DE1720490B2 - Verfahren zur herstellung von teilkristallinen ungesaettigten polyestern in feinkoerniger form - Google Patents
Verfahren zur herstellung von teilkristallinen ungesaettigten polyestern in feinkoerniger formInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von teilkristallinen ungesättigten Polyestern
in feinkörniger Form durch Kondensation von Fumarsäure und/oder vom Maleinsäure bzw. deren
Anhydrid in Gegenwart von Katalysatoren, die eine weitgehende Umwandlung der Maleinsäure- in Fumarsäureeinheiten
während der Polyesterherstellung bewirken, mit symmetrischen diprimären Diolen, gegebenenfalls
unter Mitverwendung symmetrischer gesättigter Dicarbonsäuren und/oder deren niederen Dialkylester,
durch Behandeln mit flüssigen organischen Medien nach Beendigung des Kondensationsprozesses.
Ungesättigte Polyester sind bekanntlich Kondensationsprodukte aus Äthylen-«,/?-dicarbonsäuren bzw.
deren Derivaten und mehrwertigen Alkoholen. Als Säurekomponente wird vorwiegend Maleinsäure — in
Form ihres Anhydrids — eingesetzt. Weniger üblich ist die Verwendung der stereoisomeren Fumarsäure oder
methylsubstituierter Äthylen-oc.jS-dicarbonsäuren, wie
Mesaconsäure und Ciiraconsäure.
Zur Abwandlung der Eigenschaften der technischen Endprodukte treten an die Stelle der ungesättigten
teilweise auch gesättigte aliphatische oder aromatische Carbonsäuren.
Als mehrwertige Alkohole finden überwiegend Diole, wie Mono- und Diäthylenglykol, Propylenglykol und
höhere Homologe, Verwendung.
Die ungesättigten Polyester werden üblicherweise in monomeren Vinyl-, Allyl- oder Acryl-Verbindungen
gelöst und diese sogenannten ungesättigten Polyesterharze mittels organischer Peroxyde und gegebenenfalls
Beschleunigern zu festen, unlöslichen und unschmelzbaren dreidimensional vernetzten Copolymerisaten ausgehärtet.
Abgesehen von Verwendungen auf dem Lack- und Gießharzsekior werden diese flüssigen ungesättigten
Polyesterharze in den meisten Fällen zusammen mit Füllstoffen verschiedener Art, vorzugsweise Glasfaser
r>
v> materialien, zu verstärktem duroplatischen Formkörpern
verarbeitet. Die üblichen Verarbeitungsverfahren, wie die Handauflegemethode, die Vakuum- und
Druckmethode und das Verformverfahren, sind beschrieben, z.B. in H. Hagen, Glasfaserverstärkte
Kunststoffe, Springer-Verlag 1961. Die bekannten Verfahren erfordern häufig einen erheblichen manuellen
Aufwand; nachteilig ist auch die aufwendige Vorbereitung der Rohstoffe zu einsatzfähigen Gemischen.
Neuerdings gewinnen daher die in pastenartiger oder fester Form gelieferten Polyester-Preßmassen steigende
Bedeutung. Sie enthalten bereits alle zur Herstellung von Formteilen erforderlichen Substanzen, also außer
Füllstoffen — wie Glasfasern oder Mineralien — ebenfalls peroxydische Katalysatoren, und können
unmittelbar unter Anwendung von Druck und Wärme ausgehärtet werden. Neben dieser verarbeitungstechnischen
Vereinfachung zeigen so gewonnene Formteile in manchen Fällen bessere mechanische und elektrische
Eigenschaften. Vorteilhaft für Serienfertigung sind auch die durch Anwendung von Druck und höheren
Temperaturen erreichbaren kürzeren Entformungszeiten.
Man unterscheidet zwischen rieselfähigen Polyesterpreßmassen und solchen von strohiger bis kittartiger
Konsistenz. Rieselfähige Preßmassen sind wegen ihrer einfachen Dosierbarkeit und der Anwendungsmöglichkeit
des Spritzpreßverfahrens besonders aktuell. Sie erlangen, vorzugsweise für serienmäßig anzufertigende
kleinere Formteile, steigende Bedeutung.
Bei einem bevorzugt angewendeten Verfahren zur Herstellung rieselfähiger Polyesterpreßmassen wird aus
den Ausgangsstoffen zunächst ein Vorgemisch gefertigt, das anschließend auf beheizten Mischwalzwerken
homogenisiert wird. Nach beendeter Homogenisierung wird das Walzfell abgeschnitten und nach dem
Abziehen mittels einer geeigneten Zerkleinerungsmaschine zu eine! granulatähnlichen Masse verarbeitet.
Zum Erhalt einwandfrei rieselfähiger Polyesterpreßmasseri
und zwecks rationeller Gestaltung dieses Verfahrens ist das Vorliegen der Ausgangsstoffe für das
Vorgemisch — also auch der ungesättigten Polyester — in trockener, rieselfähiger Form erforderlich.
Ungesättigte monomerenfreie Polyester der gewünschten
Konsistenz — vorzugsweise solche mit besonders gut geeigneter teilkristalliner Struktur —
werden bei Einsatz einleitend erwähnter Ausgangsstoffe mit symmetrischem Aufbau erhalten. Als Äthylen-α,β-dicarbonsäure
kommt also vor allem Fumarsäure in Frage. Jedoch kann auch Maleinsäure bzw. Maleinsäureanhydrid
in Kombination mit Katalysatoren, die eine weitgehende Isomerisierung, d. h. Umwandlung der
Maleinsäure- zu Fumarsäureeinheiten während der Polyesterherstellung, bewirken, verwendet werden.
Geeignete Isomerisierungskatalysatoren sind beispielsweise die in der Anmeldung C 29 973 IV d/39 c genannten
cyclischen sekundären Amine, vor allem Piperidin, oder das aus der DP-AS 1113 087 bekannte Jod, sowie
auch Schwefel. Als Diole werden diprimäre mit einer geradzahligen unverzweigten Kohlenstoffkette, wie
z. B. Äthandiol-1,2, Butandiol-1,4, HexandioI-1,6, Decandiol-1,10
bevorzugt, als gesättigte Carbonsäuren symmetrisch gebaute Dicarbonsäuren, wie z. B. Adipinsäure,
Sebacinsäure oder Terephthalsäure bzw. deren niedere Alkylester.
So erstarrt ein aus Fumarsäure, Adipinsäure und Butandiol-1,4 im Molverhältnis 4 : 1 :5 — 5,5 nach dem
üblichen Verfahren der Schmelzkondcnsation hergestellter
ungesättigter Polyester mit einer Säurezahl von ca. 20 beim Erkalten zu einem teilkristallinen Produkt
mit einem Erweichungspunkt von ca. IO5°C (nach DIN 53 180). Durch Variation des Molverhältnissc narsäure
zu Adipinsäure oder durch vollständig ., bzw. teilweisen Austausch der letztgenannten durch andere
obenerwähnte Ausgangsstoffe lassen sich ungesättigte Polyester unterschiedlicher Kristallisationsgrade und
damit unterschiedlicher Erweichungspunkte herstellen.
Die zur Anfertigung der rieselfähigen Preßmassen notwendige feinkörnige Form wird üblicherweise durch
mechanisches Zerkleinern der erstarrten Schmelze dieser ungesättigten Polyester erhalten. Beispielsweise
wird die noch fließfähige Schme'ze bevorzugt unter Inertgas in geeignete Wannen abgelassen, aus denen sie
nach dem Erstarren entformt wird. Angeschlossen ist eine Grob- und eine Feinzerkleinerung in Brechern bzw.
in Mühlen. Der Gesamtvorgang ist jedoch sehr aufwendig: Die Entformung kann im allgemeinen je
nach Größe der Wannen und Art des ungesättigten Polyesters erst nach einem bis zu einigen Tagen
vorgenommen werden, die Entformung durch Umstülpen erfolgt nicht immer glatt und ist mit manueller
Tätigkeit verbunden, die Feinzermahlung ist besonders bei ungesättigten Polyestern mit niedrigeren Erweichungspunkten
wegen der Neigung zum Verkleben durch die beträchtliche Entwicklung von Reibungswärme
sehr problematisch.
Es ist aus der DT-AS 11 89 270 auch ein Verfahren bekannt, bei dem Polyester mittels Methanol einem
Reinigungsvorgang unterzogen werden. Dabei gehen die nicht umgesetzten Ausgangsprodukte, die Halbester
und andere nicht erwünschte Nebenprodukte in Methanol in Lösung. Die Polyester sind dagegen
weitgehend unlöslich. Außerdem besitzen die in dieser Auslegeschrift beschriebenen Polyester in alier Regel
einen amorphen Charakter, so daß sie mit einem Kristallisationsvorgang nicht in Verbindung gebracht
werden können.
Nach der GB-PS 7 16 331 ist es bekannt, einen amorphen kristallisierbaren Polyester bis auf 30° C und
unterhalb des Schmelzpunktes zu unterkühlen und die so erhaltene viskose Masse in Wasser mit einem Kneter
so lange zu behandeln, bis ein feines Granulat entsteht. Bei dieser Methode ist eine sorgfältige gesteuerte
gleichmäßige Abkühlung erforderlich. Weiterhin muß der Vorgang unter ständiger Kohlendioxydatmosphäre
verlaufen, was einen erheblichen Aufwand erfordert. Ferner kann bei der wäßrigen Behandlung bei 300C in
diesem Stadium leicht eine Hydrolyse eintreten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem es möglich
ist, mit wenig Aufwand ohne mechanische Zerkleinerungsvorgänge und in kurzer Zeit von der heißen
Polyesterschmelze zu einem teilkristallinen Polyester in feinkörniger Form zu kommen.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die noch fließfähige Schmelze der ungesättigten
Polyester in flüssige organische Medien, die für die ungesättigten Polyester Nichtlöser sind, eingerührt und
der resultierende Kristallbrei abfiltriert und getrocknet wird.
Ais flüssige organische Medien, die für die ungesättigten
Polyester Nichtlöser sind, werden vorzugsweise solche mit unterhalb 1000C liegenden Siedepunkten
verwendet. Beispiele hierfür sind Methanol, Äthanol, Aceton oder Methylethylketon.
Die Tatsache, daß die teilkristallinen ungesättigten
Polyester beim Einrühren ihrer Schmelzen in solche flüssigen organischen Medien in feinkörniger Form
anfallen, war überraschend und nicht voraussehbar.
Dem Gedanken der Erfindung entsprechend werden die teilkristallinen ungesättigten Polyester aus obengenannten
symmetrischen Ausgangsprodukten hergestellt. Die Erweichungspunkte dieser Polyester bewegen
sich etwa im Bereich zwischen 80 und 1200C.
Die Herstellung der ungesättigten Polyester erfolgt vorzugsweise in der Schmelze bei Temperaturen
zwischen 150 und 210° C.
Als flüssige organische Medien kommen wegen der Schwerlöslichkeit dieser teilkristallinen ungesättigten
Polyester in den bekannten Lösungsmitteln bei Normaltemperatur eine große Zahl auch technisch leicht
zugänglicher Produkte in Frage.
Genannt seien Alkohole, wie Methanol, Äthanol, n-PropanoI, Isopropanol, n-Butanol, sek.-Butanol, Isobutanol,
tert.-Butanol, Methoxybutanol, Amylalkohole, 2-Äthylhexanol, Cyclohexanol, Diacetonalkohol; Ester
organischer Säuren, wie Methylacetat, Äthylacetat, n-Propylacetat, Isopropylacetat, Butylacetate, Amylacetate,
2-Äthylhexylacetat, 3-Methoxybutylacetat, Methylpropionat.
Äthylpropionat; Äther wie Dioxan, Tetrahydrofuran, Methylglykol, Äthylglykol, Propylglykol, Butylglykol,
Methyldiglykol, Äthyldiglykol, Propyldiglykol, Butyldiglykol, Methylglykolacetat, Äthylglykolacetat,
Butylglykolacetat; Ketone, wie Aceton, Methyläthylketon, Methylpropylketon, Methylisobutylkelon, Methyln-amylketon,
Äthylbutylketon, Diisobutylketon, Äthyln-amylketon,
Methylisoamylketon; flüssige Paraffinkohlenwasserstoffe, vorzugsweise Gemische, wie sie beispielsweise
als Spezialbenzin oder Testbenzin im Handel sind; chlorierte Kohlenwasserstoffe wie Dichloräthylen,
Trichloräthylen, Perchloräthylen, 1,1,1-Trichloräthan,
Tetrachlorkohlenstoff; Aromaten wie Benzol, Toluol, Xylole, Äthylbenzol und Cumol.
Aus Zweckmäßigkeitsgründen — niedrige Temperatüren
bei der Trocknung — werden unter den genannten Stoffen die Niedrigsieder (Siedepunkt
< 100° C) bevorzugt, von denen wiederum Methanol wegen seiner Wirtschaftlichkeit besonders günstig ist.
Ebenfalls aus wirtschaftlichen Erwägungen heraus wird die Menge des flüssigen organischen Mediums so
niedrig wie möglich gehalten. Beispielsweise kann bei Methanol und Einsatz des oben beschriebenen Standardpolyesters
ein Gewichtsverhältnis von Polyesterschmelze zu flüssigem organischem Medium wie 3 :2
eingehalten werden.
Bei ungesättigten Polyestern mit niedrigerer Kristallisationstendenz
empfiehlt es sich, den Gehalt an flüssigen organischen Medien etwas zu erhöhen, vorzugsweise auf ein Gewichtsverhältnis von 1:1.
Weitere Einzelheiten des Verfahrens sind aus den folgenden Beispielen zu ersehen; die dort genannten
Teile sind Gewichtsteile.
Zur Herstellung des im Beschreibungstext erwähnten teilkristallinen ungesättigten Polyesters werden 255
Teile Fumarsäure, 80 Teile Adipinsäure und 272 Teile Butandiol-1,4 in einem Rührkolben unter Durchleiten
von Inertgas und Abdestillieren des entstehenden Wassers innerhalb von fünf Stunden auf 200°C erhitzt.
Diese Temperatur wird so lange gehalten, bis die Säurezahl auf 20 gefallen ist. Danach wird die Schmelze
— theoretische Ausbeute nach Abspaltung des Wassers
= 510 Teilt: — auf 120üC abgekühlt und über ein
Abflußrohr in ein mit Rührer und Kühlmantel ausgestattetes Gefäß geleitet, in welchem sich 340 Teile
Methanol befinden. Während des Einleitens der Polyesterschmelze wird das Methanol gut gerührt; ->
mittels Durchleiten von kaltem Wasser durch den doppelten Mantel des Gefäßes wird für weitgehende
Wärmeableitung gesorgt. Der ungesättigte Polyester fälli sofort in Pulverform aus, wobei nach Einleitung der
gesamten Schmelzmenge ein Pulverbrei resultiert, der jedoch noch gut rührbar ist. Das weiße Pulver wird
durch Filtrieren bzw. Zentrifugieren vom Methanol befreit und ca. zwei Stunden bei 700C im Trockenschrank
getrocknet. Die Ausbeute an trockenem Produkt beträgt 500 Teile (98% d.Th.); der Erwei- r.
chungspunkt nach DIN 53 180 1050C.
2(1
Der in Beispiel 1 beschriebene Polyester kann auch aus Maleinsäureanhydrid anstelle Fumarsäure und
Isomerisierungskatalysatoren hergestellt werden. Zu diesem Zweck werden 215,5 Teile Maleinsäureanhydrid,
80 Teile Adipinsäure, 272 Teile Butandiol-1,4 und 2,5
Teile Piperidin in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise auf eine Säurezahl von 20 kondensiert. Danach wird die
120°C heiße Schmelze - theoretische Ausbeute 508 g — wie beschrieben in 339 Teile Methanol eingerührt.
Die Ausbeute an trockenem Produkt beträgt 500 Teile (98,5% d. Th.).
Anstelle Piperidin werden bei gleichem Ansatz 0,431 Teile Jod als Isomerisierungskatalysator eingesetzt. Die
Ausbeute an trockenem Produkt entspricht 97% d. Th.
Zur Herstellung eines teilkristallinen ungesättigten Polyesters mit höheren Festigkeitseigenschaften der
daraus angefertigten rieselfähigen Preßmassen wird die modifizierende Adipinsäure durch Terephthalsäure —
in Form ihres Dimethylesters — ersetzt.
Zu diesem Zweck werden 72 Teile Dimethylterephthalat, 184 Teile Butandiol-Ι,ί und 0,036 Teile
Bleioxyd in einem mit Füllkörperkolonne versehenen ,0 Rührkolben innerhalb von sechs Stunden auf 200° C
erhitzt. Ab ca. 1500C beginnt bei dieser Umesterung die
Methanolabspaltung. Die Methanoldämpfe werden nach Passieren der Kolonne in einem Kühler kondensiert
und in einer kalibrierten Vorlage aufgefangen. ■-,■-, Nach Erreichen der theoretischen Methanolmenge von
24 Teilen wird der Ansatz auf 160°C abgekühlt. Bei dieser Temperatur werden 172 Teile Fumarsf.'ire
zugesetzt; die Kolonne wird durch einen absteigenden Kühler zur Kondensation der Wasserdämpfe ersetzt. <,n
Der Ansatz wird zwei Stunden auf 1600C gehalten und dann in drei Stunden auf die Endtemperatur von 2050C
aufgeheizt. Nach Erreichen einer Säurezahl von 22 wird der Ansatz — theoretische Ausbeute nach Abspaltung
des Methanols und des Wassers = 351 Teile — auf b>
130°C abgekühlt. Die noch fließfähige Schmelze wird,
wie in Beispiel 1 beschrieben, in 235 Teile Methanol eingerührt. Nach Zentrifugieren und Trocknen werden
346 Teile - einer Ausbeute von 98,5% entsprechend eines weißen Polyesterpulvers vom Erweichuiigspunkt
1080C erhalten.
Bei einer orientierenden Siebanalyse ergibt sich folgende Korngrößenverteilung:
<40μ = 13 Gew. %
40—200 μ= 34Gew.-%
>200 μ = 53Gew.-%
40—200 μ= 34Gew.-%
>200 μ = 53Gew.-%
Zwecks Erhalt eines ungesättigten Polyesters mit niedrigem Erweichungspunkt — was für die Herstellung
von rieselfähigen Preßmassen auf beheizten Mischwalzwerken geünstiger ist — werden 75 Teile Dimethylterephthalat,
147 Teile Butandio!-1,4,30 Teile Äthylenglykol
und 0,037 Teile Bleioxyd in der in Beispiel 4 beschriebenen Weise zunächst der Umesterung und
nach Zusatz von 179 Teilen Fumarsäure der Kondensation unterworfen. Nach Erreichen einer Säurezahl von
24 wird die auf 1050C abgekühlte Schmelze — theoretische Ausbeute nach Abspaltung des Methanols
und des Wassers = 350 Teile — in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise in 350 Teile Methanol eingerührt.
Im Endstadium werden 344 Teile — einer Ausbeute von 98,3% entsprechend — eines weißen Polyesterpulvers
vom Erweichungspunkt 830C erhalten. Das Produkt zeigt folgende Korngrößenverteilung:
<40μ
40-200 μ
>200μ
40-200 μ
>200μ
3,8 Gew.-%
31,2Gew.-%
65,0 Gew.-%
31,2Gew.-%
65,0 Gew.-%
Zur Herstellung eines ungesättigten Polyesters mit besonders niedriger Wasseraufnahme der daraus
angefertigten Preßmassen werden 129 Teile Dimethylterephthalat, 402 Teile Hexandiol-1,6 und 0,065 Teile
Bleioxyd zunächst der Umesterung und nach Zusatz von 308 Teilen Fumarsäure der Kondensation unterworfen.
Nach Erreichen einer Säurezahl von 21 wird die auf HO0C abgekühlte Schmelze — theoretische Ausbeute
nach Abspaltung des Methanols und des Wassers = 700 Teile — in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise in 700
Teile Methanol eingerührt, i.m Endstadium werden 694
Teile — einer Ausbeute von 99% entsprechend — eines weißen Polyesterpulvers vom Erweichungspunkt 92°C
erhalten, das folgende Korngrößenverteilung aufweist:
<40μ = 3Gew.-%
40-200 μ = 32Gew.-%
>200μ = 65Gew.-%
40-200 μ = 32Gew.-%
>200μ = 65Gew.-%
Beispi ele7-25
In den folgenden Beispielen kommen andere flüssige organische Medien unter Beibehaltung der bereits
genannten ungesättigten Polyester zum Einsatz. Das sonstige Vorgehen entspricht im übrigen dem in
Beispiel 1 beschriebenen. Zur Trocknung des filtrierten bzw. zentrifugierien Pulvers hat sich auch vorzugsweise
bei höhersiedenden Medien ein dampfbeheizter, bis auf ca. 2 mm Hg evakuierbarer Taumeltrockner gut bewährt.
Die Ausbeuten an feinkörnigem weißen Produkt liegen in allen Fällen zwischen 97 und 99%.
Beispiel Unges. Flüssiges organisches
Nr. Polyester Medium
gem. Beispiel
Nr.
Gewichts- Temperatur
verhältnis der Polyester-
Polyester/fl. schmelze beim
org. Medium Einrühren, "C
7 | 1 | Methylacetat |
8 | 4 | Methylacetat |
9 | 5 | Methylacetat |
10 | 1 | Äthylacetat |
11 | 4 | Aceton |
12 | 5 | Aceton |
13 | 1 | Methyläthylketon |
14 | 4 | Methyläthylketon |
15 | 5 | Methyläthylketon |
16 | 1 | Methylisobutylketon |
17 | 4 | Cyclohexanon |
18 | 1 | Toluol |
19 | 4 | Toluol |
20 | 5 | Toluol |
21 | 4 | Xylol |
22 | 1 | Trichloräthylen |
23 | 4 | Trichloräthylen |
24 | 5 | Trichloräthylen |
25 | 1 | Perchloräthylen |
120 130 105 120 130 105
120 130 105 120 130 120 130 105 130 120 130 105 120
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von teilkristallinen ungesättigten Polyestern in feinkörniger Form durch >
Kondensation von Fumarsäure und/oder von Maleinsäure bzw. deren Anhydrid in Gegenwart von
Katalysatoren, die eine weitgehende Umwandlung der Maleinsäure- in Fumarsäureeinheilen während
der Polyesterherstellung bewirken, mit symmetri- id sehen diprimären Diolen, gegebenenfalls unter
Mitverwendung symmetrischer gesättigter Dicarbonsäuren und/oder deren niederen Dialkylestern,
durch Behandeln mit flüssigen organischen Medien nach Beendigung des Kondensationsprozesses, da- r>
durch gekennzeichnet, daß die noch fließfähige Schmelze der ungesättigten Polyester in
flüssige organische Medien, die für die ungesättigten Polyester Nichtlöser sind, eingerührt und der
resultierende KristallLrei abfiltriert und getrocknet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssige organische Medien, die für
die Polyester Nichtlöser sind, vorzugsweise solche mit unterhalb 100°C liegenden Siedepunkten ver- r>
wendet werden.
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1968
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