DE102006056201A1 - Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen trübungsfreien Copolymerisaten aus wenigstens einem wasserlöslichen N-Vinyllactam und wenigstens einem hydrophoben Comonomeren - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen trübungsfreien Copolymerisaten aus wenigstens einem wasserlöslichen N-Vinyllactam und wenigstens einem hydrophoben Comonomeren Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Vinyllactam-Copolymeren durch radikalische Polymerisation von wenigstens einem wasserlöslichen N-Vinyllactam und wenigstens einem hydrophoben Comonomeren in einem organischen Lösungsmittel in Gegenwart eines Initiators unter Rückflussbedingungen, wobei das im Rückfluss gebildete Kondensat von unten in das Polymerisationsgemisch zurückgeführt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wasserlöslicher Copolymerisate aus wenigstens einem wasserlöslichen N-Vinyllactam und wenigstens einem hydrophoben Comonomer durch radikalische Polymerisation der Monomeren in einem organischen Lösungsmittel, sowie die nach dem Verfahren erhältlichen Copolymerisate und deren Verwendung.
  • Die Herstellung von Copolymerisaten aus N-Vinyllactamen und hydrophoben Comonomeren durch radikalische Polymerisation ist bekannt. Die Herstellung derartiger Copolymerisate erfolgt in einem organischen Lösungsmittel, beispielsweise einem Alkohol oder in einem Gemisch aus Wasser und organischem Lösungsmittel mit einem hohen Anteil an Lösungsmittel. Üblicherweise wird die Polymerisation unter Rückfluss des Lösungsmittels durchgeführt. Die im Vergleich zu den N-Vinyllactamen leichter flüchtigen hydrophoben Monomeren gelangen auf diese Weise in die Gasphase und in das Kondensat.
  • Für viele Anwendungszwecke sind Copolymerisate erwünscht, die in Wasser klar löslich sind, d.h. der FNU-Wert einer 5 Gew.-%igen Lösung soll < 20 sein. Allerdings besteht das Problem, dass es aufgrund der unterschiedlichen Reaktivitäten und der unterschiedlichen Polarität der Monomeren zu Anreicherungen der hydrophoben Monomeren kommen kann, was zur Folge hat, dass nicht wasserlösliche Homopolymerisate aus dem hydrophoben Monomeren gebildet werden können. Solche Homopolymerisate führen schon in geringen Mengen im Bereich von 500 bis 1000 ppm zu einer Trübung einer wässrigen Lösung der Copolymerisate. Die Anreicherungen an hydrophoben Monomeren können insbesondere in der Gasphase und im Kondensat sowie an der Reaktorwand und der Oberfläche des Polymrisationsmediums auftreten.
  • Die US 5,395,904 beschreibt die Polymerisation von Vinylpyrrolidon und Vinylacetat durch kontrollierte Polymerisation nach der Zulaufmethode. Es wird ein alkoholisches Lösungsmittel verwendet, das bis zu 50 Gew.-% Wasser enthalten kann.
  • Die US 5,319,041 beschreibt die Herstellung von Copolymeren aus Vinylpyrrolidon und Vinylacetat durch Polymerisation nach der Zulaufmethode unter Steuerung der Polymerisationstemperatur.
  • In der US 5,502,136 ist ein Verfahren zur Herstellung von Copolymeren aus Vinylpyrrolidon und Vinylacetat nach der Zulaufmethode beschreiben, wobei die Zuläufe über ein durch bestimmte mathematische Formeln definiertes Schema gesteuert werden.
  • Die US 4,520,179 und US 4,554,311 beschreiben die Polymerisation von Vinylpyrrolidon und Vinylacetat mit t-Butylperoxypivalat als Initiator in Wasser oder Wasser/Alkohol-Mischungen. Der dort verwendete Initiator erlaubt die Herstellung von Copolymerisaten mit enger Molekulargewichtsverteilung, er führt jedoch nicht zu wasserlöslichen Produkten mit einem FNU-Wert < 20.
  • In der EP-A 161 ist ein Verfahren zur Herstellung von Copolymeren aus Vinylpyrrolidon und Vinylacetat beschrieben, wobei im Anschluss an die Polymerisation eine Nachpolymerisation mit bestimmten Initiatoren durchgeführt werden. Allerdings weisen die Polymerisate hohe Restgehalte an Vinylacetat auf und sind nicht ausreichend trübungsfrei.
  • In der EP-A 795 567 ist die Herstellung von Copolymeren aus Vinyllactamen und hydrophoben Monomeren durch Polymerisation in wässriger Lösung beschrieben.
  • Aus der EP-A ist die Herstellung von in Wasser klar löslichen Copolymeren aus Vinylpyrrolidon und Vinylestern bekannt, wobei an einem bestimmten Punkt der Polymerisation ein Lösungsmittelaustausch vorgenommen wird, um flüchtige Bestandteile zu entfernen. Dieses Verfahren ist relativ aufwendig.
  • Die DE-OS 22 18 935 beschreibt die Copolymerisation von N-Vinylpyrrolidon mit verschiedenen wasserlöslichen und wasserunlöslichen Comonomeren. Dabei werden wasserunlösliche Initiatoren verwendet, die in Form einer feinteiligen Suspension in einer wäßrigen Lösung der Copolymerisate zur Anwendung kommen. Dies führt im Falle der wasserunlöslichen Comonomere jedoch ebenfalls nicht zu den gewünschten wasserlöslichen Copolymeren mit einem FNU-Wert < 20.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von klar wasserlöslichen Copolymerisaten aus wenigstens einem hydrophilen N-Vinyllactam und wenigstens einem hydrophoben Comonomeren durch radikalische Copolymerisation in einem organischen Lösungsmittel bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch radikalische Polymerisation von wenigtens einem wasserlöslichen N-Vinyllactam und wenigstens einem hydrophoben Comonomeren in einem organischen Lösungsmittel in Gegenwart eines Initiators unter Rückflussbedingungen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das im Rückfluss gebildete Kondensat von unten in das Polymerisationsgemisch zurückgeführt wird.
  • Als wasserlösliche Vinyllactame eignen sich N-Vinylpyrrolidon, in 3-, 4- oder 5-Stellung methyliertes N-Vinylpyrrolidon, N-Vinylcaprolactam, N-Vinylpiperidon, N-Vinylpyridon, bevorzugt N-Vinylpyrrolidon. Die Vinyllactame werden in Mengen von 30 bis 90 Gew.-%, bevorzugt 50 bis 90 Gew.-% eingesetzt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für die Herstellung wasserlöslicher Polymerisate aus Monomermischungen, deren Gehalt an hydrophoben Monomeren im Bereich von 10 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 50 Gew.-%, bezogen auf die Monomermischung, liegt. Geeignete hydrophobe Monomere sind solche mit einer Wasserlöslichkeit im Bereich von 1 bis 100 g/l. Geeignete hydrophobe Monomere sind beispielsweise Vinylacetat, Vinylpropionat, Methylacrylat, Ethylacrylat, n-Propylacrylat, n-Butylacrylat, t-Butylacrylat, Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Acrylnitril oder Methacrylnitril. Die hydrophoben Monomere sind insbesondere solche, deren Siedepunkte bei Normaldruck im Bereich der Polymerisationstemperatur von 60 bis 130 °C liegen, sodass sie unter Polymerisationsbedingungen verdampfen können. Auch bei einem Siedepunkt leicht unter der Polymerisationstemperatur kann das hydrophobe Monomer mit einem Lösungsmittel, das unter den Polymerisationsbedingungen siedet, in die Gasphase gelangen, wenn eine ausreichende Mischbarkeit mit dem Lösungsmittel vorliegt. Das hydrophobe Monomer kann dabei als azeotropes Gemisch mit dem Lösungsmittel oder als physikalische Mischung mit dem Lösungsmittel in die Gasphase gelangen. Bevorzugtes hydrophobes Monomer ist Vinylacetat.
  • Als Radikalinitiatoren seien beispielhaft genannt Dialkyl- bzw. Diarylperoxide, wie Ditert.-amylperoxid, Dicumylperoxid, Bis(tert.-butylperoxiisopropyl)benzol, 2,5-Bis(tert.-butylperoxi)-2,5-dimethylhexan, tert.-Butylcumolperoxid, 2,5-Bis(tert.-butylperoxi)-2,5-dimethyl-3-hexen, 1,1-Bis(tert.-butylperoxi)-3,3,5-trimethylcyclohexan, 1,1-Bis(tert.-butylperoxi)cyclohexan, 2,2-Bis(tert.-butylperoxi)butan oder Di-tert.-butylperoxid, aliphatische und aromatische Peroxiester, wie Cumylperoxineodecanoat, 2,4,4-Trimethylpentyl-2-peroxineodecanoat, tert.-Amylperoxineodecanoat, tert.-Butylperoxineodecanoat, tert.-Amylperoxipivalat, tert.-Butylperoxipivalat, tert.-Amylperoxi-2-ethylhexanoat, tert.-Butylperoxi-2-ethylhexanoat, tert.-Butylperoxidiethylacetat, 1,4-Bis(tert.-butylperoxi)cyclohexan, tert.-Butylperoxiisobutanoat, tert.-Butylperoxi-3,5,5-trimethylhexanoat, tert.-Butylperoxiacetat, tert.-Amylperoxibenzoat oder tert.-Butylperoxibenzoat, Dialkanoyl- bzw. Dibenzoylperoxide, wie Diisobutanoylperoxid, Bis(3,5,5-trimethylhexanoyl)peroxid, Dilauroylperoxid, Didecanoylperoxid, 2,5-Bis(2-ethylhexanoylperoxi)-2,5-dimethylhexan oder Dibenzoylperoxid, sowie Peroxicarbonate, wie Bis(4-tert.-butylcyclohexyl)peroxidicarbonat, Bis(2-ethylhexyl)peroxidicarbonat, Di-tert.-butylperoxidicarbonat, Diacetylperoxidicarbonat, Dimyristylperoxidicarbonat, tert.-Butylperoxiisopropylcarbonat oder terf.-Butylperoxi-2-ethylhexylcarbonat. Als gut öllösliche Azoinitiatoren finden beispielsweise 2,2'-Azobis(isobutyronitril), 2,2'-Azobis(2,4-dimethylvaleronitril) oder 4,4'-Azobis(4-cyanopentansäure) Verwendung.
  • Bevorzugt wird als Radikalinitiator eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe umfassend tert.-Butylperoxi-2-ethylhexanoat (Trigonox® 21; Trigonox® Marke der Fa. Akzo Nobel), tert.-Amylperoxi-2-ethylhexanoat (Trigonox® 121), tert.-Butylperoxibenzoat (Trigonox® C), tert.-Amylperoxibenzoat, tert.-Butylperoxiacetat (Trigonox® F), tert.-Butylperoxi-3,5,5-trimethylhexanoat (Trigonox® 42 S), tert.-Butylperoxiisobutanoat, tert.-Butylperoxidiethylacetat (Trigonox® 27), tert.-Butylperoxipivalat (Trigonox® 25), tert.-Butylperoxiisopropylcarbonat, (Trigonox® BPIC), 2,5-Dimethyl-2,5-di(tert.-butylperoxi)hexan (Trigonox® 101), Di-tert.-butylperoxid (Trigonox® B), Cumylhydroperoxid (Trigonox® K) und tert.-Butylperoxi-2-ethylhexylcarbonat (Trigonox® 117) eingesetzt. Selbstverständlich ist es auch möglich, Gemische vorgenannter Radikalinitiatoren einzusetzen.
  • Die verwendete Initiatormenge, bezogen auf die Monomere, liegt im Bereich von 0,02 bis 15 Mol-%, vorzugsweise 0,05 bis 3 Mol-%. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird der Initiator als Lösung, je nach Löslichkeit, in einem C1-C4-Alkohol eingesetzt. In diesen Lösungen liegt die Initiatorkonzentration im Bereich von 0,02 bis 2 Mol-%, vorzugsweise 0,1 bis 2 Mol-%, bezogen auf das Lösungsmittel.
  • Als Polymerisationsmedium ist ein polares organisches Lösungsmittel geeignet. Das Lösungsmittel muss so hydrophil sein, dass es mit dem Vinyllactam in jedem Mischungsverhältnis, das während der Polymerisation erreicht wird, mischbar ist. Je nach Wahl des Lösungsmittels kann das Lösungsmittel unter den Polymerisationsbedingungen sieden, sodass es in den Rückfluss gelangen kann. Insbesondere eignet sich ein C1- bis C4-Alkohol, bevorzugt Ethanol oder Isopropanol. Besonders bevorzugt wird Isopropanol als Lösungsmittel verwendet.. Die Polymerisation wird üblicherweise bei einem neutralen pH-Wert im Bereich von 5 bis 9 durchgeführt. Sofern notwendig, wird der pH-Wert durch Zugabe einer Base, wie beispielsweise Ammoniak, Triethylamin, Triethanolamin, Natronlauge oder einer Säure, wie beispielsweise Salzsäure, Ameisensäure, Essigsäure, Milchsäure oder Oxalsäure, eingestellt bzw. aufrechterhalten.
  • Sind niedrigere Molekulargewichte erwünscht, so können diese durch Zusatz eines Reglers zum Polymerisationsansatz eingestellt werden. Als Regler eignen sich beispielsweise Aldehyde, wie Formaldehyd, Acetaldehyd, Propionaldehyd, n-Butyraldehyd und Isobutyraldehyd, Ameisensäure, Ammoniumformiat, Hydroxylammoniumsulfat und Hydroxylammoniumphosphat. Weiterhin können Regler eingesetzt werden, die Schwefel in organisch gebundener Form enthalten. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Di-n-butylsulfid, Di-n-octylsulfid, Diphenylsulfid, Diisopropyldisulfid, Di-n-butyldisulfid, Di-n-hexyldisulfid, Diacetyldisulfid und Di-t-butyltrisulfid. Vorzugsweise enthalten die Regler Schwefel in Form von SH-Gruppen. Beispiele für solche Regler sind n-Butylmercaptan, n-Hexylmercaptan oder n-Dodecylmercaptan. Besonders bevorzugt werden wasserlösliche, schwefelhaltige Polymerisationsregler, wie beispielsweise Hydrogensulfite, Disulfite und Verbindungen, wie Ethylthioglycolat, Cystein, 2-Mercaptoethanol, 1,3-Mercaptopropanol, 3-Mercaptopropan-1,2-diol, 1,4-Mercaptobutanol, Mercaptoessigsäure, 3-Mercaptopropionsäure, Mercaptobernsteinsäure, Thioglycerin, Diethanolsulfid, Thiodiglycol, Ethylthioethanol, Thioharnstoff und Dimethylsulfoxid. Weiterhin eignen sich als Regler Allylverbindungen, wie Allylalkohol oder Allylbromid, Benzylverbindungen, wie Benzylchlorid oder Alkylhalogenide, wie Chloroform oder Tetrachlormethan. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Regler, gegebenenfalls als Lösung in einem C1-C4-Alkohol dem Reaktionsansatz zudosiert.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Monomere, gegebenenfalls als Lösung in einem C1-C4-Alkohol, dem Reaktionsansatz zudosiert (Zulaufverfahren). In einer Ausführungsform der Erfindung werden bis zu 30 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 25 Gew.-% des wasserlöslichen N-Vinyllactams I (bezogen auf die Gesamtmenge an N-Vinyllactam I) und eine geringe Menge der Initiatorlösung und Lösungsmittel, vorzugsweise Ethanol oder Isopropanol, vorgelegt. Anschließend wird die Mischung auf Reaktionstemperatur gebracht und die restliche Monomerenmenge gleichzeitig mit der restlichen Initiatorlösung und gegebenenfalls einem Regler, kontinuierlich oder in mehreren Portionen zudosiert. Im allgemeinen erfolgt das Zudosieren über einen Zeitraum von 4 bis 14 Stunden, vorzugsweise 5 bis 12 Stunden, Idealerweise 6 bis 10 Stunden. Vorzugsweise werden Vinyllactam und hydrophobes Comonemer so zudosiert, dass die Zuläufe gleichzeitig beendet sind. Die Konzentration der Monomeren im Reaktionsansatz liegt im Bereich von 10 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 70 Gew.-%, bezogen auf den Reaktionsansatz. In diesem Fall lässt man die Initiatorlösung, nachdem man den Reaktionsansatz auf die gewünschte Reaktionstemperatur gebracht hat, kontinuierlich oder in mehreren Portionen, insbesondere über einen Zeitraum von 5 bis 16 Stunden, Idealerweise von 7 bis 12 Stunden, zulaufen.
  • Die Polymerisationsreaktion wird unter Rückflussbedingugnen durchgeführt. Rückflussbedingungen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das flüssige Polymerisationsgemisch siedet und die leichtflüchtigen Komponenten wie das Lösungsmittel und/oder das hydrophobe Monomer verdampfen und durch Kühlung wieder kondensieren. Rückflussbedingungen werden über die Kontrolle von Temperatur und Druck eingehalten.
  • Die Reaktionstemperatur liegt üblicherweise im Bereich von 60 bis 90°C, sie kann jedoch auch bis zu 130°C betragen. Die Umsetzung kann bei Normaldruck, unter Eigendruck oder unter Schutzgas-Überdruck durchgeführt werden. Bei Schutzgas-Überdruck wird der Druck so geregelt, dass stets noch ein Sieden vorliegt. Der Fachmann kann geeignete Druckbereiche über die relativen Dampfdrücke ermitteln. Üblicherweise wird dabei der Druck 2 MPa nicht übersteigen.
  • Die Polymerisation erfolgt in einem mit einer Rührvorrichtung ausgestatteten Kessel. Als Rührvorrichtung eignen sich Ankerrührer, Propellerrührer, Kreuzbalkenrührer, Mik-Rührer und andere dem Fachmann bekannte zur Lösungspolymerisation geeignete Rührer. Weiterhin sind auch ein oder mehrere Zulaufvorrichtungen für die Dosierung der Monomeren, der Initiatorlösung sowie gegebenenfalls der Regler(lösungen) vorhanden.
  • Weiterhin ist der Kessel im oberen Bereich des Reaktors, in dem kein flüssiges Polymerisationsgemisch, sondern eine Gasphase vorliegt, mit einem Kühler ausgestattet. Die Füllhöhe mit flüssigem Polymerisationsgemsich beträgt üblicherweise 70 bis 95, bevorzugt 75 bis 90 Vol-% des Kesselvolumens nach Zugabe aller Einsatzstoffe. Unter den Polymerisationsbedingungen gelangen Lösungsmittel und/oder hydrophobe Monomere aufgrund ihrer niedrigeren Siedepunkte teilweise in die Gasphase, während das höher siedende N-Vinyllactam in der flüssigen Polymerisationsphase verbleibt. Je nach Wahl des Lösungsmittels kann die Gasphase auch nur aus hydrophobem Monomeren bestehen. Im Kühler kondensiert die gasförmige Phase aus Lösungsmittel und/oder hydrophoben Monomeren und bildet so den sogenannten Rückfluss. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt man den Rückfluss jedoch nicht wie sonst üblich von oben auf das Polymerisationsgemisch zurück fliessen, sondern führt das Kondensat über eine geeignete Vorrichtung von unten in das Polymerisationsgemisch zurück. Von unten bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das die hydrophoben Monomere enthaltende Kondensat unterhalb der Oberfläche des flüssigen Polymerisationsgemisches eingeleitet wird. Dabei erfolgt die Rückführung des Kondensats so, dass mindestens 90 Gew.-% von unten zugeführt werden. Bevorzugt erfolgt die Rückführung in der Zone der größten Durchmischung und Scherung des flüssigen Polymerisationsgemisches. Wo diese Zone sich befindet, hängt zum einen von der Art des verwendeten Rührers ab, zum anderen von der Reaktorgeometrie. Die Zone größter Durchmischung in Abhängigkeit vom gewählten Rührertyp ist dem Fachmann bekannt. Der Fachmann kann diese Zone auch auf an sich bekannte einfache Weise ermitteln, beispielsweise über Computersimulation oder Farbverteilungsexperimente. Gibt es mehrere Bereiche größter beziehungsweise sehr grosser Durchmischung, kann es auch zweckmässig sein, die Einleitung des Rückflusses möglichst weit unterhalb des Flüssigkeitsspiegels einzuleiten. Dadurch wird die Distanz zwischen Einleitungsort der Initiatorlösung, die üblicherweise von oben zudosiert wird, und Einleitungsort des Rückflusses maximiert.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Kühler als aufsteigender Kühler ausgelegt sein, der am unteren Ende mit einem als Rücklaufsperre wirkenden Wehr ausgestattet ist, über das gasförmige Bestandteile nach oben in den Kühler steigen können, während zurück laufendes Kondensat in eine Rohrleitung gelangt und durch diese Rohrleitung von unten in den Reaktor zurückgeführt wird. Weiterhin kann der Kühler als gebogenes Rohr angelegt sein, welches zunächst an dem zur Gasphase des Reaktors offenen Ende nach oben aufsteigend und beheizbar angelegt ist, um eine Kondensatbildung der in das Rohr steigenden Gase zu verhindern. Im absteigenden Teil ist das Rohr mit einer Kühlung versehen, um die gasförmigen Bestandteile zu kondensieren und zurückzuführen.
  • Weiterhin kann die Abtrennung des Kondensats auch so erfolgen, dass der Reaktor mit einem konventionellen Rückflusskühler versehen ist, aus dem der Rückfluss nach unten in eine im Gasraum des Reaktors angebrachte Auffangvorrichtung tropft und aus dieser Auffangvorrichtung über eine Rohrleitung abgeführt wird. Die Form der Auffangvorrichtung ist nicht kritisch, jede schalenartige oder trichterförmige Form ist geeignet. Die Rohrleitung kann dabei so geführt werden, dass das Kondensat von extern wieder zugeführt wird. Die Rohrleitung kann auch intern so durch die flüssige Phase geführt werden, dass die Austrittsöffnung in der Zone der größten Durchmischung angeordnet ist.
  • Grundsätzlich eignet sich zur Kondensation der verdampfenden leichtflüchtigen Komponenten jeder Kühler unabhängig von seiner Konstruktion. Wichtig ist, dass ein bestimmtes Rücklaufverhältnis eingehalten wird. So sollen maximal 10 Gew.-% des Rücklaufs als normaler Rücklauf auf die Oberfläche des flüssigen Polymerisationsgenisches gelangen. Der Rücklauf kann auch durch Heizen der mit der Gasphase in Kontakt stehenden Teile des Polymerisationskessels optimiert werden.
  • Die Einleitung des Kondensats in das flüssige Reaktionsgemisch kann über übliche, für die Zuführung von Flüssigkeiten geeignete Ventile erfolgen. Die Rohrleitung zur Zurückführung des Kondensats kann mit Pumpen versehen sein, um das Kondensat kontinuierlich zudosieren zu können. Auch eine Rückführung des Kondensats als Batch oder Semibatch über Vorratsbehälter ist möglich. Dabei kann dem Kondensat auch vor der Rückführung gezielt Vinyllactam zugesetzt werden.
  • Die Rückführung des Rückflusses in das flüssige Reaktionsgemisch kann über übliche, für die Zuführung von Flüssigkeiten geeignete Ventile erfolgen. Mit Hilfe von Dosierpumpen kann die Rückführung des Rückflusses kontinuierlich oder in vorgegeben Dosierschemata mit wechselnden Zulaufgeschwindigkeiten und -dauern zudosiert werden.
  • Gibt es mehrere Bereiche größter bzw. sehr grosser Durchmischung, ist es auch zweckmässig, die Rückführung des Rückflusses möglichst weit unterhalb des Flüssigkeitsspiegels einzuleiten. Dadurch wird die Distanz zwischen Einleitungsort des Rückflusses und Initiatorzugabe maximiert. Besonders bevorzugt erfolgt die Zuleitung über den Kesselboden. Die Einleitung des Rückflusses kann von ausserhalb in die Reaktionsmischung, d.h. von der Kesselwand her erfolgen, als auch von innerhalb des Kesselraumes, indem die Rückführung von der Kesselwand oder dem Kesseldeckel nach innen geführt wird und innerhalb des Kesselraumes in einer Zone endet, die zu allen Reaktionszeiten von der Reaktionsmischung umgeben ist und in einer Zone möglichst großer Durchmischung liegt. Bei Ankerrührern kann so die Rückführung beispielsweise von oben in der Mittelzone des Kesselraumes in der Nähe der Rührwelle nach unten geführt werden. Bei Kreuzbalkenrührern kann die Rückführung von der Seite der Kesselwand zwischen zwei Balken in die Mittelzone geführt werden. Wird die Rückführung innerhalb des Kesselraumes in die Reaktionsmischung geführt, so wirkt diese Rückführung gleichsam als Stromstörer und verstärkt damit die gewünschte Durchmischung. Gegebenenfalls kann es bei einer solchen Anordnung sinnvoll sein, einen weiteren Stromstörer einzubauen als Gegenstück zur Rückführung, um so zwei beispielsweise symmetrische Stromstörer (einer oder ggf. beide davon als Rückführung ausgeführt) im Kessel zu installieren. Die beste Anordnung und Ausführung als eine Rückführung mit oder ohne einen weiteren Stromstörer richtet sich wieder in Abhängigkeit von der gewählten Kesselgeometrie und Rührertyp nach der Güte der Durchmischung, die der Fachmann beispielsweise über Computersimulation oder Farbverteilungsexperimente leicht ermitteln kann.
  • Im Anschluß an die Polymerisationsreaktion setzt man gewünschtenfalls einen oder mehrere Polymerisationsinitiatoren zu und erhitzt die Polymerlösung, z.B. auf die Polymerisationstemperatur oder auf Temperaturen oberhalb der Polymerisationstemperatur, um die Polymerisation zu vervollständigen. Geeignet sind die oben angegebenen Azoinitiatoren aber auch alle anderen üblichen, für eine radikalische Polymerisation in alkoholischer Lösung geeignete Initiatoren, beispielsweise Peroxide, Hydroperoxide, Peroxodisulfate, Percarbonate, Peroxoester und Wasserstoffperoxid. Hierdurch wird die Polymerisationsreaktion bis zu einem Umsatz von 99,9 % geführt. Die bei der Polymerisation entstehenden Lösungen enthalten üblicherweise 10 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 60 Gew.-% Polymerisat. Die erhaltenen Lösungen können im Anschluß an die Polymerisation auch einer physikalischen Nachbehandlung, beispielsweise einer Wasserdampf-Destillation oder Strippen mit Stickstoff, unterworfen werden, wobei das Lösungsmittel oder mit Wasserdampf flüchtige Verunreinigungen aus der Lösung entfernt werden. Weiterhin können die Lösungen auch einer chemischen Nachbehandlung oder Bleichung mit Wasserstoffperoxid, Natriumsulfit/tert.-Butylhydroperoxid und dergleichen unterworfen werden.
  • Die durch Wasserdampfdestillation erhaltenen wässrigen Lösungen des Copolymerisats können gegebenenfalls durch ein dem Stand der Technik entsprechenden Trocknungsverfahren in feste Pulver überführt werden. Als Trocknungsverfahren kommen diejenigen in Frage, die zur Trocknung aus wässriger Lösung geeignet sind. Bevorzugte Verfahren sind beispielsweise die Sprühtrocknung, die Sprühwirbelschichttrocknung, die Walzentrocknung und die Bandtrocknung. Ebenfalls anwendbar sind die Gefriertrocknung und die Gefrierkonzentrierung.
  • Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gewährleistet, dass stets eine gleichmässige Konzentration beider Comonomeren eingehalten werden kann und keine Anreichung nur eines der Monomeren erfolgt, um wie beschrieben die Bildung wasserunlöslicher Homopolymerisate zu verhindern.
  • Die erhaltenen Polymerisate besitzen im allgemeinen einen K-Wert (bestimmt bei 25°C in einer 1 Gew.-%igen wäßrigen oder ethanolischen Lösung) im Bereich von 10 bis 100, insbesondere 15 bis 90 und besonders bevorzugt 20 bis 80. Die Bestimmung des K-Wertes ist beschrieben in H.Fikentscher "Systematik der Cellulosen auf Grund ihrer Viskosität in Lösung", Cellulose-Chemie 13 (1932), 58–64 und 71–74 sowie Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. 21, 2. Ausgabe, 427–428 (1970).
  • Als Maß für ihre Klarlöslichkeit dient die nephelometrische Trübungseinheit FNU (bzw. NTU), die bei 25°C an einer 5 Gew.-%igen wässrigen Lösung des Polymers gemessen und durch Eichung mit Formazin als künstlichem Trübungsmittel festgelegt wird. Die genaue Methode ist im Rahmen der nachfolgenden Beispiele angegeben. Die erfindungsgemäß erhaltenen Polymerisate weisen einen FNU-Wert < 20, insbesondere < 10, vorzugsweise < 7 und besonders bevorzugt < 5 auf.
  • Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Polymerisate kommen insbesondere zur Anwendung in kosmetischen und pharmazeutischen Zubereitungen, beispielsweise als Verdicker oder Filmbildner in Haarlack-, Haarfestiger- oder Haarsprayadditiven, in hautkosmetischen Zubereitungen, Immunochemikalien oder als wirkstofffreisetzendes Mittel in pharmazeutischen Zubereitungen. Weiterhin können die erfindungsgemäß hergestellten Polymerisate als Hilfsstoffe für die Agrochemie, beispielsweise für das Saatgut-Coating oder für Slow-Release-Düngemittelformulierungen verwendet werden. Die Polymerisate eigenen sich auch als Coatingmittel für technische Anwendungen, beispielsweise für die Beschichtung von Papier wie beispielsweise Photopapier oder Kunststoffen oder für Heissklebemittel. Weiterhin eignen sich diese Polymerisate als Bindemittel für den Transferdruck, als Schmiermitteladditive, als Rostverhinderer oder Rostentferner von metallischen Oberflächen, als Kesselsteinverhinderer oder Kesselsteinentferner, als Hilfsmittel bei der Erdölgewinnung aus ölhaltigem Wasser, als Hilfsmittel bei der Erdöl- und Erdgasförderung sowie dem Erdöl- und Erdgastransport, als Reinigungsmittel von Abwässern, als Klebrohstoffe, als Waschmitteladditive sowie als Hilfsmittel in der Photoindustrie.
  • Die im folgenden aufgeführten Beispiele sollen die Erfindung verdeutlichen, ohne sie jedoch einzuschränken.
  • Beispiele
  • Die Trübung der wässrigen Copolymerisat-Lösung wurde durch nephelometrische Trübungsmessung bestimmt (modifizierte Methode nach DIN 38404). Bei dieser Methode wird das von der Meßlösung gestreute Licht photometrisch ermittelt, wobei die Lichtstreuung durch die Wechselwirkung zwischen den Lichtstrahlen und den Partikeln oder Tröpfchen in der Lösung, deren Anzahl und Größe den Grad der Trübung ausmachen, verursacht wird. Als Meßgröße dient hierbei die nephelometrische Trübungseinheit FNU (bzw. NTU), die bei 25°C an einer 5 Gew.-%igen wässrigen Lösung des Polymers gemessen und durch Eichung mit Formazin als künstlichem Trübungsmittel festgelegt wird. Je höher der FNU-Wert ist, desto trüber ist die Lösung.
    Figure 00100001
    • tert- Butylperpivalat: 75% in Mineralöl (Trigonox® 25)
  • Allgemeine Vorschrift
  • Die Polymerisation wurde in einem Rührkessel mit einem Volumen von 21 durchgeführt, der mit einem absteigenden Kühler ausgerüstet war. Die Rückführung des Rückflusses erfolgte kontinuierlich von aussen über eine Rohrleitung, die über ein Ventil in den Kesselboden nahe des Kesselauslasses mündete. Die Vorlage wurde 10 min. mit Stickstoff gespült und aufgeheizt. Bei Polymerisationstemperatur (Innentemperatur) minus 10% (°C) wurden die Zuläufe 1 und 2 gestartet. Zulauf 1 wurde in v h, Zulauf 2 in x h zudosiert. Nach Beendigung von Zulauf 1 wurde Zulauf 3 in y h zudosiert. Anschliessend wurde 1 h nachpolymerisiert. Nach Beendigung von Zulauf 2 wurde auf eine Innentemperatur von Polymerisationstemperatur plus 10% aufgeheizt und Zulauf 4 in z h bei dieser Temperatur zudosiert. Nach Beendigung von Zulauf 4 wurde noch 2 h bei dieser Temperatur nachpolymerisiert. Anschließend wurde die Hauptmenge des Lösungsmittels destillativ sowie Restmengen mittels Wasserdampfdestillation entfernt.
  • Während der Wasserdampfdestillation wurde nach Bedarf Wasser zum Erhalt der Rührbarkeit zugegeben. Nach dem Abkühlen wurde mit Wasser der jeweilige Festgehalt eingestellt.
  • Festgehalt in Gew.%
    • K Wert gemessen 1 %ig in Ethanol
    • GC Analytik: Vinylpyrrolidon in ppm; Vinylacetat in ppm;
    • Aussehen: Farbe, Klarheit, FNU-Wert
      Figure 00110001
  • Aussehen der Polymerlösungen:
    • V1 gelblich, trübe
    • 1 schwach gelblich, klar

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung von Vinyllactam-Copolymeren durch radikalische Polymerisation von wenigstens einem wasserlöslichen N-Vinyllactam und wenigstens einem hydrophoben Comonomeren in einem organischen Lösungsmittel in Gegenwart eines Initiators unter Rückflussbedingungen, dadurch gekennzeich net, dass das im Rückfluss gebildete Kondensat von unten in das Polymerisationsgemisch zurückgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als hydrophobes Comonomer ein Monomer mit einer Wasserlöslichkeit von 1 bis 100 g/l eingesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als hydrophobes Comonomer ein Monomer mit einem Siedepunkt bei Normaldruck im Bereich von 60 bis 150 °C eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als hydrophobes Comonomer ein Monomer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vinylacetat, Vinylpropionat, Methylacrylat, Ethylacrylat, n-Propylacrylat, n-Butylacrylat, t-Butylacrylat, Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Acrylnitril und Methacrylnitril eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als hydrophobes Comonomer Vinylacetat eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als N-Vinyllactam N-Vinylpyrrolidon eingesetzt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation bei Temperaturen von 60 bis 150 °C durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als organisches Lösungsmittel ein Alkohol verwendet wird.
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