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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Reduktion der Rückbildung
von Caprolactam durch eine Modifizierung von Polycaprolactam (Polyamid
6) in der Polymerschmelze, insbesondere die dadurch hervorgehenden
Polymere und deren vorteilhafte Verwendung.
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Bei der industriellen Herstellung
von Polycaprolactam Formmassen oder Fasern, ist es meist notwendig,
vor einem Schmelzextrusionsprozess den Caprolactam- und den Oligomergehalt
auf einen Restgehalt < 0,5
Gew. % zu senken. Dies geschieht üblicherweise durch eine Extraktion
mit Wasser. Beim Wiederaufschmelzen der extrahierten und getrockneten
Polycaprolactam Polymere wird eine Rückbildung von Caprolactam und
der Oligomere beobachtet. Der zurückgebildete Restgehalt an niedermolekularen
Verbindungen führt jedoch
zu einer Reihe von Schwierigkeiten bei der Verarbeitung der Polymeren.
Beispielsweise werden bei einem Thermofixierprozess, wie er in der
Textilveredlung üblich
ist, bis zu 50 % des zurückgebildeten
Caprolactams aus der Faser emittiert. Hierbei werden oft die geltenden
Emissionsgrenzwerte für
Caprolactam überschritten.
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Die Rückbildung von Caprolactam und
der Oligomeren von extrahierten Polycaprolactam-Proben in der Schmelze wurde von zahlreichen
Autoren untersucht. So zeigt das J. Polym. Sci. Macromol. Revs.,
12, 65 (1977), dass die Menge an rückgebildetem Caprolactam und
Oligomeren umso größer ist,
je höher
der Wassergehalt, je höher
die Schmelztemperatur und je länger
die Verweilzeiten in der Schmelze sind. Diese Rückbildungsreaktion verläuft so lange,
bis sich ein Gleichgewicht einstellt, bei dem sich der Gehalt an
Caprolactam und Oligomerem nicht mehr ändert. Die Lage dieses Gleichgewichts
ist unabhängig
vom Herstellungsprozess des Polycaprolactams. So wurden nahezu identische
Caprolactam- und Oligomergehalte von getemperten Polycaprolactam
Polymeren beobachtet, die durch anioni sche Polymerisation bzw. durch
hydrolytische Polymerisation hergestellt wurden. Weiterhin konnte
das J. Polym. Sci., 30, 459 (1958) zeigen, dass die Rückbildung von
Caprolactam bei vorgegebener Schmelztemperatur wesentlich durch
die Endgruppenanzahl (Carboxyl- und
Aminoendgruppen) bestimmt wird. Dabei wurde beobachtet, dass die
Gegenwart von Amino- und Carboxylendgruppen die Rückbildung
von Caprolactam stärker
katalysiert als die Gegenwart der Amidgruppen innerhalb der Polymerkette.
Ferner zeigt J. Polym. Sci., 37, 547 (1959), dass durch Blockieren
der Endgruppen die Rückbildung
von Caprolactam in der Schmelze reduziert werden kann. Da es sich
bei den Blockierungsagenzien um hochreaktive Verbindungen handelt,
wurde die Umsetzung der Blockierungsagenzien mit den Polymerendgruppen
in Lösung
(z.B. Dimethylformamid) durchgeführt.
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In der
GB-B-1 108 721 werden Carbodiimide zur Beschleunigung
der Synthese hinzugegeben und gemeinsam mit dem Caprolactam zu einem
hochmolekularen Polycaprolactam polymerisiert. Da die Carbodiimide
zu Beginn der Synthese vorliegen, werden diese während der Polymerisationsphase
statistisch in die Polymerkette eingebaut. Dies hat jedoch den Nachteil,
dass sich das Eigenschaftsspektrum (z.B. das Kristallisationsverhalten)
der erhaltenen statistischen Copolymeren im Vergleich zum Polycaprolactam-Homopolymer ändert, da
die Comonomerbausteine innerhalb der Polymerkette statistisch verteilt
sind und als Störstellen
wirken können.
Zudem hat dieses Verfahren den Nachteil, dass es nicht möglich ist,
handelsübliches
Polycaprolactam nach seiner Herstellung (z.B. während der Extrusion) zu modifizieren.
Dies bietet aber eine höhere
Flexibilität
bei der Verarbeitung und der Herstellung von Polycaprolactam Produkten.
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Aus der
DE 42 14 193 A1 und der
DE 44 42 725 A1 ist
es bekannt, einem Polyamid sterisch gehinderte Polycarbodiimide
zusetzen, um die Hydrolysestabilität zu erhöhen. Da die eingesetzten Polycarbodiimide hochmolekulare
Verbindungen sind, zeigen diese im Gegensatz zu Carbodümiden, die
nur eine Carbodiimid Gruppe in ihrer Struktur aufweisen, Unterschiede
im Reaktionsverhalten. Weiterhin sind die beschriebenen Polycarbodiimide
an der Carbodiimidgruppe durch Methylsubstituenten sterisch gehindert.
Hierdurch wird die Bildung eines Isocyanurat-Carbodiimid-Gleichgewichtes
in der Schmelze unterdrückt
und dadurch das Molekül vor
Strukturveränderungen
während
und nach der Verarbeitung des Polymeren geschützt. Die hochmolekularen sterisch
gehinderten Polycarbodiimide haben daher den Nachteil, dass zum
einen durch die geschützte Carbodiimidgruppe
und zum ande ren durch das hohe Molekulargewicht eine Reaktion mit
den Endgruppen im Polycaprolactam erschwert wird. Eine Endgruppenmodifizierung
ist jedoch nach dem J. Polym. Sci., 30, 459 (1958) maßgeblich
für die
Rückbildung
von Caprolactam in der Schmelze verantwortlich. Aus der
DE 37 21 011 C1 ist
die Verwendung von sterisch gehinderten Carbodiimiden und Polycarbodiimiden
zur Verringerung der Weichmachermigration in weichmacherhaltigen
Formassen aus Polyamid bekannt. Diesen Polyamiden werden zusätzlich Weichmacher,
wie z.B. 2-Pyrollidon, Caprolactam oder Laurinlactam, zugesetzt.
Folglich sind die Polymereigenschaften dieser weichmacherhaltigen
Polyamide im Gegensatz zu einem Polyamid, das keinen Zusatz von
Weichmacher erfahren hat, unterschiedlich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Modifizierungsverfahren bereitzustellen, das es erlaubt, Polycaprolactam
direkt in der Schmelze zu modifizieren, wobei aus dem Modifizierungsverfahren
ein Polymer hervorgehen soll, das im Vergleich zu einem unmodifizierten
Polycaprolactam zu einer um mindestens 50% reduzierten Caprolactamrückbildung
führt.
Das modifizierte Polycaprolactam soll vorteilhafte Verwendungen ermöglichen,
insbesondere eine vorteilhafte Weiterverarbeitung zu Fasern und
Formteilen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch
ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass
die Modifizierung in der Polymerschmelze mit mindestens einem Carbodiimid
der Formel R1-N=C=N-R2 erfolgt,
worin R1 und R2,
jeweils unabhängig
voneinander, ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe mit 1 bis 30
Kohlenstoffatomen, eine Cycloalkylgruppe mit 3 bis 30 Kohlenstoffatomen,
eine Alkarylgruppe mit 6 bis 50 Kohlenstoffatomen, eine Aralkylgruppe
mit 6 bis 50 Kohlenstoffatomen und/oder eine Arylgruppe mit 5 bis
30 Kohlenstoffatomen bedeuten.
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Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung
die Verwendung der modifizierten Polymeren zur Herstellung von Fasern
und Formteilen.
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Es hat sich gezeigt, dass Carbodiimide
in einer schnellen Reaktion mit den Endgruppen im Polycaprolactam
reagieren, wobei durch die Endgruppenmodifizierung die Caprolactamrückbildung
reduziert wird. Weiterhin erreicht man durch die schnelle Modifizierungsreaktion,
wie sie im Extruder durchgeführt
werden kann, dass keine statistisch verteilten Copolymere gebildet
werden und damit die Eigenschaften im wesentlichen denen eines Ho mopolymeren
gleichen. Die aufgezeigten Vorteile wirken sich positiv auf die
Weiterverarbeitung und Eigenschaften des Polymeren in der Technik
aus.
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Im Rahmen der Erfindung ist es besonders
bevorzugt, sterisch nicht gehinderte Carbodiimide einzusetzen. Diese
können
schneller mit den Polymerendgruppen reagieren, als sterisch gehinderte
Carbodiimide. Im Zusammenhang mit der Erfindung wird unter einem
sterisch nicht gehinderten Carbodiimid ein Carbodiimid verstanden,
das an den zum Stickstoffatom der Carbodiimidgruppe benachbarten
Kohlenstoffatomen der Alkyl-, Cycloalkyl-, Alkaryl-Aralkyl- und/oder
Arylgruppe keine Methylsubstituenten trägt, die die Carbodiimidgruppe
schützen.
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Im Rahmen der Erfindung ist es bevorzugt,
dass die Alkylgruppe 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, die Cycloalkylgruppe
5 bis 10 Kohlenstoffatome, die Alkarylgruppe 6 bis 30 Kohlenstoffatome,
die Aralkylgruppe 6 bis 30 Kohlenstoffatome und/oder die Arylgruppe
5 bis 12 Kohlenstoffatome aufweist. Besonders bevorzugt ist es, dass
die Alkylgruppe in Form einer Methyl-, Ethyl-, Propyl-, n-Butyl-,
tert.-Butyl-, Pentyl- und/oder Hexylgruppe, die Cycloalkylgruppe
in Form einer Cyclohexyl- und/oder Cycloheptylgruppe, die Alkarylgruppe
in Form von Alkyl-substituierten Phenyl- und/oder Naphthylgruppen,
die Aralkylgruppe in Form von Phenyl- und/oder Naphthyl-substituierten
Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl, Pentyl- und/oder Hexylgruppen, die Arylgruppe
in Form einer Phenyl- und/oder Naphthyl-gruppe vorliegt.
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In Einzelfällen ist es bevorzugt, wenn
die angesprochenen Gruppen R1 und R2 in ihrer Struktur Heteroatome aufweisen,
wie Stickstoff-, Phosphor-, Sauerstoff-, Schwefel-, Silicium- oder
Halogenatome.
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Besonders bevorzugt werden im Rahmen
der Erfindung folgende Carbodiimide: N,N'-Dicyclohexylcarbodiimid,
N,N'-Dicycloheptylcarbodürnid,
N,N'-Diphenylcarbodiimid, N,N'-Dibenzylcarbodiimid, N,N'-Dimethylcarbodiimid,
N,N'-Dipropylcarbodiimid, N,N'-Di(n-butyl)carbodiimid, N,N'-Di-(tert.-butyl)carbodiimid, N,N'-Di-(hexyl)carbodiimid,
N,N'-Cyclohexyl-methylcarbodiimid, N,N'-Cyclohexyl-phenylcarbodiimid,
N,N'-Cyclohexyl-(tert.-butyl)carbodiimid, N,N'-Cyclohexyl-benzylcarbodiimid.
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Die Menge des im Rahmen der Erfindung
eingesetzten Carbodiimids unterliegt keiner wesentlichen Einschränkung. Es
ist allerdings bevorzugt, wenn die Menge an Carbodiimid zwischen
etwa 0,01 und 10 Gew.-%, insbesondere zwischen etwa 0,01 und 3 Gew.-%,
bezogen auf die Gesamtpolymermasse, beträgt. Wird die Menge von etwa
0,01 Gew.-% unterschritten, beobachtet man nur einen geringen Effekt
einer Reduktion von Caprolactam. Ein Überschreien der Menge von etwa
10 Gew.-% bedeutet keine zusätzliche
Reduktion der Caprolactamrückbildung.
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Bei einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird ein Katalysator hinzugesetzt, der eine schnelle Reaktion im
Vergleich zu einer Reaktion ohne Katalysator bewΐrkt. Besonders geeignete
Katalysatoren sind Lewis-Säuren
und/oder Lewis-Basen,
insbesondere Metallsalze, die oft bei der Katalyse von Polymeren
(wie z.B. bei der Polyester-Synthese) verwendet werden. Dabei wird
es bevorzugt, dass als Katalysator TiX4,
MnX2, MgX2, LiX,
Sb2O3 und/oder GeO2 eingesetzt werden, wobei X folgende Bedeutungen
aufweist: Fluor, Chlor, Brom, Iod und/oder eine Gruppe OR, wobei
R eine Alkylgruppe mit insbesondere 1 bis 20 Kohlenstoffatomen,
eine Cycloalkylgruppe mit 5 bis 20 Kohlenstoffatomen, eine Alkarylgruppe
mit 6 bis 30 Kohlenstoffatomen, eine Aralkylgruppe mit 6 bis 30
Kohlenstoffatomen und/oder Arylgruppe mit 5 bis 20 Kohlenstoffatomen
bedeutet.
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In Einzelfällen ist es oft zweckmäßig, bei
der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens übliche Zusatzstoffe
heranzuziehen, so insbesondere Oxidationsstabilisatoren, UV-Stabilisatoren, Pigmente und/oder
Farbstoffe.
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Das erfindungsgemäße Modifizierungsverfahren
erfolgt in der Polymerschmelze bei Temperaturen zwischen etwa 230°C und 290°C. Besonders
bevorzugt sind Temperaturen zwischen etwa 240°C und 260°C. Dabei greift das Verfahren
auf die bekannten Techniken der Polymermodifizierung in der Schmelze
zurück. Beispielsweise
kann die Zugabe des Modifizierungsagenzes bzw. der Modifizierungsagenzien
nach der Polymerisationsphase im Reaktor erfolgen, wobei der Polymerisationsprozess
batchweise oder kontinuierlich geführt wird. Weiterhin kann die
Modifizierung in den üblichen
Vorrichtungen zur Erzeugung von Polymerblends erfolgen, beispielsweise
in einem Kneter oder Extruder, wobei die Modifizierung vor oder
nach dem Extraktionsprozess von Caprolactam erfolgen kann. Die dabei
erhaltenen modifizierten Polymere können nach den üblichen
Methoden zu Fasern oder Formteile verarbeitet werden.
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Die Vorteile, die mit der Erfindung
erzielbar sind, lassen sich insbesondere wie folgt angeben: Anders als
im Stand der Technik bezeichnet, werden erfindungsgemäß Carbodiimide
eingesetzt, die leicht verfügbar sind
und im Rahmen des erfindungsgemäßen Vorgehens
in der Schmelze des zu modifizierenden Polycaprolactams, insbesondere
in einem Temperaturbereich von 230 bis 290°C, ein Polycaprolactam liefern,
dessen Caprolactam-Rückbildung
um mindestens 50 %, reduziert worden ist. Gemessen wird die reduzierte
Rückbildungsgeschwindigkeit
nach einem üblichen
Verfahren. Dieses Verfahren lässt
sich wie folgt umschreiben: Die Proben werden 24 Stunden bei 100°C mit Wasser
extrahiert. Der Gehalt von Caprolactam im Extrakt wird mit Hilfe
der Hochdruckflüssigkeitschromatographie
bestimmt, wobei als Laufmittel ein Wasser/Acetonitril (anfängliches
Volumenverhältnis
von 88:12) verwendet wird.
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Die im Rahmen der Erfindung erhaltenen
modifizierten Polycaprolactame haben bei ihrer Weiterverarbeitung
zu Fasern und Formteilen den besonderen Vorteil, dass die Emission
von Caprolactam stark reduziert wird.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden
Beispielen noch näher
erläutert:
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Beispiel 1 (Modifikation
von Polycaprolactam im Doppelschneckenextruder)
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500 g getrocknetes Polycaprolactam-Granulat,
das zuvor auf einen Restcaprolactamgehalt von 1,07 g/kg Ware extrahiert
wurde, wird bei verschiedenen Verweilzeiten und Temperaturen im
Extruder modifiziert. Dabei wird dem Granulat vor dem Extrusionsprozess
0,5 Gew. % N,N'-Dicyclohexylcarbodiimid, bezogen auf die gesamte
Polymermasse, zugemischt. Die Extrusion erfolgt mit Hilfe eines
Doppelschneckenextruders Rheomex® der
Firma Haake. Es werden Fasern erhalten, die auf ihren Caprolactamgehalt
untersucht werden.
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Die relative Lösungsviskosität ηrel wird in 96 %iger Schwefelsäure mit
Hilfe eines Ubbelohde-Viskosimeters bei 25°C bestimmt, wobei die Polymerkonzentration
c 0,01 g/cm3 beträgt.
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Aus der relativen Lösungsviskosität η
rel wird mit Hilfe der Hugginsgleichung die
Grenzviskositätszahl [η] ermittelt
und aus der Mark-Houwink Beziehung das Molekulargewicht M berechnet.
Müller
et al. (Makromolekul. Chem., 182, 177 (1981)) haben die Huggins-
und Mark-Houwink Gleichung für
Polycaprolactam wie folgt bestimmt:
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Der Caprolactamgehalt der Proben
wird mit Hilfe der Hochdruckflüssigkeitschromatographie
(HPLC) ermittelt. Dabei werden die Proben zuvor 24 Stunden bei 100°C mit Wasser
extrahiert. Anschließend
wird über eine
Nutsche abfiltriert und mehrmals mit Wasser nachgespült. Der
Gehalt von Caprolactam im Filtrat wird mit Hilfe eines HPLC Systems
400 der Firma Kontron Instruments quantifiziert. Als Säule dient
eine Luna 5 μ C8(2) 150*4,60
mm der Firma Phenomenex. Eluent ist ein Gemisch aus Wasser/Acetonitril
mit einem Anteil von 88 Vol. % Wasser zu Beginn der Messung.
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Tabelle 1 zeigt den Einfluss von
N,N'-Dicyclohexylcarbodiimid bei einer Verweilzeit von 5 min und
einer Temperatur von 260°C
im Doppelschneckenextruder, wobei die Masse des Carbodiimids zur
Gesamtpolymermasse 0,5 Gew. % beträgt. Tabelle
1:
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Beispiel 2 (Modifikation
von Polycaprolactam im Reaktor nach der Polymerisationsphase)
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700 g Caprolactam werden in einem
5 Liter-Autoklaven der Firma Juchheim unter Stickstoff und Rühren bei
110°C aufgeschmolzen.
An der Rührerwelle
befindet sich ein Drehmomentaufnehmer, mit dem man das Ansteigen
der Schmelzviskosität
und somit das Ansteigen des Molekulargewichts während der Polykondensationsphase
verfolgen kann. Nach Zugabe von 7,0 g ε-Aminocapronsäure, 2,1
g Benzoesäure
und 21 ml bidestilliertes Wasser wird der Reaktor vollständig verschlossen.
Das Reaktionsgemisch wird auf 245°C
erwärmt
und dort für
4 Stunden gehalten. Der Druck steigt dabei auf 5 bar an. Nach der Überdruckphase
wird innerhalb von 45 Minuten auf Atmosphärendruck entspannt. Nach dem
Entspannen wird die Temperatur auf 260°C erhcht und ein permanenter
Stickstoffstrom durch die Apparatur geleitet. Bei Erreichen eines
definierten Drehmoments wird 0,5 bzw. 1 Gew. % N,N'-Dicyclohexylcarbodiimid
hinzugegeben und 10 Minuten intensiv durchmischt. Das modifizierte
Polycaprolactam wird unter Stickstoffüberdruck in eine Wasserbad
geleitet und anschließend
granuliert.
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Als Referenzpolymer dient ein unter
denselben Bedingungen hergestelltes Polycaprolactam, das jedoch
keine Zugabe von N,N'-Dicyclohexylcarbodiimid erfahren hat.
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Sowohl das unmodifizierte Granulat
als auch die beiden modifizierten Polycaprolactam Granulate werden
24 Stunden bei 100°C
mit Wasser extrahiert. Die extrahierten Proben werden nach dem Trocknen
bei verschiedenen Verweilzeiten im Extruder auf ihre Caprolactamrückbildung
untersucht. Die Extrusion erfolgt mit Hilfe eines Doppelschneckenextruders
Rheomex® der
Firma Haake. Es werden Fasern erhalten, die auf ihren Caprolactamgehalt
untersucht werden.
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Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der
Untersuchungen der Caprolactamrückbildung
der mit N,N'-Dicyclohexylcarbodiimid modifizierten Polycaprolactam
Polymere und des unmodifizierten Polycaprolactam bei einer Verweilzeit
von 5 min und einer Temperatur von 260°C im Extruder. Tabelle
2: