Předmětem vynálezu je způsob přípravy polyetlmresteranrdů, použitelných mezi jiným ve směsích vhodných к výro-bě předmětů r-sováním, vytlačováním nebo zvlákňcváním, reakcí d'karboxylového polyamidu, jehož karboxylOvé skupiny jsou vázány každá na konci řetězce, s polyoxyalkylenglykolem s hydroxylovými skupinami, vázanými na koncích řetězce, v roztaveném stavu.
Řetězce těchto polymerů, připravených způsobem podle vynálezu, jsou tvořeny opakujícími se jednotkami obecného vzorce
C-A-C-O-B-O u и
kde znamená
A polyamidový zbytek, vzniklý z dikarboxylového polyamidu odštěpením obou karboxylových skupin,
В polyoxyalkylenglykolový zbytek, vzniklý z polyoxyalkylenglykolu, majícího hydroxylové skupiny na koncích řetězce, odštěpením obou hydroxylových skupin, a n počet opakujících se jednotek, tvořících řetězec polymeru.
Způsob syntézy takovýchto polymerů, vhodných pro výrobu předmětů liisováním nebo vytlačováním je popsán ve francouzském patentovém sip su 2 273 021. Při tomto způsobu se nechá v roztaveném, stavu za zvýšené teploty a za sníženého tlaku reagovat dikar.boxylový polyamid :s polyoxyalkylenglykolem v přítomnosti katalyzátoru, tvořeného tetraalkoxidem titaničitým.
I když tento způsob, používající uvedeného katalyzátoru na bázi ťtanu, umožňuje získat polyetheresteramidy vhodné jako produkty к výrobě předmětů lisováním nebo vytlačováním, není přesto zcela uspokojivý, mezi jiným proto, že vzniklé polymery se vyznačují zbytkovým žlutavým zbarvením, čímž je rozísah jejich použití omezen.
Nyní bylo zjištěno·, že když se při uvedeném způsobu tetraalkoxid titanu, použitý jako ktalyzátor nahradí tetraalikoxidem zirkonu nebo hafnia, je možno získat polyetheresteramidy v podstatě nemající zbytkové zbarvení. Dále bylo· též zjištěno, že takovéto nahrazení vedlo к vyšší úč nnosti katalyzátoru, to jest, že jednak bylo možno к získání polymerů požadovaných vlastností buď použít menšího množství katalyzátoru na bázi zirkonu nebo hafnia při stejně dlouhé reakční době, nebo zkrátit reakční dobu při použití tohoto katalyzátoru, jednak při stejném množství katalyzátoru a stejné reakční době měly polymery získané za použití katalyzátoru na bázi zirkonu nebo hafnia vyšší limitní 'viskozitní číslo a vyšší Vicatovu teplotu než polymery získané za použití katalyzátoru na bázi titanu.
Způsob podle vynálezu ik výrobě polyetheresteramidů reakcí dikarboxylového (polyamidu o průměrné molekulové hmotnosti v rozmezí 300 až 15 000, jehož karboxylové skupiny jsou vázány každá na konci řetězce, s polyoxyalkylenglykolem o průměrné molekulové hmotnosti v rozmezí 100 až 6000, jehož hydroxylové skupiny jsou vázány na koncích řetězce, v roztaveném stavu v přítomnosti nejméně jednoho tetraalkoxidu kovu jakožto katalyzátoru, se vyznačuje tím, že jako katalyzátoru se použije tetraalkoxidu nebo, tetraalkoxidů majících obecný Vzorec
M (ORK kde
M znamená zirkon nebo hafnium a symboly R, které jsou shodné nebo různé, znamenají stejné nebo různé alkylové zbytky s 1 až 24 atomy uhlíku v přímém nebo rozvětveném řetězci.
Alkylovými 'zbytky s 1 až 24 atomy uhlíku ve významu symbolů R v tetraalkoxidech zirkonu nebo hafnia, použitých jako katalyzátor při způsobu podle vynálezu, jsou například methylový, ethylový, propylový, isopropylový, butylový, ethylhexylový, decylový, dodecylový nebo hexadodecylový zbytek. Výhodnými katalyzátory jsou tetraalkoxidy zirkonu nebo hafnia, u nic-hž symboly R, stejné nebo různé, znamenají alkylové zbytky s 1 až 8 atomy uhlíku. Příklady takovýchto katalyzátorů jsou alkoxidy vzorců
Zr(OC2H5)d,
Zr[0-isoCsH7)4,
Zr(OC4H9)4,
Zr(OC5Hll)4,
Zr(OC6Hi3)4,
Ш’(ОСзН5)4,
Hf(OC4H9)4,
Hf(0-iso,C3H7)4.
Použití katalyzátoru podle vynálezu má jak pro polykondenzaČní reakci mezi dikarboxylovým polyamidem a polyoxyalkylenglykolem, ták pro vlastnoisti získaného polymeru značné výhody. Na počátku reakce se vyskytují dvě nemísitelné fáze, z nichž polyamidová fáze je málo tekutá, a v nepřítomnosti katalyzátoru je polykondenzaČní reakce jen velmi neúplná, viskoizity zůstávají nízké a získaný produkt obsahuje ^nač4 ný podíl nezreagovaného polyoxyalkylenglykolu, který jej činí velmi křehkým a nevhodným, pro následné technologické zpracování, jako je lisování, kalandrování nebo vytlačování. Užitím polykondenzaČní reakce v roztaveném stavu a v přítomnosti tetraalkoxidu zirkonu nebo hafnia jako při způsobu ipodle vynálezu se naproti tomu získá polymer mající dobré mechanické vlastnosti, vyhovující zejména požadavkům, jež jsou na ně kladeny při zpracování ve výsledné produkty lisováním, vytlačováním nebo zvlákňováním.
Katalyzátor použitý při způsobu podle vynálezu může sestávat pouze z jednoho nebo z více tetraalkoxidů obecného vzorce M(OR)4, kde M a R mají výše uvedený význam. Dále může být tvořen sdružením nejméně jednoho z těchto tetraalkoxidů nejméně s jedním alkoholátem alkalického kovu nebo kovu alkalických zemin obecného vzorce (R1O)PY, kde znamená
Ri uhlovodíkový zbytek, s výhodou alkylový zbytek s 1 až 24 atomy uhlíku, zejména s 1 až 8 atomy uhlíku,
Y alkalický kov nebo kov alkalických zemin a p počet valencí Y.
Množství alkoholátu alkalického kovu nebo kov alkalických zemin a množství tetraalkoxidů zirkonu nebo hafnia, které se sdružují к vytvoření smíšeného katalyzátoru, mohou kolísat v širokých mezích. Přesto je však výhodné použít takových množství alkoholátu a tetraalkoxidů, že molární množství alkoholátu se v podstatě rovná molárnímu množství tetraalkoxidů.
Hmotnostní množství katalyzátoru, tedy tetraalkoxidů nebo tetraalkoxidů v případě, kdy katalyzátor neobsahuje alkoholát alkalického kovu nebo kovu alkalických zemin, popřípadě hmotnostní množství sdružení tetraalkoxidu nebo tetraalkoxidů s alkoholátem nebo alkoholáty alkalického kovu nebo kovu alkalických zemřu, když katalyzátor je tvořen sdružením těchto obou typů sloučenin, kolísá s výhodou v rozmezí 0,01 až 5 hmotnostních %, s výhodou v rozmezí 0,05 až 2 hmotnostní %, vztaženo na směs dikarboxylového polyamidu s polyoxyalkylenglykolem.
Dikarboxylové polyamidy, jejichž karboxylové skupiny jsou vázány každá na konci polyamidového řetězce, se získávají známými postupy, například polykondenzací nejméně jednoho laktamu a/nebo nejméně jedné aminokyseliny, nebo polykondenzací dikarboxylové kyseliny s diamínem, kteréžto polykondenzace se provádějí v přítomnosti nadbytku organické dikarboxylové kyseliny, u níž jsou karboxylové skupiny výhodně vázány každá na jednom konci molekuly; tyto dikarboxylové kyseliny se při polykondenzaci váží tak, že vytvářejí složky makro201502 molekulového řetězce polyamidu, zejména na koncích tohoto řetězce, což umožňuje získat α,ω-dikarboxylový polyamid. Na druhé straně působí dikarboxylová kyselina jako omezovač řetězce, z kteréhožto důvodu se používá nadbytku této dikyseliny vzhledem k množství potřebnému k získání dikarboxylového polyamidu; velikost tohoto nadbytku umožňuje upravovat délku ma-krom-olekulového řetězce, a tím i průměrné molekulové hmotnosti dikarboxylového polyamidu.
Tento polyamid je možno připravit z laktamů a/nebo aminokyselin, jejichž uhlovodíkový řetězec obsahuje 4 až 14 atomů uhlíku, jako· je například kaprdaktam, enantholaktam, dodekandaktam, undekanolaktam, dekanolaktam, 11-amino-undekankyselina nebO' 12-aminododekankyseli.na.
Jako -neomezující příklady polyamidů získaných polykondenzací dikarboxylové kyseliny s diaminem je možno· uvést produkty kondenzace hexamethylendiaminu s kyselinou adipovou, kyselinou azelainovou, kyselinou sebacinovou ' a L^dodekankysehno-u, známé pod označením nylony 6.6, 6.9, 6.10 a 6.12, jakož i produkt kondenzace nonamethylendiaminu s kyselinou adipovou, známý pod označením nylon-9.6.
Dikarboxyl-ovými kyselinami, kterých se používá při syntéze dikarboxylového polyamidu, jednak pro vázání karboxylové skupiny na každý z konců polyamidového řetězce, jednak jako· omezovače řetězce, jsou dikarboxylové ' kyseliny se 4 až 20 atomy uhlíku, zejména alkandikyseliny, jako jsou na příklad kyseliny jantarová, adipová, korpcvá, azelainová, sebacinová, undekandikyselina . a dodekandikyselina, jakož i dikarboxylové cykloalifati^ck^é nebo aromatické kyseliny, jako jsou například kyseliny tereftalová, i-softa-ová nebo cyklohexa]^n-.l,4-dikarboxylová. . Těchto dikarboxyiových kyselin se používá v nadbytku, v množství potřebném k získání polyamidu požadované molekulové 'hmotnosti podle obvyklých výpočtů pro· polykondenzační techniku.
Průměrná molekulová hmotnost d-karboxylových polyamidů může kolísat v poměrně značném rozmezí. Bývá s výhodou v rozmezí 300· až 15 000, zejména pak v rozmezí 800 až 5 000.
Pdyoxyalkylenglykdy s koncovými hyd^xy-lovými skupinami se volí z lineárních nebo rozvětvených polycxyalkylenglykolů, jejichž atkylový zbytek obsahuje nejméně 2 atomy uhlíku, jako jsou zejména polyoxyethylenglykd, pclyoxyprcpylenglykcl, polycxytetramfethylenglykcl, kopolymery odvozené od takovýchto pclycxyalkylenglykclů a směsi takovýchto pclycxyal'kylenglykclů a/ /nebo jejich ^polymerů.
Průměrné molekulové hmotnosti těchto pclycxyalkylenglykclů s koncovými hydroxylovými skupinami mohou kolísat ve značném rozmezí. Jsou s výhodou v rozmezí 100 až 6 000, zejména pak v rozmezí 200 až 3 000.
Hmotnostní množství pdycxyaikylenglykolu, vztažené na celkové hmotnostní množství pdycxyalkylenglykdu · a dlkarbcxylcvého polyamidu, které se uvádějí v reakci k získání pcΓyetheresteramldu, může činit 5 až 85 1 % . s výhodou 10 až 50 i%.
Polykondenzační reakce dikarbcxylcvéhc polyamidu s dihydroxylovaným. pdyoxyalkylenglykolem k vytvoření pdyetheresteramidu se provádí tak, že .se tyto reakční složky uvedou za míchání ve .styk v přítomnosti katalyzátoru, přičemž se jich používá v roztaveném stavu, tj. .pracuje se při teplotách vyšších, než jsou body tání dikarboxylového polyamidu a pclycxyalkylenglykclu. Teploty · zvolené pro tuto reakci mají dostačovat k udržení roztaveného reakčního prostředí v dostatečně kapalném .stavu, aby bylo možno dosáhnout mícháním dobrého · styku reakčních složek.
Tyto teploty, zvolené nad body tání dikarboxylového polyamidu a dlhydroxylovanéhc polyoxyalkylenglykclu, mohou být výhodně v rozmezí 100 až 400 °C, zejména pak v rozmezí 200: až 300· °C.
Reakce se popřípadě může provádět za více nebo méně sníženého· tlaku v rozmezí 6,67 Pa až 666,7 Pa, jakož i v inertní atmosféře za tlaku přibližně atmosférického.·
Trvání reakce může kolísat mezi 10 minutami a 10 hodinami; s výhodou je v rozmezí 1 až 5 hodin. Doba trvání reakce závisí na typu pdyoxi^^llkylen^lykdů a má být dostatečně- dlouhá, aby se dosáhlo konečné viskozity, jaká je nutná k získání produktů majících vhodné vlastnosti, aby jich bylo možno· použít jako surovin pro zpracování lisováním nebo vytlačováním.
Aby polykondenzační reakce probíhala v podmínkách příznivých pro · získání vyráběného polyetheresteramidu, je výhodné respektovat ekvimdaritu mezi karbo-xylovými skupinami dikarbcxylcvého polyamidu a hydroxylovými skupinami· pdycxyalkylenglykdu, které se nechají spolu reagovat.
Ke zlepšení vlastností produktu nebo k jejich úpravě podle požadavků pro určité použití je možno k získanému polykondenzátu před zpracovatelskými postupy, nebo, je-li to možné, během polykondenzace přidávat přísady, jako jsou stabilizátory vůči světlu a teplu, antioxidanty, zhášecí přísady, barvivé atd.
Kontrolní a identifikační parametry zvolené pro charakterizování získaných produktů jsou tyto:
— Vicatova teplota v °C (stanovená podle normy ASTM D 1525 65T); .
— limitní viskozitní číslo (stanovené při teplotě 25 °C v roztoku v metakresduj;
— prodloužení tahovým napětím (měřené podle normy ASTM D 638 67T);
— torzní modul (měřený podle normy ASTM D 1043 61T metodou Clash a Berga).
К bližšímu objasnění vynálezu jsou dále uvedeny příklady, na které však vynález není omezen.
Příklad 1
Do reaktoru o objemu 2 litrů se vnese 460 g dikarboxylového polyamidu 6 o průměrné molekulové hmotnosti 2300, předběžně připravený polykondenzací ε-kaprolaktamu v přítomnosti kyseliny adipové. Pak se přidá 80 g dihydroxylováného polyoxyethylenu o průměrné molekulové hmotnosti 400 a konečně 1,1 g (2,8 x ÍO-3 molu] tetrabutoxyzirlkonu vzorce Zr(OC4H9)4.
Takto vzniklá směs se zahřívá v Inertní atmosféře, až její teplota dosáhne 260 °C. Pak se reaktor připojí ke zdroji vakua, přičemž se reakční směs od roztavených reakčních složek intenzívně míchá. Reakce se nechá probíhat při teplotě 260 °C za tlaku 0,133 kPa po dobu 2 hodin.
Limitní viskozitní číslo získaného produktu je 1,3. Při diferenčně ternťcké analýze se produkt vyznačuje vrcholem při teplotě 202 CC, který odpovídá tání krystalů. Chromatografickým stanovením hmotnostního průměru molekulové hmotnosti Mw permea cí gelu v hexamethylfosfotriamidu při teplotě 103 °C byla zjištěna hodnota Mw rovna 44 800 při indexu polydispersity 2,8. Indexem· polydispersity se rozumí poměr hmotnostního průměru molekulové hmotnosti Mw к číselnému průměru molekulové hmotnosti M„.
Ze získaného produktu se vylisují normalizovaná zkušební tělíska к provedení tahových zkoušek a ke stanovení torzního modulu.
Pro prodloužení tahovým napětím 15,5 MPa byly zjištěny hodnoty 11 °/o na mezi průtažnosti a tahovým napětím 52 MPa hodnota 405 o/g ipři přetržení.
Rovněž byla zjištěna hodnota torzního modulu G 134 MPa při teplotě 24 °C a Vicatova teplota 145 °C za zatížení 5 kg při rychlosti zahřívání 50 °C za hodinu.
Příklady 2 až 6
Pracuje se za stejných podmínek jako v příkladu 1, jednak v nepřítomnosti katalyzátoru (příklad 2), jednak za použití katalyzátoru na bázi titanu, jak je uveden v popisu dosavadního stavu techniky (příklad
3) nebo za použití katalyzátorů podle vynálezu (příklady 4 až 6).
Získané výsledky jsou uvedeny v tabulce I.
Tabulka I
příklad |
katalyzátor |
limitní viskozitní číslo |
Vicatova teplota za zatížení 5 kg (°C) |
poznámky |
typ |
množství (počet molů) |
2 |
— |
— |
0,4 |
|
produkt heterogenní a křehký |
3 |
Ti(OC4H9)4 |
2,8 x ΙΟ’3 |
1,15 |
140 |
produkt slabě žlutý |
4 |
Zr(0-iso СзН7]4 |
2,8 x ΙΟ’3 |
1,31 |
145 |
produkt bílý |
5 |
Hf(OC4H9)4 |
2,8 x ΙΟ’3 |
1,35 |
147 |
produkt bílý |
6* |
Zr(OC4H9]4
NaOC4H9 |
2,8 x ΙΟ’3
2,8 x IQ-3 |
1,40 |
148 |
produkt bílý |
* Katalyzátor použitý v tomto příkladu se připraví v bezvodém prostředí rozpuštěním 1 g sodíku v 99 g n-butanolu, načež se ke vzniklému roztoku přidá 16,7 g tetrabutoxldu zirkonu vzorce Zr(OC4H9)4 a pak se roztok zředí n^butanolěm na objem 200 ml.
Z rozborů výsledků uvedených v tabulce I je možno učinit tyto závěry:
— polyetheresteramidy získané bez použ'tí katalyzátoru mají nízké limitní viskozitní číslo, jsou heterogenní a křehké, a proto nevyhovují pro zpracování lisováním, vytlačováním neibo zvlákňováním, zatímco polyetheresteramidy připravené v přítomnosti katalyzátoru jsou vhodné pro tato použití;
— produkty vyrobené v přítomnosti katalyzátorů podle vynálezu (příklady 4 až
6) jsou bílé, zatímco produkt připravený za použití katalyzátoru na bázi titanu (příklad
3) má výsledné nažloutlé zbarvení;
— při stejném molárním množství katalyzátoru a při stejně dlouhé reakční době se použitím katalyzátorů podle vynálezu získají produkty mající vyšší limitní viskozitní číslo a vyšší Vicatovu teplotu než produkty připravené za použití katalyzátoru téhož typu, ale na bázi titanu.
Kromě toho z porovnání výsledků z příkladu 1 a 6 vyplývá, že přidružením alkoholátu ke katalyzátorům podle vynálezu se účlnnost těchto katalyzátorů ještě zvýší.
Příklad 7
Stejným postupem, jak je popsán v příkladu 1, se nechá při teplotě 260 &C za tlaku 0,133 kPa reagovat po dobu 2,5 hodiny 390 g dikarboxylového polyamidu 6 o průměrné molekulové hmotnosti 1300 se 195 g dihyd· roxylovaného polyoxytetramethylenu o průměrné molekulové hmotnosti 650 v přítomnosti 1 g tetraisopropoxidu zirkonu vzorce Zr(O-lsoC3H7)4.
Získá se velmi bílý polyetheresteramid o limitním, vijskozřtním čísle 1,55 a o bodu tání 192 °C.
Prodloužení napětím v tahu 11 MPa činí
12,5 % na mezi .průtažnosti a 520 % napětím 44 MPa při -přetržení.
Hodnota torzního mo-dulu G činí 85 MPa při teplotě 20 °C a Vicatova teplota za zatížení 1 kg 163 °C.
Příklad 8
Postupem obdobným postupu popsanému v příkladu 1 se při teplotě 260 °C za tlaku 0,133 kPa nechá po dobu 4 hodin reagovat 400 g dikarboxylového polyamidu 11 o průměrné molekulové hmotnosti 2000 se 200 g dihydroxylovaného polyoxypropylenu o- průměrné molekulové hmotnosti 1000 v přítomnosti 1,4 g -tetraethoxidu hafnia vzorce Hf(OC2H5)4.
Vzniklý produkt se vyznačuje těmito vlastnostmi:
— barva:
bílá — limitní viskozitní číslo:
1,15 — bod tání:
173 °C — torzní modul G:
MPa při -teplotě 22 °C — Vicatova teplota:
160 °C -při zatížení 1 kg — prodloužení:
% za tahového napětí 14 MPa na mezi- (průtažnosti
510 % za tahového napětí 41 MPa při přetržení
Pracuje-li se za obdobných podmínek, avšak -se stejným molárním množstvím tetraethoxidu titanu vzorce TifOCzHsjd místo katalyzátoru na- bázi, hafnia, je zapotřebí 6 hodin, aby se získal produkt téže viskozity; navíc se produkt získaný v přítomnosti katalyzátoru na bázi titanu -vyznačuje zbytkovým nažloutlým zbarvením.
Příklad 9
Katalyzátor používaný při způsobu podle vynálezu se připraví takto: V bezvodém prostředí se rozpustí 1,41 g krouženek hořčíku ve 300 -ml bezvodého- n-butanolu. Roztok se zahřívá 4 hodiny pod zpětným chladičem, načež se přidá 40,5 g tetrabutoxidu zirkonu vzorce Zr(OC4iH9)4 a v zahřívání pod zpětným chladičem se pokračuje po další hodinu. Pak se reakční -směs ochladí a získaný roztok se ponechá za nepřístupu vzduchu.
Postupem obdobným postupu popsanému v příkladu 1 se při teplotě 260 °C a za tlaku 0,133 kPa nechá po dobu 2 hodin reagovat 525 g -dikarboxylového -polyamidu 12 o- průměrné molekulové hmotnosti 3500, -připraveného- polykondenzací dodelkalaktamu v přítomnosti kyseliny adipové, s 90 g dihydroxylovaného polyoxyethylenu o- průměrné molekulové hmotnosti 600 v přítomnosti 10 ml roztoku katalyzátoru připraveného, jak výše uvedeno.
Získaný produkt se vyznačuje těmito vlastnostmi:
— barva:
bílá — limitní -viskozitní číslo:
1,30 — bod tání:
178 °C — torzní modul G:
160 MPa při teplotě 24 °C — Vicatova teplota:
156 °C při zatížení 5 kg — prodloužení:
10- % za tahového -napětí 18 MPa na mezi průtažnosti
405 °/o za tahového- napětí 58 MPa při -přetržení