DE10123825A1 - Durch Maleinsäureanhydrid modifizierte Polypropylene und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Durch Maleinsäureanhydrid modifizierte Polypropylene und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Abstract
Modifizierte, generell nicht abgebaute Polypropylene mit einem Maleinierungsgrad zwischen 0,1 und 5,0 Masse-% werden unter Verwendung von organischen Peroxiden als Radikalbildner und teilchenförmigen Propylenhomo- und -copolymerisaten als Rückgratpolymere mittels Reaktion von Maleinsäureanhydrid in fester trockener Phase bei Reaktionstemperaturen zwischen 125 DEG und 160 DEG C hergestellt. DOLLAR A Die Molmasse der maleinierten Propylenpolymere, ausgewiesen über die Schmelzflussrate, wird mittels spezifischer Maleinsäureanhydrid/Peroxid-Masseverhältnisse gesteuert, wobei jegliche unkontrollierte Degradation vermieden wird. DOLLAR A Die modifizierten Polypropylene sind besonders als adhäsives Beschichtungsmaterial auf unterschiedlichen Oberflächen sowie als Verträglichkeitsvermittler in Polymerblends und -composites geeignet.
Description
Die Erfindung betrifft durch Maleinsäureanhydrid (MSA) modifizierte Polypropylene
mit einem Maleinierungsgrad zwischen 0,1 und 5 Masse-%. Außerdem betrifft sie ein
Verfahren zur Herstellung dieser modifizierten Polypropylene.
Eine wichtige technische Aufgabe besteht darin, die Verträglichkeit von Polypropylen
gegenüber polaren Kunststoffen, wie Polyamiden, Polyestern, Polyethern, Polysulfo
nen und anderen, oder mineralischen Füll- und Verstärkungsmitteln, wie Talkum und
Glasfasern, zu verbessern oder es als Beschichtungsmaterial bzw. als Haftvermittler
für Metall- und andere Oberflächen sowie in Mehrschichtverbunden zu verwenden.
Eine Möglichkeit ist die Modifizierung des Polypropylens mittels Einbau von hydro
phile, chemisch reaktive Gruppen besitzenden ungesättigten Verbindungen in die
molekulare Polypropylenkette oder besonders die Ankopplung hydrophile Gruppen
besitzender Monomerer an eine durch Radikalübertragung oder energiereiche
Strahlung an der Polypropylenkette erzeugte Radikalstelle.
Diese Ankopplung geschieht in der Regel mittels Pfropfung ungesättigter carboxyl-,
anhydrid-, hydroxy-, epoxy- und silangruppenhaltiger Verbindungen auf das Polypro
pylen-Rückgrat. Das ist allgemein bekannt, wobei - unter Berücksichtigung der spe
zifischen Reaktionskomponenten - verschiedene Pfropftechnologien angewendet
werden.
Am bekanntesten sind carboxylierte Polypropylene, erhalten durch "Aufpfropfen" von
ungesättigten Mono- und Dicarbonsäuren bzw. ihren Anhydriden, insbesondere von
MSA.
Die Umsetzung von MSA in Gegenwart von Polypropylen wird entweder in organi
scher Lösung (US 4624992, EP 0636653), in wässriger Suspension (EP 0001313,
EP 0041214) oder in der Polymerschmelze, vorzugsweise unter Verwendung eines
Extruders, durchgeführt (DE 23 26 589; US 24555594; US 3177269, US 3987122).
Pfropfpolymerisationsverfahren in organischer Lösung und wässrigen Medien sind
aber unwirtschaftlich. Sie sind auf Grund der großen Mengen an einzusetzenden Lö
sungs- oder Suspensionsmitteln, die nach erfolgter Monomerumsetzung wieder ab
getrennt und zurückgewonnen werden müssen, sehr aufwendig und führen außer
dem nur zu Produkten mit geringen Pfropf- bzw. Funktionalisierugsgraden.
Die Maleinierung von geschmolzenem Polypropylen, basierend auf der reaktiven Ex
trusion einer Mischung aus Polypropylen, MSA, gegebenenfalls einer weiteren mo
nomeren Verbindung, einem radikalischen Initiator und gegebenenfalls üblichen Ad
ditiven, wie Stabilisatoren, Antioxidantien usw., ist die am häufigsten angewandte
Pfropftechnologie (DE 22 42 324, US 3987122).
Nachteile der Maleinierung in der Polypropylen-Schmelze sind der geringe MSA-
Umsatz und niedrige Funktionalisierungsgrad sowie die bei den hohen Reaktions
temperaturen von etwa 160° bis etwa 250°C auftretenden toxischen MSA-Dämpfe.
Als besonders nachteilig haben sich die für peroxidisch initiierte Maleinierungen bei
Temperaturen oberhalb des Polypropylen-Schmelzpunktes auftretende starke De
gradation der Polypropylen-Rückgratketten und ihre dadurch bedingten stark einge
schränkten Einsatz- und Anwendungsmöglichkeiten herausgestellt.
Eine Alternative zur Schmelze-Funktionalisierung stellt die Maleinierung in fester Po
lypropylen-Phase dar. Unter Festphasen-Maleinierung ist das Ankoppeln von MSA-
Molekülen an Radikalstellen an der Polymerkette des Polypropylens, das bei Tempe
raturen unterhalb seines Schmelz- bzw. Erweichungspunktes (etwa 155° bis etwa
165°C) in fester, zumeist pulveriger, körniger, flockiger, blättchenförmiger oder gra
nularer Form vorliegt, zu verstehen (EP 0519341, DD 275 159, DD 275 160, WO 00/58379).
Der Vorteil der Modifizierung in fester Phase liegt gegenüber der Schmelzemodifizie
rung in einem geringeren Polypropylen-Abbau auf Grund der niedrigeren Reaktions
temperatur und gegenüber der Lösungs- bzw. Suspensionspfropfung im Verzicht auf
den Einsatz organischer Lösungs- bzw. flüssiger Suspensionsmittel und dem da
durch vermiedenen Zwang, diese nach dem Modifizierungsschritt wieder entfernen
und zurückgewinnen zu müssen.
Durch die Festphasen-Maleinierung im Temperaturbereich von vorzugsweise 80° bis
125°C wird die für reaktive Extrusionsbedingungen charakteristische starke Degra
dation des Polypropylen-Rückgrats zwar deutlich zurückgedrängt, aber der Nachteil
der in diesem Temperaturbereich durchgeführten Maleinierung besteht in der nur
geringen Sorption des MSA durch das Polypropylenkorn, den langen Reaktionszei
ten sowie den für die Entfernung von nicht umgesetzten MSA ungünstigen Desorpti
onsbedingungen, die im allgemeinen Temperaturen oberhalb der zwischen 80° und
125°C liegenden Reaktionstemperatur erfordern (EP 0519341).
Eine Verbesserung der MSA-Sorption und damit insgesamt höhere Maleinierungs
grade unter Bedingungen der Pfropfung in fester Phase im oben genannten Tempe
raturbereich sind sowohl durch Zusatz eines als Quellmittel fungierenden oberflä
chenaktiven Lösungsmittelanteils als auch von allyl-substituierten Cyanuraten und
Isocyanuraten zum Polymerisationsansatz erreichbar (US 5079302).
Diese Maßnahme führt jedoch zu einem unkontrolliert hohen vernetzten Polymeran
teil und zu erheblichen Verunreinigungen.
Höhere MSA-Umsätze und Maleinierungsgrade sind auch durch eine Erhöhung der
Reaktionstemperatur auf oberhalb 125°C unter Verwendung peroxidischer Initiatoren
mit Halbwertszeiten, die das 5- bis 7-fache der zu wählenden Reaktions- bzw. Ver
weilzeit bei Temperaturen von 125° bis 140°C betragen, erreichbar (WO 00/58379).
Der Nachteil der bekannten Festphasen-Maleinierung bei Reaktionstemperaturen
oberhalb 125°C besteht aber im hohen Grad der Degradation des Molekulargewichts
des Polypropylens, wodurch die Verwendungsmöglichkeit der maleinierten Polypro
pylene erheblich eingeschränkt ist.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, den genannten Nach
teilen abzuhelfen und unter Vermeidung der hohen Polypropylen-Degradation modi
fizierte Polypropylene mit Maleinierungsgraden, die den universellen Einsatz der
funktionalisierten Polypropylene als Kopplungsagens, Haft- und Verträglichkeitsver
mittler gestatten, zu entwickeln.
Erfindungsgemäß werden durch MSA modifizierte Polypropylene mit einem Maleinie
rungsgrad zwischen 0,1 und 5 Masse-% dadurch erhalten, dass
- A) eine Reaktionsmischung, bestehend aus
- - 60 bis 96 Masse-% partikelförmiges Polypropylen mit mittleren Teilchendurch messern im Bereich von 0,01 bis 8 mm,
- - 2,5 bis 24,5 Masse-% MSA, gegebenenfalls als MSA/Comonomer-Mischung ent sprechend einer Zusammensetzung 20 bis 95 Masseteile MSA/5 bis 80 Masse teile Comonomer, und
- - 1,5 bis 15,5 Masse-% eines organischen peroxidischen Radikalbildners mit einer Halbwertszeit zwischen 2 Minuten (min) und 2,5 Stunden bei der gewählten Re aktionstemperatur (TR), wobei das Masseverhältnis MSA/Radikalbildner zwischen 0,2 und 20 beträgt, bei einer Dispergiertemperatur (TD) im Bereich zwischen Raumtemperatur (TN) und 120°C und einer Dispergierzeit (tD) zwischen 1 und 150 min hergestellt,
- B) die Mischung innerhalb einer Aufheizperiode zwischen 5 und 200 min von der Dispergiertemperatur TD auf die Reaktionstemperatur TR im Bereich zwischen 125° und 160°C erwärmt,
- C) MSA oder das MSA-Comonomer-Gemisch bei TR zwischen 125° und 160°C in nerhalb einer Reaktionszeit tR zwischen 5 min und 5 Stunden unter Aufrechter haltung einer festen (trockenen) Konsistenz der Reaktionsmischung umgesetzt und danach
- D) aus der Reaktionsmischung mittels Durchleiten von Stickstoff über einen Zeitraum tDes zwischen 20 min und 4 Stunden bei einer Desorptionstemperatur TDes zwi schen der Reaktionstemperatur TR und 80°C der nicht umgesetzte Monomeranteil entfernt, der Restinitiator deaktiviert und nach Abkühlung auf eine Endtemperatur zwischen 100°C und der Raumtemperatur TN das trockene modifizierte Polypro pylen dem Reaktionsgefäß entnommen worden ist.
Als zu modifizierende Polypropylene (Rückgratpolymere) werden insbesondere Pro
pylenhomopolymere (HPP) und/oder statistische (Random) Propylencopolymere mit
0,1 bis 8 Masse-% einpolymerisierten Ethyleneinheiten und/oder C4- bis C12-
Olefineinheiten (RCP) und/oder heterophasige Propylencopolymere mit 6 bis 50
Masse-% einpolymerisierten Ethyleneinheiten und/oder C4- bis C12-Olefineinheiten
(HCP) verwendet.
Die Rückgratpolymere sollten im allgemeinen gewichtsmittlere Molekulargewichte MW
zwischen 50 000 und 2 000 000 g/mol, vorzugsweise zwischen 100 000 und 1 000 000 g/mol,
entsprechend Schmelzflussraten MFR (230°C/2,16 kg) zwischen 0,05 und 200 g/10 min,
vorzugsweise zwischen 0,1 und 60 g/10 min (nach DIN-ISO 1133), besit
zen und in trocken-fließfähiger, insbesondere pulveriger, flockiger, blättchenförmiger,
körniger und/oder granularer Konsistenz verwendet werden.
MSA fungiert als niedermolekulares Funktionalisierungsagens und wird bevorzugt
ohne weiteren Comonomer-Zusatz eingesetzt.
Für eine Reihe von Anwendungsfällen der funktionalisierten Polypropylene haben
sich "(Co)Pfropf"-Anteile, zurückzuführen auf verwendete MSA/Comonomer-
Mischungen in Zusammensetzungen zwischen 30 bis 90 Masse-% MSA und 10 bis
70 Masse-% Comonomer, hinsichtlich spezieller Modifikatoreigenschaften als vorteil
haft erwiesen. Als Comonomer sind unpolare Vinylaromate, insbesondere Styrol, und
Ester der Acryl- oder Methacrylsäure, insbesondere Methylmethacrylat (MMA), be
vorzugt.
Die radikalisch initiierte Modifizierungsreaktion wird zwecks Sicherung ausreichender
Maleinierungsgrade sowie einer gleichmäßigen Pfropfung vorteilhaft in Gegenwart
eines organischen peroxygruppenhaltigen Radikalbildners mit einer Halbwertszeit
von 3 bis 120 min im Temperaturbereich zwischen 125° und 160°C durchgeführt.
Ausgewählte Beispiele dafür sind tert.-Butylperoxybenzoat (tBPB) mit einer Halb
wertstemperatur nach einer Stunde (gemessen als 0,1-molare Lösung in Benzol)
THW/1h von 124°C, Dicumylperoxid (DCUP) mit THW/1h von 136°C, 2,5-Dimethyl-2,5-
di(tert.-butylperoxy)hexan (DHBP) mit THW/1h von 142°C, Di(tert.-butyl)peroxid (DtBP)
mit THW/1h von 146°C und 2,5-Dimethyl-2,5-di(tert.-butylperoxy)hexin-(3) (DYBP) mit
THW/1h von 149°C.
Die Angaben zur Polymerisationsmischung von 2,5 bis 24,5 Masse-% MSA und 1,5
bis 15,5 Masse-% Radikalbildner unterliegen noch der zusätzlichen Bedingung be
züglich des einzusetzenden MSA/Radikalbidner-Masseverhältnisses, welches zwi
schen 0,3 und 20, vorzugsweise zwischen 0,5 und 10, gewählt werden sollte.
Der konkrete Einsatz des peroxidischen Radikalbildners, d. h. die Wahl in bezug auf
seine chemische Struktur (auch unter Berücksichtigung möglicher Zerfallsprodukte
sowie toxischer und Geruchsbelästigung), Halbwertszeiten und seine Konzentration,
wird mit den jeweils aktuellen Reaktionsbedingungen, insbesondere TR, tR, MSA-
Konzentration, Form der Monomer-Zugabe (batch- oder semibatch-Fahrweise), ge
gebenenfalls Zusätzen an Comonomeren sowie üblichen Additiven, insbesondere
Wärme-, Licht- und UV-Stabilisatoren, Antioxidantien, Nukleierungsmittel usw., abge
stimmt.
Die Herstellung der Reaktionsmischung, ihre Dispergierung und Aufheizung erfolgen
direkt im Reaktionsgefäß oder in einem geeigneten separaten Mischer bzw. in einer
ähnlichen Vorrichtung, wobei die Dispergierphase A), mit Dispergierzeiten tD vor
zugsweise zwischen 3 und 90 min, und die Aufheizphase B), mit Aufheizzeiten tA
vorzugsweise zwischen 10 und 120 min, zeitlich sich überschneiden bzw. teilweise
oder insgesamt zusammenfallen können.
Die eigentliche Funktionalisierungsreaktion, d. h. die Umsetzung des MSA oder
MSA/Comonomer-Gemisches wird bei einer Reaktionstemperatur TR zwischen 125°
und 160°C, vorzugsweise zwischen 140° und 155°C, in einer Reaktionszeit tR zwi
schen 5 min und 5 Stunden, vorzugsweise zwischen 20 min und 3 Stunden, durch
geführt.
Nach erfolgter Funktionalisierung wird unter Verwendung von Desorptionstemperatu
ren TDes von vorzugsweise zwischen 150° und 100°C und Desorptionszeiten tDes von
vorzugsweise zwischen 25 und 150 min nicht umgesetztes MSA aus der Reaktions
mischung, welche gegebenenfalls noch geringe Rest-Comonomeranteile enthalten
kann, mittels üblicher Stickstoff-Spülung ausgetrieben und noch vorhandener Rest
initiator deaktiviert
Dieses der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Fahrregime, bestehend aus
- - Dispergier-Stufe bei Temperaturen TD < 125°C, d. h. unterhalb TR,
- - Reaktions-Stufe bei einer TR oberhalb 125°C (somit Gewährleistung einer hohen MSA-Sorptionskapazität auf/in dem festen Polypropylen) und
- - Desorptions-Stufe bei TDes, unterhalb der jeweils maximalen TR,
ist vorteilhaft für die Temperaturführung und den Ablauf des gesamten Prozesses
sowie die schonende Behandlung des Reaktionsproduktes, insbesondere auf Grund
der Vermeidung von Temperaturerhöhungen auf oberhalb TR
für die der Reaktion
nachfolgende MSA-Rest-Entfernung und Initiatorrest-Deaktivierung.
Nach erfolgter MSA-Desorption und Initiatorrest-Deaktivierung wird das Reaktions
produkt üblicherweise weiter auf eine Temperatur unterhalb 100°C bis maximal auf
Raumtemperatur TN abgekühlt und dem Reaktor entnommen.
Das Verfahren zur Herstellung der durch MSA modifizierten Polypropylene mit einem
Maleinierungsgrad zwischen 0,1 und 5 Masse-% erfolgt dadurch, dass
- A) eine Reaktionsmischung, bestehend aus
- - 60 bis 96 Masse-% partikelförmiges Polypropylen mit mittleren Teilchendurch messern im Bereich von 0,01 bis 8 mm,
- - 2,5 bis 24,5 Masse-% MSA, gegebenenfalls als MSA/Comonomer-Mischung ent sprechend einer Zusammensetzung 20 bis 95 Masseteile MSA/5 bis 80 Masse teile Comonomer, und
- - 1,5 bis 15,5 Masse-% eines organischen peroxidischen Radikalbildners mit einer Halbwertszeit zwischen 2 min und 2,5 Stunden bei der gewählten Reaktionstem peratur (TR), wobei das Masseverhältnis MSA/Radikalbildner zwischen 0,2 und 20 beträgt, bei einer Dispergiertemperatur (TD) im Bereich zwischen Raumtempera tur (TN) und 120°C und einer Dispergierzeit (tD) zwischen 1 und 150 min herge stellt,
- B) die Mischung innerhalb einer Aufheizperiode zwischen 5 und 200 min von der Dispergiertemperatur TD auf die Reaktionstemperatu TR im Bereich zwischen 125° und 160°C erwärmt,
- C) MSA oder das MSA-Comonomer-Gemisch bei TR zwischen 125° und 160°C in nerhalb einer Reaktionszeit tR zwischen 5 min und 5 Stunden unter Aufrechterhaltung einer festen (trockenen) Konsistenz der Reaktionsmischung umgesetzt und danach
- D) aus der Reaktionsmischung mittels Durchleiten von Stickstoff über einen Zeitraum tDes zwischen 20 min und 4 Stunden bei einer Desorptionstemperatur TDes zwi schen der Reaktionstemperatur TR und 80°C der nicht umgesetzte Monomer anteil entfernt, der Restinitiator deaktiviert und nach Abkühlung auf eine Endtem peratur zwischen 100°C und der Raumtemperatur TN das trockene modifizierte Polypropylen dem Reaktionsgefäß entnommen wird.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen modifizierten Propylenhomo- und -copolymere
besteht in ihren hohen Maleinierungsgraden sowie hohem Niveau mechanischer
Kennwerte der mit ihnen modifizierten Polymerblends und -composites, insbesonde
re bezüglich Schlag- und Kerbschlagzähigkeit, Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul.
Dieses hohe Eigenschaftsniveau basiert einmal auf der Verhinderung der Polypro
pylen-Degradation, d. h., der Sicherung hoher Molekulargewichte der eingesetzten
Rückgratpolymere, und zum anderen auf der effektiven "Pfropf"-Struktur der erhalte
nen funktionalisierten Polypropylene, charakterisiert durch eine sehr gleichmäßige
Verteilung von an der Polypropylen-Stammkette angehängten ("aufgepfropften"),
insbesondere monomolekularen Bernsteisäureanhydrid- und MSA-Gruppen bzw. -
mittels spezifisch gewählter Comonomerkonzentrationen (Funktionsmonomer/Co
monomer-Verhältnise) - durch gezielt einstellbare Längen der Pfropfseitenketten
(Pfropfreiser).
Darüber hinaus besteht der Vorteil des erfindungsgemäßen Prozesses gegenüber
den in flüssigen Medien und in der Schmelze durchgeführten Polypropylen-
Funktionalisierungsverfahren generell in seiner hohen Wirtschaftlichkeit, die im We
sentlichen auf die Vermeidung von größeren Mengen an Lösungs-, Verdünnungs-
und Suspensionsmitteln bzw. der bei den oberhalb des Polypropylen-Schmelz
punktes zu beobachtenden "Schädigung" der Rückgratpolymerstruktur zurückzufüh
ren ist.
Im Vergleich zu den bei Reaktionstemperaturen oberhalb 125°C bekannten, in der
Festphase maleinierten Polypropylenen zeichnen sich die erfindungsgemäßen, analog
modifizierten Polypropylene generell durch ihre hohen Molekulargewichte aus.
Das zeigt sich besonders anhand der Gegenüberstellung der Schmelzflussraten
(MFR) für die Polypropylene vor und nach ihrer Maleinierung. Demnach werden kei
ne sprunghaften MFR-Anstiege, die eine typische unkontrollierte Degradation im
Unterschied zu einem gezielten begrenzten Molekulargewichtsabbau ("Controlled
Rheology" Polypropylene, CR-PP) ausweisen, beobachtet. Der MFR-Bereich der er
findungsgemäß maleinierten Polypropylene, der sich besonders durch die Wahl der
Konzentrationen der Reaktionskomponenten sowie der Peroxid/MSA (Comonomer)-
Masse- bzw. Molverhältnisse steuern läßt, erstreckt sich gegenüber den Polypropy
len-Ausgangswerten von etwa um eine Zehnerpotenz niedrigeren über nahezu kon
stante bzw. nur geringfügig veränderte bis auf angestiegene Werten entsprechend
MFR (230°C/2,16 kg) von maximal 60-80 g/10 min.
Die Vermeidung der Polypropylen-Degradation im erfindungsgemäßen TR-Bereich
zwischen 125° und 160°C und damit die Sicherung eines hohen mechanischen
Kennwertniveaus für die maleinierten Polypropylene selbst und besonders der mit
ihnen modifizierten Polymer-Blends sowie Polymer-Composites war in keiner Weise
vorherzusehen.
Deshalb sind die erfindungsgemäß durch MSA modifizierten Polypropylene mit Male
inierungsgraden zwischen 0,1 und 5 Masse-%, vorzugsweise zwischen 0,3 und 4
Masse-%, besonders als adhäsives Beschichtungsmaterial auf metallischen und an
deren Oberflächen sowie als Verträglichkeitsverbesserer in Polymerverbunden, vor
zugsweise als Phasenvermittler in Polymer-Blends und als chemischer Koppler in
Polymer-Composites, geeignet.
Die erfindungsgemäß modifizierten Polypropylene und das zu ihrer Herstellung ver
wendete Verfahren werden durch nachfolgende Beispiele erläutert, ohne darauf be
schränkt zu sein.
In einen temperierbaren und mit einem Rührer ausgerüsteten, vertikalen Reaktor
(Länge/Durchmesser-Verhältnis: 2,5 zu 1) werden 100 Masseteile poröses körniges
HPP mit einem mittlerer Teilchendurchmesser (dk) von 1,5 mm, MW von 460 000 g/mol,
MFR (230°C/10 kg) von 10,5 g/10 min und einem Schmelzpunkt von 162°C
vorgelegt. Anschließend werden 5 Masseteile MSA und 4 Masseteile Dicumylperoxid
(DCUP) hinzugefügt und der Reaktor mittels Stickstoff sauerstofffrei gespült.
Nach 20-minütiger Dispergierung bei 60°C unter Stickstoff-Atmosphäre wird der Re
aktor mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 1,9°C/min auf TR = 146°C erhitzt.
Danach wird die Reaktionsmischung unter Konstanthaltung der Reaktionstemperatur
TR von 146°C gerührt (Drehzahl: 800 Umdrehungen/min).
Nach 65 min wird die Reaktion beendet, indem 40 Volumenanteile Stickstoff pro Re
aktor-Volumenanteil und Stunde durch das Reaktionsprodukt geleitet werden.
Nach einer Desorptionszeit tDes von 105 min ist das Reaktionsprodukt auf 121°C her
untergekühlt. Es wird dann nach weiterer Abkühlung auf etwa 50°C dem Vorratsbe
hälter zugeführt, woraus es zur nachfolgenden Kennwertbestimmung entnommen
wird.
Ermittelt werden:
- - Ausbeute (Auswaage des Reaktionsproduktes)
- - Gehalt an Carbonsäure (CS, berechnet auf Masse-% MSA) mittels Rücktitration der durch den Carbonsäureanteil nicht neutralisierten Kalilauge, indem eine 2 g- Probe der Ausbeute sechs Stunden mit einer Mischung aus 100 ml Xylol und 20 ml 0,1-molarer methanolischer Kalilauge bei 80°C behandelt und nach Zugabe eines Tropfens Phenolphthalein mittels 0,1-molarer Salzsäure titriert wird:
- - für obengenannte Ausbeute der Masseanteil CS und
- - für den im siedenden Methanol erhaltenen Rückstand, d. h., den vom Poly propylen-Rückgrat chemisch gebundenen ("gepfropften") MSA-Masseanteil CSex, der sogenannte Funktionalisierungs- bzw. Maleinierungsgrad.
Außerdem sind bestimmt worden:
- - der mittels Methanol bei Raumtemperatur TN gelöste Anteil der Ausbeute, ein niedermolekulareres MSA-Peroxid-Reaktionsprodukt PMSA, und
- - der mittels siedendem Methanol aus dem Extrakt ermittelte Anteil an oligomeren MSA-Peroxid-Reaktionsprodukt PMSAex.
- - MFR-Werte entsprechend DIN-ISO 1133 (bei 230°C, 2,16 kg bzw. 10 kg Auflage gewicht)
- - Gelgehalt mGel, (der in siedendem Xylol nach 6 Stunden unter Rückfluss erhaltene unlösliche Anteil der Ausbeute) als Maß für den "hochvernetzten" Anteil an malei niertem Polypropylen.
Kennwerte für das maleinierte Polypropylen (Beispiel-Nr. 1):
Ausbeute: 105,5 Masseteile (61,1% bezogen auf eingesetztes MSA und DCUP)
Carbonsäuregehalt CS: 1,41 Masse-%
Maleinierungsgrad CSex: 1,11 Masse-%
PMSA-Anteil: 0,24 Masse-%
PMSAex-Anteil: 0,22 Masse-%
mGel: 4 Masse-%
MFR (230/2,16): 0,21 g/10 min
MFR (230/10): 4,5 g/10 min
Ausbeute: 105,5 Masseteile (61,1% bezogen auf eingesetztes MSA und DCUP)
Carbonsäuregehalt CS: 1,41 Masse-%
Maleinierungsgrad CSex: 1,11 Masse-%
PMSA-Anteil: 0,24 Masse-%
PMSAex-Anteil: 0,22 Masse-%
mGel: 4 Masse-%
MFR (230/2,16): 0,21 g/10 min
MFR (230/10): 4,5 g/10 min
Entsprechend der in Beispiel 1 beschriebenen Prozessführung werden unter Ver
wendung verschiedener Polypropylen-Substrate, peroxidischer Initiatoren sowie ge
gebenenfalls unter Zusatz von Styrol (St) oder Methylmethacrylat (MMA) als Como
nomer weitere erfindungsgemäße maleinierte Polypropylene hergestellt. Dabei wer
den sowohl die Monomer- und Initiatorkonzentrationen als auch die Reaktionsbedin
gungen und das Fahrregime (Dispergierung, Aufheizung, Reaktion, Aufarbeitung),
einschließlich Form der Zugabe der Reaktionskomponenten (einmalige Vorlage aller
Reaktionskomponenten: Chargen-Fahrweise; Nachdosierung von MSA und Initiator:
semibatch-Fahrweise) variiert.
Verwendet werden nachfolgende Reaktionskomponenten:
- - oben genanntes HPP mit MW = 460 000 g/mol und MFR (230/2,16) = 0,5 g/10 min (HPP-0,5 in den Beispielen 2-11)
- - flockiges (dkl ≈ 4 mm in Längsrichtung) HPP mit MW = 154 000 g/mol und MFR (230/2,16) = 18 g/10 min (HPP-18 in den Beispielen 12-16)
- - körniges RCP (4,2 Masse-% eingebaute C2-Einheiten) mit dk ≈ 1 mm und MFR (230/2,16) = 18 g/10 min (RCP in Beispielen 17-20)
- - MSA (2 bis 11 Masse-%, bezogen auf vorgelegtes Polypropylen), Chargen- und semibatch-Technologie (letztere in Beispielen Nr. 7 und 16)
- - Styrol (3 und 4,5 Masse-%) und MMA (4 Masse-%)
- - DCUP (1-8 Masse-%), Chargen- und semibatch-Technologie
- - DHEP (2,3; 4 und 8 Masse-%) und DYBP (4 Masse-%)
0,625 bis 5
In Tabelle 1 sind als Verfahrensparameter aufgeführt:
- - verwendetes Polypropylen-Rückgrat (Spalte 1)
- - Peroxidart und -konzentration in Masse-% (Spalten 2 und 3)
- - MSA-Konzentration in Masse-% (Spalte 4)
- - St- und MMA-Konzentration in Masse-% (Spalte 5)
- - Aufheizzeit (tA) in min (Spalte 6)
- - Reaktionstemperatur (TR) in °C und Reaktionszeit (tR) in min (Spalten 7 und 8)
- - Desorptionszeit (tDes) in min (Spalte 9)
Entsprechend Beispiel 1 sind folgende Prozeßstufen übernommen worden:
- A) 20 min Dispergierung der Reaktionsmischung bei TD = (60 ± 20)°C
- B) Aufheizung von TD = (60 ± 20)°C auf TR
- C) Chargen-Fahrweise, Ausnahme Beispiele 7 und 16, wo gleiche Mengen MSA und Peroxid zweimal bzw. im Beispiel 18 einmal nachdosiert worden sind
- D) Beendigung der Desorption (Einstellung des Durchleitens von N2 durch das Produkt) nach erreichter Reaktionsprodukt-Temperatur von (100 ± 20)°C.
Zum Vergleich ist in Tabelle 1 die Herstellung von vier modifizierten Polypropylenen
(Vgl. 1A, Vgl. 1B, Vgl. 12 und Vgl. 17), maleiniert mittels Festphasenpfropfung bei
TPm < 125°C unter Verwendung der gleichen Reaktionskomponenten (Polypropylen-
Substrat, MSA, DCUP), aber außerhalb der beanspruchten Bereiche für die verwen
dete Monomer- und Initiatorkonzentration liegend, mitangeführt.
In Tabelle 2 sind die für die Bewertung der Reaktionsprodukte als Modifikatoren in
Polymer-Blends und/oder Polymer-Composites sowie für den Direkteinsatz als Be
schichtungsmaterial bzw. Haftvermittler wichtigen Kennwerte aufgeführt:
- - MFR (230/2,16) bzw. MFR (230/10) in g/10 min (Spalte 2)
- - umgesetzter MSA-Anteil CS und chemisch gebundener ("gepfropfter") MSA-Anteil im Extraktionsrückstand CSex, in Masse-% (Spalten 3 und 4)
- - extrahierter (gelöster) "Homo-Oligomer"-Anteil PMSAex in Masse-% (Spalte 5) sowie
- - Gelgehalt mGel in Masse-%, bezogen auf die Ausbeute (Spalte 6)
Die Ergebnisse zeigen, dass die mittels erfindungsgemäßer Polymerisationsbedin
gungen modifizierten Polypropylene hohe Maleinierungsgrade zwischen 0,84 und 4,2
Masse-% aufweisen und nicht degradiert sind. Die für die erfindungsgemäß malei
nierten Polypropylene ermittelten MFR-Werte bleiben nahezu konstant oder weisen
entweder eine Erniedrigung oder eine - im Vergleich zu unkontrolliert degradierten
maleinierten Polypropylenen - vertretbare Erhöhung auf.
Durch Wahl der konkreten Prozessparameter (Temperatur/Zeit-Regime, bean
spruchte Initiator-/MSA-Konzentrationen, gegebenenfalls Comonomeranteil, unter
Berücksichtigung der gewählten MSA/Initiator-Masseverhältnisse) sind spezifische
Produktkennwerte, gegebenenfalls auch, wie oben genannt, höhere für CR-PP übli
che MFR-Werte, einstellbar.
Im Unterschied dazu sind die mittels außerhalb der beanspruchten MSA- und Initia
torkonzentrationen - entsprechend den Vergleichsbeispielen (Vgl. 1A, Vgl. 1B, Vgl. 12
und Vgl. 17) - hergestellten modifizierten Polypropylene im hohen Maße degradiert.
Claims (11)
1. Durch Maleinsäureanhydrid (MSA) modifizierte Polypropylene mit einem
Maleinierungsgrad zwischen 0,1 und 5 Masse-%, erhältlich dadurch, dass
- A) eine Reaktionsmischung, bestehend aus
60 bis 96 Masse-% partikelförmiges Polypropylen mit mittleren Teilchen durchmessern im Bereich von 0,01 bis 8 mm,
2,5 bis 24,5 Masse-% MSA, gegebenenfalls als MSA/Comonomer- Mischung entsprechend einer Zusammensetzung 20 bis 95 Masseteile MSA/5 bis 80 Masseteile Comonomer, und
1,5 bis 15,5 Masse-% eines organischen peroxidischen Radikalbildners mit einer Halbwertszeit zwischen 2 Minuten (min) und 2,5 Stunden bei der ge wählten Reaktionstemperatur (TR), wobei das Masseverhältnis MSA/Radikalbildner zwischen 0,2 und 20 beträgt, bei einer Dispergiertem peratur (TD) im Bereich zwischen Raumtemperatur (TN) und 120°C und ei ner Dispergierzeit (tD) zwischen 1 und 150 min hergestellt, - B) die Mischung innerhalb einer Aufheizperiode zwischen 5 und 200 min von der Dispergiertemperatur TD auf die Reaktionstemperatur TR im Bereich zwischen 125° und 160°C erwärmt,
- C) MSA oder das MSA-Comonomer-Gemisch bei TR zwischen 125° und 160°C innerhalb einer Reaktionszeit tR zwischen 5 min und 5 Stunden unter Auf rechterhaltung einer festen (trockenen) Konsistenz der Reaktionsmischung umgesetzt und danach
- D) aus der Reaktionsmischung mittels Durchleiten von Stickstoff über einen Zeit raum tDes zwischen 20 min und 4 Stunden bei einer Desorptionstemperatur TDes zwischen der Reaktionstemperatur TR und 80°C der nicht umgesetzte Monomeranteil entfernt, der Restinitiator deaktiviert und nach Abkühlung auf eine Endtemperatur zwischen 100°C und der Raumtemperatur TN das trocke ne modifizierte Polypropylen dem Reaktionsgefäß entnommen worden ist.
2. Durch MSA modifizierte Polypropylene mit einem Maleinierungsgrad zwischen 0,1
und 5 Masse-% nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zu modifizie
rende Polypropylene Homopolymere des Propylens (HPP) und/oder statistische
(Random) Copolymere des Propylens mit 0,1 bis 8 Masse-% einpolymerisierten
Ethylen- und/oder C4- bis C12-Olefineinheiten (RCP) und/oder heterophasige Pro
pylencopolymere mit 6 bis 50 Masse-% einpolymerisierten Ethylen- und/oder C4-
bis C12-Olefineinheiten (HCP) jeweils mit gewichtsmittleren Molekulargewichten
MW zwischen 50 000 und 2 000 000 g/mol, vorzugsweise zwischen 100 000 und
1 000 000 g/mol, und Schmelzflussraten MFR (230°C/2,16 kg) zwischen 0,05 und
200 g/10 min. vorzugsweise zwischen 0,1 und 60 g/10 min (nach DIN-ISO 1133),
in trocken-fließfähiger, insbesondere pulveriger, flockiger, blättchenförmiger, kör
niger und/oder granularer Konsistenz eingesetzt worden sind.
3. Durch MSA modifizierte Polypropylene nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass bei Einsatz von MSA/Comonomer-Mischungen solche un
ter Verwendung unpolarer Vinylaromate, vorzugsweise Styrol, und (Meth-)Acryl
säureester, vorzugsweise Methylmethacrylat, als Comonomer in Zusammenset
zungen zwischen 30 bis 90 Masse-% MSA und 10 bis 70 Masse-% Comonomer
eingesetzt worden sind.
4. Durch MSA modifizierte Polypropylene nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein peroxidischer Initiator mit einer Halb
wertszeit von 3 bis 120 Minuten im Temperaturbereich zwischen 125° und 160°C
verwendet worden ist.
5. Durch MSA modifizierte Polypropylene nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Initiator unter tert.-Butylperoxybenzoat,
Dicumylperoxid, 2,5-Dimethyl-2,5-di(tert.-butylperoxy)hexan, Di(tert.-butyl)peroxid
und 2,5-Dimethyl-2,5-di(tert.-butylperoxy)hexin-(3) ausgewählt worden ist.
6. Durch MSA modifizierte Polypropylene nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Masseverhältnis Funktionsmonomer
zu Initiator zwischen 0,5 und 10 gewählt worden ist.
7. Durch MSA modifizierte Polypropylene nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Reaktionsmischung,
ihre Dispergierung und Aufheizung direkt im Reaktionsgefäß oder in einem ge
eigneten separaten Mischer durchgeführt worden ist, wobei die Dispergierphase
A), vorzugsweise zwischen 3 und 90 min, und Aufheizphase B), vorzugsweise
zwischen 10 und 120 min, sich zeitlich überschneiden bzw. teilweise oder insge
samt zusammenfallen können.
8. Durch MSA modifizierte Polypropylene nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die radikalische Umsetzung (Polymerisati
on) des MSA oder MSA/Comonomer-Gemisches bei einer Reaktionstemperatur
TR zwischen 140° und 155°C und bei einer Reaktionszeit tR zwischen 20 min und
3 Stunden durchgeführt worden ist.
9. Durch MSA modifizierte Polypropylene nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung von Desorptionstempe
raturen TDes zwischen 150° und 100°C und Desorptionszeiten tDes zwischen 25
und 150 min aus der Reaktionsmischung nicht umgesetztes MSA und gegebe
nenfalls noch enthaltendes Rest-Comonomer mittels Stickstoffspülung ausgetrie
ben und noch vorhandener Restinitiator deaktiviert worden ist.
10. Verfahren zur Herstellung von durch MSA modifizierten Polypropylenen mit einem
Maleinierungsgrad zwischen 0,1 und 5 Masse-%, dadurch gekennzeichnet, dass
- A) eine Reaktionsmischung, bestehend aus
60 bis 96 Masse-% partikelförmiges Polypropylen mit mittleren Teilchen durchmessern im Bereich von 0,01 bis 8 mm,
2,5 bis 24,5 Masse-% MSA, gegebenenfalls als MSA/Comonomer- Mischung entsprechend einer Zusammensetzung 20 bis 95 Masseteile MSA/5 bis 80 Masseteile Comonomer, und
1,5 bis 15,5 Masse-% eines organischen peroxidischen Radikalbildners mit einer Halbwertszeit zwischen 2 min und 2,5 Stunden bei der gewählten Reaktionstemperatur (TR), wobei das Masseverhältnis MSA/Radikalbildner zwischen 0,2 und 20 beträgt, bei einer Dispergiertemperatur (TD) im Bereich zwischen Raumtemperatur (TN) und 120°C und einer Dispergierzeit (tD) zwischen 1 und 150 min hergestellt, - B) die Mischung innerhalb einer Aufheizperiode zwischen 5 und 200 min von der Dispergiertemperatur TD auf die Reaktionstemperatur TR im Bereich zwischen 125° und 160°C erwärmt,
- C) MSA oder das MSA-Comonomer-Gemisch bei TR zwischen 125° und 160°C innerhalb einer Reaktionszeit tR zwischen 5 min und 5 Stunden unter Auf rechterhaltung einer festen (trockenen) Konsistenz der Reaktionsmischung umgesetzt und danach
- D) aus der Reaktionsmischung mittels Durchleiten von Stickstoff über einen Zeit raum tDes zwischen 20 min und 4 Stunden bei einer Desorptionstemperatur TDes zwischen der Reaktionstemperatur TR und 80°C der nicht umgesetzte Monomeranteil entfernt, der Restinitiator deaktiviert und nach Abkühlung auf eine Endtemperatur zwischen 100°C und der Raumtemperatur TN das trocke ne modifizierte Polypropylen dem Reaktionsgefäß entnommen wird.
11. Verwendung von durch MSA modifizierten Polypropylenen mit Maleinierungs
graden zwischen 0,1 und 5 Masse-% nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 9 als adhäsives Beschichtungsmaterial auf metallischen und anderen Oberflä
chen sowie als Verträglichkeitsverbesserer in Polymerverbunden, vorzugsweise
als Phasenvermittler in Polymer-Blends oder als chemischer Koppler in Polymer-
Composites.
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