DE1218157B - Verfahren zur Herstellung wasserloeslicher Polymerisate - Google Patents

Verfahren zur Herstellung wasserloeslicher Polymerisate

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DE1218157B
DE1218157B DEB69529A DEB0069529A DE1218157B DE 1218157 B DE1218157 B DE 1218157B DE B69529 A DEB69529 A DE B69529A DE B0069529 A DEB0069529 A DE B0069529A DE 1218157 B DE1218157 B DE 1218157B
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Germany
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water
reactor
solution
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soluble polymers
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DEB69529A
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English (en)
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Dr Heinz Pohlemann
Dr Herbert Spoor
Dipl-Ing Eduard Heil
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BASF SE
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BASF SE
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J4/00Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices
    • B01J4/008Feed or outlet control devices

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Separation Of Suspended Particles By Flocculating Agents (AREA)
  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)

Description

  • Verfahren zur Herstellung wasserlöslicher Polymerisate Wasserlösliche Polymerisate, insbesondere solche auf Basis von Acrylsäure oder Acrylamid, erhält man z. B. durch radikalisch initiierte Polymerisation der Monomeren in organischen Lösungsmitteln, in denen das Polymere unlöslich ist und während der Reaktion ausfällt. Nach dieser sogenannten Fällungspolymerisation erhält man nur Polymerisate mit relativ geringem Molekulargewicht. Um zu Polymerisaten mit sehr hohem Molekulargewicht von über einer Million zu gelangen, muß die Polymerisation in Wasser vorgenommen werden. Man polymerisiert dabei meist chargenweise und bei relativ niederer, etwa 10- bis 200/,iger Konzentration der Lösungen, weil bei höherer Konzentration die hochviskose, gummiartige Polymerisatlösung nur schwer aus dem Reaktionsgefäß zu entfernen ist. Die Festprodukte werden aus den wäßrigen Lösungen entweder durch Trocknen oder durch Ausfällen des Feststoffes mit einem Fällungsmittel, im Falle des Polyacrylamids z. B. mit Methanol, und anschließendes Trocknen gewonnen.
  • Es ist auch bereits bekannt, konzentrierte wäßrige Polyacrylamidlösungen durch Polymerisation einer 10- bis 500/,eigen Lösung des monomeren Acrylamids in Gegenwart von Kupferionen vorzunehmen. Durch den Zusatz der Kupferionen wird die Viskosität der entstehenden Polymerisatlösungen erniedrigt.
  • Versucht man, die Polymerisation in wäßrigem Medium kontinuierlich durchzuführen, z. B. in einem Reaktionsturm, an dessen einem Ende Monomerenlösung und Katalysator eindosiert werden und an dessen anderem Ende die Polymerisatlösung austritt, so stellt man fest, daß sich die niederviskose Monomerenlösung nach kurzer Zeit einen Weg durch die hochviskose Polymerisatlösung bahnt und unpolymerisiert oder nur anpolymerisiert aus dem Reaktor austritt. Diese Kanalbildung läßt sich auch durch Einbau von Hindernissen, wie Lochplatten oder Raschigringen, in den Reaktor nicht unterdrücken.
  • Daher ist es bei der Polymerisation in wäßrigem Medium erforderlich, diskontinuierlich zu arbeiten.
  • Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung wasserlöslicher Polymerisate durch Einbringen einer 20- bis 40gewichtsprozentigen wäßrigen Lösung oder Dispersion von zu wasserlöslichen Polymerisaten, polymerisierbaren Monomeren sowie von IZatalysatoren und gegebenenfalls Aktivatoren (im folgenden kurz »Lösung oder Dispersion der Reaktanten« genannt) in einen mit verschließbaren Anschlüssen versehenen geschlossenen zylinderförmigen Reaktor, Polymerisieren der Monomeren im Reaktor und Austragen des polymerisierten Reaktionsgutes aus dem Reaktor gefunden, bei dem sich die Polymerisate vorteilhaft herstellen lassen, wenn das Verfahren in einem mit einem längs der Zylinderachse beweglichen eingepaßten Kolben versehenen zylinderförmigen Reaktor durchgeführt wird.
  • Dadurch ist es möglich, das im Reaktor polymerisierte hochviskose Reaktionsgut mit Hilfe des Kolbens aus dem Reaktionsraum zu drücken. Nachdem der zylinderförmige Reaktor neu gefüllt und der Kolben in die Ausgangsstellung zurückgeführt ist, kann der Herstellungszyklus von neuem beginnen.
  • Das Verfahren wird bevorzugt in einer Vorrichtung, wie sie in A b b. 1 slcizziert ist, durchgeführt. In einem Zylinder A, der am Ende 1 mit einem absperrbaren Anschluß B für Druckgas oder Druckflüssigkeit sowie einem absperrbaren Entleerungsanschluß C und am anderen, konisch sich verjüngenden Ende II mit absperrbaren Anschlüssen D und E versehen ist, befindet sich freiliegend und nach beiden Seiten abdichtend ein Kolben F.
  • Der Polymerisationszyklus läuft folgendermaßen ab: Die in den Zulaufbehältern G, H und J angesetzten Lösungen von Monomeren, Katalysator und gegebenenfalls Aktivator (Lösung der Reaktanten) werden mittels Dosierpumpen K über eine kühlbare Mischstrecke L bei geöffneten Ventilen E und C und geschlossenen Ventilen B und D in den Zylinder A gedrückt, wobei der Kolben F von II nach I bewegt wird. Nach Ende der im wesentlichen adiabatisch verlaufenden Polymerisation werden die Ventile D und B geöffnet, E und C geschlossen. Durch B einströmendes Druckgas, z.B. Stickstoff, bewegt den Kolben von I nach II, wobei die hochviskose Polymerisatlösung durch D ausgedrückt wird.
  • Eine andere geeignete Vorrichtung ist in A b b. 2 skizziert. Hier wird die Polymerisation zu beiden Seiten des Kolbens nacheinander durchgeführt. Als Druckmedium für das Ausdrücken der Polymerisatlösung dient die neueintretende Lösung der Reaktanten selbst.
  • Bei geschlossenen Ventilen N und P und geöffneten Ventilen 0 und M drückt die durch 0 eintretende Lösung den Kolben F von. III nach IV und die rechts vom Kolben befindliche Polymerisatlösung durch M aus dem Zylinder. Nach Beendigung der Polymerisation wird die Lösung des Polymerisationsproduktes bei geschlossenen Ventilen M und 0 und geöffneten Ventilen P und N durch neue, bei P eintretende Lösung der Reaktanten durch N aus dem Zylinder gedrückt. Der Kolben F bewegt sich dabei von IV nach III. Die Ventile und Pumpen können automatisch über einen Regler gesteuert werden. Der neue Füllvorgang wird z. B. durch die am Ende der Polymerisation auf einen bestimmten Wert angestiegene Temperatur ausgelöst und durch den Druckanstieg beim Anstoßen des Kolbens an die Zylinderbasis beendet.
  • Nach dem neuen Verfahren können alle Monomeren, die wasserlösliche Polymerisate liefern, polymerisieft werden, z. B. Acrylamid, Acrylsäure, Methacrylsäure, Vinylsulfonsäure, Vinylpyrrolidon oder Styrolsulfonsäure, gegebenenfalls in Mischung mit geringeren Mengen solcher Monomeren, die für sich allein wasserunlösliche Polymere bilden, wie Acrylnitril, Acrylester, Vinylester, Vinylchlorid, Methacrylamid oder Styrol. Die Monomeren der letzten Klasse dürfen nur in solchen Mengen neben den Monomeren der zuerst genannten Klasse vorliegen, daß die Mischpolymerisate noch wasserlöslich sind. Als Katalysatoren dienen die zum Polymerisieren dieser Monomeren üblicherweise verwendeten, wie Wasserstoffperoxyd, Kaliumpersulfat oder Azodusobuttersäureamid.
  • Da es vorteilhaft ist, die Polymerisation bei möglichst niedriger Temperatur, z. B. bei 0 bis 20"C, zu starten, weil dadurch besonders hohe Molekulargewichte erzielt werden, empfiehlt sich der Zusatz eines als Aktivator wirkenden Reduktionsmittels wie Formaldehydsulfoxylat, Natriumsuffit oder Ascorbinsäure, gegebenenfalls zusammen mit geringen Mengen von Schwermetallsalzen, wie Eisen- oder Kupfersulfat.
  • Dadurch wird ein rascher Beginn der Polymerisation auch bei diesen niedrigen Temperaturen erreicht.
  • Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß man relativ konzentrierte, 20- bis 40gewichtsprozentige Monomerenlösungen zu hochviskosen Lösungen polymerisieren kann, die sich leicht aus dem Reaktor entfernen lassen. Dadurch sind die bei der Herstellung der Festprodukte zu entfernenden Wassermengen nicht allzu groß. Da die Reaktion praktisch adiabatisch verläuft, wird die Konzentration nach oben durch die Temperatur begrenzt, die das entsprechende Polymerisat noch kurzzeitig ohne Schaden verträgt. Diese Temperatur liegt z. B. im Falle von Polyacrylamid etwa bei 130 bis 140"C. Polymerisiert man beispielsweise eine 30gewichtsprozentige Acrylamidlösung ausgehend von 20" C, so liegt die Endtemperatur bei etwa 95"C.
  • Die Viskositäten der Polymerisatlösungen liegen im allgemeinen zwischen 10000 und 100000 Poise.
  • Die Drücke, bei denen polymerisiert wird, liegen im allgemeinen zwischen etwa 1 und 50 kg/cm2. Zum Ausdrücken des Polymerisats werden je nach dessen Viskosität und nach Größe des Ablaßventils Überdrücke von etwa 5 bis 60 kg/cm2 benötigt. Zum Bewegen des Kolbens einer Apparatur nach A b b. 1 verwendet man vorteilhafterweise Druckluft oder Druckwasser. Der Kolben kann aber auch mechanisch über ein Gestänge angetrieben werden. Die erreichbaren Zykluszeiten hängen hauptsächlich von der Polymerisationsgeschwindigkeit des Monomeren, von dessen Konzentration, vom Katalysatorgehalt und von der Anfangstemperatur ab. Im allgemeinen liegt die Zykluszeit zwischen etwa 15 und 120 Minuten.
  • Die nach dem neuen Verfahren erhältlichen Polymerisate sind hervorragend als Flockungsmittel, z. B. für Kohle- oder Erzsuspensionen, Verdickungsmittel, z. B. für Farbpasten oder Anstrichstoffe, oder als Schlichten zur Textilveredelung geeignet.
  • Die in dem Beispiel genannten Teile und Prozente sind, wenn nicht anders bezeichnet, Gewichtseinheiten.
  • Beispiel 1 Verwendet wird ein Zylinder nach A b b. 1 mit einem Nutzinhalt von 251 und einer Rohrlänge von 160 cm.
  • In die Behälter G, H und J werden folgende Lösungen gefüllt: In G eine mit Ammoniak neutralisierte Lösung von 525 Teilen Acrylamid, 140 Teilen Acrylsäure und 35 Teilen Vinylsulfonsäure in 1300 Teilen Wasser (Temperatur 18"C). In H eine Lösung von 1,4 Teilen Kaliumpersulfat in 400 Teilen Wasser (Temperatur 18"C). In J eine Lösung von 0,7 Teilen Formaldehydsulfoxylat in 100 Teilen Wasser (Temperatur 180 C).
  • Durch gleichzeitiges Inbetriebnehmen der Dosierpumpen K werden 20 kg der Lösung aus G, 4,0 kg der Lösung aus H und 1,0 kg der Lösung aus J über die MischstreckeL bei geschlossenen Ventilen B und D und geöffneten Ventilen E und C in den Zylinder A gedrückt, wobei der Kolben F durch die eintretende Flüssigkeit von II nach I gedrückt wird. Nach 10 Minuten beginnt die Polymerisation, und nach weiteren 15 Minuten ist das Temperaturmaximum von 95C erreicht. Nun werden die Ventilstellungen umgekehrt, und durch den Anschluß B wird mit Druckluft von 10 atü der Kolben F nach II und die Polymerisatlösung aus D herausgedrückt. Dann kann der Zyklus von neuem beginnen, wobei die eintretende Lösung aber so weit gekühlt sein muß, daß durch Wärmeausgleich mit dem noch heißen Reaktor die Anspringtemperatur von 18"C erreicht wird.
  • Man erhält eine 310/0ige Lösung eines Mischpolymerisats aus Acrylamid, Acrylsäure und Vinylsulfonsäure. Aus der Lösung wird durch Fällen mit Methanol in einem Kneter, Filtration und Trocknen im Vakuum bei 70"C das Festprodukt gewonnen. Es hat eine relative Viskosität in 0,1°/Oiger wäßriger Lösung von 7,1. Es eignet sich hervorragend als Flockungsmittel zum Beschleunigen der Sedimentation von feinteiligen Kohle- oder Erzsuspensionen oder als Verdickungsmittel für Anstrichstoffe oder Farbpasten.
  • Beispiel 2 Die Polymerisation wird in einem Reaktor nach Ab b. 2 mit einem Nutzinhalt von 251 und einer Rohrlänge von 140cm durchgeführt. Die Vorratsgefäße G, H und J mit den Dosierpumpen K sind ähnlich angeordnet wie bei Beispiel 1 und über die kühlbare Mischstrecke L mit dem Reaktor verbunden.
  • Gefäß G enthält eine Lösung von 600 Teilen Acrylamid, 30 Teilen vinylsulfonsaurem Natrium und 1 Teil Natriumpyrophosphat in 1000 Teilen Wasser, die GefäßeH und J sind mit der gleichen Lösung beschickt wie im Beispiel 1.
  • Bei geöffneten Ventilen 0 und M und geschlossenen Ventilen N und P werden aus den Vorratsgefäßen mittels der Dosierpumpen K gleiche Gewichtsverhältnisse der einzelnen Lösungen wie im Beispiel 1 (20 kg aus G, 4 kg aus H und 1 kg aus J) gleichzeitig bei 18"C in den Reaktor eingedrückt. Ist der Kolben F vor dem Ventil M angekommen, wird das Eindrücken unterbrochen. Nach wenigen Minuten beginnt die Temperatur anzusteigen und erreicht ihr Maximum bei 102O C. Nun werden die Ventile N und P geöffnet, O und M geschlossen und durch Einschalten der Dosierpumpen gleichzeitig neue Reaktionslösung über das Ventil P in den Raum IV eingedrückt und die gebildete, etwa 30°/Oige hochviskose P olymerisatlösung aus III durch das Ventil N ausgetragen. Dieser Vorgang kann in beiden Richtungen beliebig oft wiederholt werden.
  • Man erhält ein Copolymerisat mit einem K-Wert nach F i k e n t s c b e r (Cellulosechemie, 13 [1932], S. 60) von 155, das besonders als Flockungsmittel geeignet ist.

Claims (1)

  1. Patentanspruch: Verfahren zur Herstellung wasserlöslicher Polymerisate durch Einbringen einer 20- bis 40gewichtsprozentigen wäßrigen Lösung oder Dispersion von zu wasserlöslichen Polymerisaten polymerisierbaren Monomeren, gegebenenfalls zusammen mit geringen Mengen solcher Monomerer, die für sich allein polymerisiert wasserunlösliche Polymere ergeben, sowie von Katalysatoren und gegebenenfalls Aktivatoren in einen mit verschließbaren Anschlüssen versehenen geschlossenen zylinderförmigen Reaktor, Polymerisieren der Monomeren im Reaktor und Austragen des polymerisierten Reaktionsgutes aus dem Reaktor, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in einem mit einem längs der Zylinderachse beweglichen eingepaßten Kolben versehenen zylinderförmigen Reaktor durchgeführt wird.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 068 013.
DEB69529A 1962-11-07 1962-11-07 Verfahren zur Herstellung wasserloeslicher Polymerisate Pending DE1218157B (de)

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