-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Startersystem für die Polymerisation
von ungesättigten
Monomeren in nicht-wässerigen
Lösungsmittel,
vorzugsweise von Acrylaten und deren Derivaten. Weiterhin wird ein
Polymerisationsverfahren und die Verwendung bestimmter Mischungen
als Startersysteme beschrieben.
-
Die
Polymerisation ungesättigter
Monomere stellt eines der grundsätzlichen
Reaktionstypen in der technischen Chemie dar und dient zur Herstellung
einer Vielzahl von Zwischen- und Endprodukten. In der Regel werden
die Monomere in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst und im
Falle radikalischer Reaktionen mit entsprechenden Radikalinitiatoren gestartet.
-
Derartige
Reaktionen sind aus dem Stand der Technik bekannt. In der Regel
wird Wasser als Lösungsmittel
eingesetzt, sofern dies bei den gewünschten Monomeren möglich ist.
In diesem Zusammenhang sei auf die Offenbarung der EP-A-778 290
verwiesen, die weitere allgemeine Angaben zu derartigen Reaktionen
offenbart.
-
Im
Bereich nicht-wässriger
Systeme sind ebenfalls Polymerisationsreaktionen weit bekannt. Allerdings
tritt bei der Polymerisation häufig
ein Temperaturproblem auf. Die Exothermie der Polymerisationsreaktion
reicht beispielsweise bei der Polymerisation von Acrylsäure aus,
das System auf 250°C und
höher zu
erwärmen.
Selbst bei relativ schweren Stearylacrylat wird eine Erwärmung auf
mehr als 50°C
verursacht. Die hohe Temperatur, die häufig schubweise anfällt und
durch äußere Kühlung nicht hinreichend
schnell abgeführt
werden kann, führt
zu einem unerwünscht
starken Sieden des Reaktionsansatzes. Durch die ungleichmäßigen Reaktionsbedingungen
kommt es zu einer geringeren Reproduzierbarkeit der Polymerenherstellung,
wobei häufig unterschiedliche
Monomere co-polymerisiert werden. Um dieses Problem technisch zu
lösen,
wird bislang in der Praxis das Monomer kontinuierlich nachdosiert und
gleichzeitig die Reaktionstemperatur kontrolliert. Dies bedeutet
einen erheblichen zeitlichen und technischen Aufwand. Es besteht
daher schon seit langem Bedarf, die Polymerisationsreaktion so starten zu
können,
dass die o.g. Nachteile vermieden werden können.
-
Es
war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Polymerisation
von Monomeren in nicht wässrigen
Lösungsmitteln
so zu gestalten, dass Exothermieschübe, die den Ansatz über den
Siedepunkt darin enthaltener Komponenten wie Monomere und/oder Lösemittel
erhitzen würden,
vermieden und eine möglichst
einfache Reaktionsführung
ermöglicht wird.
-
Es
wurde gefunden, dass durch Einsatz bestimmter Startersysteme die
oben gestellte Aufgabe gelöst
werden kann.
-
Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist daher ein Startersystem für die Polymerisation
ungesättigter
Monomere in nicht wässrigen
Medien, wobei die Startersysteme enthalten müssen mind. die Komponente a),
eine Peroxid-Verbindung in Mengen von 0,02 bis 7 Gew.-%, b) organische
Hydrazinderivate in Mengen von 0,005 bis 3 Gew.-% und schließlich c) Übergangsmetallionen
in Mengen von 2 bis 1000 ppm. Die Mengenangaben beziehen sich in
diesem Fall jeweils auf das Gesamtsystem aus Monomer, Lösungsmittel
und Startersystem.
-
Prinzipiell
sind ähnliche
Systeme bereits aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise der
EP 0 550 087 , die aber schäumbare und
härtbare Polyesterzusammensetzungen
beschreibt, welche neben einem flüssigen ungesättigten
Polyesterharz noch ein monosubstituiertes Sulfonylhydrazin als Treibmittel
für das
Harz sowie mind. ein organisches Metallsalz als primären Promotor
für das
organische Peroxidhärtungsmittel
enthalten müssen.
-
Im
Gegensatz zur vorliegenden Erfindung geht die Lehre der EP-A-0 550
087 nicht von niedermolekularen Monomeren aus, sondern setzt ein
ungesättigtes
flüssiges
Polyesterharz, also bereits ein Polymer für die Reaktion ein. Weiterhin
offenbart die Schrift keine Lösungspolymerisation,
bei dem die Monomere zunächst
gelöst
und dann zur Reaktion gebracht werden.
-
Das
erfindungsgemäße Startersystem
enthält
zunächst
zwingend eine Peroxidverbindung a), die während der Reaktion Radikale
freisetzt, welche in bekannter Weise die eigentliche Polymerisationsreaktion
in Gang setzen. Geeignete Peroxide sind beispielsweise gesättigte aliphatische
Hydroperoxide, olefinische Hydroperoxide, Arylalkylhydroperoxide,
Hydroperoxide von cycloaliphatischen und hetrocyclischen organischen
Molekülen,
Dialkylperoxide, Hydroxyalkylperoxide, Polyalkylenperoxide, Peroxyacetale,
Methylhydroperoxide, Ethylhydroperoxid, ter.-Butylhydroperoxide,
dimeres Benzaldehydperoxide, dimeres Benzophenonperoxide, dimeres
Acetonperoxid und Methylethylketonhydroperoxid. Besonders bevorzugt
sind allerdings als Komponente a) Methylethylketonperoxid und besonders
das Cumolhydroperoxid.
-
Die
Peroxidverbindungen a) sind in Mengen von 0,02 bis 7 Gew.-%, bezogen
auf den Gesamtansatz enthalten, wobei vorzugsweise Mengen im Bereich
von 0,1 bis 1 Gew.-% ausgewählt
sind.
-
Es
ist dem Fachmann bekannt, dass die oben aufgeführten Peroxide in der Regel
nicht als Reinsubstanzen erhältlich
sind sondern sich in unterschiedlichen Formulierungen im Handel
befinden. Vorzugsweise werden sie in geeigneten organischen Lösungsmitteln
gelöst
und kommen dann als mehr oder weniger konzentrierte Mittel auf den
Markt. Die vorzugsweise eingesetzten Peroxide sind Alkyloxyperoxide,
wie oben beschrieben, sowie insbesondere das Cumolhydroperoxid,
wobei vorzugsweise solche Substanzen ausgewählt sind, die in der Regel
bereits bei 15°C,
vorzugsweise aber bei 20 bis 50°C
aktiviert werden können
und so die eigentliche Polymerisationsreaktion starten.
-
Neben
der Komponente a) enthält
das Startersystem zwingend ein organisches Hydrazinderivat in Mengen
von 0,005 bis 3 Gew.-%. Die Komponente b) dient als Polymerisationsbeschleuniger,
wobei unter organischen Hydrazinderivaten vorzugsweise Verbindungen
der allgemeinen Formel R1-NH-NH-CO-R2 verstanden werden, in der R1 Alkyl, Cycloalkyl,
Aryl, Alkenyl, Cycloalkenyl sowie R2 Wasserstoff
Alkyl, Cycloalkyl, Alkenyl, Cycloalkenyl, Aryl, Alkoxy, Aryloxy,
Carbonyl, einer Aminogruppe oder einen mit Schwefel substituierten
Arylrest bedeuten.
-
Besonders
geeignet sind weiterhin insbesondere Verbindungen der Formel RSO2-NH-NH2, wobei R
ein Hydrocarbylradikal, ausgewählt
aus den Gruppen C1-C12 Alkyl,
C5-C6, Cycloalkyl,
C7-C10 Arylalkyl, Phenyl-,
Naphtyl- oder substituierter Phenylrest sein kann.
-
Besonders
vorteilhaft sind Sulfonylhydrazide, in denen R für einen C2-C4 Alkyl-, Benzyl- oder Phenylrest, ggf. substituiert
mit Chlor oder C1-C12 Alkyl
steht.
-
Beispiele
für geeignete
Sulfonylhydrazide sind Methansulfonylhydrazid, Methansulfonylhydrazid,
Propansulfonylhydrazid, N-Butansulfonylhydrazid, sek.-Butansulfonylhydrazid,
tert.-Butansulfonylhydrazid, Isobutansulfonylhydrazid, Pentansulfonylhydrazid,
Hexansulfonylhydrazid, Heptansulfonylhydrazid, Octansulfonylhydrazid,
Nonansulfonylhydrazid, Decansulfonylhydrazid, Dodecanolsulfonylhydrazid,
Cyclopentansulfonylhydrazid, Cyclohexansulfonylhydrazid, Benzensulfonylhydrazid,
Naphtalensulfonylhydrazid, Toluolsulfonylhydrazid, Ethylbenzylsulfonylhydrazid,
Dimethylbenzolsulfonylhydrazid, Butylbenzolsulfonylhydrazid, Hexylbenzolsulfonylhydrazid,
Octylbenzensulfonylhydrazid, Decylbenzolsulfonylhydrazid, Ethoxybenzolsulfonylhydrazide und
andere dem Fachmann bekannte Verbindungen aus dieser Klasse. Besonders
bevorzugt ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung Acetylphenylhydrazid
oder Toluol-sulfonsäurehydrazid
als Komponente b) in den Startersystemen auszuwählen.
-
Die
Komponente b) ist vorzugsweise in Mengen von 0,03 bis 0,3 Gew.-%
im Startersystem enthalten.
-
Als
weitere zwingende Komponente c) werden Übergangsmetallionen in Mengen
von 1 bis 1000 ppm eingesetzt. Bevorzugte Ionen stammen vom Kupfer,
Vanadium, Molybdän,
Kobalt oder Eisen ab. Besonders bevorzugt ist es, die Ionen in Form
ihrer organischen Anionen, vorzugsweise die Salze organischer Säuren einzusetzen,
wobei geeignete organische Säuren
in diesem Zusammenhang 2 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten und ausgewählt sind
aus der Gruppe Essigsäure,
Propionsäure,
2-Ethylhexansäure,
Hexansäure,
Octansäure, Ölsäure, Oleinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Naphtalinsäure. Weiterhin
sind Komplexe derartiger Salze mit Acetoaceton geeignet.
-
Ganz
besonders bevorzugt ist der Einsatz von Kupfersalzen als Komponente
c), wobei dieses vorzugsweise in Form eines Kupfernaphtenats eingesetzt
werden sollte. Bevorzugte Mengen bezüglich der Komponente c) sind
3 bis 15 ppm Kupferionen.
-
Als
nicht wässriges
Lösungsmittel
für die
erfindungsgemäßen Polymerisationsreaktionen
eigenen sich vorzugsweise flüssige
Kohlenwasserstoffe, insbesondere flüssige aromatische Kohlenwasserstoffe
und ganz besonders Toluol oder Xylol. Es können aber auch Mischungen derartiger
Lösungsmittel mit
anderen Kohlenwasserstoffen, wie sie beispielsweise von der Firma
Exxon unter der Marke Solvesso® vertrieben werden, im
Rahmen der vorliegenden technischen Lehre eingesetzt werden.
-
Die
vorliegende Reaktion betrifft die Umsetzung von bestimmten ungesättigten
Monomeren im Sinne einer radikalischen Polymerisation. Die Monomere
sind vorzugsweise ausgewählt
aus der Gruppe der Acrylsäure
und deren Derivate sowie Styrol. Zur Gruppe der Acrylsäure und
deren Derivate zählt
auch die Methacrylsäure,
Methacrylsäureester
und weitere derartige Substanzen. Es ist auch möglich, mehrfach ungesättigte Monomere
einzusetzen, besonders bevorzugt ist aber die Verwendung des vorliegenden Startersystems
zur Polymerisation einfach ungesättigter
Monomere.
-
Die
Verwendung von ungesättigten
Harzen, wie im Falle der oben zitierten EP-A-0 550 087 ist von der
vorliegenden technischen Lehre ausgeschlossen.
-
Die
eigentliche Polymerisation erfolgt, wie dem Fachmann bekannt, zunächst durch
Lösen der Monomere
in dem nicht wässrigen
Lösungsmittel
und anschließenden
Zusatz des Startersystems. Im Rahmen der vorliegenden technischen
Lehre ist es möglich,
sowohl den Monomeren als auch dem Startersystem Toluol zuzusetzen
und so auf die aufwendige und teure Nachdosierung zu verzichten.
Aufgrund der besonderen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Startersystems
erhöht
sich die Temperatur beim Start der Polymerisationsreaktion auf max.
80°C oder darunter,
vorzugsweise sogar auf unter 70°C.
Sie bleibt jedenfalls unter dem Siedepunkt des verwendeten Lösemittels
und der eingesetzten Monomeren, wodurch eine aufwändige Rückflusskühlung zur
Kondensation der ansonsten gebildeten Dämpfe unterbleiben kann.
-
In
diesem Startersystem und im Verfahren zur Polymerisation von ungesättigten
Monomeren, wobei man die oben beschriebenen Startersysteme einsetzt,
betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung von Mischungen
der Komponenten a) bis c), wie oben beschrieben, zum Starten von
Polymerisationsreaktionen ungesättigter
Monomere und nicht wässrigen
Lösungsmittel.
-
Das
hier beschriebene Verfahren ermöglicht es
einfach und reproduzierbar, Polymerisate ungesättigter Monomere herzustellen.
Die Nachteile, wie oben beschrieben, treten in der Regel nicht auf.
-
Die
erfindungsgemäß hergestellten
Polymere, insbesondere auf Basis von Acrylsäure und dessen Derivaten eigenen
sich für
eine Vielzahl technischer Anwendungsgebiete. Schätzungsweise können Sie
als Prozeßchemikalien
im Bereich Oilfield und Mining eingesetzt werden.
-
Beispiel
-
500
g Behenylacrylat (Acrylate 22–45
der Firma Cognis) wurden bei 65°C
aufgeschmolzen und mit 120 g Toluol versetzt. Unter Überleiten
eines leichten Stickstoffstroms wurde die Mischung auf 35°C abgekühlt. Unter
Rühren
wurden nacheinander 1,3 g Acetylphenylhydrazid, 3,8 g Cumolhydroperoxid
(CUHP-80; 80%ig in Cumol; Peroxid-Chemie) sowie 0,4 g einer 1%igen Lösung von "Soligen Kupfer 8" der Firma Borchers
(Kupfernaphtenat gelöst
in Testbenzin; Kupfergehalt: 8%) in Toluo1 zugegeben. Die Ansatztemperatur
steigt innerhalb von wenigen Minuten auf ca. 70°C. Nach Beendigung des Temperaturanstieges
wurde der Ansatz auf 80°C
erhitzt und noch für
eine weitere Stunde bei dieser Temperatur belassen. Anschließend wurde
abgekühlt
und das Polymerisat in an sich üblicher
Weise erhalten.
-
Der
Steigschmelzpunkt der erhaltenen Polymerenlösung nach der DGF-Einheitsmethode
C-IV 3a (52), beträgt
32°C. Ihre
Brookfieldviskosität,
gemessen bei 50° mit
RVT-Spindel 4 bei 20 UpM beträgt
600 mPas.