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Die vorliegende Erfindung betrifft
Kern-Schale-Teilchen, Verfahren zur Herstellung von Kern-Schale-Teilchen,
Formmassen enthaltend Kern-Schale-Teilchen
sowie deren Verwendung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende
Erfindung auf Kern-Schale-Teilchen, welche zur Schlagzähmodifizierung
von Poly(meth)acrylat-Formmassen eingesetzt werden können. Es
ist bereits seit langem bekannt, dass die Kerbschlagzähigkeit
von Formmassen, insbesondere von Poly(meth)acrylat-Formmassen, verbessert
werden kann, indem man der Formmasse eine geeignete Menge sogenannter
Schlagzähmodifizierer
zusetzt. Dabei hat sich der Einsatz von Kern-Schale-Teilchen mit
einer oder zwei Schalen in der Technik durchgesetzt. Diese weisen
im allgemeinen eine elastomere Phase auf, wobei bei einem Kern-Schale-Teilchen mit einer
Schale meist der Kern und bei einem Kern-Schale-Teilchen mit zwei Schalen meist die
auf den Kern aufgepfropfte erste Schale die elastomere Phase darstellen.
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Beispielsweise offenbart das US-Patent
US 3 793 402 schlagzähe
Formmassen, insbesondere auf Poly(meth)acrylat-Basis, welche 90
bis 4 Gew.-% eines mehrstufigen Kern-Schale-Teilchens mit einem
harten Kern, einer elastomeren ersten Schale und einer harten zweiten
Schale aufweisen. Typische Hauptbestandteile des Kerns und der zweiten
Schale sind Alkylmethacrylate mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen im Alkylrest,
insbesondere Methylmethacrylat. Die erste Schale ist im wesentlichen
aus Butadien, substituierten Butadienen und/oder Alkylacrylaten
mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen im Alkylrest aufgebaut. Sie kann jedoch
auch 0 bis 49,9 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 30 Gew.-% copolymerisierbare
Monomer-Einheiten, wie beispielsweise copolymerisierbare, monoethylenisch-ungesättigte Monomer-Einheiten,
enthalten. Dabei ist gemäß
US 3 793 402 die Anwesenheit
von 10 bis 25 Gew.-% copolymerisierbaren, monoethylenisch-ungesättigten
Monomer-Einheiten, insbesondere von Styrol, ganz besonders vorteilhaft.
Der Gesamtdurchmesser der Kern-Schale-Teilchen liegt im Bereich
von 100 bis 300 nm.
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In ähnlicher Weise beschreibt die
deutsche Patentanmeldung DE 41 21 652 A1 Schlagzähmodifizierer für thermoplastische
Kunststoffe, wie Polymethylmethacrylat, bestehend aus einem wenigstens
dreiphasigen Emulsionspolymerisat, enthaltend
- A)
einen harten Kern aus einem vernetzten Homo- oder Copolymerisat
von ethylenisch-ungesättigten,
radikalisch polymerisierbaren Monomeren;
- B) einer in Gegenwart des Kernmaterials erzeugten Elastomerphase
mit einer Glasübergangstemperatur nicht über 10°C, die aufgebaut
ist aus
a) einem Alkylester der Acrylsäure mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen
im Alkylrest;
b) wenigstens einem vernetzenden Comonomeren
mit zwei oder mehr polymerisierbaren Doppelbindungen im Molekül;
c)
Arylalkylacrylat oder -methacrylat;
d) einer in Gegenwart der
Elastomerphase erzeugten Hartphase aus einem Homo- oder Copolymerisat
von ethylenisch-ungesättigten,
radikalisch polymeriserbaren Monomeren mit einer Glasübergangstemperatur von
wenigstens 50°C.
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Eine examplarisch in dieser Druckschrift
angeführte
Formmasse (Beispiel 3) weist eine Izod-Kerbschlagzähigkeit
bei Raumtemperatur von 6,2 kJ/m2, bei –10 °C von 4,7
kJ/m2 und bei –20 °C von 3,7 kJ/m2 auf. Die
Vicat-Erweichungstemperatur
der Formmasse beträgt
dabei 97 °C.
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Die deutsche Patentanmeldung DE 41
36 993 A1 offenbart schlagzähmodifizierte
Formmassen, welche 10 bis 96 Gew.-% eines Polymerisats auf Basis
von Polymethylmethacrylat und 4 bis 90 Gew.-% eines mehrstufigen
Kern-Schale-Schale-Teilchens enthalten, wobei für die Herstellung des Kerns
und der zweiten Schale jeweils eine Monomermischung eingesetzt wird,
die im wesentlichen Methylmethacrylat enthält. Die Monomermischung für die erste
Schale umfasst 60 bis 89,99 Gew.-% Acrylsäurealkylester mit 1 bis 20
Kohlenstoffatomen im Alkylrest und/oder Cycloalkylacrylate mit 5
bis 8 Kohlenstoffatomen im Cycloalkylrest und 10 bis 39,99 Gew.-%
Acrylsäurephenyl-alkylester
mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen im Alkylrest sowie gegebenenfalls
weitere Bestandteile. Der mittlere Teilchendurchmesser der Kern-Schale-Schale-Teilchen
liegt im Bereich von 50 nm bis 1000 nm, insbesondere im Bereich
von 150 nm bis 400 nm.
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Das europäische Patent EP 0 828 772 B1
beschreibt die Schlagzähmodifizierung
von Poly(meth)acrylaten mittels mehrstufiger Kern-Schale-Teilchen,
die aus einem Kern, einer ersten Schale und gegebenenfalls einer
zweiten Schale bestehen und von vinylisch ungesättigten Verbindungen mit mindestens zwei
gleich reaktiven Doppelbindungen frei sind. Dabei enthält der Kern
ein erstes (Meth)acrylpolymer. Die erste Schale weist ein Polymer
mit tiefer Glasübergangstemperatur
auf, welches 0 bis 25 Gew.-%, insbesondere 5 bis 26 Gew.-%, eines
styrolischen Monomers und 75 bis 100 Gew.-% eines (Meth)acrylmonomers,
das ein Homopolymer mit einer Glasübergangstemperatur zwischen –75 °C und –5° C bildet,
umfasst. Die gegebenenfalls vorhandene zweite Schale enthält ein zweites
(Meth)acrylpolymer, das dem ersten (Meth)acrylpolymer entsprechen
oder von ihm verschieden sein kann. Der Gesamtdurchmesser der Kern-Schale-Teilchen liegt
im Bereich von 250 nm bis 320 nm.
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Neben den Emulsionspolymerisaten
werden vereinzelt auch Suspensionspolymerisate zur Schlagzähmodifizierung
von Formmassen eingesetzt. Hier liegt der Kautschuk mit beispielsweise
Polymethylmethacrylat gepfropft relativ fein verteilt in der Matrix
der Formmasse, beispielsweise Polymethylmethacrylat, vor. Die elastomere
Phase besteht aus einem meist vernetzten Copolymerisat mit niedriger
Glasübergangstemperatur
kleiner 25 °C,
welche üblicherweise
Alkylacrylat-Einheiten mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen im Alkylrest,
insbesondere Butylacrylat-Einheiten, als Hauptkomponente aufweisen.
Vereinzelt werden auch Polybutadien oder Polybutadien-Copolymere
als Zähphase
eingesetzt.
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Obwohl schon unter Verwendung der
vorstehend beschriebenen Schlagzähmodifizierer
eine deutliche Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit erreicht werden kann,
ist diese jedoch für
viele Anwendungen noch nicht vollkommen befriedigend. So erfordert
insbesondere die Schlagzähmodifizierung
bei tiefen Temperaturen eine verhältnismäßig große Menge dieser Schlagzähmodifizierer,
welches wiederum zu einer deutlichen Verschlechterung der anderen,
für die
Anwendung bedeutenden Eigenschaften der Formmasse, insbesondere des
E-Moduls, der Schmelzviskosität,
der Vicat-Temperatur und der Strangaufweitung, führt.
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Von der Technik werden daher Schlagzähmodifizierer
gefordert, welche bei möglichst
geringen Mengen an Schlagzähmodifizierer
eine hinreichende Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit einer Formmasse, insbesondere
bei tiefen Temperaturen ermöglicht,
ohne dass gleichzeitig die anderen bedeutenden Eigenschaften der
Formmasse, insbesondere der E-Modul, die Schmelzviskosität, die Vicat-Temperatur
und die Strangaufweitung, merklich verschlechtert werden. Dabei
soll die Formmasse eine Kerbschlagzähigkeit nach Izod bei 23 °C vorzugsweise
größer 6,0
kJ/m2, ein E-Modul vorzugsweise größer 1450
MPa, eine Schmelzviskosität
vorzugsweise größer 2000
Pa s und günstigerweise
kleiner 4500 Pa s, eine Vicat-Temperatur vorzugsweise größer 93 °C sowie eine
Strangaufweitung vorzugsweise im Bereich von 0 bis 20 aufweisen.
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In Anbetracht des Standes der Technik
war es nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Schlagzähmodifizierer
für Formmassen,
insbesondere für
Poly(meth)acrylat-Formmassen, zur Verfügung zu stellen, welche eine
Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit
von Formmassen, insbesondere bei tiefen Temperaturen, ermöglichen,
ohne gleichzeitig die anderen, für
die Anwendung bedeutenden Eigenschaften der Formmasse, insbesondere
der E-Modul, die Schmelzviskosität,
die Vicat-Temperatur und die Strangaufweitung, merklich zu verschlechtern.
Dabei sollten die Formmassen eine Kerbschlagzähigkeit nach Izod bei 23 °C vorzugsweise größer 6,0
kJ/m2, ein E-Modul vorzugsweise größer 1450
MPa, eine Schmelzviskosität
vorzugsweise größer 2000
Pa s und günstigerweise
kleiner 4500 Pa s, eine Vicat-Temperatur vorzugsweise größer 93 °C sowie eine Strangaufweitung
vorzugsweise im Bereich von 0 bis 20 % aufweisen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
war auch darin zu erblicken, Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schlagzähmodifizierer
anzugeben, welche auf einfache Art und Weise, im industriellen Maßstab und
kostengünstig
herstellbar sind.
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Der vorliegenden Erfindung lag auch
die Aufgabe zugrunde, Anwendungsgebiete und Verwendungsmöglichkeiten
der erfindungsgemäßen Schlagzähmodifizierer
anzugeben.
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Gelöst werden diese sowie weitere
nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin einleitend
diskutierten Zusammenhängen
ohne weiteres ableitbar oder erschließbar sind, durch ein Kern-Schale-Teilchen
mit allen Merkmalen des vorliegenden Patentanspruchs 1. Zweckmäßige Abwandlungen
des erfindungsgemäßen Kern-Schale-Teilchens
werden in den auf Anspruch 1 rückbezogenen
Unteransprüchen
unter Schutz gestellt. Der Anspruch der Verfahrenskategorie schützt eine
bevorzugte Herstellungsweise des erfindungsgemäßen Kern-Schale-Teilchens.
Weiterhin werden schlagzähmodifizierte
Poly(meth)acrylat-Formmassen, welche erfindungsgemäße Kern-Schale-Teilchen
enthalten, sowie bevorzugte Einsatzgebiete dieser Formmassen beansprucht.
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Dadurch, dass man ein Kern-Schale-Teilchen
bereitstellt, welches aus einem Kern, einer ersten Schale und gegebenenfalls
einer zweiten Schale besteht, wobei:
- i) der
Kern, bezogen auf sein Gesamtgewicht, mindestens 75,0 Gew.-% (Meth)acrylat-Wiederholungseinheiten
umfasst;
- ii) die erste Schale eine Glasübergangstemperatur kleiner
30 °C aufweist;
- iii) die gegebenenfalls vorhandene zweite Schale, bezogen auf
ihr Gesamtgewicht, mindestens 75,0 Gew.-% (Meth)acrylat-Wiederholungseinheiten
umfasst;
- iv) die erste Schale, bezogen auf ihr Gesamtgewicht, die nachstehenden
Bestandteile umfasst:
E) 92,0 bis 98,0 Gew.-% (Meth)acrylat-Wiederholungseinheiten
und
F) 2,0 bis 8,0 Gew.-% styrolische Wiederholungseinheiten
der allgemeinen Formel (I) wobei die Reste R1 bis R5 jeweils
unabhängig
voneinander Wasserstoff, ein Halogen, eine C1–6-Alkylgruppe oder
eine C2–6-Alkenylgruppe bezeichnen
und der Rest R6 Wasserstoff oder eine Alkylgruppe
mit 1 bis 6 Kohlenstoftatomen ist,
wobei sich die Gewichtsprozente
von E) und F) zu 100,0 Gew.-% addieren,
- v) der Radius des Kern-Schale-Teilchens inklusive der gegebenenfalls
vorhandenen zweiten Schale, gemessen nach dem Coulter-Verfahren,
im Bereich von größer 160,0
bis 240,0 nm liegt,
gelingt es auf nicht ohne weiteres vorhersehbare
Weise, einen Schlagzähmodifizierer
für Formmassen,
insbesondere für
Poly(meth)acrylat-Formmassen zugänglich
zu machen, welcher eine Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit
von Formmassen, insbesondere bei tiefen Temperaturen, ermöglicht,
ohne gleichzeitig die anderen, für
die Anwendung bedeutenden Eigenschaften der Formmasse, insbesondere
der E-Modul, die Schmelzviskosität,
die Vicat-Temperatur und die Strangaufweitung, merklich zu verschlechtern.
Dabei weisen erfindungsgemäß besonders
geeignete Formmassen eine Kerbschlagzähigkeit nach Izod bei 23 °C vorzugsweise
größer 6,0
kJ/m2, ein E-Modul vorzugsweise größer 1450
MPa, eine Schmelzviskosität vorzugsweise
größer 2000
Pa s und günstigerweise
kleiner 4500 Pa s, eine Vicat-Temperatur vorzugsweise größer 93 °C sowie eine
Strangaufweitung vorzugsweise im Bereich von 0 bis 20 % auf.
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Zugleich lassen sich durch Einsatz
der erfindungsgemäßen Kern-Schale-Teilchen eine Reihe
wichtiger Vorteile erzielen. Hierzu gehören unter anderem:
- – Durch
Verwendung der erfindungsgemäßen Kern-Schale-Teilchen
werden Formmassen mit deutlich verbesserten Kerbschlägzähigkeit-Werten, insbesondere
bei tiefen Temperaturen kleiner 0 °C, zweckmäßigerweise Formmassen mit einer
Kerbschlagzähigkeit
nach Izod gemäß ISO 180
größer 3,7
kJ/m2 bei –20 °C, zugänglich.
- – Im
Vergleich mit herkömmlichen
Schlagzähmodifizierern
reichen deutlich geringere Mengen der erfindungsgemäßen Kern-Schale-Teilchen aus, um
Formmassen mit vergleichbaren Kerbschlagzähigkeiten bei tiefen Temperaturen,
insbesondere bei –20 °C, zu erhalten.
- – Die
erfindungsgemäßen Kern-Schale-Teilchen
können
auf einfache Art und Weise, großtechnisch
und kostengünstig
hergestellt werden.
- – Die
auf erfindungsgemäße Weise
schlagzähmodifizierten
Formmassen zeichnen sich durch ein deutlich verbessertes Eigenschaftsprofil
bei tiefen Temperaturen, insbesondere bei –20 °C, aus. Dies prädestiniert sie
für Anwendungen
bei tiefen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen kleiner 0 °C.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Kern-Schale-Teilchen, welche einen Kern, eine erste Schale und gegebenenfalls
eine zweite Schale aufweisen. Darüber hinaus können die
erfindungsgemäßen Kern-Schale-Teilchen gegebenenfalls
weitere Schalen umfassen, obwohl sich für die Zwecke der vorliegenden
Erfindung solche Kern-Schale-Teilchen besonders bewährt haben,
welche aus einem Kern, einer ersten Schale und vorzugsweise einer
zweiten Schale bestehen.
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Der Begriff "Kern-Schale-Teilchen" ist aus dem Stand der Technik bestens
bekannt und bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung Polymerisate,
welche durch mehrstufige Emulsionspolymerisation erhältlich sind.
Dieses Verfahren ist in dem Stand der Technik bereits seit langem
bekannt und wird beispielsweise in Houben-Weyl, Band E20, Teil 2
(1987), S. 1150 ff. ausgeführt
und erläutert.
Weitere wertvolle Hinweise kann der Fachmann auch den Druckschriften
US 3 793 402, DE 41 21 652 A1, DE 41 36 993 A1, EP 828 772 A1 entnehmen,
auf deren Offenbarung hiermit explizit Bezug genommen wird.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
weist der Kern, bezogen auf sein Gesamtgewicht, mindestens 75 Gew.-%
(Meth)acrylat-Wiederholungseinheiten
auf.
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Dabei bezeichnen im Rahmen der vorliegenden
Erfindungen die Schreibweise "(Meth)acrylate" Acrylate, Methacrylate
sowie Mischungen aus beiden. Sie umfassen somit Verbindungen, welche
mindestens eine Gruppe der folgenden Formel aufweisen
wobei R Wasserstoff oder
einen Methylrest kennzeichnet. Zu ihnen gehören insbesondere Alkylacrylate und/oder
Alkylmethacrylate.
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Vorzugsweise umfasst der Kern, jeweils
bezogen auf sein Gesamtgewicht,
- A) 50,0 bis
99,9 Gew.-%, zweckmäßigerweise
60,0 bis 99,9 Gew.-%, vorzugsweise 75,0 bis 99,9 Gew.-%, besonders
bevorzugt 80,0 bis 99,0 Gew.-%, insbesondere 85,0 bis 99,0 Gew.-%,
Alkylmethacrylat-Wiederholungseinheiten
mit 1 bis 20, vorzugsweise 1 bis 12, insbesondere 1 bis 8, Kohlenstoffatomen
im Alkylrest,
- B) 0,0 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,0 bis 24,9 Gew.-%, zweckmäßigerweise
1,0 bis 29,9 Gew.-% insbesondere 1,0 bis 14,9 Gew.- %, Alkylacrylat-Wiederholungseinheiten
mit 1 bis 20, vorzugsweise 1 bis 12, besonders bevorzugt 1 bis 8,
insbesondere 1 bis 4, Kohlenstoffatomen im Alkylrest,
- C) 0,1 bis 2,0 Gew.-% vernetzende Wiederholungseinheiten und
- D) 0,0 bis 8,0 Gew.-% styrolische Wiederholungseinheiten der
allgemeinen Formel (I) wobei sich die angegebenen
Gewichtsprozente vorzugsweise zu 100,0 Gew.-% ergänzen.
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Dabei sind die Verbindungen A), B),
C) und D) natürlich
voneinander verschieden, insbesondere umfassen die Verbindungen
A) und B) keine vernetzenden Monomere C).
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Die Reste R1 bis
R5 bezeichnen jeweils unabhängig voneinander
Wasserstoff, ein Halogen, insbesondere Fluor, Chlor oder Brom, oder
eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise Wasserstoff. Der
Rest R6 kennzeichnet Wasserstoff oder eine
Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise Wasserstoff.
Besonders geeignete Alkylgruppen mit 1 bis 6 Kohlestoffatomen sind
Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl-, n-Butyl-, sec-Butyl-, tert.-Butyl-,
n-Pentyl-, n-Hexylgruppen sowie Cyclopentyl- und Cyclohexylgruppen.
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Somit umfassen styrolische Wiederholungseinheiten
der allgemeinen Formel (I) wiederkehrende Struktureinheiten, welche
durch Polymerisation von Monomeren der allgemeinen Formel (Ia) erhältlich sind.
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Geeignete Monomere der allgemeinen
Formel (Ia) umfassen insbesondere Styrol, substituierte Styrole mit
einem Alkylsubstituenten in der Seitenkette, wie beispielsweise α-Methylstyrol
und α-Ethylstyrol,
substituierte Styrole mit einem Alkylsubstituenten an dem Ring,
wie beispielsweise Vinyltoluol und p-Methylstyrol, halogenierte
Styrole, wie beispielsweise Monochlorstyrole, Dichlorstyrole, Tribromstyrole
und Tetrabromstyrole.
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Unter den oben erwähnten Alkylmethacrylat-Wiederholungseinheiten
(A) werden wiederkehrende Struktureinheiten verstanden, welche durch
Polymerisation von Estern der Methacrylsäure erhältlich sind. Geeignete Ester
der Methacrylsäure
umfassen insbesondere Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Propylmethacrylat,
Isopropylmethacrylat, n-Butylmethacrylat,
sec-Butylmethacrylat, tert-Butylmethacrylat, Pentylmethacrylat,
Hexylmethacrylat, Heptylmethacrylat, Octylmethacrylat, 2-Octylmethacrylat,
Ethylhexylmethacrylat, Nonylmethacrylat, 2-Methyloctylmethacrylat,
2-tert.-Butylheptylmethacrylat, 3-iso-Propylheptylmethacrylat, Decylmethacrylat,
Undecylmethacrylat, 5-Methylundecylmethacrylat,
Dodecylmethacrylat, 2-Methyldodecylmethacrylat,
Tridecylmethacrylat, 5-Methyltridecylmethacrylat,
Tetradecylmethacrylat, Pentadecylmethacrylat, Hexadecylmethacrylat,
2-Methylhexadecylmethacrylat, Heptadecylmethacrylat, 5-iso-Propylheptadecylmethacrylat,
5-Ethyloctadecylmethacrylat,
Octadecylmethacrylat, Nonadecylmethacrylat, Eicosylmethacrylat,
Cycloalkylmethacrylate, wie beispielsweise Cyclopentylmethacrylat,
Cyclohexylmethacrylat, 3-Vinyl-2-butylcyclohexylmethacrylat, Cycloheptylmethacrylat,
Cyclooctylmethacrylat, Bornylmethacrylat und Isobornylmethacrylat.
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Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
der Kern, bezogen auf sein Gesamtgewicht, mindestens 50 Gew.-%,
zweckmäßigerweise
mindestens 60 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 75 Gew.-%, insbesondere
mindestens 85 Gew.-% Methylmethacrylat-Wiederholungseinheiten.
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Unter den oben erwähnten Alkylacrylat-Wiederholungseinheiten
(B) werden wiederkehrende Struktureinheiten verstanden, welche durch
Polymerisation von Estern der Acrylsäure erhältlich sind. Geeignete Ester der
Acrylsäure
umfassen insbesondere Methylacrylat, Ethylacrylat, Propylacrylat,
Isopropylacrylat, n-Butylacrylat, sec-Butylacrylat, tert-Butylacrylat, Pentylacrylat,
Hexylacrylat, Heptylacrylat, Octylacrylat, 2-Octylacrylat, Ethylhexylacrylat, Nonylacrylat,
2-Methyl-octylacrylat, 2-tert.-Butylheptylacrylat,
3-iso-Propylheptylacrylat, Decylacrylat, Undecylacrylat, 5-Methylundecylacrylat,
Dodecylacrylat, 2-Methyldodecylacrylat, Tridecylacrylat, 5-Methyltridecylacrylat,
Tetradecylacrylat, Pentadecylacrylat, Hexadecylacrylat, 2-Methylhexadecylacrylat,
Heptadecylacrylat, 5-iso-Propylheptadecylacrylat, 5-Ethyloctadecylacrylat,
Octadecylacrylat, Nonadecylacrylat, Eicosylacrylat, Cycloalkylacrylate,
wie beispielsweise Cyclopentylacrylat, Cyclohexylacrylat, 3-Vinyl-2-butylcyclohexylacrylat,
Cycloheptylacrylat, Cyclooctylacrylat, Bornylacrylat und Isobornylacrylat.
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Unter den oben erwähnten vernetzenden-Wiederholungseinheiten
(C) werden wiederkehrende Struktureinheiten verstanden, welche durch
Polymerisation von vernetzenden Monomeren erhältlich sind. Geeignete vernetzende
Monomere umfassen insbesondere alle die Verbindungen, welche in
der Lage sind, unter den vorliegenden Polymerisationsbedingungen
eine Vernetzung herbeizuführen.
Hierzu gehören
insbesondere
- (a) Difunktionelle (Meth)acrylate,
vorzugsweise
Verbindungen der allgemeinen Formel: worin R Wasserstoff oder
Methyl ist und n eine positive ganze Zahl größer gleich 2, vorzugsweise
zwischen 3 und 20 bezeichnet, insbesondere Di(meth)acrylate des
Propandiols, Butandiols, Hexandiols, Octandiols, Nonandiols, Decandiols
und des Eicosandiols;
Verbindungen der allgemeinen Formel: worin R Wasserstoff oder
Methyl ist und n eine positive ganze Zahl zwischen 1 und 14 bedeutet,
insbesondere Di(meth)acrylate des Ethylenglycols, Diethylenglycols,
Triethylenglycols, Tetraethylenglycols, Dodecaethylenglycols, Tetradecaethylenglycols,
Propylenglycols, Dipropylglycols und des Tetradecapropylenglycols.
Glycerindi(meth)acrylat,
2,2'-Bis[p-(γ-methacryloxy-β-hydroxypropoxy)-phenylpropan] oder
Bis-GMA, Biphenol-A-dimethacrylat, Neopentylglycoldi(meth)acrylat,
2,2'-Di(4- methacryloxypolyethoxyphenyl)propan mit
2 bis 10 Ethoxygruppen pro Molekül
und 1,2-Bis(3-methacryloxy-2-hydroxypropoxy)butan.
- (b) Tri- oder polyfunktionelle (Meth)acrylate, insbesondere
Trimethylolpropantri(meth)acrylate und Pentaerythritoltetra(meth)acrylat.
- (c) Pfropfvernetzer mit mindestens zwei unterschiedlich reaktiven
C-C-Doppelbindungen,
insbesondere Allylmethacrylat und Allylacrylat;
- (d) aromatische Vernetzer, insbesondere 1,2-Divinylbenzol, 1,3-Divinylbenzol und
1,4-Divinylbenzol.
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Vorzugsweise erfolgt die Auswahl
der Gewichtsanteile der Bestandteile A) bis D) des Kerns derart, dass
der Kern eine Glasübergangstemperatur
Tg von mindestens 10 °C,
vorzugsweise von mindestens 30 °C, aufweist.
Dabei kann die Glasübergangstemperatur
Tg des Polymerisates in bekannter Weise mittels Differential Scanning
Calorimetry (DSC) ermittelt werden. Weiterhin kann die Glasübergangstemperatur
Tg auch mittels der Fox-Gleichung näherungsweise voraus berechnet
werden. Nach Fox T. G., Bull. Am. Physics Soc. 1, 3, Seite 123 (1956)
gilt:
wobei
x
n für
den Massebruch (Gew.-%/100) des Monomeren n steht und Tg
n die Glasübergangstemperatur in Kelvin
des Homopolymeren des Monomeren n bezeichnet. Weitere hilfreiche
Hinweise kann der Fachmann dem Polymer Handbook 2
nd Edition,
J. Wiley & Sons,
New York (1975) entnehmen, welche Tg-Werte für die geläufigsten Homopolymerisate angibt.
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Die erste Schale der erfindungsgemäßen Kern-Schale-Teilchen
weist eine Glasübergangstemperatur kleiner
30° C, vorzugsweise
kleiner 10 °C,
insbesondere im Bereich von 0 bis –75 °C, auf. Dabei kann die Glasübergangstemperatur
Tg des Polymerisates, wie vorstehend bereits erwähnt mittels Differential Scanning
Calorimetry (DSC) ermittelt und/oder mittels der Fox-Gleichung näherungsweise
voraus berechnet werden.
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Die erste Schale umfasst, bezogen
auf ihr Gesamtgewicht, die nachstehenden Bestandteile:
- E) 92,0 bis 98,0 Gew.-% (Meth)acrylat-Wiederholungseinheiten
und
- F) 2,0 bis 8,0 Gew.-% styrolische Wiederholungseinheiten der
allgemeinen Formel (I),
wobei sich die Gewichtsprozente zu
100 Gew.-% addieren.
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Im Rahmen einer ganz besonders bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst die erste Schale
- E-1) 90,0 bis 97,9 Gew.-% Alkylacrylat-Wiederholungseinheiten
mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen im Alkylrest und/oder Alkylmethacrylat-Wiederholungseinheiten
mit 7 bis 14 Kohlenstoffatomen im Alkylrest, insbesondere Butylacrylat-
und/oder Dodecylmethacrylat-Wiederholungseinheiten,
und
- E-2) 0,1 bis 2,0 Gew.-% vernetzende Wiederholungseinheiten,
- F) 2,0 bis 8,0 Gew.-% styrolische Wiederholungseinheiten der
allgemeinen Formel (I),
wobei sich die Gewichtsteile vorzugsweise
zu 100,0 Gew.-Teilen addieren.
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Dabei sind die Verbindungen E-1 ),
E-2) und F) natürlich
voneinander verschieden, insbesondere umfassen die Verbindungen
E-1) keine vernetzenden Monomere E-2).
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Die gegebenenfalls vorhandene zweite
Schale umfasst, bezogen auf ihr Gesamtgewicht, mindestens 75 Gew.-%
(Meth)acrylat-Wiederholungseinheiten.
Sie enthält
vorzugsweise
- G) 50,0 bis 100,0 Gew.-%, zweckmäßigerweise
60,0 bis 100,0 Gew.-%, besonders bevorzugt 75,0 bis 100,0 Gew.-%,
insbesondere 85,0 bis 99,5 Gew.-%, Alkylmethacrylat-Wiederholungseinheiten
mit 1 bis 20, vorzugsweise 1 bis 12, insbesondere 1 bis 8, Kohlenstoffatomen
im Alkylrest,
- H) 0,0 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,0 bis 25,0 Gew.-%, insbesondere
0,1 bis 15,0 Gew.- %, Alkylacrylat-Wiederholungseinheiten mit 1
bis 20, vorzugsweise 1 bis 12, insbesondere 1 bis 8, Kohlenstoffatomen
im Alkylrest,
- I) 0,0 bis 10,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,0 bis 8,0 Gew.-% styrolische
Wiederholungseinheiten der allgemeinen Formel (1),
wobei dich
die angegebenen Gewichtsprozente vorzugsweise zu 100,0 Gew.-% addieren.
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Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
die zweite Schale, bezogen auf ihr Gesamtgewicht, mindestens 50
Gew.-%, zweckmäßigerweise
mindestens 60 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 75 Gew.-%, insbesondere
mindestens 85 Gew.-%
Methylmethacrylat-Wiederholungseinheiten.
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Weiterhin erfolgt die Auswahl der
Bestandteile der zweiten Schale günstigerweise derart, dass die zweite
Schale eine Glasübergangstemperatur
Tg von mindestens 10 °C,
vorzugsweise von mindestens 30 °C, aufweist.
Dabei kann die Glasübergangstemperatur
Tg des Polymerisates, wie vorstehend bereits erwähnt mittels Differential Scanning
Calorimetry (DSC) ermittelt und/oder mittels der Fox-Gleichung näherungsweise
voraus berechnet werden.
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Der Gesamtradius des Kern-Schale-Teilchens
inklusive der gegebenenfalls vorhandenen zweiten Schale liegt im
Bereich von größer 160
bis 240 nm, vorzugsweise im Bereich von 170 bis 220 nm, insbesondere
im Bereich von 175 bis 210 nm. Dabei wird der Gesamtradius gemäß dem Coulter-Verfahren
bestimmt. Dieses in der Literatur bekannte Verfahren zur Partikelgrößen-Bestimmung
beruht auf der Messung des elektrischen Wiederstands, der sich beim
Durchtritt von Teilchen durch eine enge Messöffnung in charakteristischer
Weise ändert.
Weitere Details können
beispielsweise Nachr. Chem. Tech. Lab. 43, 553– 566 (1995) entnommen werden.
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Weiterhin hat es sich für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung als ganz besonders günstig erwiesen, dass, jeweils
bezogen auf sein Gesamtgewicht,
- i) der Kern
5,0 bis 50,0 Gew.-%, vorzugsweise 15,0 bis 50,0 Gew.-%, zweckmäßigerweise
25,0 bis 45,0 Gew.-%, insbesondere 30,0 bis 40,0 Gew.-%,
- ii) die erste Schale 20,0 bis 75,0 Gew.-%, vorzugsweise 30,0
bis 60,0 Gew.-%, zweckmäßigerweise
35,0 bis 55,0 Gew.-%, insbesondere 40,0 bis 50 Gew.-%, und
- iii) die zweite Schale 0,0 bis 50,0 Gew.-%, vorzugsweise 5,0
bis 40,0 Gew.-%, zweckmäßigerweise
10,0 bis 30,0 Gew.-%, insbesondere 15,0 bis 25,0 Gew.-%,
ausmacht,
wobei sich die Gewichtsprozente vorzugsweise zu 100,0 Gew.-% addieren.
-
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Kern-Schale-Teilchen
kann auf an sich bekannte Weise, beispielsweise mittels mehrstufiger
Emulsionspolymerisation erfolgen. Zweckmäßigerweise erfolgt sie durch
ein Verfahren, bei welchem man Wasser und Emulgator vorlegt. Dabei
enthält
die Vorlage vorzugsweise 90,00 bis 99,99 Gew.-Teile Wasser und 0,01
bis 10,00 Gew.-Teile Emulgator, wobei sich die angegebenen Gewichtsteile günstigerweise
zu 100,00 Gewichtsteilen addieren.
-
Zu dieser Vorlage werden dann schrittweise
in der folgenden Reihenfolge
- b) die Monomere
für den
Kern in den gewünschten
Verhältnissen
zugegeben und bis zu einem Umsatz von mindestens 85,0 Gew.-%, vorzugsweise
mindestens 90,0 Gew.-%, zweckmäßigerweise
mindestens 95,0 Gew.-%, insbesondere mindestens 99 Gew.-%, jeweils
bezogen auf ihr Gesamtgewicht, polymerisiert,
- c) die Monomere für
die erste Schale in den gewünschten
Verhältnissen
zugegeben und bis zu einem Umsatz von mindestens 85,0 Gew.-%, vorzugsweise
mindestens 90,0 Gew.-%, zweckmäßigerweise
mindestens 95,0 Gew.-%, insbesondere mindestens 99 Gew.-%, jeweils
bezogen auf ihr Gesamtgewicht, polymerisiert,
- d) gegebenenfalls die Monomere für die zweite Schale in den
gewünschten
Verhältnissen
zugegeben und bis zu einem Umsatz von mindestens 85,0 Gew.-%, vorzugsweise
mindestens 90,0 Gew.-%, zweckmäßigerweise
mindestens 95,0 Gew.-%, insbesondere mindestens 99 Gew.-%, jeweils
bezogen auf ihr Gesamtgewicht, polymerisiert.
-
Dabei bezeichnen Polymere im Sinne
der vorliegenden Erfindung Verbindungen, welche im Vergleich mit
der jeweiligen Ausgangsverbindung A) bis I), dem sogenannten Monomer,
mindestens das zehnfache Molekulargewicht aufweisen.
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Die Verfolgung des Reaktionsfortschrittes
der Polymerisation in jeden Schritt kann auf bekannte Weise, beispielsweise
gravimetrisch oder mittels Gaschromatographie erfolgen.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird die Polymerisation in den Schritten b) bis d) vorzugsweise
bei einer Temperatur im Bereich von 0 bis 120 °C, vorzugsweise im Bereich von
30 bis 100 °C
durchgeführt.
-
Dabei haben sich Polymersiationstemperaturen
im Bereich von größer 60 bis
kleiner 90 °C,
zweckmäßigerweise
im Bereich von größer 70 bis
kleiner 85 °C,
vorzugsweise im Bereich von größer 75 bis
kleiner 85 °C,
als ganz besonders günstig
erwiesen.
-
Die Initiierung der Polymerisation
erfolgt mit den für
die Emulsionspolymerisation gebräuchlichen
Initiatoren. Geeignete organische Initiatoren sind beispielsweise
Hydroperoxide, wie tert.-Butyl-Hydroperoxid oder
Cumolhydroperoxid. Geeignete anorganische Initiatoren sind Wasserstoffperoxid
sowie die Alkalimetall- und die Ammoniumsalze der Peroxodischwefelsäure, insbesondere
Natrium- und Kaliumperoxodisulfat. Geeignete Redox-Initiatorsysteme
sind beispielsweise Kombinationen von tertiären Aminen mit Peroxiden oder Natriumdisulfit
und Alkalimetall- und die Ammoniumsalze der Peroxodischwefelsäure, insbesondere
Natrium- und Kaliumperoxodisulfat, oder besonders bevorzugt Peroxide.
Weitere Details können
der Fachliteratur, insbesondere H. Rauch-Puntigam, Th. Völker, "Acryl- und Methacrylverbindungen", Springer, Heidelberg,
1967 oder Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, Vol.
1, Seiten 386ff, J. Wiley, New York, 1978 entnommen werden. Im Rahmen
der vorliegenden Erfindung ist der Einsatz von organischen und/oder
anorganischen Initiatoren besonders bevorzugt.
-
Die genannten Initiatoren können sowohl
einzeln als auch in Mischung verwendet werden. Sie werden vorzugsweise
in einer Menge von 0,05 bis 3,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht
der Monomere der jeweiligen Stufe, eingesetzt. Man kann auch bevorzugt
die Polymerisation mit einem Gemisch verschiedener Polymerisationsinitiatoren
unterschiedlicher Halbwertzeit durchführen, um den Radikalstrom im
Verlauf der Polymerisation sowie bei verschiedenen Polymerisationstemperaturen
konstant zu halten.
-
Die Stabilisierung des Ansatzes erfolgt
vorzugsweise mittels Emulgatoren und/oder Schutzkolloiden. Bevorzugt
wird die Stabilisierung durch Emulgatoren, um eine niedrige Dispersionsviskosität zu erhalten.
Die Gesamtmenge an Emulgator beträgt vorzugsweise 0,1 bis 5 Gew.-%,
insbesondere 0,5 bis 3 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
Monomere A) bis I). Besonders geeignete Emulgatoren sind anionische
oder nichtionische Emulgatoren oder deren Mischungen, insbesondere:
- – Alkylsulfate,
vorzugsweise solche mit 8 bis 18 Kohlenstoffatomen im Alkylrest,
Alkyl- und Alkylarylethersulfate mit 8 bis 18 Kohlenstoffatomen
im Alkylrest und 1 bis 50 Ethylenoxideinheiten;
- – Sulfonate,
vorzugsweise Alkylsulfonate mit 8 bis 18 Kohlenstoffatomen im Alkylrest,
Alkylarylsulfonate mit 8 bis 18 Kohlenstoffatomen im Alkylrest,
Ester und Halbester der Sulfobernsteinsäure mit einwertigen Alkoholen
oder Alkylphenolen mit 4 bis 15 Kohlenstoffatomen im Alkylrest;
gegebenenfalls können
diese Alkohole oder Alkylphenole auch mit 1 bis 40 Ethylenoxideinheiten
ethoxyliert sein;
- – Phosphorsäureteilester
und deren Alkali- und Ammoniumsalze, vorzugsweise Alkyl- und Alkylarylphosphate
mit 8 bis 20 Kohlenstoffatomen im Alkyl- bzw. Alkylarylrest und
1 bis 5 Ethylenoxideinheiten;
- – Alkylpolyglykolether,
vorzugsweise mit 8 bis 20 Kohlenstoffatomen im Alkylrest und 8 bis
40 Ethylenoxideinheiten;
- – Alkylarylpolyglykolether,
vorzugsweise mit 8 bis 20 Kohlenstoffatomen im Alkyl- bzw. Alkylarylrest
und 8 bis 40 Ethylenoxideinheiten;
- – Ethylenoxid/Propylenoxid-Copolymere,
vorzugsweise Blockcopolymere, günstigerweise
mit 8 bis 40 Ethylenoxid- bzw. Propylenoxideinheiten.
-
Erfindungsgemäß bevorzugt werden Gemische
aus anionischem Emulgator und nichtionischen Emulgator eingesetzt.
Dabei haben sich Gemische aus einem Ester oder Halbester der Sulfobernsteinsäure mit
einwertigen Alkoholen oder Alkylphenolen mit 4 bis 15 Kohlenstoffatomen
im Alkylrest als anionischem Emulgator und einem Alkylpolyglykolether,
bevorzugt mit 8 bis 20 Kohlenstoffatomen im Alkylrest und 8 bis
40 Ethylenoxideinheiten, als nichtionischem Emulgator in einem Gewichtsverhältnis von
8 : 1 bis 1 : 8 ganz besonders bewährt.
-
Gegebenenfalls können die Emulgatoren auch in
Mischung mit Schutzkolloiden eingesetzt werden. Geeignete Schutzkolloide
umfassen u. a. teilverseifte Polyvinylacetate, Polyvinylpyrrolidone,
Carboxymethyl-, Methyl-, Hydroxyethyl-, Hydroxypropyl-Cellulose,
Stärken,
Proteine, Poly(meth)acrylsäure,
Poly(meth)acrylamid, Polyvinylsulfonsäuren, Melaminformaldehydsulfonate,
Naphthalinformaldehydsulfonate, Styrol-Maleinsäure- und Vinylethermaleinsäure-Copolymere.
Falls Schutzkolloide eingesetzt werden, erfolgt dies vorzugsweise
in einer Menge von 0,01 bis 1,0 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge
der Monomere A) bis I). Die Schutzkolloide können vor dem Start der Polymerisation
vorgelegt oder zudosiert werden.
-
Der Initiator kann vorgelegt oder
zudosiert werden. Weiterhin ist es auch möglich, einen Teil des Initiators
vorzulegen und den Rest zudosieren.
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Bevorzugt wird die Polymerisation
durch Erhitzen des Ansatzes auf die Polymerisationstemperatur und
Zudosierung des Initiators, vorzugsweise in wässriger Lösung, gestartet. Die Dosierungen
von Emulgator und Monomeren können
separat durch geführt
werden oder als Gemisch. Bei der Zudosierung von Gemischen aus Emulgator
und Monomer wird so vorgegangen, dass Emulgator und Monomer in einem
dem Polymerisationsreaktor vorgeschalteten Mischer vorgemischt werden.
Bevorzugt wird der Rest an Emulgator und der Rest an Monomer, welche nicht
vorgelegt wurden, nach dem Start der Polymerisation getrennt voneinander
zudosiert. Vorzugsweise wird mit der Dosierung 15 bis 35 Minuten
nach dem Start der Polymerisation begonnen.
-
Weiterhin ist es für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft, dass die Vorlage
ein sogenantes "Saatlatex" enthält, welches
vorzugsweise durch Polymersiation von Alkyl(meth)acrylaten erhältlich ist
und darüber
hinaus günstigerweise
einen Teilchenradius, im Bereich von 3,0 bis 20,0 nm aufweist. Diese
kleinen Radien können
nach einer definierten Aufpolymerisation des Saatlatex, bei der
eine Schale um den Saatlatex aufgebaut wird und die Radien der so
hergestellten Teilchen nach dem Coulter-Verfahren gemessen wurden,
berechnet werden. Dieses in der Literatur bekannte Verfahren zur
Partikelgrößen-Bestimmung beruht auf
der Messung des elektrischen Wiederstands, der sich beim Durchtritt
von Teilchen durch eine enge Messöffnung in charakteristischer
Weise ändert.
Weitere Details können
beispielsweise Nachr. Chem. Tech. Lab. 43, 553–566 (1995) entnommen werden.
-
Zu dem Saatlatex werden die Monomerbestandteile
des eigentlichen Kerns, d. h. die erste Zusammensetzung, vorzugsweise
unter solchen Bedingungen zugegeben, dass die Bildung neuer Teilchen
vermieden wird. Dadurch wird das in der ersten Verfahrensstufe entstehende
Polymerisat schalenförmig
um das Saatlatex herum gelagert. Analog werden die Monomerbestandteile
des ersten Schalenmaterials (zweite Zusammensetzung) unter solchen
Bedingungen zu dem Emulsionspolymerisat zugegeben, dass die Bildung neuer
Teilchen vermieden wird. Dadurch wird das in der zweiten Stufe entstehende
Polymerisat schalenförmig um
den bestehenden Kern herum gelagert. Diese Vorgehensweise ist für jede weitere
Schale entsprechend zu wiederholen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die erfindungsgemäßen Kern-Schale-Teilchen
durch ein Emulsionspolymerisationsverfahren erhalten werden, bei
dem man anstatt des Saatlatexes einen langkettigen, aliphatischen
Alkohol, vorzugsweise mit 12 bis 20 Kohlenstoffatomen, emulgiert
vorlegt. In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens
wird Stearylalkohol als langkettiger, aliphatischer Alkohol verwendet.
Die Kern-Schale-Struktur wird analog zur oben beschriebenen Vorgehensweise
durch schrittweise Zugabe und Polymerisation der entsprechenden
Monomere unter Vermeidung der Bildung neuer Teilchen erhalten. Weitere
Einzelheiten zum Polymerisationsverfahren kann der Fachmann den
Patentschriften DE 3343766, DE 3210891, DE 2850105, DE 2742178 und
DE 3701579 entnehmen.
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Unabhängig von der konkreten Vorgehensweise
hat es sich jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung als ganz
besonders günstig
erwiesen, die zweite und die dritte Monomermischung nach Maßgabe des Verbrauchs
zuzudosieren.
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Die Einstellung der Kettenlängen, insbesondere
der (Co)Polymerisate der zweiten Schale, kann durch Polymerisation
des Monomers bzw. des Monomerengemisches in Gegenwart von Molekulargewichtsreglern erfolgen,
wie insbesondere von den dafür
bekannten Mercaptanen, wie beispielsweise n-Butylmercaptan, n-Dodecylmercaptan,
2-Mercaptoethanol
oder 2-Ethylhexylthioglycolat, Pentaerythrittetrathioglycolat; wobei die
Molekulargewichtsregler im allgemeinen in Mengen von 0,05 bis 5
Gew.-% bezogen auf das Monomerengemisch, bevorzugt in Mengen von
0,1 bis 2 Gew.-% und besonders bevorzugt in Mengen von 0,2 bis 1 Gew.-%
auf das Monomerengemisch eingesetzt werden (vgl. beispielsweise
H. Rauch-Puntigam,
Th. Völker, "Acryl- und Methacrylverbindungen", Springer, Heidelberg,
1967; Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, Bd. XIV/1. Seite
66, Georg Thieme, Heidelberg, 1961 oder Kirk-Othmer, Encyclopedia
of Chemical Technology, Vol. 1, Seiten 296ff, J. Wiley, New York,
1978). Bevorzugt wird als Molekulargewichtsregler n-Dodecylmercaptan
eingesetzt.
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Nach Abschluss der Polymerisation
kann zur Restmonomerentfernung in Anwendung bekannter Methoden nachpolymerisiert
werden, beispielsweise mittels initiierter Nachpolymerisation.
-
Da sich das erfindungsgemäße Verfahren
insbesondere zur Herstellung von wässrigen Dispersionen mit hohem
Feststoffgehalt größer 50 Gew.-%,
bezogen auf das Gesamtgewicht der wässrigen Dispersion, eignet,
wählt man
die relativen Anteile aller Substanzen zweckmäßigerweise derart, dass das
Gesamtgewicht der Monomere, bezogen auf das Gesamtgewicht der wässrigen
Dispersion, größer 50,0
Gew.-%, zweckmäßigerweise
größer 51,0
Gew.-%, vorzugsweise größer 52,0
Gew.-%, ist. Zu den in diesem Zusammenhang zu berücksichtigen
Substanzen gehören
neben den Monomeren auch alle anderen eingesetzten Substanzen, wie Wasser,
Emulgator, Initiator, ggf. Regler und Schutzkolloide usw..
-
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren
erhältlichen
wässrigen
Dispersionen zeichnen sich einen niedrigen Koagulatgehalt aus, welcher,
bezogen auf das Gesamtgewicht der wässrigen Dispersion, vorzugsweise
weniger als 5,0 Gew.-%, zweckmäßigerweise
weniger als 3,0 Gew.-%, insbesondere weniger als 1,5 Gew.-% ist.
Gemäß einer
ganz besonders bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die wässrige Dispersion, bezogen
auf ihr Gesamtgewicht, weniger als 1,0 Gew.-%, vorzugsweise weniger
als 0,5 Gew.-%, zweckmäßigerweise
weniger als 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,10 Gew.-% oder weniger,
Koagulat auf.
-
Dabei bezeichnet der Begriff "Koagulat" in diesem Zusammenhang
wasserunlösliche
Bestandteile, welche vorzugsweise durch Filtration der Dispersion
zweckmäßigerweise über eine
Filtermanschette mit eingespanntem Filtergewebe Nr. 0.90 DIN 4188
abfiltriert werden können.
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Das erfindungsgemäße Kern-Schale-Teilchen kann
aus der Dispersion beispielsweise durch Sprühtrocknen, Gefrierkoagulation,
Ausfällen
durch Elektrolytzusatz oder durch mechanische oder thermische Belastung,
wie sie gemäß DE 27
50 682 A1 oder US 4 110 843 mittels eines Entgasungsextruders durchführbar ist,
gewonnen werden. Das Verfahren der Sprühtrocknung ist am gebräuchlichsten,
obwohl die anderen genannten Verfahren den Vorzug haben, dass dabei
die wasserlöslichen
Polymerisationshilfsstoffe wenigstens teilweise von dem Polymerisat
abgetrennt werden.
-
Das erfindungsgemäße Kern-Schale-Teilchen dient
zur Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit
von harten thermoplastischen Kunststoffen, die mit der Hartphase
verträglich
sind, vorzugsweise von Poly(meth)acrylat-Formmassen, insbesondere von Polymethylmethacrylat.
-
Die Poly(meth)acrylat-Formmassen
enthalten vorzugsweise weitere Polymere, um die Eigenschaften in
geeigneter Weise zu modifizieren. Hierzu gehören insbesondere Polyacrylnitrile,
Polystyrole, Polyether, Polyester, Polycarbonate und Polyvinylchloride.
Diese Polymere können
einzeln oder als Mischung eingesetzt werden, wobei im Rahmen einer
ganz besonders bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Copolymere, die von den zuvor genannten
Polymere ableitbar sind, den Formmassen beigefügt werden. Zu diesen gehören insbesondere
Styrol-Acrylnitril-Copolymere (SAN), die vorzugsweise den Formmassen
in einer Menge von bis zu 45 Gew.-% beigefügt werden.
-
Besonders bevorzugte Styrol-Acrylnitril-Copolymere
können
durch die Polymerisation von Mischungen erhalten werden, die aus
70,0
bis 92,0 Gew.-% Styrol
8,0 bis 30,0 Gew.-% Acrylnitril und
0,0
bis 22,0 Gew.-% weiterer Comonomere, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht
der zu polymerisierenden Monomere, bestehen.
-
In der Regel werden 100 Teilen der
zu modifizierenden Formmasse 10 bis 60 Teile des Schlagzäh-Modifizierungsmittels
zugemischt.
-
Erfindungsgemäß besonders bevorzugte Formmasse
enthalten, jeweils bezogen auf ihr Gesamtgewicht,:
- A) 1,0 bis 50,0 Gew.-% mindestens eines Kern-Schale-Teilchens
gemäß mindestens
einem der Ansprüche 1
bis 9;
- B) 1,0 bis 99,0 Gew.-% mindestens eines (Meth)acrylpolymers,
- C) 0,0 bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 1,0 bis 45 Gew.-%, Styrol-Acrylnitril-Copolymere und
- D) 0,0 bis 10,0 Gew.-% weiterer Zusatzstoffe
wobei sich
die Gewichtsprozente zu 100,0 Gew.-% addieren.
-
Dabei umfasst das (Meth)acrylpolymer,
jeweils bezogen auf sein Gesamtgewicht, vorzugsweise
- a) 50,0 bis 100,0 Gew.-%, zweckmäßigerweise 60,0 bis 100,0 Gew.-%,
besonders bevorzugt 75,0 bis 100,0 Gew.-%, insbesondere 85,0 bis
99,5 Gew.-%, Alkylmethacrylat-Wiederholungseinheiten mit 1 bis 20,
vorzugsweise 1 bis 12, zweckmäßigerweise
1 bis 8, insbesondere 1 bis 4, Kohlenstoffatomen im Alkylrest,
- b) 0,0 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,0 bis 25,0 Gew.-%, insbesondere
0,1 bis 15,0 Gew.- %, Alkylacrylat-Wiederholungseinheiten mit 1
bis 20, vorzugsweise 1 bis 12, zweckmäßigerweise 1 bis 8, insbesondere
1 bis 4, Kohlenstoffatomen im Alkylrest und
- c) 0,0 bis 8,0 Gew.-% styrolische Wiederholungseinheiten der
allgemeinen Formel (I),
wobei sich die Gewichtsprozente zu
100,0 Gew.-% addieren.
-
Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
das (Meth)acrylpolymer, bezogen auf sein Gesamtgewicht, mindestens
50,0 Gew.-%, zweckmäßigerweise
mindestens 60,0 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 75,0 Gew.-%, insbesondere
mindestens 85,0 Gew.-% Methylmethacrylat-Wiederholungseinheiten.
-
Weiterhin weist das (Meth)acrylpolymer
vorzugsweise ein Zahlenmittel des Molekulargewichtes im Bereich
von 1.000 bis 100.000.000 g/mol, vorzugsweise im Bereich von 10.000
bis 1.000.000 g/mol, insbesondere im Bereich von 50.000 bis 500.000
g/mol auf. Dabei kann das Molekulargewicht, beispielsweise mittels Gelpermeationschromatographie
unter Eichung auf Polystyrol ermittelt werden.
-
Derartige Mischungen können auf
verschiedene Weise hergestellt werden. Man kann beispielsweise die
Dispersion des Kern-Schale-Teilchens mit einer wässrigen Dispersion der Abmischkomponente
vermischen und die Mischung koagulieren, die Wasserphase abtrennen
und das Koagulat zu einer Formmasse verschmelzen. Bei diesem Verfahren
lässt sich
eine besonders gleichmäßige Vermischung
der beiden Massen erzielen. Die Komponenten können auch getrennt hergestellt
und isoliert und in Form ihrer Schmelzen oder als Pulver oder Granulate
gemischt und in einem Mehrschneckenextruder oder auf einem Walzenstuhl
homogenisiert werden.
-
Übliche
Zusätze
können
in jeder dazu geeigneten Verarbeitungsstufe zugemischt werden. Dazu
zählen
u. a. Farbstoffe, Pigmente, Füllstoffe,
Verstärkungsfasern,
Gleitmittel, UV-Schutzmittel usw..
-
Im Rahmen einer ganz besonders bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält die
Formmasse, jeweils bezogen auf ihr Gesamtgewicht, 0,1 bis 10 Gew.-%,
vorzugsweise 0,5 bis 5,0 Gew.-%, insbesondere 1,0 bis 4,0 Gew.-%,
eines weiteren Polymerisates (AP), welches im Vergleich mit dem (Meth)acrylpolymer
ein um mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 50 %, insbesondere
mindestens 100 höheres
Gewichtsmittel des Molekulargewichtes aufweist. Dabei kann das Molekulargewicht,
beispielsweise mittels Gelpermeationschromatographie unter Eichung
auf Polystyrol ermittelt werden.
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Erfindungsgemäß besonders geeignete Polymerisate
(AP) umfassen, jeweils bezogen auf ihr Gesamtgewicht, vorzugsweise
- a) 50,0 bis 100,0 Gew.-%, zweckmäßigerweise
60,0 bis 100,0 Gew.-%, besonders bevorzugt 75,0 bis 100,0 Gew.-%,
insbesondere 85,0 bis 99,5 Gew.-%, Alkylmethacrylat-Wiederholungseinheiten
mit 1 bis 20, vorzugsweise 1 bis 12, zweckmäßigerweise 1 bis 8, insbesondere
1 bis 4, Kohlenstoffatomen im Alkylrest,
- b) 0,0 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,0 bis 25,0 Gew.-%, insbesondere
0,1 bis 15,0 Gew.- %, Alkylacrylat-Wiederholungseinheiten mit 1
bis 20, vorzugsweise 1 bis 12, zweckmäßigerweise 1 bis 8, insbesondere
1 bis 4, Kohlenstoffatomen im Alkylrest und
- c) 0,0 bis 8,0 Gew.-% styrolische Wiederholungseinheiten der
allgemeinen Formel (I),
wobei sich die Gewichtsprozente zu
100,0 Gew.-% addieren.
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Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
das Polymerisat (AP), bezogen auf sein Gesamtgewicht, mindestens
50,0 Gew.-%, zweckmäßigerweise
mindestens 60,0 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 75,0 Gew.-%, insbesondere
mindestens 85,0 Gew.-% Methylmethacrylat-Wiederholungseinheiten.
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Weiterhin weist das Polymerisat (AP)
vorzugsweise ein Gewichtsmittel des Molekulargewichtes im Bereich
von 10.000 bis 100.000.000 g/mol, vorzugsweise im Bereich von 50.000
bis 5.000.000 g/mol, zweckmäßigerweise
im Bereich von 100.000 bis 1.000.000 g/mol, insbesondere im Bereich
von 250.000 bis 600.000 g/mol auf. Dabei kann das Molekulargewicht,
beispielsweise mittels Gelpermeationschromatographie unter Eichung
auf Polystyrol ermittelt werden.
-
Abmischungen der Kern-Schale-Teilchen,
insbesondere mit Polymethylmethacrylat, eignen sich insbesondere
zur Herstellung von Formkörpern,
zweckmäßigerweise
mit einer Wanddicke über
1 mm, wie extrudierten Bahnen von 1 bis 10 mm Dicke, die sich gut
stanzen lassen und beispielsweise zur Herstellung bedruckbarer Blenden
für Elektrogeräte brauchbar
sind, oder zur Herstellung von gespritzten Formkörpern hoher Qualität, z. B.
Kraftfahrzeugscheiben. Dünnere
Folien von beispielsweise 50 μm
Dicke können
ebenfalls daraus hergestellt werden.
-
Die erfindungsgemäß erhältlichen Formartikel zeichnen
sich
- – vorzugsweise
durch eine Vicat-Erweichungstemperatur nach ISO 306 (B50) von mindestens
85 °C, bevorzugt
von mindestens 90 °C
und besonders bevorzugt von mindestens 93 °C,
- – vorzugsweise
durch eine Kerbschlagzähigkeit
KSZ (Izod 180/1eA) nach ISO 180 von mindestens 5,8 kJ/m2,
günstigerweise
größer 6,0
kJ/m2, bei 23 °C und vorzugsweise von mindestens
3,7 kJ/m2 bei –20°C und
- – vorzugsweise
durch einen E-Modul nach ISO 527-2 von mindestens 1450 MPa
aus.
-
Im Rahmen einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die erfindungsgemäßen Formkörper als
Spiegelgehäuse
oder Spoiler eines Fahrzeugs, als Rohr, als eine Folie für Sportartikel,
als Abdeckung oder als Bauelement eines Kühlschranks eingesetzt.
-
Die nachfolgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele
dienen zur Erläuterung
der vorliegenden Erfindung, ohne dass hierdurch eine Beschränkung des
Erfindungsgedankens erfolgen soll.
-
1. Kern-Schale-Teilchen
-
A. Herstellung des Saatlatex
-
Ein Saatlatex wurde mittels Emulsionspolymerisation
einer Monomerzusammensetzung enthaltend 98 Gew.-% Ethylacrylat und
2 Gew.-% Allylmethacrylat hergestellt. Diese im Durchmesser ca.
20 nm großen
Partikel lagen zu ca. 10 Gew,-% in Wasser vor.
-
B. Herstellung der Kern-Schale-Teilchen
-
Alle im folgenden beschriebenen Kern-Schale-Teilchen
wurden mittels Emulsionspolymerisation gemäß der nachfolgenden allgemeinen
Herstellungsvorschrift hergestellt. Dabei wurden die in Tabelle
1 angegebenen Emulsionen I bis III eingesetzt.
-
Bei 83 °C (Kessel-Innentemperatur) wurden
unter Rühren
19,416 kg Wasser in einem Polymerisationskessel vorgelegt. Es erfolgte
eine Zugabe von 16,2 g Natriumcarbonat und 73 g Saatlatex. Anschließend wurde
die Emulsion I über
1 h zudosiert. 10 min nach Zulaufende der Emulsion I wurde die Emulsion
II über einen
Zeitraum von ca. 2 h zudosiert. Anschließend wurde ca. 90 min nach
Zulaufende der Emulsion II Emulsion III über einen Zeitraum von ca.
1 h zudosiert. 30 min nach Zulaufende der Emulsion III wurde auf
30 °C abgekühlt.
-
Zur Separation der Kern-Schale-Teilchen
wurde die Dispersion über
2 d bei –20 °C eingefroren,
danach wieder aufgetaut und die koagulierte Dispersion über ein
Filtergewebe abgetrennt. Die Trocknung des Feststoffs erfolgte bei
50 °C im
Trockenschrank (Dauer: ca. 3 d).
-
Die Teilchengröße der Kern-Schale-Teilchen
(s. Tabelle 2) wurde mit Hilfe eines Coulter N4 Gerätes bestimmt,
wobei die Partikel in Dispersion vermessen wurden.
-
Tabelle
1: Zusammensetzung der einzelnen Emulsionen (alle Angaben in [g])
-
II. Formassen
-
A. Abmischung der Formmassen
-
Eine Formmasse auf Polymethylmethacrylat-Basis,
PLEXIGLAS® 7
N (Fa. Röhm
GmbH & Co. KG, Darmstadt)
wurde mit den jeweiligen Kern-Schale-Teilchen
mittels Extruder abgemischt. Die Zusammensetzungen der einzelnen
Beispiele und Vergleichsbeispiele sind in Tabelle 2 dokumentiert.
-
B. Prüfung der Formmassen
-
Aus den abgemischten Formmassen wurden
Prüfkörper hergestellt.
Die Formmassen bzw. die entsprechenden Prüfkörper wurden gemäß den folgenden
Messmethoden geprüft:
- – Schmelzviskosität ηs (220 °C/5 MPa):
DIN 54811 (1984)
- – Strangaufweitung
B: DIN 54811 (1984)
- – Vicat-Erweichungstemperatur
(16 h/80 °C):
DIN 1 SO 306 (Aug. 1994)
- – Izod – Kerbschlagzähigkeit:
ISO 180 (1993)
- – Charpy – Kerbschlagzähigkeit:
ISO 179 (1993)
- – E-Modul:
ISO 527-2
-
Die Ergebnisse der Prüfungen sind
ebenfalls in Tabelle 2 zu sehen.
-
Man erkennt eindeutig die Vorteile
der erfindungsgemäßen Abmischungen
gegenüber
den herkömmlich
schlagzähmodifizierten
Formmassen (Vergleich A und B):
- – Bei vergleichbarem
Gehalt der Kern-Schale-Teilchen (< 40
Gew.-%) liegt die Kerbschlagzähigkeit
der erfindungsgemäßen Formmassen
bei –20 °C deutlich
höher als
die der Vergleichsformmassen. Dabei weisen alle Mischungen eine
vergleichbare Kerbschlagzähigkeit
bei Raumtemperatur auf.
- – Auch
eine Zähphase
ohne Styrol führt
zu keiner Verbesserung der Kältekerbschlagzähigkeit
der entsprechenden Formmassen.
- – Die
gute Kältekerbschlagzähigkeit
wird erreicht, ohne die anderen wichtigen Eigenschaften der Formmassen,
insbesondere die Viskosität,
die Vicat-Erweichungstemperatur und den E-Modul zu verschlechtern.
- – Im
Vergleich zu den in den Patenten DE 22 53 689, DE 41 21 652 und
DE 41 36 993 offenbarten Formmassen wird eine deutlich geringere
Menge an Kern-Schale-Teilchen benötigt, um eine vergleichbare
Kerbschlagzähigkeit
bei tiefen Temperaturen zu erreichen.
-
Tabelle
2: Prüfergebnisse
der schlagzähmodifizierten
Formmassen