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Die
Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von
Polyoxymethylenen.
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Es
ist bekannt, dass Oxymethylenpolymere durch kontinuierliche Massepolymerisation
der Monomeren in Gegenwart kationisch wirkender Initiatoren hergestellt
werden können.
Diese Polymerisation wird häufig in
Knetern oder Extrudern durchgeführt.
Dabei kann die Temperaturführung
so erfolgen, dass das entstehende Oxymethylenpolymer entweder in
fester Form (DE-A 1 161 421, DE-A 1 495 228, DE-A 1 720 358, DE-A
3 018 898) oder auch als Schmelze (DE-A 3 147 309) anfällt. Die
Aufarbeitung des in fester Form anfallenden Polymers ist bekannt,
siehe: DE-A 3147309, DE-A 3628561, EP-A 678535, EP-A 699965 und
DE-A 4423617.
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Bei
der Massepolymerisation sind unterschiedliche Verfahrensvarianten
Stand der Technik, darunter die Batch-Polymerisation in Schalen,
die kontinuierliche Polymerisation in Kneter-Reaktoren bei Temperaturen unterhalb
des Schmelzpunktes oder die Polymerisation bei Temperaturen oberhalb
des Schmelzpunktes von Trioxan im Extruder (siehe WO 01/58974).
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Die
Herstellung mittels Suspensions- oder Fällungspolymerisation mit kationischen
Iniatoren ist generell bekannt. In dem hierbei verwendeten Lösungsmittel
soll insbesondere das entstehende Polymerisat nicht löslich sein,
damit dieses leichter abtrennbar ist.
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Sowohl
bei Masse- als auch Fällungspolymerisation
sind die eingesetzten Katalysatoren in diesen Reaktionsmedien nicht
löslich
und müssen
in größeren Mengen
und über
einen längeren
Zeitraum eingesetzt werden. Dieses wirkt sich nachteilig auf die
Stabilität
des entstehenden Polymeren aus, welches durch derartige Säuren abgebaut
wird. Es ist deshalb wesentlich, dass möglichst wenig Katalysator eingesetzt
wird, aber gleichzeitig die Reaktionszeit nicht wesentlich verlängert wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war es daher, ein verbessertes Verfahren
zur Herstellung von Polyoxymethylenen zur Verfügung zu stellen, welches folgende
Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik aufweist:
- – Die Neutralisation
der Produkte ist leichter durchführbar,
- – Der
Molekulargewichtsabbau bei Erhitzen wird reduziert,
- – Die
Katalysator(Initiator)-Mengen sollen vermindert werden,
- – Ausbeute
und Reproduzierbarkeit sollten möglichst
hoch sein,
- – Restmonomergehalt
soll sehr gering sein,
- – Die
Reaktionsgeschwindigkeit soll erhöht werden.
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Demgemäß wurde
ein Verfahren zur Herstellung von Polyoxymethylenen durch Polymerisation
der Monomeren a) in Gegenwart kationisch wirkender Initiatoren b)
und Cokatalysatoren c) sowie gegebenenfalls in Gegenwart von Reglern
d) und abschließend
das Polymer gegebenenfalls desaktiviert und danach abgetrennt wird,
gefunden, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man als Cokatalysator
c) Säureanhydride einsetzt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Das
Verfahren kann grundsätzlich
auf jeglichen Reaktoren mit hoher Mischwirkung durchgeführt werden,
wie beispielsweise Schalen, Pflugscharmischern, Rohrreaktoren, List-Reaktoren,
Kneter, Rührreaktoren, Extruder
und Bandreaktoren.
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Die
entstehenden POM-Polymerisate sind dem Fachmann an sich bekannt
und in der Literatur beschrieben.
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Ganz
allgemein weisen diese Polymere mindestens 50 mol-% an wiederkehrenden
Einheiten – CH2O – in
der Polymerhauptkette auf.
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Die
Homopolymeren werden im allgemeinen durch die Polymerisation von
Monomeren a) wie Formaldehyd oder Trioxan herstellt, vorzugsweise
in der Gegenwart von geeigneten Katalysatoren.
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Im
Rahmen der Erfindung werden Polyoxymethylencopolymere bevorzugt,
insbesondere solche, die neben den wiederkehrenden Einheiten -CH
2O- noch bis zu 50, vorzugsweise 0,1 bis
20, insbesondere 0,3 bis 10 mol-% und ganz besonders bevorzugt 2
bis 6 mol-% an wiederkehrenden Einheiten.
wobei R
1 bis
R
4 unabhängig
voneinander ein Wasserstoffatom, eine C
1-bis
C
4-Alkylgruppe oder eine halogensubstituierte
Alkylgruppe mit 1 bis 4 C-Atomen und R
5 eine
-CH
2-, -CH
2O -,
eine C
1- bis C
4-Alkyl-
oder C
1- bis C
4-Haloalkyl
substituierte Methylengruppe oder eine entsprechende Oxymethylengruppe
darstellen und n einen Wert im Bereich von 0 bis 3 hat. Vorteilhafterweise
können
diese Gruppen Ringöffnung
von cyclischen Ethern in die Copolymere eingeführt werden. Bevorzugte cyclische
Ether sind solche der Formel
wobei R
1 bis
R
5 und n die oben genannte Bedeutung haben.
Nur beispielsweise seien Ethylenoxid, 1,2-Propylenoxid, 1,2-Butylenoxid,
1,3-Butylenoxid, 1,3-Dioxan, 1,3-Dioxolan und 1,3-Dioxepan als cyclische
Ether genannt sowie lineare Oligo- oder Polyformale wie Polydioxolan
oder Polydioxepan als Comonomere genannt.
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Ebenfalls
geeignet sind Oxymethylenterpolymerisate, die beispielsweise durch
Umsetzung von Trioxan, einem der vorstehend beschriebenen cyclischen
Ether mit einem dritten Monomeren, vorzugsweise bifunktionellen
Verbindungen der Formel
wobei
Z eine chemische Bindung, -O-, -ORO- (R=C
1-
bis C
8-Alkylen oder C
3-
bis C
8-Cycloalkylen)
ist, hergestellt werden.
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Bevorzugte
Monomere dieser Art sind Ethylendiglycid, Diglycidylether und Diether
aus Glycidylen und Formaldehyd, Dioxan oder Trioxan im Molverhältnis 2:1
sowie Diether aus 2 mol Glycidylverbindung und 1 mol eines aliphatischen
Diols mit 2 bis 8 C-Atomen wie beispielsweise die Diglycidylether
von Ethylenglykol, 1,4-Butandiol, 1,3-Butandiol, Cyclobutan-1,3-diol,
1,2-Propandiol und Cyclohexan-1,4-diol, um nur einige Beispiele
zu nennen.
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Endgruppenstabilisierte
Polyoxymethylenpolymerisate, die an den Kettenenden C-C- oder -O-CH3-Bindungen aufweisen, werden besonders bevorzugt.
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Die
bevorzugten Polyoxymethylencopolymere haben Schmelzpunkte von mindestens
150 °C und
Molekulargewichte (Gewichtsmittelwert) Mw im
Bereich von 5.000 bis 300.000, vorzugsweise von 7.000 bis 250.000.
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Insbesondere
bevorzugt sind POM-Copolymerisate mit einer Uneinheitlichkeit (Mw/Mn) von 2 bis 15, bevorzugt
von 3 bis 12, besonders bevorzugt von 4 bis 9. Die Messungen erfolgen
in der Regel über
(GPC) SEC (size exclusion chromatography), der Mn-Wert
(Zahlenmittel des Molekulargewichtes) wird im allgemeinen bestimmt
mittels (GPC) SEC (size exclusion chromatography).
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Besonders
bevorzugte POM-Copolymerisate weisen eine bimodale Molekulargewichtsverteilung
auf, wobei der niedermolekulare Anteil ein Molgewicht von 500 bis
20.000, vorzugsweise von 1.000 bis 15.000 aufweist und in Flächenanteilen
von 1 bis 15, vorzugsweise 8 bis 10% beim Verteilungsgraphen w(log
M) gegen log M vorhanden ist.
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Bevorzugt
weisen die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhältlichen
Roh-Polyoxymethylene einen
Restformaldehydgehalt gemäß VDA 275
im Granulat von maximal 3 %, bevorzugt maximal 1 %, vorzugsweise
maximal 0,05 % auf.
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Die
mittlere Teilchengröße (d50-Wert) (Korngröße) der POM-Polymerisate beträgt bevorzugt
von 0,5 bis 20 mm, vorzugsweise von 0,75 bis 15 mm und insbesondere
von 1 bis 7 mm.
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Unter
einem d50-Wert versteht der Fachmann in
der Regel den Teilchengrößenwert,
bei welchem 50 % der Teilchen eine kleinere Teilchengröße aufweisen
und 50 % eine größere Teilchengröße aufweisen.
Dies ist entsprechend für
die angegebenen d10 und d90-Werte
zu verstehen.
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Der
d10-Wert ist vorzugsweise kleiner 1 mm,
insbesondere 0,75 mm und ganz besonders bevorzugt kleiner 0,5 mm.
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Bevorzugte
d90-Werte sind kleiner 30 mm und insbesondere
kleiner 20 mm und ganz besonders bevorzugt kleiner 10 mm.
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Bestimmung der Korngrößenverteilung:
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Die
Korngrößenverteilung
wurde anhand eines Standardsiebsatzes (Analysensiebe nach DIN 4188) in
unterschiedliche Siebfraktionen aufgeteilt und diese ausgewogen.
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Beispielsweise
d50 = 1 mm bedeutet, dass 50 Gew.% der Probe
eine Teilchengröße kleiner
gleich 1 mm aufweist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird bevorzugt für
die Homo- und die Copolymerisation von Trioxan angewandt. Als Monomeres
a) kann aber grundsätzlich
jegliches vorstehend beschriebene Monomere, beispielsweise auch
Tetroxan oder (Para)Formaldehyd eingesetzt werden.
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Die
Monomeren, beispielsweise Trioxan, werden bevorzugt im geschmolzenen
Zustand zudosiert, im allgemeinen bei Temperaturen von 60 bis 120°C.
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Vorzugsweise
beträgt
die Temperatur der Reaktionsmischung bei der Dosierung 62 bis 114°C, insbesondere
70 bis 90°C.
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Die
Molekulargewichte des Polymeren können gegebenenfalls durch die
bei der (Trioxan) polymerisation üblichen Regler d) auf die angestrebten
Werte eingestellt werden. Als Regler kommen Acetale bzw. Formale
einwertiger Alkohole, die Alkohole selbst sowie die als Kettenüberträger fungierenden
geringen Mengen Wasser, deren Anwesenheit sich in der Regel nie
vollständig
vermeiden lässt,
in Frage. Die Regler werden in Mengen von 10 bis 10.000 ppm, vorzugsweise
von 100 bis 1.000 ppm, eingesetzt.
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Als
Initiatoren b) (auch als Katalysatoren bezeichnet) werden die bei
der (Trioxan)polymerisation üblichen
kationischen Starter verwendet. Es eignen sich Protonensäuren, wie
fluorierte oder chlorierte Alkyl- und Arylsulfonsäuren, z.B.
Perchlorsäure,
Trifluormethansulfonsäure
oder Lewis-Säuren,
wie z.B. Zinntetrachlorid, Arsenpentafluorid, Phosphorsäurepentafluorid
und Bortrifluorid sowie deren Komplexverbindungen und salzartige
Verbindungen, z.B. Bortrifluorid-Etherate und Triphenylmethylenhexafluorophosphat.
Die Katalysatoren (Initiatoren) werden in Mengen von etwa 0,01 bis
1.000 ppm, vorzugsweise 0,01 bis 500 ppm und insbesondere von 0,01
bis 200 ppm eingesetzt. Im allgemeinen empfiehlt es sich, den Katalysator
in verdünnter
Form zuzusetzen, vorzugsweise in Konzentrationen von 0,005 bis 5
Gew.-%. Als Lösungsmittel
hierfür
können
inerte Verbindungen wie aliphatische, cycloaliphatische Kohlenwasserstoffe
z.B. Cyclohexan, halogenierte aliphatische Kohlenwasserstoffe, Glykolether
usw. verwendet werden Besonders bevorzugt ist Triglym als Lösungsmittel
(Triethylenglykoldimethylether).
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Monomere
a), Initiatoren b), Cokatalysator c) und gegebenenfalls Regler d)
können
auf beliebige Weise vorgemischt oder auch getrennt voneinander dem
Polymerisationsreaktor zugegeben werden. Ferner können die
Komponenten a), b) und/oder c) zur Stabilisierung sterische gehinderte
Phenole enthalten wie in EP-A 129369 oder bilisierung sterische
gehinderte Phenole enthalten wie in EP-A 129369 oder EP-A 128739
beschrieben.
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Um
den Anteil an instabilen Endgruppen zu minimieren, hat es sich als
vorteilhaft erwiesen den Initiator b) im Regler d) vor dessen Zugabe
zum Monomeren a) und gegebenenfalls Comonomer a) zu lösen.
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Für eine größere Flexibilität beim gewünschten
Mw des POM-Polymerisates hat es sich als
vorteilhaft erwiesen den Regler d) in geringen Mengen Lösungsmittel
zu lösen
und anschließend
mit den Monomeren bzw. Comonomeren zu mischen und zu dosieren.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird die Polymerisation als Fällungspolymerisation (je
nach Grad der Löslichkeit
der einzelnen Komponenten auch als Suspensionspolymerisation bezeichenbar) in
einem Lösungsmittel
durchgeführt,
in welchem das entstehende Polyoxymethylenhomo- oder -copolymerisat
weitestgehend unlöslich
ist. Unter „weitestgehend" unlöslich soll
verstanden werden, dass ab einem Polymerisationsgrad von mindestens
4 das Polymerisat ausfällt.
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Als
Lösungsmittel
werden insbesondere inerte Verbindungen eingesetzt, beispielsweise
aliphatische Kohlenwasserstoffe wie Propan, Butan, Pentan, Iso-Octan,
n-Hexane, n-Heptan, n-Octan, iso-Octan sowie cycloaliphatische Kohlenwasserstoffe
wie Cyclohexan oder Cycloheptan sowie Cyclopentan, welche gegebenenfalls
Heteroatome als Substituenten tragen können.
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Als
aromatische Kohlenwasserstoffe sind solche geeignet welche mindestens
6 bis 30 C-Atome aufweisen, wobei Nitrobenzol, Toluol, Benzol bevorzugt
sind.
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Als
weitere geeignete halogenierte Kohlenwasserstoffe seien Dichlormethan,
Chloroform, Dichlorethan und Trichlorethan genannt.
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Ferner
sind Ether wie Dioxan oder THF sowie Triglym (Triethylenglykoldimethylether)
als inerte Lösungsmittel
geeignet.
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Das
Lösungsmittel
weist bevorzugt zu Beginn der Reaktion (Zudosierung) Temperaturen
von 50 bis 250°C
vorzugsweise 55 bis 180 und insbesondere 60 bis 130°C auf. Die
Zudosierung des Cokatalysators c) erfolgt bevorzugt nach Zugabe
der Monomeren a), oder vor Zugabe des Katalysators b).
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Vorzugsweise
wird vor Beginn der Reaktion unter Inertgasbedingungen, bevorzugt
unter N2, gearbeitet, bei Drücken von
1 bis 5, vorzugsweise von 1 bis 2 bar abs.
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Als
erfindungsgemäße Cokatalysatoren
werden Säureanhydride
jeglicher Art eingesetzt. Im folgenden seien einige bevorzugte Arten
genannt:
- 1. aliphatische Anhydride mit 2 bis
40 C-Atomen, vorzugsweise 2 bis 20 C-Atomen, wie Acetanhydrid (Essigsäureanhydrid),
Bernsteinsäureanhydrid,
Maleinsäureanhydrid,
Propionsäureanhydrid,
Buttersäureanhydrid.
- 2. aromatische Anhydride mit 6 bis 40 C-Atomen, vorzugsweise
6 bis 20 C-Atomen, wie Phthalsäureanhydrid.
- 3. halogenierte Derivate, vorzugsweise chlorierte und fluorierte
Derivate der Anhydride unter 1. und 2., wobei Dichloracetanhydrid
und Trichloracetanhydrid sowie Trifluoracetanhydrid bevorzugt sind.
- 4. aromatische und aliphatische Carbonsulfonsäureanhydride,
sowie deren halogenierte oder mit Alkylketten substituierte Derivate,
wobei Methan-(Mesyl)sulfonsäureanhydrid
und chlorierte Derivate, Benzylsulfonsäureanhydrid und chlorierte
Derivate, o,p,m-Tosylsulfonsäureanhydrid
und chlorierte Derivate, o,p,m-Brosylsulfonsäureanhydrid und chlorierte
Derivate, Phenylsulfonsäureanhydrid
und chlorierte Derivate bevorzugt sind.
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Die
Verweilzeit für
die Polymerisation im Lösungsmittel
(Fällungspolymerisation)
beträgt
vorzugsweise 0,1 bis 240 min, insbesondere 5 bis 120 min. Die Polymerisation
wird vorzugsweise bis zu einem Umsatz von mindestens 30 %, insbesondere
mehr als 60 % geführt.
Unter günstigen
Bedingungen lassen sich auch Umsätze
von 90 % und darüber
erzielen, quantitative Umsätze
bis zu 100 % sind gut reproduzierbar.
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Im
allgemeinen hat sich eine Fahrweise bewährt, bei der man einen Druck
bei der Startphase der Polymerisation von 1 bar abs bis 10 bar abs,
bevorzugt 2 bar abs bis 7 bar abs einstellt. Bevorzugt erfolgt die Polymerisation
unter Inertgas, vorzugsweise Stickstoff.
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Vorzugsweise
wird direkt anschließend
an die Polymerisation die Polymerisationsmischung desaktiviert,
vorzugsweise ohne dass eine Phasenveränderung erfolgt.
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Die
Desaktivierung e) der Katalysatorreste erfolgt in der Regel durch
Zugabe von mindestens einem Desaktivator e):
- a)
durch direkte Zugabe in die Polymerisationsvorrichtung, vorzugsweise
Kessel(kaskade), zum ausgefällten
POM (in Teilchenform), oder
- b) nach vollständiger
Abtrennung des POM-Polymeren vom Lösungsmittel und anschließender Begasung mit
gasförmigen
Desaktivatoren, oder
- c) nach teilweiser Abtrennung des Lösungsmittels und Zugabe des
Desaktivators in das verbleibende Lösungsmittel, welches das ausgefällte Polymer
enthält,
oder
- d) nach vollständiger
Abtrennung des Polymeren vom Lösungsmittel
und Auflösen
des Polymeren in einem geeigneten Lösungsmittel sowie Zugabe des
Desaktivators zum gelösten
Polymeren.
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Geeignete
Desaktivatoren sind z.B. Ammoniak, aliphatische und aromatische
Amine, basisch reagierende Salze, wie Soda und Borax. Diese werden üblicherweise
den Polymeren in Mengen von vorzugsweise bis zu 1 Gew.-% zugesetzt.
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Zu
den organischen Verbindungen der (Erd-)Alkalimetalle, vorzugsweise
des Natriums gehören
die entsprechenden Salze von (cyclo)aliphatischen, araliphatischen
oder aromatischen Carbonsäuren
mit vorzugsweise bis zu 30 C-Atomen und vorzugsweise 1 bis 4 Carboxylgruppen.
Beispiele herfür
sind: Alkalimetallsalze der Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Isobuttersäure, Caprylsäure, Stearinsäure, Cyclohexancarbonsäure, Bernsteinsäure, Adipinsäure, Korksäure, 1,10-Decandicarbonsäure, 1,4-Cyclohexandicarbonsäure, Terephthalsäure, 1,2,3-Propantricarbonsäure, 1,3,5-Cyclohexantricarbonsäure, Trimellithsäure, 1,2,3,4-Cyclopentantetracarbonsäure, Pyromellithsäure, Benzoesäure, substituierten
Benzoesäuren, Dimersäure und
Trimersäure
sowie neutrale und teilneutrale Montanwachssalze oder Montanwachsestersalze (Montanate).
Auch Salze mit andersgearteten Säureresten,
wie z.B. Alkali-Paraffin-, Alkali-Olefin- und Alkali-Arylsulfonate
oder auch Phenolate sowie Alkoholate, wie z.B. Methanolate, Ethanolate,
Glykolate, können erfindungsgemäß eingesetzt
werden.
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Bevorzugt
werden Natriumsalze von Mono-und Polycarbonsäuren, insbesondere die aliphatischer Mono-
und Polycarbonsäuren,
vorzugsweise solchen mit 2 bis 18 C-Atomen, insbesondere mit 2 bis 6 C-Atomen
und bis zu vier, vorzugsweise bis zu zwei Carboxylgruppen, sowie
Natriumalkoholate mit vorzugsweise 2 bis 15, insbesondere 2 bis
8 C-Atomen verwendet. Beispiele besonders bevorzugter Vertreter
sind Natriumacetat, Natriumpropionat, Natriumbutyrat, Natriumoxalat,
Natriuimmalonat, Natriumsuccinat, Natriummethanolat, Natriumethanolat,
Natirumglykonat. Ganz besonders bevorzugt ist Natriummethanolat,
welches besonders vorteilhaft in einer Menge von 1–5 fach äquimolar
zur eingesetzten Komponente b) eingesetzt wird. Es können auch
Gemische verschiedener (Erd-)Alkalimetall-Verbindungen eingesetzt
werden.
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Weiterhin
sind Erdalkalialkyle als Desaktivatoren e) bevorzugt, welche 2 bis
30 C-Atome im Alkylrest aufweisen.
Als besonders bevorzugte Metalle seien Li, Mg und Na genannt, wobei
n-Butyllithium insbesondere bevorzugt ist.
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Anschließend kann
das entstandene Polymerisat mit inerten Lösungsmittel beispielsweise
Aceton oder Cyclohexan gewaschen werden und mit geeigneten Vorrichtungen
von Lösungsmittel
abgetrennt, gegebenenfalls gekühlt
werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Fahrweise
erhält
man ein kompaktes, pulverförmiges
Granulat, wobei die Entstehung von Grobanteilen gemäß des Standes
der Technik vermieden wird.
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Das
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhältliche
Polyoxymethylen weist einen geringen Restgehalt an zyklischen Ethern
(Trioxan) und eine hohe Gleichmäßigkeit
hinsichtlich der Granulat-Korngrößenverteilung
und des Molekulargewichtes über
das ausgetragene Polyoxymethylen hinweg auf.
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Anschließend kann
das entsprechende Polyoxymethylenpolymerisat mit üblichen
Additiven wie Stabilisatoren, Kautschuken, Füllstoffen usw. in üblicher
Weise weiterverarbeitet werden.
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Bespiele
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Versuchsaufbau I:
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41
HWS-Gefäß, Ölbad, Ankerrührer, Kugelkühler, Messung
der Innentemperatur mit PT 100,
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Rührdrehzahl:
200 U/min
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Fahrweise:
Cyclohexan wurde vorgelegt und unter Rühren auf 68°C aufgeheizt. Trioxan und Butandiolformal
wurden anschließend
zugegeben und die Polytemperatur auf 60°C eingestellt. Anschließend wurde die
Katalysatorlösung
in 1 h zugefahren.
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1
h nach Endes des Katalysator-Zulaufes wurde mit BuLi stabilisiert,
30 min nachgerührt
und mit 800 g Aceton versetzt, gekühlt und filtriert.
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Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
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