Způsob přípravy rozpustného rozvětveného polymeru, tento polymer, nátěrová kompozice obsahující tento polymer, lisovaný polymerní výrobek obsahující tento polymer a použití tohoto polymeru
Oblast techniky
Vynález se týká způsobu přípravy rozpustného rozvětveného polymeru, tohoto polymeru, nátěrové kompozice obsahující tento polymer, lisovaného polymerního výrobku obsahující tento polymer a použití tohoto polymeru.
Dosavadní stav techniky
Rozvětvené polymery jsou polymemí molekuly konečné velikosti, které jsou rozvětvené a často mají mnoho větví. Rozvětvené polymery se liší od síťovaných polymemích struktur, které mají sklon tvořit soubory o nekonečné velikosti s vzájemně propojenými molekulami, a které obvykle nejsou rozpustné. Rozvětvené polymery jsou obvykle rozpustné v rozpouštědlech, které rozpouštějí analogické lineární polymery, ale mají tu výhodu, že roztoky rozvětvených polymerů bývají méně viskózní než stejně koncentrované roztoky odpovídajících lineárních polymerů o podobné molekulové hmotnosti. S roztoky rozvětvených polymerů se proto snadněji manipuluje, zvláště když mají vysoký obsah pevného materiálu, a mohou se připravovat za použití menšího množství rozpouštědla, než je tomu u lineárních polymerů. Z toho důvodu jsou rozvětvené polymery užitečné přísady například u nátěrů a inkoustů na bázi rozpouštědel, a mají i mnoho jiných použití. Navíc mají rozvětvené polymery nižší viskozitu v tavenině, než mají analogické lineární polymery, a jsou užitečné pro zlepšení zpracovatelnosti taveniny při vstřikovacím lisování, tlakovém lisování, průtlačném lisování nebo při práškovém potahování.
Rozvětvené polymery se mohou připravit dvoustupňovým pochodem, při kterém lineární polymer, obsahující větvící místa, se podrobí dalšímu polymeračnímu nebo modifikačnímu kroku, při kterém se na větvících místech vytvoří větve. Komplikace, spojené s dvoustupňovým pochodem, však mohou tento pochod učinit nezajímavým a způsobit vysokou cenu výsledného rozvětveného polymeru. Jinou alternativou je jednostupňový proces, při kterém přítomnost polyfunkčního monomeru dodává funkcionalitu v polymemím řetězci, ze kterého mohou vyrůstat polymemí větve. Použití obvyklého jednostupňového pochodu je však omezeno tím, že polyfunkční monomer musí být přítomen v pečlivě kontrolovaném množství, obvykle v množství podstatně menším než asi 0,5 % hmotnostních, aby se zabránilo rozsáhlému síťování polymeru a tvorbě nerozpustných gelů. Při použití tohoto systému je velmi obtížné tomuto síťování zabránit, zvláště v nepřítomnosti rozpouštědla anebo při vysoké konverzi monomem na polymer.
Spis GB-A 2294467 popisuje rozvětvený polymethylmetakrylátový polymer o molekulové hmotnosti 80 000 až 400 000, ve kterém molekulová hmotnost mezi větvícími místy je mezi 30 000 a 1 000 000, a který obsahuje 0,05 % až 0,2 % polyfunkčního monomem a < 0,5 % molámích přenašeče řetězce. Spis US-A 5 767 211 z 16. června 1998 popisuje syntézu multifunkčních hyperrozvětvených polymerů radikálovou polymerací divinylových a trivinylových monomerů za přítomnosti katalyzátoru přenosu řetězce a neperoxydického radikálového iniciátoru. Výsledné polymery jsou olejovité materiály o nízké hodnotě Tg.
Spis EP-A 103199 popisuje kopolymery terc-butylakrylátu s 0,1 až 3 % polyfunkčního akrylátu a 1 až 30 % funkčního komonomeru, připravené polymerací v roztoku za přítomnosti přenášeče řetězce. Funkční komonomer poskytuje aktivní síťovací místo, použité k tvorbě nátěrové kompozice, zesíťované kondenzačními reakcemi.
Spis US-A 4880889 popisuje pre-síťovaný rozpustný polymer, obsahující 10 až 60 % OH-funkcionalizovaného monomem, 5 až 25 % monomeru s nejméně dvěma olefinickými dvojnými vaz-1 CZ 302849 B6 bami, a 15 až 82 % dalších monofunkčních monomerů. Polymerní kompozice se připravuje polymerací v roztoku v organickém rozpouštědle při nízkém obsahu polymerizovaných tuhých látek (přibližně 50 %), aby se získal negelovitý kopolymer, za použití > 0,5 % regulátoru polymerace. Polymery se používají v síťovaných nátěrech, kde skupina OH se podrobí reakci s melaminformaldehydovými síťovadly. Spisy US-A 4988760 a US-A 5115064 definují podobné kompozice, které obsahují funkcionalizované monomery, mající různé skupiny, schopné síťování, jako je karboxylová skupina a isokyanátová skupina.
Spis EP 0718326 se vztahuje k síťovaným polymerům nerozpustným v rozpouštědlech na rozdíl od předmětu této přihlášky vynálezu, který' se vztahuje k rozvětveným polymerům, které jsou rozpustné v rozpouštědlech, což je výhodné, jak je výše uvedeno.
Podstata vynálezu
Předmětem vynálezu je způsob přípravy rozpustného rozvětveného polymeru, jehož podstata spočívá vtom, že se spolu smísí monofunkční monomer obsahující jednu polymerovatelnou dvojnou vazbu na molekulu, od 0,5 % hmotn., vztaženo na hmotnost monofunkčního monomeru, polyfunkčního monomeru obsahujícího alespoň dvě polymerizovatelné dvojné vazby na molekulu a 0,0001 až 50% hmotn., vztaženo na hmotnost monofunkčního monomeru, přenašeče řetězce, a popřípadě iniciátor radikálové polymerace, a tato směs se poté nechá reagovat za tvorby polymeru tak, že konverze monomeru na polymer je > 90 %.
Výhodně je monofunkční monomer zvolen z metakrylátů a akrylátů, styrénu a jeho derivátů, vinyl acetátu, maleinanhydridu, kyseliny itakonové, N—alkyl(aryl)maleinimidů a N—vinyl pyrrolidinu. Výhodně uvedený monofunkční monomer zahrnuje alespoň jednu sloučeninu ze skupiny methylmetakrylát, butylmetakrylát a/nebo kyselina metakrylová. Výhodně uvedený monofunkční monomer zahrnuje směs více než jednoho takového monomeru. Výhodně se polyfunkční monomer zvolí ze skupiny zahrnující bifunkční (met)akryláty, trifunkční (met)akryláty, tetrafiinkční (met)akryláty, pentafunkční (met)akryláty, hexafunkční (met)akryláty, oligomery nebo polymery, obsahující více než jednu po lymerizo vatě lnou vinylovou skupinu ajejich směsi. Výhodně přenašeč řetězce zahrnuje sekundární merkaptan. Výhodně přenašeč řetězce zahrnuje katalytický přenašeč řetězce. Výhodně je katalytický přenašeč řetězce přítomen v koncentraci 0,0001 až 0,05 % hmotn., vztaženo na hmotnost monofunkčního monomeru. Výhodně se polymerační reakce provádí suspenzní polymerací. Výhodně se při způsobu podle vynálezu i) spolu smísí monofunkční monomer obsahující jednu polymerizovatelnou dvojnou vazbu na molekulu, od 0,5 % hmotn., vztaženo na hmotnost monofunkčního monomeru, polyfunkčního monomeru obsahujícího alespoň dvě polymerizovatelné dvojné vazby na molekulu, a 0,0001 až 50 % hmotn., vztaženo na hmotnost monofunkčního monomeru, přenašeče řetězce; ii) vzniklá směs se jako diskontinuální fáze disperguje v kontinuální fázi, ve které jsou monomery relativně rozpustné, za přítomnosti dispergačního činidla schopného udržovat směs monomerů jako diskontinuální fázi v kontinuální fázi; i i i) iniciuje se polymerace monomem í směsí; iv) disperze monomerů v kontinuální fázi se udržuje při reakční teplotě po dostatečně dlouhou dobu, aby monomery mohly zreagovat na polymer; a poté se dispergovaná fáze, obsahující polymer, oddělí od kontinuální fáze.
Předmětem vynálezu je rovněž rozvětvený polymer připravený výše uvedeným způsobem, jehož podstata spočívá v tom, že zahrnuje 99,8 % až 50 % hmotn., vztaženo na polymer, strukturních zbytků monofunkčního vinylového monomeru, 0,5 až 50% hmotn. strukturních zbytků polyfunkčního vinylového monomeru, a 0,0001 až 50% hmotn. hmotnostních strukturních zbytků přenašeče řetězce.
Předmětem vynálezu je rovněž nátěrová kompozice, jejíž podstata spočívá v tom, že obsahuje výše definovaný rozvětvený polymer a další látky zvolené z monomerů, funkcíonalizovaných oligomerů a tvrdidel a popřípadě kopolymery, síťovadla, polymery, barvící Činidla, rozpouštědla,
-2 CZ 302849 B6 dispergační činidla, lubrikanty, pomocná činidla, nosné kapaliny, ztužovadla, změkčovadla, flexibilizátory, parfémy a stabilizátory.
Předmětem vynálezu je rovněž lisovaný polymemí výrobek, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje výše definovaný rozvětvený polymer a další látky zahrnující polymery.
Předmětem vynálezu je rovněž použití výše definovaného rozvětveného polymeru jako nátěrových přípravků, fotorezistů, lisovacích kompozic, tvrditelných polymerů v monomemím sirupu, lisovaných kuchyňských dřezů, pracovních desek, akrylových plátů, sprchových vaniček, tvrditelných tmelů nebo lepidel.
Předmětem vynálezu je rovněž použití výše definovaného rozvětveného polymeru a popřípadě dalších látek zvolených z monomerů, funkcionalizovaných oligomerů a kopolymerů, síťovadel, polymerů, tvrdidel, barvících činidel, rozpouštědel, dispergačních činidel, lubrikantů, pomocných činidel, plnidel, nosných kapalin, ztužovadel, změkčovadel, flexibilizátorů, parfémů a stabilizátorů k přípravě nátěrové kompozice.
Předmětem vynálezu je konečně použití výše definovaného rozvětveného polymeru k přípravě lisovaného polymemího výrobku.
Kontinuální fází je obvykle voda. Vhodná dispergační činidla jsou v oboru velmi dobře známa a mezi jiným zahrnují modifikované celulózové polymery (například hydroxyethyl, hydroxypropyl, hydroxy propyl methyl), kyselinu polyakrylovou, kyselinu polymetakrylovou, částečně a zcela neutralizované verze těchto kyselin, polyv i nyl alkohol, kopolymery poly(vinylalkohol/vinylacetát). Disperze monomerů v kontinuální fázi se během polymeračního pochodu obvykle intenzívně míchá, aby se disperze udržovala ve stálém stavu a aby se umožnil dobrý přestup tepla mezi kontinuální fází a dispergovanými kapkami nebo částicemi. Jak polymerační reakce postupuje, monomery v dispergované fázi reagují za tvorby polymeru, který zůstává v dispergované fázi. Reakční teplota může být různá podle typu monomerů a použitého iniciátoru a je typicky mezi 20 a 150 °C, například v rozmezí 50 až 120 °C. Vhodné reakční teploty jsou v oboru dobře známy.
Monofunkční monomer může být jakýkoliv monomer, který je možno polymerovat radikálovým mechanismem, jako jsou metakryláty a akryláty, styren a jeho deriváty, vinylacetát, maleinanhydrid, kyselina itakonová, N-alkyl(aryl)maleinimidy a N-vinylpyrrolidon, vinylpyridin, akrylamid, metakrylamid, Ν,Ν-dialkylmetakrylamidy a akrylonitril. Preferovány jsou vinylové monomery, jako je styren a jeho deriváty, akryláty a metakryláty, (met)akrylamidy a akrylonitril. Mohou se použít i směsi více než jednoho monofunkčního monomeru, Čímž se získají náhodné alternující blokové nebo roubované kopolymery.
Příklady vhodných monofunkčních (met)akrylátových monomerů zahrnují nižší alkyl(met)akryláty, kde alkylová skupina obsahuje jeden až dvacet atomů uhlíku, například methyl(met)akrylát, ethy l(met)akry lát, propyl(met)akrylát, n-butyl(met)akrylát, isobutyl(met)akrylát, terčbutyl(met)akrylát, 2-ethylhexyl(met)akrylát, oktyl(met)akrylát, nebo dodecyl(met)akrylát. Rovněž mohou být použity alicyklické monomemí estery, jako cyklohexyl(met)akrylát, isobomyl(met)akrylát a dicyklopentenyl(met)akrylát. Rovněž je možno použít funkční monomery jako je kyselina metakrylová a kyselina akrylová, hydroxyalkyl(met)akryláty jako je hydroxy ethy l(met)akrylát, hydroxypropyl(met)akrylát, a hydroxybutyl(met)akrylát, glycidyl(met)akrylát, dialkylaminoalkyl(met)akryláty jako je dimethylaminoethyl(met)akrylát, diethylaminoethyl(met)akrylát, dimethylaminopropyl(met)akrylát a diethylaminopropyi(met)akrylát. Názvem (met)akrylát se rozumí, že se může použít buď metakrylát nebo analogický akry lát.
Polyfunkčním monomerem se rozumí monomer, kteiý obsahuje přinejmenším dvě polymerizovatelné dvojné vazby v molekule. Termín polyfunkční monomer zahrnuje rovněž reaktivní oligomery nebo reaktivní polymery nebo prepolymery, mající přinejmenším dvě dvojné vazby,
-3 CZ 302849 B6 polymerizovatelné radikálovým mechanizmem. Jako příklady vhodných difunkčních monomerů je možno uvést následující: ethyleng lýko ldi(met)akry lát, hexandioldi(met)akrylát, tripropylenglykoldi(met)akrylát, butandioldi(met)akrylát, neopentylglykoldi(met)akrylát, diethylenglykoldi(met)akrylát, tri ethyleng lýko ld i (met)akry lát, dipropylenglykoldi(met)akrylát, allyl(met) akry lát, divinyibenzen a jeho deriváty. Mezi příklady trifunkčních monomerů patří: tripropylenglykoltri(met)akrylát, trimethylolpropantri(met)akrylát, nebo pentaerythritoltri(met)akrylát. Mohou se použít i tetrafunkční monomery jako je pentaerythritoltetra(met)akrylát, a hexafunkční monomery jako například dipentaerythritolhexa(met)akrylát. Polyfunkční monomer může popřípadě obsahovat směs více než jedné polyfunkční sloučeniny.
Rozvětvený polymer se může rovněž připravit, když se jako polyfunkčního monomeru (nebo jednoho z polyfunkčních monomerů) použije reaktivní oligomer nebo reaktivní polymer nebo prepolymer, mající v molekule přinejmenším dvě dvojné vazby, které jsou polymerizovatelné radikálovým mechanismem. Takové funkční polymery a oligomery nazýváme „polyfunkční monomery” protože polymerizovatelné funkční skupiny umožňují, aby se reaktivní oligomer nebo reaktivní polymer polymeroval v rostoucích polymemích molekulách stejným způsobem, jako je tomu u jednoduchého polyfunkčního monomeru. Mezi typické reaktivní oligomery patří (aniž by výčet byl vyčerpávající) epoxy(met)akryláty, polyether(met)akryláty, polyester(met)akry laty, a urethan(met)akryláty. Typické reaktivní polymery zahrnují adiční nebo kondenzační polymery, jako styrenové nebo akrylové kopolymery, obsahující volné polymerizovatelné (met)akrylátové skupiny nebo nenasycené polyestery. Molekulová hmotnost oligomeru nebo reaktivního polymeru se může pohybovat od 500 do 500 000 g/mol. Jestliže se použijí takové reaktivní oligomery nebo polymery alespoň zčásti jako polyfunkční monomery, pak množství polyfunkčního materiálu, použitého v reakčním pochoduje obvykle mnohem větší, než při použití jednoduchých monomerů, protože uvedené oligomery nebo polymery mají podstatně větší molekulovou hmotnost.
Množství přítomného polyfunkčního monomeru může být až 100 % hmotnostních, vztaženo na celkovou počáteční koncentraci monofunkčního monomeru. Množství přítomného polyfunkčního monomeru je s výhodou 0,5 až 25 %, například 0,5 až 10 %, vztaženo na monofunkční monomer, když polyfunkční monomer je jednoduchý monomer, tj. není reaktivní oligomer nebo polymer. Pokud se použijí reaktivní polymery nebo oligomery, pak se koncentrace může pohybovat až do přibližně 50 % hmotnostních nebo i více, pokud se použije reaktivní polymer nebo oligomer o vysoké molekulové hmotnosti.
Přenašeč řetězce se může zvolit ze skupiny thiolových sloučenin, zahrnující monofunkční i polyfunkční thioly. Monofunkční thioly zahrnují (aniž by výčet byl omezující) propylmerkaptan, butylmerkaptan, hexylmerkaptan, oktylmerkaptan, dodecylmerkaptan, kyselinu thioglykolovou, kyselinu merkaptopropionovou, alkylthioglykoláty jako například 2-ethylhexylthioglykolát nebo oktylthioglykolát, merkaptoethanol, kyselinu merkaptoundekanovou, kyselinu thiomlečnou a kyselinu thiomáselnou. Polyfunkční thioly zahrnují například trifunkční sloučeniny jako je trimethy lolpropan~tris(3-merkaptopropionát), tetrafunkční sloučeniny jako je pentaerythritol-tetra(3-merkaptopropionát), pentaerythritol-tetrathioglykolát, pentaerythritol-tetrathiolaktát, pentaerythritol-tetrathiobutyrát, hexafunkční sloučeniny jako je dipentaerythritol-hexa(3-merkaptopropionát), dipentaerythritol-hexathioglykolát, oktafunkční thioly jako je tripentaerythritol-okta(3-merkaptopropionát) a tripentaerythritol-oktathioglykolát. Použití polyfunkčních thiolů je výhodnou cestou, jak zvýšit stupeň rozvětvení v polymeru. Přenášeč řetězce může popřípadě sestávat ze směsi více než jednoho typu sloučenin.
Obsah přítomného přenašeče řetězce může být až 50 % hmotn., vztaženo na celkovou počáteční koncentraci monofunkčního monomeru. S výhodou je množství přenašeče řetězce 0,1 až 20% hmotnostních, například 0,5 až 10 % hmotnostních, vztaženo na monomer. Rozvětvený polymer se připraví za použití vhodného množství přenašeče řetězce, aby se zabránilo tvorbě podstatného množství nerozpustného síťovaného polymeru. Většina připraveného polymeru je rozpustná, dokonce i při vysoké konverzi monomeru na polymer. Malé množství síťovaného polymeru se
-4CZ 302849 B6 může utvořit, ale reakční podmínky a množství přenašeče řetězce by se měly vhodně zvolit tak, aby množství utvořeného síťovaného polymeru bylo < 10 % hmotnostních, lépe < 5 % hmotnostních, ještě lépe < 2,5 % hmotnostních, a optimálně 0 % hmotnostních. Nalezli jsme, že použití sekundárních merkaptanů jako přenášečů řetězce vede ke snížení obsahu síťovaného polymeru a snižuje tvorbu mikrogelů v roztocích vzniklých rozvětvených polymerů. Proto pro určité polymerační systémy může být preferováno použití sekundárních merkaptanových přenášečů řetězce. Přenašeče řetězce, obsahující sekundární merkaptany, jsou zvláště preferovány v případech blokové nebo suspenzní polymerace.
Alternativní přenašeče řetězce mohou být jakékoliv látky, o kterých je známo, že snižuj í molekulovou hmotnost v konvenční radikálové polymeraci vinylových monomerů. Příkladem mohou být sulfidy, d i sulfidy, nebo látky, obsahující halogen. Užitečnými přenašeči řetězce v předloženém vynálezu jsou rovněž katalytické přenášeče řetězce, jako jsou kobaltové komplexy, například cheláty dvojmocného kobaltu, jako kobaltové komplexy porfyrinu. Vhodné kobaltové cheláty jsou v oboru známy a jsou popsány v patentovém spisu WO 98/04603. Zvláště vhodnou sloučeninou je bis(bordifluordimethylglykoximát)kobaltát(n), známý též jako CoBF. Katalytické přenášeče řetězce se mohou použít v relativně nízkých koncentracích ve srovnání s běžnými thiolovými přenášeči řetězce, například v množství < 0,5 %, s výhodou < 0,1 % hmotnostních (vztaženo na monofunkění monomer), protože jsou obecně vysoce účinné při nízkých koncentracích. Překvapivě jsme nalezli, že v polymeračních procesech podle předloženého vynálezu jsou katalytické přenášeče řetězce na bázi kobaltových komplexů velmi účinné při koncentracích nižších než 0,05 % (500 ppm) hmotnostních, například při koncentracích 0,0001 až 0,01 % (1 až 100 ppm) hmotnostních, vztaženo na monofunkční monomer, a dávají rozpustné rozvětvené polymery.
Polymeraci monomerů je možno iniciovat jakoukoliv vhodnou metodou generace volných radikálů, například tepelným rozkladem termálního iniciátoru, jako je azosloučenina, peroxid nebo peroxyester. Polymerační směs proto s výhodou obsahuje polymeraČní iniciátor, kterým může být jakýkoliv známý a v radikálových polymeracích běžně používaný iniciátor, například azo-iníciátor, jako je azobis(isobutyronitril) (AIBN), azobis(2-methylbutyronitril), azobis(2,4-dimethylvaleronitril), kyselina azobis(4—kyanvalerová), peroxidy jako dilaurylperoxid, terc-butylperoxyneodekanoát, dibenzoylperoxid, kumylperoxid, terc-butylperoxy-2-ethylhexanoát, terc-butylperoxydiethylacetát a terc-butylperoxybenzoát.
Rozvětvené polymery podle předloženého vynálezu jsou použitelné jako složky mnoha nátěrů, při kterých se k nanesení nátěru používá rozpouštědla. Aplikace, při kterých je ředidlem organické rozpouštědlo, zahrnují barvy, čiré laky, inkousty a lepidla. Rozvětvené polymery jsou rovněž užitečné jako složky směsi tvrditelných radiací, kde ředidlem je polymerizovatelná kapalina, polymerující při ozáření (jako UV, paprsek elektronů a infračervené záření). Rovněž jsou použitelné při potahových aplikacích, jako je práškové potahování a termoplastická lepidla (konvenční i tvrditelná zářením), které nevyžadují použití ředidla. Vedle použití jako nátěry se rozvětvené polymery mohou použít při přípravě blokových polymemích výrobků vstřikovacím lisováním, tlakovým lisováním nebo průtlačným lisováním. Rozvětvené polymery se mohou rovněž použít jako složky směsí pro jiné účely, ve kterých jsou akrylové polymery tvrzeny in sítu, například v sirupech „polymer v monomeru“, používaných například pro reaktivní pokládání podlah, v plněných lisovacích směsích pro lisování například kuchyňských dřezů, pracovních desek, akrylových plátů, sprchových vaniček, tvrditelných tmelů, fotoresistů, lepidel (počítaje v to i samolepící adheziva), atd. Při konečné aplikaci se může rozvětvený kopolymer podle vynálezu použít buďto sám o sobě, nebo ve směsi s jinými polymery.
Další aspekt předloženého vynálezu se týká nátěrové směsi sestávající z roztoku rozvětveného polymeru, obsahujícího strukturní jednotky monofunkčního monomeru a od 0,5 % hmotn. (vztaženo na hmotnost monofunkčního monomeru) polyfunkčního monomeru, a 0,0001 až 50% hmotn. (vztaženo na hmotnost monofunkčního monomeru) přenášeče řetězce, a polymerační iniciátor. Nátěrová směs může typicky rovněž obsahovat polymerizovatelné látky jako monomery, funkcionalizované oligomery a kopolymery, a jiné sloučeniny jako síťovadla, polymery, tvr-5CZ 302849 B6 didla, barviva, rozpouštědla, disperganty, lubrikanty, pomocná činidla, plnidla, nosné kapaliny, ztužovadla, změkčovadla, flexibilizátory, stabilizátory a jiné vhodné přísady.
Další aspekt předloženého vynálezu se týká polymemího výrobku nebo nátěru, obsahujícího rozvětvený polymer, sestávající z monofunkčního monomeru o jedné polymerizovatelné dvojné vazbě na molekulu a od 0,5 % hmotn. (vztaženo na hmotnost monofunkčního monomeru) polyfunkčního monomeru, majícího přinejmenším dvě polymerizovatelné dvojné vazby, a 0,0001 až 50 % hmotn. (vztaženo na hmotnost monofunkčního monomeru) přenášeče řetězce, a iniciátor polymerace. Polymemí výrobek nebo nátěr může rovněž obsahovat polymerizovatelné látky, jako monomery, funkcionalizované oligomery a kopolymery, a jiné sloučeniny jako síťovadla, polymery, tvrdidla, barviva, rozpouštědla, disperganty, lubrikanty, pomocná činidla, plnidla, nosné kapaliny, ztužovadla, změkčovadla, flexibilizátory, stabilizátory a jiné složky nebo jejich zbytky.
Průměrná molekulová hmotnost (Mw) rozvětveného polymeru je s výhodou v rozmezí 2000 až 500 000. Pro některé aplikace, například v případech, kdy je žádoucí rozpuštění rozvětveného polymeru, může být vhodná nižší molekulová hmotnost, například v rozmezí 2000 až 200 000.
Předložený vynález bude v dalším ilustrován následujícími příklady. Ve všech příkladech MFM znamená monofunkční monomer, PFM znamená polyfunkční monomer, a CTA znamená přenašeč řetězce. Množství materiálu, použitá v polymeracích, jsou počítána jako hmotnostní procenta, vztažená na celkovou koncentraci monofunkčního monomeru. Hmotnosti použitého polyfunkčního monomeru, přenašeče řetězce a iniciátoru, popsané jako % hmotnostní, jsou vypočtena jako procenta hmotnosti celkového množství monofunkčního monomeru. Tak například, při polymeraci MFM v přítomnosti 3 % PFM a 4 % CTA, se přidají 3 g PFM a 4 g CTA ke 100 g MFM.
Příklady provedení vynálezu
Příprava polymerů polymerací v suspenzi
Polymery se připraví suspenzní polymerací monome mí směsi, obsahující monofunkční a polyfunkční monomery, za přítomnosti přenášeče řetězce, tj. dodecylmerkaptanu (DDM), dispergantu (hydroxyethylcelulóza, 1 až 2 % hmotnostní, vztaženo na monomer), a radikálového iniciátoru (AIBN, 1 % hmotnostní, vztaženo na hmotnost monomeru), v deionizované vodě. V typické preparaci se 2000 ml deionizované vody a přibližně 4 g hydroxyethyícelulózy (HEC) předloží do 5000 ml baňky s rozrážeči toku. Rozpuštěný kyslík se odstraní uváděním dusíku do vody po dobu 30 minut a obsah se míchá nerezovým míchadlem při 1400 ot/min. Pak se rozpustí CTA v monomemí směsi (500 g MFM se smísí se žádaným množstvím PFM) a přidá se do reakční baňky. Následuje přidání AIBN. Reakční směs se zahřívá na plný výkon až na teplotu 75 °C, tak dlouho, dokud neodezní exothermní reakce. Maximální polymerační teplota je typicky 90 °C. Baňka se zahřívá 1 hodinu, pak se ochladí vzduchem na 40 °C a obsah se odvodní odstředěním. Polymery se vysuší bud’ v sušárně při 40 °C, nebo ve vířivé sušárně.
Příprava polymerů polymerací v roztoku
MFM se rozpustí v toluenu (33 % hmotnostních), přidá se zvolená koncentrace polyfunkčního monomeru (PFM) a přenášeče řetězce (CTA), a polymerace se iniciuje pomocí AIBN (1 % hmotnostní, vztaženo na monomer). Polymerace se provádějí při 80 °C na olejové lázni pod zpětným chladičem v atmosféře dusíku. Po 7 hodinách se polymerace ukončí ochlazením. Získané polymery se izolují srážením v hexanu a vysuší se.
Charakterizace gelovou permeační chromatografii (metoda 1)
Molekulová hmotnost se měří gelovou permeační chromatografii (GPC) na směsných gelových kolonách a pro kalibraci se užívají PMMA standardy o úzkém rozmezí molekulové hmotností.
-6CZ 302849 B6
Jako mobilní fáze se používá chloroform, průtoková rychlost je 1 ml/min, detekce infračerveným detektorem. Určuje se hmotnostní průměrná molekulová hmotnost (Mw), číselná průměrná molekulární hmotnost (Mn) a polydisperzita (Mw/Mn).
Charakterizace gelovou permeační chromatografií (metoda 2)
Polymery se charakterizují pomocí aparatury Triple Detector GPC (TDGPC). Rozvětvení řetězce význačně mění poměr velikosti molekuly k molekulové hmotnosti. Uvedený detektor umožňuje současné měření velikosti molekuly a molekulové hmotnosti, aniž by bylo nutno se uchýlit ke konvenční kalibraci. Na začátku se tento vztah standardizuje lineárním kontrolním polymerem a to představuje výchozí bod pro všechny další výpočty, týkající se rozvětvení. Porovnání údajů, získaných pro rozvětvený polymer, s daty pro lineární kontrolní polymer umožní detailní určení variace rozvětvení jako funkci molekulové hmotnosti. V této studii bylo použito přístroje firmy Viscotek, sestávajícího z přístrojů laserového diferenciálního refraktometru, diferenciálního viskozimetru a fotometru pro pravoúhlé snímání rozptýleného laserového světla. Pro získání a zpracování dat bylo použito software Trisec Version 3, rovněž produktu firmy Viscotek, Použitá kolona je směsná sty ren-di viny (benzenová kolona od firmy Polymer Standards Service (PSS), jako eluent se používá chloroform, průtoková rychlost je 1,0 ml/min. Kromě informací o molekulové hmotnosti GPC metoda 2 určuje také g', alfa, log K a Bn, kde Bn je průměrný počet rozvětvení na molekulu. Pro lineární polymer Bn = 0 a pro rozvětvený polymer Bn > 0; g' je Zimmův větvicí faktor, což je poměr kvadratického průměru gyračního poloměru pro (rozvětvený) materiál ke kvadratickému průměru gyračního poloměru pro lineární materiál o stejné molekulové hmotnosti (g' = 1,0 pro lineární polymer a g' < 1,0 pro rozvětvený polymer). Hodnoty alfa a log K se stanoví ze vztahu mezi viskozitou a molekulovou hmotností s pomocí MarkovyHouwinkovy rovnice, η = ΚΜα, log [η] = a log Μ + log K.
Stanovení viskozity roztoků
Viskozita 30 % (hmotnostních) roztoku polymeru v toluenu se měří přístrojem Brookfield Viscometer při teplotě 25 °C za použití nástavce LV2.
Příklady 1 — 4
Polymerace se provádí v suspenzi za použití monomemí směsi methyImetakrylátu (MMA) jako MFM a tripropylenglykoldiakrylátu (TPGDA) jako PFM, Čímž vznikne rozvětvený polymer podle vynálezu. Množství použitého TPGDA a vlastnosti výsledných polymerů (charakterizované GPC metodou 2) jsou shrnuty v tabulce 1.
Příklady 5-9 (srovnávací)
Polymer se připraví jak je popsáno výše, ale jako monomer se použije pouze MMA. Výsledný polymer je v podstatě lineární. Pro lineární polymer Bn = 0, g' = 1,0, a = 0,68 a log K = -3,65.
-7 CZ 302849 B6
Tabulka 1
|
Příklad |
DDM (wt %) |
TPGDA
(wt%) |
Rozp. v toluenu |
Viskozita
Brookfield
(eP) |
Mn
(g.mol-1) |
MW
(fl.moř1) |
MW
/Mn |
Bn |
9' |
a |
logK |
|
1 |
4 |
0.75 |
dobrá |
19 |
5,190 |
12,500 |
2,4 |
0.92 |
0.87 |
0.59 |
-3.31 |
|
2 |
4 |
1.5 |
dobrá |
22 |
2,670 |
14,300 |
5.4 |
0.18 |
0.97 |
0.51 |
-2.92 |
|
3 |
4 |
3 |
dobrá |
34 |
1,370 |
55,100 |
41 |
3.32 |
0.85 |
0.38 |
-2.25 |
|
4 |
4 |
3.5 |
malá |
45 |
5,850 |
150,100 |
25.7 |
7.6 |
0.62 |
0.5 |
-3.04 |
|
5 |
0.1 |
0 |
dobrá |
2,164 |
60,760 |
157,700 |
2.5 |
|
|
|
|
|
6 |
0.2 |
0 |
dobrá |
715 |
35,590 |
81,900 |
2J |
|
|
|
|
|
7 |
0.3 |
0 |
dobrá |
185 |
30,890 |
58,800 |
1.9 |
|
|
|
|
|
Θ |
1 |
0 |
dobrá |
71 |
20,690 |
39,700 |
1.9 |
0 |
1.0 |
0.68 |
-3.65 |
|
9 |
2 |
0 |
dobrá |
31 |
10,350 |
19,500 |
1.9 |
|
|
|
|
wt % - % hmotnostní
Příklady 10-12 (srovnávací)
Polymerace se provede s použitím mono měrní směsi MMA a s 1 %, 2 %, a 3 % hmotnostními io TPGDA bez přítomnosti přenášeče řetězce. Výsledné polymery jsou nerozpustné, což ukazuje, že v nepřítomnosti přenášeče řetězce vzniká síťovaný polymer, dokonce i při relativně nízkém obsahu polyfunkčního monomeru.
Příklady 13-20
Polymerace se provede stejným způsobem, jako je popsáno pro příklady 1 - 4, za použití různých vzájemných poměrů TPGDA a DDM. Vlastnosti produktů jsou uvedeny v tabulce 2.
Tabulka 2
|
Příklad |
DDM
(Wl%) |
TPGDA
C*»%) |
Rozp. v toluenu |
Viskozita
Brookfield
(eP) |
Mn
(g.mor1) |
Mw
(gjnoť) |
Mw
/Mn |
Bn |
ť |
a |
logK |
|
13 |
1 |
0,25 |
dobrá |
85 |
16,700 |
40,200 |
2.4 |
Q<17 |
0,97 |
0,69 |
-3,68 |
|
14 |
1 |
0,5 |
dobrá |
123 |
17,700 |
66.300 |
|
1,25 |
0,83 |
0,63 |
-3,47 |
|
15 |
1 |
0,75 |
dobrá |
140 |
16,800 |
131,400 |
7/8 |
2,68 |
0,72 |
0,59 |
-3,32 |
|
16 |
1 |
1 |
dobrá |
336 |
10,300 |
488,600 |
47,4 |
5,99 |
0,73 |
0,44 |
-^.55 |
|
17 |
2 |
0,5 |
dobrá |
39 |
7,780 |
22.200 |
v |
0,15 |
0.98 |
0,53 |
-3,42 |
|
18 |
2 |
1 |
dobrá |
50 |
13,700 i |
35,100 |
w |
1Λ2 |
0/8 |
0,61 |
-3,41 |
|
19 |
2 |
1,5 |
dobrá |
75 |
11,500 |
80.100 |
7 |
3,21 |
0,72 |
0,48 |
-2,86 |
|
20 |
2 |
2 |
dobrá |
2Q0 |
5.820 |
338,500 |
58,2 |
9,95 |
0,63 |
0,44 |
-2,67 |
wt % - % hmotnostní
Naměřené vlastnosti ukazují, že polymery jsou rozvětvené a jejich molekulová hmotnost kolísá ve velkém rozmezí. Porovnání s příklady 5-8 ukazuje, že tyto polymery mají v roztoku nižší viskozitu než lineární polymery s podobnou Mw.
-8CZ 302849 B6
Příklady 21 - 26
Polymery se připraví polymerací v roztoku, jak je popsáno výše, za použití polyfunkčních monomerů (PFM). Polymery se charakterizují GPC metodou 1. Použijí se následující polyfunkční monomery:
TPGDAje tripropylenglykoldiakrylát,
TMPTA je tri methy lolpropantri akry lát,
PETA je pentaerythritoltetraakiylát,
DPEHA je dipentaerythritolhexaakrylát,
EGDMA je ethyl englykoldimetakry lát.
Výsledky ukazují, že při použití monomerů různé funkcionality se získají rozpustné rozvětvené polymery.
Příklady 27-30
Polymery se připraví polymerací v roztoku za použití následujících různých přenášečů řetězce (CTA):
TRIMP je trimethylolpropan-tris(3-merkaptopropionát),
PETMP je pentaerythritol—tetramerkaptopropionát,
DPEHTG je dipentaeiythritol-hexathioglykolát,
TPEOTG je tripentaerythritol-oktathioglykolát.
Polymery se charakterizují GPC metodou 1 a výsledky jsou uvedeny v tabulce 3. Výsledky ukazují, že k přípravě rozpustných rozvětvených polymerů z polyfunkčního monomeru je možno použít přenašeče řetězce o různém množstvím thiolových skupin.
Příklady 31-33
Polymery se připraví polymerací v roztoku za použití polyfunkčních monomerů (PFM) a polyfunkčních přenášečů řetězce, uvedených v tabulce 3. Výsledky (získané GPC metodou 1) ukazují, že k přípravě rozpustných rozvětvených polymerů je možno použít různé kombinace polyfunkčních monomerů a polyfunkčních přenášečů řetězce, přičemž obě skupiny mohou mít různé množství akry lato vých nebo thiolových skupin.
Příklady 34 - 36
Tyto polymeiy se připraví polymerací v roztoku za použití DDM a TPGDA a analyzují se GPC metodou 1. Výsledky jsou uvedeny v Tabulce 3.
-9CZ 302849 B6
Tabulka 3
|
Přiklad |
CTA lyp |
CTA (wt %) |
PFM typ |
PFM
(wt%) |
í Rozp. v toluenu |
Mn |
Mw
(g.moP) |
Mw/Mn |
|
21 |
DDM |
2 |
TPGDA |
1.S |
dobrá |
8.750 |
18.020 |
2.67 |
|
22 |
DDM |
2 |
TMPTA |
1.48 |
dobrá |
7,190 |
26,510 |
3.69 |
|
23 |
DDM |
2 |
PETA |
1.78 |
dobrá |
9,080 |
65,504 |
7.22 |
|
24 |
DDM |
2 |
DPEHA |
2.89 |
dobrá |
9,500 |
200,432 |
21.11 |
|
25 |
DDM |
2 |
EGOMA |
1 |
dobrá |
7,850 |
26,638 |
3.39 |
|
26 |
DDM |
2 |
EGDMA |
2 |
dobrá |
10,034 |
99,712 |
9.93 |
|
27 |
TRIMP |
3.98 |
TPGDA |
1.5 |
dobrá |
6,530 |
14.780 |
2.26 |
|
28 |
PETMP |
4.88 |
TPGDA |
1.5 |
dobrá |
5.990 |
13,120 |
2.19 |
|
29 |
DPEHTG |
6.98 |
TPGDA |
1.5 |
dobrá |
5,700 |
13,180 |
2.31 |
|
30 |
TPEOTG |
9.64 |
TPGDA |
1.5 |
dobrá |
6.480 |
14,020 |
2.16 |
|
31 |
TRIMP |
3.98 |
TMPTA |
1.48 |
dobrá |
8.860 |
22.460 |
3.2B |
|
32 |
PETMP |
4.88 |
PETA |
1.76 |
dobrá |
6,350 |
24,980 |
3.94 |
|
33 |
DPETHG |
8.98 |
DPEHA |
2.89 |
dobrá |
8,010 |
53,470 |
6.67 |
|
34 |
DDM |
2 |
TPGDA |
3 |
dobrá |
8,380 |
27,330 |
3.26 |
|
35 |
DDM |
2 |
TPGDA |
4.5 |
dobrá |
8,400 |
46.040 |
5.48 |
|
36 |
DDM |
2 |
TPGDA |
6 |
dobrá |
9,5?0 |
103,320 |
10.84 |
wt % = % hmotnostní
Příklady 37 — 39
Rozvětvené polymery se připraví podle vynálezu za použití CoBF jako katalytického přenašeče io řetězce. Jako MFM se použije MMA. Výsledné rozvětvené polymery jsou rozpustné v toluenu, aniž by tvořily mikrogely. Molekulové hmotnosti se stanoví GPC metodou 1.
Tabulka 4 15
|
Přiklad |
TPGDA
wl% |
COBF
(ppm) |
AIBN (wt %) |
Metoda
polymerace |
Mn
(g/mol ) |
Mw
(g/mol ) |
|
37 |
1.5 |
10 |
1 |
roztok |
24,388 |
90,416 |
|
38 |
1.S |
20 |
1 |
roztok |
12,220 |
46,070 |
|
39 |
2 |
75 |
1 |
suspenze |
5,200 |
28,400 |
wt % = % hmotnostní
Podobné polymerace jako v příkladech 37 a 38 se provedou také s 5 ppm a 2,5 ppm CoBF. Zís20 kají se viskózní roztoky polymerů bez tvorby mikrogelů.
Příklady 40 - 53
Polymerace se provedou s použitím MMA jako monofunkčního monomeru a s akrylátově funkcionalizovanými oligomery jako PFM různých typů a v různých množstvích, jak je uvedeno v tabulce 5. Všechny získané polymery jsou rozpustné. Molekulové hmotnosti se stanoví pomocí
- 10CZ 302849 B6
GPC metody 1. Ebecryl™ 4858 je alifatický urethan-akrylátový oligomer se dvěma akrylátovými funkčními skupinami a o molekulové hmotnosti 450 g/mol, dodávaný firmou UCB Chemicals, Ebecryl™ 210 je aromatický urethan-akrylátový oligomer se dvěma akrylátovými funkčními skupinami a o molekulové hmotnosti 1500 g/mol, dodávaný firmou UCB Chemicals, Ebecryl™ 230 je alifatický urethan-akrylátový oligomer se dvěma akrylátovými funkčními skupinami a o molekulové hmotnosti 5000 g/mol, dodávaný firmou UCB Chemicals, Ebecryl™ 605 je epoxyakrylátový oligomer se dvěma akrylátovými funkčními skupinami v molekule a o molekulové hmotnosti 500 g/mol, dodávaný firmou UCB Chemicals, Ebecryl™ 81 je polyester-akrylátový oligomer s průměrně 2,5 akrylátovými funkčními skupinami v molekule a o molekulové hmotío nosti 600 g/mol, dodávaný firmou UCB Chemicals, Ebecryl™ 80 je polyether-akrylátový oligomer se čtyřmi akrylátovými funkčními skupinami v molekule a o molekulové hmotnosti
1000 g/mol, dodávaný firmou UCB Chemicals.
Tabulka 5
|
Přiklad |
Oligomer |
Oligomer
(M*) |
DDM
(wt%) |
AIBN
(w(%) |
Metoda* |
Mn
(g/mol ) |
MW
(g/mol ) |
|
40 |
Ebecryl 605 |
2.5 |
2 |
1 |
sol |
8,613 |
28,384 |
|
41 |
Ebecryl 80 |
5 |
2 |
1 |
sol |
5,708 |
20,165 |
|
42 |
Ebecryl 81 |
3 |
2 |
1 |
sol |
6379 |
18,012 |
|
43 |
Ebecryl 4858 |
235 |
2 |
1 |
sol |
8/405 |
28357 |
|
44 |
Ebecryl 4858 |
4.5 |
2 |
1 |
sol |
8,530 |
56,716 |
|
45 |
Ebecryl 4858 |
8.75 |
2 |
1 |
sol |
12.165 |
437,690 |
|
46 |
Ebecryl 210 |
7.5 |
2 |
1 |
sol |
9,043 |
32,846 |
|
47 |
Ebecryl 210 |
10 |
2 |
1 |
sol |
8,813 |
42,930 |
|
48 |
Ebecryl 210 |
12 |
2 |
1 |
sol |
10,033 |
52,594 |
|
49 |
Ebecryl 230 |
25 |
2 |
1 |
sol |
8.270 |
31,125 |
|
50 |
Ebecryl 230 |
30 |
2 |
1 |
sol |
10,475 |
76^484 |
|
51 |
Ebecryl 230 |
40 |
2 |
1 |
sol |
12,081 |
44,177 |
|
52 |
Ebecryl 230 |
18 |
3.5 |
13 |
SUS |
6,400 |
22.600 |
|
53 |
Ebecryl 230 |
43 |
8.6 |
1.4 |
SUS |
3,500 |
13,300 |
*sol - polymerace v roztoku, sus =» polymerace v suspenzi; wt % = % hmotnostní.
Příklady 54 - 57
Tyto polymerace se provedou s použitím směsi více než jednoho monofunkčního monomeru (MFM) a s TPGDA jako PFM. Molekulové hmotnosti se stanoví GPC metodou 1.
|
Příklad |
MFM |
Poměr
MFM. |
TPGDA |
DDM
(wt%) |
AIBN
(wt%) |
Metoda* |
Mn
(g/mol.) |
Mw
(g/mol.) |
|
54 |
MMA+IBMA |
50:50 |
5 |
2 |
1 |
sol |
|
|
|
55 |
MMA+BMA+MA |
65:30:5 |
3 |
4 |
1 |
sus |
5,950 |
33.750 |
|
55 |
MMA+BMA+MA |
65:30:5 |
6 |
8 |
1 |
sus |
3,700 |
17,150 |
|
57 |
mma+bma |
752S |
3 |
4 |
1 |
sus |
6.300 |
32,000 |
MMA je methylmetakiylát, BMA je n-butylmetakrylát, IBMA je isobomylmetakrylát, MA je kyselina metakrylová; wt % = % hmotnostní.
- 11 CZ 302849 B6
Příklady 58-61
Rozvětvené polymery se připraví polymerací v suspenzi s použitím směsi monofunkěních monomerů, obsahující 60 % BMA, 39 % MMA a 1 % MA, s 0,5 % (vztaženo na celkové množství MFM) PETA jako PFM, s 1,2 % hmotnostními A1BN jako iniciátoru, a s 0,5 % hmotnostními Versicolu™ S19 jako stabilizátoru suspenze. Jako přenášeč řetězce byla použita thiomléčná kyselina (TLA) spolu s jinými merkaptany, nebo místo nich. U směsí, náchylných k tvorbě mikrogelů, se tato tendence silně zmenší nebo zcela potlačí, jestliže je přítomen sekundární merkaptan TLA. Molekulové hmotnosti se stanoví GPC metodou 1.
Tabulka 7
|
Přiklad |
PETA
íwt%) |
PETMP
(wt%) |
DDM
(Wt%) |
TLA
(Wt%) |
Mn
(g/mol.) |
Mw
(g/mol) |
Mikrogel |
Viskozíta
(cP) |
|
58 |
0.5 |
0 |
2 |
0 |
9,830 |
22.800 |
málo |
134.1 |
|
59 |
0.5 |
0 |
0 |
2 |
12.850 |
45,670 |
žádný |
387.5 |
|
60 |
0,5 |
0 |
0 |
1 |
24,762 |
18ΒΛ12 |
Žádný |
1,685 |
|
61 |
0.5 |
0 |
1.5 |
0.25 |
25.440 |
57,430 |
žádný |
190 |
|
62 |
1 |
6 |
0 |
0-5 |
9,100 |
25,400 |
žádný |
62 |
|
63 |
1 |
6 |
0 |
1 |
7,050 |
22,250 |
žádný |
62 |
wt % = % hmotnostní