CH295070A - Verfahren zum Polymerisieren olefinisch ungesättigter Verbindungen. - Google Patents
Verfahren zum Polymerisieren olefinisch ungesättigter Verbindungen.Info
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Description
Verfahren zum Polymerisieren olefinisch ungesättigter Verbindungen. Die Erfindung bezieht. sieh auf ein Ver fahren zum Polpmerisieren olefiniseh unge sättigter Verbindungen, welche in Wasser höchstens teilweise löslich sind, zwecks Bil dung stabiler Polymer-Dispersionen, wobei die Polymerisation in einer wässrigen Phase in Anwesenheit eines Emulgators und minde stens eines Katalysators, der in der genannten wässrigen Phase Radikale bildet, durchgeführt wird. Bei diesem neuen Verfahren wird die zu polymerisierende Verbindung bzw. Verbin dungen in aufgeteilter flüssiger Form durch 'die wässrige Phase hindurchgeführt, wobei die Bewegung des aufgeteilten Monomers in bezug auf die wässrige Phase hauptsächlich durch den Unterschied im spezifischen Gewicht der beiden Phasen verursacht wird. Dies bedeutet, dass, sofern ineehaniselie Rührvorrichtungen überhaupt verwendet werden, der Einfluss die ser auf die Bewegung des aufgeteilten Mono mers geringer ist als derjenige des erwähn ten Unterschiedes im spezifischen Gewicht. Vorzugsweise wird auf jede inechaniselie Rühr- oder Schüttelvorrichtung verzichtet. Wenn das Monoiner leichter ist als die wässrige Phase, wird das aufgeteilte Monomer nach oben geleitet; wenn die Verhältnisse umgekehrt sind, wird er nach unten geführt. Es ist empfehlenswert, an der Stelle, an. welcher das 31onomer in die wässrige Phase eintritt, eine geeignete Verteihlngsvorriehtung anzubringen. In einer solchen Verteilungsvor- richtung können die Öffnungen einen Durch messer von beispielsweise 0,2 bis 20 mm haben; er beträgt gewöhnlich zwischen 2 und 10 mm. Das Monomer wird in flüssiger Form aufge teilt, und vereinigt sich auf der entgegenge setzten Seite zu einer geschlossenen Schicht. Ein Reaktionsgefäss in Form einer Kolonne ist gut geeignet. In ihr können verhältnis mässig grosse Mengen des Monomers mit Hilfe einer verhältnismässig kleinen und einfachen Verteilungseinrichtung gleichzeitig mit der wässrigen Phase in innige Berührung gebracht werden. Anderseits steigt das Mass der Ab trennung von Monomeren aus der wässrigen Phase mit der Grösse der Oberfläche der wäss- rigen Phase am Ort der Trennung. Es ist. daher zu empfehlen, bei Anwendung eines kolonnenförmigen Reaktionsgefässes die Tren nung in einem Raum vor sich gehen zu lassen, der weiter ist als die Reaktionskammer, das heisst eine grössere horizontale Querschnitts fläche besitzt. In den meisten Fällen wird das Monomer vom Abfluss an die Zuführungsstelle zurück geleitet, so dass es im. Kreislauf fliesst. Vor zugsweise wird das Monomer zu der Zu führungsstelle durch eine ausserhalb des Re aktionsgefässes angeordnete Leitung im Kreis lauf zurückgeführt. Gewünschtenfalls kann die Zurückführung im Kreislauf jedoch auch durch eine in dem Reaktionsgefäss angeord nete Leitung erfolgen. Die wässrige Phase soll so viel Emulgator enthalten, dass die erhaltene Dispersion des Poly mers beständig ist. Es können auch höhere Konzentrationen des Emulgators ange wendet werden; im allgemeinen sind aber hohe Konzentrationen nicht zu empfehlen. Wenn die wässrige Phase noch kein Poly mer oder nur wenig enthält, führt der Kreis lauf des Monomers zur Bildung einer Schicht. aus konzentrierter Emulsion an der Stelle, an welcher eine Trennung des Monomers von der wässrigen Phase gewünscht wird. Wach sende Bildung von Polymer führt dazu, dass die Schicht der konzentrierten Emulsion we sentlich verringert wird, was vermutlich da durch verursacht wird, dass der Emulgator von dem Polymer gebunden wird. Um ein starkes Anwachsen der konzen trierten Emulsionsschicht bei Beginn der Arbeit zu vermeiden, ist es zweckmässig, die Umlaufgeschwindigkeit des Monomers ver hältnismässig niedrig zu halten. Wenn die Emulsionssehicht infolge der Bildung von Polymer verringert worden ist, kann die Um laufgeschwindigkeit des Monomers erhöht wer den. Um den Prozess in dieser ersten Stufe zit erleichtern, kann von einer wässrigen Phase ausgegangen werden, die bereits eine gewisse Menge von vorher gebildetem Polymer enthält. Obwohl gewisse Schwankungen bezüglich des innern Durchmessers der Düsen, durch welche das Monomer in die Wasserphase ein geführt werden kann, zulässig sind, wird die ser Durchmesser doch vorzugsweise so gewählt, dass die lineare Geschwindigkeit des Monomers beim Eintritt in die wässrige Phase nicht mehr als 30 cm pro Sek. und vorzugsweise nicht mehr als 12 cm pro Sek. beträgt. Eine Erhöhung der linearen Geschwindigkeit über 30 cm pro Sek. kann die Grösse des aufge teilten Monomers verringern, ungünstig auf die Gleiehmässigkeit des Verteilungsrades des Monomers einwirken und als Folge davon die Geschwindigkeit beeinträchtigen, mit welcher das aufgeteilte Monomer sich von der wäss- rigen Phase abtrennt und zu einer zusammen hängenden Phase des Monomers zusammen- fliesst. Die Zahl der Düsen -,wird vorzugsweise so gewählt, dass bei. der erforderlichen Ge schwindigkeit der Riickführung des Monomer5 die lineare Geschwindigkeit in den Düsen unter den erwähnten Grenzen bleibt. In seiner einfachen Ausführungsform kann das Verfahren gemäss der Erfindung an Hand der Fig. 1 erläutert werden. Der kolonnen förmige Reaktionsraum 1 ist weitgehend mit der wässrigen Phase ? gefüllt. I\ber der wäss- rigen Phase befindet sich eine Schicht voil abgetrenntem Monomer 3. Das Monomer wird durch die Umlaufleitung 4 durch die L:ni- wälzpumpe 5 zur Verteilungsv orricht.ung 6 zurückgeführt, von welcher es in --groben Tropfen in der wässrigen Phase aufsteigt. Die ses Schema wird angewendet, wenn das lIo- nomer leichter ist, als die wässrige Phase. Wenn das Monomer schwerer ist. als die wäss- rige Phase, wird die Verteilungsv orriehtung 6 im obern Teil des Reaktionsraumes angeord net; dann trennt sieh die Schicht 3 des Mono- iners unterhalb der wässrigen Phase ab und das Monomer strömt in der Leitung 1 vom untern Ende zur Spitze der Kolonne. Bei der zuerst beschriebenen Ausführungs form wird ein Ansatz einer wässrigen Phase in eine Polymer-Dispersion übergeführt. Von besonderer Bedeutung ist jedoch eine Aus führungsform, bei welcher während der Poly- merisation frische Wasserphase zugeführt und gebildete Polymer-Dispersion abgezogen wird. Vorzugsweise gleichen sieh Zufuhr und Ab führung der wässri-en Phase aus. Es ist zu empfehlen, dass die Entnahme der Polymer- Dispersion an der Seite des Reaktionsraumes erfolgt, an welcher das Monomer zugeführt wird, und zwar aus dem Teil des Reaktions raumes hinter der Verteilungsvorrichtung. Zwischen der Verteilungsvorrichtung und der Abflussstelle ist die wässrige Phase frei von emulgiertem Monomer. Diese Ausführungsform des Verfahrens wird unter Bezugnahme auf Fig. ? erläutert, die sich ebenfalls auf den Fall bezieht, dass das Monomer leichter ist als die wässrige Phase. Der kolonnenförmige Reaktionsraum 7 ist weitgehend mit wässriger Phase 8 gefüllt, über welcher sieh eine Schicht von abgetrenn tem Monomer 9 befindet. 1)as in der Schicht 9 abgetrennte Mono mer wird über die Kreislaufleitunu 13 und durch die Umwälzpumpe 14 der Verteilungs vorrichtung 15 zugeführt, von welcher es in der wüssrigen Phase in groben Tropfen auf steigt. Die wässrige Phase wird durch die Leitung 10 vermittels der Pumpe 11 zu--e- führt und unterhalb der Verteilungsv or- riehtung 15 über die Leitung 12 abgezogen. Das durch die Polymerisationsreaktion ver brauchte Monomer wird durch die Leitung 16 mit Hilfe der Dosierungspumpe 17 ergänzt.. Bei diesen Ausführungsformen ergeben sieh viele Vorteile. Da Rührvorrichtungen überflüssig sind, ist die Einrichtung einfach, billig und leicht zu reinigen. Absetzungen von Polymerisationsproduk- ten, welche bei den bekannten Polymerisations- verfahren durch die Scherwirkung der me chanischen Rührer gefördert werden, treten beim vorliegenden Verfahren überhaupt nicht auf, oder, wenn dies doch der Fall sein sollte, in viel. geringerem Ausmass. Das Mass, in welchem (las Polymer sieh aus der gebildeten Suspension absetzt, hängt auch von der Konzen tration des Emulgators ab. Innerhalb prakti scher Grenzen gilt, dass das Absetzen von Poly mer in um so @ geringerem Masse auftritt, je höher die Konzentration des Emulgators ist. Bei ,gleicher Konzentration des Emulgators ergibt sieh bei Ausfühxun- der Erfindung immer ein geringeres Absetzen von Polymer als bei den bekannten, mit Rühren arbeitenden Verfah ren. Die Führung im Kreislauf bietet eine gute lTelegenheit zu einer sehr einfachen und wirk samen Kühlung. Bei den bekannten Verfah ren, bei welchen keine Rückführung erfolgt, inuss man zum. Kühlen durch die Wandung des Reaktionsraumes seine Zuflucht nehmen, da in diesen Fällen jedes andere Kühlsystem beträchtliche technische Schwierigkeiten mit sich bringt. Da diese Ausführungsformen durch Anwendung von Kühlern mit einer gro ssen Kühlfläche in der Kreislaufleitung es ermöglichen, dass beträchtliche Kalorienmen gen ohne Schwierigkeit abgeführt werden kön nen, gestatten sie Polymerisationsgeschwin- digkeiten, die bei den bekannten Verfahren unzulässig sind. Da in der Rüeklaufleitung keine wässrige Phase zurückgeführt wird, kön nen ohne weiteres Kühler aus Metall ange wendet werden, wodurch der hohe Wärme übertragungskoeffizient ausgenützt werden kann. Das Kühlen in der Kreislaufleitung ist auch von grosser Wichtigkeit, wenn die Poly- merisation bei Temperaturen unter 0 durch geführt wird. Der Gefrierpunkt der wässrigen Phase wird dann durch Zumischen von das Gefrieren verhindernden Mitteln herabgesetzt. Bin Kühlen lediglich. durch die Wandung des Reaktionsgefässes, wie es bei den bekannten Verfahren angewendet wird, ist nur wirksam, wenn die Temperatur des Kühlmittels viel niedriger ist als die im Reaktionsraum ge wünschte Temperatur. Wenn man nun nicht so viel das Gefrieren verhindernde Mittel zu setzt, dass der Gefrierpunkt unter die Tem peratur des Kühlmittels sinkt, setzt sieh Bis an der -Wandung ab. Bei der erwähnten Kühleinrichtung genügt eine verhältnismässig kleine Temperaturdifferenz zwischen Mono rner und Kühlmittel, wenn man in der Um laufleittlng Kühler mit einer grossen Kühl fläche und bzw. oder metallene Kühler ver wendet. Die mit der Bildun- von Eisablage rungen an den Wänden oder mit der An wendung einer beträchtlichen Menge von das Gefrieren verhindernden Mitteln verbundenen Nachteile werden also vermieden. Abgesehen von der Herstellung von 3=Iomo- polvrneren ist das erfindungsgemässe Verfah ren auch gut brauchbar für die Mischpoly- merisation. Darunter wird die gemeinsame Polv merisation von zwei oder mehr Mono meren verstanden. Im allgemeinen werden verschiedene Mono mere, obwohl sie in gleicher Konzentration vorliegen, bei der Mischpolymerisation mit verschiedener (lesehwindigkeit verbraucht. Das Verhältnis, in welchem die Monomere im Reaktionsgemisch vorliegen, neigt infolge- dessen zur Veränderung. Eine Änderung im Verhältnis der Monomerkonzentrationen im Reaktionsgemisch führt wiederum dazu, dass in der Zusammensetzung der gebildeten Makromoleküle Änderungen eintreten, so da.ss ein sogenanntes heterogenes Mischpolymeri- sat entsteht. Es ist bekannt, dass zur Erzielung homo gener Mischpolymerisate das Verhältnis der Monomere im Reaktionsgemisch konstant ge halten werden muss. Dies kann am besten erzielt werden durch Zumischen geeigneter Mengen aller beteiligten 1llonomere oder durch Zumischen geeigneter Mengen aller Monomere mit Ausnahme des am langsamsten verbrauch ten Monomers. Bei den beschriebenen Ausfüh rungsformen kann dieses Zumischen sehr zweckmässig in der Kreislaufleitung erfolgen. In diesem Fall wird vorzugsweise ein Be hälter in der Kreislaufleitung angeordnet. Das Zumischen des Monomers erfolgt dann vorzugsweise in diesem Behälter oder in dem vor denn Behälter liegenden Teil der Um laufleitung. Wenn ein Behälter verwendet wird, kann das Monomer sowohl kontinuier lich als auch absatzweise zugemischt werden. Zur näheren Erläuterung wird auf Fig. 3 Bezug genommen. In dem kolonnenförmigen Reaktionsraum 18 befindet sich die Wasser phase 19, über welcher sieh eine Schicht von abgetrenntem Monomergemisch 20 sammelt. Es wird angenommen, dass das Monomer- gemisch leichter sei als die wässrige Phase. Die wässrige Phase wird mit Hilfe der Pumpe 22 über die Leitung 21 zugeführt und durch die Leitung 23 abgezogen. Das Monomer- gemisch wird durch die Umlaufleitung 2.4 aus der abgetrennten Schicht. 20 der Verteilungs- v orriehtung 25 zugeführt. Die Umlaufleitung 24 enthält ausser der Pumpe 26 den Behälter 27, in welchen frisches Monomer durch die Dosierungspumpe 29 über die Leitung 28 ein geführt wird. Die in Fig. 3 gezeichnete Vorrichtung kann auch in einem solchen Fall verwendet werden, in welchem eine bestimmte Charge eines oder mehrerer Monomere in ein Poly mer oder ein Mischpolymer übergeführt wer- den soll. Wenn man in diesem Fall ein homo genes Mischpolymerisat erhalten will, bringt man zunächst. einen Teil. der Menge der in ein Mischpolymer umzuwandelnden 1@Tonomeren in den Behälter 27, wobei man darauf achtet, dass das Verhältnis der einzelnen Monomere das gleiche ist wie dasjenige, welches bei der Mischpoly merisation Makromoleküle von der gewünschten Zusammensetzung liefert. Bei fortschreitender Mischpolymerisation wird die Zusammensetzung des Gemisches in dem Be hälter konstant gehalten, indem man das zu nächst zurückbehaltene Monomer zumischt. Heterogene Mischpoly-niere können auch hergestellt werden, indem man in den Behäl ter die ranze Menge der umzuwandelnden Monomeren einführt und während der -Iisch- polymerisation das Verhältnis der Monomere nicht korrigiert. Man kann auch heterogene Mischpolymerisate von einer bestimmten ge wünschten Zusammensetzung herstellen, in dem man die Zusammensetzung des llonomer- gemisches während der Mischpolymerisation in bestimmter Weise durch Zumischen gewis ser Monomere in bestimmten Mengen ändert. Diese Änderung kann plötzlich oder allmäh lich erfolgen. Heterogene Mischpolymerisate können in kontinuierlicher Arbeitsweise wie folgt. er halten werden: Man wählt die verschiedenen Abmessungen so, dass der Behälter gegenüber der Menge der Monomeren, die sieh ausserhalb des Behälters im Kreislauf befindet, gross ist. Wenn der Inhalt des Behälters praktisch auf gebraucht ist, wird frisches Monomergemisch ehargenweise zugegeben, wodurch Menge und Zusammensetzung des Monomergemisches in dem Behälter auf den ursprünglichen Wert zurückgebracht wird. Die so erhaltenen llisch- polymiere haben praktisch die gleiche Zusam- niensetzung wie die in einzelnen Absätzen erhaltenen. Mit Hilfe der Umlaufleitung, insbeson dere wenn diese den erwähnten Behälter auf weist, kann die Polynierisation leicht geregelt werden. Im Falle der Mischpolymerisation kann die Zusammensetzung des umlaufenden Monomergemisches kontrolliert werden, indem man eine messbare physikalische Eigenschaft misst. Zu diesem Zweck kann der Breehungs- indez, das spezifische (rewieht oder eine an dere der zahlreichen messbaren physikalischen Eigeilsehaften verwendet werden. Das Zu- inisehen von Monomer im Verlauf der Misch- polyinerisation kann. in Abhängigkeit von den Ablesungen des Messinstrumentes, durch welches die Zusammensetzung des Mon.oiner- geinisehes kontrolliert wird, geregelt werden. (Tewünsclitenfalls kann das Zusetzen von 1rlonomer in Abhängigkeit von den Ablesun- gen der genannten Messeinrichtung vollstän dig autoinatiseh erfolgen. Das Verfahren nach der Erfindung kann ohne Ausnahme für alle in. Emulsion poly- inerisierbaren und mischpolyinerisierbaren, olefiniseh ungesättigten Verbindungen ange wandt werden. Speziell sollen Vinyl- und Vinylidenverbindungen, Allylverbindungen, Äthylen und Butadien angeführt, werden. Bei den Misehpoly merisationen sind solche von Butadien mit Stvrol oder Aervlnitril von be sonderer Bedeutung. Ist die ztx polt' m.erisierende Verbindung hei der angewandten Temperatur gasförmi-, so wird die Polvin.erisation unter einem Sol- ehen Druck durchgeführt, dass diese Verbin dung verflüssigt wird. Es können Katalysatoren von gleicher Art und in den gleichen Mengen, wie bei den be kannten Em.ulsionspolymerisationsverfahren, welehe stabile Polymerdispersionen ergeben, verwendet werden. Im. allgemeinen können wasserlösliche Polymerisationsbeschleuniger mit Sehr guter Wirkung benutzt werden. In besonderen Fällen,<B>7.B.</B> in Redox-Systemen, können öllösliche Katalysatoren angewendet werden. Diese können mit guter @,\'irkung mit. dein zu polymerisierenden 1Ionomer vermiseht werden. Normalerweise können auch bei dem vor liegenden Verfahren andere Stoffe verwendet werden, die bei der Polymerisation eine Rolle spielen, wie die sogenannten Ketten-Stop- Stoffe. Die bei dem erfindungsgemässen Verfahren verwendeten Emulgatoren sind die gleichen, wie sie bei den bekannten in Emulsion durch geführten Polymerisationen verwendet wer den und zu stabilen Polymerdispersionen füh ren. Ionenaktive Emulgatoren werden jedoch bevorzugt. Wenn man das Verfahren nach der Erfindung mit den bekannten Verfahren vergleicht, bei welchen stabile Polymersuspen- sionen erzeugt werden, ist. das erstgenannte Verfahren. günstiger als die andern, weil für die gleiche Stabilität der zu erzeugenden Polymerdispersion, das heisst. für einen gleich niedrigen Prozentsatz an Polymernieder- schlag, eine geringere Konzentration des Emul- gators erforderlich ist. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren liegen geeignete Mengen, der ionenaktiven Emulgatoren im. allgemeinen zwischen 0,01 und 0,20, insbesondere zwischen 0,02 und 0,06 Grammäquivalenten pro kg des am Ende in der Dispersion vorliegenden Polt' mors. Es kann sieh empfehlen, das umlaufende Monom.er mit Wasser zu waschen, um es von Resten von Polymer und Katalysator zu be freien. Eine wirksame Reinigung wird durch geführt, bevor das umlaufende Monomer die Pumpe passiert, da diese Vorrichtung am meisten zum Verschmutzen neigt. Der Strom. des Monomers kann nachein ander durch zwei oder mehrere Reaktions gefässe geführt werden. Auf diese Weise be nötigt man zur Beschickung von zwei Reak tionsgefässen nur eine einzige LTmwälzpumpe. Anstatt die Reaktionsgefässe in Seriensehal- tung zu verbinden, können sie auch bezüglich des Monomerstromes parallel geschaltet sein, wobei sich der den Vorratsbehälter verlassende Strom des Monomers teilt und die versehie- denen Abzweigungen durch die verschiedenen. Reaktionsgefässe fliessen und sich dann wie der vereinigen. Eine Serienschaltung der Reaktionsgefässe ist auch möglich in bezug auf eine strömende Wasserphase. Ein Schema einer Apparatur, bei welcher der umlaufende Monomerstrom nacheinander zwei Reaktionsgefässe durchläuft und ausser dem mit Wasser gewaschen wird, ist in Fig. 4 dargestellt. IIier wird angenommen, dass das Monomer schwerer sei als Wasser. Es wird durch die Pumpe 32 aus dem Behälter 30 über die Leitung 31 in das Reaktionsgefäss 33 ge führt, sinkt in Tropfenform durch die wäss- rige Phase 34 in den erweiterten Teil 35, wo es sich von der wässrigen Phase trennt.; dann gelangt es durch Leitung 36 in das Re aktionsgefäss 37, von wo es über die Leitung 38 in die Waschkolonne 39 fliesst, während es schliesslich, nachdem. das Nasser abge trennt worden ist, über die Leitung 40 in den Behälter 30 zurückkehrt. Die wässrige Phase wird durch die Leitung 41 mit Hilfe der Pumpe 42 zugeführt, verteilt sieh auf die bei den Reaktionsgefässe 33 und 37 und v erlässt diese durch die Leitungen 43 und 44, die sieh zu der Leitung 45 vereinigen. Das Wasch wasser wird durch die Leitung 46 mit Hilfe der Pumpe 47 zugeführt, tritt, in die Waseh- kolonne 39 ein und verlässt diese durch die Leitung 48. Monomer kann dem Behälter 30 durch die Pumpe 50 über die Leitung 49 zugeführt werden. Die Trennfläche zwischen wässrige Phase und 141onomer in den beiden Reaktionsgefässen und in der Waschkolonne kann durch einen Regelmechanismus 51, wel- eher mit Ventilen in den Leitungen 43, 44 und 48 zusammenarbeitet, automatisch auf der gewünschten Höhe gehalten werden. In den folgenden Beispielen beziehen sieh die angegebenen Prozentsätze und Mengen verhältnisse auf Gewicht. Beispiel <I>1:</I> Pol>-merisation von Vinylidenehlorid. Der Apparat bestand aus einem senkrecht angeordneten Glasrohr von 60 cm Länge und <B>3 3</B> ,5 ein Durchmesser, welches an beiden Enden durch einen durchbohrten Stopfen verschlos sen war. Der Hals eines Tropftrichters werde durch die Öffnung des obern Stopfens ge führt, während ein enges Glasrohr mit einem Durchmesser von 6 mm durch die Öffnung des untern Stopfens hindurch und über eine ausserhalb des Glasrohres angeordnete Pumpe zu dem Tropftrichter zurückführte. Das genannte Rohr wurde zu drei Vier teln mit einer Lösung von<B>0,6</B> ?7,) Natrium- mersolat, <B>0,5%</B> Kaliumpersulfat und 0,2 Natriumbiearbonat in Wasser gefüllt. Darauf wurde Vinylidenehloricl bei Zimmertempera- tur aus dem Tropftrichter eingelassen, w-el- ehes sieh im untern Teil des Rohres abtrennte. Nachdem, auf diese Weise das Rohr vollstän dig gefüllt worden war, wurde die Pumpe in Tätigkeit. gesetzt. Zuerst war der Durchmesser der Tropfen des Monomers in der wässrigen Phase kleiner als 1 mm, und es befand sieh eine Sehieht aus konzentrierter Emulsion von 1 bis 2 em Höhe auf dem lTonomer, das sieh im untern Teil des Rohres abgeschieden hatte. C m ein Anwach sen dieser Schicht aus konzentrierter Emulsion zu verhindern, wurde die Durehsatzgesehwin- digkeit des Monomers zunä.ehst auf einem Wert von nicht über 3 Liter pro Stunde gehalten. Der Durchmesser der Monotnertropfen ver grösserte sieh allmählich, was sieh dadurch erklärt, dass Enmlgator an die gebildeten poly meren Teilchen gebunden wird. Nachdem etwa. 1. .ö Pol\zner (berechnet auf die wässrige Phase) gebildet worden war, hatte sieh der Durchmesser der Tropfen auf 0,5 bis 1 ein erhöht. und die Höhe der Schicht aus konzentrierter Emulsion auf einige mm verringert. Die Durchsatzgesehwindigkeit des Vinylidenehlorids konnte dann leicht auf 1.2 Liter pro Stunde erhöht -erden. Das Verfahren wurde fortgesetzt., bis die wässrige Phase 10 ö Polymer enthielt. Die Temperatur betrug 18 . Die Geschwindig keit der Bildung des Polymers betrug im Durchschnitt 10 g pro Liter wässrige Phase und pro Stunde. Die Teilchengrösse des Poly- mers betrug weniger als 0,2,u. Es trat keine Abscheidung von Polymer aus der Suspension auf. Beispiel Polymerisation von Vinylchlorid. Die Polymerisation wurde in einem senk recht angeordneten dickwandigen Glasrohr durchgeführt, dessen Länge 60 cm und dessen innerer Durchmesser 3,5 ein betrug. Die En den des Rohres waren mit durchbohrten 3le- tallabsehlüssen versehen. Der untere Abschluss enthielt eine Düse mit einem innern Durch messer von 6 mm. Das obere und das untere Ende des Rohres waren durch metallische Lei tungen von 3 mm Durchmesser mit einem mit flüssigem Vinylelilorid gefüllten Zylin der verbunden. Die Zuführungsleitung, welche in den untern Teil des Rohres einmündete, war mit einer Kolbenpumpe versehen. Die Abfuhrleitung, welche vom obern Ende des Rohres in den Zylinder zurüekführte, war mit einem Drnekventil ausgerüstet. Das Rohr wurde zu drei Vierteln mit einer 10 % igen Suspension von Polyvinyl- chlorid in Wasser gefüllt, welche ausserdem, berechnet auf die wässrige Phase, 0,5 % Na triummersolat, 0,5 % Kaliumpersulfat und 0,2 % Natriumbicarbonat enthielt und vorher entweder nach dem vorliegenden oder nach einem älteren bekannten Verfahren herge stellt worden war. Das Rohr wurde in ein Heizbad gebracht, durch welches die Temperatur der Suspen sion auf :15 gehalten werden konnte. Der Zylinder mit Vinylchlorid hatte eine Tem peratur von 25 . Viny lchlorid wurde in das Rohr einge pumpt. Es stieg in der Wasserphase in auf geteilter flüssiger Form von 0,5 bis 1 ein Durchmesser hoch und schied sieh oben von der wässrigen Phase ab. Die Abtrennungs geschwindigkeit war so, dass der Durchsatz ohne Schwierigkeit von Anfang an auf 20 Liter flüssiges Vinylchlorid pro Stunde eingestellt werden konnte. Die Polymerisation wurde fortgesetzt, bis die Konzentration des Polymers auf 20 % ge stiegen war. Die Bildungsgeschwindigkeit des Polymers betrug 20 bis 25 g pro Liter Wasser phase und pro Stunde. Die Teilchengrösse des Poly mors lag unter 0,2,u. Es trat keine Ab scheidung von Polymer aus der Suspension auf. Beispiel <I>3:</I> Herstellung eines homogenen Mischpoly- merisats aus Vinylidenchlorid und Methyl- methaervlat. Ausgehend von einem Gemisch von Vi- nylidenchlorid und Methylmethacrylat im Ver hältnis 96:4 wurde bei einer konstanten Tem peratur von 30 ein Mischpolymer hergestellt, das aus Vinylidenchlorid und Met.hylmeth- acrylat im Verhältnis 90:10 zusammengesetzt war. 2,5 kg des Monomergemischeswurden im Kreislauf durch 800 cm3 einer wässrigen Phase geführt, welche 0,5 % Natriummersolat, 5 Ammoniumpersulfat, 0,25 /o Natriumsulfit -(Na.S03) und 0,25 % Natriumbicarbonat ent hielt. Der innere Durchmesser der Reaktions kolonne war 5 cm. Der innere Durchmesser der Düse, durch welche das Gemisch der Monomere in die Kolonne geleitet wurde, betrug 6 mm. Da das Monom.ergemisch schwerer war als die wä.ssrige Phase, wurde es von oben her in den kolonnenförmigen Reaktionsraum ein geführt. Zuerst bildete sich an der Berüh rungsstelle zwischen der wässrigen Phase und dem darunterliegenden Monomergemisch eine dicke Schicht einer konzentrierten Emulsion. Diese Schicht verschwand jedoch später prak tisch vollständig. Die Umlaufgeschwindig keit konnte auf 10 bis 15 Liter Monomer- gemisch pro Stunde erhöht werden. Die Bildungsgeschwindigkeit des Misch- polym.ers betrug 50 bis 100 g pro Liter wäss- rige Phase und pro Stunde. Während der Mischpolymerisation wurde das Monomer- gemisch stündlich wieder etwa auf die ursprüng liche Menge und Zusammensetzung gebracht, indem man Monomere im Verhältnis 90:10 zusetzte. Nachdem das spezifische Gewicht der wässrigen Phase sich auf 1,10 erhöht hatte, wurde es durch Abziehen der erhaltenen Sus pension und Zuführen von frischer wäss riger Phase konstant gehalten. Man erhielt, eine 20 % ige Suspension des Mischpoly mors. Ablagerungen des Mischpolymers traten nicht auf. Es zeigte sich, dass das Mischpoly mer in Cyclohexanon leicht löslich war. Beispiel <I>4:</I> Herstellung eines homogenen Mischpoly- mers aus Vinylidenchlorid und Methacry 1- nitril. Ausgehend von einem Gemisch von Vi- nylidenchlorid und Met.hacrylnitril im Ver- hältnis 98,5:1,5 wurde bei konstanter Tem peratur von 30 ein Misehpolynner erhalten, das aus Viny lidenchlorid und Methacry lnitril im Verhältnis 95:5 zusammengesetzt war. Die Arbeitsweise entsprach vollständig der gemäss Beispiel 3. Die Bildungsgeschwindig keit des Mischpolyzners betrug 30 bis 40 g pro Liter wässrige Phase und pro Stunde. Das spezifische Gewicht der erhaltenen Suspension war 1,08 bis<B>1,10.</B> <I>Beispiel 5:</I> Herstellung eines homogenen Mischpoly- mers aus Vinylidenchlorid und Vinyl.aeetat. Ausgehend von einem Gemisch von Vi- nylidenchlorid und Vinylacetat im Verhältnis 75: 25 wurde bei einer konstanten Tempera tur von 30 ein hlisehpolymer erhalten, das aus Vinylidenehlorid und Vinylacetat im Ver hältnis<B>95:5</B> zusammengesetzt war. 2,5 kg des hlonomergemisches wurden im Kreislauf durch 800 em33 einer wä.ssrigen Phase hindurchgeführt, die 0,7 % Natrium- mersolat, 0,5 ,,ö Ammoniumpersulfat, 0,25 'o \atriumsulfit (Na.SO;) und 0,25 ä Natrium- bicarbonat enthielt. Der innere Durchmesser der Reaktionskolonne war 5 ein. Der innere Durchmesser der Düse, durch welche das Ge misch der Monomere in die Kammer geleitet wurde, betrug 6 mm. Nachdem die Emulsionsschieht, welche sieh ursprünglich an der Berührungsstelle von wässriger Phase und der zusammenhängenden Phase des Monomergemisches gebildet hatte, praktisch verschwunden war, wurde der Durchsatz an Monomergemisch auf 10 Liter pro Stunde gehalten. Nachdem der Polymer gehalt der wässrigen Phase sich auf 16 % er höht hatte, wurde diese Konzentration durch Zuleiten frischer wässriger Phase und Ab ziehen der erhaltenen Suspension konstant ge halten. Die während der Hischpolymerisation verbrauchten Mengen des Monomers wurden durch Zusetzen eines Gemisches von Viny liden- ehlorid und Vinylacetat im Verhältnis 95 :5 stündlich ergänzt. Die Geschwindigkeit der Bildung des 7.#lischpolyners betrug durch- schnitttlich 50 g pro Liter \vässrige Phase und pro Stunde. Das auf diese Weise hergestellte lIiseh- polymerisat erwies sich als leicht, löslich in Cyelohexanon. Beispiel <I>6:</I> Polymerisation von Vinylelilorid in halb technischem Massstabe. Die Reaktionsapparatur bestand ans einem senkrecht. angeordneten Rohr aus rostfreiem Stahl (V2A) mit. einer Höhe von 200 ein und einem innern Durchmesser von 10 ein. Das Rohr war zur Lberwaehung mit kleinen Glas fenstern versehen; eines dieser war in der Nähe des Bodens und ein anderes 160 ein über dem Boden angeordnet. Beide Rohrenden waren durch Flansche verschlossen. Der Bo denflansch war mit. einer VerteilungSvorricli- tung versehen, welche fünf nach oben gericb- tete Düsen mit einem innern Durchmesser von je 6 mm enthielt. Eine Rückführungsleitung aus rostfreiem Stahl verband das obere Ende des Rohres durch den obern Flansch mit. der Verteilungsvorrichtung. In der Rückführungs leitung waren vom obern zum untern Ende folgende Einrichtungen angeordnet: Ein Waschgefäss von 20 Liter Inhalt, ein Wärme austa.uscher und eine Zentrifugalpumpe. Fer ner war ein Druckkessel aus rostfreiem Stahl vorhanden, welcher durch eine Leitung aus rostfreiem Stahl mit dem untern Ende des Rohres durch den Bodenflansch hindurch. verbunden war. Die letzterwähnte Leitung war mit einem Ventil ausgerüstet, das sieh bei einer Drtiekdifferenz von 3 Atmosphären öffnete. Der Druckkessel war mit, einem Auslass für die herzustellende Polymer-Sus- pension und mit einer Zuführung für ein inertes Gas (Stickstoff) versehen. Beide ent hielten Ventile. Vor Beginn der Polyinerisation wurde der Druckkessel mit Stickstoff bis zu einem Druck von 7 at gefüllt. In das Reaktionsrohr wur den 12 Liter einer wässrigen Lösung einge führt, welche 1,0 rö Natriummersolat, 0,4'(') Kaliumpersulfat und 0,3 "' Natriumbicarbonat enthielt. Der Waschkessel war mit 1:5 Liter Wasser gefüllt, das 0,2 ,ö Natriumbiearbonat enthielt.. Der restliche Raum. der Apparatur (mit Ausnahme des Druekkessels) war mit flüssigem Vinylclilorid unter einem Druck von 8,5 Atmosphären gefüllt. Mit Hilfe der Zentrifugalpumpe wurde das Vinylchlorid anfänglich mit einer Ge schwindigkeit von 40 Liter pro Stunde im. Kreislauf geführt. Die Polymerisation wurde eingeleitet durch Erhitzen des Inhaltes des Systems auf 45 durch Einführen von Dampf in den Wärmeaustauscher. Dann wurde die Temperatur durch Kühlen mit kaltem Was ser im Wärmeaustauscher auf 44 bis 45 ge halten. Allmählich konnte die Geschwindig keit der Rückführung auf 100 Liter pro Stunde erhöht werden, wobei trotzdem eine rasche Abscheidung des flüssigen Vinylchlo- rids von der wässrigen Phase im Reaktions rohr gesichert blieb. Der Druck von 8,5 at wurde durch regelmässige Zufuhr von flüssi gem Vinylchlorid aufrechterhalten. Nachdem die Konzentration des Polymers in der wässrigen Phase auf 25 Gew. % gestiegen war, wurde das Verfahren durch folgende Massnahmen zu einer kontinuierlichen Arbeits weise umgestaltet l.. Regelmässige Zufuhr von Wasserphase mit der ursprünglichen Zusammensetzung zum Reaktionsrohr (durch einen Einlass, der 100 cm über dem Bodenflansch angeordnet war), so dass die Konzentration des Polymers in der Wasserphase in der Apparatur kon stant auf 25 % gehalten wurde; 2. Regelung der Zufuhr des Vinylchlorids, so dass die Grenzfläche zwischen wässriger Phase und zusammenhängender Monomer- pliase im Reaktionsrohr in der Höhe des obern Glasfensters gehalten wurde; als Ergeb nis dieser Massnahme öffnete sich das Ventil in der Verbindungsleitung zwischen Reak tionsrohr und Druckkessel, so dass die Poly- inersuspension aus dem. Rohr in. den Druck kessel fliessen konnte; 3. absatzweises Abführen der Polymer suspension aus dem Druckkessel. Das Verfahren wurde ohne irgendwelche Unterbrechung 10 Tage lang durchgeführt. Die durchschnittliche Geschwindigkeit der Polymerbildung betrug 90 g pro Liter Wasser phase und pro Stunde. Die erzeugte Suspen sion war sehr stabil. An den Wandungen und andern Metallteilen wurde keine Spur von polymeren Niederschlägen festgestellt. Die Funktion des Druckkessels besteht in der Begrenzung von Druckschwankungen, welche durch das Ablassen von Polymersus- Pension aus der Apparatur verursacht werden könnten. Starke Schwankungen könnten zur Bildung von gasförmigen Vinylchloridblasen im Reaktionsgefäss führen, welche die Tren nung an der Grenzfläche von wässriger Phase und zusammenhängender Monomerphase be einträchtigen könnten und daher vermieden werden müssen. <I>Beispiel i</I> Herstellung einer konzentrierten Suspen sion eines homogenen Mischpolymerisates von Vinylchlorid und Vinylidenchlorid (in halb technischem Massstabe). Die Einrichtung war die gleiche, wie die in Beispiel 6 beschriebene. Zu Beginn wurden 12 Liter einer vorher hergestellten 40%igen Mischpolymer-Suspen- sion in das Reaktionsrohr eingeführt. Dieses Mischpolymer war aus Vinylchlorid und Vi- n.ylidenchlorid im Verhältnis von<B>20:80</B> Ge wichtsteilen zusammengesetzt. Es stellte kein homogenes Mischpolymerisat dar. Die Sus pension dieses Mischpolymers war vorher nach einer bekannten Methode in einem Einzel ansatz hergestellt worden. Die Zusammensetzung der wässrigen Phase war: 2,0 % Natriummersolat, 0,4 % Kaliumper- sulfat, 0,2 % Natriumbicarbonat und 97,3 Nasser. In den Waschkessel wurden 15 Liter einer 0,2 % igen Natriumbicarbonatlösung einge führt. Der restliche Raum wurde mit einem Ge misch aus Vinylchlorid und Vinylidenchlorid im Gewichtsverhältnis von 57:43 unter einem Druck von 7,5 Atmosphären gefüllt. Während der Polymerisation wurde ein. Gemisch von V inylchlorid und Vinyliden- chlorid im Gewichtsverhältnis von 27:73 zu geführt. Die während der Polymerisation ein- geführte wässrige Phase enthielt 2,0 % N'a triummersolat, 0,4 % Kaliumpersulfat und 0,3 % Natriumbiearbonat. Die Wasserphase wurde mit solcher Geschwindigkeit zugeführt, dass die Konzentration des Mischpolyrners in der Suspension im Rohr auf 40 bis 45 ,'o ge halten wurde. Das Gemisch der Monomere wurde mit solcher Geschwindigkeit eingeführt, dass der Druck von 7,5 at aufrechterhalten blieb. Im übrigen wurde die Arbeitsweise voll kommen analog z. B. 6 durchgeführt. Die Suspension des anfänglich vorhandenen Misch polymers wurde allmählich durch eine Sus pension von frisch gebildetem homogenem Mischpolymer ersetzt. Die durchschnittliche Geschwindigkeit der Mischpolymerbildung be trug 90 g pro Liter Wasserphase und pro Stunde. Das Produkt war eine sehr beständige Suspension eines Misehpolymers, das aus Vinylchlorid und Vinylidenchlorid im Ge wichtsverhältnis 27 :73 aufgebaut war. <B>Y</B> <I>Beispiel 8:</I> Polvmerisation von Butadien in ha.lbteeh- nischem Massstabe. Die Einrichtung war die gleiche wie bei Beispiel 6; der Druckkessel und die mit Ven til versehene Leitung zwischen Reaktionsrohr und Druckkessel waren aber webgelassen. Das Reaktionsrohr war stattdessen mit einer mit einem Ventil versehenen Abzugsleitung aus gerüstet, welches während des Verlaufes des Versuchs dauernd geschlossen blieb. Vor Beginn wurden 12 Liter einer wäss- rigen Lösung, die 0,5 % Kaliumoleat und 0,4 Kaliumpersulfat enthielt und zu welcher so viel Natriumhydroxyd zugesetzt. worden war, dass der pH-Wert 10,1 betrug, in das Reak tionsrohr eingeführt. In den Naschkessel wurden 15 Liter einer 0;2 % igen Natriumbicar- bonatlösung eingebracht. Der restliche Raum wurde mit Butadien aufgefüllt, welches durch Rektifizierung gereinigt war, und zu welchem 0,5 Gew.% tert.Dodecylmercaptan zugesetzt worden waren. Das Butadien wurde mit einer Geschwin digkeit von 25 Liter pro Stunde im Kreislauf zurückgeführt. Die Polym.erisationsreaktion wurde durch Erhitzen des Systems auf 55 durch Einführung von Dampf in den Wärme- austauscher eingeleitet. -Nachdem die Poly- merisation begonnen hatte, wurde die L. m laufgeschwindigkeit allmählich auf 60 Liter pro Stunde erhöht. Die Temperatur wurde durch Einleiten von kalfern. Wasser in den Wärmeaustauscher auf 50 gebracht und ge halten. Während der Polymerisation wurde die Apparatur durch Zufuhr von etwa 11% Liter Butadien vollständig mit Flüssigkeit gefüllt. gehalten. Der Versuch wurde fortgesetzt, bis die Polymerkonzentration in der wässrigerl Plrase auf 20 Gew. ,% gestiegen war. Die durch sehnitt.liche Geschwindigkeit der Poly merbil- dung betrug 40 pro Liter Wasserphase und pro Stunde. An den Wandungen und an an dern Metallteilen wurde keine Spur von poly meren Niederschlägen festgestellt. Beispiel <I>9:</I> Mischpolymerisation von Butadien und Styrol in halbteehniselrem Massstabe. Apparatur und Arbeitsweise waren gleich wie in Beispiel 8, lediglich mit dem. Unter schied, dass an Stelle von Butadien ein Ge- miselr von Butadien und Styrol im Gewichts verhältnis 75:25 verwendet wurde. Die Menge des anfänglich zugesetzten tert. Dodecylnr.er- captans betrug 0,5 Cew. ö berechnet auf das Gemisch der Monomere. Es wurde eine stabile 20 ö ige Suspension des Mischpolymers erhalten. Polymere Nie derschläge wurden nicht festgestellt.
Claims (1)
- PATENTANSPRUCH Verfahren zum Polymerisieren olefinisch ungesättigter Verbindungen, welche in Was ser höchstens teilweise löslich sind, zwecks Bildung stabiler Polymer-Dispersionen, wo bei die Polymerisation in einer wässrigen Phase in Anwesenheit eines Emulgators und mindestens eines Katalysators, der in der ge- nannten wässrigen Phase Radikale bildet, durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zu polymerisierende Verbindung bzw.Verbindungen in aufgeteilter flüssiger Form durch die wässrige Phase hindurchge führt wird, wobei die Bewegung des aufgeteil ten Monomers in bezug auf die wässrige Phase hauptsächlich durch den Unterschied im spe zifischen Gewicht der beiden Phasen ver ursacht wird. <B>UNTERANSPRÜCHE:</B> 1.Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Polymerisation in einem kolonnenförmigen Reaktionsraum durchgeführt wird, welcher mit der wässrigen Phase gefüllt ist, wobei während der Poly- merisation kein Rühren mit mechanischen Vorrichtungen erfolgt, Monomer an einem Ende zugeführt, das sich abscheidende Mono mer am andern Ende abgezogen und das ab gezogene Monomer an die Stelle zurückge führt wird, an welcher das Monomer in die wässrige Phase eingeführt wird. 2.Verfahren nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass das abgezogene Monomer an die Stelle, an welcher das Mono mer der wässrigen Phase zugeführt wird, durch eine ausserhalb des Reaktionsraumes liegende Leitung zurückgeführt wird. 3. Verfahren nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des Monomers von der wässrigen Phase in einem Raum stattfindet, der eine grössere horizontale Querschnittsfläche als das kolon- nenförmige Reaktionsgefäss besitzt. 4.Verfahren nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass die wässrige Phase zu Beginn des Prozesses Polymer enthält, wel ches vorher hergestellt worden ist. 5. Verfahren nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass das Verfahren kontinuierlich durchgeführt, frische wässrige Phase in den Reaktionsraum eingeleitet und die gebildete Polymerdispersion abgezogen wird. 6. Verfahren nach Unteranspruch 5, da durch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der frischen wässrigen Phase und die Abfuhr der gebildeten Polymerdispersion ausgeglichen werden. 7.Verfahren nach Unteranspruch 2, da durch gekennzeichnet, dass das Monomer vor dem Einleiten in die wässrige Phase gekühlt wird. B. Verfahren nach Unteranspruch 2, da durch gekennzeichnet, dass das ausserhalb der wässrigen Phase zirkulierende Monomer durch Wasser geführt wird. 9. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass das Monomer in die wässrige Phase mit einer linearen Ge schwindigkeit von höchstens 30 cm pro Sek. eingeführt wird. 10.Verfahren nach Unteranspruch 9, da durch gekennzeichnet, dass das Monomer in die wässrige Phase mit einer linearen Ge schwindigkeit von höchstens 12 cm pro Sek. eingeführt wird. 11. Verfahren nach Unteranspruch 1, zur Herstellung von Mischpolymerisaten, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des im Kreislauf umlaufenden Monomergemisches kontinuierlich auf den gewünschten Wert gebracht wird. 12.Verfahren nach Patentanspruch I, zur Herstellung von Misehpolymerisaten, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des im Kreislauf umlaufenden Monomergemisches in Zwischenräumen auf den gewünschten Wert gebracht wird.
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