DE10134560A1

DE10134560A1 - Verfahren zur Herstellung von Pfropfcopolymeren aus Stärke, tert-Alkylazocyanocarbonsäureester sowie Pfropfcopolymere und deren Verwendung

Info

Publication number: DE10134560A1
Application number: DE10134560A
Authority: DE
Inventors: Stefano Bruzzano; Nathalie Sieverling; Werner Jaeger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Suedzucker AG
Current assignee: Fraunhofer Der Ange De Gesell zur Forderung
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2003-02-06
Also published as: JP4326329B2; KR20040038981A; ATE359305T1; WO2003008473A1; EP1412403A1; CN1555388A; WO2003008473A8; DE50209934D1; US20040236017A1; CA2453657A1; EP1412403B1; CN1285632C; JP2004535501A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Pfropfcopolymeren mit einem aus Stärke und/oder deren Derivaten gebildeten Rückgrat. Die Herstellung erfolgt dabei über tert-Alkylazocyanocarbonsäureester von Stärke die durch radikalische Reaktion mit Vinylmonomeren gekoppelt werden. Ebenso betrifft die Erfindung Pfropfcopolymere von Stärke, deren Dispersionen sowie die Verwendung der Pfropfcopolymere.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Pfropfcopolymeren mit einem aus Stärke und/oder deren Derivaten gebildeten Rückgrat. Die Herstellung erfolgt dabei über tert-Alkylazocyanocarbonsäureester von Stärke die durch radikalische Reaktion mit Vinylmonomeren gekoppelt werden. Ebenso betrifft die Erfindung Pfropfcopolymere von Stärke, deren Dispersionen sowie die Verwendung der Pfropfcopolymere.
Stärke ist ein vielgenutztes natürliches Polymer, das leicht und in großem Umfang gewonnen werden kann. Stärke hat in ihrer natürlichen Form zahlreiche Anwendungen sowohl im technischen Bereich als auch in der Lebensmittelindustrie gefunden. Dieses vielfältige Anwendungspotential kann durch eine Modifizierung der Stärkemoleküle erweitert und optimiert werden. Die Modifizierung der Stärke kann z. B. durch übliche Reaktionen der organischen Chemie erfolgen. Dabei werden aber z. T. nur unbefriedigende Verbesserungen der gewünschten Anwendungseigenschaften erreicht. Eine rationelle Variante ist die Kombination von Stärkemolekülen mit synthetischen Polymeren, wobei die synthetischen Polymeren kovalent und kammartig an das Stärkemolekül als Rückgrat gebunden sind. Diese Pfropfcopolymere der Stärke sind z. B. aus G. F. Fanta et al. in: Encyclopedia of Polymer Science and Technology, Suppl. Vol. 2, 665-699 und G. F. Fanta in: Block and Graft Copolymerization, Vol. 1, 665-699 bekannt. Sie werden im allgemeinen dadurch gewonnen, dass an den Stärkemolekülen Radikale erzeugt werden, die dann die Polymerisation von Vinylmonomeren auslösen.
Die Erzeugung der Radikale kann sowohl chemisch als auch physikalisch erfolgen. Die physikalische Radikalbildung durch γ-, β- oder UV-Strahlung ist sehr unspezifisch und führt im allgemeinen zur Bildung merklicher Anteile an Homopolymer der zur Pfropfung eingesetzten Vinylmonomere. Chemisch werden die Radikale am Stärkemolekül durch Redoxreaktionen erzeugt. Als Oxidationsmittel werden häufig Cer- und Mangansalze eingesetzt. Weiterhin werden Redoxsysteme empfohlen, aus denen zunächst niedermolekulare Radikale, z. B. Hydroxylradikale entstehen. Diese übertragen ihre Radikaleigenschaft auf die Stärke. Beispiele hierfür sind Permanganate in Gegenwart von Säuren, Persulfate oder das System Wasserstoffperoxid/Eisen-II-Salz.
Auch bei diesen Verfahren der chemischen Erzeugung der Stärkeradikale werden stets z. T. erhebliche Mengen an Homopolymer gebildet, so dass auch hier ein undefiniertes Gemisch aus Pfropfcopolymer, Homopolymer und unveränderter Stärke vorliegt.
Von Nachteil ist weiterhin, dass bei Verwendung von Schwermetallsalzen die Metallionen nur schwer aus den Endprodukten entfernt werden können, und dass auch hier die Reaktionen sehr unspezifisch verlaufen, so dass keine maßgeschneiderten Produkte zugänglich sind.

Eine weitere Initiierungsart besteht in der Einführung thermisch spaltbarer Gruppen in das Stärkemolekül. Sie beruht darauf, dass das Stärkemolekül zunächst in einer vorgelagerten chemischen Reaktion mit einer niedermolekularen Verbindung umgesetzt wird, die eine thermisch spaltbare Gruppe enthält. Zu den thermisch spaltbaren Gruppen gehören die Peroxy- und die Azogruppe. In der DE 34 30 676 A1 und in der EP 0173517 A2 wird die Herstellung Azogruppen enthaltender Stärke beschrieben. Die Herstellung erfolgt durch Umsetzung von Stärke mit dem Disäurechlorid einer Azodicarbonsäure. Diese Methode hat jedoch den Nachteil, dass die Umsetzung nicht vollständig erfolgt. Dadurch werden bei thermischer Aktivierung auch niedermolekulare Initiatorradikale gebildet, die zur Bildung von Homopolymer führen.

Eine zweite Variante besteht in der Erzeugung von Aldehyd- oder Ketogruppen in der Stärke, die in einer aufwendigen Folge von drei polymeranalogen Umsetzungen zu einer Azoverbindung der Stärke führt, bei der zwei Anhydroglucoseeinheiten über eine Azo-biscyanogruppe verknüpft sind. Von besonderem Nachteil ist hier, dass bei thermischer Aktivierung die gebildeten Radikale sehr leicht rekombinieren und damit zur Bildung vergelter Anteile führen.

Ausgehend hiervon und den damit verbundenen Nachteilen des Standes der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, das die Herstellung von Pfropfcopolymeren erlaubt, die frei von Homopolymeren und auf ein breites Spektrum unterschiedlicher Vinylmonomeren anwendbar ist.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiter wird die Aufgabe durch die Tert-Alcylazocyanocarbonsäureester mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und die Pfropfcopolymere mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Anspruch 18 betrifft eine Dispersion der Pfropfcopolymere und Anspruch 19 die Verwendung der erfindungsgemäßen Pfropfcopolymere. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von Pfropfcopolymeren mit einem aus Stärke und/oder deren Derivaten gebildeten Rückgrat ausgehend von Amylose der allgemeinen Formel I

und/oder dem sich daraus ableitenden Amylopektin. Hierbei bedeuten R₁ bis R₅ unabhängig voneinander H, SO₃Na, PO(ONa)₂, NO₂, C(S)-SNa, Alkyl oder Acyl mit 1-20 C-Atomen oder Aryl, die kationisch, anionisch, hydrophob und/oder amphiphil substituiert sein können. Die Gruppe R₃ kann auch so gewählt werden, daß hierüber eine Verknüpfung zu weiteren Glucoseeinheiten unter Bildung eines Amylopektins erfolgt. Hierbei handelt es sich um die klassische 1,6-Bindung die nach durchschnittlich 25 Glucose-Bausteinen zu dem astähnlichen Amylopektin führt. Die Anzahl der Struktureinheiten n kann zwischen 300 und 60.000 liegen. Das Verfahren erfolgt nun über folgende Schritte:

a) Umsetzung der Stärke mit der beschriebenen Struktur in Gegenwart eines Säureakzeptors mit einem tert- Alkylazocyanocarbonsäurederivat mit der allgemeinen Formel II

Hierbei kann R₆ eine Alkyl- oder Carboxyalkylgruppe mit 1-20 C-Atomen darstellen. R₇, R₈ und R₉ sind unabhängig voneinander Alkylgruppen, geradkettig oder verzweigt, mit 1-6 C-Atomen oder eine Phenylgruppe. Die Gruppe X in der allgemeinen Formel II kann sowohl ein Halogen als auch eine ein Anhydrid bildende Gruppe ROO- darstellen, wobei der Rest R eine beliebige Alkyl-, Aryl- oder Arylalkylgruppe darstellen kann.
b) Im folgenden Schritt erfolgt dann der Zusatz von mindestens einem Vinylmonomer.
c) Abschließend erfolgt die Initiierung der Polymerisation durch Bildung von Stärkeradikalen über eine thermische Aktivierung bei Temperaturen zwischen 25 und 120°C. Dabei kommt es zu einer Abspaltung von Stickstoff. Es bilden sich dabei zwei Radikale, ein reaktives Makroradikal, das die radikalische Polymerisation der Vinylmonomere auslöst und ein nichtreaktives tert-Alkylradikal, das bei der Polymerisation inaktiv ist.

Als Ausgangsverbindung können für das erfindungsgemäße Verfahren sowohl Stärke als auch deren Derivate verwendet werden. Zu den Derivaten zählen sowohl physikalisch wie auch chemisch modifizierte Derivate. Zu den chemisch modifizierten zählen beispielsweise hydrolysierte, ionische, hydrophobe oder auch amphiphile Derivate.

Das Verfahren kann in unterschiedlichen Medien durchgeführt werden. In einer ersten Variante kann die Umsetzung des tert-Alkylazocyanocarbonsäurederivats in einem wäßrigen oder organischen Lösungsmittel durchgeführt werden, wobei die Stärke in gelöster Form vorliegt.

Eine weitere Alternative stellt die Umsetzung in a) als Festphasenreaktion dar. Hierbei kann auf den Einsatz eines Lösungsmittels vollständig verzichtet werden, lediglich eine intensive Durchmischung der Reaktionspartner ist notwendig.

Als dritte Variante kann die Umsetzung in a) auch in einer wäßrigen Suspension durchgeführt werden. Die Umsetzung erfolgt dann an den in der Suspension vorliegenden Stärkepartikeln.

Bevorzugt werden in Schritt a) tert-Alkylazocyanocarbonsäurechlorid oder auch ein gemischtes Anhydrid von tert-Alkylazocyanocarbonsäure mit einer weiteren Säure, besonders bevorzugt Bernsteinsäure, eingesetzt.

In einer vorzugsweisen Ausführung werden in Schritt b) des Verfahrens zumindest teilweise wasserlösliche Vinylmonomere eingesetzt. Diese können sowohl ionisch, anionisch, amphoter oder neutral sein. Ebenso ist es möglich, Mischungen aus Vinylmonomeren mit diesen Eigenschaften einzusetzen.

Als kationische Vinylmonomere kommen besonders Derivate der Acrylsäure oder Methacrylsäure in Frage. Hierzu zählen beispielsweise die quaternären Ester oder Amide dieser Säuren. Als weiteres kationisches Vinylmonomer kann Dialyldimethylammoniumchlorid eingesetzt werden.

Als anionische Vinylmonomere kommen Acrylsäure, Methacrylsäure, Vinylsulphonsäure und/oder Styrensulphonsäure vorzugsweise zum Einsatz.

Bevorzugt werden als neutrale Vinylmonomere Acrylamid, N-Vinylformamid, N-Methyl-N-Vinylacetatmid, N- Vinylpyrrolidon, und/oder N-Vinylcaprolactam verwendet.

Die Vinylmonomere werden dabei vorzugsweise in einer Konzentration zwischen 0,1 und 4,0 mol/l und besonders bevorzugt zwischen 0,7 und 1,5 mol/l eingesetzt. Die Umsetzung kann dabei sowohl in wäßrigen als auch organischen Lösungsmitteln durchgeführt werden.

Erfindungsgemäß werden ebenso tert-Alkylazocyanocarbonsäureester von Stärke und/oder deren Derivaten ausgehend von Amylose der allgemeinen Formel III

und/oder dem sich daraus ableitenden Amylopektin bereitgestellt. Hierbei können R₁ bis R₅ unabhängig voneinander ausgewählt sein aus der Gruppe H, SO₃Na, PO(ONa)₂, NO₂, C(S)-SNa, Alkyl oder als Acyl mit 1-20 C-Atomen, die kationisch, anionisch, hydrophob und/oder amphiphil substitutiert sein können. Die Gruppe R₃ kann auch so gewählt werden, daß hierüber eine Verknüpfung zu weiteren Glucoseeinheiten unter Bildung eines Amylopektins erfolgt. Hierbei handelt es sich um die klassische 1,6-Bindung die nach durchschnittlich 25 Glucose-Bausteinen zu dem astähnlichen Amylopektin führt. Im gesamten Amylose- und/oder Amylopektin-Molekül ist mindestens eine der Reste R₁ bis R₅ als Gruppe mit der allgemeinen Formel IV

vorhanden. Hierbei stellt R₆ eine Alkyl- oder Carboxyalkylgruppe mit 1-20 C-Atomen dar, die sowohl durch Heteroatome unterbrochen als auch substitutiert sein kann. R₇, R₈ und R₉ sind unabhängig voneinander eine Alkylgruppe, die geradkettig oder verzweigt sein kann, mit 1-6 C-Atomen oder eine Phenylgruppe. Die Anzahl der Struktureinheiten n kann zwischen 300 und 60.000 liegen.

Bevorzugt können die Reste R₁ bis R₅ unabhängig voneinander ausgewählt sein aus der Gruppe (Alkyl)aminoalkyl, Ammoniumalkyl, Carboxyalkyl, Alkyl, Aryl, Arylalkyl und Hydroxyalkyl.

Die Molmasse des tert-Alkylazocyanocarbonsäureesters liegt bevorzugt zwischen 5000 und 10000000 g/mol und besonders bevorzugt zwischen 10000 und 5000000 g/mol.

Vorzugsweise kann der Substitutionsgrad (DS-Wert) der Reste R₁ bis R₅ zwischen 0,00 und 0,9 liegen. Der Substitutionsgrad der tert-Alkylazocyanocarbonsäuregruppe der allgemeinen Formel IV kann bevorzugt zwischen 0,01 und 0,9 liegen, wobei in beiden Fällen der Substitutionsgrad über die Verfahrensparameter gezielt eingestellt werden kann.

Erfindungsgemäß werden ebenso Pfropfcopolymere von Stärke und/oder deren Derivaten ausgehend von Amylose der allgemeinen Formel III

und/oder dem sich daraus ableitenden Amylopektin bereitgestellt. R₁ bis R₅ sind dabei unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe H, SO₃Na, PO(ONa)₂, NO₂, C(S)-SNa, Alkyl oder Acyl mit 1-20 C-Atomen, die kationisch, anionisch, hydrophob und/oder amphiphil substituiert sein können. Die Gruppe R₃ kann auch so gewählt werden, daß hierüber eine Verknüpfung zu weiteren Glucoseeinheiten unter Bildung eines Amylopektins erfolgt. Hierbei handelt es sich um die klassische 1,6-Bindung die nach durchschnittlich 25 Glucose- Bausteinen zu dem astähnlichen Amylopektin führt. Mindestens einer dieser Reste im gesamten Amylose- und/oder Amylopektin-Molekül ist dabei eine Gruppe der allgemeinen Formel V

Hierbei ist R₆ eine Alkyl- oder Carboxyalkylgruppe mit 1-20 C-Atomen, die sowohl durch Heteroatome unterbrochen als auch substituiert sein können. R₁₀ stellt ein Vinylmonmer dar, wobei die Wiederholrate n zwischen 10 und 10000 liegt.

Bevorzugt sind die Reste R₁ bis R₅ unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe (Alkyl)aminoalkyl, Ammoniumalkyl, Carboxyalkyl, Alkyl, Aryl, Arylalkyl, Hydroxyalkyl, -CO-R und -CO-NHR, wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe Alkyl, Aryl und Arylalkyl.

Die Molmasse der Stärke-Rückgratkette liegt bevorzugt zwischen 5000 und 10000000 g/mol und besonders bevorzugt zwischen 10000 und 50000 g/mol.

Die Reste R₁ bis R₅ können einen Substitutitonsgrad zwischen 0,00 und 0,9 auf, wobei dieser durch die Verfahrensparameter gezielt eingestellt werden kann. Der Substitutionsgrad (DS-Wert) der tert- Alkylazocyanocarbonsäuregruppe kann ebenso gezielt eingestellt werden und liegt zwischen 0,01 und 0,9.

Die Polymerisation kann auch mit weitgehend oder vollständig wasserunlöslichen Monomeren in Wasser als Trägerphase durchgeführt werden. Dabei wird das Monomer in Gegenwart des tert-Acylazocyanocarbonsäureesters zunächst in üblicherweise fein verteilt. Anschließend erfolgt durch thermische Aktivierung die Initiierung der Polymerisation, wobei Temperaturen zwischen 30 und 90°C bevorzugt sind. Ohne weiteren Zusatz eines Emulgators werden stabilie Dispersionen des polymerisierten Vinylmonomers erhalten. Dabei läßt sich die Teilchengröße durch Wahl der Konzentration der Reaktionspartner im Bereich zwischen 80 und 800 nm, bevorzugt zwischen 100 und 300 nm einstellen. Diese gezielte Einstellung der Teilchengröße kann alternativ durch Zusatz geringer Mengen eines üblichen Emulgators unterstützt werden. Als Vinylmonomere kann hierbei ein breites Spektrum ungesättigter Verbindungen einzeln oder in Kombination eingesetzt werden. Hierzu zählen bevorzugt Styrol, Methylstyrol und Butadien. Ebenso können Acrylate verwendet werden.

Die Pfropfcopolymere haben in vielen Anwendungsbereichen deutlich verbesserte Anwendungseigenschaften. Pfropfcopolymere, die mit kationischen Vinylmonmeren hergestellt werden, sind hervorragende Flockungsmittel bei der Abtrennung von suspendierten Feststoffen und wäßrigen Systemen. Bei gleicher Einsatzmenge werden in kürzeren Zeiten erheblich verbesserte Abscheidung, gemessen am Beispiel der Resttrübung, erreicht als bei der Verwendung konventioneller kationischer Stärken.

Beispiel 1

5,0 g Trockensubstanz an Wachsmaisstärkehydrolysat St⁹⁰⁰ (M_AGE = 162,1 g/mol; 30 mmol, M_W = 900000 g/mol) werden in 100 ml Dimethylacetamid (DMA) aufgelöst und auf ca 170°C erhitzt, um 30 ml an DMA unter N₂-Strom abzudestillieren.
Die Lösung lässt man auf Raumtemperatur abkühlen und füllt sie in einen 150 ml Doppelmantelreaktor um. Unter Rühren gibt man ein Gemisch aus 3,64 g Triethylamin (M = 101,2 g/mol, 0,036 mol) und 10 ml DMA dazu.
Danach wird die Lösung auf 8°C abgekühlt und langsam 1,20 g 4-tert.-Butylazo-4-cyanovaleriansäurechlorid t-BACVSC (M = 229,7 g/mol; 5,2 mmol) in 10 ml DMA zugetropft.
Die Reaktionsmischung wird 24 h bei 8°C gerührt. Anschließend wird das Stärkederivat in 1 l Methanol gefällt, dieses wiederum in Wasser aufgenommen und mehrere Tage bei 4°C dialysiert. Aus der Gefriertrocknung werden Stärkeester mit einem DS von 0,05 erhalten.
Durch Variation der Versuchsbedingungen kann der DS gezielt eingestellt werden (Tabelle 1). Tabelle 1

Beispiel 2

5,27 g Trockensubstanz an Trimethylammoniumpropylstärkeether St⁺ (M_AGE = 175,7 g/mol; 30 mmol, DS 0,1, M_W = 700000 g/mol) werden in 100 ml Dimethylacetamid (DMA) aufgelöst und auf ca 170°C erhitzt, um 30 ml an DMA unter N₂-Strom abzudestillieren.
Die Lösung lässt man auf Raumtemperatur abkühlen, filtriert die Gelpartikel ab und füllt sie in einen 150 ml Doppelmantelreaktor um. Unter Rühren gibt man ein Gemisch aus 3,64 g Triethylamin (M = 101,2 g/mol, 0,036 mol) und 10 ml DMA dazu.
Danach wird die Lösung auf 8°C abgekühlt und langsam 1,20 g 4-tert.-Butylazo-4-cyanovaleriansäurechlorid t- BACVSC (M = 229,7 g/mol; 5,2 mmol) in 10 ml DMA zugetropft.
Die Reaktionsmischung wird 24 h bei 8°C gerührt. Anschließend wird das Stärkederivat direkt in einen Dialyseschlauch eingefüllt und mehrere Tage gegen Wasser bei 4°C dialysiert. Aus der Gefriertrocknung werden Stärkeester mit einem DS von 0,05 erhalten.

Beispiel 3

60,0 g TS an Benzylstärke (M = 173,7 g/mol, 0,35 mol, DS 0,1, M_W ~ 10000 g/mol) und 0,50 g Dimethylbenzyltridecylammoniumchlorid werden in 400 ml H₂O bei Raumtemperatur suspendiert und mit 1 N NaOH auf pH 8 eingestellt. Anschließend wird portionsweise 43,4 g t- Butylazocyano-propylbernsteinsäureanhydrid (M = 251 g/mol, 0,173 mol) unter Rühren bei konstantem pH-Wert von 8 suspendiert. Die pH-Regulierung erfolgt durch kontinuierliche Zudosierung von Natronlauge. Nach 24 h Reaktionszeit werden die gelartigen, wasserunlöslichen Anteile abzentrifugiert und die überstehende Lösung gegen Wasser dialysiert. Durch Gefriertrocknung erhält man einen Benzylstärkehalbester der t-Butylazocyanopropylbernsteinsäure mit DS = 0,05.

Beispiel 4

5,00 g getrocknetes Wachsmaisstärkehydrolysat St³⁰⁰ (M_AGE = 162,1 g/mol; 31 mmol, M_W = 300000 g/mol), 3,64 g Triethylamin (M = 101,2 g/mol) und 1,20 g 4-tert.- Butylazo-4-cyanovaleriansäurechlorid (M = 229,7 g/mol; 5,22 mmol) werden in 30 ml getrocknetem Dietylether unter Rühren aufgeschlämmt. Unter kontinuierlichem Rühren wird der Ether bei 30°C im leichten Vakuum (200 mbar) abgezogen. Der Rückstand wird bei 4°C für 14 Tage gelagert. Anschließend wird der Rückstand mit Wasser aufgenommen und mehrere Tage bei 4°C dialysiert. Aus der Gefriertrocknung werden Stärkeester mit einem DS von 0,01 erhalten.
Die Homogenisierung der Reaktionsmischung kann unter Einsatz eines thermostatisierbaren Kneters auch ohne Verwendung von Ether erfolgen.

Beispiel 5

7,56 g einer 75%igen wässrigen Lösung von Methacryloyloxyethyldimethylbenzylammoniumchlorid MADAM-BQ (M = 283,4 g/mol) und 3,44 g 4-tert.-Butylazo-4- cyanovalerian-säureester eines Wachsmaisstärkehydrolysates t-BACVS-St⁶³⁷ (M_W = 637000 g/mol) (M = 171,8 g/mol) werden mit dest. Wasser auf 200 ml aufgefüllt. Die Lösung wird in einen thermostatierbaren, innentemperaturgeregelten Doppelmantelreaktor mit Ankerrührer, Rückflußkühler, Temperaturfühler (Pt 100) und Gaseinleitungsrohr gefüllt. Danach wird die Apparatur unter ständigem Rühren mit einem geringen Argonstrom bei 10°C mehrere Stunden durchspült. Anschließend wird die Reaktionsmischung auf 70°C unter Rühren erwärmt. Nach 180 min wird die Lösung mit 100 ml einer kalten 1%igen wässrigen Hydrochinon-Lösung verdünnt, in Dialyseschläuche (regenerierte Cellulose 6 kD Cut-Off) eingefüllt und mehrere Tage gegen Wasser dialysiert (Leitfähigkeitskontrolle). Aus der Gefriertrocknung wird reines Pfropfcopolymer erhalten.
Es wurden die Konzentration an Monomer MADAM-BQ c_M und die Konzentration des Stärkeesters t-BACVS-St⁶³⁷ c_t-
BACVS-St sowie dessen Substitutionsgrad DS (0,01 bis 0,15 wasserlöslich), wie in den folgenden Tabellen beschrieben, variiert. In den Tabellen 2, 3, 4 sind die erhaltenen Größen Umsatz und Massenanteil an gebundenen Poly-MADAM-BQ w angegeben. Während der Pfropfpolymerisationen wurde keine Bildung an Homopolymer P- MADAM-BQ beobachtet. Tabelle 2 Variation der Initiatorkonzentration C_t-
BACVS-St (DS = 0,05, c_M = 0,1 M)

Tabelle 3 Variation des DS (c_M = 0,1 M)

Tabelle 4 Variation der Monomerkonzentration c_M (DS = 0,05, C_t-BACVS-St = 0,25 M)
Analoge Polymerisationen können in Dimethylacetamid als Lösungsmittel durchgeführt werden. Dadurch ist der Einsatz von höher substituierten t-BACVS-St⁶³⁷ mit DS bis 0,9 möglich.

Beispiel 6

Ein thermostatisierbarer, innentemperaturgeregelter Doppelmantelautoklav mit Propellerrührer, Berstscheibe, Manometer, Strombrecher, Temperaturfühler (Pt 100) und Gasbürette mit Gaseinleitungsrohr wird mit 19,2 g frisch destilliertem Styrol (M = 104,15 g/mol), 16,0 g 4-tert.-Butylazo-4-cyanocarbonsäureester eines Stärkehydrolysates (DS = 0,02; M_W = 25000 g/mol) und 400 g entionisiertem Wasser befüllt. Danach wird die Apparatur unter ständigem Rühren mit einem geringen Argonstrom mehrere Stunden bei 10°C durchspült. Dem Reaktor werden anschließend 12,8 g Butadien (M = 54,09 g/mol) über die Gasbürette zudosiert. Die Reaktionsmischung wird auf 70°C erwärmt und unter ständigem Rühren (400 rpm) wird die Reaktorinnentemperatur über Nacht gehalten. Es resultiert eine niedrigviskose Polymerdispersion, mit einem Feststoffgehalt von FG = 9,8%. Die Aufreinigung des Latex erfolgt durch Dialyse gegen dest. Wasser. Der hydrodynamische Durchmesser der Styrol/Butadien-Partikel kann durch dynamische Lichtstreuung ermittelt werden, er beträgt 190 nm. Nach NMR-Analyse setzen sich die Partikelkerne aus Styrol/Butadien im Verhältnis 1 : 1 zusammen.

Beispiel 7

Ein thermostatisierbarer, innentemperaturgeregelter Doppelmantelreaktor mit Ankerrührer, Rückflußkühler, Temperaturfühler (Pt 100) und Gaseinleitungsrohr wird mit 4 g destilliertem Styrol, 20 mg SDS (Natriumdodecylsulfat) und 40 g entionisiertem Wasser befüllt. Danach wird die Apparatur unter ständigem Rühren mit einem geringen Argonstrom mehrere Stunden durchspült und die Reaktionsmischung auf 70°C erwärmt. Dem Reaktor werden anschließend 2 g an 4-tert.-Butylazo-4- cyanocarbonsäurestärkeester (DS = 0,02; M_W = 50000 g/mol), das in 10 g entionisiertem, sauerstofffreiem Wasser gelöst wurde, über ein Septum zugeführt. Unter ständigem Rühren (400 rpm) wird die Reaktorinnentemperatur über Nacht gehalten. Es resultiert eine niedrigviskose Polymerdispersion, mit einem Feststoffgehalt FG = 10,26. Der hydrodynamische Durchmesser der Partikel kann durch dynamische Lichtstreuung ermittelt werden. Er beträgt 103 nm.
Die Aufreinigung des Latex erfolgt durch Ultrafiltration (50 nm Membran) in einer Berghofzelle (Kontrolle des Filtrates durch Absorption bei 258 nm).

Beispiel 8

Untersuchungen zum Flockungsverhalten von in Wasser suspendierten Feststoffen
Einer Kaolinlösung (18 g/l, 100 ml) werden in einer Glasküvette (Optische Weglänge ~ 5 cm) unter Rühren im Trübungsmessgerät 300 µl einer 0,1%igen kationischen Stärkepfropfcopolymerlösung (3 ppm) zudosiert.
Nach 60 s wird das Rühren unterbrochen und die Sedimentation der Kaolinflocken anhand einer Trübungsmessung verfolgt. Die verbleibende Resttrübe wird bei 400 s gemessen.
Tabelle 5 enthält die Flockungsergebnisse der aus Beispiel 5 hervorgegangenen Produkte Nr. 1 bis 4. Tabelle 5

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Pfropfcopolymeren mit einem aus Stärke und/oder deren Derivaten gebildeten Rückgrat ausgehend von Amylose der allgemeinen Formel I

und/oder dem sich davon ableitenden Amylopektin mit
R₁ bis R₅ = unabhängig voneinander H, SO₃Na, PO(ONa)₂, NO₂, C(S)-SNa, Alkyl oder Acyl mit 1-20 C-Atomen oder Aryl, die kationisch, anionisch, hydrophob und/oder amphiphil substituiert sein können, wobei R₃ auch derart gewählt sein kann, dass hierüber eine Verküpfung zu weiteren Glucoseeinheiten unter Bildung eines Amylopektins erfolgt sowie
n = 300 bis 60000
über folgende Schritte:

a) Umsetzung in Gegenwart eines Säureakzeptors mit einem tert-Alkylazocyanocarbonsäurederivat der allgemeinen Formel II

mit
R₆ = Alkyl oder Carboxyalkyl mit 1-20 C- Atomen,
R₇, R₈, R₉ = unabhängig voneinander Alkyl mit 1-5 C-Atomen oder Phenyl und
X = Halogen oder ROO- mit R = Alkyl, Aryl oder Arylalkyl.

b) Zusatz von mindestens einem Vinylmonomer,

c) Initiierung der Polymerisation durch die Bildung von Stärkeradikalen über eine thermische Aktivierung bei Temperaturen zwischen 25 und 120-°C unter N₂-Abspaltung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung in a) in einem wässrigen oder organischen Lösungsmittel durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung in a) in einer wäßrigen Suspension durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung in a) ohne Lösungsmittel als Festphasenreaktion durchgeführt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als tert-Alkylazocyanocarbonsäurederivat als Chlorid oder gemischtes Anhydrid der Bernsteinsäure eingesetzt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in b) zumindest teilweise wasserlösliche Vinylmonomere eingesetzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vinylmonomer ausgewählt ist aus der Gruppe Acrylsäure, Methacrylsäure, quaternäre oder neutrale Ester oder Amide der Acrylsäure oder Methacrylsäure, Styrol, Methylstyrol, Styrensulfonsäure, Vinylsulfonsäure, Butadien, Acrylamid, N- Vinylformamid, N-Methyl-N-Vinylacetamid, N- Vinylpyrrolidon, N-Vinylcaprolactam, Diallyldimethylammoniumchlorid und deren Mischungen.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vinylmonomere in einer Konzentration zwischen 0,1 und 4,0 mol/l, bevorzugt zwischen 0,7 und 1,5 mol/l eingesetzt werden.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) in einem wässrigen oder organischen Lösungsmittel durchgeführt wird.

10. tert-Alkylazocyanocarbonsäureester von Stärke und/oder deren Derivaten ausgehend von Amylose der allgemeinen Formel III

und/oder dem sich davon ableitenden Amylopektin mit
R¹ bis R⁵ unabhängig voneinander H, SO₃Na, PO(ONa)₂, NO₂, C(S)-SNa, Alkyl oder Acyl mit 1-20 C-Atomen, die kationisch, anionisch, hydrophob und/oder amphiphil substituiert sein können, wobei R₃ auch derart gewählt sein kann, dass hierüber eine Verknüpfung zu weiteren Glucoseeinheiten unter Bildung eines Amylopektins erfolgt und mindestens ein Rest R₁ bis R₅ eine Gruppe der allgemeinen Formel IV

mit
R₆ = Alkyl oder Carboxyalkyl mit 1-20 C- Atomen, die sowohl durch Heteroatome unterbrochen als auch substituiert sein können,
R₇, R₈, R₉ = unabhängig voneinander Alkyl mit 1-5 C-Atomen oder Phenyl und
n = 300 bis 60000.

11. tert-Alkylazocyanocarbonsäureester nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reste R₁ bis R₅ unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe (Alkyl)aminoalkyl, Ammoniumalkyl, Carboxyalkyl, Alkyl, Aryl, Arylalkyl und Hydroxyalkyl.

12. tert-Alkylazocyanocarbonsäureester nach mindestens einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Molmasse des tert-Alkylazocyanocarbonsäureesters zwischen 5000 und 10000000 g/mol, bevorzugt zwischen 10000 und 5000000 g/mol liegt.

13. tert-Alkylazocyanocarbonsäureester nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der DS-Wert der Reste R₁ bis R₅ zwischen 0,00 und 0,9 und der DS- Wert der Gruppe der allgemeinen Formel IV zwischen 0,01 und 0,9 liegt.

14. Pfropfcopolymer von Stärke und/oder deren Derivaten der ausgehend von Amylose der allgemeinen Formel III

und/oder dem sich davon ableitenden Amylopektin mit
R₁ bis R₅ = unabhängig voneinander H, SO₃Na, PO(ONa)₂, NO₂, C(S)-SNa, Alkyl oder Acyl mit 1-20 C-Atomen, die kationisch, anionisch, hydrophob und/oder amphiphil substituiert sein können oder ein Rest der allgemeinen Formel V

mit
R₆ = Alkyl oder Carboxyalkyl mit 1-20 C- Atomen, die sowohl durch Heteroatome unterbrochen als auch substituiert sein können,
R₁₀ ein Vinylmonomer mit m = 10-10000, wobei R₃ auch derart gewählt sein kann, dass hierüber eine Verküpfung zu weiteren Glucoseeinheiten unter Bildung eines Amylopektins erfolgt.

15. Pfropfcopolymer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Reste R₁ bis R₅ unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe (Alkyl)aminoalkyl, Ammoniumalkyl, Carboxyalkyl, Alkyl, Aryl, Arylalkyl, Hydroxyalkyl, -CO-R und -CO-NHR mit R = Alkyl, Aryl, Arylalkyl.

16. Pfropfcopolymer nach mindestens einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Molmasse der Stärkerückgratkette zwischen 5000 und 10000000 g/mol, bevorzugt zwischen 10000 und 5000000 g/mol liegt.

17. Pfropfcopolymer nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der DS-Wert der Reste R₁ bis R₅ zwischen 0,00 und 0,9 und der DS- Wert der Gruppe der allgemeinen Formel V zwischen 0,01 und 0,9 liegt.

18. Dispersion aus Pfropfcopolymeren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 17.

19. Verwendung der Pfropfcopolymere nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 17 als Flockungsmittel.