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Die
vorliegende Erfindung betrifft Blockcopolymere aus Polyethylenterephthalat
und dem Polyamid aus meta-Xylylendiamin und Adipinsäure sowie
Verfahren zu deren Herstellung.
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Aus
der EP-A-1 200 522 ist ein Verfahren zur Herstellung von polymeren
Mischungen (Blends) aus Polyethylenterephthalat und dem auskondensierten
Polyamid aus meta-Xylylendiamin
und Adipinsäure
bekannt. Diese Mischungen lassen in daraus hergestellten Behältern zu
wünschen übrig.
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Der
vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, den zuvor
genannten Nachteilen abzuhelfen.
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Demgemäß wurden
Blockcopolymere aus Polyethylenterephthalat und dem Polyamid aus
meta-Xylylendiamin und Adipinsäure
gefunden. Weiterhin wurde ein neues und verbessertes Verfahren zur
Herstellung von Blockcopolymeren aus Polyethylenterephthalat und
dem Polyamid aus meta-Xylylendiamin und Adipinsäure gefunden, welches dadurch
gekennzeichnet ist, dass man bei einer relativen Lösungsviskosität von 1,5 bis
2,2 Polyethylenterephthalat bei einem Druck von 0,1 bis 20 bar und
einer Temperatur von 245°C
bis 300°C zufügt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann wie folgt ausgeführt
werden:
Die Kondensation von meta-Xylylendiamin [3-(Aminomethyl)-benzylamin]
und Adipinsäure
kann nach üblichen Verfahren,
wie sie aus Ullmanns Encyklopädie
der Technischen Chemie, 4. Auflage, Bd. 19, S. 39-54, Verlag Chemie,
Weinheim 1980, sowie Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry,
Vol. A21, S. 179-206, VCH Verlag, Weinheim 1992, sowie Stoeckhert,
Kunststofflexikon, 8. Auflage, S. 425-428, Hanser Verlag München 1992
(Stichwort "Polyamide" und folgende) bekannt
sind, durchgeführt
werden. Bevorzugt kann man die Komponenten meta-Xylylendiamin, Adipinsäure und
Wasser getrennt oder als beliebige Gemische, bevorzugt als Gemisch
aller drei Komponenten diskontinuierlich oder bevorzugt kontinuierlich
bei einem Druck von 2 bis 20 bar, bevorzugt 5 bis 15 bar, besonders
bevorzugt 7 bis 12 bar und einer Temperatur von 170 bis 280°C, bevorzugt
180 bis 270°C,
besonders bevorzugt 190 bis 260°C,
insbesondere 200 bis 250°C
umsetzen. Als Ausgangsmischungen werden bevorzugt zwischen 30 bis
80 gew.-%ige Lösungen
der Salzverbindung aus meta-Xylylendiamin und Adipinsäure, insbesondere
zwischen 45 bis 70 gew.-%ige Lösungen,
eingesetzt. Nach erfolgtem Aufheizen des Gemisches auf Zieldruck
und Temperatur wird das Wasser abdestilliert.
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Anschließend kann
die Nachkondensation oder aufgeschmolzenes Polyamid direkt, bevorzugt
die Nachkondensation bei einem Druck von 0,1 bis 3 bar, bevorzugt
0,5 bis 2 bar, besonders bevorzugt 0,7 bis 1,5 bar, insbesondere
bei Normaldruck (Atmosphärendruck)
unter Inertgas wie Stickstoff oder Argon, bevorzugt Stickstoff und
einer Temperatur von 240 bis 300°C,
bevorzugt 250 bis 290°C,
besonders bevorzugt 260 bis 280°C
durchgeführt
werden.
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Die
Zugabe des Polyethylenterephthalats zum Polyamid kann in der Regel
bei einem Druck von 0,1 bis 20 bar und einer Temperatur von 240
bis 300°C,
bevorzugt 245 bis 300°C
durchgeführt
werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Zugabe
des Polyethylenterephthalats im Herstellprozess des Polyamids zugegeben.
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Im
Anschluss an die Umsetzung kann das Blockcopolymer nach an sich
bekannten Verfahren aufgearbeitet werden, beispielsweise durch,
Unterwasserkugelgranulierung, Unterwasserstranggranulierung oder Stranggranulierung.
Das erhaltene Granulat kann einer Extraktion unterzogen werden und
diese kann sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich erfolgen.
Als Extraktionsmittel eignen sich unter anderem Wasser, C1- bis C8-Alkanole
wie Ethanol und Methanol, bevorzugt Wasser. Das extrahierte Blockcopolymer
kann in einem weiteren Schritt einer Festphasenkondensation unterzogen
werden. Diese kann sowohl im Vakuum als auch unter Inertgas wie
Stickstoff oder Argon, bevorzugt Stickstoff durchgeführt werden.
Die Temperatur kann dabei in weitem Bereich variiert werden, sie
liegt in der Regel zwischen 120 bis 230°C, bevorzugt zwischen 130 bis 210°C und besonders
bevorzugt zwischen 140 bis 190°C.
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Das
Gewichtsverhältnis
von Polyethylenterephthalat zum Polyamid kann in weiten Bereichen
variiert werden und liegt in der Regel zwischen 0,001:1 bis 1000:1,
bevorzugt zwischen 0,005:1 bis 500:1, besonders bevorzugt 0,001:1
bis 100:1. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Gewichtsverhältnis von
Polyethylenterephthalat zum Polyamid in der Regel zwischen 0,002:1
bis 0,1:1, bevorzugt zwischen 0,002:1 bis 0,08:1, besonders bevorzugt
0,003:1 bis 0,07:1.
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Das
Molverhältnis
von meta-Xylylendiamin zu Adipinsäure kann in weiten Grenzen
variiert werden, liegt in der Regel bei 1,5:1 bis 0,75:1, bevorzugt
bei 1,2:1 bis 0,8:1, besonders bevorzugt bei 1,1:1 bis 0,9:1 oder äquimolar
(1:1), insbesondere bei 1,05:1 bis 0,95:1.
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Für den Fall,
dass die Trübung
verbessert werden soll, liegt das Molverhältnis von meta-Xylylendiamin zu
Adipinsäure
in der Regel bei 1,5:1 bis 1:1, bevorzugt bei 1,2:1 bis 1,01:1,
besonders bevorzugt bei 1,1:1 bis 1,02:1, insbesondere bei 1,05:1
bis 1,01:1.
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Für den Fall,
dass die Farbzahl verbessert werden soll, liegt das Molverhältnis von
Adipinsäure
zu meta-Xylylendiamin in der Regel bei 1,5:1 bis 1:1, bevorzugt
bei 1,2:1 bis 1,01:1, besonders bevorzugt bei 1,1:1 bis 1,02:1,
insbesondere bei 1,05:1 bis 1,01:1.
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Eine
Ausführungsform
der Kondensation von meta-Xylylendiamin und Adipinsäure liegt
darin, dass man die Polykondensationen diskontinuierlich in einem
Stahlautoklaven bei einem Druck zwischen 1 und 20 bar durchführen kann.
Die Ausgangsstoffe können
dabei in einer 30 bis 80 gew.-%igen Lösung in Wasser eingesetzt werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
besteht darin, dass man die Polykondensationen kontinuierlich bei
einem Druck von 1 bis 20 bar durchführen kann. Die Polykondensationsanlage
kann dabei aus einem Ansatzkessel, Verdampferreaktor, Abscheider
und einer Granulierungseinheit bestehen. Die Ausgangsstoffe können in
einer 30 bis 80 gew.-%igen
Lösung
in Wasser eingesetzt werden.
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Der
Restmonomerengehalt im erfindungsgemäßen Blockcopolymer beträgt in der
Regel bis zu 500 ppm, beispielsweise 0,1 bis 500 ppm, bevorzugt
0,5 bis 50 ppm, besonders bevorzugt zwischen 1 bis 15 ppm meta-Xylylendiamin.
Der Restmonomergehalt an Adipinsäure
liegt in der Regel unter 10 ppm. Der Gehalt an cyclischem Dimer
(MXDA + Adipinsäure)
im erfindungsgemäßen Blockcopolymer
beträgt
in der Regel bis zu 1500 ppm, wie 10 bis 1500 ppm, bevorzugt 50
bis 1000 ppm, besonders bevorzugt 100 bis 250 ppm.
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Als
Polyamide eignen sich in der Regel alle Polyamide, in der Regel
solche, die aus 50 bis 100 Gew.-%, bevorzugt 70 bis 100 Gew.-%,
besonders bevorzugt 85 bis 100 Gew.-% meta-Xylylendiamin und 50 bis 100
Gew.-%, bevorzugt 70 bis 100 Gew.-%, besonders bevorzugt 85 bis
100 Gew.-% Adipinsäure
und 0 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 0 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt
0 bis 15 Gew.-% der entsprechenden Comonomeren und/oder gegebenenfalls
Kettenregler und/oder gegebenenfalls Stabilisatoren abgebaut sind,
mit einem Molekulargewicht Mn von 10000 bis 50000, bevorzugt hochmolekulare
Polyamide mit einem Molekulargewicht Mn von 30000 bis 40000 oder
niedermolekulare Polyamide mit einem Molekulargewicht Mn von 11000 bis
22000, besonders bevorzugt niedermolekulare Polyamide mit einem
Molekulargewicht Mn von 13000 bis 20000, insbesondere niedermolekulare
Polyamide mit einem Molekulargewicht Mn von 15000 bis 19000.
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Die
Molmassenbestimmung erfolgt durch GPC analog DIN 55672-1 mit einer
Apparatur, die aus der HPLC-Pumpe 420 der Firma Kontron Instruments,
einem Autosampler der Firma Gilson Abimed, einem UV-Photometer LCD
(bei 230/D) der Firma Gamma Analysentechnik und einem Differentialrefraktometer G1362A
der Firma Agilent besteht. Als Elutionsmittel wurde ein Gemisch
aus Hexafluoroisopropanol und 0,05% Trifluoressigsäure-Kaliumsalz
benutzt. Es wurden jeweils von der Firma Polymer Labo ratories eine
Vorsäule
HFIP Gel (Innendurchmesser: 7,5 mm, Länge 5 cm) und eine HFIP Gel
Linear-Säule
(Innendurchmesser: 7,5 mm, Länge
5 cm) verwendet. Die Säulentemperatur
betrug 40°C
und die Durchflussgeschwindigkeit 0,5 ml/min. Die Proben mit einer
Dichte von 1,5 g/l wurden zuvor über
Millipore Millex FG (Porenweite 0,2 [μm]) filtriert. Zur Kalibrierung
wurden PMMA-Standards der Firma PSS verwendet.
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Die
relative Lösungsviskosität beträgt in der
Regel 1,5 bis 2,2, bevorzugt 1,55 bis 2,1, besonders bevorzugt 1,6
bis 2, insbesondere 1,65 bis 1,8.
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Die
relative Lösungsviskosität des Polyamids
wurde mit Proben von 1 g Polyamid in 100 ml 96 gew.-%iger Schwefelsäure und
die Messung mit Hilfe eines Ubbelohde-Viskosimeters 2 Typ 50120 (Firma Schott)
nach DIN EN ISO 1628-1 durchgeführt.
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Als
Comonomere des meta-Xylylendiamins eignen sich beispielsweise aliphatische,
aromatische oder arylaliphatische Diamine wie Ethylendiamin, Butylendiamin,
Pentamethylendiamin, Hexamethylendiamin, Cyclohexandiamin, Octamethylendiamin,
Bis(4,4-aminocyclohexyl)methan, Bis(4,4-amino-3,3-methylcyclohexyl)methan,
Bis(amino)cyclohexan, para-Phenylendiamin, ortho-Xylylendiamin und
para-Xylylendiamin.
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Als
Comonomere der Adipinsäure
eignen sich beispielsweise aliphatische, aromatische oder arylaliphatische
Dicarbonsäuren
wie Terephthalsäure,
Isophthalsäure,
Sulfoisophthalsäure,
Naphalin-2,6-dicarbonsäure,
Cyclohexandicarbonsäure,
Bernsteinsäure,
Glutarsäure,
Azelainsäure
und Sebacinsäure.
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Als
Kettenregler eignen sich beispielsweise monofunktionelle Regler
wie Triacetondiaminverbindungen (siehe WO-A 95/28443), Monocarbonsäuren wie
Essigsäure,
Propionsäure
und Benzoesäure,
sowie Basen wie (Mono-)Amine, beispielsweise Hexylamin oder Benzylamin,
Diamine wie Hexamethylendiamin oder 1,4-Cyclohexyldiamin, C4- bis
C10-Dicarbonsäuren wie Adipinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Dodecandisäure, C5- bis C8-Cycloalkandicarbonsäuren wie
Cyclohexan-1,4-dicarbonsäure;
Benzol- und Naphthalindicarbonsäuren wie
Isophthalsäure,
Terephthalsäure
und Naphthalin-2,6-dicarbonsäure.
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Um
die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Blockcopolymere zu verbessern,
eignen sich zur Modifizierung alle bekannten Additionsprodukte wie
beispielsweise Nukleierungsmittel, Farbstoffe, Farbpigmente, Fließverbesserer,
UV absorbierende Substanzen, Mattierungsmittel, Sauerstoff-Scavenger,
anorganische oder organische oder schlagzäh modifizierte Füllstoffe.
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Als
Stabilisatoren eignen sich literaturbekannte sterisch gehinderte
Phenole, Phosphorverbindungen wie z.B. die Hypophosphite und Mischungen
dieser beiden Stabilisatorklassen.
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Die
Polyamide enthalten in der Regel 0 bis 1 Gew.-%, bevorzugt 0,05
bis 0,8 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,7 Gew.-%, insbesondere
0,3 bis 0,6 Gew.-% Stabilisatoren.
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Als
Polyethylenterephthalate eignen sich in der Regel alle Polyethylenterephthalate,
in der Regel solche, die aus 50 bis 100 Gew.-%, bevorzugt 70 bis
100 Gew.-%, besonders bevorzugt 85 bis 100 Gew.-% Ethylenglykol
und 50 bis 100 Gew.-%, bevorzugt 70 bis 100 Gew.-%, besonders bevorzugt
85 bis 100 Gew.-% Terephthalsäure
und 0 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 0 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt
0 bis 15 Gew.-% der entsprechenden Comonomeren abgebaut sind, mit
einem Molekulargewicht Mn von 10000 bis 50000, bevorzugt hochmolekulare
Polyethylenterephthalate mit einem Molekulargewicht von 35000 bis
50000 oder niedermolekulare Polyethylenterephthalate mit einem Molekulargewicht
von 10000 bis 25000, besonders bevorzugt niedermolekulare Polyethylenterephthalate
mit einem Molekulargewicht von 12000 bis 22000.
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Ferner
eignen sich auch Polyethylenterephthalat-Oligomere mit einem Molekulargewicht
Mn von 3000 bis 12000, bevorzugt von 5000 bis 12000, besonders bevorzugt
von 10000 bis 12000. Die Molmassenbestimmung erfolgt analog der
Bestimmung bei den Blockcopolymeren.
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Als
Comonomere des Ethylenglykols eignen sich Triethylenglycol, 1,4-Cyclohexandimethanol, 1,3-Propandiol,
Butan-1,4-diol, Pentan-1,5-diol, Hexan-1,6-diol, 3-Methylpentan-1,4-diol,
2-Methylpentan-1,4-diol, 2,2,4-Trimethylpentan-1,3-diol, 2-Ethylhexane-1,3-diol,
2,2-diethylpropan-1,3-diol, 1,3-Hexandiol, 1,4-Dihydroxybenzol,
2,2-Bis-4-(hydroxycyclohexyl)propan, 2,4-Dihydroxy-1,1,3,3-tetramethylcyclobutan, 2,2-Bis-(3-hydroxyethoxyphenyl)propan
und 2,2-Bis-(4-hydroxyethoxyphenyl)propan.
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Als
Comonomere der Terephthalsäure
eignen sich Adipinsäure,
Isophthalsäure,
Phthalsäure, 2,6-Naphtalindicarbonsäure, Cyclohexandicarbonsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Sebacinsäure und
Azelainsäure.
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Als
weitere Komponenten können
die Polyethylenterephthalate in geringen Mengen von 0,1 bis 5 Gew.-%,
bevorzugt 0,1 bis 3 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 Gew.-%
trifunktionale oder tetrafunktionale Comonomere wie z.B. Trimellit
Säure oder
Pyromellit Säure
oder deren Gemische enthalten.
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Die
erfindungsgemäßen Blockcopolymere
aus Polyethylenterephthalat und dem Polyamid aus meta-Xylylendiamin
und Adipinsäure
eignen sich zur Herstellung oder als Ausgangsmaterial für die Herstellung von
Formkörpern,
Rohre, Profile, Vorformen, Behälter,
Schalen, Fasern, Folien, Film, Flaschen und Schäumen aller Art, z.B. durch
Extrudieren, Spritzgießen,
Kalandrieren, Hohlkörperblasen,
Pressen, Sintern oder andere übliche
Verfahren der Thermoplastverarbeitung.
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Die
bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Blockcopolymere (aus Polyethylenterephthalat und
Polyamid) liegt in der Herstellung von Blendmischungen mit Polyethylenterephthalat.
Diese eignen sich besonders zur Herstellung von transparenten, farblosen
Behältern
und Spritzkörpern,
insbesondere von Preforms und Flaschen für die Getränkeindustrie. In dieser bevorzugten
Anwendung sind 0,01 und 15 Gew.-%, bevorzugt 0,02 bis 10 Gew.-%,
besonders bevorzugt 0,03 bis 7 Gew.-% Blockcopolymer im Polyethylenterephthalat
enthalten.
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Im
Hinblick auf die mögliche
Verwendung in Verpackungen von Lebensmitteln wird das Granulat der Blockpolymere
einer Extraktion unterzogen. Dadurch wird der Gehalt an Restmonomeren
effektiv gesenkt.
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Die
hergestellten Blockpolymere zeigen bei der Durchmischung mit Polyethylenterephthalat
eine verbesserte Phasenanbindung des Polyamids an die Polyethylenterephthalat-Matrix,
wodurch bei der anschließenden
Anwendung dieser Blendmischungen für Behälter, Formteile und Folien
eine hohe Transparenz erreicht wird. Gleichzeitig wird die unerwünschte Gelbfärbung signifikant
verbessert.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Herstellung eines Blockcopolymers
aus einem Polyamid aus meta-Xylylendiamin und Adipinsäure und
2 Gew.-% niedermolekularem Polyethylenterephthalat
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2070,4
g (14,17 mol) Adipinsäure
wurden in einem 10 Liter Kessel vorgelegt und 1714,1 g (95,12 Mol) Wasser
und 1977,1 g (14,52 Mol) meta-Xylylendiamin unter Rühren zugegeben
und unter Stickstoffatmosphäre
auf eine Temperatur von 220°C
aufgeheizt und unter einem Druck von 10 bar das Wasser abdestilliert.
Nach Entspannung auf Atmosphärendruck
(Normaldruck) wurde unter Stickstoffatmosphäre 1 Stunde bei einer Temperatur
von 260°C
nachkondensiert, wobei bei einer relativen Viskosität von 1,65
[nach 45 Minuten] 80 g eines niedermolekularen Polyethylenterephthalats
(IV = 0,6, Mn = 18500, mit 2 mol% Isophthalsäure modifiziert) unter Erhöhung der
Rührgeschwindigkeit
(von 80 auf 120 U/min) zugegeben und nach weiteren 5 Minuten 10 Minuten
lang bis auf 400 mbar evakuiert und anschließend entspannt wurde. Im nächsten Schritt
wurde die Polymerschmelze durch ein Wasserbad ausgefahren und granuliert.
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Die
Inhärente
Viskosität
(IV) wurde in einer Mischung aus 60 Gew.-% Phenol und 40 Gew.-% 1,1,2,2-Tetrachlorethan
in einer Konzentration von 0,5g/100ml Lösungsmittel gemessen.
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Beispiel 2
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Herstellung eines Blockcopolymers
aus einem Polyamid aus meta-Xylylendiamin und Adipinsäure und
5 Gew.-% niedermolekularen Polyethylenterephthalat.
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Die
Herstellung erfolgte analog Beispiel 1, jedoch wurden 200 g eines
niedermolekularen Polyethylenterephthalats (IV = 0,6, Mn = 18500,
mit 2 mol% Isophthalsäure
modifiziert.)
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Beispiel 3
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Herstellung eines Blockcopolymers
aus einem Polyamid aus meta-Xylylendiamin und Adipinsäure und
1 Gew.-% niedermolekularen Polyethylenterephthalat.
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Die
Herstellung erfolgte analog Beispiel 1, jedoch wurden 40 g eines
niedermolekularen Polyethylenterephthalats (IV = 0,6, Mn = 18500,
mit 2 mol% Isophthalsäure
modifiziert.)
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Beispiel 4
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Herstellung eines Blockcopolymers
aus einem Polyamid aus meta-Xylylendiamin und Adipinsäure und
0,5 Gew.-% niedermolekularen Polyethylenterephthalat.
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Die
Herstellung erfolgte analog Beispiel 1, jedoch wurden 20 g eines
niedermolekularen Polyethylenterephthalats (IV = 0,6, Mn = 18500,
mit 2 mol% Isophthalsäure
modifiziert.)
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Vergleichsbeispiel A
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Hierbei
handelt es sich um das Polyamid MXD6007, welches von der Mitsubishi
Gas Chemical kommerziell erhältlich
ist.
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Die
Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefasst: Tabelle
1
- *Relative Viskosität = Proben von 1 g Polyamid
in 100 ml 96 gew.%-iger Schwefelsäure; Messung mit Hilfe eines
Ubbelohde-Viskosimeters 2 Typ 50120 (Firma Schott) nach DIN EN ISO
1628-1
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Beispiel I
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Herstellung der Preforms
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Aus
95 Gew.-% Polyethylenterephthalat-Granulat mit der Bezeichnung Cleartuf© Aqua
D82 der Firma Mossi & Ghisolfi
und jeweils 5 Gew.-% der in Tabelle 1 genannten Beispiele und Vergleichbeispiele
wurden homogene Granulatmischungen hergestellt. Diese Granulatmischungen
wurden dann im Spritzguss zur Herstellung von Flaschenpreforms eingesetzt.
Bei einer Temperatur von 275°C
wurden auf einer „Single-mold"-Spritzgussmaschine vom Typ 320 der Firma
Arburg Preforms mit einem Gewicht von 49 g hergestellt.
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Beispiel II
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Herstellung der Flaschen
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Die
nach Beispiel I hergestellten Preforms wurden bei einer Temperatur
von 110°C
und einem Druck von 40 bar in der Flaschenmatrize der Flaschenmaschine
SB01 der Firma Sidel zu 1,5 Liter Flaschen aufgeblasen.
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Die
Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 2 zusammengefasst: Tabelle
2
- *Trübung
= Messung mit Hilfe eines Hazeguard Dual-Messgerätes der Firma Gardner nach
der Methode ASTM D100392