DE102005048769A1 - Process for the preparation of polyesters having improved manufacturing and service properties for use in the packaging industry - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polyesternanocompositen, insbesondere von Polyalkylenterephthalat-Nanocompositen, mit verbesserten Gebrauchseigenschaften. Die Polyesternanocomposite enthalten insbesondere organophile Nanoschichtsilikate höherer Temperaturbeständigkeit im Bereich von 0,01 bis 20 Gew.-% sowie basische Additive, die in situ während der Polyesterherstellung zugefügt werden. Die genannten Polyesternanocomposite sind inbesondere für die Herstellung von Verpackungsmaterialien wie Folien und Flaschen geeignet, welche ein erhöhtes Barriereverhalten gegenüber der Permeation von O¶2¶, CO¶2¶ aufweisen sowie die UV-Strahlung reduzieren. DOLLAR A Die Besonderheit der Art und Weise der Einbringung eines für die besonderen Temperaturbedingungen der PET-Schmelzepolykondensation und SSP-Nachkondensation angepassten thermostabilen organophilen Nanoschichtsilikat-Additivs ermöglicht einen störungsfreien Ablauf sowohl der Polyester-in-situ-Kondensation in der Schmelzphase wie auch der nachfolgenden Festphasenkondensation. Die eingebrachten, gut exfolierten Nanoschichtsilikate bewirken darüber hinaus sogar eine erhebliche Beschleunigung der SSP-Nachkondensationsgeschwindigkeit des Polyesternanocomposites selbst.The present invention relates to a method for producing polyester nanocomposites, in particular polyalkylene terephthalate nanocomposites, with improved performance properties. The polyester nanocomposites contain, in particular, organophilic nanosheet silicates of higher temperature resistance in the range from 0.01 to 20% by weight as well as basic additives which are added in situ during polyester production. The polyester anocomposites mentioned are particularly suitable for the production of packaging materials such as foils and bottles, which have an increased barrier behavior against the permeation of O¶2¶, CO¶2¶ and reduce UV radiation. DOLLAR A The peculiarity of the way in which a thermostable organophilic nanosilicate silicate additive adapted for the special temperature conditions of the PET melt polycondensation and SSP post-condensation is introduced enables the polyester in-situ condensation in the melt phase and the subsequent solid-phase condensation to run smoothly . The introduced, well-exfoliated nanosilicate silicates also cause a considerable acceleration of the SSP post-condensation rate of the polyester nanocomposite itself.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren der Anwendung einer Substanz zur Erzielung verbesserter Herstellungs- und Gebrauchseigenschaften bei der Anwendung von Polyestertypen in der Verpackungsmittelindustrie, nach den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.The The present invention relates to a method of using a Substance for achieving improved manufacturing and service properties in the application of polyester types in the packaging industry, according to the features in the preamble of the main claim.
Polyester (Homo-PET, Co-PET) ist ein günstiger thermoplastischer Kunststoff, der auf Grund seiner Eigenschaftspalette in Bereichen technischer Applikationen aber auch für Verpackungsmaterialien (Lebensmittelverpackungsfolien, Getränkebehältnisse, Kosmetika etc.) Anwendung gefunden hat. Polyester als solche sind daher nicht nur der Rohstoff für die Textilindustrie, sondern werden auch in erheblichen Mengen zu technischen Folien, aber vor allem zu Verpackungsmaterialien (Container, Lebensmittelfolien, Getränkeflaschen etc.) weiter verarbeitet.polyester (Homo-PET, Co-PET) is a cheap one thermoplastic plastic, due to its range of properties in areas of technical applications but also for packaging materials (Food packaging films, beverage containers, cosmetics, etc.) application has found. Polyester as such are therefore not just the raw material for the Textile industry, but also in significant quantities to technical Films, but especially packaging materials (containers, food films, Beverage bottles etc.) further processed.
Der PET-Bedarf zeigt auch für die Zukunft ein progressives Wachstum für bottle-grade Typen (Einweg- und Mehrweg-Getränkeflaschen für Softgetränke als leichte und unzerbrechliche Alternative zur schwereren Glasflasche, bessere Transportlogistik sowie günstigeres Tonnen/km-Verhältnis) und für Multilayer-Flaschen für Bier und Fruchtsäfte auf Basis PET und MXD6 als kostengünstigere Alternative zu den derzeit noch teuren PEN-Verpackungsapplikationen.Of the PET demand also shows for the future is a progressive growth for bottle-grade types (disposable and Returnable beverage bottles for soft drinks as light and unbreakable alternative to the heavier glass bottle, better transport logistics as well as more favorable tons / km-ratio) and for multilayer bottles for beer and fruit juices based on PET and MXD6 as a cheaper alternative to the currently still expensive PEN packaging applications.
Wichtige Vorteile der PET-Flaschen liegen in folgenden Aspekten:
- – Form- und Farbgebung der PET-Flasche sind unbeschränkt: Verschiedene individuelle Designs sind lieferbar. Das neue Gebinde unterstützt damit nicht nur die Markteinführung von neuen Sorten wie etwa Bier-Mix-Getränken, sondern lenkt auch die Aufmerksamkeit der Verbraucher auf traditionelle Biersorten. Dies erlaubt Brauern ihre Marken im stagnierenden Biermarkt aus der Masse des übrigen Angebots hervorzuheben. Wie bereits seit längerem in "Outfit" gehört, lässt sich nun die eigene Markenidentität bereits mit der Bierflasche aufbauen.
- – Das Gesamtgewicht von Produkt und Flasche reduziert sich um etwa ein Drittel: Dank der Leichtigkeit der PET-Gebinde kann „netto" mehr Bier per Lkw transportiert werden. Dies schont über stark verminderten Kraftstoffverbrauch die Umwelt und verringert die Distributionskosten; der Konsument trägt letztendlich weniger an der Verpackung, als am Getränk. Die Bruchsicherheit erschließt den Abfüllern zusätzliche Absatzchancen für Veranstaltungen, bei denen Bier-Behälter aus herkömmlichen Verpackungsmaterial (Glas) verboten sind. Gleichzeitig können während des Füllvorganges in der Brauerei keine Flaschen zerbrechen.
- - The shape and color of the PET bottle are unlimited: Different individual designs are available. The new container not only supports the market launch of new varieties such as beer mix drinks, but also draws consumers' attention to traditional beers. This allows brewers to highlight their brands in the stagnant beer market from the bulk of the rest of the offer. As has long been part of "Outfit", the own brand identity can now be built up with the beer bottle.
- - The total weight of the product and bottle is reduced by about a third: Thanks to the light weight of the PET containers, "more" beer can be transported by truck, saving on the environment and reducing distribution costs through a significant reduction in fuel consumption, ultimately reducing the consumer's consumption Breakage resistance provides fillers with additional sales opportunities for events that prohibit the use of beer containers made of traditional packaging material (glass), while at the same time no bottles break during the filling process in the brewery.
Auf der NOVAPACK-2000 Konferenz in den USA wurde die Aussage vertreten, dass die PET-Flasche im Bier-Getränkemarkt eine steigende Akzeptanz finden wird, trotz des zur Zeit noch höheren Herstellungspreises gegenüber einer gewöhnlichen PET-Flasche für Softdrinks und Mineralwasser.On The NOVAPACK 2000 conference in the US that the PET bottle is in Beer beverage market a growing acceptance, despite the currently higher production price across from an ordinary one PET bottle for Soft drinks and mineral water.
Der höhere Preis einer PET-Bierflasche resultiert aus der notwendigen Barrieretechnik Barrierekonstruktion zur Verhinderung der Permeation von CO2 aus dem Bier, vor allem aber der Permeation von O2 in das Bier (Die Haltbarkeit eines Bieres ist dabei zu 80% von der Sauerstoffempfindlichkeit der einzelne Aromen und Inhaltsstoffe des jeweiligen Bieres selbst abhängig). Neben der Permeation darf aber auch die Möglichkeit der Migration von Aroma- und Inhaltsstoffen aus dem Bier in die Flaschenwand und von Additiven und Monomeren in das Füllmedium (Bier), sowie die UV-Stabilität, nicht unterschätzt werden.The higher price of a PET beer bottle results from the necessary barrier technology Barrier construction to prevent the permeation of CO 2 from the beer, but above all the permeation of O 2 in the beer (the durability of a beer is thereby 80% of the oxygen sensitivity of the individual Flavors and ingredients of each beer itself). In addition to permeation, however, the possibility of migration of aroma and ingredients from the beer into the bottle wall and of additives and monomers in the filling medium (beer), as well as the UV stability, should not be underestimated.
Etwa 80% aller gegenwärtig auf dem Biergetränke-Markt befindlichen Barriereflaschen sind Mehrverbundflaschen.Approximately 80% of all present on the beer beverage market located barrier bottles are multi-composite bottles.
Nanocor Inc. entwickelte zusammen mit Mitsubishi Gas Chemical auf Basis von Nylon-MXD6 einen 3-Schichtfolienverbund PET-N-MXD6-PET; wobei lediglich in die Nylon-MXD6-Zwischenfolie Nanoschichtsilikate eingearbeitet worden waren.Nanocor Inc. developed together with Mitsubishi Gas Chemical on the basis of nylon MXD6 one 3-layer film composite PET-N-MXD6-PET; with only nano layer silicates incorporated into the nylon MXD6 intermediate film.
Dabei agiert vor allem die Nylon-MXD6/Nanosilikat-Innenschicht als eigentliche Hochbarriereschicht, wobei nach Angaben von Nanocor (Technical Paper, Nanocor. Inc.) die zusätzliche Inkorporierung von geringen Mengen an Organoclay in N-MXD6 die CO2-Permeation gegenüber der reinen N-MXD6-Zwischenschicht auf 50% reduziert und die der O2-Permeation auf 25% entsprechend verringert. Nylon MXD6 selbst ist dabei schon ein preislich höher angesiedeltes Matrixpolymer.In particular, the nylon-MXD6 / nanosilicate inner layer acts as the actual high-barrier layer, whereby the additional incorporation of small amounts of organoclay into N-MXD6, according to Nanocor (Technical Paper, Nanocor Inc.), leads to CO 2 permeation over the pure Reduced N-MXD6 interlayer to 50% and correspondingly reduced O 2 permeation to 25%. Nylon MXD6 itself is already a higher-priced matrix polymer.
Dies
sind relative Barriereverbesserungen bedingt durch den Einsatz eines
spezifischen Organoclays, wie sie in etwa auch für Einschicht-PA 6-Nanocomposite-Barrierefolien
bekannt sind (siehe
Aus
Angaben von Nanocor-Inc. ist weiterhin bekannt, dass gut exfolierte
Nanoschichtsilikate in einer Polymermatrix auch die UV-Barriere
des resultierenden Polymernanocomposites verbessern können, was
in
In den recherchierten Veröffentlichungen werden Lösungen für Verfahren zur Herstellung von Materialien für die Herstellung von PET basierenden Verpackungsbehältnissen durch Inkorporierung von Nanoschichtsilikatadditiven aufgezeigt, bei denen jedoch folgende Probleme noch nicht für eine großtechnische Realisierung insbesondere bei der in-situ Schmelzphasenkondensationsroute zur Herstellung von Polyesternanocompsiten gelöst worden sind:
- – ungenügende thermische Eigenstabilität der eingesetzten Nanoschichtsilikate (Zersetzungserscheinungen verbunden mit starken Schäumen im Reaktor)
- – unzureichende Exfoliergüte in der Polyestermatrix
- – starke Verfärbungen der Polyesterschmelze
- – starke Kristallinität (Zunehmende Versprödung)
- Insufficient thermal inherent stability of the nanosheet silicates used (decomposition phenomena associated with strong foams in the reactor)
- - insufficient exfoliation in the polyester matrix
- - strong discoloration of the polyester melt
- - strong crystallinity (increasing embrittlement)
Die Polymerherstellung für bottle-grade Applikationen verlangt nicht nur ständige Innovationen auf dem Gebiet der Polykondensationskatalysatoren, -stabilisatoren und Co-Monomere, sondern auch die Adaption des PET-Materials selbst für spezielle Anwendungen wie heißbefüllbare und aseptische Verpackungsbehältnisse.The Polymer production for Bottle-grade applications not only require constant innovation on the market Field of polycondensation catalysts, stabilizers and co-monomers, but also the adaptation of the PET material itself for special Applications like hot fill and aseptic packaging containers.
Aus einer durchgeführten Literatur- und Patentrecherche sowie vielfältigen Fachgesprächen mit Polyesterherstellern (insbesondere bottle-grade PET-Herstellern) wurde ersichtlich, dass bisher der Einsatz von kommerziell verfügbaren organophilen Nanoschichtsilikaten zur Herstellung von PBT- und PET-Nanocompositen über die Technologie der in-situ Polymerisation über das DMT- bzw. PTA-Verfahren von vielfältigen Schwierigkeiten begleitet war, die bisher keine großtechnische Realisierung aus nachfolgenden Ursachen zuließen:
- – Inhibierung von Ti-basierenden Katalysatorsystemen in der Polykondensationsphase durch chemische Verunreinigungen in den natürlich vorkommenden MMT-Nanoschichtsilikaten
- – Erlangung unzureichender Molmassen in der in-situ Polykondensation,
- – starkes Aufschäumen der Polymerschmelze in der Umesterungs, Veresterungsphase- und Polykondensationsphase,
- – erhebliche Vakuumprobleme in der Polykondensationsstufe,
- – unzureichende Exfolierung der Nanoschichtsilikate.
- - Inhibition of Ti-based catalyst systems in the polycondensation phase by chemical impurities in the naturally occurring MMT nanosheet silicates
- Obtaining insufficient molar masses in the in-situ polycondensation,
- Strong foaming of the polymer melt in the transesterification, esterification phase and polycondensation phase,
- Considerable vacuum problems in the polycondensation stage,
- - insufficient exfoliation of the nanosheet silicates.
Insbesondere bei Lebensmittelfolien und vor allem bei Getränkeflaschen (Bierflaschen, Softdrink-Flaschen und Saftflaschen) besteht jedoch nach wie vor das Interesse der einschlägigen Industrie darin, die Gasbarriereeigenschaften der auf PET basierenden Verpackungseinheiten weiter signifikant zu verbessern, ohne kostenintensive Zusatzverfahren wie Mehrschichtfolienverbunde, Metallisierungsverfahren oder z.B. SiOx-Beschichtungsverfahren einzusetzen. Ideal wäre hier ein dementsprechender Polyesternanocomposite, welcher lediglich aus der Polyestermatrix und einer Additivkomponente besteht und somit unter Beibehaltung der ursprünglich im Polyesternanocomposite eingestellten mechanischen, UV- und Barriereeigenschaften ein mehrfaches werkstoffliches oder chemisches Recycling mit vertretbarem technischen Aufwand zulässt.In particular, in the case of food films and especially in beverage bottles (beer bottles, soft drink bottles and juice bottles), however, there is still the interest of the relevant industry to further significantly improve the gas barrier properties of the PET-based packaging units, without costly additional processes such as multilayer film composites, metallization or SiOx-Be to use coating processes. Ideal here would be a corresponding Polyesternanocomposite, which consists only of the polyester matrix and an additive component and thus while maintaining the originally set in Polyesternanocomposite mechanical, UV and barrier properties allows multiple material or chemical recycling with reasonable technical effort.
Obwohl sich z.B. Nanoschichtsilikate im Fall der Thermoplastmatrix Polyamid 6 als sehr erfolgreich bei der Erlangung von kommerziellen Polyamid-Nanocomposite-Verpackungsmaterialien (insbesondere Lebensmittelverpackungsfolien) sowohl über Schmelzecopmpoundierverfahren, vor allem aber über das in-situ-Polymerisationsverfahren, erwiesen haben (Honeywell: AegisTM NC (XA-2908 Type), UBE Industries; Bayer AG: Durethan® KU2-2601), sind vor allem bisher die technisch-technologischen Probleme für Polyester vor allem für die in-situ Polymerisation mit Nanoschichtsilikaten (thermische Zersetzung der Nanoschichtsilikate, Aufschäumen in den Reaktoren, beträchtliche Vakuumstörungen, unzureichende Polymerviskositäten, unzureichende Dispergiergüte) noch nicht gelöst worden. Obwohl man über die alternative Schmelzecompoundier-Route in Doppelschneckenextrudern zwar einigermaßen zufriedenstellende PET-Nanocomosite-Materialien erlangen konnte, sind die damit erlangten Verbesserungen der Gasbarriereeigenschaften nur als gering gegenüber den Erwartungen hierzu zu bewerten.Although, for example, in the case of the thermoplastic matrix polyamide 6, nanosheet silicates have proved to be very successful in obtaining commercial polyamide nanocomposite packaging materials (in particular food packaging films) both via melt-cake compounding processes and, above all, via the in situ polymerization process (Honeywell: Aegis ™ NC (XA-2908 Type), UBE Industries, Bayer AG: Durethan ® KU2-2601), are above all the technical-technological problems for polyester especially for the in-situ polymerization with Nanoschichtsilikaten (thermal decomposition of Nanoschichtsilikate, foaming in the Reactors, considerable vacuum disturbances, insufficient polymer viscosities, insufficient dispersing quality) have not yet been solved. Although it was possible to obtain reasonably satisfactory PET nanocomosite materials through the alternative melt compounding route in twin screw extruders, the improvements in gas barrier properties achieved with it are only to be assessed as low compared to expectations.
Eastman Chemical Company hat sich als großtechnischer Polyesterhersteller in der jüngsten Vergangenheit am intensivsten mit der Schmelze- und in-situ Inkorporierung von unmodifizierten und modifizierten Nanoschichtsilikaten in die Polyestermatrix (bevorzugt PET) beschäftigt und in einem seiner Basispatente aus dem Jahr 1998 (US 97/24221 bzw. WO98/29499) folgende wesentliche Ergebnisse festgestellt:
- – Alkylammonium modifizierte Nanoschichtsilikate setzen bei der Schmelzecompoundierroute die Intrinsische Viskosität von PET bzw. Co-PET sehr stark herab.
- – Erhöhte Gehalte an Nanoschichtsilikaten erhöhen bei guter Exfolierung die Schmelzeviskosität erheblich.
- – Bei zu schneller Vakuumfahrweise setzt ein starkes Schäumen bei der Schmelzephasenkondensation ein.
- Alkylammonium-modified nanosheet silicates greatly reduce the intrinsic viscosity of PET or Co-PET in the melt-compounding route.
- - Increased levels of Nanoschichtsilikaten increase with good exfoliation, the melt viscosity significantly.
- - If the vacuum mode is too fast, strong foaming occurs in the melt phase condensation.
Ohne eine gute Dispergierung der Nanoschichtsilikate und der Etablierung von Teilchengrößen < 20 nm (ein Maximum an vereinzelten Schichtsilikatplättchen und ein Minimum an Stapelaggregaten ist notwendig) kann die Gasbarriere sowie die optische Transparenz von Polymernanocompositen nicht wesentlich verbessert werden. Mit zunehmender Menge an Nanoschichtsilikat bzw. besserer Exfolierung der Silikatplättchen steigt die Schmelzeviskostiät von Polyester im Niedrigscherbereich stark an, wie dies bei langsam laufenden Batchreaktoren oder Disc-Ring-Finisher-Reaktoren der Fall ist, was u.a. zu Schmelzeviskositätsbereichen > 30000 Poise führt und damit verbunden zu erniedrigter Polykondensationsgeschwindigkeit infolge verzögerter EG-Kondensat-Diffusion aus der Schmelze.Without a good dispersion of the nanosheet silicates and the establishment of particle sizes <20 nm (a maximum on isolated phyllosilicate platelets and a minimum of stacking units is necessary) can the gas barrier as well as the optical transparency of polymer nanocomposites not essential be improved. With increasing amount of nanosheet silicate or better exfoliation of the silicate platelets increases the melt viscosity of polyester in the low shear region, as in slow running batch reactors or disc-ring finisher reactors, which is what i.a. leads to melt viscosity ranges> 30,000 poise and associated with lowered polycondensation rate due to delayed EG-condensate diffusion from the melt.
Eastman bevorzugt deshalb in seinem Patent die Herstellung von zunächst niedrig molekularen PET-Nanocomposite-Precursormaterialien über die Schmelzekondensation im Reaktor (IV-Bereich: 0,3....0,5 dl/g), die dann in einer nachfolgenden SSP-Stufe zu höhermolekularen PET-Nanocompositen (0,7....1,0 dl/g) in fester Phase mit beschleunigten Festphasenkondensationszeiten zu höherviskosen Polyester nachkondensiert werden. Organoclaygehalte oberhalb 6 Gew.% verringern die SSP-Geschwindigkeit dann jedoch wieder stärker.Eastman prefers therefore low in its patent, the production of low molecular PET nanocomposite precursor materials over the Melt condensation in the reactor (IV range: 0.3 .... 0.5 dl / g), the then in a subsequent SSP stage to higher molecular weight PET nanocomposites (0.7 .... 1.0 dl / g) in solid phase with accelerated solid phase condensation times to higher viscosity Polyester can be post-condensed. Organoclay contents above 6% by weight but reduce the SSP speed then stronger again.
Die besten Sauerstoff-Barrierewerte hatte Eastman in diesem Patent für mit Ethoquad 18/25 von Akzo Chemie America (Octadecylmethyl[polyoxyethylene(15)]ammoniumchloride) – auch als Ethomeen 18/25 bezeichnet) modifiziertem Montmorrilonite mit 5,0 cm3/100 μm × 24h × m2 × bar für ca. 12 Gew.% Zugabemenge an Ethoquad 18/25-Organoclay und mit 9,7 cm3/100 μm × 24h × m2 × bar für ca. 7 Gew.% an Ethoquad 18/25-MMT in der PET-Matrix (in-situ Inkorporierung) erlangt. Ethoquad 18/25 (Ethomeen) The best oxygen barrier properties had Eastman in this patent with Ethoquad 18/25 from Akzo Chemie America (octadecyl [polyoxyethylene (15)] ammonium chloride) -) also referred to as Ethomeen 18/25 modified montmorillonites with 5.0 cm3 / 100 microns × 24 × m 2 × weight bar for about 12th% addition amount of Ethoquad 18/25 organoclay and 9.7 cm3 / 100 microns × 24 × m 2 × wt bar for about 7 wt.% of Ethoquad 18 / 25-MMT in the PET matrix (in situ incorporation). Ethoquad 18/25 (Ethomeen)
Als Referenzwert wurde für eine Vergleichsfolie aus Co-PET ohne Nanoschichtsilikat von Eastman in diesem Patent ein Wert von 45 cm3/100 μm 24h × m2 × bar angeführt. Das Ethoquad 18/25/MMT-Additiv war durch Eastman lediglich im Laborversuchsmaßstab hergestellt worden war; bis jetzt hat noch keiner der weltweiten Nanoclay-Hersteller wie Nanocor Inc., Southern Clay Products; Südchemie AG, Paikong Industries, Kunimine Industries etc. die Herstellung dieses speziell beschriebenen organophilen MMT-Additives kommerzialisiert.As reference value a value of 45 cm3 / 100 microns 24 m × 2 × bar was led for a comparative film of Co-PET without nano-layer silicate from Eastman in this patent. The Ethoquad 18/25 MMT additive had been prepared by Eastman on a laboratory scale only; So far, none of the world's nanoclay manufacturers such as Nanocor Inc., Southern Clay Products; Südchemie AG, Paikong Industries, Kunimine Industries etc. have commercialized the preparation of this specifically described organophilic MMT additive.
Eastman setzte auch eine Variante der Eigenmodifizierung von Na-MMT mit Aminododekansäure in einigen Beispielen bei der in-situ-Modifizierung von PET ein (dies entspricht dem kommerziell verfügbaren 124TL-Organoclay-Typ von Nanocor Inc.), um damit in den entsprechenden Folien einen Sauerstoffbarrierewert von etwa 30–34 cm3/100 μm 24h × m2 × bar bei entsprechender Zugabemenge des Organoclays von respektive 3–11 Gew% zu erhalten.Eastman also used a variant of the self-modification of Na-MMT with aminododecanoic acid in some examples in the in situ modification of PET (this corresponds to the commercially available 124TL organoclay type from Nanocor Inc.) to provide a corresponding in the corresponding films of about 30-34 cm to obtain oxygen barrier value 3/100 micron 24 × m 2 × bar with appropriate addition amount of the organoclays of respectively 3-11% by weight.
Eastman verzichtete in seinen Ansprüchen auch auf mögliche stöchiometrische Balancierungen des durch die Aminododekansäure erzeugten sauren pH-Wertes in der Reaktionsschmelze, die bekanntlich zu extrem höheren DEG-Gehalten (im Eastman Patent selbst als solche definitiv erwähnt), und damit stark abgesenkten Schmelzpunkten des Polyesters führen.Eastman renounced his claims also on possible stoichiometric Balancing of the acidic pH produced by the aminododecanoic acid in the reaction melt, which are known to extremely high DEG levels (definitely mentioned as such in the Eastman patent itself), and thus lead to greatly lowered melting points of the polyester.
Alle in-situ Kondensationsversuche im zitierten Eastman-Patent wurden im Kleinstmaßstab in einem einfachen Rundkolben aus Glas mit Rührer im 100 g Maßstab durchgeführt wobei bei Schmelzeviskositäten von IV = 0,30–0,45 dl/g in der Regel die Polykondensation bereits abgebrochen worden war, um das niedrigmolekulare Precursor-Material für die SSP-Reaktion durch Zerschlagen des Kolben zu erhalten. Durch die Überdimensionierung der Ölvakuumpumpe und der gesteuerten Vakuumkontrolle (Sichtkontrolle) konnte das erwähnte Aufschäumen der Schmelze unter diesen Bedingungen noch leicht gehandhabt werden, im Gegensatz zu eigenen durchgeführten orientierenden Versuchen im Autoklavenmaßstab gemäß vorliegender Erfindungsbeschreibung, wo das starke Schäumen zu Verstopfungen der Brüdenleitungen und des Kondensators durch mitgerissenes und stark schäumendes Monomer sowohl in der Veresterungsphase als auch im anfänglichen Vakuumprogramm führten.All in-situ condensation experiments in the cited Eastman patent on a miniature scale in a simple round bottom flask made of glass with stirrer in the 100 g scale at melt viscosities of IV = 0.30-0.45 dl / g usually the polycondensation has already been stopped was the low molecular weight precursor material for the SSP reaction to get by smashing the piston. By oversizing the oil vacuum pump and the controlled vacuum control (visual inspection) could the mentioned foaming the Melt under these conditions can still be easily handled, unlike your own orienting experiments in autoclave scale according to the present invention description, where the strong foaming to blockages of the vapor lines and the condenser by entrained and strongly foaming Monomer both in the esterification phase and in the initial one Vacuum program led.
Die an Hand der nachfolgend beschriebenen Erfindung (angeführte Versuchsbeispiele im Labormaßstab) als erfolgversprechend betrachtete Einarbeitung eines thermisch stabilen organophilen Nanoschichtsilijkates auf Basis von Natrium-Montmorrilonit modifiziert mit dem Hydrochlorid der Aminododekansäure in Form der kommerziellen Nanoschichtsilikattype I24TL von Nanocor Inc. wurde bisher außer dem zitierten Eastman-Patent nicht weiter in der einschlägigen wissenschaftlichen- und Patentliteratur beschrieben oder beansprucht aufgefunden.The with reference to the invention described below (cited experimental examples in laboratory scale) considered to be promising incorporation of a thermal stable organophilic nanosiloate silicate based on sodium montmorillonite modified with the hydrochloride of aminododecanoic acid in the form of commercial nanosheet silicate type I24TL from Nanocor Inc. so far except the cited Eastman patent in the relevant scientific and Patent Literature are described or claimed.
Laut dem zitierten Patent von Eastman wird bei niedrigen Zugabemengen an Organo-Nanoschichtsilikaten wird trotz erhöhter Barrierewirkung in der SSP-Verfahrensstufe überraschenderweise eine gute Nachkondensationsgeschwindigkeit erzielt.Loud the cited Eastman patent is at low addition levels on organo-nano-layer silicates is despite increased Barrier effect in the SSP process stage surprisingly good Nachkondensationsgeschwindigkeit achieved.
Yu, Hui-min; Han, Ke-qing; Lu, Da-guang; Yu, Mu-huo von der Donghua-Universität Shanghai, China [Xuebao (2004), 22(4), 576–579] beobachteten ebenfalls einen großen Einfluss der Wirkung von reinem Natrium-Montmorrilonit auf die SSP-Festphasenkondensation (SSP, insbesondere auf die Kristallisationsgeschwindigkeit, und schreiben dies der verstärkten Nukleierungswirkung der Nanoschichtsilikate, bedingt durch eine verstärkte Ausbildung von Mikrolithen und stark vergrößerter Kristallitoberfläche durch die Vielzahl der gebildeten Mikrolithe, zu. Diese Mikrolithe sollen die Diffusionsgeschwindigkeit des freiwerdenden MEG in der SSP-Phase gegenüber größeren Kristalliten begünstigen.Yu, Hui-min; Han, Keqing; Lu, da-guang; Yu, Mu-huo from Donghua University Shanghai, China [Xuebao (2004), 22 (4), 576-579] also observed a big Influence of the effect of pure sodium montmorillonite on SSP solid-phase condensation (SSP, especially on the crystallization rate, and write this the amplified Nucleating effect of the Nanoschichtsilikate, due to a increased Formation of microliths and greatly increased crystallite surface by the multitude of microlithe formed, too. These microliths are supposed to the diffusion rate of the liberated MEG in the SSP phase across from larger crystallites favor.
Ke,
Yang-Chuan; Yang, Zhi-Bin; Zhu, Chuan-Feng vom Polyolefin National
Engineering Research Center, BRICI, Sinopec, China Journal of Applied
Polymer Science (2002), 85(13), 2677–269] deuteten diesen positiven
Effekt insbesondere als eine direkte Auswirkung der Wechselwirkung
der exfolierten Schichtsilikat-Lamellen mit den Molekülketten
von PET hin zu einem ausgeprägt
regulären
Polymerkettenmuster, welche die PET-Kristallisationsgeschwindigkeit
als solche beschleunigt und die Polyestermorphologie beeinflusst. (siehe
Die
Japanische Autoren Imai, Yusuke; Inukai, Yoshinari; Tateyama, Hiroshi
vom Institute for Structural and Engineering Materials, National
Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST),
Saga, 841-0052, Japan [Polymer Journal (Tokyo, Japan) (2003), 35(3),
230–235]
setzten bei Versuchen zur Herstellung von thermostabilen PET-Nanoclay-Compositen über in-situ
Schmelzphasenkondensation und nachfolgender SSP als alternative
thermostabile organophile Nanoschichtsilikate spezielle quaternäre Phosphoniumsalze
ein (dodecyltriphenylphosphonium bromide bzw. 10-[3,5-bis(methoxycarbonyl)phenoxy]decyltriphenylphos-phonium
bromide) ein, die jedoch keinerlei kommerzielle Verwertungsaussichten
haben können,
da diese Phosphoniumverbindungen toxikologisch sehr bedenklich sind,
da Phosphinverbindungen bei der thermischer Zersetzung von quaternären Phosphoniumsalze
gemäß dem in
Zudem
sind quaternäre
Phoshoniumverbindungen sehr teuer, weshalb sie bereits bei der großtechnischen Herstellung
organophiler Nanoschichtsilikate nicht weiter berücksichtigt
worden sind.The Japanese authors Imai, Yusuke; Inukai, Yoshinari; Tateyama, Hiroshi of the Institute for Structural and Engineering Materials, AIST, Saga, 841-0052, Japan [Polymer Journal (Tokyo, Japan) (2003), 35 (3), 230-235 ] used special quaternary phosphonium as an alternative thermostable organophilic nanosheet silicate in attempts to produce thermostable PET nanoclay composites by in-situ melt-phase condensation and subsequent SSP salts (dodecyltriphenylphosphonium bromide or 10- [3,5-bis (methoxycarbonyl) phenoxy] decyltriphenylphosphonium bromide), which, however, have no commercial exploitation prospects, since these phosphonium compounds are toxicologically very questionable, since phosphine compounds in the thermal decomposition of quaternary phosphonium salts according to the
In addition, quaternary phosphonium compounds are very expensive, which is why they have not been considered further in the large-scale production of organophilic Nanoschichtsilikate.
Der Inhalt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Technologie zur in-situ Polykondensation von innovativen Nanocomposite-Strukturwerkstoffen aus Polyethylenterephthalat (Homo-PET bzw. Co-PET) als Matrixpolymeren und organophil modifiziertem, höher temperaturbeständigen Nanoschichtsilikat als nanodisperse Verstärkungs- bzw. Barriere- und UV verbessernden Additivekomponenten. Solche Nanocomposite sind u a. für Polyamid 6 als Matrix (erlangt über Schmelzecompoundierung von Nylon 6-Basispoylmer bzw. in-situ Polymerisation von Caprolactam zu Polyamid-Nanocompositen) seit längerem bestens bekannt und werden von einigen Firmen (Bayer AG, Honeywell, UBE Industries, RTP) bereits kommerziell angeboten.Of the Content of the method according to the invention is a technology for in-situ polycondensation of innovative Nanocomposite structural materials made of polyethylene terephthalate (homo-PET or co-PET) as matrix polymers and organophilically modified, higher temperature resistant nanosheet silicate as nanodisperse amplification or barrier and UV-improving additive components. Such Nanocomposites are u a. For Polyamide 6 as a matrix (obtained via Melt compounding of nylon 6 base polymer or in situ polymerization from caprolactam to polyamide nanocomposites) has long been excellent known and used by some companies (Bayer AG, Honeywell, UBE Industries, RTP) already commercially available.
Die Technologie vorliegenger Erfindung zielt im wesentlichen darauf ab, durch die Inkorporierung einer höher temperaturbeständigen organophilen Nanoclaytype (I24TL) mit spezieller Rezepturanpassung an die Spezifika des Homo- bzw. Co-Polyester-Kondensationsprozesses sowohl eine Verbesserung der Gasbarriereeigenschaften (O2 und CO2) um den Faktor 2–5 unter Erhalt einer vom Kunden akzeptierten Transparenz, Kristallisationsrate und Eigenfärbung des Verpackungsmaterials sowie einer Absenkung der UV-Transmissionsrate im Wellenlängenbereich λ = 250–390 nm zu erlangen, als auch bei der Festphasenkondensation von niederviskosen Polyesternanocompositen hin zu hochviskosen Polyesternanocompositen eine prozessökonomische Beschleunigung SSP-Reaktion um den Faktor 2 bis 3 gegenüber reinem Homo- bzw. Co-Polyester zu bewirken.The technology of this invention is essentially aimed at improving both the gas barrier properties (O 2 and CO 2 ) by incorporating a higher temperature resistant organophilic nanoclay type (I24TL) with specific recipe adaptation to the specifics of the homo- or co-polyester condensation process to obtain the factor 2-5 to obtain a customer accepted transparency, crystallization rate and coloration of the packaging material and a reduction of the UV transmission rate in the wavelength range λ = 250-390 nm, as well as in the solid phase condensation of low-viscosity Polyesternanocompositen towards highly viscous Polyesternanocompositen a process-economic Acceleration SSP reaction by a factor of 2 to 3 compared to pure homo- or co-polyester to effect.
Das Ergebnis der vorliegenden Erfindung ist somit eine neue Technologie insbesondere zur Herstellung von innovativen Polyesternanocomposites auf Basis Polyethylenterephthalat-Nanocomposites (PET-NC) über die in-situ Polymerisationsroute von Bis-Hydroxyethylenterephthalat erlangt nach dem DMT- bzw. PTA-Verfahren unter Verwendung herkömmlicher Polyester-Ausgangsmaterialien (Monoethylenglykol = MEG, Diethylenglykol = DEG, Isophthalsäure = IPA, Reine Terephthalsäure = PTA, Cyclohexandimethanol = CHDM und eines zusätzlichen thermostabilen organophilen Additivs auf Basis des Nanoschichtsilikates Nanomer I24TL, die sich vor allem durch eine verbesserte Gasbarriere (O2- und CO2-Permeation), ein beschleunigtes Festphasen-Nachkondensationsverhalten und eine erhöhte UV-Absorption auszeichnen.The result of the present invention is thus a new technology, in particular for the production of innovative Polyesternanocomposites based on polyethylene terephthalate nanocomposites (PET-NC) via the in-situ polymerization route of bis-hydroxyethylene terephthalate obtained by the DMT or PTA process using conventional polyester Starting materials (monoethylene glycol = MEG, diethylene glycol = DEG, isophthalic acid = IPA, pure terephthalic acid = PTA, cyclohexanedimethanol = CHDM and an additional thermostable organophilic additive based on the nanosheet silicate Nanomer I24TL, characterized in particular by an improved gas barrier (O 2 - and CO 2 permeation), an accelerated solid-phase post-condensation behavior and increased UV absorption.
Auf
Basis der in-situ Polymerisationstechnologie zur Herstellung neuer,
innovativer Polyester-Basisharze
mit signifikant verbesserter Gas- und UV-Barriere, wird gemäß dieser
Erfindung eine neue Technologie zur Erlangung von Nanocompositmaterialien
auf der Basis von Co-Polyester (PET) über das etablierte DMT- bzw.
TPA-Verfahren unter in-situ Einarbeitung bereits kommerziell verfügbarer und
möglichst
laut FDA für
Lebensmittelkontakt in Polyamid-Nanocomposite-Verpackungsmaterialien bereits zugelassenen
organophilen, hoch exfolierfähigen
Montmorillonittype (I24TL) mit hoher thermischer Beständigkeit
und von ausgezeichneter Polymerverträglichkeit zu dem Co-Polyester
beschrieben, die auf dem Markt erfolgreich etabliert werden kann. Insbesondere über eine
maximale Ausbildung der delaminierten Nanostruktur von I24TL (Exfolierung)
während
des technologischen Prozesses der in-situ-Polymerisation soll das
Gasbarriere- und UV-Absorptionsverhalten der resultierenden PET-NC's maßgeblich
beeinflusst und gesteuert werden. Die in Polyestermatrix eingebrachten
exfolierten I24TL-Nanoschichtsilikatplättchen bewirken
dabei die Ausbildung einer Mikro- und Nanokristallitstruktur, die
sich wiederum vorteilhaft auf das beschleunigte Diffusionsverhalten
von Ethylenglykol bei der Festphasenkondensation der erfindungsgemäßen Polyesternanocomposite
in SSP-Anlagen und damit verkürzter
SSP-Verweilzeiten auswirkt. Als Bewertungsmaßstab für die Exfoliergüte des I24TL-Nanoschichtsilikates
in der Polyestermatrix wurde gemäß vorliegender
Erfindung insbesondere das Scherverdünnungsverhalten der erlangten
Polyesternanocompositeschmelze bestimmt, wobei die Steilheit des
Anstieges der Schmelzeviskositätskurve
in genanntem Niedrigscherbereich ein Maß für die Exfolierqualität darstellt.
Für erfindungsgemäß erlangte
in-situ PET-Nanocomposites mit 3 Gew.% an I24TL wird ein Scherverdünnungskoeffizient
n ≧ |–0,5| als
ausreichend empfunden, um eine gute bis sehr gute Exfolierung der
I24TL-Nanoschichtsilikatplättchen in
der Polyestermatrix zu erreichen (siehe
Bei
der Anwendung der erfindungsgemäßen Einbringung
von organophilen Nanoschichtsilikaten mit erhöhter thermischer Stabilität wie dem
Additive I24TL von Nanocor Inc. wird hingegen nur eine äußerst geringe
Menge an re-aggregierten MMT-Nanoschichtsilikatplättchen durch
thermische Zersetzungsreaktionen erlangt, wie in der WAXS-Kurve
von
Die Erfindung hat die Erzeugung und Anwendung eines sortenreinen PET-Nanocomposites mit ausgezeichneter Barrierewirkung zum Inhalt, der sich ohne Verwendung eines zweiten Matrixpolymeren insbesondere für den Einsatz als Flaschenrohstoff eignet. Die entsprechende Rezeptur der Additivierung mit einem speziellen organophilen Nanoschichtsilikat ist dabei zusammen mit den ingenieurtechnischen angepassten großtechnischen PET-Polymerisationsanlagen des Erfinders und auf dem Gebiet von ingenieurtechnischen Polyesterkondensationsanlagen zur Erlangung neuer, innovativer Polyesterprodukte (insbesondere Bereitstellung einer sortenreinen PET-Barriereschicht mit gleichzeitig erhöhter UV-Absorption für den Verpackungssektor und die Getränkeindustrie) zu optimieren.The Invention has the production and application of a single-grade PET nanocomposite with excellent barrier to the content, which can be used without a second matrix polymer, in particular for use as a bottle raw material suitable. The corresponding recipe of additivation with a special Organophilic Nanoschichtsilikat is together with the engineering adapted large-scale PET polymerisation the inventor and in the field of engineering polyester condensation plants to obtain new, innovative polyester products (in particular Providing a single-grade PET barrier layer with at the same time increased UV absorption for the packaging sector and the beverage industry).
Im Gegensatz zu Mehrschichtverbunden aus mehreren Polymeren bzw. physikalisch beschichteten Polyesterbarriereverpackungen ermöglicht ein solches gemäß vorliegender Erfindung konzipiertes Material ein mehrfaches werkstoffliches oder chemisches Recycling unter Beibehaltung der ursprünglich erlangten mechanischen und Barriereeigenschaften mit vertretbarem technischen Aufwand. Montmorrilonit als natürliches Schichtsilikat weist auch nach der Organophilierung mit Aminododekansäure keine toxischen Eigenschaften auf, sodass selbst höhere Einarbeitungsmengen in die Polyestermatrix unbedenklich sein sollten, was vor allem im food-grade Bereich für Folien- und Flaschenverpackungen laut FDA-Regulierung und Bedarfsgegenständeverordnung gesetzlich vorgeschrieben ist.in the Unlike multilayer composites of several polymers or physically coated polyester barrier packaging allows one according to the present Invention conceived material a multiple material or chemical recycling while preserving the originally obtained mechanical and barrier properties with reasonable technical Effort. Montmorillonite as a natural phyllosilicate also shows no activity after organophilization with aminododecanoic acid toxic properties, so even higher incorporation levels in the polyester matrix should be safe, especially in the food-grade area for Foil and bottle packaging according to FDA regulation and consumer goods regulation is required by law.
Diese Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Erlangung von Polyestertypen (Homo-PET und Co-PET) mit verbesserten Herstellungs- und Gebrauchseigenschaften, welche dazu insbesondere höher temperaturbeständige organophile Nanoschichtsilikate im Bereich von 0,01 bis 20 Gew.% enthalten. Aus diesen modifizierten Polyesternanocompositen erlangte Verpackungsmaterialien (Folien, Flaschen etc.) weisen eine signifikante Erhöhung des Gasbarriereverhaltens gegenüber von O2 und CO2 um mindestens den Faktor 2 bis 5 auf und eine erhöhte UV-Barriere im Wellenlängenbereich von λ = 250–390 nm Die Besonderheit der Art und Weise der Einbringung eines für die erhöhten Temperaturbedingungen der PET-Schmelzepolykondensation und SSP-Nachkondensation angepassten thermostabilen organophilen Nanoschichtsilikat-Additives gemäß vorliegender Erfindung ermöglicht einen störungsfreien Ablauf sowohl der Polyester-in-situ Kondensation, wie auch der nachfolgenden Festphasenkondensation ohne die weiter oben geschilderten technologischen Probleme. Die eingebrachten, gut exfolierten Nanoschichtsilikate bewirken darüber hinaus über die Beinflussung der Kristallitgrößen der resultierenden Polyesternanocomposite hin zu Mikro- und Nanokristalliten sogar eine unerwartete Beschleunigung der SSP-Nachkondensationsgeschwindigkeit und reduzieren die UV-Transmission im Bereich kurzwelligen Lichtes (λ = 300–390 nm) beträchtlich, wobei dennoch eine gute optische Transparenz im sichtbaren Wellenlängenbereich von λ = 390–780 nm gegeben ist.More particularly, this invention relates to a process for obtaining polyester (homo-PET and Co-PET) types having improved manufacturing and service properties, which include, in particular, higher temperature resistant organophilic nanosheet silicates in the range of 0.01 to 20 wt%. Packaging materials obtained from these modified polyester anocomposites (films, bottles, etc.) exhibit a significant increase in the gas barrier behavior over O 2 and CO 2 by at least a factor of 2 to 5 and an increased UV barrier in the wavelength range of λ = 250-390 nm Special feature of the way of introducing a adapted for the elevated temperature conditions of the PET melt polycondensation and SSP post-condensation thermostable organophilic Nanoschichtsilikat additive of the present invention allows trouble-free flow of both the polyester in situ condensation, as well as the subsequent solid phase condensation without further above-described technological problems. The introduced, well-exfoliated Nanoschichtsilikate cause beyond influencing the crystallite sizes of the resulting Polyesternanocomposite towards micro- and nanocrystallites even an unexpected acceleration of the SSP Nachkondensationsgeschwindigkeit and reduce the UV transmission in the range of short wavelength light (λ = 300-390 nm) considerably , wherein nevertheless a good optical transparency in the visible wavelength range of λ = 390-780 nm is given.
Gemäß vorliegender
Erfindung wird eine von Nanocor Inc. USA kommerziell verfügbare, thermisch sehr
stabile organophile Nanoschichtsilikattype dem Prozess der Herstellung
von HOMO-Polyester bzw. Co-Polyester als Additiv in Mengen von 0,01–20 Gew.%,
bevorzugt 0,5–10
Gew.%, während
der in-situ Polymersiation von Bis-Hydroxyethylenterephthalat-Monomer
(BHET) zur Erlangung von erfindungsgemäßen Polyesternanocompositen
mit einer hohen Exfolierungsrate der verwendeten Nanoschichtsilikatplättchen in
der Polyestermatrix verwendet. Bei der eingesetzten Nanoschichtsilikattype
handelt es sich um eine bei Nanocor Inc. kommerziell verfügbares Nanomer
der Bezeichnung I24TL basierend auf Natrium-Montmorrilonit, welches mit
Aminododekansäure ADA) über einen
Ionenaustauschverhältnis
(CEC) von 125 μequ/100
g entsprechend organophil eingestellt worden ist. Auf Grund der
Verwendung eines primären
Ammoniumsalzes von ADA in Form von Cl–/+H3N – (CH2)11-COOH im Nanoschichtsilikat-Additive
ist von vornherein gegenüber
solchen Nanoschichtsilikaten, die mit quaternären oder tertiären Ammoniumverbindungen
organophiliert worden sind (siehe
Gemäß vorliegender Erfindung wurden in den Ausführungsbeispielen 2 und 3 für ausgewählte in-situ erzeugte I24L/Homo-PET-Polyesternanocomposite folgende Gasbarrierewerte ermittelt:
- – 3 Gew.% Zugabe I24TL-Nanomer: O2-Barrierewert = 23 cm3/100 μm 24h × m2 × bar
- – 6 Gew.% Zugabe I24TL- Nanomer: O2-Barrierewert = 10 cm3/100 μm 24h × m2 × bar.
- - 3 wt% addition I24TL-Nanomer: O 2 -Barrierewert = 23 cm3 / 100 microns 24 m × 2 × bar.
- - 6 wt% addition I24TL- Nanomer: O 2 -Barrierewert = 10 cm3 / 100 microns 24 m × 2 × bar..
Bei der Recherche der wissenschaftlichen und Patentliteratur wurde außer dem weiter oben bereits zitierten Eastman Patent WO 98/29499 kein weiteres Beispiel dafür gefunden, dass man z.B. das thermisch wesentlich höher stabile I24TL-Nanoschichtsilikat insbesondere für die in-situ PET-Polymerisation zur Erlangung von PET-Nanocompositen mit untersuchte bzw. entsprechende Patentansprüche dahingehend gestellt hätte. Eastman verzichtete in seinen Ansprüchen in besagtem Patent auf mögliche stöchiometrische Balancierungen des durch die Aminododekansäure erzeugten sauren pH-Wertes in der Reaktionsschmelze, die bekanntlich zu extrem höheren DEG-Gehalten (im Eastman Patent selbst als solche definitiv erwähnt), und damit stark abgesenkten Schmelzpunkten des Polyesters führen.at The search of scientific and patent literature has been outside the previously cited Eastman patent WO 98/29499 no further Example of this found that e.g. the thermally much higher stable I24TL nanosheet silicate especially for in-situ PET polymerisation Obtaining PET nanocomposites with investigated or equivalent claims to that effect. Eastman waived its claims in said patent possible stoichiometric Balancing of the acidic pH produced by the aminododecanoic acid in the reaction melt, which are known to extremely high DEG levels (in Eastman Patent itself as such definitely mentioned), and thus greatly lowered Lead melting points of the polyester.
Laut vorliegender Erfindungsbeschreibung kommt aber gerade der Notwendigkeit einer stöchiometrischen Ausbalancierung der durch die Aminododekansäure des I24TL-Nanomer eingebrachten Überschusses an Carboxylendgruppen (COOH) – und der damit verbundenen Absenkung des pH-Wertes in der Polyesterschmelze – eine große Rolle zu, wozu gemäß vorliegender Erfindung die zusätzliche simultane Zugabe von KOH, oder NaOH oder Hexamethylendiamin mit beansprucht wird.However, according to the present description of the invention, it is precisely the need for a stoichiometric balance of the excess of carboxyl end groups (COOH) introduced by the aminododecanoic acid of the I24TL nanomer - and the associated reduction in the pH in the polyester Melting - a major role, to which according to the present invention, the additional simultaneous addition of KOH, or NaOH or hexamethylenediamine is claimed.
Zudem hatte Eastman in der in-situ Schmelzekondensation von PET-Monomeren mit ADA-modifiziertem MMT, aber auch mit anderen organophilen Nanoschichtsilikaten, lediglich niedermolekulare, in der Schmelzphasen-Polykondensation erlangte PET-NC-Precursormaterialien für eine nachfolgende SSP-Reaktion beansprucht, wo bei diesen Prozessbedingungen (sehr kurze Temperaturverweilzeiten von ca. 30 Minuten bei < 280°C Manteltemperatur, keine Angaben über die wirkliche Produkttemperatur, einfachster Labormaßstab), die eigentlichen technologischen Probleme und Prozessauswirkungen, wie sie in ersten orientierenden in-situ Polykondensationsversuchen (Vergleichsbeispiele 1 und 2 vorliegender Erfindung) mit unterschiedlichen organophilen Nanoschichtsilikaten auf Basis quaternärer Ammoniumsalzverbindungen als solche auftraten stellt, kaum oder gar nicht in der Patentbeschreibung erwähnt. Im Fall des Ausführungsbeispiels (Example 21) des o.g. Patentes von Eastman mit ca. 7 Gew.% Zugabemenge ADA-MMT lieferte jedoch die Aussage, dass man bei einer Precursor-Endviskosität von 0,45 dl/g bei einer max. Polykondensationstemperatur von nur 265°C bereits über 11 Mol% DEG im PET-NC- nach der anschließenden SSP-Reaktion analysierte, den indirekten Hinweis dafür, dass die für das MMT-Additive verwandte Organophilierungskomponente ADA mit den immanenten COOH-Gruppen maßgeblich die säurekatalysierte DEG-Bildung aus MEG-Monomer im Schmelze- und SSP-Prozess nachhaltig beeinflusste.moreover had Eastman in the in-situ melt condensation of PET monomers with ADA-modified MMT, but also with other organophilic nanosheet silicates, only low molecular weight, obtained in the melt phase polycondensation PET-NC precursor materials for a subsequent SSP reaction claims where at these process conditions (very short temperature residence times of about 30 minutes at <280 ° C jacket temperature, no information about the real product temperature, the simplest laboratory scale), the actual technological problems and process effects, as in first orienting in situ polycondensation experiments (Comparative Examples 1 and 2 of the present invention) with different organophilic nanosheet silicates based on quaternary ammonium salt compounds as such occurs, hardly or not at all in the specification mentioned. In the case of the embodiment (Example 21) of the o.g. Patent of Eastman with about 7 wt.% Addition ADA-MMT, however, provided the statement that at a final precursor viscosity of 0.45 dl / g at a max. Polycondensation temperature of only 265 ° C already over 11 mol% Analyzed DEG in PET-NC after the subsequent SSP reaction, the indirect indication that for the MMT additive related organophilicizing component ADA with the immanent COOH groups relevant the acid catalyzed DEG formation from MEG monomer in the melt and SSP process sustainable affected.
Diese Erkenntnis konnte in wenigen orientierenden Vorversuchen in den Vergleichsbeispielen 3 und 4 vorliegender Erfindungsbeschreibung bestätigt gefunden werden, wo bei ähnlichen Zugabemengen an ADA-MMT (von kommerziellem I24TL-Organo-Nanoclay), jedoch bei höheren, üblichen Schmelze-Polykondensationstemperaturen von 285°C und längeren Polykondensationszeiten von ca. 2 h, bereits über 30....40 Mol% DEG im PET-Nanocomposite aufgefunden wurden, was in einem total amorphen PET-Material mit einer IV um 0,60..0,62 dl/g ohne klaren Schmelzpunkt mit einem Glaspunkt um 40–50°C resultierte.These Knowledge could be found in a few preliminary experiments in the Comparative Examples 3 and 4 of the present invention description approved be found where similar Addition levels to ADA-MMT (from commercial I24TL organo-nanoclay), but at higher, usual Melt polycondensation temperatures of 285 ° C and longer polycondensation times from about 2 h, already over 30 .... 40 mol% DEG were found in the PET nanocomposite, which is in a totally amorphous PET material with an IV around 0.60..0.62 dl / g without clear melting point with a glass point around 40-50 ° C resulted.
Gemäß 11 zu dieser Erfindung ist zu sehen, dass der relative Gewichtsverlust von I24TL-Nanoschichtsilikat bei 270° erst ca. 2% (entspricht ca. 8 Gew.% Aminododekansäure bezogen auf MMT) und bei 300°C erst etwa 3% beträgt (entspricht ca. 12 Gew.% Aminododekansäure bezogen auf MMT). Da I24TL selbst nur ein mit einem primären Ammoniumsalz {protonisierte Aminododekansäure [HCL × H2N-(CH2)11-COOH]} organophiliertes MMT darstellt, ist dieses nicht mehr dem thermisch induzierten Hoffmann-Abbau unterworfen, der bevorzugt bei quaternären Ammoniumsalzen gemäß nachfolgendem Schema abläuft: HOFFMANN-Abbau für quaternäre Ammoniumsalze According to Figure 11 of this invention, it can be seen that the relative weight loss of I24TL nanosheet silicate at 270 ° is only about 2% (corresponding to about 8% by weight of aminododecanoic acid relative to MMT) and at about 300 ° C. is only about 3% (corresponds about 12% by weight of aminododecanoic acid based on MMT). Since I24TL itself is only a primary ammonium salt {protonated aminododecanoic acid [HCL × H 2 N- (CH 2 ) 11 -COOH]} organophilized MMT, it is no longer subject to thermally induced Hoffmann degradation, which is preferred for quaternary ammonium salts according to US Pat following scheme: HOFFMANN degradation for quaternary ammonium salts
Gemäß
Bei
der Verwendung des thermisch höher
stabilen Nanoschichtsilikates I24TL in der Polyestermatrix in den
Ausführungsbeispielen
2 und 3 wurde gemäß
Aus der Literatur- und Patentrecherche wurde so zunächst ersichtlich, dass bisher zumeist organophile Nanoschichtsilikate mit quaternären Ammoniumsalzen auf Basis langkettiger Alkylgruppen (C14...C18) von den kommerziellen Wettbewerbern bzw. wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen eingesetzt worden waren, die bei den hohen Prozesstemperaturen im in-situ Polykondensationsverfahren für PET zu einer thermischen Zersetzung der organophilen Nanoschichtsilikate infolge der o.g. HOFFMANN-Abbau-Reaktion führten.Out The literature and patent research was so initially apparent that so far mostly organophilic nanosheet silicates with quaternary ammonium salts based on long-chain alkyl groups (C14 ... C18) of the commercial Competitors or scientific research institutions which were at the high process temperatures in the in-situ polycondensation process for PET to a thermal decomposition of the organophilic Nanoschichtsilikate as a result of the o.g. HOFFMANN removal reaction led.
Dabei wird von dem quaternären Ammoniumsalz des Organoclays unter anderem der Alkylrest als Alkenrest abgespalten (im Beispiel (CH2=CH-(CH2)15-CH3]), wobei mit zunehmender Temperatur zudem zusätzlich noch eine Selbstvernetzung mit eintritt bzw. eintreten kann: Here is cleaved from the quaternary ammonium salt of the organoclays, inter alia, the alkyl group as alkene ((in the example CH 2 = CH- (CH 2) 15 -CH 3]), where also additionally self-crosslinking may occur with increasing temperature, with or enter :
Aus
thermogravimetrischen Analysen (TGA) wurde bestätigend gefunden, dass die quaternären Ammoniumsalz-Organophilierungsreagenzien
der verwendeten Nanoschichtsilikate größtenteils schon um 200°C....230°C erste thermische
Zersetzungserscheinungen aufzeigten und bei für den PET-Kondensationsprozess üblichen
Prozesstemperaturen von 275–290°C schon sehr
erhebliche Mengen an C14...C18-Resten abgespalten worden sind (siehe
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird im nachfolgenden mit entsprechenden Vergleichsbeispielen und
Ausführungsbeispielen,
ohne jedoch auf diese alleinig beschränkt zu sein, im einzelnen näher erläutert. Die
in der Erfindungsbeschreibung entsprechenden angemerkten
Vergleichsbeispiel 1:Comparative Example 1
1320 g Bis-Hydroxyethylenterephthalat Monomer (erlangt aus vorheriger Umesterung von DMT mit Ethylenglykol) wurden in einem 2I-Autoklaven aufgeschmolzen und bei Erreichen einer Produkttemperatur von 190°C erfolgte die Zugabe von 31 g (3 Gew.%) im Vakuumtrockenschrank bei 2 mbar und 100°C getrockneten organophilen Nanoschichtsilikates I34TCN der Firma Nanocor Inc., 1,25 g H3PO4 (10%-ig, 39,5 ppm P bezogen auf Polyester) und 1,839 g Antimontriacetat (750 ppm Sb bezogen auf Polyester). Überschüssiges Ethylenglykol wurde in der nachfolgenden Vorkondensationsphase unter Rühren bis zum Erreichen einer Produkttemperatur von 265°C abdestilliert. Thermische Zersetzungserscheinungen führten zu einem Aufschäumen der Polyesterschmelze bedingt durch die Freisetzung von gasförmigen Zersetzungsprodukten, was zu einer teilweisen Verstopfung der Brüdenleitungen am Autoklavenkopf führte.1320 g of bis-hydroxyethylene terephthalate monomer (obtained from prior transesterification of DMT with ethylene glycol) were melted in a 2I autoclave and upon reaching a product temperature of 190 ° C, the addition of 31 g (3 wt.%) Was carried out in a vacuum oven at 2 mbar and 100 ° C dried organophilic Nanoschichtsilikates I34TCN Nanocor Inc., 1.25 g H 3 PO 4 (10%, 39.5 ppm P based on polyester) and 1.839 g antimony triacetate (750 ppm Sb based on polyester). Excess ethylene glycol was distilled off in the subsequent precondensation with stirring until reaching a product temperature of 265 ° C. Thermal decomposition phenomena led to foaming of the polyester melt due to the release of gaseous decomposition products, resulting in a partial blockage of the vapor lines at the autoclave head.
Bei Anlegen des Vakuums zur Durchführung der Polykondensationsreaktion verstärkte sich mit zunehmender Polykondensationstemperatur zunehmend die thermische Zersetzung des eingesetzten Nanoschichtsilikates. Die freigesetzten gasförmigen Zersetzungsprodukten bedingten daher nur ein Vakuum von maximal 20 mbar bei einer Produkttemperatur von 280°C bzw. von 50 mbar bei 285–288°C gegen Ende der Polykondensation. Nach 70 Minuten Polykondensationszeit wurde ein stark brauner niedrigmolekularer Homo-Polyesternanocomposit mit einer IV von lediglich 0,40 dl/g erlangt. Auf Grund der niedrigen Polymerviskosität wurde keine APET-Gießfolie hergestellt.at Applying the vacuum to carry out the polycondensation reaction increased with increasing polycondensation temperature increasingly the thermal decomposition of the used Nanoschichtsilikates. The released gaseous Decomposition products therefore only a vacuum of 20 maximum mbar at a product temperature of 280 ° C and 50 mbar at 285-288 ° C towards the end the polycondensation. After 70 minutes polycondensation time was a strong brown low molecular weight homo-polyester anocomposite with an IV of only 0.40 dl / g. Due to the low polymer viscosity was no APET cast film produced.
Die
WAXS-Aufnahme (siehe
Vergleichsbeispiel 2Comparative Example 2
528 g eines Veresterungsproduktes aus Terephthalsäure und Ethylenglykol wurden zusammen mit 222 g Terephthalsäure, 144 g Ethylenglykol sowie 12 g Isophthalsäure und 6,4 g Diethylenglykol als Co-Monomer in einem 2I-Autoklaven eingebracht und unter Erhitzen auf eine Produkttemperatur von 190°C unter Rühren erhitzt. Anschließend erfolgte die Zugabe von 24,7 g des im Vakuumtrockenschrank bei 2 mbar und 100°C getrockneten organophilen Nanoschichtsilikates I34TCN der Firma Nanocor Inc. (3 Gew.% bezogen auf Polyester) und 1,839 g Antimontriacetat (750 ppm Sb bezogen auf Polyester). Die Produkttemperatur wurde auf 265°C gesteigert, um die Veresterungsreaktion zu vervollständigen. Während dieser Veresterungsphase in Gegenwart des Nanoschichtsilikates I34TCN setzte bereits ein erhebliches Schäumen der Polymerschmelze ein, die bereist zur teilweisen Verstopfung der Brüdenleitungen führte, was sich bei Anlegen des Vakuumprogrammes zur Durchführung der Polykondensationsreaktion noch weiter verstärkte. Nicht zuletzt durch die thermische Zersetzung des I34TCN-Nanoschichtsilikates unter Freisetzung von gasförmigen Zersetzungsprodukten wurde nur ein Vakuum von maximal 20 mbar erzielt. Nach 70 Minuten Polykondensationszeit wurde ein stark brauner Co-Polyesternanocomposit mit einer IV von lediglich 0,30 dl/g erlangt, das sich nicht weiter zu Filmen verarbeiten ließ528 g of an esterification product of terephthalic acid and ethylene glycol were introduced together with 222 g of terephthalic acid, 144 g of ethylene glycol and 12 g of isophthalic acid and 6.4 g of diethylene glycol as a co-monomer in a 2I autoclave and heated to a product temperature of 190 ° C with stirring heated. Subsequently, the addition of 24.7 g of dried in a vacuum oven at 2 mbar and 100 ° C organophilic Nanoschichtsilikates I34TCN the company Nanocor Inc. (3 wt.% Based on Polyester) and 1.839 g antimony triacetate (750 ppm Sb based on polyester). The product temperature was increased to 265 ° C to complete the esterification reaction. During this esterification phase in the presence of the nanosheet silicate I34TCN, a considerable foaming of the polymer melt already took place, which led to partial blockage of the vapor lines, which was further enhanced when the vacuum program for carrying out the polycondensation reaction was applied. Not least due to the thermal decomposition of the I34TCN nanosheet silicate with the release of gaseous decomposition products, only a maximum vacuum of 20 mbar was achieved. After 70 minutes of polycondensation time, a strong brown co-polyestersanocomposite with an IV of only 0.30 dl / g was obtained, which could not be further processed into films
Vergleichsbeispiel 3:Comparative Example 3
1320
g Bis-Hydroxyethylenterephthalat Monomer (erlangt aus der Umesterung
von DMT mit Ethylenglykol) wurden in einem 2I-Autoklaven aufgeschmolzen
und bei Erreichen einer Produkttemperatur von 190°C erfolgte
zunächst
die Zugabe von 1,25 g N3PO4-Stabilisator
(10%-ig, entspricht
39,5 ppm Phosphor bezogen auf Polyester), und nach weiteren 10 Minuten
Rühren
die Zugabe von 10,2 g (1 Gew.%) des im Vakuumtrockenschrank bei
2 mbar und 100°C
getrockneten organophilen Nanoschichtsilikates I24TL der Firma Nanocor Inc.,
sowie von 1,839 g Antimontriacetat (750 ppm Sb bezogen auf Polyester). Überschüssiges Ethylenglykol wurde
in der nachfolgenden Umesterungsphase unter Rühren bis zum Erreichen einer
Produkttemperatur von 265°C
abdestilliert, wobei die so fortgeführte Umesterungsreaktion ohne
Aufschäumen
der Schmelze verlief. Bei dem Anlegen des Vakuumprogrammes gab es
keine Probleme, so dass ein Endvakuum von 2 mbar bei einer Produkttemperatur
von 286°C
problemlos erreicht wurde. Nach 115 Minuten Polykondensationszeit
wurde ein Co-Polyesternanocomposite mit einer IV von 0,69 dl/g und
einer COOH-Endgruppenzahl von 42 μequ/g Polyester
erlangt. Die Farbe der Polyesterschmelze war hellbraun. Starke Gerüche nach
Dioxan in dem Ethylenglykolvorlagebehälter mit einer sehr geringer
Menge an abdestilliertem Ethylenglykol aus der Polykondensationsphase,
ein Glasübergangspunkt
von lediglich 49°C
sowie ein breiter, flacher Schmelzepeak bei 181°C im DSC wiesen auf einen sehr
hohen DEG-Gehalt von ca. 40 Mol% bezogen auf den Gesamtglykolgehalt
im erlangten Polyesternanocomposite hin (siehe dazu
Auf Grund des äußerst niedrigen Glasübergangspunktes war bereits bei der Granulierung ein Verkleben der anfallenden Polyesterchips unvermeidlich aufgetreten, was eine nachfolgende Granulattrocknung auf < 100 ppm Restwasserfeuchte für Folienextrusion unmöglich machte.On Reason of the extremely low Glass transition point was already in the granulation a bonding of the resulting polyester chips inevitably occurred, resulting in subsequent granule drying to <100 ppm residual water moisture for film extrusion impossible made.
Vergleichsbeispiel 4Comparative Example 4
Die Prozedur des Vergleichsbeispiels 3 wurde wiederholt, außer dass die Zugabemenge von dem thermisch stabilen im Vakuumtrockenschrank bei 2 mbar und 100°C getrockneten organophilen Nanoschichtsilikat I24TL auf 31 g (3 Gew.% bezogen auf Polyester) erhöht wurde.The Procedure of Comparative Example 3 was repeated except that the added amount of the thermally stable in a vacuum oven at 2 mbar and 100 ° C dried organophilic nanosheet silicate I24TL to 31 g (3% by weight) based on polyester) increased has been.
Überschüssiges Ethylenglykol
wurde in der nachfolgenden Umesterungsphase unter Rühren bis
zum Erreichen einer Produkttemperatur von 265°C abdestilliert, wobei die so
fortgeführte
Umesterungsreaktion wieder ohne Aufschäumen der Schmelze verlief.
Bei dem Anlegen des Vakuumprogramms gab es keine Probleme, so dass
ein Endvakuum von 2 mbar bei einer Produkttemperatur von 286°C problemlos
erreicht wurde. Nach 165 Minuten Polykondensationszeit wurde ein
Polyesternanocomposit mit einer IV von 0,67 dl/g und einer COOH-Endgruppenzahl
von 67 μequ/g
Polyester erlangt. Die Farbe der Polyesterschmelze war hellbraun. Fehlendes
Ethylenglykoldestillat in dem Ethylenglykolvorlagebehälter aus
der Polykondensationsreaktion, ein Glasübergangspunkt von lediglich
38°C, ein
fehlender Kristallisationspeak, sowie ein breiter, äußerst flacher Schmelzepeak
bei 135°C
im DSC wiesen auf einen sehr hohen DEG-Gehalt von ≧ 78 Mol% bezogen
auf den Gesamtglykolgehalt im erlangten Polyesternanocomposite hin
(siehe
Auf Grund des äußerst niedrigen Glasübergangspunktes war bei der Granulierung ein noch stärkeres Verkleben der anfallenden Polyesterchips unvermeidlich aufgetreten, was eine nachfolgende Granulattrocknung auf < 100 ppm Restwasserfeuchte für Folienextrusion absolut unmöglichOn Reason of the extremely low Glass transition point was at the granulation an even stronger sticking of accumulating Polyester chips inevitably occurred, causing a subsequent Granule drying to <100 ppm residual water moisture for Film extrusion absolutely impossible
Vergleichsbeispiel 5Comparative Example 5
1200 g eines Bis-Hydroxyethylenterephthaltes mit geringem Gehalt an freiem Glykol (Schmelzpunkt von 230°C) erlangt aus einer Vorstufe der Veresterung von Terephthalsäure mit Ethylenglykol wurden im 2I-Autoklaven aufgeschmolzen. Nach Erreichen einer Produktinnentemperatur von 250°C wurde lediglich der Polykondensationskatalysator Antimon-III-oxid mit 0,36 g (250 ppm Sb bezogen auf Polyester) zugegeben wurden. Überschüssiges Glykol wurde bis zum Erreichen einer Produkttemperatur von 265°C abdestilliert und anschließend Vakuum angelegt. Bei Erreichen einer Polykondensationstemperatur von 288°C bei einem Endvakuum von 2 mbar wurde nach 100 Minuten Polykondensationszeit ein transparenter Polyester mit einer IV von 0,65 dl/g, einem Glasübergangspunkt von 75°C und einer Schmelzetemperatur von 263°C erlangt.1200 g of a bis-Hydroxyethylenterephthaltes with low free glycol content (melting point of 230 ° C) obtained from a precursor of the esterification of terephthalic acid with ethylene glycol were melted in the 2I autoclave. After reaching an internal product temperature of 250 ° C, only the polycondensation catalyst antimony-III-oxide with 0.36 g (250 ppm Sb based on polyester) were added. Excess glycol was distilled off until reaching a product temperature of 265 ° C and then applied vacuum. Upon reaching a polycondensation temperature of 288 ° C at a final vacuum of 2 mbar, a transparent polyester having an IV of 0.65 dl / g, a glass transition point of 75 ° C and a melt temperature of 263 ° C was obtained after 100 minutes polycondensation.
Die granulierten Polyesterchips wurden ausreichend getrocknet und daraus eine APET-Referenzfolie der Dicke 100 μm auf einer Laborfoliengießanlage der Firma Göttfert gegossen.The granulated polyester chips were sufficiently dried and made an APET reference foil the Thickness 100 μm on a laboratory foil caster the company Göttfert cast.
Der Sauerstoff-Barrierertest mit dem Gas-Permeationsmeßgerät der Firma Brugger ergab einen O2-Durchlässigkeitswert von 40 cm3/100 μm × 24 h × bar.The oxygen-Barrierertest with the gas permeation measuring Brugger gave an O 2 permeability value of 40 cm3 / 100 microns x 24 h x bar.
Wie
in der
Vergleichsbeispiel 6Comparative Example 6
1200 g eines Bis-Hydroxyethylenterephthaltes mit geringem Gehalt an freiem Glykol (Schmelzpunkt von 230°C) erlangt aus einer Vorstufe der Veresterung von Terephthalsäure mit Ethylenglykol wurden im 2I-Autoklaven aufgeschmolzen und bei einer Temperatur von 235°C wurden jetzt 31 g (3 Gew.% bezogen auf Polyester) einer im Vakuumtrockenschrank bei 2 mbar und 100°C getrockneten Nanoschichtsilikattype PK-805 der Firma Paikong (Taiwan), bestehend aus reinem, unmodifiziertem und weißem Natrium-Montmorrilonite, unter Rühren in fester Form zudosiert. Nach Erreichen einer Produktinnentemperatur von 250°C wurde als Polykondensationskatalysator 2,4 g Aluminiumtrihydrat (2000 ppm Al(OH)3 bezogen auf Polyester) zugegeben wurden. Überschüssiges Glykol wurde bis zum Erreichen einer Produkttemperatur von 265°C abdestilliert und anschließend Vakuum angelegt. Es trat kein Schäumen der Polymerschmelze auf. Bei Erreichen einer Polykondensationstemperatur von 290°C bei einem Endvakuum von 2 mbar wurde nach 150 Minuten Polykondensationszeit ein heller, transparenter Polyesternanocomposite mit einer IV von 0,56 dl/g, einem Glasübergangspunkt von 74°C und einer Schmelzetemperatur von 260°C erlangt. Der DEG-Gehalt betrug = 0,7 Gew.% bzw. 2,1 Mol%.1200 g of a bis-Hydroxyethylenterephthaltes with low free glycol content (melting point of 230 ° C) obtained from a precursor esterification of terephthalic acid with ethylene glycol were melted in the 2I autoclave and at a temperature of 235 ° C were now 31 g (3 wt % of polyester) dried in a vacuum oven at 2 mbar and 100 ° C Nanoschichtsilikattype PK-805 Paikong (Taiwan), consisting of pure, unmodified and white sodium montmorillonite, added with stirring in solid form. After reaching an internal product temperature of 250 ° C as a polycondensation catalyst 2.4 g of aluminum trihydrate (2000 ppm Al (OH) 3 based on polyester) were added. Excess glycol was distilled off until reaching a product temperature of 265 ° C and then applied vacuum. There was no foaming of the polymer melt. Upon reaching a polycondensation temperature of 290 ° C at a final vacuum of 2 mbar after 150 minutes polycondensation a bright, transparent Polyesternanocomposite with an IV of 0.56 dl / g, a glass transition point of 74 ° C and a melt temperature of 260 ° C was obtained. The DEG content was 0.7% by weight and 2.1% by mol, respectively.
Die granulierten Polyesterchips wurden ausreichend getrocknet und daraus eine APET-Folie der Dicke 100 μm auf einer Laborfoliengießanlage der Firma Göttfert gegossen. Der Sauerstoff-Barrierertest mit dem Gas-Permeationsmeßgerät der Firma Brugger ergab einen O2-Durchlässigkeitswert von 38,4 cm3/100 μm × 24 h × bar.The granulated polyester chips were sufficiently dried and poured therefrom an APET film of thickness 100 .mu.m on a laboratory film casting of Göttfert. The oxygen-Barrierertest with the gas permeation measuring Brugger gave an O 2 permeability value of 38.4 cm3 / 100 microns x 24 h x bar.
Sowohl
die WAXS-Aufnahme (Röntgenreflex
bei 2 Theta = 6,26 Grad und d-spacing = 14,1 nm, siehe
Wie
in der
Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1
Die Prozedur des Vergleichsbeispiels 4 wurde dahingehend wiederholt, dass unmittelbar Zugabemenge nach der Zudosierung der 31 g (3 Gew.% bezogen auf Polyester) des im Vakuumtrockenschrank bei 2 mbar und 100°C getrockneten thermisch stabilen organophilen Nanoschichtsilikates I24TL von Nanocor Inc. bei Erreichen von 190°C Produkttemperatur jetzt noch 3 g (0,17 Mol) Hexamethylendiamin in Form einer wässrigen 70%-igen Lösung zusätzlich zugegeben wurden. Überschüssiges Ethylenglykol wurde bis zum Erreichen einer Produkttemperatur von 265°C abgetrieben. Das abdestillierte EG enthielt kein Hexamethylendiamin (Indikatortest & Geruchsprobe). Sowohl in der Umesterungsphase, wie auch in der Kondensationsphase trat kein Schäumen der Schmelze auf und das Vakuumprogramm konnte ohne Probleme bis auf den Enddruck von 2 mbar abgesenkt werden. Nach 118 Minuten Polykondensationszeit bei einer Polykondensationstemperatur von 288°C wurde ein hellbrauner Polyester mit einer IV von 0,62 dl/g und einer COOH-Endgruppenzahl von 67 μeqv/g Polyester erlangt. Im DSC wurden in der 1. Aufheizung ein Glasübergangspunkt von 69°C, ein Kristallisationspunkt von 123°C und ein Schmelzepeak bei 239°C aufgefunden. Dies entspricht einem DEG-Gehalt von ca. 4,5 Gew.% bzw. 13,5 Mol%.The Procedure of Comparative Example 4 was repeated to that effect, that immediately added amount after the addition of 31 g (3 wt.% based on polyester) of the vacuum oven at 2 mbar and 100 ° C dried thermally stable organophilic nanosheet silicate I24TL from Nanocor Inc. when reaching 190 ° C Product temperature now 3 g (0.17 mol) of hexamethylenediamine in Form an aqueous 70% solution additionally were added. Excess ethylene glycol was aborted until reaching a product temperature of 265 ° C. The distilled EG contained no hexamethylenediamine (indicator test & smell sample). Both in the transesterification phase, as well as in the condensation phase no foaming occurred the melt on and the vacuum program could go up without any problems be lowered to the final pressure of 2 mbar. After 118 minutes polycondensation time at a polycondensation temperature of 288 ° C became a light brown polyester with an IV of 0.62 dl / g and a COOH end group number of 67 μeqv / g polyester obtained. In the DSC in the 1st heating a glass transition point of 69 ° C, a crystallization point of 123 ° C and a melt peak at 239 ° C discovered. This corresponds to a DEG content of about 4.5% by weight. or 13.5 mol%.
Von diesem Polyesterbatch wurden keine Cast-Folien hergestellt.From no cast foils were made in this polyester batch.
Ausführungsbeispiel 2:Embodiment 2:
Die
Prozedur des Ausführungsbeispiels
1 wurde lediglich dahingehend abgeändert, dass unmittelbar nach
der Zudosierung der 31 g (3 Gew.% bezogen auf Polyester) des im
Vakuumtrockenschrank bei 2 mbar und 100°C getrockneten thermisch stabilen
organophilen Nanoschichtsilikates I24TL von Nanocor Inc. bei Erreichen
von 190°C
Produkttemperatur 1,95 g festes Kaliumhydroxid (34,6 mMol) zusätzlich zugegeben
wurden. Überschüssiges Ethylenglykol
wurde bis zum Erreichen einer Produkttemperatur von 265°C abgetrieben. Sowohl
in der Umesterungsphase wie auch in der Kondensationsphase trat
keinerlei Schäumen
der Schmelze auf und das Vakuumprogramm konnte ohne Probleme bis
auf den Enddruck von 2 mbar abgesenkt werden. Nach 120 Minuten Polykondensationszeit
bei einer Polykondensationstemperatur von 288°C wurde ein hellbrauner, transparenter
Polyester mit einer IV von 0,66 dl/g und einer COOH-Endgruppenzahl von
31 μeqv/g Polyester
erlangt. Im DSC wurden in der 1. Aufheizung ein Glasübergangspunkt
von 71°C,
ein Kristallisationspunkt von 125°C
und ein Schmelzepeak bei 248°C
aufgefunden. Dies entspricht einem DEG-Gehalt von ca. 3 Gew.% bzw.
9 Mol%. Der Scherverdünnungskoeffizient
(n) als Maß für die sehr
gute Exfolierung des I24TL-Nanoschichtsilikates
in der Polyestermatrix betrug im Niedrigscherbereich γ = 10–2...100 dementsprechend (n) = –0,55 (siehe
Die granulierten Polyesterchips wurden ausreichend getrocknet und daraus eine APET-Folie der Dicke 100 μm auf einer Laborfoliengießanlage der Firma Göttfert gegossen. Der Sauerstoff-Barrierertest mit dem Gas-Permeationsmeßgerät der Firma Brugger ergab einen O2-Durchlässigkeitswert von 23 cm3/100 μm × 24 h × bar.The granulated polyester chips were sufficiently dried and poured therefrom an APET film of thickness 100 .mu.m on a laboratory film casting of Göttfert. The oxygen-Barrierertest with the gas permeation measuring Brugger gave an O 2 permeability value of 23 cm3 / 100 microns x 24 h x bar.
Wie in 15 zu sehen ist, weist die erlangte Folie weiterhin eine stark abgesenkte UV-Transmission im Wellenlängenbereich von 350 nm mit 30% Resttransmission gegenüber 90% einer vergleichbaren Polyester-Referenzfolie ohne Nanoschichtsilikat (Vergleichsbeispiel 5) auf.As As can be seen in Figure 15, the obtained film still has a strong lowered UV transmission in the wavelength range of 350 nm with 30% residual transmission compared 90% of a comparable polyester reference film without Nanoschichtsilikat (Comparative Example 5).
Festphasenkondensationsversuche bei Temperaturen von 225 und 230°C im Vakuumtrockenschrank bei einem Druck von 1 mbar ergaben eine Verkürzung der SSP-Verweilzeit um den Faktor 2,5 um eine Intrinsic Viskosität von 0,90 dl/g zu erlangen.Solid-phase condensation tests at temperatures of 225 and 230 ° C in a vacuum oven at a pressure of 1 mbar resulted in a shortening the SSP residence time by a factor of 2.5 to an intrinsic viscosity of 0.90 to obtain dl / g.
Ausführungsbeispiel 3:Embodiment 3
1000 g eines Bis-Hydroxyethylenterephthaltes mit geringem Gehalt an freiem Glykol (Schmelzpunkt von 230°C) erlangt aus einer Vorstufe der Veresterung von Terephthalsäure mit Ethylenglykol wurden im 2I-Autoklaven aufgeschmolzen. Nach Erreichen einer Produktinnentemperatur von 250°C wurden sowohl 65 g I24TL von Nanocor Inc. als auch 4,09 g KOH jeweils in fester Form in die Polyesterschmelze eingerührt. Anschließend wurde als Polykondensationskatalysator Antimon-III-acetat in der Menge von mit 1,839 g (750 ppm Sb bezogen auf Polyester) zugegeben wurden. Überschüssiges Glykol wurde bis zum Erreichen einer Produkttemperatur von 265°C abdestilliert und anschließend Vakuum angelegt. Bei Erreichen einer Polykondensationstemperatur von 288°C bei einem Endvakuum von 2 mbar wurde nach 120 Minuten Polykondensationszeit ein hellbrauner, transparenter Polyester mit einer IV von 0,61 dl/g, einer COOH-Endgruppenzahl von 41 μeqv/g Polyester, und im DSC bei der 1. Aufheizung ein Glasübergangspunkt von 75,6°C, ein Kristallisationspunkt von 120°C und eine Schmelztemperaturpeak von 252°C erlangt. Dies entspricht einem DEG-Gehalt von etwa 2 Gew.% bzw. 6 Mol%.1000 g of a bis-Hydroxyethylenterephthaltes with low content of free Glycol (melting point of 230 ° C) obtained from a precursor of the esterification of terephthalic acid Ethylene glycol was melted in the 2 l autoclave. After reaching a product internal temperature of 250 ° C were both 65 g I24TL of Nanocor Inc. as well as 4.09 g KOH each in solid form in the polyester melt stirred. Subsequently was used as a polycondensation catalyst antimony-III acetate in the amount of 1.839 g (750 ppm Sb based on polyester) were added. Excess glycol was distilled off until reaching a product temperature of 265 ° C. and subsequently Vacuum applied. Upon reaching a polycondensation temperature from 288 ° C at a final vacuum of 2 mbar was after 120 minutes polycondensation time a light brown, transparent polyester with an IV of 0.61 dl / g, a COOH end group number of 41 μeqv / g Polyester, and in DSC at the 1st heating a glass transition point of 75.6 ° C, a crystallization point of 120 ° C and a melting temperature peak of 252 ° C attained. This corresponds to one DEG content of about 2 wt.% Or 6 mol%.
Der Scherverdünnungskoeffizient (n) als Maß für die sehr gute Exfolierung des I24TL-Nanoschichtsilikates in der Polyestermatrix betrug im Niedrigscherbereich γ = 10–2...100 dementsprechend (n) = –0,60.The shear thinning coefficient (n) as a measure of the very good exfoliation of the I24TL nanosheet silicate in the polyester matrix was γ = 10 -2 ... 10 0 in the low shear range, correspondingly (n) = -0.60.
Die granulierten Polyesterchips wurden ausreichend getrocknet und daraus eine APET-Folie der Dicke 100 μm auf einer Laborfoliengießanlage der Firma Göttfert gegossen.The granulated polyester chips were sufficiently dried and made an APET film of thickness 100 μm on a laboratory foil caster the company Göttfert cast.
Der Sauerstoff-Barrierertest mit dem Gas-Permeationsmeßgerät der Firma Brugger ergab einen O2-Durchlässigkeitswert von 10 cm3/100 μm × 24 h × bar.The oxygen-Barrierertest with the gas permeation measuring Brugger gave an O 2 permeability value of 10 cm3 / 100 microns x 24 h x bar.
Wie
in
Festphasenkondensationsversuche bei Temperaturen von 225 und 230°C im Vakuumtrockenschrank bei einem Druck von 1 mbar ergaben eine Verkürzung der SSP-Verweilzeit um den Faktor 2, um eine Intrinsic Viskosität von 0,90 dl/g zu erlangen.Solid-phase condensation tests at temperatures of 225 and 230 ° C in a vacuum oven at a pressure of 1 mbar resulted in a shortening the SSP residence time by a factor of 2 to achieve an intrinsic viscosity of 0.90 dl / g.
Ausführungsbeispiel 4:Embodiment 4
1000 g eines Bis-Hydroxyethylenterephthaltes (BHET) mit geringem Gehalt an freiem Glykol (Schmelzpunkt von 230°C) erlangt aus einer Vorstufe der Veresterung von Terephthalsäure mit Ethylenglykol wurden im 2I-Autoklaven aufgeschmolzen. Nach Erreichen einer Produktinnentemperatur von 230°C wurden 100 g einer auf 100°C vorgewärmten ethylenglykolischen Suspension, welche 31 g im Vakuumtrockenschrank bei 2 mbar und 100°C getrockneten I24TL-Nanoschichtsilikates, 0,98 g Antimon-III-acetat (= 500 ppm Antimon) als Polykondensationskatalysator und 1,95 g KOH enthielt, in den Autoklaven über eine Dosierschleuse in die BHET-Schmelze eingebracht. Die Suspensionskomponenten wurden zuvor mittels einer Reibkugelmühle bei einer Temperatur von 50–60°C intensiv in Ethylenglykol scherdispergiert. Der pH-Wert der gescherten Suspension betrug 6,9 und die Korngrößenverteilung mittels einer HORIBA-Capa 700-Teilchenzentrifuge ermittelt ergab einen D50-Wert von 3 μm, wobei keine Teilchen > 10 μm vorlagen. Im WAXS-Spektrum dieser Suspension wurde eine Schichtaufweitung des Nanomer I24TL auf d = 30 nm gemessen. Die Suspension war über mehrere Stunden sedimentationsstabil. (Eine ähnlich hergestellte Suspension, jedoch ohne Zugabe von KOH als stöchiometrischer Ausbalancierung überschüssiger COOH-Gruppen ergab einen pH-Wert von 5,60).1000 g of a bis-Hydroxyethylenterephthaltes (BHET) with low free glycol content (melting point of 230 ° C) obtained from a precursor of the esterification of terephthalic acid with ethylene glycol were melted in the 2I autoclave. After reaching an internal product temperature of 230 ° C, 100 g of a preheated to 100 ° C ethylene glycol suspension containing 31 g in a vacuum oven at 2 mbar and 100 ° C dried I24TL Nanoschichtsilikates, 0.98 g of antimony III acetate (= 500 ppm Antimony) as a polycondensation catalyst and 1.95 g KOH, introduced into the autoclave via a metering lock in the BHET melt. The suspension components were previously shattered extensively in ethylene glycol by means of a rubbing ball mill at a temperature of 50-60 ° C. The pH of the sheared suspension was 6.9 and the particle size distribution determined by means of a HORIBA Capa 700 particle centrifuge gave a D 50 value of 3 μm, with no particles> 10 μm. In the WAXS spectrum of this suspension, a layer widening of the nanomer I24TL to d = 30 nm was measured. The suspension was sedimentation stable for several hours. (A similarly prepared suspension, but without the addition of KOH as the stoichiometric balance of excess COOH groups, gave a pH of 5.60).
Überschüssiges Glykol wurde bis zum Erreichen einer Produkttemperatur von 265°C abdestilliert und anschließend Vakuum angelegt. Bei Erreichen einer Polykondensationstemperatur von 288°C bei einem Endvakuum von 2 mbar wurde nach 125 Minuten Polykondensationszeit ein hellbrauner, transparenter Polyester mit einer IV von 0,64 dl/g, einer COOH-Endgruppenzahl von 40 μeqv/g Polyester, und im DSC bei der 1. Aufheizung ein Glasübergangspunkt von 76°C, ein Kristallisationspunkt von 121°C und eine Schmelzetemperaturpeak von 255°C erlangt. Dies entspricht einem DEG-Gehalt von etwa 1,8 Gew.% bzw. etwa 5 Mol%.Excess glycol was distilled off until reaching a product temperature of 265 ° C. and subsequently Vacuum applied. Upon reaching a polycondensation temperature from 288 ° C at a final vacuum of 2 mbar was after 125 minutes polycondensation time a light brown, transparent polyester with an IV of 0.64 dl / g, a COOH end group number of 40 μeqv / g Polyester, and in DSC at the 1st heating a glass transition point of 76 ° C, a crystallization point of 121 ° C and a melt temperature peak of 255 ° C. This corresponds to one DEG content of about 1.8 wt% or about 5 mol%.
Der Scherverdünnungskoeffizient (n) als Maß für die sehr gute Exfolierung des I24TL-Nanoschichtsilikates in der Polyestermatrix betrug im Niedrigscherbereich γ = 10–2...100 dementsprechend (n) = –0,65.The shear thinning coefficient (n) as a measure of the very good exfoliation of the I24TL nanosheet silicate in the polyester matrix was γ = 10 -2 ... 10 0 in the low-shear range, correspondingly (n) = -0.65.
Die granulierten Polyesterchips wurden ausreichend getrocknet und daraus eine APET-Folie der Dicke 100 μm auf einer Laborfoliengießanlage der Firma Göttfert gegossen.The granulated polyester chips were sufficiently dried and made an APET film of thickness 100 μm on a laboratory foil caster the company Göttfert cast.
Der Sauerstoff-Barrierertest mit dem Gas-Permeationsmessgerät der Firma Brugger ergab einen O2-Durchlässigkeitswert von 20 cm3/100 μm × 24 h × bar.The oxygen-Barrierertest with the gas Permeation Brugger gave an O 2 permeability value of 20 cm3 / 100 microns x 24 h x bar.
Die
daraus erlangte Folie wies weiterhin eine stark abgesenkte UV-Transmission
im Wellenlängenbereich
von 350 nm mit 30% Resttransmission gegenüber 90% einer vergleichbaren
Polyester-Referenzfolie ohne Nanoschichtsilikat auf (siehe
Festphasenkondensationsversuche bei Temperaturen von 225°C und 230°C im Vakuumtrockenschrank bei einem Druck von 1 mbar ergaben eine Verkürzung der SSP-Verweilzeit um den Faktor 2 um eine Intrinsic Viskosität von 0,92 dl/g zu erlangen.Solid-phase condensation tests at temperatures of 225 ° C and 230 ° C in a vacuum oven at a pressure of 1 mbar resulted in a shortening the SSP residence time by a factor of 2 to an intrinsic viscosity of 0.92 to obtain dl / g.
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