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Verfahren zur Herstellung von Polybutadienen Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von neuen Polymerisaten mit einer Struktur, die sich
von derjenigen der bisher bekannten synthetischen Polymerisate stark unterscheidet,
insbesondere zur Herstellung von Polybutadien-1, 3 in dem die Uutadieneinheiten
sämtlich in der regelmõ#igen 1,4-Struktur (cis und/oder trans) vorliegen.
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Die Polymerisation srfolst hierbei unter Verwendung gewisser Hetallkatalysatoren
von gõnzlich anderer Art, als sie bisher in Dienpolymerisationen verwendet wurden.
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In der Polymerisation von Lutadien-1, 3 (nachstehend als Butadien
bezeichnet) gibt es verschiedene m~gliche Arten der Vereinigung der lionomereinheiten,
die die Polymermoleküle bilden. Es kann Additionspolymerisation an den 1, 4-Kohlenstoffatomen
zu 1, 4-Einheiten (I) und auch an den 1, 2-Kohlenstoffatomen zu 1, 2-Einheiten (II)
stattfinden. Ferner können die 1,4-Einheiten sowohlin der cis-konfiguration (III)
als auch in der Trans-Konfiguration (IV) um die Doppelbindung vorliegen :
über einen Zeitraum von vielen Jahren wurden in der. Polymerisationstechnik viele
olefinische und polyolefinische Eigenpolymere, Mischpolymere und Interpolymere unter
Verwendung der verschiedensten Polymeriaationssyateme und Katalysatoren hervorgebracht.
Beispielsweise ist Butadien, das einfachste m~gliche konjugierte Diolefin, ein Bestandteil
vieler wertvoller Mischpolymerisate, z.B. des Kautschukartigen Butadien-Styrol-Mischpolymerisate
(GR-S-Kaut@chuk) und des kautschukartigenButadieß-Aorylnitril-MischpclymerisatB(ölbst&niger
Nitrilkautschuk). Hergestellt wurden ferner verschiedene Butadien-Eigenpolymerisate,
die sich als n³tzliche kautschukartige Elastomere erwiesen. Bei allen zeigte sich
jedo@h, dsß sie die cis-1,4-, trans-1,4- und 1,2-Struktur gemischt aufweisen. Bisher
war jed@r Ver@uch zur Herstellung eines Butadien-Eigenpolym@ren mit einheitlicher
Struktur erfolglos.
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Der Stand der Technik in dieser Hinsicht ist von Whithy in "Synthetic
Rubber", Seite 16(1954, John Wiley & Sons), wie folgt zusammengefasst: ur Zeit
sind keine Verfahren bekannt, mit denen die Anwesenheit nur einer einzigen Art von
Struktureinheiten in Dienpolymerisaten sichergestellt werden kann$ Alle bekannten
Verfahren führen zu Polymerisa-'tent in in denen cis-1,4-, trans-1,4- und 1,2-Dieneinheiten
vorkommen." Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von neuen
Butadienpolymerisaten mit einheitlicher Struktur, wobei es m~glioh ist, mit Hilfe
neuer, hochaktiver Katalysatoren durch Polymerisation von Butadien entweder ein
Butadienpolymerisat mit praktisch ausschlie#licher 1,4-Struktur, mit ausschlie#licher
trans-1,4-Struktur oder mit ausschlie#licher cis-1,4-Struktur hersustellen.
Gemäß
der Erfindung erfolgt die Herstellung von nur aus 1, 4-Einheiten bestehenden hochmolekularen
Butadienpolynerisaten entweder mit ausschlie#licher Trans-Struktur, ausschließlicher
cis-Struktur oder cis-und trans-Struktur in Mischung durch Polymerisation von Butadien
mit einem Katalysator, der durch Reaktion einer Schwermetallverbindung der 4. bis
10.
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Position der langen Perioden des Periodischen Systems mit einer nachstehend
näher beschriebenen aluminiumorganischen Verbindung in Abwesenheit von freiem Sauerstoff
und Masser erhalten wurde. Die genaue Natur des auf diese Weise hergestellten Katalysators
ist nicht mit Sicherheit bekannt, jedoch enthält er offensichtlich reduzierte Formen
des Schwermetalls.
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Als Schwermetallverbindung zur Herstellung des metallorganischen Katalysators
kann jede Verbindung eines Metalls der 4. bis 10. Position der langen Perioden des
Periodischen Systems verwendet werden. Hierzu gehören die Metalle der Gruppen IVB,
VB,VIB,VIIBundVIII,nämlichTitan,Zirkon, Hafnium, Vanadium, Hiob, Tantal, Chrom,
Holybdõn, Wolfram, Ilangan, Masurium, Rhenium, Eisen, Ruthenium, Osmium, Xobalt,
Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium und Platin sowie Metalle in den entsprechenden
Positionen der letzten langen Periode in der sog. Actinium-Reihe, wie Thorium und
Uran. Vorzugsweise werden als Schwermetallverbindungen die Salze der Formel H (A)
verwendet, worin H das Schwermetallatom, A ein einwertiges Anion und n eine Zahl
liber 1, die die liertigkeit von M darstellt, bedeuten. Besonders bevorzugt werden
die wasserfreien Ealogenide (Chloride, Bromide, Jodide und Fluoride) von Titan,
Vanadium, Nickel und cobalt, wobei Titan- und Vanadium :rachlorid vorzugsweise f³r
das trans-Polymerisat und Titantrichlorid, Nickeldichlorid und Kobaltdichlorid vorzugsweise
-dr das cis-Polymerisat verwendet werden. Geeig@et als @chwermetallverbindungen
sind ferner andere anorse ische Salse, wie Oxyhalogenide und Sulfate sowie andere
e organisome Salze, wie Acetate und Oxalate, der Schwermetalle der genannten Gruppe.
bereits
erwähnt, erfolgt die Bildung der metallorganischen Katalysatoren gemäß der Erfindun¢,
durch Reaktion der vorstehend genannten Schwermetallverbindungen mit bestim ten
iengen gewisser alurriniurnorganischer Verbindungen in Abwesenheit von freiem Sauerstoff
und Wasser, vorzugsweise in Abwesenheit aller Stoffe außer den Reaktionsteilnehmern
und inerten kohlenwasserstoffen als L~sungs- oder Verd³nnungsmittel, insbesondere
in Abwesenheit von aktiven Wasserstoffverbindungen, wie Alkoholen, Sõuren, Aminen
usw.
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Die zu verwendenden aluminiumorganischen Verbindungen haben die Struktur
in der R' einen kohlenwassersoffrest, R" einen weiteren Kohlenwasserstoffrest oder
einen oder oder ein Halogenatom und R"'einen weiteren Kohlenwasserstoffrest oder
Wasserstoff bedeuten. Als aluminiumorganische Verbindungen werden vorzugsweise Aluminiumtrikohlenwasserstoffe
der Formel el Al(R)3 verwendet, in der R eine Alkylgrippe, z.B. eine Athyl-, Propyl-,
Butyl-, Isobutyl-, Amyl-, Hexyl-, Octyl-, Dodecyl-Gruppe usw. oder eine substituierte
Alkylgruppe, z.B. eine Phenylõthyl-, 2-Phenylpropylgruppe usw., oder eine Arylgruppe,
z. B. eine Phenylgruppe, usw. bedeutet. Die vorteilhaftosten aluminiumorganischen
Verbindungen sind die Aluminiumtrialkyle. Cecignet sind ferner die Alkylaluminiumhydride
der Formel (R)nAl(E)n, in der R die oben genannte Bedeutung hat und m und n ganze
Zahlen bedeuten, deren Summe 3 beträgt ; die Dialkylaluniniunhalogenide der Formel
R2AlX, in der X ein Halogenatom einschließlich Chlor, Brom, Jod und Fluor darstellt
und R die oben genannte Bedeutung hat ; die Dialkylaluminiumalkoxyde der Formel
R2AlOR, in der R die genannte Bedeutung hat) und die aluminiumorranischen Verbindungen
der vorstehend genannten Formel, in der jedoch R anstelle einer Alkylgruppe eine
Arylgruppe, z.B. eine Phenylgruppe, oder eine Cycloalkylgruppe, z.B. eine Cyclohexylgruppe,
oder eine andere I ; asserstoffc : ruppe darstellt.
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Die katalysatorbildende Reaktion wird durchgeführt, indem einfach
die Schwermetallverbindung, z. B. wasserfreies Titan-oder Vanadiumtetrachlorid oder
wasserfreies Kobalt-oder Nickeldichlorid, mit der aluminiumorganischen Verbindung,
vorzugsweise einem Aluminiumtrialkyl, bei jeder gewünschten Temperatur, vorzugsweise
Raumtemperatur, und gegebenenfalls, in Gegenwart eines inerten Kohlenwasserstoffs
als Verd³nnungs-oder Losungsmittel gemischt wird. Geeignete Kohlenwasserstofte sind
gesättigte Alkane, z. B. Butan, Hexan, Pentan, Heptan, Octan o. dgl., oder deren
Gemische, z. B.
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"Deobase"-kerosin, oder das Gemisch von Alkanen aus dem Fischer-Tropsch-Verfahren
oder ein Benzolkohlenwasserstoff, wie Benzol, Toluol oder Xylol. Wichtig ist, daß
der Kohlenwasserstoff im wesentlichen frei von Sauerstoff und. Wasser und ferner
vorzugsweise von anderen Verunreinigungen, wie Peroxyden, Schwefelverbindungen und
Verbindungen, die aktiven Wasserstoff enthalten, ist.
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Die zur Bildung des Katalysators f³hrende. Reaktion von TiC14 oder
VCl4 mit R3Al-Verbindungen verlõuft im allgemeinen schnell, leicht exotherm und
unter Farbentwicklung im Realtionsgemisch. Werden beispielsweise 2 Mole Titantetrachlorid
in eine Benzollösung von 1 Mol Triäthylaluminium in Abwesenheit von Sauerstoff und
Wasser eingeführt, nimmt die L~sung eine dunkle Farbe an unter Bildung eines bräun-'lich-Schwarzen,
schwer löslichen Materials von unbekannter Struktur, das jedoch für eine Titanverbindung
gehalten wird, in der ein Teil des Titans eine Wertigkeit unter 4 aufweist. Die
gebildete schwarze-Masse stellt einen typischen metallorganischen Katalysator für
das Verfahren gemõ# der Erfindung dar. Eine õhnliche Masse wird gebildet, wenn anstelle
des Aluminiumtriõthyls ein Aluminiumtrialkyl verwendet wird, in dem die Alkylgruppen
4 oder mehr C-Atome enthalteny z. B. Aluminiumtriisobutyl. Dieser Katalysator wird
noch stärker bevorzugt, da er den Vorteil aufweist, weniger entzündlich und sicherer
in der Handhabung zu @ein.
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. Die katalysatorbildende Reaktion zwischen den Kobalt-oder Nickeldichloriden
und einem-Aluminiumtrialkyl-verläuft andererseits
erheblich langsamer,
wahrscheinlich weil die Dichloride dieser Metalle in kohlenwasserstoffen unsl~sloch
sind, Lässt man diese Dichloride jedoch einige. Zeit in Berührung mit einer Aluminiumalkylverblndung
atehen, findet eine Reaktion unter Bildung dunkel gefärbter Feststoffe 'statt. Wegen
der geringen Geschwindigkeit der Reaktion ist es in einigen Fällen zweckmäßig,,
den Katalysator"altern"zu lassen, damit sich ein ungefähres Gleichgewicht einstellen
kann.
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Bei der Herstellung eines Polybutadiens mit ausschließlicher 1, 4-Struktur
kann es vorteilhaft seing den Katalysator oder zumindest einen Teil desselben in
Form einer Fõllung zu verwenden. Es ist möglich, daß die Teilchengröße und andere
physikalische Eigenschaften der Fällung einen gewissen Einfluß auf die Struktur
des gebildeten Polymeren haben. Die Reaktion zwischen der Schwermetallverbindung
und der aluminiumorganischen Verbindung verläuft bisweilen sehr leicht, z. B. bei
der Umsetzung von TiCl4 mit einer R3Al-Verbindung, während sie in anderen Fällen,
in denen die Schwermetallverbindung weniger löslich oder reaktionsfähig ist, erhebliche
Schwierigkeiten bereitet. Da jedoch gew~hnlich eine gegenseitige Einwirkung stattfinden
mu#, ist jeder Bestandteil in genügender menue zu verwenden, um eine Wechselwirkung
unter Bildung einer aktiven Fällung auszulösen. Bei Katalysatoren, die aus TiCl4/R3Al-Gemischen
hergestellt wurden, wird ein Polybutadien mit ausschließlicher 1, 4-Struktur ³ber
einen sehr weiten Bereich von molaren Ti/A1-Verhältnissen, a. B. von etwa 3 : 1
bis etwa 1 ; 10, gebildet.
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Die besten Reaktionsgeschwindigkeiten mit diesem System werden im
Bereich von etwa 1, 5:1 bis etwa l : i, 5 erzielt.
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Soll ein 1*4-Polybutadien mit ausschließllcher texans- ausschließlicher
cis- oder gemischter cis- und trans-Struktur hergestellt werden, kann in einigen
Fällen durch geeignete Wahl der molaren Mengenverhõltnisse swischen den Catalysatorbestandteilen
die Polymerisation strukturell spezifisch gelenkt werden. Beispielsweise wird ein
Polybutadien mit
ausschlie#licher trans-1, 4-Struktur im TiCl4/R3Al-Sytem
im Ti/Al-Bereich von etwa 1, 5:1 bis etwa 3:1, vorzugsweise von etwa 2 : 1 erhalten.
Bei Ti/Al-Verhältnissen von etwa 1, 5 : 1 bis etwa 1 :1, 5 wird ein gemisches cis-1,
4-und trans-1, 4-Polybutadien und bei Verhältnissen zwischen etwa 1:1, 5 bis etwa
1 : 10 ein Polybutadien mit ausschlie#licher trans-1, 4-Struktur gebildet. Im System
TiCl3/R3Al wird bei Ti/Al-Verhõltnissen von etwa 3 : 1 ein Polybutadien mit im wesentlichen
ausschließlicher cis-l, 4-Struktur erhalten.
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Polybutadien mit ausschließlicher trans-1, 4-Struktur wird im System
VCl4/R3Al bei V/Al-Verhõltnissen zwischen etwa 1 : 1 und etwa 1 : 40 gebildet. Im
CoCl2/R3Al-System wird ein Polybutadien mit ausschließlicher ci 4-Struktur bei Co/Al-Verhältnissen
zwischen etwa 25 : 1 und etwa 1 : 25 erhalten. Noch bessere Ergebnisse werden zwischen
etwa 25: 1 und etwa 1 : 1 und die besten Ergebnisse bei etwa 5 : 1 erzielt. Beim
System NiCl2/R2Al werden Polybutadiene mit ausschließlicher 1, 4-Struktur bei Ni/Al-Verhaltnissen
von etwa 30 : 1 bis etwa a:10 erhalten, wobei, offensichtlich in Abhangigkeit von
dem'Grad der Hydratisierung des NiGl2, entweder Überwiegend die cis-oder überwiegend
die trans-konfiguration vorliegt. Das trockenere HiCl2 scheint die cis-1, 4-Struktur
und weniger wirksam entwässertes NiC12 die trans-1, 4-Struktur zu begünstigen.
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Die Art-und Herstellung gewisser Schwermetallkatalysatoren ähnlich
denen, die sich für das Verfahren gemäß der Erfindung eignen, ist ausführlicher
in den Anmeldungen Z 3799, 3862 und Z 3882 IVc/39c beschrieben. Zwer beschreiben
diese Anmeldungen die Herstellung gewisser Katalysatoren einschließlich einiger
der hier genannten Art und ihre Verwendung in der Polymerisation gewisser Honoolefine,
wie Äthylen, jedoch enthalten sie keinen Hinweis auf das Verfahren gemõ# der Brfindung,
in dem spezielle Schwermetallkatalysatoren in der Polymerisation von Butadien verwendet
werden, und auf die unerwartete Entdeckung, daß die Polymerisation von Butadien
zur Bildung von Polymeren gelenkt wird, die entweder ausschließlich die trans-1,
4-Struktur oder ausschlie#lich die cis-1, 4-Struktur oder die cis-1, 4- und trans-1,
4-Struktur in kombination aufweisen.
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In der U. S.-Patentanmeldung @r. 503 027 wird ein Verfahren beschrieben,
in den. Schwermetallkatalysatoren für die Polymerisation von Diolefinen verwendet
werden, wie es aucun beim Verfahren gemõ# der Brfindung der Fall ist.
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Gemõ# der Erfindung wird die Pomerisation von Butadien durchgef³hrt,
indem monomeres Butadien, das vorzugsweise weitestgehend gereinigt ist, mit den
Schwermetallkatalysator in Ber³hrung gebracht wird. Vorzugsweise wird in Gegenwart
eines fl³ssigen kohlenwassorstoffs als L~sungsmittel (gecignet ist jeder der er
vorstehend genannten Kohlenwasserstoff. e, die als L~sungs- oder Verd³nnungsmittel
bei der Herstellung des Katalysators verwendet werden) und in Abwesenheit anderer
Stoffe, besonders oxydierender Stoffe, wie Sauerstoff. und Peroxyde. und von Stoffen,
die aktiven Wasserstoff enthalten, wie Wasser. Sõuren, Alkohole, gearbeitet. Weder
die Temperaturen noch die Drucke, bei denen die Polymerisation durchgeführt wird,
sind krutisch. Es kann bei Raumtemperatur, unterhalb oder oberhalb von Raumtemperatur
sowie bei Atmosphärendruck oder über-oder unteratmosphärischen Drucken gearbeitet
werden. Vorzugsweise wird gew~hnlich das monomere Butadien in eine kolloidale L~sung
oder Dispersion des Katalysators im Kohlenwasserstoff eingef³hrt, wõhrend ³ber der
L~sung oder Dispersion eine Inertgasatmosphõre, wie Stickstoff, gehalten wird, um
den Zutritt von Luft auszuschließen, ohne jedoch den Druck @³ber den durch die Dõmpfe
der anwesenden Stoffe erzeugten Druck hinaus zu erhöhen. Die kolloidale Katalysatorl~sung
oder -dispersion wird bei einer Temperatur zwischen ewta -2C und 80#, vorzugsweise
zwisohen etwa 5 und 50 gehalten. Unter diesen Bedingungen polymerisiert das Butadien--
gew~hnlich erkennbar an einer. @ sllm@hlivhrn Anstieg der Viskosiõt des Realtopmsgemisches
und einer mõ#igen ³õrmeentwicklung- in einer Zeit von etwa 30 @inuten bis zu 20
Stunden, gew~hnlich 1-17 Studen, zu einer viskosen, homogenen L~sung des in wesentlichen
aus 1, 4-Polybutad ien bestehenden Polymeron im Kohlenwasserstoff.
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Die bei der Polymerisation verwenceten Ken@enveri@ltnisse
zwischen
der. als Lösungsmittel verwendetenKohlenwasserstoff, dem Katalysator und Butadienmonomeren
können sehr unterschiedlieh sein. Zweckmäßig ist die Menge des Kohlenwasserstoffs
höher als die des Monobutadiens. Beispielsweise kann das Volumen des Kohlenwasserstoffs
das 1-30-fache des Butadienvolumes ausmachen und liegt vorzugsweise beim 8-bis 20-fachen
Butadienvolumen. Die Katalysatormenge liegt gew~hnlich zwischen 0, 5 und 20 Gew.-%,
bezogen auf Monobutadien, wobei als Katalysatorgewicht die Gesamtmenge der bei der
Herstellung des Katalysators verwendeton Schwermetallverbindung und metallorganischen
VErbindung anzusehan ist.
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Nach der Polymerisation zu einer viskosen Lösung eines ausschließlich
aus 1, 4-Polybutadien bestehenden Polymeren im Kohlenwasserstoff, wie vorstehend
beschrieben, kann das Polymerisat nach einer der ³blichen Methoden vom L~sungsmittel
und von den Katalysatorresten abgetrennt werden, um ein festes Polymerisat aus der
L~sung zu gewinnen. Nach einem bevorzugten Verfahren wird die Reaktionsl~sung mit
Methylalkohol behandelt, um den Katalysator zu deaktivieren, und anschließend ein
Fallungsmittel (das mit dem kohlenwasserstoff mischbar ist, aber das Polymerisat
nicht l~st), wie Methanol oder Aceton, zugesetzt, um das Polymerisat auszufõllen.
Das Polymerisat kann dann in ³blicher Weise auf einem Walzenstuhl gewaschen, getrocknet
und nach den bekannten Verfahren verarbeitet werden.
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Das durch die Polymerisation gebildete Polybutadien besteht praktisch
vollstõndig aus langkettigen Molek³len, die sämtlich die regelmõ#ige, ausschlie#liche
trans-1, 4-Struktur
oder die regelmõ#ige ausschlie#liche cis-1, 4-Struktur
oder eine Kombination dieser beiden Strukturen aufweisen. In
allen
diesen Polymerisaten sind im wesentlichen sämtliche -d. h. mehr als 90 %-Butadieneinheiten"Kopf
an Schwanz" in der 1, 4-Struktur verkn³pft. Da das Polymerisat in dem als Lösungsmittel
verwendeten Kohlenwasserstoff in Abwesenheit von Sauerstoff ebildet wird, besteht
die Möglichkeit einer Oxydation der Molek³le erst nach der Abtrennung des Polymerisats
vom Polymerisationsmedium. Dann kann die Oxydation jedoch leicht stattfinden. Um
dies zu verhindern, ist es zweckmäßig, dem Polymerisat ein Antioxydans zuzugeben,
während es sich noch in Lösung befindet. Dies erfolgt in einfacher Weise durch Zugabe
eines Antioxydationsmittels zur Alkohollösung, die zum @ des Polymerisats und zur
Herausnahme der tLatalysatorreste dient. Heitere Antioxydantien können gegebenenfalls
in Abwesenheit der Waschflüssigkeit direkt in das Polymerisat eingearbeitet werden.
Nach. der Fällung des Polymerisats aus s der Lösung wird ein festes, nicht oxydiertes
Produkt erhalten, das gegen Oxydation durch Antioxydantien geschützt, aber von anderen
Stoffen praktisch frei ist.
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Das Molekulargewicht und die Molekulargewichtsverteilung der Molek³le
der Kohlenwasserstoffketten im Polymerisat gemõ# der Erfindung K~nnen in einem gewissen
Umfang verõndert und gelenkt werden, indem die Monomerkonzentretion, die L~sungsmittel,
die Verhõltnisse der Katalysatorbestandteile und die Polymerisations. temperatur
und der Druck verõndert werden. Im allgemeinen kann das Molekulargewicht der gemõ#
der Erfindung hergestellten Polyburadiene mit ausschlie#licher trans-1, 4- und ausschlie#-licher
cis-l, , 4-Struktur zwischen 10.000 oder weniger und 1. 500. 000 odersogarnochhoherliefen.
in Struktur und Eigenschaften sind die Polybutadiene gemõ# der Erfindung von allen
bisher bekannten, durch Polymerisation von monomerem Butadien hergestellten Polymerisaten
stark verschieden Bezüglich der Struktur sei nochmals die oben genannte Veröffentlichung
von Whitby angef³hrt, wo es auf Seite 16 hei#t: "Die Entdeckung eines Polymerisationsverfahrens,
bei dem aus Butadien ein Polymerisat gebildet wird, in dem alle Einheiten über die
1, 4-Stellung gebunden sind und die gleiche sterische Konfiguration desitzen, ist
sehr erwünscht."
Einerseits enthalten die erfindungsgegemõ#en Polybutadiene
mit ausschlie#licher trans-1, 4-Struktur, wie die Infrarotuntersuchung zeigte, im
wesentlichen keine cis-i, 4-Einheiten, während andererseits die Polybutadiene mit.
ausschließlicher cis-1, 4-Struktur im wesentlichen keine trans-1, 4-Einheiten aufweisen.
Die Polymerisate, die trans-und cis-1, 4-Elnheiten gemischt enthalten, sind ebenso
wie die vorgenannten Polymerisate mit ausschließlichereis-undtrans-Gtrukturim wesentlichen
frei von Einheiten, die durch 1, 2-Addition gebildet sind. i Das trans-Polybutadien
gemõ# der. Erfindung hat ein steifes, pappe-und lederartiges Aussehen, das etwas
an Balata erinnert.
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Seine Struktur ist nicht amorph, sondern itristallin. kann in gleicher
leise wie KautschukundimGegensatzzubekannten' Butadienpolymerisaten leicht gemeinsam
mit Butylkautschuk vulkanisiert werden. Es kann für die verschiedensten Zwecke verwendet
werden und eignet sich besonders als Bestandteil in Schuhsolen und Oberleder, Koffern,
Golfballbezügen, Treibriemen, schlauchlosen Reifen, Klebmassen, Posterungen usw.
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Das Polybutadien mit cis-1, 4-Struktur andererseits ist gummiartiger
und bei gleichem Molekulargewicht weicher als das Trans-Polymerisat. Die Polybutadiene
mit ausschlie#licher cis-1, 4-Struktur zeigen imm Gegensatz zu anderen bekannten
Polybutadienen mit heterogener Struktur eine gute Trockenklebrigkeit. Gegen³ber
GR-S (Butadien-Styrol-Mischpolymerisat # zeigt Polybutadiem mit ausschlie#-licher
cis-1, 4-Struktur eine erhebliche Verbesserung der.
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Hysterese-Wert (#T bei 1C0°) und eignet sich daher als Gummi f³r
Reifenkarkassen.
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EinweitererwesentlicherUnterschiedzwischendenerfindungsgetnäßen Polybutadienen
mit ausschlie#licher 1, 4-Struktur und den bekannten Polybutadienen besteht darin,
daß die ersteren ziemlich scharfe Kristallschmelzapunkte haben, wõhrend die letzteren
³ber einen weiten Temperaturbereich lediglich weich werden. Beispielsweise hat das
gemõ# der Erfindung hergestellte
Polybutadien mit ausschließlicher
cis-1, 4-Struktur einen scharfen Kristallschmelzpunkt im Bereich von-60 bis -80#.
Der Kristallschmelzpunkt des erfindungsgemõ#en Polybutadiens mit ausschließlicher
trans-1, 4-Struktur liect im Bereich von 107 bis 145°.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird in den folgenden Beispielen
weiter erläutert. Die Mengen sind in Gewichts- oder Volumenteilen angegeben, wobei
die Gewichtsteile den VO-' lumenteilen, multipliziert mit der Dichte, entsprechen.
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Beispiel l In 2000 Vol.-Telie entwõssertes, von Luft befreites Benzol
werden 72 Teile (384 Millimole) wasserfreies Titantetrachlorid und 37 Teile (192
Millimole) Triisobutylaluminium gegeben. Die L~sung, die bisher Raumtemperatur hatte,
wird etwas wärmer und nimmt eine dunkle Farbe an infolge der Reaktion zwischen dem
Aluminiumtriisobutyl und dem Titantetrachlorid. Die Katalysatorl~sung wird 30 Minuten
bei Raumtemperatur stehen gelasse und dann so weit verd³nnt, daß sie insgesamt 10.
000 Vol.-Teile entgeates und entwässertes Benzol enthält.
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Während die verdi'. Katalysatorlösung mit oder ohne Rühren unter Stickstoff
gehalten wird, werden dem Katalysator 1083 Teile technisches, fl³ssiges Monobutadien
zugegeben, das durch seinen eigenen Dampfdruck in den Reaktor gedr³ckt wird.
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Hierauf wird der Rührer in Tätigkeit gesetzt. Der Reaktor wird von
außen auf 50# aufgeheizt, jedoch wõhrend der Polyr. erisation ist Kühlwasser erforderlich,
um die Temperatur bei 50° zu halten. Dies lässt erkennen, raI' eine exotherme Polymerisation
stattfindet. Die Benzollösung wird mit der Zeit immer viskoser. nach 17 Stunden
ist der Druck im Reaktor von 457 mm Hg auf 152 mm Hg gefallen. Die Zufuhr von Kühlwasser
zur Verhinderung eines Temperaturanstiegs ist nicht mehr erforderlich. Hieran ist
zu erkennen, da# die Reaktion beendet ist.
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Die Polymerl~sung wird mit Hilfe von Stickstoff aus dem
Reaktor
in einen mit Stickstoff ;ef³liten Waschbehõlter geblasen, in dem das Polymerisat
mit 4000 Vol.-Teilen Methanol, in dem 10 Teile Phenyl-@-Naphthylamin als ³bliches
Antioxydans enthalten sind, ausgefällt und extrahlert wird.
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Durch die Extraktion werden die Katalysatorreste entfernt.
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DAs Polymerisat bildet eine gequollene Masse, die auf dem Walzenstuhl
unter Wasserberieselung zu Platten geformt wird.
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10 Teile Phenyl-ß-naphthylamin werden auf einem Walzenstuhl trocken
den Polymerisat zugegeben und in die Masse eingeknetet. Das gewaschene, stabilisierte
Polymerisat wird vom Ualzenstuhl abgenommen und in einem normalen Vakuumtrockner
auf einen Feuchtigkeitsgehalt von praktisch Null getrocknet.
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Brhalten werden 558 Teile trockenes. Polymerisat, entsprechend einer
Ausbeute von 51, 5 %, bezogen auf eingesetztes Monomeres. riel der Untersuchung
des hergestellten Polybutadiens mit dem Infrarot-Spektrophotometer auf die von rt.
R. Hampton (Analytical Chemistry,S.923.August199)beschriebeneWeise ergibt sich ein
Spektrum, dessen Banden erkennen lassen, da# alle r. utadien-ninheiten nach der
trans-1, 4-Struktur geordnet sind und in wesentlichen keine Butadien-Einheiten aus
der 1, 2-Addition oder eis-1, 4- Addition vorliegen.
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Das R~ntgenstrahlen-Beugungsbild des Rohpolymerisats dieses Beispiels
zeigt einen schwachen Hof mit einem krõftigen Ring außerhalb des Hofs und zwei sehr
schwachen, weiter außerhalb liegenden Ringen. Hieraus ist die Ordnung und Kristallinitõt
zu erkennen.
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Hit dem Polymerisat wird folgender Ansatz hergestellt : Trans-1, 4-Polybutadien
100 Teile 2 te Stearinsõure Schwefel2,5" ScWrefel N-Cyclohexyl-2-benzothiazolsulfonamid
(Beschleuniger) 0,5 " Mercaptobenzothiazol (Beschleuniger) 0,5 " Lecithin 2,3 "
i @ach Hõrtung f³r 60 Minuten nei 147# werden folgende Werte
erhalten
: Zugfestigkeit 124 kg/cm2 Dehnung 400% Gefrierpunkt nach Gehman -28#c Die Zugfestigkeit
von bekannten Butadien-Eigenpolymeren ist viel geringer als der obige Wert f³r das
trans-1, 4-Polybutadien dieses Versuchs.
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Das Polymerisat dieses Beispiels wird ferner in Mischung mit ButylkautsYhuk
in folgenden Ansätzen compoundiert : Trans-1, 4-Ol ybutadien 50 80 Butylkautschuk
(Isobutylen-Isopren-Mischpolymerisat) 50 20 EPC-Ruß 50 35 Zinkoxyd 5 5 Stearinsäure
3 3 Tetramethylthiuramdisulfid 1 1, 5 Mercaptobenzothiazol - 0,17 N-Cyclohexyl-2-benzothiazol
- 0,17 Schwefel 2 1, 75 Magnesiumoxyd - 1,0 Lecithin-1, 0-Die Massen werden dann
75 Minuten bei 160° vulkanisiert. Die Vulkanisate haben folgende Eigenschaften :
Zugfestigkeit, Kg,/cm2 86 114 Dehnung, % 25 125 Shore-Härte 95 85 Es ist ersichtlich,
daß das Polymerisat gemäß der Erfrindung mit Butylkautschuk mischvulkanisiert werden
kann und sich in dieser Hinsicht von bekannten Butadienpolymerisaten unterscheidet,
die e diese Eigemschaft nicht aufweisen.
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Beispiel 2 In 150 Vol.-Teile entwõssertes, entgastes Benzol werden
bei Raumtemperatur 0,99 Teile (5 Millimole) Aluminiumtriisobutyl und 1,90 Teile
(10 Millimole) Titantetrachlorid gegeben. Diese
leicht warme und
gefärbte Katalysatorlösung wird 30 Minuten stehen gelasse und dann mit entwässertem,
von Luft befreitem Benzol auf insgesamt 520 Vol.-Teile verdünnt. Dem Katalysator
werden 53 Teile flüssiges, monomeres Butadien zugegeben. Der Reaktorinhalt wird
4 Stunden bei einer geregelten Temperatur von 5° gerührt. Die Polymerlösung wird
mit 1000 Vol. -Teilen Methanol behandelt, um das Polymerisat auszufällen und den
Katalysator zu extrahieren. Nach einer zweiten Wõsche mit 1000 Vol.-Teilen Aceton
wird das Polymerisat unter Wasserzugabe mastiziert. Nach Einarbeiten von 1,5 Gew.
% Phenyl-#-Naphthylamin wird das Polymerisat vom Ualzenstuhl abgenommen und unter
Vakuum getrocknet. Erhalten wird in puter Ausbeute ein Polybutadien mit ausschließlicher
trans-1, 4-Struktur õhnlich dem von Beispiel 1, aber mit erheblich höherem Molekulargewicht.
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Beispiel 3 Es wird auf die gleiche Weise gearbeitet Wie in Beispiel
2, jedoch wird die Polymerisationstemperatur bei 50°'gehalten, ferner werden die
Schwermetallverbinduug und das Aluminiumalkyl in solchen Mengen verwendet, daß das
Verhältnis von Titan zu Aluminium õquimolekular ist. Verwendet werden 2,74 Teile
(14 ,5 Millimole) Titantetrachlorid und 2,88 Teile (14, 5 Millimole) Aluminiumtriisobutyl.
Nach 17 Stunden wird in einer Ausbeute von 60 % ein kautschukartiges Butadienpolymerisat
erhalten Bei der Untersuchung im Infrarot-Spektrophotometer zeigt sich, daß das
Polymerisat sowohl die cisals auch trans-1, 4-Struktur, aber im wesentlichen keine
1, 2-Struktur aufweist.
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Beispiel 4 Es wird auf die gleiche verse wie in Beispiel 2 gearbeitet,
jedochwirddiePolymerisationtemperaturI.-i50°gehalten und die Schwermetallverbindu'und
das Aluminiumalkyl in solchen Mengen verwendet, daß da molare Verhältnis von Titan
zu Aluminium 4 : 1 betrõgt . Verwendet werden 1, 90 Teile (10 Millimole) Titantetrachlorid
und 0, 50 Teile (2, 5 Millimole) Aluminiumalkyl. In 17 Stunden wird ein Polymerisat
in einer Ausbeute von 34 % erhalten. Das Produkt ist ein hartes, ungesõttigtes
Polymerisat,
dessen Untersuchung mit dem Infrarot-Spektrophotometer ergibt, daß es ein Gemisch
aus etwa gleichen Teilen cis-und trans-1, 4-Polybutadien darstellt.
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Beispiel 5 Butadien-1, 3 wird in Benzol mit einem durch Reaktion
von wasserfreiem CoCl2. mit Aluminiumtriisobutyl hergestellten Katalysator polymerisiert.
Die erste Stufe der Herstellung dieses Katalysators besteht darin, eine wirklich
wasserfreie Form des CoCl2 herzustellen. Hierzu werden 238 g CoCl2.6H2O in eine
2 Liter-Harzblase gegeben. Die Blase mit dem Salz wird mehrere Tage-in einen bei
138-165° gehaltenen Ofen mit Luftumwälzung gestellt. Der Gewichtsverlust in dieser
Zeit beträgt etwa 110 g. Nach Anbringen eines R³ckflu#k³hlers und eines mechanischen
Rührers an der Blase wird 1 l Xylol (abgestrippt und über Cau2 aufbewahrt) zugegeben.
Die Blase mit Inhalt wird unter Rückfluß erhitzt, während der Brei kräftig gerührt
wird. Die Temperatur erreicht den stationären Zustand bei 137°. Diese Temperatur
wird weitere 4 Stunden unter Rückfluß gehalten. Mährend dieser Zeit werden insgesamt
200 em3 Xylol entfernt. Das 1-, Tasser ist offensichtlichbereits nach der ersten
Stunde vollständig entfernt. Nach dieser Behandlung wird ein sehr feiner Brei von
hellblauen Teilchen erhalten, die als wasserfreies CoCl angesehen werden. Der Brei
wird durch Zusatz von trockenem Xylol auf l Liter aufgefüllt. Hiernach lõsst man
die Harzblase mit Inhalt unter trockenem Stickstoff kühlen. Erhalten wird eine etwa
1-molare Suspension, die laut analyse 0,1090 g wasserfreies CoCL2 pro Gramm 1 Suspension
enthõlt.
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Diese CoCl2-Suspension wird mit Aluminiumtriisobutyl in 1 1-Flaschen
zusammengegeben, die vorher in einem Mei#luftofen bei hoher Temperatur getrocknet
und dann durch Durchleiten von trockenem Stickstoff gekühlt worden waren. Zuerst
wird eine gewogene Menge der COCl2-Suspension und dann eine gewogene Menge Aluminiumtriisobutyl
in die Flasche gegeben. Die Flaschen werden dann in ein Wasserbad von 30# gestellt
und ³ber Nacht ³ber Kopf gedreht. Am nõchster @a@ sind die hellblauen
CoC1-Teilchen
vollständig verschwunden. Statt dessen hat sich eine dunkle, schwärzliche Fällung
gebildet. Jeder Flasche werden dann unter einem. Strom trockenen Stickstoffs Benzol
und 40geinesabgestripptentechnischenButadiens zugesetzt. Die Flaschen werden wieder
verschlossen und nach Aufdrücken von 1,05 kg/cm2 Stickstoff 21 Stunden in das bei
30# gehaltene Wasserbad zur³ckgestellt. Nach 18 Stunden ist die ViskositätdesInhaltsallerFlaschendeutlichangestiegen.
iiach Herausnahme aus dem Bad (nach 21 ctunden) enthalten sie eine dunkle, sehr
viskose Masse. Die Nassen werden wie in den vorsteherden Beispielen aufgearbeitet,
auf dem Walzenstuhl gewaschen und getrocknet. In jedem Fall wird in sehr c-ter Ausbeute
ein kautschukarties, sehr elastisches Polybutadien erhalten. Die einzelnen Ansatze
hatten folcende Zusammensetzung: Probe: A B C D E F CoCl2-Dispersion, g 33 30 30
34 27 25 CoCl2, Millimol 27,7 25,2 25,2 28,5 22.6 21,0 Xylol-Dispersion, em3 34
31 31 35 28 27 Benzol, cm3 466 469 469 465 472 473 cm Aluminiumtriisobutyl cm3 0,915
0,952 1,11 1,50 1,495 1,87 Cesamt-L~sunssmittel 500 500 500 500 500 500 cm3 Co/Al-Verhaltnis
7,55:1 6,6:1 5,66:1 4,72:1 3,77 : 1 2,8 8 : 1 Umsatz, % 97,5 90 92,5 95 97,5 97,5
Infrarot-Untersuchung dieser Proben ergibt, Da# alle im we-'sentlichenauscis-l,4-Polybutadienbestehen.
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Beispiel 6 Abestripptes technisches Butafdien-1, 3 wird in Heptan
mit einenm aus Vanadiumtetrachlorid und Aluminiumtriisobutyl hergestellten Katalysator
polymerisiert. Heptan, Vcl4 und AluminiuMtriisobutyl werden unter Stickstoff in
einer 1 1-Flasche zusammengegeben. Die so gebildete Katalysatorl~sung wird 30 Ninuten
bei Raumtemperature stehen gelasse. Dann werden 20 g fl³ssiges Butadien in jede
Flasche gegeben. Die Flaschen , werden verschlossen und in ein Gestell gesetzt,
das in einem
T, lasserbad von 30° rotiert. Zum Vergleich wird eine
Flasche mit einem xatalysator aus TiCl4 und Aluminiumtriisobutyl im Verhältnis von
1 : 1 zugefügt. Folgende Ergebnisse werden erhalten : Probe Ausbeute V/i-Bu3Al Umsatz
Beschaffenheit A 20 g 1 : 2 . 100 Asbestartig 3 22 g 1 : 3 110" C 21 g 1 : 4 105
" D 22 1 : 5 110" E 19 g 1 : 10 95 " F 14 C (Vergleichsprobe) 70 Kautschukartig
.
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Die Infrarot-Untersuchung ergibt, daß die Proben A bis E keine Spur
der cis-1, 4-oder1, 2-Struktur aufweisen, sondern aus trans-1, 4-Polybutadienen
mit hohem Molekulargewicht bestehen. Die Vergleichsprobe F besteht aus einem normalen
1, 4-Polybutadien mit gemischter cis-und trans-Konfiguration.
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Beispiel 7 Benzol wasserfries NiCl2 und Aluriniumtriisobutyl ierden
zu einem sehr aktiven Katalysator vereinigt. Das wasserfreie NiCl2 wird bergestellt,
indem 241 g analysenreines Nicl2.6H2O in eine 2 1-Harzblase gegeben und etwa 24
Stunden in einen bei 140° gehaltenen Heisluftofen gestellt werden, Der Gewichtsverlust
in dieser Zeit betrõgt 102 g. Irach Kühlen der Blase.unter trockenem Stickstoff
werden 1400 cm3 trockenes Xylol (abgestrippt und über Cal-1 aufbewahrt) zugegeben.
Die Blase wird unter einer Rüekflußkolonne auf 136 bis 138° erhitzt, wobei insgesamt
225 cm Xylol abgenommen werden..
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Gebildet wird eine Dispersion sehr feiner Teilchen in Xylol.
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Laut Analyse enthõlt die Dispersion 0, 1262 g oder 0, 974 Millimol
NiCl2 pro Gramm. Sie wird unter trockenem Stickstoff aufbewahrt, um Feuchtigket
aussuschlie#en.
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Die Dispersion wird mit Benzol und Butadien in den nachstehend genannten
engenverhältnissen zusammengegeben. Die Zugabe erfolgt in der aufgeführten Reihenfolge.
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Probe : A B C D E F NiCl2-Dispersion, g 31 30 29 29 28 29 Millomole
30 28,9 28,1 28,1 27,3 28,1 Xylol aus Dispersion g 27 26 25 25 24 26 cm3 32 31 29
29 28 31 Aluminiumtriisobutyl cm3 0,249 o,356 0,680 1,4 Millimole 1,0 1,155 1,43
1, 875 2, 73 5, 62 Molares Verhältnis . Ni/Al 30: 1 25 1 20 : 1 15 : 1 10 : 1 5
: 1 Die genannten toffe werden in eine mit Stickstoff gespülte trockene Flasche
gegeben, die dann verschlossen wird. Nach Aufdr³cken von etwa 1,05 kg/cm2 Stickstoff
wird die Flasche in ein Wasserbad von 30° gestellt, wo sie etwa 24 Stunden über
Kopf gedreht wird. Danach zeigen die Flaschen Anzeichen einer Reaktion und enthalten
eine dunkle Suspension eines aktiven Katalysators.
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Nach Entnahme der Flaschen aus dem Wasserbad werden folgende Staffe
unter Stickstoff zugegeben : Probe: A B C D E F Benzol, g 412 413 415 415 416 413
em3 468 469 471 471 472 469 Gesamt-Lösungsmittel in jeder Flasche 500 cm3 Butadien"""40
Nach Aufdrücken von Stickstoff bis 1,05 kg/cm2 werden die Flaschenfüretwa6TageindasBadzurückgestellt.Nach
dieser Zeit zeigt der Inhalt aller Flaschen einen deutlichen viskositõtsanstieg.
Die Proben werden dann wie in den vorstehenden seispielen aufgearbeitet. Die Ausbeuten
und die Brgebnisse der Infrarot-Untersuchung sind nachstehend aufgeführt.
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Probe Ausbeute Umsatz Struktur des Polymerisats A 41 100 90 % cis-1,4,
Rest trans-1,4 B 40 100 80-90 % cis-1,4, Rest trans-1, 4 und etwas 1, 2 C 35 87,5
Wie Probe B D 34 85 70-80 % cis-1, 4, Rest trans-1, 4 E 24 . 60 Etwa 70 % cis-1,4,
Rest trans-1,4 F 32 80 Uie Probe E Werden die vorstehenden Versuche wiederholt,
wobei jedoch 1) die e Entwõsserung des NiCl2 in einem Hei#luftofen . bei 250° ohne
azeotrope Destillation erfolgt und 2) das molare Verhältnis von Nival zwischen 10
: 1 und 1 : 5 verändert wird, werden 1, 4-Polybutadiene mit überwiegender trans-Konfiguration
erhalten. Bei Ni/Al-Verhõktnissen von 5 : 1 bis 1 : 4 werden Polybutadiene erhalten,
die im wesentlichen die trans-1,4-Struktur aufweisen.
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Beispiele 8-14 Es wird wie in Beispiel 1 verfahren, wobei jedoch
anstelle von Benzol folgende Lösungsmittel verwendet werden : Beispiel L~sungsmittel
8 Deobase (destilliert aus 0, 3%iger L~sung von Diisobutylaluminiumhydrid) 9 n-Butan
(destilliert aus 0,5%iger L~sung von Methylaluminiumjodid) 10 Cyclohexan (destilliert
aus Aluminiumtriisobutyl) 11 Methylcyclopentan (destilliert aus Aluminiumtriisobutyl)
12 Heptan 12 Pentan 14 Toluol In jedem Fall werden die gleichen Brgebnisse wie in
Beisniel 1 erhalten.
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Beispiel 15 Polybutadiene, die im wesentlichen die cis-1,4-Struktur.aufweisen,
werden
mit mehreren Abwandlungen des Titantetrachlorid-Aluminiumtriisobutyl-Katalysators
hergestellt. In jedem Fall werden 2, 5 bis 3, 5. Mole Aluminiumtriisobutyl und 1
Mol TiC14 in Benzol in einem geschlossenen Behälter unter trockenem Stickstoff zusammengegeben.
Der Behälter mit Inhalt wird mehrere Stunden auf eine Teraperatur im Bereich von
etwa 50 bis 100# erhitzt. Nach K³hlung des Behälters, der eine dunkle suspendierte
Fällung enthõlt, wird flüssiges monomeres Butadien eingef³hrt. Der Behõlter wird
dann auf 30 bis 50° aufgeheizt, damit die Polymerisation stattfinden kann. Als Produkt
wird in jedem Fall eine sehr viskose Hasse erhalten, die aus einem Polybutadien
mit sehr hohem Molekulargewicht besteht. Die Infrarot-Untersuchung ergibt, daß alle
Polybutadiene im wesentlichen die 1,4-Struktur und in sehr hohem 1 Ma#2 die cis-Konfiguration
aufweisen.
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Bei einem anderen modidizierten Katalysator wird die oben beschriebene,
durch Uarme modifizierte dunkle Suspension filtriert, der Filterkuchen mehrmals
mit trockenem Benzol gewaschen und erneut in frischem, trockenem Benzol dispergiert,
wobei eine Suspension gebildet wird, die aktiver ist als die erste. Das gebildete
Polymerisat weist in etwas h~heren Ma#e die trans-l, 4-Struktur auf als das Polymerisat,
das durch den erstgenannten, durch Wärme modifizierten Katalysator gebildet wurde,
ehrend also der durch Reaktion bei Rauumtemperatur hergestellte TiCl4-Aluminiumtriisobutyl-F
stark die Bildung des trans-l, 4-Polymerisats. beg³nstigt, beg³nstigen die durch
Wõrme modifizierten Formen die cis-i, 4-Polymerstruktur, Beide bilden jedoch ein
Polywerisat, das im wesentlichen die 1,4-Struktur aufweist.
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Eas³rlich kann das vorstehend beachriebene Verfahren abgewandelt werdenm,
ohne vom Sinn der Erfindung aszuweichen. der kann das in den Beispielen als Antioxydans
verwendete Phenyl-#-Naphthylamin durch jedes der zahlreichen bekannten Antioz fürKautschukeinschließlichderaromatischen
An @ine ersetzt werden, Z.B. durch alkylierte Diphenylamine . (z. B."Agerite Stallte"),..
Diphenylamin-Aceton-Kondensationsprodukte (z.B. "BLE") und eines der bekannten-phenolischen
Antioxydantien, z. B. alkylierte Phenole und Diphenole.