DE1262602B - Verfahren zur Herstellung von Polymerisaten - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von PolymerisatenInfo
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Description
Es ist bekannt, daß im allgemeinen vernetzte hitzehärtende Polymerisate aus allen organischen Verbindungen
durch Polymerisation erhältlich sind, die eine Vielzahl von nicht konjugierten Doppelbindungen
enthalten, wie Divinylbenzol, die Allylacrylate und insbesondere die mehrfachen Alkenylester von
mehrbasischen Säuren, wie die Diallylphthalate.
So wird beispielsweise im Fall der mehrfachen Alkenylester mehrbasischer Säuren, z. B. der Diallyl-
und Dimethallylphthalate, die Polymerisation leicht durch peroxydische Katalyse und Wärme eingeleitet.
Brauchbare Produkte lassen sich jedoch nicht leicht erhalten. Im allgemeinen führt eine derartige Polymerisation,
entweder in Masse, in Suspension oder in Emulsion, zu einem Gel mit unlöslicher dreidimensionaler
Vernetzung, wobei der Hauptteil des Monomeren noch nicht umgesetzt ist. Die gelierte Mischung,
die einen größeren Teil an Monomeren enthält, ist nicht mehr leicht brauchbar für die Herstellung von
Filmen, Schichtstoffen oder Formmassen. Wird die Polymerisation kurz vor der Gelierung abgebrochen,
bleibt so viel Monomeres zurück, daß die weitere Umwandlung langsam ist und von übermäßiger
Schrumpfung begleitet wird. Daher waren derartige Polymerisate technisch nicht brauchbar, bis eine
Methode gefunden wurde, das Monomere aus dem Polymerisat in der nicht gelierten Polymerisationsmischung direkt vor dem Gelieren abzutrennen, wie
sie von Pollack, Muskat und Strain in den USA.-Patentschriften 2 273 891, 2 370 578, 2 377 095
beschrieben wird. Dabei wird das Monomere bei geringem Umwandlungsgrad unter Bildung eines löslichen
schmelzbaren Polymerisats polymerisiert, das eine restliche Unsättigung aufweist. Das lösliche Polymerisat
wird mit Methanol oder einem anderen Lösungsmittel, in dem das Monomere verbleibt, ausgefällt
und dann isoliert, um gemischt, geformt und schließlich zu einem unlöslichen Harz gehärtet zu
werden. Notwendigerweise ist dieses Verfahren unwirtschaftlich, da lediglich ein kleiner Teil des Monomeren
umgewandelt und das nicht umgesetzte Monomere zurückgewonnen und rückgeführt wird.
Trotzdem fanden diese löslichen Allylpolymerisate, im allgemeinen als Präpolymerisate bekannt, industrielle
Verwertung. Sie sind besonders wertvoll für die Herstellung von Formlingen, die hervorragende
elektrische Eigenschaften aufweisen, besonders unter Bedingungen hoher Feuchtigkeit. Sie lassen sich besonders
gut formen und härten unter minimaler Schrumpfung, so daß sie zu der Herstellung von
Teilen, die eine sehr genaue Formung erfordern, geeignet sind. Außerdem sind sie bei der Herstellung
Verfahren zur Herstellung von Polymerisaten
Anmelder:
FMC Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Vertreter:
Dr. F. Zumstein, Dr. E. Assmann
und Dr. R. Koenigsberger, Patentanwälte,
8000 München 2, Bräuhausstr. 4
x5 Als Erfinder benannt:
Harry Hoyt Beacham, Severna Park, Md.;
Leo Seth Burnett, Scarsdale5 N. Y. (V. St. A.)
Leo Seth Burnett, Scarsdale5 N. Y. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 3. April 1963 (270175)
von Schichtstoffen (Laminaten) brauchbar, da sie bei verhältnismäßig niedrigen Drücken überlegene
Schichtstoffe liefern können.
Die Verbesserung des Verfahrens der Abtrennung des Präpolymerisats vom Monomeren (USA.-Patentschrift2613 201) ergaben nur verhältnismäßig geringe Verbesserungen bezüglich der Wirtschaftlichkeit.
Die Verbesserung des Verfahrens der Abtrennung des Präpolymerisats vom Monomeren (USA.-Patentschrift2613 201) ergaben nur verhältnismäßig geringe Verbesserungen bezüglich der Wirtschaftlichkeit.
Eine Verbesserung der prozentualen Umwandlungen vor der Gelierung ergab die Verwendung verschiedener
Regler. Merklich höhere Umwandlungen waren durch Zusatz bestimmter Lösungsmittel möglich,
die als Kettenüberträger (z. B. Tetrachlorkohlenstoff) für die Polymerisationsreaktionsmischung wirken.
Unglücklicherweise besaßen jedoch die daraus erhaltenen löslichen Polymerisate nicht die günstigen
Eigenschaften der normalen Polymerisate. Ein gewisser Erfolg wurde bei Verwendung von Katalysatoren
erzielt, die eine höhere Umwandlung vor der Gelierung ermöglichen, beispielsweise eine Steigerung
von 20 bis 25 auf 35°/o.
Muskat erkannte (USA.-Patentschrift 2403 112), daß die erhaltenen Gele zur Herstellung von Formmassen
ohne Abtrennung der Präpolymerisate verwendet werden könnten. Er polymerisierte in üblicher
Weise bis zu einem Gel, das 20 bis 25 % Polymerisat enthielt, und setzte dann das Erhitzen fort, um den
Anteil an Polymerisat gegenüber dem Monomeren zu
809 517/709
erhöhen, bis zu einem Anteil von 50 bis 75% an Acetonunlöslichem. Er stellte fest, daß die Formbarkeit
dieses Produktes oberhalb des Wertes von 75% rasch abfiel und das Produkt praktisch unformbar
wurde, insbesondere, wenn der Prozentsatz an Acetonunlöslichem (ein Maß für die Umwandlung)
in den Bereich von 80 bis 85% gelangte.
Eine Nacharbeit dieses bekannten Verfahrens bestätigte, daß eine optimale Umwandlung im Bereich
von 50 bis 75 % eintrat und daß die Formbarkeit des erhaltenen Produktes sehr schlecht wurde, sobald die
Umwandlung über 80% stieg. Es stellte sich jedoch auch heraus, daß die Formbarkeit des Gels auch bei
Umwandlungen von 50% niemals wirklich gut war. Niemals gelang es, Formlinge herzustellen, die mit
denen vergleichbar waren, die aus reinen Präpolymerisaten hergestellt wurden.
Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von Polymerisaten durch Erhitzen von monomeren, flüssigen,
mehrfachen AlkenyIestern mehrbasischer organischer Carbonsäuren auf eine solche Temperatur
zwischen 100 und 160° C, daß die Polymerisation des Esters induziert wird, in Gegenwart von Peroxydkatalysatoren,
die bis zu einer Temperatur von mindestens 120° C stabil sind, gefunden, bei dem
dann in kurzer Zeit und mit guter Ausbeute unlöslich gelierte Polymerisate hergestellt werden können, die
gute Eigenschaften besitzen, wenn eine katalysatorhaltige Mischung aus Füllstoff und dem flüssigen
mehrfachen AIkenylester, gegebenenfalls unter Zusatz von Netzmitteln, in einem solchen Verhältnis, daß die
Flüssigkeit niemals die Olabsorptionsfähigkeit des Füllstoffes übersteigt, so lange erhitzt wird, bis
weniger als 10% des entstehenden Polymerisats in Aceton löslich bleiben.
Nach Umwandlung in den Zustand eines unlöslichen Gels bricht die so polymerisierte Mischung
sehr leicht in feine Teilchen auf. Darüber hinaus ist es beim Einsatz derartig hoher Verhältnisse von Füllstoff
zu Monomeren möglich, den gewünschten Umwandlungsgrad direkt aus dem Monomeren in verhältnismäßig
kurzer Zeit zu erreichen.
Es erwies sich als unmöglich, einen so hohen Umwandlungsgrad bei den bekannten Polymerisationen
in Masse zu erreichen, da die typischen Umwandlungen am Gelierpunkt unter 50% liegen und der
Wärmeübergang, der sich in den Gelen erhalten läßt, sehr schlecht ist. Auch eine Emulsionspolymerisation
erwies sich als ungeeignet, da zur Erzielung der hohen Temperaturen, die für einen so hohen Umwandlungsgrad
wesentlich sind, die Anwendung von Druck notwendig wäre und das Diallylphthalat und andere
Ester durch Wasser bei den erforderlichen Temperatur-Druck-Bedingungen hydrolysiert werden. Die
gewünschte vollständige Polymerisation läßt sich durch Suspensionspolymerisation in inerten Suspensionsnütteln,
wie niedrigschmelzenden Verbindungen, erhalten. Derartige Mittel sind jedoch ziemlich unsauber,
und es bestehen Schwierigkeiten beim Aufrechterhalten der Suspension und mit der Abtrennung
der Polymerisate aus dem Suspensionsmittel.
Das erfindungsgemäße Polymerisationsverfahren in Gegenwart feinteiliger Füllstoffe vermeidet alle diese
Probleme. Wenn man mit nicht mehr als so viel Flüssigkeit arbeitet, daß die Ölabsorptionsfähigkeit des
Füllstoffes abgesättigt ist, wird das aus den flüssigen Monomeren erhaltene feste Polymerisat durch die
einzelnen Füllstoffteilchen praktisch getrennt gehalten, so daß man keine zementartig zusammengebackenen
großen Polymerisatteile erhält, sondern das erhaltene Polymerisat leicht vermählen werden
kann.
Die Ölabsorption läßt sich nach der ASTjM-Methode D 1483-60 messen. Sie stellt den Punkt dar, bei
dem eine Mischung von Füllstoff und der diesen benetzenden Flüssigkeit von einer Mischung einzelner
Klumpen in eine Paste übergeht, die nicht aufbricht oder sich auftrennt, wenn die Flüssigkeit der Masse
unter Rühren mit einem Spatel zugetropft wird.
Alt Katalysator für die Polymerisation werden die für die Polymerisation von beispielsweise Diallylphthalat
bekannten Peroxyde von verhältnismäßig guter Wärmestabilität in der Größenordnung von
120° C und höher verwendet, z. B. Dicumylperoxyd oder tert.-Butylperbenzoat. Diese Peroxyde werden in
üblichen Mengen, im allgemeinen 0,5 bis 5 Gewichtsprozent des Monomeren5 verwendet. Die Mischung
von Füllstoff, Monomeren und Katalysator wird dann bei einer Ofentemperatur in der Größenordnung zwischen
100 und 160° C in Abhängigkeit von dem speziell verwendeten Katalysator erhitzt. Die gewählte
Temperatur reicht aus, um den Katalysator zur Erzeugung einer exothermen Polymerisation zu veranlassen,
die die Mischung auf eine Temperatur in der Größenordnung von 150 bis 250° C bringt. Im allgemeinen
ist die Umwandlung entweder am Ende der Wärmeentwicklung oder kurz danach ausreichend
vollständig, um die Acetonlösüchen auf 10% oder weniger zu verringern. Der Reaktionskuchen wird
dann abgekühlt.
Zur Weiterverarbeitung wird der Reaktionskuchen vermählen, um weitere lösliche Reaktionspartner mit
oder ohne Füllstoffe, Formtrennmittel, Farbstoffe zur Herstellung von Formmassen einzuarbeiten.
Das erfindungsgemäße Verfahren liefert einen bei Normaltemperatur leicht vermahlbaren gelierten
Kuchen.
Bei diesen feinteiligen Kombinationen von Gel und Füllstoff ist ein Teil des gelierten Harzes auf den
Füllstoffteilchen dispergiert bzw. überzieht sie, aber ein großer Teil läßt sich unter dem Mikroskop als
in Form reiner Polymerisatteilchen vorliegend erkennen.
Auch in Mischungen, die genug Monomeres enthielten, um die Ölabsorptionsfähigkeit des Füllstoffes
zu sättigen, ist der Füllstoff nicht vollständig überzogen. Beispielsweise kann Calciumcarbonat als Füllstoff
durch verdünnte wäßrige Säure, die auf das Polymerisat keine Wirkung ausübt, noch zersetzt
werden. Diese neuartigen erfindungsgemäß hergestellten Mischungen sind feinteilige Pulver, die aus 70 bis
90% Füllstoff und 10 bis 30% von praktisch unlöslich gewordenen Polymerisaten, aus mehrfachen
Alkenylestern mehrbasischer organischer Carbonsäuren bestehen. Sie eignen sich ebenso wie die bekannten
Präpolymeren zur Herstellung von Formmassen, da sie noch restliche ungesättigte Gruppen
enthalten.
Zur erfindungsgemäßen Herstellung der feinteiligen unlöslichen Gele eignen sich Diallyl- und
Dimethallyl-, Ortho-, Iso- und Terephthalate, Maleate, Hexahydrophthalate und Diallyl-1,4,5,6,7,7-hexachlorbicyclo-(2,2,l)-5-hepten-2,3-dicarboxylat
ebenso wie die Diallyl- und Dimethallylester verschiedener aliphatischer Säuren, wie beispielsweise Bernsteinsäure
oder Fumarsäure.
Die Menge des verwendeten Füllstoffs hängt von seiner Ölabsorption und dem Verwendungszweck der
entstehenden Polymerisate ab.
Wie oben angegeben, ist es für die Ausführung der Erfindung wesentlich, die Ester der mehrbasischen
Carbonsäuren bis zu dem Punkt umzusetzen, in dem sie nur noch sehr wenig bis gar keine acetonlöslichen
Anteile mehr enthalten, jedoch noch eine restliche Unsättigung aufweisen, d.h. bis zur praktisch vollständigen
Umwandlung (etwa 90 % oder mehr) in Gel. Um eine Umwandlung von Monomerem zu unlöslichem
Gel in technisch brauchbaren Zeiten zu erhalten, sollte die Mischung von Monomerem, Katalysator
und Füllstoff auf eine Ofentemperatur erhitzt werden, die mit dem speziell verwendeten Katalysator
eine exotherme Wärmeentwicklung induziert, die jedoch gleichzeitig nicht so hoch ist, daß der Katalysator
vor der Vervollständigung der Umsetzung zerstört wird. So ist z. B. mit Diallylorthophthalat, tert.-Butylperbenzoat
und einem Calciumcarbonatfüller in ao einem gewöhnlichen Ofen eine Mindesttemperatur
von 120° C zur Erzeugung der exothermen Wärmeentwicklung erforderlich, die dann die Reaktionstemperatur auf etwa 200° C steigert. Wennjedoch die
Ofentemperaturen oberhalb 160° C liegen, so erhält man keine ausreichend große Umwandlung, anscheinend
infolge der Tatsache, daß ein wesentlicher Teil des Katalysators zerstört wird, bevor der exotherme
Zustand erreicht ist. Bei Verwendung von Durchlaufofen werden die Fördergeschwindigkeit und das Temperaturprofil
so eingestellt, daß die exotherme Reaktion induziert und dann aufrechterhalten wird.
Bei anderen Monomeren variieren die zur Hervorrufung der notwendigen Reaktionen erforderlichen
Temperaturen etwas. DiallylisophthaIatistetwasreaktionsfähiger als Diallylphthalat, so daß unter den
obigen Bedingungen eine exotherme Reaktion bei 110° C erhalten wird. Diallylmaleat ist noch reaktionsfähiger,
so daß die exotherme Reaktion dicht unter 100° C beginnt und innerhalb weniger Minuten
240° C erreicht. Diallylhexahydrophthalate und Diallyl -1,4,5,6,7,7- hexachlorbicyclo- (2,2,1) -5 -hepten-2,3-dicarboxylat
sind in der Reaktionsfähigkeit sehr ähnlich wie Diallylphthalat. Die Dimethallylverbindungen
sind etwas langsamer als die Diallylverbindüngen, ergeben niedrigere exotherme Spitzenwerte
und sind schwieriger vollständig umzuwandeln.
Zur erfindungsgemäßen Herstellung der Polymerisate wurde eine Vielzahl von Füllstoffen verwendet.
Calciumcarbonat erwies sich als sehr brauchbarer Füllstoff infolge seines geringen Preises, seiner niedrigen
Ölabsorption, niedrigen Abriebfestigkeit und guten elektrischen Eigenschaften.
Nadelartiges Calciumsilikat (Wollastonit) hat eine beträchtlich höhere Ölabsorption als Calciumcarbonat,
aber seine nadelähnliche Kristallform ist bei der Weiterverarbeitung zu Formmassen deshalb vorteilhaft,
weil es etwas bessere Biegefestigkeiten verleiht.
Auch Kieselsäure wurde verwendet, diese ist jedoch im allgemeinen so hart und widerstandsfähig gegen
Mahlwerke, daß sie unwirtschaftlich ist. Hydratisierte Tonerden neigen dazu, eine vorzeitige Zersetzung des
Peroxydkatalysators zu bewirken und das gewünschte Unlöslichwerden des Gels zu verhindern. Calcinierte
Tonerden zeigen diese Wirkung jedoch nicht und sind sehr brauchbar.
Alle anderen feinteiligen Füllstoffe können verwendet werden, wenn man den beabsichtigten End-
zweck entsprechend berücksichtigt. Faserige Füllstoffe sind jedoch unwirtschaftlich, da das faserige
Material des Füllstoffes beim Vermählen des Reaktionskuchens zerstört wird.
Bei der Herstellung des Kuchens aus Füllstoff und Gel wird die Verarbeitbarkeit durch Verwendung von
Netz- oder Kupplungszusätzen, wie Laurinsäure, Stearinsäure, Metallseifen, wie Zink- und Calciumstearat
oder ungesättigte Silane, verbessert. Diese Netzmittel vermindern die scheinbare ölabsorption der
Füllstoffe mit den verwendeten Monomeren und ermöglichen die Verwendung größerer Füllstoffkonzentrationen
gegenüber den polymerisierbaren Anteilen bei entsprechenden physikalischen Eigenschaften der
Endprodukte. Außerdem verhüten sie eine Abtrennung des Monomeren im Laufe des Verfahrens. Anscheinend
werden Füllstoffe bei hohen Temperaturen leichter benetzt als bei Normaltemperaturen, so daß
ein Füllstoff, der bei Zimmertemperatur ohne Netzhilfe anscheinend benetzt ist, beim Erhitzen Monomeres
ausschwitzt, das schließlich in ein teilweise umgewandeltes nicht zufriedenstellendes Polymerisat
übergeht. Daher wird vorzugsweise eine Mischung mit Netzmittel verwendet oder eine Mischung, die bei
hoher Scherkraft vermählen worden ist, um eine entsprechende Dispersion von Füllstoff und Monomerem
vor der Polymerisation sicherzustellen.
Monomeres, Füllstoff und Katalysator müssen unter Bedingungen gemischt worden sein, die eine gute Benetzung
sicherstellen. Ein Rührer oder Mischer vom Sigmablattyp ist geeignet, wenn geringe Mengen eines
Netzmittels zugesetzt werden. Diese Mischung wird in Tröge gebracht und in einen Ofen gestellt. Falls
die Mischung sich am Ölabsorptionspunkt befindet, kann dies ein gewöhnlicher Ofen mit Luftzirkulation
oder ein Tunnelofen mit Fördereinrichtung sein. Falls die Mischung unter dem ölabsorptionspunkt und
daher porös ist, wird im Ofen eine inerte Atmosphäre verwendet. Der Ofen hat eine Temperatur von 100
bis 140° C in Abhängigkeit vom verwendeten Monomeren und Katalysator. Eine exotherme Reaktion
wird im allgemeinen innerhalb etwa 30 bis 90 Minuten induziert, und die Temperatur des Kuchens steigt
dann an bis auf etwa 180 bis 250° C Insgesamt wird der Kuchen in dem Ofen etwa 1 bis 2 Stunden gehalten
und dann entnommen, aufgebrochen und fein vermählen.
Die nachstehenden Beispiele geben typische Ausführungsformen der Erfindung wieder, ohne sie darauf
zu beschränken. In allen Beispielen werden unter den Teilen Gewichtsteile verstanden.
Zu IOOTeilen Diallylphthalatmonomeren wurden 3 Teile tert.-Butylperbenzoat und 2 Teile Laurinsäure
zugesetzt, und die Mischung wurde unter Rühren erwärmt, bis man eine klare Lösung erhielt. Diese
Lösung wurde dann mit 450 Teilen feinteiligem Calciumcarbonat zusammengegeben und in einem
Hobartmischer gemischt, bis sich eine glatte steife Paste ergab. Dies entspricht einem Verhältnis von
Füllstoff zu Flüssigkeit, das sich gerade am Ölabsorptionspunkt befindet. Diese Paste wurde in einem mit
einer Aluminiumfolie überzogenem Trog in einer Schichtdicke von etwa 1,9 cm ausgestrichen und bei
120° C in einen Ofen mit zirkulierender Luft gestellt. Ein in der Mitte des Kuchens angebrachtes Thermoelement
zeigte einen allmählichen Temperaturanstieg
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von Polymerisaten durch Erhitzen von monomeren, flüssigen mehrfachen
Alkenylestern mehrbasischer organischer Carbonsäuren auf eine solche Temperatur zwischen
100 und 160° C, daß die Polymerisation des Esters induziert wird, in Gegenwart von Peroxydkatalysatoren,
die bis zu einer Temperatur von mindestens 120°C stabil sind, dadurch gekennzeichnet,
daß eine katalysatorhaltige Mischung aus Füllstoff und dem flüssigen mehrfachen Alkenylester, gegebenenfalls unter Zusatz
von Netzmitteln, in einem solchen Verhältnis, daß die Flüssigkeit niemals die Ölabsorptionsfähigkeit
des Füllstoffes übersteigt, so lange erhitzt wird, bis weniger als 10% des entstehenden Polymerisats
in Aceton löslich bleiben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine katalysatorhaltige Mischung,
die weniger Flüssigkeit enthält als zur Absättigung der Ölabsorptionsfähigkeit des Füllstoffes
erforderlich ist, in einer inerten Atmosphäre erhitzt wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1118 456;
USA1-Patentschrift Nr. 2 990 388.
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1118 456;
USA1-Patentschrift Nr. 2 990 388.
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