C with  increasing salt content, 

when compared to the second heating of neat PA6 polymer. This is believed to be due to 

partial randomization during the second heating. Since the temperature was raised up to 

240  °C  the crystalline part was molten and mixed with  the amorphous phase, and most 

probably  some  randomization  cannot  be  avoided.    That  is  why  packing  into  perfect 

crystals  was  hindered  during  cooling  and  why  the  second  heating  results  in  a  lower 

melting temperature.  

 a.                                                                                        b. 

  

Figure 4.10 Melting temperatures from the first and second heating (a) and crystallization 

temperatures from the cooling of the copolyamides synthesized by SSP and MP (b).  

On the other hand, the crystallization temperatures decrease with increasing salt content. 

This  behavior  can  be  seen  in  Figure  4.10.b.  The  percent  crystallinities  (Xc)  of  the 

copolymers were  also  determined  from  the  ratio  of  the melting  enthalpy  of  the  first 

heating  run  (∆Hm1) and  the melting enthalpy of a completely crystalline PA6  (230  J/g).35 

Observing the crystallization behavior of the copolymers with different salt compositions 

according to 1st and 2nd heating runs,  it  is  interesting to see that for the SSP samples the 

crystallinity is increasing with respect to that of pure PA6 with increasing salt content from 

160

170

180

190

200

210

220

230

0 5 10 15 20 25 30 35

Tm

(°C

)

DyI in feed (wt%)

Tm1 MP

Tm2 MP

Tm1 SSP

Tm2 SSP

90

110

130

150

170

190

0 5 10 15 20 25 30 35

Tc

(°C

)

DyI in feed (wt%)

Tc MP

Tc SSP

Page 105: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

92  

0 to 20 wt% salt. In case of 25 and 30 wt% added salt the values fall below the crystallinity 

of the neat PA6. There might be several possible reasons for this behavior: solvent effect, 

annealing effect, differences in molecular weight, and residual salt effect.  

The  positive  effect  of  “solvent‐induced  crystallization”  during  the  solution mixing  and 

annealing effect at rather high reaction temperatures on the degree of crystallinity is well 

know. In Table 4.3 the thermal properties of PA6HFIP and PA6SSP are presented. PA6HFIP was 

prepared by dissolving PA6  in HFIP and  full  removal of  the  solvent whereas PA6SSP was 

prepared by performing SSP for 24 hours after HFIP dissolution similar to the copolymer 

synthesis by SSP. It is seen from the data shown that the crystallinity is increasing during 

the first heating run both via solvent dissolution and annealing, however, almost the same 

crystallinity  values  are  obtained  during  the  second  heating.  Thus,  solution‐induced 

crystallization and annealing have a remarkable influence on the thickening of the crystals 

during  the  first  heating  but  these  effects  disappear  during  the  second  heating where 

crystallization occurred from the melt.    

It  is  interesting to observe that although there  is no solvent and annealing effect during 

the second heating, still higher degree of crystallinities (Xc2) compared to that of neat PA6 

are observed up  to 20 wt% salt content. Molecular weights of  the copolymers decrease 

significantly compared to the molecular weight of the neat PA6, which would result  in a 

higher  crystallinity. Another possibility  can be  the effect of  traces of unreacted  IPA  left 

(0.4 wt% of the total PA6/salt amount according to UV‐SEC characterization). This residual 

IPA can act as a diluent lowering the viscosity and facilitating the crystallization. However, 

since the weight ratio of this unreacted IPA is quite low it is more likely that the calculated 

Xc2  values  are more dependent on decreasing Mn  values.  These data demonstrate  that 

significantly  lower Mn values of  the  copolyamides  compared  to  the Mn of PA6 enhance 

crystallization. However,  it  is also observed  that with  increasing  salt  content  this effect 

becomes  less  dominant  as  the  salt  part  starts  acting  as  an  impurity.  Incorporated  salt 

residues  are not expected  to  co‐crystallize with  the PA6 blocks, but  they will  act  as  an 

impurity leading to less perfect crystal formation.  

Page 106: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

93  

In case of the copolyamides synthesized  in the melt, the melting temperatures decrease 

with respect to neat PA6 even for  low weight percentages of DyI salt  in the feed. This  is 

already  the  case  for  the  first heating  run. The  same  trend  is  seen  for Tc and degree of 

crystallization Xc values. Tm values even drop down to 172 °C and Tc to 128 °C pointing to a 

deterioration of  the crystallization behavior and a disruption of  the crystalline phase by 

formation  of  a  random  microstructure  after  the  melt  synthesis.  Xc  data  are  also 

significantly lower than the Xc of the copolyamides prepared by SSP.  

0 5 10 15 20 25 30

10

15

20

25

30

35

40

45

Cry

stal

linity

(%

)

DyI salt (wt%)

SSP, 1st heating

SSP, 2nd heating

MP , 1st heating

MP , 2nd heating

 

Figure 4.11 Crystallinity (Xc) of the copolyamides as a function of DyI wt% in feed.   

4.3.2 High molecular weight PA6/Dytek A‐IPA copolyamides via SSP and MP 

4.3.2.1 Molecular characterization of PA6/Dytek A‐IPA copolyamides  

As  explained  before,  higher  molecular  weight  PA6/Dytek  A‐IPA  copolyamides  were 

prepared  by  improving  the  synthetic  procedure  and  by  preventing  excessive  Dytek  A 

diamine loss during the synthesis. Salt amounts of 10, 20 and 30 wt% were used both for 

SSP and MP reactions. The characteristics of these copolymers are shown in Table 4.4.   

 

Page 107: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

94  

Table 4.4 Characteristics of homopolymers of PA6 and Dytek A‐IPA salt, and of copolymers 

prepared by adapted solid state (SSP) and melt (MP) reactions. 

  

Composition  feed             

(CL/DyI)   

Composition after SSP and MP       

(CL/DyI) by 1H NMR    

Composition after SSP and MP       

(CL/DyI) by 13C NMR    

Mn (SEC)  PDI 

   wt%  mol%     mol%     mol%     kg/mol 

PA6   100/0  100/0  –  –  36  1.9 

PA6SSP  100/0  100/0  –  –  79  2.0 

(CL/DyI10)S2  90/10  92/8  93/7  n.a.  24  2.4 

(CL/DyI20)S2  80/20  83/17  84/16  86/14  17  2.4 

(CL/DyIEx.)S2  80/20  83/17  85/15  n.d.  21  2.5 

(CL/DyI30)S2  70/30  74/26  75/25  78/22  12  2.4 

(CL/DyI10)M2  90/10  92/8  92/8  90/10  27  1.9 

(CL/DyI20)M2  80/20  83/17  85/15  83.1/17  23  1.8 

(CL/DyI30)M2  70/30  74/26  77/23  73/27  22  2.0 

DyI HP  0/100  0/100  0/100  0/100  24  2.5 

n.a.= not available. It was not possible to determine the composition of (CL/DyI10)S2 copolyamide from 13C NMR   

due to very low intensities of the salt peaks.                                                                             n.d.= not determined. Quantitave

 13C NMR measurement of (CL/DyIEx.)S2 was not performed.  

 

In  Figure  4.12.a  changes  in  the  RI  polymer  and  monomer  peaks  in  the  RI  SEC  for 

(CL/DyI20)S2 samples recorded during the reaction are shown. Similar to the low molecular 

weight copolymers prepared by SSP initially (see earlier), a decrease in molecular weight is 

seen caused by chain scission reactions. When the peak of the more reactive Dytek A part 

of  the DyI salt had completely vanished after 12 hours  (in a closed vessel),  the  reaction 

temperature was  raised  to 200  °C and an  inert gas stream was  flushed  through  the SSP 

reactor to complete the incorporation of IPA and to promote the removal of condensation 

water,  respectively. Consequently,  the polymer peak  shifts back  to  lower  elution  times 

because  polycondensation  takes  place.  Since  in  the  previous  set  of  experiments most 

chain  ends  carried  COOH  groups,  polycondensation  and  restoration  of  the  molecular 

weight  was  impossible.  As  IPA  starts  reacting  with  the  excess  of  amine  end  groups 

Page 108: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

95  

polymer  chains  recombine  resulting  in  an  increase  of  the molecular weight.  Although 

higher molecular weights were obtained compared to previous set of polymers, they still 

were not as high as the initial molecular weight of the PA6. This is most probably because 

there is still a small loss of diamine causing an imbalance of the amine and carboxylic acid 

end groups. Although a  closed  system was used at  the  first  stage of  the SSP,  complete 

incorporation of the diamine was not possible. Some of the Dytek A was gathered at the 

top of the vial as vapor and therefore did not take part in the reaction.   

14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

UA

Elution time (min)

0 h

0.5 h

1 h

2 h

4 h

8 h

12 h

16 h

24 h

14 16 18 20 22 24 26 28 30

MV

Elution time (min)

0 h

0.5 h

1 h

2 h

4 h

8 h

12 h

16 h

24 h

Dytek IPA

No

rma

lized

RI S

EC

sig

nal

Norm

aliz

ed U

V S

EC

sig

nal

a. b.

Figure  4.12  SEC  chromatograms  of  (PA6/DyI20)S2  samples  at  different  reaction  times 

recorded with an RI detector (a) and an UV detector (b).  

Figure 4.12.b shows SEC UV chromatograms of the samples can be seen taken at various 

times. As  IPA  takes part  in  the  reaction,  especially  after  12 hours when  the mixture  is 

transferred  to  the  SSP  reactor  at  200  °C  with  a  continuous  inert  gas  stream,  it  is 

incorporated into the polymer chains which then become UV‐active. After 24 hours all the 

IPA  has  reacted  and  is  not  visible  anymore  at  an  elution  time  of  34.5 minutes.  Chain 

scission via transreactions followed by polycondensation reactions can also be followed in 

Figure 4.13. During the first 8 hours of reaction PDI has an increasing trend. For reaction 

times  longer than 8 hours PDI drops down as the molecular weight  increases. A possible 

explanation for this behavior was already made  in the previous section. PDI can  increase 

due  to  branching  and  crosslinking  reactions  throughout  the  reaction. However,  as  the 

extent of these reactions increase then, it will not be possible to filter the insoluble parts 

Page 109: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

96  

formed  which  will  result  in  a  decrease  of  PDI.  This  also  means  that  SEC  data  are 

underestimated  due  to  the  removal  of  some  branched/crosslinked  parts  via  filtration 

before the measurement.    

Higher molecular weights were also achieved in the case of MP reactions by adding excess 

amounts of Dytek. This indeed compensated for the diamine loss (see Table 4.4).  

0 4 8 12 16 20 240

5

10

15

20

25

30

35

40

Mn

PDI

Time (h)

Mn S

EC

(kg

/mol)

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

PD

I

 

Figure 4.13 Molecular weight and PDI of (CL/DyI20)S2 as a function of SSP reaction time.  

4.3.2.2 Sequence distribution and degree of randomness analyses by 13C NMR 

13C NMR is an effective tool for the structural characterization of copolymers synthesized 

via solid state and melt polymerization. As discussed before, Dytek A‐IPA salt should only 

be  incorporated  in  the  amorphous  phase  during  the  SSP,  rendering  a  blocky  structure 

consisting of copolyamide blocks (amorphous part + salt) and homo PA6 blocks (present in 

crystals during SSP), whereas a totally random distribution  is expected  in the case of the 

melt  reaction.  The differences  in  chemical microstructures of  these  copolymers  can be 

established by dyad sequence analysis. The 13C NMR spectrum of (CL/DyI20)S2 copolyamide 

with assignments of the peaks is shown in Figure 4.14. The corresponding chemical shifts 

of the peaks are shown in Table 4.5. 

 

Page 110: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

97  

Table 4.5 13C NMR chemical shifts of corresponding peaks. 

Carbon  c  B  C  e  D  d  b  A  E 

Chemical shift  16.2  24.9  25.7  25.9  27.9  30.8  32.7  35.9  39.6 

Carbon  f  a  g  i  h  n  m  p  COOH 

Chemical shift  40.3  46.3  125.1  129.5  130  134.1  169.9  176.8  179.4 

 

 

Figure  4.14  13C  NMR  spectrum  of  (CL/DyI20)S2  copolyamide  recorded  in  a  3/1  vol/vol 

HFIP/CDCl3 mixture.  

For the sequence analysis, the chemical shifts of the methylene carbon atoms connected 

to  the amide  linkage but with different chemical environments were monitored. All  the 

expected chemical shifts for this carbon are shown in Table 4.6. The region where all the 

corresponding shifts are present  is shown  in Figure 4.15. This methylene carbon gives a 

shift at 39.59 ppm for the neat PA6. On the other hand, the reaction of Dytek A diamine 

with IPA results in two different chemical shifts due to the presence of the methyl group. 

This methyl group can either be connected to C2 or C4 of the Dytek A diamine residue (see 

Figure  4.2)  resulting  in  two  signals  at  46.23  and  40.58  ppm  for  the  Dytek  A‐IPA  salt 

homopolymer. For  the copolymers of PA6 and  the salt  three additional dyad sequences 

2030405060708090100110120130140150160170180

p

m nh i g

HFIP HFIP

a f

E A BC

D

cbd e

ppm

ab

c

d

e

f g

hi

m nAC

BD

E

OO

NH

coNH

CH3

HN

O

x yh

mn p

Page 111: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

98  

are expected. The CL residue of the PA6 can be next to an IPA residue from the salt (40.27 

ppm) and a Dytek diamine residue can be next to a CL unit  (45.55 and 39.91 ppm). The 

methyl group of the Dytek residue will again give two different shifts, as in the case of the 

salt  homopolymer.  The  peak  at  42.9  ppm  (see  Figure  4.15)  appears  as  a  result  of  the 

additives present  in the PA6 and  is thus not related to dyad sequences. Since all the 13C 

NMR measurements were done for quantitative analysis (check the experimental section 

for  details)  it  is  possible  to  calculate  the  integral  values  and  to  find  the  degree  of 

randomness for each copolymer. This was done after deconvolution of the peaks and by 

normalizing  the  sum  of  the  peak  areas  to  1.  The  degrees  of  randomness  (R)  of  the 

copolymers were calculated using the following equations:21  

Fcopolymer = C1 + C2 + C3                 (4.4) 

FCL = C1 + PA6                (4.5) 

Fsalt = C2 + C3 + SH1 + SH2              (4.6) 

R = Fcopolymer, total /(2∙FCL∙Fsalt )                 (4.7)  

mol% salt = Fsalt /(FCL+Fsalt)                                                                                                 (4.8) 

The corresponding chemical shifts for the abbreviations used in the equations are shown 

in Table 4.6. Fcopolymer, FCL and Fsalt are the mol fractions of the total amount of copolymers, 

caprolactam and salt, respectively. C1, C2, C3, PA6, SH1 and SH2 represent the peak areas 

of  the  corresponding  shifts.  It  is possible  to  calculate  the molar percentage of  the  salt 

present in the copolymers by using equation (4.8). These compositions are shown in Table 

4.4.  For  the  (PA6/DyI)S2  copolymers  the mol  percentages  of  the  salt  at  the  end  of  the 

reaction were lower than the feed compositions, whereas for (PA6/DyI)M2 values closer to 

the feed compositions were obtained. This is due to the more pronounced loss of Dytek A 

diamine during the SSP. During MP this loss was prevented by the addition of excess Dytek 

A.  

 

Page 112: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

99  

Table 4.6 Assignment of  the methylene carbon  resonances  (marked with an asterisk)  in 

the PA6‐DyI salt copolymers for possible dyad sequences.  

 

Since  a  statistical  distribution  of  added  comonomer  is  expected  for  melt 

copolymerizations  R  should  be  close  to  1.  An  R  value  less  than  1  points  to  a  blocky 

structure. As presented  in the  last column of Table 4.7, the total degree of randomness 

for  (CL/DyI20)S2  and  (CL/DyI30)S2  is  calculated  to  be  0.51  and  0.45,  respectively,  which 

indeed reveals that a non‐random distribution of the DyI salt is achieved after SSP. In case 

of  copolyamides  synthesized  in  the melt a  random distribution of  the  salt  into  the PA6 

backbone  is proven, as the R values calculated  from the 13C NMR data are very close to 

unity.  These  results  show  that  the  crystalline  part  of  the  PA6  is  not  involved  in  the 

transamidation reactions occurring during the SSP.  

 

Page 113: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

100  

 

Figure 4.15 Expanded part of the 13C NMR spectrum of PA6, salt homopolymer  (DyI HP) 

and  copolyamides  prepared  by  SSP  and MP with  30 wt% DyI  salt  in  feed.  Spectra  are 

recorded in a HFIP/CDCl3 3/1 vol/vol solvent mixture. 

It  is also possible  to  calculate  the number average block  lengths of  the dyads  from  the 

equations shown below:21 

LCL‐CL=(PA6/C1)+1               (4.9) 

LDY‐IPA=((SH1+SH2)/(C2+C3))+1            (4.10) 

LCL‐IPA=(C1/PA6)+1              (4.11) 

LDY‐CL=((C2+C3)/(SH1+SH2))+1            (4.12) 

(CL/DyI)S2  samples have  long homologous block  lengths  for PA6  (CL‐CL) while  (CL/DyI)M2 

copolymers  have  shorter  homoblocks  which  significantly  decrease  in  length  with  the 

increasing amount of  incorporated salt. Salt homoblock  lengths  (DY‐IPA) are also  longer 

for  (CL/DyI)S2  samples.  The  CL‐IPA  block  lengths  are  almost  the  same  in  both  type  of 

polymers whereas DY‐CL block lengths are longer for (CL/DyI)M2 copolyamides, indicating a 

more  random  distribution  of Dytek A  in  the  copolyamide  chain.  The microstructure  of 

(PA6/DyI20)S2  copolymer was  checked after  leaving  in melt  to analyze  the effect of melt 

Page 114: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

101  

processing  (sample code:  (CL/DyI20)S2‐MP).  It was put  into a vial, pressurized with argon 

and  immersed  in a salt bath at 250 °C  for 10 minutes.  It  is seen that although the block 

lengths slightly change after the melting, the same degree of randomness value as before 

the melting was  retained. This  shows  that within  reasonable processing  times  the non‐

random microstructure of the copolymers are not changed.  

Table 4.7 Number average block lengths and degrees of randomness of the copolyamides 

prepared by SSP and MP. 

CL‐CL  DY‐IPA  CL‐IPA  DY‐CL  R 

(CL/DyI20)S2  11.82  2.80  1.09  1.56  0.51 

(CL/DyI30)S2  9.07  3.09  1.12  1.48  0.45 

(CL/DyI10)M2  10.35  1.13  1.10  8.67  0.97 

(CL/DyI20)M2  5.78  1.13  1.21  9.03  1.03 

(CL/DyI30)M2  3.61  1.37  1.39  3.71  1.02 

(CL/DyI20)S2‐MP  14.31  2.33  1.08  1.75  0.51 *** This sample was prepared by keeping the (PA6/DyI20)S2 copolymer at 250 °C for 10 minutes. 

4.3.3.3 Thermal properties of the copolyamides prepared with limited Dytek A loss 

In  Section  4.3.2.1  the  thermal  properties  of  low  molecular  weight  PA6/Dytek  A‐IPA 

copolyamides and differences  in  crystallization behavior of  copolymers obtained by SSP 

and  MP  were  discussed  in  detail.  It  was  shown  that  copolyamides  prepared  by  SSP 

exhibited  superior  thermal  properties  to  polymers  prepared  by  MP.  Thermal 

characteristics  of  the  high molecular weight  copolyamides  are  shown  in  Table  4.8  and 

from the presented data the same conclusion can also be drawn for these polymers.  First 

and  second heating  runs of  (CL/DyI)S2 and  (CL/DyI)M2 copolyamides are  shown  in Figure 

4.15.  These  DSC  curves  show  that  during  SSP  the  Tm  values  are  only  slightly  reduced 

compared to the Tm of neat PA6, while there  is a significant difference compared to MP. 

This  is  best  seen  for  30  wt%  salt  addition,  where  in  case  of  (CL/DyI30)M2  no  melting 

endotherm  is observed during  the second heating,  indicating that  the chain regularity  is 

totally destroyed with the presence of high amounts of randomly distributed Dytek A and 

Page 115: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

102  

IPA  residues, whereas  the  (CL/DyI30)S2 copolyamide still exhibits distinct  first and second 

heating melting peaks.  

As it was well described previously, for the increasing crystallinity during the first heating 

run  of  the  copolyamides  prepared  by  SSP  there  can  be  solvent‐induced  crystallization 

and/or an annealing effect as well as molecular weight effect and diluent effect of the salt 

or  residual  IPA during  the SSP. During  the  first heating, percent  crystallinity  (Xc1) of  the 

copolymers prepared by SSP  (except  the one prepared by 30 wt%  salt) are higher  than 

that of neat PA6. This  is because of annealing and solvent  induced crystallization. For 30 

wt% salt content in the feed these effects might be overruled by the impurity effect of the 

salt  leading  to a decrease  in crystallinity. However, during  the second heating  lower Xc2 

values for the (CL/DyI)S2 copolymers were obtained compared to that of neat PA6. In case 

of low molecular weight (CL/DyI)S1 copolymers higher values of ∆Hm2 were observed up to 

20 wt% salt in feed. Since the influence of residual salt or IPA is expected to be negligible, 

this obvious difference in Xc2 values between the 1st and 2nd set of copolyamides should be 

due  to  the  differences  in  molecular  weights.  Distinct  increase  in  molecular  weights 

achieved  by  keeping  the  diamine  loss  less,  result  in  a  lower  degree  of  crystallinity 

compared to the first set of low molecular weight copolyamides (Table 4.3).  

For (CL/DyI)S2 copolyamides a narrow and sharp melting peak  is obtained during the first 

heating run, which  is generally observed during SSP since the crystals have enough time 

for reaching a more perfect chain packing. During the second heating however a decrease 

of a few degrees in Tm values is observed due to some randomization as explained in the 

previous  section.   Double melting  peaks  occur, most probably  as  a  result  of  the  initial 

melting of imperfect crystals followed by recrystallization into more perfect crystals upon 

heating and remelting at a higher temperature.36, 37 

 

Page 116: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

103  

Table 4.8 Melting  and  crystallization  temperatures,  and  enthalpy of  transitions derived 

from the first and second heating and cooling runs. 

 Tm1 

(°C) ∆Hm1  

(J/g) Tc(°C) 

∆Hc

(J/g) Tm2

(°C) ∆Hm2

(J/g) Xc1*  Xc1* 

PA6  222.2  77.3  188.1  64.1  220.6  64.1  33.5  27.9 

PA6HFIP**  220.8  85.1  186.3  65.7  219.4  60.9  37.0  26.5 

PA6SSP**  220.0  90.1  186.3  69.9  220.2  65.8  39.2  28.6 

(PA6/DyI10)S2  219.0  95.0  183.0  62.0  216.4  61.3  41.3  26.7 

(PA6/DyI20)S2  218.2  81.2  175.4  50.7  211.9  49.4  35.3  21.5 

(PA6/DyIEx.)S2  217.5  79.3  175.8  52.4  211.5  47.1  34.5  20.5 

(PA6/DyI30)S2  217.8  70.1  166.4  40.9  207.1  38.6  30.5  16.8 

(PA6/DyI10)M2  203.5  56.9  155.9  46.2  194.8  43.2  24.7  18.8 

(PA6/DyI20)M2  182.7  53.9  134.5  30.3  179.2  29.5  23.5  12.8 

(PA6/DyI30)M2  173.3  33.2  —  —  —  —  14.4  — 

(PA6/DyI20)S2‐MP*** 

213.7  54.9  174.1  54.7  209.7  51.1  21.9  22.2 

*Xc1 and Xc2 represent the degree of crystallinity during the first and second heating, respectively. **PA6HFIP was obtained after dissolving in HFIP and removal of the solvent. PA6SSP was obtained after dissolving in HFIP, removal of solvent followed by SSP at 200 °C for 24 hours. *** This sample was prepared by keeping the (PA6/DyI20)S2 copolymer at 250 °C for 10 minutes. 

 

When the cooling runs of (CL/DyI)S2 and (CL/DyI)M2 copolyamides are studied in both cases 

the crystallization peak is getting smaller and broader with increasing salt fraction, which 

means  that  crystal  growth  is  retarded  in  both  cases  because  of  the  presence  of  non‐

crystallizable salt units (Figure 4.17). In case of (CL/DyI30)M2 no recrystallization is observed 

during cooling, which points to a totally amorphous microstructure.  In Picture 4.1 a PA6 

homopolymer and copolyamides formed by melt polymerization with 10, 20 and 30 wt% 

salt are shown. It can be seen in this picture that the opacity of the polymers is decreasing 

with increasing salt fraction, indicating the reduction of the crystalline phase.  

 

  

Page 117: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

104  

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

(CL/DyI30

)S2

(CL/DyI10

)S2

(CL/DyI20

)S2

Temperature (ºC)

H

eat f

low

, En

do d

own

(W

/g)

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Temperature (ºC)

Hea

t flo

w, E

ndo

dow

n (

W/g

)

(CL/DyI30

)M2

(CL/DyI10

)M2

(CL/DyI20

)M2

a. b.

 Figure 4.16 DSC traces of the first (‐‐‐) and second heating (―) cycle of (CL/DyI)S2 (a) and 

(CL/DyI)M2 (b) copolyamides. 

 

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Temperature (ºC)

He

at f

low

, E

ndo

dow

n (

W/g

)

(CL/DyI30

)M2

(CL/DyI10

)M2

(CL/DyI20

)M2

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Temperature (ºC)

Hea

t flo

w,

End

o do

wn

(W/g

)

(CL/DyI30

)S2

(CL/DyI10

)S2

(CL/DyI20

)S2

a. b.

 

Figure  4.17  DSC  traces  of  the  cooling  cycle  of  (CL/DyI)S2  (a)  and  (CL/DyI)M2  (b) 

copolyamides. 

In Figure 4.18 the crystallinities of all the copolyamides are presented. A similar behavior 

as  in  the  case  of  low  molecular  weight  copolyamides  is  observed  and  a  very  clear 

difference  between  the  crystallinities  of  the  copolyamides  prepared  by  SSP  and MP  is 

seen.  

 

Page 118: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

105  

 

Picture  4.1  PA6,  (CL/DyI10)M2  ,  (CL/DyI20)M2  and  (CL/DyI30)M2  copolyamides  just  after  the 

melt polymerization (from left to right). 

0 5 10 15 20 25 3010

15

20

25

30

35

40

45

DyI salt (wt%)

Cry

sta

llin

ity (

%)

SSP, 1st heating

SSP, 2nd heating

MP , 1st heating

MP , 2nd heating

 

Figure 4.18 Crystallinity (Xc) of the copolyamides as a function of DyI wt% in feed.   

To make the differences in thermal properties of copolyamides synthesized by SSP and MP 

more clear heating and cooling curves of PA6,  (CL/DyI20)S2,  (CL/DyIEx.)S2,  (CL/DyI20)M2 and 

DyI  homopolymer  were  put  together  and  compared  (Figure  4.19).  These  (CL/DyI20)S2, 

(CL/DyIEx.)S2 and  (CL/DyI20)M2  copolyamides were all  synthesized with 20 wt%  salt  in  the 

feed, however, the Mn of (CL/DyIEx.)S2 (21 kg/mol) is better comparable to (CL/DyI20)M2 (23 

kg/mol), so that the molecular weight effect on the thermal properties can be excluded. 

Although  (CL/DyIEx.)S2  has  a  little  bit  higher  molecular  weight  than  (CL/DyI20)S2,  their 

thermal  properties  are  almost  the  same.  However, when  these  two  copolyamides  are 

compared with (CL/DyI20)M2, a very significant difference is seen both for the melting and 

the cooling  runs. There  is a shift  to much  lower  temperatures both  in Tm and Tc  for  the 

random (CL/DyI20)M2 while they are almost retained in case of other blocky copolyamides. 

Page 119: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

106  

Even higher heating and crystallization enthalpies are observed for SSP when compared to 

PA6. These  facts were already discussed earlier  in this chapter.  It  is also shown that DyI 

salt  homopolymer  is  totally  amorphous,  showing  only  a  glass  transition  temperature 

around  140  °C.  From  these  results,  after  excluding  the  possible  influence  of molecular 

weight, it is very obvious that salt incorporation of relatively high amounts of salt by SSP 

does not severely  influence  the crystallization behavior.  In contrast,  for  low  fractions of 

salt the crystallinity  is  improved, possibly by the plasticizing effect of some residual salt. 

On the other hand, melt polymerization  leads to a random distribution of the salt  in the 

polymer chain resulting in the deterioration of the chain regularity and as a consequence 

in a reduction of the thermal properties.  

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

(CL/DyIEx.

)S2

(CL/DyI20

)M2

(CL/DyI20

)S2

DyI HP

Temperature (ºC)

Hea

t flo

w,

En

do d

ow

n (

W/g

)

PA6

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Temperature (ºC)

He

at

flow

, E

ndo

do

wn

(W

/g)

(CL/DyIEx.

)S2

(CL/DyI20

)M2

(CL/DyI20

)S2

DyI HP

PA6

a. b.

 

Figure 4.19 Comparison of first (‐‐‐) and second heating (―) curves (a) and cooling curves 

(b) of PA6, (CL/DyI20)S2, (CL/DyIEx.)S2, (CL/DyI20)M2 and DyI HP.  

To check the thermal properties after melt processing the (PA6/DyI20)S2 copolymer was put 

into a vial, pressurized with argon and immersed in a salt bath at 250 °C for 10 minutes as 

explained in the previous section. The thermal properties of this polymer are presented in 

the bottom  row of Table 4.8  ((PA6/DyI20)S2‐MP).  It  can be  seen  that Tc, Tm2 and  χheating2 

values of this polymer are very close to that of (CL/DyI20)S2 copolymer (174.1 °C, 209.7 °C 

and 22.2,  respectively) and much higher  than  the corresponding values  for  (CL/DyI20)M2. 

This shows that even after melt processing of the copolymers prepared by SSP, relatively 

high degree of crystallization can still be retained.  

Page 120: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

107  

4.4 Conclusions 

The  incorporation  of  the  Dytek  A‐IPA  (DyI)  nylon  salt  into  PA6  below  the  melting 

temperature  of  the  polymer was  successfully  achieved.  By  this method  low molecular 

weight  and  respectively higher molecular weight PA6/DyI  copolyamides were obtained, 

the latter by improving the reaction procedure and by limiting the diamine loss during the 

SSP procedure. Reaction of PA6 with both components was monitored by RI and UV SEC. 

Incorporation  of  Dytek  A  and  IPA  can  occur  via  aminolysis  and  acidolysis  reactions, 

respectively. On the other hand the apparently more reactive diamine may break the PA6 

chains and form an excess of amine end groups, to which the IPA monomer may add by a 

condensation reaction. If the loss of diamine is reduced, firstly, in the SEC chromatograms 

a  decrease  in  molecular  weight  is  observed  due  to  chain  scission  by  transamidation 

reactions  and,  at  a  later  stage,  at  a  higher  temperature  and  in  the  presence  of  a 

continuous  inert  gas  stream  through  the  SSP  reactor,  a built‐up  in molecular weight  is 

seen due to polycondensation.  

Melt  polymerizations  (MP)  with  the  same  CL/DyI  compositions  were  also  done.  A 

comparison  of  the melting  temperatures  of  the  copolymers  prepared  by  SSP  and MP 

revealed that the high Tm and Tc values of the PA6 are almost retained after SSP, while a 

significant decrease  is observed after MP.   Additionally, for the first set of copolyamides 

higher crystallinities were obtained by SSP compared to neat PA6 up to a certain amount 

of  salt  addition,  which  is  believed  to  be  caused  by  low  molecular  weights  of  the 

copolyamides.   

13C NMR was used as an effective  tool  to  characterize  the  sequence distribution of  the 

copolymers  obtained  after  SSP  and  MP.  The  degree  of  randomness  (R)  of  the 

copolyamides synthesized by SSP point to a blocky microstructure (R=0.4‐0.5) whereas the 

R values of the copolyamides obtained via MP point to a totally random distribution of the 

PA6 and the DyI salt (R≈1.0). Both results obtained by DSC and 13C NMR are in agreement 

and confirm the non‐random, block‐like distribution obtained after SSP reactions. This  is 

realized by the exclusion of the  long PA6 chain parts, present  in the crystals during SSP, 

Page 121: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

108  

from  the  transreactions.    The  blocky  microstructure  obtained  after  SSP  is  almost 

completely  retained after a melt  treatment  for 10 minutes at 250  °C as  shown by both 

thermal analysis and by 13C NMR R calculations. This indicates that these copolyamides are 

suitable for processing without any reduction of the good properties.  

 

References 

1. Aharoni,  S. M.,  n‐Nylons:  Their  Synthesis,  Structure,  and  Properties.  John Wiley &  Sons  Inc: West 

Sussex, 1997. 

2. Kohan, M. I., Nylon Plastics Handbook. Hanser Gardner: 1995. 

3. Jo, W. H.; Baik, D. H. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 1989, 27, (3), 673‐687. 

4. Novitsky, T. F.; Mathias, L. J. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2011, 49, (10), 2271‐2280. 

5. Vouyiouka, S. N.; Karakatsani, E. K.; Papaspyrides, C. D. Prog. Polym. Sci. 2005, 30, (1), 10‐37. 

6. Gaymans, R. J.; Amirtharaj, J.; Kamp, H. J. Appl. Polym. Sci. 1982, 27, (7), 2513‐2526. 

7. James, N. R.; Sivaram, S.; Ramesh, C. Macromol. Chem. Phys. 2001, 202, (11), 2267‐2274. 

8. James, N. R.; Sivaram, S.; Ramesh, C. Macromol. Chem. Phys. 2001, 202, (7), 1200‐1206. 

9. Jansen, M. A. G.; Goossens, J. G. P.; de Wit, G.; Bailly, C.; Koning, C. E. Macromolecules 2005, 38, (7), 

2659‐2664. 

10. Jansen, M. A. G.; Goossens, J. G. P.; de Wit, G.; Bailly, C.; Koning, C. E. Anal. Chim. Acta 2006, 557, (1‐

2), 19‐30. 

11. Jansen, M. A. G.; Goossens,  J. G. P.; de Wit, G.; Bailly, C.; Schick, C.; Koning, C. E. Macromolecules 

2005, 38, (26), 10658‐10666. 

12. Jansen, M. A. G.; Goossens, J. G. P.; Wu, L. H.; de Wit, G.; Bailly, C.; Koning, C. E. J. Polym. Sci., Part A: 

Polym. Chem. 2007, 45, (5), 882‐899. 

13. Jansen, M. A. G.; Goossens, J. G. P.; Wu, L. H.; De Wit, G.; Bailly, C.; Koning, C. E.; Portale, G. J. Polym. 

Sci., Part A: Polym. Chem. 2008, 46, (4), 1203‐1217. 

14. Sablong, R.; Duchateau, R.; Koning, C. E.; Pospiech, D.; Korwitz, A.; Komber, H.; Starke, S.; Haussler, L.; 

Jehnichen, D.; Landwehr, M. A. D. Polym. Degrad. Stab. 2011, 96, (3), 334‐341. 

15. Sablong,  R.;  Duchateau,  R.;  Koning,  C.  E.;  de Wit,  G.;  van  Es,  D.;  Koelewijn,  R.;  van  Haveren,  J. 

Biomacromolecules 2008, 9, (11), 3090‐3097. 

16. Goodman, I.; Maitland, D. J.; Kehayoglou, A. H. Eur. Polym. J. 2000, 36, (7), 1301‐1311 

17. Mathias, L. J.; Davis, R. D.; Steadman, S. J.; Jarrett, W. L. Macromolecules 2000, 33, (19), 7088‐7092. 

18. Mathias, L. J.; Davis, R. D.; Jarrett, W. L. Polymer 2001, 42, (6), 2621‐2626. 

19. Yamadera, R.; Murano, M. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1967, 5, (9Pa1), 2259‐&. 

20. Kricheldorf, H. R.; Hull, W. E. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1978, 16, (9), 2253‐2264. 

21. Aerdts, A. M.; Eersels, K. L. L.; Groeninckx, G. Macromolecules 1996, 29, (3), 1041‐1045. 

22. Eersels, K. L. L.; Aerdts, A. M.; Groeninckx, G. Macromolecules 1996, 29, (3), 1046‐1050. 

23. Kint, D. P. R.; de Ilarduya, A. M.; Munoz‐Guerra, S. Macromolecules 2002, 35, (1), 314‐317. 

24. Asakura, T.; Matsuda, H.; Miki, T. Macromolecules 2002, 35, (12), 4664‐4668. 

25. Samperi, F.; Montaudo, M. S.; Puglisi, C.; Di Giorgi, S.; Montaudo, G. Macromolecules 2004, 37, (17), 

6449‐6459. 

26. Denchev, Z.; Kricheldorf, H. R.; Fakirov, S. Macromol. Chem. Phys. 2001, 202, (4), 574‐586. 

27. C.D. Papaspyrides, S. N. V., Solid‐state polymerization. John Wiley & Sons, Inc.: Hoboken, NJ, 2009. 

Page 122: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 4

109  

28. K.L.L. Eersels, A. M. Aerdts, G. Groeninckx, Reactive Melt Processing of Aliphatic/Aromatic Polyamide 

Blends:  Effect  on  Molecular  Structure,  Semicrystalline  Morphology,  and  Thermal  Properties,  in 

Transreactions in Condensation Polymers Wiley‐VCH Verlag GmbH: Weinheim, 2007; p 268. 

29. Feijen, J.; Stapert, H. R.; Bouwens, A. M.; Dijkstra, P. J. Macromol. Chem. Phys. 1999, 200, (8), 1921‐

1929. 

30. Kotliar, A. M. J. Polym. Sci., Part D: Macromol. Rev. 1981, 16, 367‐395. 

31. Flory, P. J., Principles of Polymer Chemistry. Cornell University Press: 1953. 

32. Keating, M. Y.; Gardner, K. H.; Ng, H.; Marks, D. N.; Yung, W. S.; Avakian, P.; Starkweather, H. W.  J. 

Therm. Anal. Calorim. 1999, 56, (3), 1133‐1140. 

33. Starkweather, H. W.; Avakian, P.; Gardner, K. H.; Hsiao, B. S.; Keating, M. Y.; Ng, H.  J. Therm. Anal. 

Calorim. 2000, 59, (1‐2), 519‐530. 

34. Stouffer, J. M.; Starkweather, H. W.; Hsiao, B. S.; Avakian, P.; Jones, G. A. Polymer 1996, 37, (7), 1217‐

1228. 

35. Wunderlich, B., Macromolecular Physics. Academic Press: New York, 1980; Vol. 3. 

36. Roberts, R. C. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Lett. 1970, 8, (5), 381‐384. 

37. Todoki, M.; Kawaguchi, T. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 1977, 15, (6), 1067‐1075. 

 

Page 123: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 4

110  

Page 124: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

111  

CHAPTER 5  INVESTIGATION OF LOCAL CHAIN CONFORMATION AND MORPHOLOGY OF 

POLYAMIDE 6 MODIFIED BY A SEMI‐AROMATIC NYLON SALT 

Summary  

Structural and conformational differences between  the PA6 homopolymer and  two high 

molecular weight copolymers of PA6 named as (CL/DyI20)S2 and (CL/DyI30)S2 and containing 

20 and 30 wt% Dytek A‐IPA  (DyI) salt  in the  feed, respectively, were  investigated. Room 

temperature WAXD analysis together with solid state CP/MAS 13C NMR showed that there 

is no cocrystallization of the DyI salt with the PA6 repeat units. A steady decrease of the 

degrees  of  crystallinity  with  increasing  amount  of  incorporated  DyI  salt  as  well  as  a 

transformation  of  trans  conformers  into  gauche  conformers  were  observed  both  by 

performing temperature‐dependent FTIR and solid state NMR measurements.  

 

 

 

 

 

Page 125: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 5

112  

5.1 Introduction  

Polyamide  6  (PA6)  is  a  semi‐crystalline  polymer  which  exhibits  excellent  physical  and 

mechanical properties as well as chemical stability, mostly due  to  its well‐known strong 

hydrogen  bonding  ability.1,  2 Modification  of  PA6 with monomers  or  polymers  can  be 

required  for  some desired applications. However,  this modification  is mostly performed 

via  melt  reactions  where  random  copolymers  are  obtained  and,  as  a  result,  the 

crystallization behavior is negatively affected.  

In order to overcome this negative effect of melt polymerizations, which  leads to worse 

mechanical and physical properties for end applications, an alternative technique can be 

used which is solid‐state polymerization (SSP).3 During the SSP reactions incorporation of 

other monomers or polymers  into PA6  can be  achieved well  above  the  glass  transition 

temperature but below the melting temperature of PA6, where the parts of the chains in 

the  amorphous  phase  are mobile  enough  to  take  part  in  the  polycondensation  and/or 

transreactions. By this way, the crystalline phase of PA6 is not affected and remains intact 

while the amorphous phase is modified, resulting in a blocky chemical microstructure.4 

The crystalline structure of PA6 was described in Chapter 1 where it was mentioned that 

PA6 exists in two major crystal forms: the monoclinic α form where the chains are in the 

fully extended configuration  in an anti‐parallel  fashion and  the pseudohexagonal  γ  form 

where  the parallel  chains  are  twisted  approximately  60° out of plane of  the molecular 

sheets.5, 6 In the α form the amide linkages and methylene units lie in the same plane and 

hydrogen  bonds  only  occur  between  the  chains  forming  β  sheets  of  hydrogen‐bonded 

chains  and  for  PA6  this  form  is  thermodynamically  is  the most  favored one.  The  X‐ray 

diffraction profiles of  the  α phase display  typical  reflections at 2θ=20.4° and 23.7° with 

crystal  planes  of  (200)  and  (002/202),  respectively.  On  the  other  hand  the  γ  phase 

possesses two diffraction peaks at 2θ=21.8° and 11° with reflections of the (001) and (020) 

crystal  planes,  respectively.7  There  are  also  other  crystal  forms  of  PA6  reported  in 

literature which are mainly variations of these two crystal forms, however, most of them 

are  not  stable.6,  8‐11  The molecular  packing  of  PA6  is  highly  dependent  on  processing 

Page 126: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 5

113  

conditions, thermal treatment, applied stress and presence of moisture and additives.7, 12‐

15 It is well known that the α form can be transformed into the γ form by treatment with 

an aqueous iodine/potassium iodide solution.16, 17 Incorporation of comonomers/polymers 

can also influence the packing of the chains.18 In general, the α form is dominant when the 

polymer  is melt  crystallized at  temperatures higher  than 150  °C or  slowly  cooled, while 

quenching and low‐temperature crystallization promote the formation of the γ form.12, 14, 

18‐20 The γ  form can be  transformed  into  the α  form via slow heating or annealing at an 

elevated temperature.13, 21 

Conformational  changes  of  polyamides  can  be  followed  by  different  characterization 

techniques. X‐ray diffraction  gives direct  information about  the  crystalline  forms of  the 

polymers.  On  the  other  hand,  with  the  help  of  FTIR  spectroscopy  the  crystalline  and 

amorphous  signals  of  the  polymer  and  the  structural  changes  upon  heating  can  be 

investigated.21‐25  Solid  state NMR  spectroscopy  is  another  very useful  tool  to  study  the 

molecular  conformations  and  structures of  the polymers. Reorganization of  the  chains, 

differences  in  packing  and  weakening  of  the  hydrogen  bonding  upon  heating  can  be 

proven by cross‐polarization magic angle spinning solid state NMR spectroscopy (CP/MAS 

NMR).26‐28  This  technique  can  provide  detailed  information  about  the  changes  in 

crystalline and non‐crystalline  regions as a  function of  temperature.   The effects of  the 

anisotropy of  the  chemical  shifts  and of  the  spin‐spin  interactions occurring during  the 

solid state measurements are eliminated by applying the MAS technique.29 

Synthetic  routes  for  the  incorporation  of  a  semi‐aromatic  nylon  salt  into  the  PA6 

backbone with different compositions and the formation of a non‐random microstructure 

was  explained  in  detail  in  Chapter  4.  Comparison  with  melt‐polymerized  copolymers 

revealed  the  fact  that  high  crystallization  rates,  degree  of  crystallinities  and  melting 

temperatures  were  almost  retained  after  SSP,  whereas  sharp  decreases  in  all  these 

properties were seen after melt polymerizations. In this chapter a more detailed analysis 

was  performed  in  order  to  fully  understand  the  crystalline  structure  of  the  blocky 

copolymers prepared and to investigate the influence of the presence of the salt residues 

Page 127: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 5

114  

in the polymer backbone and the effect of reaction temperature. For this purpose WAXD, 

CP/MAS  13C  NMR  and  FTIR  spectroscopy  were  used  extensively  to  understand  the 

structural behavior of the copolymers. Local chain dynamics and conformational changes 

were also investigated via heating until the melting temperatures of the copolymers.  

5.2 Experimental 

5.2.1 Wide Angle X‐Ray Diffraction (WAXD) 

X‐ray diffraction patterns were obtained employing a Bruker AXS HI‐STAR area detector 

installed  on  a  P4  diffractometer,  using  graphite‐monochromated  Cu‐Kα  radiation 

(λ=1.5418 Å) and a 0.5 mm collimator. The data were collected at room temperature on 

synthesized  powder  contained  in  glass  capillaries.  The  2D  data  were  subsequently 

background‐corrected and transformed  into 1D profiles via azimuthal  integration. All the 

samples were annealed at 100 °C for 24 hours prior to measurement.  

5.2.2 Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy  

Fourier  Transform  Infrared  spectra  (FTIR)  were  obtained  using  a  Varian  610‐IR 

spectrometer  equipped  with  FTIR  microscope.  The  spectra  were  recorded  in  a 

transmission mode  with  a  resolution  of  2  cm‐1.  PA  films  obtained  after  casting  from 

1,1,1,3,3,3‐hexafluoroisopropanol were analyzed on a zinc selenium disk and heated from 

30  oC  to  slightly  above  the  melting  temperatures  of  the  polyamides  using  a  Linkam 

TMS600 hotstage and TMS94 controller. The samples were cooled in steps of 10 oC steps 

and  reheated with  the  same  heating  rate.  For  the  study,  the  spectra  from  the  second 

heating  run were  collected.  The  Varian  Resolution  Pro  software  version  4.0.5.009 was 

used for the analysis of the spectra. For the measurements at 30 °C, samples annealed at 

100  °C  for 24 hours were used.  For  the  temperature‐dependent measurements  the 2nd 

heating runs were considered. 

 

Page 128: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 5

115  

5.2.3 Solid‐State NMR 

Variable‐temperature  (VT)  13C  magic‐angle  spinning/cross‐polarization  (CP/MAS)  NMR 

experiments were  carried  out  on  a  Bruker  ASX‐500  spectrometer  employing  a  double‐

resonance probe for rotors with 4.0 mm outside diameter. These experiments used 10.0 

kHz MAS and a 4 μs /2 pulse for 1H. All VT 13C CP/MAS NMR spectra were recorded using 

a CP  contact  time of 3.0 ms and TPPM decoupling during acquisition. The  temperature 

was controlled using a Bruker temperature control unit in the range from 41 °C to 212 °C. It 

was not possible to go higher temperatures due to the limitations of the instrument. The 

VT 13C CP/MAS NMR spectra were recorded under isothermal conditions at intervals of 20 

°C, employing a heating rate of 2  °C/min between the different measuring temperatures. 

Reported  temperatures are corrected  for  friction‐induced heating due  to  spinning using 

207Pb MAS NMR of Pb(NO3)2 as a NMR thermometer. 

5.3 Results and discussion  

In Chapter 4  firstly  low molecular weight and  later respectively higher molecular weight 

CL/DyI  copolymers  were  prepared  by  the  incorporation  of  semi‐aromatic  Dytek  A‐IPA 

nylon  salt  into  the  high molecular  weight  PA6  backbone  with  different  compositions. 

Differences  in  crystallization  behavior  of  the  copolymers  were  investigated  by  DSC 

analysis, while quantitative liquid‐state 13C NMR spectroscopy was used as the tool for the 

structural  characterization  of  the  copolymers  synthesized  by  both  solid  state  and melt 

polymerization. Sequence distribution and degree of  randomness analysis as performed 

by  13C NMR and  the blocky microstructures of  the copolymers synthesized by SSP were 

confirmed using  this  technique.  In  this  chapter  structural  changes of  the neat PA6  and 

high molecular weight  copolymers of PA6 named as  (CL/DyI20)S2 and  (CL/DyI30)S2 will be 

investigated at room temperature and as a function of temperature. 

 

 

Page 129: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 5

116  

5.3.1 WAXD Studies 

To  understand  the  crystalline  structures,  X‐ray  analysis  of  the  PA6  homopolymer  and 

(CL/DyI20)S2 and  (CL/DyI30)S2   copolymers was performed at  room  temperature. As  it was 

already mentioned in the introduction of this chapter, the X‐ray diffraction profiles of the 

α phase of  the PA6  is composed of  typical  reflections at 2θ=20.4° and 23.7°  indexed as 

(200) and (002/202), respectively, as shown in Figure 5.1. The X‐ray diffraction profiles of 

the  two  copolymers present  strong  analogies with  the X‐ray diffraction patterns of  the 

corresponding PA6 homopolymer displaying the same polyamide reflections  in the same 

2θ  range. This means  that  the  copolymers have  crystal  structures  similar  to  that of  the 

PA6 homopolymer. This structure consists of stacked hydrogen‐bonded sheets,  in which 

the polymer  chains are arranged  side‐by‐side.5  It  can be observed  from  Figure 5.1  that 

with  increasing Dytek content  the  (200) and  (002/202)  reflections decrease  in  intensity, 

but  they do not  show any  shift  in position. This  suggests  that  the  interchain/intersheet 

distances  are  not  affected  by  increasing  the  DyI  salt  content  of  the  copolyamides.  As 

expected  the  semi‐aromatic DyI  nylon  salt  does  not  co‐crystallize with  the  PA6  repeat 

units and  it only affects the crystallinity of the copolymers.  In particular,  it  is possible to 

observe how the crystallinity decreases while increasing the DyI content. Considering the 

complex polymorphism of the PA6 and expecting an eventual influence of the DyI content 

on the crystallinity of these materials, all the samples were annealed for 24 hrs at 100 0C 

in order to promote the formation of the α‐form.  

In case of the (CL/DyI30)S2 copolymer with 30 wt% salt  in the feed  it  is possible to notice 

the presence of a very low intense peak/shoulder in the 2θ range 20‐23°, the typical (100) 

reflection  of  the  γ‐phase.17  The  γ‐phase  can  be  described  as  the  aggregates  of 

conformationally disordered chain segments with cylindrical symmetry. The small amount 

of γ‐phase co‐existing together with the α‐phase could be directly attributed to the higher 

content of the DyI salt considering the same annealing condition used for all the samples. 

This α‐form  is not affected by the presence of the very small fraction of the γ‐phase and 

has a Brill transition upon heating as will be described in the next section.  

Page 130: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 5

117  

10 15 20 25 30

100

002/202

200

PA6

(CL/DyI20

)S2

(CL/DyI30

)S2

Inte

nsity

2 (deg) 

Figure 5.1 X‐ray powder diffraction patterns of the homopolymer and copolymers of PA6 

with  20  wt%  (16.6  mol%)  and  30  wt%  (25.6  mol%)  DyI  salt  in  the  feed  which  are 

(CL/DyI20)S2  and  (CL/DyI30)S2,  respectively.  (Real  compositions  of  the  copolymers  were 

calculated  as  15.7  and  25.3 mol%  after  SSP,  respectively,  as  indicated  in  Table  4.4  in 

Chapter 4.) 

5.3.2 FTIR Analysis 

Temperature‐dependent  FTIR  analysis  is  a powerful  spectroscopic  technique  to  analyze 

the influence of the incorporation of the DyI salt into the PA6 backbone on the structural 

changes of  the  (co)polymer chains.  In Figure 5.2   FTIR spectra of  the PA6 homopolymer 

and of  the  (CL/DyI20)S2 and  (CL/DyI30)S2 copolymers can be seen  recorded at 30  °C  in  the 

range of 3600‐2600 cm‐1 and 1800‐800 cm‐1.  The bands at 3300‐3290 cm‐1, 3080‐3070 cm‐

1 and   2930‐2860 cm‐1    are associated with the hydrogen‐bonded NH stretching vibration, 

and NH stretching vibration with the overtone of amide II and CH2 asymmetric stretching 

vibrations, respectively17, 30 (Figure 5.2.a).  The band at 3470‐3480 cm‐1 is assigned to non‐

hydrogen bonded NH  groups.31,  32  For  the  copolymer with 30 wt%  salt  in  the  feed  this 

broad band is quite visible. According to the DSC data the crystallinity observed during the 

first  heating  of  this  copolymer was  lower  than  that  of  the  neat  PA6,  as  described  in 

Chapter 4.   

Dytek 30%

Page 131: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 5

118  

 

 

Figure 5.2 FTIR spectra of the PA6 homopolymer and the copolymers of PA6 with 20 wt% 

(16.6 mol%)  and  30  wt%  (25.6 mol%)  DyI  salt  in  the  feed  which  are  (CL/DyI20)S2  and 

(CL/DyI30)S2,  respectively,  recorded at 30  °C.  (Real compositions of  the copolymers were 

calculated  as  15.7  and  25.3 mol%  after  SSP,  respectively,  as  indicated  in  Table  4.4  in 

Chapter 4.) 

The  infrared spectra  in the region   1800‐800 cm‐1   show the bands at 1640‐1635 cm‐1 of 

amide  I CO stretching, 1545‐1540 cm‐1 of amide  II CN stretching and CO‐NH bend which 

are  characteristic  for  trans  conformations as well as   1480‐1477  cm‐1  for CH2  scissoring 

3600 3500 3400 3300 3200 3100 3000 2900 2800

2868

2858

2939

2934

3073

3080

3370

3300

3300

Wavenumber [cm-1]

A

bsor

ban

ce [

a.u

.]

(CL/DyI30

)S2

PA6

(CL/DyI20

)S2

1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800

Wavenumber [cm-1]

A

bso

rba

nce

[a.u

.]

1134

960

1120

928

1101

89311

8011

7012

0012

35

84212

8712

6212

1512

65

1376

1371

1417

1465

1480

141714

6314

77

1540

1545

1640

1635

1715

(CL/DyI30

)S2

PA6

(CL/DyI20

)S2

Dytek 30%

Page 132: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 5

119  

next to NH groups, 1417 cm‐1 of CH2   scissoring next to CO groups and 1376‐1371 cm‐1 of 

CH2 twisting.30, 31, 33 The Amide III band is observed at 1265‐1262 cm‐1 and 1215‐1200 cm‐1, 

whereas the CH2 twisting related to amide III is at 1235 cm‐1. Bands at 1180‐1170 cm‐1 and 

1134‐1120 cm‐1 are assigned  to  the skeletal motion  involving CO‐NH and C‐C stretching, 

respectively.17 Amide stretching vibrations of  the copolymers are visible at 960 and 928 

cm‐1. Signals at 1200, 960 and 928 cm‐1 are associated with the α crystalline phase, while 

the 1170  cm‐1 band  is associated with  the amorphous phase.23 The bands at 1287  cm‐1 

(amide III), 1101 cm‐1 (asymmetric CO‐C stretching34), 893 and 842 cm‐1 (amide stretching) 

are only visible  for  the copolymers and are  therefore  revealing  the  incorporation of  the 

salt  into  PA6.  The  intensities  of  these  bands  increase  with  the  increasing  weight 

percentage  of  the  incorporated  salt.  Additionally,  similar  to  the  non‐hydrogen  bonded 

amide NH groups, an increase in the non‐hydrogen bonded carbonyl groups is seen by the 

presence of the bands at 1715 cm‐1 with increasing salt content.  

FTIR  spectra  of  the  PA6  homopolymer  and  copolyamides  (CL/DyI20)S2,  (CL/DyI30)S2  as  a 

function of temperature are shown  in Figure 5.3.   A sharp decrease  in the band at 3300 

cm‐1 and the disappearance of the bands at 3202 and 3075‐3067 cm‐1 are observed with 

increasing  temperature. These bands are associated with  the NH  stretch vibrations and 

become  less pronounced close to the melting temperatures of the polymers. Weakening 

and broadening of the bands at 1477 cm‐1 and 1417 cm‐1 are seen via heating, pointing to 

a decrease in hydrogen bonding and moreover the transformation of the trans conformers 

into the gauche conformers. These bands come from the CH2 scissoring next to NH groups 

and  CO  groups,  respectively  and  their  total  disappearance  at  around  170‐180  °C  is 

observed.  In  the  same  manner  the  signals  at  1294,  1237,  1201,  960  and  928  cm‐1 

disappear totally upon heating at around 160‐170 °C. The bands at around 1294 and 1201 

cm‐1  are  related  to  amide  III bands  whereas  the  1237  cm‐1  is  the  CH2  twisting.  The 

absorptions at 960 and 928 cm‐1 were already associated with  the crystalline phase and 

their  unexpected  disappearance  below  the  melting  temperature  is  due  to  their  low 

intensity making them less pronounced at higher temperatures.  

 

Page 133: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 5

120  

 

Figure  5.3  FTIR  spectra  of  PA6  homopolymer  (a),  (CL/DyI20)S2  copolymer  (20 wt%  (16.6 

mol%) salt in the feed) (b) and (CL/DyI30)S2 copolymer (30 wt% (25.6 mol%) salt in the feed) 

(c) as a function of temperature. (Real compositions of the copolymers were calculated as 

15.7 and 25.3 mol% after SSP, respectively, as indicated in Table 4.4 in Chapter 4.) 

Page 134: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 5

121  

The bands at 1477, 1417, 1294, 1237 and 1201 cm‐1 can be qualified as Brill bands and the 

disappearance of these peaks  indicate the Brill transition of the copolyamides at around 

160‐180 °C.20,23 During this transition the interchain and intersheet distances of the chains 

become equal and  the  triclinic structure  transforms  into a pseudohexagonal structure.35 

Other bands  in the spectra are associated with the crystalline phase and the amorphous 

phase. The crystalline peaks disappear close  to  the melting  temperature of  the polymer 

while the amorphous peaks are still visible even above the melting temperature.  

In  conclusion, with  the  increasing amount of  salt  content, an  increase  in non‐hydrogen 

bonded chains are seen pointing to a decrase in crystallinity. This result supports the DSC 

data discussed  in Chapter 5. Upon heating  transformation of  the  trans  conformers  into 

gauche conformers and Brill transition are observed where the α form transforms  into a 

pseudohexagonal phase.  

5.3.3 Solid‐State NMR Analysis 

Temperature‐dependent  (VT) 13C magic‐angle spinning/cross‐polarization  (CP/MAS) NMR 

spectroscopy can be used as a powerful technique to analyze the structural behavior and 

the dynamics of  the crystalline and non‐crystalline chain  fragments upon heating of  the 

copolymers prepared by  the  incorporation of Dytek A‐IPA  salt  into  the PA6 main chain. 

CP/MAS  spectra  of  semi‐crystalline  polymers  contain  the  chemical  shifts  of  both  the 

amorphous  and  crystalline  regions,  however,  the  crystalline  fraction  dominates  the 

spectrum.28  Temperature‐dependent  solid‐state  NMR  is  a  powerful  technique  to 

determine different chain conformations which are present  in  the polymers. Solid  state 

NMR experiments on PA6 were carried out by other research groups before.28, 36‐38 In our 

work the main attention will be focused on PA6 modified with DyI salt by SSP reactions. 

Peak assignments and  their chemical shifts of PA6 homopolymer,  (CL/DyI20)S2 copolymer 

with 20 wt% DyI salt  in the feed and (CL/DyI30)S2 copolymer with 30 wt% salt  in the feed 

are shown in Table 5.1. 

Page 135: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 5

122  

Table 5.1. Chemical shifts of CP/MAS 13C NMR of neat PA6 and the copolymer with 20 wt% 

(16.6 mol%)  and  30  wt%  (25.6 mol%)  DyI  salt  in  the  feed  which  are  (CL/DyI20)S2  and 

(CL/DyI30)S2,  respectively.  (Real  compositions of  the  copolymers were  calculated as 15.7 

and 25.3 mol% after SSP, respectively, as indicated in Table 4.4 in Chapter 4.)  

 

PA6        (CL/DyI20)S2        (CL/DyI30)S2 

41 °C  212 °C  41 °C  212 °C  30 °C  193 °C 

C1trans  42.9  ―  43.1  ―  43.1  ― 

C1gauche  39.8  40.4  40.0  40.2  40.0  40.2 

C2, C3gauche  29.9  30.1  29.9  29.9  30.1  30.1 

C2, C3trans  29.9  30.1  29.9  29.9  30.1  30.1 

C4trans  26.1  25.9  26.1  26.0  26.2  25.9 

C4gauche  ―  27.5  ―  27.4  ―  27.2 

C5trans  36.5  36.9  36.3  36.9  36.5  36.7 

C5gauche  ―  ―  ―  ―  ―  ― 

COPA6  173.2  ―  173.2  ―  173.2  ― 

COIPA  ―  ―  167.0  ―  167.4  ― 

IPA residue  ―  ―  122.0‐140.0  ―  122.0‐140.0  ― 

Dytek 

residue  ―  ― 

overlapping 

with PA6  ― 

overlapping 

with PA6  ― 

 

By the solid‐state NMR analysis of polyamides  it  is possible to  investigate changes of the 

trans  and  gauche  conformers population, where  the  trans  form  is  the  conformation of 

lowest energy with an extended form of the chains and the gauche form is the disordered 

conformation of the polymer chains.29 The changes in the structure and conformations of 

the PA6 chain fragments upon heating are shown in Figure 5.4, 5.5 and 5.6. For the neat 

PA6 at 41 °C, C1trans signal  is observed at 42.9 ppm whereas C1gauche signal  is observed at 

Dytek 30%

Page 136: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 5

123  

39.8 ppm. This gauche  transformation  is mostly present  in  the non‐crystalline  region of 

the  polymer  and  undergoes  rapid  transitions  between  the  trans  and  gauche 

conformations upon heating.37 The C2 and C3 signals have the same chemical shift value 

both for the trans and gauche conformers, which was found at 29.9 ppm. C4trans and C5trans 

have  chemicals  shifts of 26.1 and 36.5 ppm,  respectively, but no gauche  conformers of 

these  carbon  atoms were  visible  at  41  °C.  Upon  heating,  C4gauche  and  C5gauche  start  to 

appear  at  around  136  °C. Additionally,  C5gauche  is more  pronounced  via  heating  due  to 

enhanced mobility of the polymer chains. These observations suggest that the  increased 

local molecular dynamics of the methylene units between hydrogen‐bonded amide groups 

first  promotes  the  formation  of  gauche  conformers  in  the  fragments  next  to  the  NH 

moieties,  while  the  methylene  units  next  to  the  CO  groups  are  affected  at  higher 

temperatures.  

On  further  heating,  the  transfer  of  the  rotational  motion  to  the  hydrogen‐bonded 

moieties  becomes  even  more  pronounced.39  As  melting  starts  around  193  °C,  the 

narrowing and sharpening of the peaks as well as the disappearance of the C1trans and the 

carbonyl  peak  at  173.2  ppm  are  observed.  The  twisting motion  and  the weakening  of 

intermolecular  hydrogen  bonding  are  accelerated  for  these  carbon  atoms  and  more 

pronounced compared to other carbon atoms of the repeating unit.25 Close to the melting 

temperature    of  the  PA6  (212  °C  as  the  highest  temperature  applied  during  the 

measurements) only the trans and gauche transformers of the rigid amorphous phase are 

visible.  

For  the  copolymers  (CL/DyI20)S2 and (CL/DyI30)S2  between  45‐20  ppm  almost  the  same 

chemical  shifts  and  conformational  changes  are  observed  as  in  the  temperature‐

dependent CP/MAS 13C NMR spectra of PA6 (Figure 5.4, 5.5 and 5.6). The chemical shifts 

of the Dytek A residue were also expected to be seen in this region however, due to the 

relatively  broad  signals  of  PA6,  it was  impossible  to  distinguish  any  differences  in  the 

peaks compared to neat PA6 spectra. This results not only from the low concentrations of 

Dytek  in the copolymers but also from the overlapping of the 13C resonances of the PA6 

Page 137: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 5

124  

units and Dytek residue. On the other hand, 13C resonances of the  IPA  in the copolymer 

are  well  visible.  The  carbonyl  signal  shows  up  around  167  ppm,  while  the  aromatic 

carbons  are  in  the  region  of  140‐120  ppm.  These  signals  are  relatively  broad  which 

indicates sample heterogeneity and local susceptibility.  

 

 

 

 

 

 

Figure  5.4 Temperature‐dependent  solid  state  13C  CP/MAS  NMR  spectra  of  neat  PA6. 

Letters above  the  spectra  indicate  the positions of  trans  (t) and gauche  (g)  conformers 

while the assignments below are explained in Table 5.1. 

 

 

 

 

 

 

Figure  5.5 Temperature‐dependent  solid  state  13C  CP/MAS NMR  spectra  of  (CL/DyI20)S2 

with 20 wt%  (16.6 mol%) DyI salt  in  the  feed. (Real composition was calculated as 15.7 

180 160 140 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10

212 C

193 C

174 C

155 C

136 C

117 C

98 C

79 C

60 C

ppm

41 CC1 C2, C3

C4

C5CO

t g t t,g g t

180 160 140 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10

ppm

212 C

193 C

174 C

155 C

136 C

117 C

98 C

79 C

60 C

41 C

t g t t,g g t

C1 C2, C3

C4

C5IPACOIPA

CO

Page 138: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 5

125  

mol% after SSP, as indicated in Table 4.4 in Chapter 4.) Letters above the spectra indicate 

the  positions  of  trans  (t)  and  gauche  (g)  conformers while  the  assignments  below  are 

explained in Table 5.1. 

 

 

 

 

 

 

Figure  5.6 Temperature‐dependent  solid  state  13C  CP/MAS NMR  spectra  of  (CL/DyI30)S2 

with 30 wt%  (25.6 mol%) DyI salt  in  the  feed. (Real composition was calculated as 25.3 

mol% after SSP, as indicated in Table 4.4 in Chapter 4.) Letters above the spectra indicate 

the  positions  of  trans  (t)  and  gauche  (g)  conformers while  the  assignments  below  are 

explained in Table 5.1.  

Upon heating, the intensities of both peaks start to decrease and finally totally disappear 

at  around  98  °C.  This  can  be  better  seen  for  the  (CL/DyI30)S2  copolymer,  since  the 

composition of the IPA in the copolymer is higher. The disappearance of the peaks at this 

relatively low temperature supports the conclusions from our WAXD analysis that there is 

no  co‐crytallization  of  IPA  and  PA6.  These  resonances  disappear  at  lower  temperature 

than those of PA6 in the vicinity of 45‐20 ppm indicating a higher chain mobility which is 

facilitated in the amorphous phase of these copolymers. This shows that IPA is present in 

the more  flexible  and mobile  chain  fragments which  already  disappear well  below  the 

melting temperature of the PA6. 

 

180 160 140 50 40 30 20 10ppm

C1 C2, C3

C4

C5IPACO

IPACO

193 C

174 C

155 C

136 C

117 C

98 C

79 C

60 C

41 C

t g t t,gg

t

Page 139: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 5

126  

 5.4 Conclusions 

Analyses  of  the  structure,  morphology  and  conformational  changes  of  the  PA6 

homopolymer and of PA6 copolymers with 20 and 30 wt% semi‐aromatic DyI nylon salt 

fractions  in  the  feed  were  performed  by  using  wide‐angle  X‐ray  diffraction  at  room 

temperature  as well  as  by  performing  temperature‐dependent  FTIR  and  solid‐state  13C 

CP/MAS NMR  experiments. WAXD measurements  revealed  the  presence  of  the  typical 

reflections of PA6 at 2θ=20.4° and 23.7° both for the homopolymer and the copolyamides 

suggesting  that  the DyI  salt does not co‐crystallize with  the PA6  repeat units. However, 

the  decrease  in  the  intensity  of  the  diffraction  peaks  showed  that with  increasing DyI 

content,  the crystallinity  is decreasing. Additionally,  for  the copolymer modified with 30 

wt%  added  DyI  salt,  the  appearance  of  a  very  low  intensity  peak  at  2θ  range  20‐23° 

pointed  to  the onset of  the  formation of a pseudohexagonal phase which  is  the  typical 

(100)  reflection  for  the  γ  phase.    FTIR  studies  at  room  temperature  also  revealed  the 

mentioned decrease of crystallinity with increasing DyI content but also a decrease of the 

amount of in hydrogen bonding in the polymer. The disappearance of some specific bands 

upon  heating  at  around  160‐180  °C  pointed  both  for  the  homopolyamide  and  the 

copolyamides  to  a Brill  transition, where  a  fully pseudohexagonal  structure  forms.  In  a 

similar manner,  the  transformation  of  trans  conformers  into  gauche  conformers  upon 

heating was also proven by the solid‐state 13C NMR measurements. The disappearance of 

the resonances of the  IPA  in the copolymers well‐below the melting temperature of the 

crystals  is  in  agreement  with  the  WAXD  analysis  indicating  that  there  is  no  co‐

crystallization.   

 

 

References 

 1. Aharoni, S. M., n‐Nylons Wiley: Chichester, New York, Weinheim, Brisbane, Singapore, Toronto, 1997. 

2. Marchildon, K. Macromol. React. Eng. 2011, 5, (1), 22‐54. 

3. Vouyiouka, S. N.; Karakatsani, E. K.; Papaspyrides, C. D. Prog. Polym. Sci. 2005, 30, (1), 10‐37. 

4. Jansen, M. A. G.; Goossens, J. G. P.; Wu, L. H.; De Wit, G.; Bailly, C.; Koning, C. E.; Portale, G. J. Polym. 

Sci., Part A: Polym. Chem. 2008, 46, (4), 1203‐1217. 

5. Holmes, D. R.; Bunn, C. W.; Smith, D. J. J. Polym. Sci. 1955, 17, (84), 159‐177. 

Page 140: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 5

127  

6. Murthy, N. S. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2006, 44, (13), 1763‐1782. 

7. Murthy, N. S.; Minor, H.; Latif, R. A. J. Macromol. Sci.‐Phys. 1987, B26, (4), 427‐446. 

8. Li, Y.; Goddard, W. A. Macromolecules 2002, 35, (22), 8440‐8455. 

9. Ramesh, C.; Gowd, E. B. Macromolecules 2001, 34, (10), 3308‐3313. 

10. Auriemma, F.; Petraccone, V.; Parravicini, L.; Corradini, P. Macromolecules 1997, 30, (24), 7554‐7559. 

11. Murthy, N. S. Polym. Comm. 1991, 32, (10), 301‐305. 

12. Gogolewski, S.; Gasiorek, M.; Czerniawska, K.; Pennings, A. J. Colloid. Polym. Sci. 1982, 260, (9), 859‐

863. 

13. Gurato, G.; Fichera, A.; Grandi, F. Z.; Zannetti, R.; Canal, P. Macromol. Chem. Phys. 1974, 175, (3), 953‐

975. 

14. Murthy, N. S.; Aharoni, S. M.; Szollosi, A. B. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 1985, 23, (12), 2549‐

2565. 

15. Zhao, X. Y.; Zhang, B. Z. J. Appl. Polym. Sci. 2010, 115, (3), 1688‐1694. 

16. Akio, K. Polymer 1992, 33, (18), 3981‐3984. 

17. Arimoto, H. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1964, 2, (5), 2283‐2295. 

18. Johnson, C. G.; Cypcar, C. C.; Mathias, L. J. Macromolecules 1995, 28, (25), 8535‐8540. 

19. Cavallo, D.; Gardella, L.; Alfonso, G. C.; Portale, G.; Balzano, L.; Androsch, R. Colloid. Polym. Sci. 2011, 

289, (9), 1073‐1079. 

20. Fornes, T. D.; Paul, D. R. Polymer 2003, 44, (14), 3945‐3961. 

21. Vasanthan, N.; Salem, D. R. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2001, 39, (5), 536‐547. 

22. Vinken, E.; Terry, A. E.; Hoffmann, S.; Vanhaecht, B.; Koning, C. E.; Rastogi, S. Macromolecules 2006, 

39, (7), 2546‐2552. 

23. Vasanthan, N.; Murthy, N. S.; Bray, R. G. Macromolecules 1998, 31, (23), 8433‐8435. 

24. Nair, S. S.; Ramesh, C.; Tashiro, K. Macromolecules 2006, 39, (8), 2841‐2848. 

25. Yoshioka, Y.; Tashiro, K. J. Phys. Phys. Chem. B 2003, 107, (43), 11835‐11842. 

26. Clauss, J.; Schmidt‐Rohr, K.; Adam, A.; Boeffel, C.; Spiess, H. W. Macromolecules 1992, 25, (20), 5208‐

5214. 

27. Murthy, N. S.; Curran, S. A.; Aharoni, S. M.; Minor, H. Macromolecules 1991, 24, (11), 3215‐3220. 

28. Weeding, T. L.; Veeman, W. S.; Gaur, H. A.; Huysmans, W. G. B. Macromolecules 1988, 21, (7), 2028‐

2032. 

29. Bower, D. I., An Introduction to Polymer Physics. Cambridge University Press: Cambridge, UK, 2002. 

30. Kohan, M. I., Nylon Plastics Handbook. Hanser Publishers: Munich, Vienna, New York, 1995. 

31. Coleman, M. M.; Lee, K. H.; Skrovanek, D. J.; Painter, P. C. Macromolecules 1986, 19, (8), 2149‐2157. 

32. Cooper, S. J.; Coogan, M.; Everall, N.; Priestnall, I. Polymer 2001, 42, (26), 10119‐10132. 

33. Jasinska, L.; Villani, M.; Wu, J.; van Es, D.; Klop, E.; Rastogi, S.; Koning, C. E. Macromolecules 2011, 44, 

(9), 3458‐3466. 

34. Silverstein,  R.  M.;  Webster,  F.  X.,  Spectrometric  Identification  of  Organic  Compounds.  John 

Wiley&Sons 1998. 

35. Hirschinger, J.; Miura, H.; Gardner, K. H.; English, A. D. Macromolecules 1990, 23, (8), 2153‐2169. 

36. Hatfield, G. R.; Glans, J. H.; Hammond, W. B. Macromolecules 1990, 23, (6), 1654‐1658. 

37. Kubo, K.; Yamanobe, T.; Komoto, T.; Ando, I.; Shiibashi, T. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 1989, 27, 

(4), 929‐937. 

38. Okada, A.; Kawasumi, M.; Tajima, I.; Kurauchi, T.; Kamigaito, O. J. Appl. Polym. Sci. 1989, 37, (5), 1363‐

1371. 

39. Harings, J. A. W.; Yao, Y. F.; Graf, R.; van Asselen, O.; Broos, R.; Rastogi, S. Langmuir 2009, 25,  (13), 

7652‐7666. 

 

 

Page 141: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 5

128  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 142: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                  

129  

CHAPTER 6  EPILOGUE AND  TECHNOLOGY ASSESSMENT 

This study provided interesting insights into the modification of a well‐known, widely used 

commercial polymer, namely Polyamide 6 (PA6), rendering new possibilities with respect 

to  its chemistry and properties.   PA6  is conventionally modified with other components 

via melt processing resulting  in the deterioration of the good properties. The aim of this 

study was to modify PA6 with other conomomers/polymers above the Tg and below the 

Tm of  the PA6 by keeping  the crystalline phase during  this modification  intact, by which 

the  known  favorable physical  and mechanical properties of  PA6  should  stay  intact  and 

other properties could be  improved. This can be achieved by solution and/or solid state 

polymerization (SSP) so that the mobile amorphous part can take part in the modification 

reaction  whereas  the  reduction  of  the  crystalline  phase  is  limited.  This  thesis  can  be 

divided  into  two main  parts.  The  first  part  is  devoted  to  the modification  of  PA6  for 

enhanced biodegradability and  the second part describes enhanced physical,  thermal or 

mechanical properties which can be tuned for a specific application.  

Fostering the degradation of commercial plastics without losing the good properties of the 

material has been a hot topic during the  last decades  for environmental reasons. PA6  is 

not susceptible to (bio)degradation  like some other commodity/engineering plastics. Our 

synthetic  technique, making  short  chains  of  PA6  and  polyesters  (PE) with  reactive  end 

groups which can already react with one another in solution and in the solid state, results 

in multiblock copolymers which are partially degradable and still exhibit the good thermal 

and physical properties of the neat PA6 blocks as explained in Chapter 2. In our study we 

only presented such a multiblock copolymer formation by incorporating polycaprolactone 

into PA6, however, different biodegradable polymers  from a wide variety of PEs can be 

selected with different degradation rates, the targeted  thermal and mechanical behavior 

Page 143: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 6

130  

of the resulting materials depending on the desired application. Due to the  low thermal 

stability of the urea and urethane linkages between the PE and PA6 blocks, it is difficult to 

process  these  materials  at  high  temperatures.  Another  limitation  is  the  possible 

occurrence  of  ester/amide  exchange  reactions  during  processing.  These  effects  can  be 

overcome,  provided  that  short  reaction  times  and  low  processing  temperatures  are 

employed.  In Chapter 3, carboxylic acid‐epoxide reactions were used to make multiblock 

polyesteramide copolymers. It was shown that these reactions have a complicated nature 

and result in side reactions and crosslinking, limiting the formation of very high molecular 

weight copolymers. On the other hand, these materials could be used as starting materials 

to prepare crosslinked network structures for coating applications. Additionally, PA6 with 

totally amine end groups can be used with epoxide terminated PEs to make linear chains 

of both blocks.  

In Chapter 4, the incorporation of a semi‐aromatic nylon salt into a commercial grade PA6 

below  the melting  temperature of PA6 but above  its Tg  resulted  in an almost complete 

retention of the high melting temperature while a high crystallization rate was retained as 

well. To the best of our knowledge this was shown for the first time in the literature. The 

irregular chemical structure of  this nylon salt makes  it easier  to be  incorporated only  in 

the amorphous phase without any cocrystallization with the PA6 repeat units, as shown in 

Chapter 5. These reactions provide the direct opportunity to play with the properties of 

PA6 by modifying the amorphous phase, e.g. resulting  in a  lower water uptake, a higher 

Tg, enhanced flame retardancy, etc. This incorporation is achieved by a two‐step process: 

first  solution  mixing  of  both  the  PA6  and  the  modifying  component  in 

hexafluoroisopropanol  (HFIP),  followed by SSP after complete removal of the solvent.  In 

the  beginning,  due  to  the  loss  of  significant  parts  of  the  diamine,  relatively  low  Mn 

copolymers  were  obtained  and  after  optimizing  the  reaction  conditions  higher  Mn 

copolymers  could  be  prepared.  Although  high  Mn  values  are  desired  for  many 

applications, in industry low Mn copolymers can be used for further modification for some 

certain  applications.  It  is  possible  to  prevent  the  loss  of  the  diamine  by  adding  some 

excess  of  this  nylon  salt  component  to  prevent  a  stoichiometric  imbalance,  which  is 

Page 144: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Chapter 6

131  

already an applied  technique  in  industry. A diamine with a higher boiling point can also 

limit  its evaporation at  the processing  temperature. Handling of HFIP  is not  feasible  for 

mass production  since  it  is an expensive, corrosive and  toxic  solvent. Although  it  is not 

entirely  industrially  feasible  to  use  the  same manufacturing  approach  for  an  industrial 

application as used here,  the HFIP mixing part can be replaced by a very short pre‐melt 

mixing in an extruder. Our studies already demonstrated that short reaction times used at 

high  reaction  temperatures  do  not  lead  to  significant  changes  in  the  crystallization 

behavior,  and  if  a  very  short  melt‐mixing  of  PA6  with  the  nylon  salt  that  should  be 

incorporated is followed by the described SSP procedure, the end product is expected to 

maintain a block‐like structure and good thermal properties. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 145: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Chapter 6

132  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 146: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

133  

APPENDIX 

Validation of the Flory equation for the melt polymerized copolymers of CL/DyI 

In Chapter 4,  firstly  relatively  low molecular weight and  in a next step higher molecular 

weight copolymers of PA6 with semi‐aromatic DytekA/IPA (DyI) nylon salt were prepared 

both by solid‐state polymerization (SSP) and melt polymerization (MP) for comparison of 

the  molecular,  thermal  and  microstructural  properties.  DSC  studies  together  with 

quantitative  13C  NMR  analysis  pointed  to  a  totally  random  microstructure  for  the 

copolymers prepared by MP. Destruction of the crystalline phase with the  incorporation 

of  the DyI  salt can also be proven by a  theory developed by Flory. Flory developed  the 

following equation for the equilibrium melting temperature of a random copolymer: 

∆ 

where  the  Tm  is  the  melting  temperature  of  the  copolymer  (K),  Tmo  is  the  melting 

temperature of the homopolymer (494 K), R is the universal gas constant (8.314 J.K‐1mol‐

1),  ∆HL  is  the  heat  of  fusion  of  the  repeat  unit  of  the  homopolymer  (7253.6  Jmol‐1 

according  to  the  DSC measurement)  and  Na  is  the mol  fraction  of  the  homopolymer 

(calculated from the 1H NMR measurement after MP as presented in Table 4.1 and Table 

4.4).   

Weight  and mol  compositions  of  the  copolymers  as well  as  the melting  temperatures 

calculated  from  the above equation and measured by DSC are shown  in Table A.1.  It  is 

clear from Figure A.2 that the copolymers synthesized by melt copolymerization obey the 

Flory’s equation very well, which is in agreement with the DSC melting temperature data. 

The depression in melting temperature with the increasing DyI content is proven both by 

the measurements  and  the  theoretical  calculation.  This  reveals  the deformation of  the 

crystalline phase and randomization if the melt polymerization is employed.  

Page 147: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Appendix

134  

Table  A.1  Weight/mol  fractions  and  calculated/DSC  melting  temperatures  of  the 

copolymers synthesized by melt polymerization.  

DyI salt PA6 content Calculated Tm DSC Tm(wt%)* (mol%)** (°C) (°C)

low Mn copolymers

0 1 221.0 221.0

5 0.95 207.9 211.0

10 0.90 192.9 194.4

15 0.84 177.1 183.7

20 0.81 168.9 172.0

high Mn copolymers

10 0.93 200.1 194.8

20 0.85 179.6 179.2

30 0.77 156.5 no Tm                            * Weighed percentage in the feed. 

                            **As calculated from 1H NMR after the melt polymerizations.                                                                          

 

0 5 10 15 20 25 30150

160

170

180

190

200

210

220

Tm (C

)

wt% DyI salt

Calculated Tm

DSC Tm

b.

0 5 10 15 20160

170

180

190

200

210

220a.

wt% DyI salt

Tm (C

)

Calculated Tm

DSC Tm

Figure A.1 Melting behavior of the low molecular weight (a) and high molecular weight (b) 

CL/DyI copolymers synthesized by melt polymerization. 

Flory’s equation  can also be applied  for  the  low and high molecular weight copolymers 

synthesized by solid‐state polymerization (SSP) to show that non‐random copolymers are 

formed.  Weight  and  mol  compositions  of  the  copolymers  as  well  as  the  melting 

temperatures  calculated  from  the  above  equation  and measured  by DSC  are  shown  in 

Page 148: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                      Appendix

135  

Table A.2. It can be seen from Figure A.2 that the copolymers synthesized by SSP do not 

obey the Flory’s equation at all, since there  is a clear deviation of the calculated melting 

temperatures  from  the  DSC  melting  temperature  data.  After  SSP,  the  melting 

temperatures of the copolymers are still close to that of PA6 homopolymer indicating that 

a  blocky microstructure  is  formed.  This  reveals  that  the  deformation  of  the  crystalline 

phase and randomization is limited during SSP.  

Table  A.2  Weight/mol  fractions  and  calculated/DSC  melting  temperatures  of  the 

copolymers synthesized by solid‐state polymerization.  

Salt

(wt%)* 

PA6 content 

(mol%)** 

Calculated Tm

(°C) 

DSC Tm

(°C) 

low Mn copolymers

0 1 221.0 221.0

5 0.96 210.7 216.3

10 0.91 196.5 216.2

15 0.90 192.3 208.0

20 0.86 182.1 203.1

25 0.82 175.5 201.9

30 0.83 170.0 202.7

high Mn copolymers

10 0.93 202.1 216.4

20 0.85 177.4 212.0

20Ex. 0.85 179.9 211.5

30 0.75 150.9 207.1

                            * Weighed percentage in the feed.                             **As calculated from 

1H NMR after the melt polymerizations.                                                                          

 

Page 149: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Appendix

136  

0 5 10 15 20 25 30

170

180

190

200

210

220a.

wt% DyI salt

Tm (C

)

Calculated Tm

DSC Tm

0 5 10 15 20 25 30

150

160

170

180

190

200

210

220b.

wt% DyI salt

Tm (C

)

Calculated Tm

DSC Tm

Figure A.2 Melting behavior of  the  low molecular weight  (a) high molecular  (b) weight 

CL/DyI copolymers synthesized by solid‐state polymerization. 

 

References 

1. Flory, P. J. J. Chem. Phys. 1949, 17(3), 223‐240.                  

 

Page 150: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

137  

Summary 

Polyamide 6 based block copolymers  synthesized  in  solution and  in  the 

solid state 

Polyamide 6  (PA6)  is a well‐known engineering plastic which has outstanding properties 

such as excellent physical and mechanical strength and chemical stability mainly due to its 

high  chain  regularity  and  strong  hydrogen  bonding  between  the  chains  resulting  in  a 

strong  crystalline phase. PA6 production  is mainly performed  for  automotive,  electrical 

and packaging applications. Material properties of PA6 can be modified according to the 

desired  applications.  This  modification  is  conventionally  done  by  copolymerization  of 

comonomers  with  ε‐caprolactam  in  the  melt  or  by  reactive  blending,  both  methods 

resulting in a random distribution of the comonomers introduced into the PA6 main chain. 

This  random  distribution  of  the  introduced  comonomers  causes  a  decrease  in melting 

temperature, crystallization  rate and crystallinity,  resulting  in undesired mechanical and 

physical properties.  

The aim of this research was to modify PA6, either by starting from low molar mass end‐

functionalized  PA6  blocks  and  react  these with  other blocks  carrying  functional  groups 

reactive with the PA6 end groups, or by submitting high molar mass commercial PA6 by 

solid state polymerization (SSP) or modification without destroying the crystalline phase. 

For  both  methods  the  synthetic  approach  consisted  of  first  molecular  mixing  all 

components  in  a  common  solvent,  followed  by  an  SSP  treatment.  If  this  is  performed 

above  the  glass  transition  temperature  but  below  the  melting  temperature  of  PA6, 

modification of  the backbone occurs  in  the amorphous phase which  is  the only mobile 

part of the polymer in this temperature range.  

Biodegradability  of  PA6  can  be  enhanced  by  e.g.  making  polyesteramide  copolymers 

containing both PA6 and aliphatic polyester  segments,  since  the ester‐containing blocks 

are susceptible to degradation in nature. If this is done in solution and/or solid state, then 

multiblock copolymers based on PA6 can be obtained. In this way, the good properties of 

Page 151: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Summary 

138  

PA6 can be largely retained while degradation can be achieved as an additional property, 

an  important  advantage  for  e.g.  packaging  applications.  The  synthesis  and 

characterization of polyesteramide multiblock copolymers were described  in Chapters 2 

and 3. In the former one, totally amine end‐capped PA6 polymers (Mn=1,200‐4,100 g/mol) 

and  totally  hydroxyl  end‐capped  polypropylene  adipate  (PPA)  polymers  (Mn=900‐1,400 

g/mol) were synthesized. PPA with the  lowest obtained Mn and a commercially available 

polycaprolactone  diol  (PCL)  were  toluenediisocyanate  (TDI)  end‐capped.  Since  the 

handling of the oily diisocyanate end‐capped PPA was difficult, for the preparation of PA6‐

based multiblock copolymers amine end‐capped PA6 and TPCL  (TDI‐modified PCL) were 

used.  Reaction  between  the  end  groups  and  formation  of  high  molecular  weight 

multiblock  copolymers  were  already  observed  at  room  temperature  in 

hexafluoroisopropanol  (HFIP),  making  an  SSP  treatment  superfluous  in  this  case. 

Biodegradation studies on the polymer films showed the enhanced degradability after PCL 

incorporation, where up  to a 12% weight  loss was observed after 8 weeks of enzymatic 

incubation at 25  °C. A pure PA6 polymer showed virtually no weight  loss after a similar 

treatment.  

Another  reaction  route  was  applied  in  Chapter  3  for  the  same  purpose  of  obtaining 

enhanced biodegradability. This approach consisted of a base‐catalyzed reaction between 

diepoxy propylene adipate  (DEPA) and  low molecular weight carboxylic acid end‐capped 

PA6 after solution mixing in HFIP, followed by complete removal of the solvent and finally 

an SSP treatment. To determine the optimum reaction conditions firstly model reactions 

were performed by using a diepoxy oligoether and carboxylic acid end‐capped PA6. As a 

catalyst  for  the coupling of both blocks 4‐(dimethylamino) pyridine  (DMAP) was used  in 

different amounts  in a  temperature  range of 70‐120  °C. The highest Mn value obtained 

was 17 kg/mol and further  increase  in molecular weight was restricted by side reactions 

and crosslinking. Later, PA6‐DEPA reactions were performed with or without the addition 

of  DMAP  and  triethylamine  (TEA)  as  catalyst  between  80‐140  °C.  In  this  case  lower 

molecular  weighs  were  obtained,  however  multiblock  copolymers  were  achieved 

consisting of a few blocks of PA6 and the oligoester.  

Page 152: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

                                                                                                       Summary                          

139  

SSP can also be used to modify high molecular weight commercial grade PA6, as shown in 

Chapter 4. For  this purpose a  semi‐aromatic nylon  salt of 1,5‐diamino‐2‐methylpentane 

(Dytek A) and  isophthalic acid  (IPA) was prepared which has a highly  irregular chemical 

structure and accordingly is expected to be incorporated only in the amorphous phase of 

the  PA6  without  any  cocrystallization  with  the  PA6  backbone  (see  furtheron  in  this 

summary). This modification was also performed in the solid state, between Tg and Tm of 

the  PA6,  after  solution  mixing  of  the  Dytek  A‐IPA  salt  and  PA6  in  HFIP  and  after 

evaporation of this solvent. Different amounts of salt were used and melt polymerizations 

were also carried out for comparison with the performed SSP reactions. Incorporation of 

the diamine of the salt occurs via aminolysis whereas the dicarboxylic acid  incorporation 

occurs via acidolysis reactions. Therefore, in the first stages of the SSP reaction a dramatic 

decrease in molecular weight was observed because of chain scission, which later started 

increasing due  to polycondensation. Restricted molecular weight growth after  the  initial 

chain scission was observed due to the loss of parts of the diamine, causing an unbalance 

in  the  functional end‐groups, which  could be prevented by using a  closed environment 

and by  lowering the  initial SSP temperature until complete  incorporation of the Dytek A. 

In the second stage, the reaction temperature was  increased and continuous Argon flow 

was applied to favor the  incorporation of  IPA and to remove the condensation water by 

coupling of  the broken chains. By  this way, copolymers with Mn values of 12‐24 kg/mol 

were obtained with 30‐10 wt% salt added in the feed, respectively. The block length and 

degree  of  randomness  calculations,  which  were  performed  by  quantitative  13C  NMR 

together with thermal analysis, strongly pointed to a blocky microstructure in case of the 

SSP reaction products. Comparison of the copolymers synthesized by SSP and MP with the 

same salt compositions not only revealed a significant decrease in the thermal properties 

but also a random distribution of the Dytek A‐IPA salt in the PA6 main chain after MP. This 

revealed  that  the deformation of  the crystalline phase was prevented during SSP below 

the melting temperature  of PA6 and that the incorporation of the salt only occurs in the 

amorphous  phase.  By  this  way,  block‐like  copolymers  with  thermal  properties  quite 

similar to those of pure PA6 were obtained.  

Page 153: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

Summary 

140  

Morphological analysis of the copolymers prepared by the  incorporation of the Dytek A‐

IPA salt was expanded  in Chapter 5. Wide angle X‐ray diffraction (WAXD), solid state 13C 

NMR and FT‐Infrared spectroscopy (FTIR) analyses provided a better understanding of the 

structural  behavior  of  the  blocky  copolymers  prepared  by  SSP.   WAXD measurements 

revealed that the nylon salt does not co‐crystallize with the PA6 repeat units.   However, 

with  increasing  salt  content  a  decrease  in  crystallinity  and  the  formation  of  a 

pseudohexagonal  phase was  observed.  The  decrease  in  crystallinity was  also  observed 

from FTIR analysis at room temperature while FTIR analysis upon heating showed a Brill 

transition at around 160‐180  °C.  From  the  temperature‐dependent  solid  state  13C NMR 

analysis the disappearance of the resonances of the IPA in the copolymers was observed 

well‐below the melting temperature of the crystals and this was attributed to the absence 

of  cocrystallization of  the Dytek A‐IPA  salt with  the PA6  chain  segments,  in  agreement 

with the WAXD analysis.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 154: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

  

141  

Acknowledgements 

 

The end seemed too far at the beginning but the time flies, especially if you are having a 

good  time.  I would  like  to  thank all  the people who contributed  to  this good  time both 

academically and socially during my PhD in Eindhoven. 

My dear promoter and supervisor Prof. Cor Koning, thank you very much for accepting me 

to this wonderful research group. Although you were very busy most of the time as the 

manager  of  the  group,  you have  always  been  very motivating, positive  and  supportive 

during my research. I appreciate all your valuable contributions in my scientific progress. I 

would also like to thank DSM for the financial support and to the people who contributed 

to this thesis with their fruitful discussions and support: Dr. Pim Janssen, Dr. Rudy Rulkens, 

Dr. René Kierkels and Dr. Ronald Ligthart as well as technical staff: Marcel Aussems and 

Victoria de Bruijn.  

The  reading  committee of  this  thesis, Prof.  Jan Meuldijk, Prof.  Iskender  Yilgor, Dr. Han 

Goossens and Prof. Christian Bailly are sincerely thanked for their comments and input for 

the last version of the thesis and for being part of the core committee. Dr. Rob Duchateau 

and Dr. Albert Schenning are appreciated for joining the defense committee.  

Many people within and outside the university contributed to this thesis. Many thanks to 

the ex and present technical staff of our Polymer Chemistry (SPC) group for their help with 

analysis: Wieb, Martin F. and Harry for SEC, Carin and Hanneke for MALDI and Rinske for 

SEM.  Thanks  to  other  people  who  took  responsibility  in  analytical  measurements: 

Monique,  Inge, Yingyuan,  Jey, Lidka and Erik  for DSC measurements, Gozde  for her help 

with DMTA, and Maria and Weizhen from SKT group for measuring DSC and TGA samples. 

Some nice collaborations came out during  this study. Many  thanks  to Marko  from SMO 

group  for many weekend 13C NMR measurements and discussions and to Maurizio  from 

SKT for his valuable help with X‐Ray analysis. Dr. Magnus Eriksson and Dr. Mats Martinelle 

from Royal Institute of Technology Stockholm are thanked for sharing their polyester with 

Page 155: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

142  

us. Dr. Michael Ryan Hansen is thanked for solid state NMR measurements in Max Planck 

Institute Mainz. 

If  it comes to acknowledging other people who helped me during my PhD,  I should start 

with Thierry who was my guide in the lab during my first months and spent a lot of time 

with me for the synthesis of polyamides  in a scary reactor. Merci beaucoup! And then,  I 

should continue with more people: Donglin,  for running for my help whenever 

I needed something in the lab or in the office and making me smile with your smart jokes. 

My  sweet  lady  Lidka,  I  always  enjoyed  working  close  to  your  fumehood  and  being 

supported by you not only  for work  related  stuff but also  for any other  thing. Dziękuję 

dużo miodu! Many thanks to my hard working students Onder and Mohammed.  

Special  thanks  to  the  rest of  the  inhabitants of office STO 1.41 who  shared  it with me. 

Rubin, Charlotte, Lyazzat; thank you for the friendly atmosphere in the office. Mi chiquita 

Sandra, you were much more than an office mate. I loved sharing the office and the house 

with  you. Muchas  gracias  for  all  the  great  times we  had. M.  Peppels,  I will miss  your 

energetic ‘good morning’s and our long discussions about many different things.  

Thanks to Martin O., Martin F., Mark B., Gozde, Bahar, Camille, Elham, Fabian and Julien 

for making  the coffee  room  full of  food and drinks  for us. Many many  thanks  to all  the 

other members  of  the  group with whom we  had  countless  amounts  of  coffee,  lunch 

breaks, borrels, and spent many time together: Rafael, Patricia, Wouter, Roxana, Hector, 

Simona,  Judit,  Maurice,  Syed,  Ingeborg,  Joris,  Dirk,  Bart,  Hans,  Alex,  Rob,  Hemant, 

Shaneesh,  Gemma,  Gijs,  Jerome,  Judith,  Timo,  Ece,  Dogan,  Pooja,  Yun,  Jing,  Miloud, 

Mohammad and Evgeniy. Some special thanks to special ladies; Bahar (dostlugun icin cok 

sagol!), Gözde,  Camille  and MC  for  all  the  lovely  times we  had  inside  and  outside  the 

department. Also, many thanks to our secretaries Pleunie and Caroline who took care of 

everything.  Many  Thursday  evenings  gathered  people  together  in  Fort  from  other 

groups/departments: Olivier, Benjamin, Florence, Alberto, Hans, Sabriye, Seda C., Başar, 

Barış,  Ali  Can,  Natalia,  Matthieu,  Daniele,  Dario,  Domenico,  Gosia,  Jovan  and  many 

others…Thank you for sharing the beer and the good time!  

Page 156: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

   

143  

Well, this PhD would be difficult without the amazing Turkish gang. My  lovely space box 

neighbors  Önder,  Fırat,  Derya  and Melike,  it  was  perfect  to  have  you  there. Melike, 

yavrucum, ne desem az, iyi ki varsin! Canım arkadaşım Bestem, I feel so lucky that we both 

came here! And the very special rest of the gang; Merih, Can, Hakkı, Nimet, Levent, Güneş, 

Tunç, Ulaş, Nilhan, Ezgi, Oğuz, Sinan, Memo, Ekin, hepiniz tek tek sağolun canlar! All the 

innumerable  activities,  trips  and  other  times  we  had  together  were  great  and  it  was 

always like home with you!  

Finally, I would like to thank my family for always being by my side and to İso for being my 

family here in Netherlands.  

Thanks to everyone who made it possible to live and work in such a gezellig environment 

and tot de volgende keer! 

Seda 

 

 

 

 

 

 

 

Page 157: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916
Page 158: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

  

145  

List of publications 

S. Cakir,  L.  Jasinska‐Walz, M. Villani, M. R. Hansen, C. Koning  “Investigation of 

local chain conformation and morphology of polyamide 6 based copolymers”, in 

preparation. 

S.  Cakir,  C.  Koning  “Polyamide  6  Based Multiblock  Copolymers  Synthesized  in 

Solid State”, in preparation. 

S. Cakir, M. Nieuwenhuizen, P. Janssen, R. Rulkens, C. Koning “Incorporation of a 

semi‐aromatic nylon salt into polyamide 6 by solid state or melt polymerization: 

Influence on degree of randomness”, submitted. 

S.  Cakir,  R.  Kierkels,  C.  Koning  “Polyamide  6‐polycaprolactone  multiblock 

mopolymers: Synthesis, mharacterization, and degradation” J. Polym. Sci. Part A: 

Polym. Chem. 2011, 49, 2823‐2833. 

C. Oguz, M. A. Gallivan, S. Cakir, E. Yilgor,  I. Yilgor “Influence of polymerization 

procedure  on  polymer  topology  and  other  structural  properties  in  highly 

branched polymers obtained by A2 + B3 approach” Polymer 2008, 49, 1414‐1424. 

Conference Proceedings: 

S.  Cakir,  C.  Koning,  M.  Eriksson,  M.  Martinelle  “Multiblock  copolymers  of 

polyamide  6  and  diepoxy  propylene  adipate  obtained  by  solid  state 

polymerization” European Polymer Congress, Granada, Spain, June 2011, 52. 

S.  Cakir,  R.  Kierkels,  C.  Koning  “Biodegradable  polyamide  6‐polycaprolactone 

multiblock  copolymers  obtained  by  solution  and  solid  state  step  growth 

polymerization”  Proceedings  of  Polycondensation  Conference,  Kerkrade,  the 

Netherlands, September 2010, 105. 

S. Cakir, C. Koning “Polyamide 6 based multiblock copolymers obtained by solid 

state  step  growth  polymerization”,  Abstracts  of  Papers,  238th  ACS  National 

Meeting, Washington, DC, United States, August 16‐20, 2009. 

C. Oguz, S. Cakir, E. Yilgor, M. G. Gallivan,  I. Yilgor   “Influence of polymerization 

procedure on the topology and structural properties of highly branched polymers 

in  A2+B3  systems:  A modeling  study”  Abstracts  of  Papers,  235th  ACS National 

Meeting, New Orleans, LA, United States, April 6‐10, 2008. 

S. Cakir, E. Yilgor,  I. Yilgor, C. Oguz, M. G. Gallivan “Highly branched, segmented 

polyurea  elastomers  through oligomeric A2+B3  approach” Abstracts of  Papers, 

233rd ACS National Meeting, Chicago, IL, United States, March 25‐29, 2007.  

 

 

Page 159: Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and … · Polyamide 6 based block copolymers synthesized in solution and in the solid state Cakir, S. DOI: 10.6100/IR730916

146  

Curriculum Vitae 

 

Seda Çakır was born on the 29th of August 1983 in Giresun, Turkey. After finishing her high 

school education at Bursa Gazi Anatolian High School in 2001, she started her bachelors at 

Middle East Technical University in Ankara. In 2005 she graduated with a B.Sc. in Chemical 

Engineering.  Subsequently,  she  won  a  scholarship  from  the  Materials  Science  and 

Engineering  Master’s  Program  at  Koç  University  in  Istanbul.  She  worked  within  the 

Polymer  Science  group  under  the  supervision  of  Prof.  İskender  Yılgör  on  the  research 

entitled:  “Highly  branched,  segmented  polyurea  and  polyurethane  elastomers  through 

oligomeric A2+B3 approach” and received a M.Sc. degree in July 2007. In September 2007 

she  started  her  PhD  study  at  the  Eindhoven  University  of  Technology  in  the  Polymer 

Chemistry  group  supervised  by  Prof.  Cor  E.  Koning.  The most  important  results  of  this 

study are presented in this dissertation.