DE1720947B1 - Verfahren zur herstellung von lactonisierten mischpolymerisaten - Google Patents
Verfahren zur herstellung von lactonisierten mischpolymerisatenInfo
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- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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Description
C=O
20
Bekanntlich bildet im allgemeinen eine Oxycarbonsäure einen Lactonring unter saueren Bedingungen.
Zum Beispiel ist auf S. 142 des Buches »Chemistry of High Polymers«, Bd.? (1950), die Bildung eines
Lactonringes durch Verseifen eines Mischpolymerisats von Vinylacetat und Methylacrylat mit Alkali
und anschließende Behandlung mit einer saueren Lösung erwähnt.
Auch die Lactonisierung von Polymeren des a-Acyloxyacrylnitrils
in saurem Medium ist bereits bekannt.
Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von lactonisierten Mischpolymerisaten durch Behandeln
von Mischpolymerisaten, die Nitrilgruppen und Acylgruppen bzw. Hydroxylgruppen enthalten, in einem
Mehium mit einem Säuregehalt von nicht mehr als 40% und einem pH-Wert von nicht über 2 gefunden,
bei dem dann Polymerisate mit vorteilhaften Eigenschaften erhalten werden, wenn ein Mischpolymerisat
des Acrylnitrils mit hydroxylgruppenhaltigen Monomeren oder zur Bildung von Hydroxylgruppen befähigten
Monomeren, gegebenenfalls mit anderen damit mischpolymerisierbaren Monomeren, das wenigstens
60 Gewichtsprozent Acrylnitril enthält, eingesetzt wird.
Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird selektiv ein Lactonring gebildet, in dem in einem Mischpolymerisat,
beispielsweise aus Acrylnitril und Vinylacetat, der auf der Vinylacetateinheit beruhende Teil und
der benachbarte, auf der Acrylnitrileinheit beruhende Teil in der hochmolekularen Kette selektiv hydrolysiert
und dann lactonisiert werden, jedoch praktisch keine andere Sekundärreaktion erfolgt.
Die Reaktion dürfte wie folgt ablaufen:
Durch die Bildung des Lactonrings in der hochmolekularen Kette wird die Beweglichkeit oder Freiheit
der Molekularkette vermindert. Daher haben Fasern aus einem Mischpolymerisat mit solcher cyclisierter
Struktur eine hohe Festigkeit und einen hohen Youngschen Modul im Vergleich zu Fasern, die aus
einem gewöhnlichen Mischpolymerisat ohne cyclisierte Struktur oder einem nicht durch Säurebehandlung
lactonisierten Mischpolymerisat erhalten worden sind. So können Fasern erhalten werden, in welchen
spezifisch die Neigung zur Dehnung in heißem Wasser, die ein Nachteil von Acrylnitrilfasern ist, bemerkenswert
verringert ist.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren auf ein Mischpolymerisat von Acrylnitril und einem Monomeren
mit einer Hydroxylgruppe angewandt, beispielsweise von Acrylnitril und Allylalkohol, so wird ein
sechsgliedriges Ringlacton gebildet.
Bevorzugt werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren solche Acrylnitril-Mischpolymerisate mit
Lactoneinheiten der Formel
"R
C-CH2-CH-
C-CH2-CH-
.0-
-C = O
-CH-CH2-CH-
O = C
O-
CH
L2 J
CH, CH CH, : CH ... CH, CH
55
C = O
CH3
CH3
CH2-CH-CH2-CH ... CH2-CH-OH
COOH C
60
65 hergestellt, worin R ein Wasserstoffatom oder eine Methylgruppe bedeutet.
Wenn die Säurekonzentration höher als 40% ist, wird eine unreine Struktur, wie diejenige einer Carbonsäure
oder eines Säureamids, im Mischpolymerisat gebildet, und dies bewirkt eine unerwünschte Verfärbung
des Mischpolymerisats. Um die Bildung einer solchen verunreinigten Struktur streng zu verhindern,
ist es zweckmäßig, die Säurebehandlung unter Bedingungen einer Säurekonzentration von nicht mehr als
20% durchzuführen. Die untere Grenze der Säurekonzentration ist nicht kritisch. Wenn jedoch der pH-Wert
höher als 2 ist, erfolgt die Lactonisierungsreaktion sehr langsam. ■ ·
Der Grad der Lactonisierung im Mischpolymerisat kann kontrolliert werden, indem die Säurebehandlungsbedingungen
geeignet gewählt werden, wie die Behandlungstemperatur und die Behandlungszeit
unter der obenerwähnten Säurekonzentration. Weiter kann diese Säurebehandlung entweder in einem homogenen
System oder einem nicht homogenen System durchgeführt werden.
An den Enden des Mischpolymerisats liegt im allgemeinen eine Sulfonsäuregruppe vor, welche durch die
Zersetzung des Katalysators bei der Polymerisationsreaktion gebildet ist, sowie ein gewisses Ausmaß an
Carboxylgruppen, die beim Polymerisationsverfahren gebildet sind. Diese Säuregruppen sind wirksam als
Färbungsstellen; insbesondere die Sulfonsäuregruppe
ist hochgradig wirksam. Solche Sulfonsäuregruppen
werden durch die Säurebehandlung gemäß der Erfindung überhaupt nicht geschädigt. Die Zunahme der
Carboxylgruppen ist für die Behandlungsbedingungen der Erfindung so gering, daß die Veränderung-in der
Menge an Anfärbungsstellen durch die Lactonisierung gering ist. Jedoch ist in den Fasern, die aus einem
Mischpolymerisat, worin cyclische Strukturen durch Lactonisierung in die Molekülkette eingeführt worden
sind, erhalten sind, die Beweglichkeit oder Freiheit der Molekülkette, wie oben beschrieben, beschränkt,
und daher vermindert sich mit der Verringerung des Schrumpfens durch die Wärme-Relaxierungsbehandlung
dieser Fasern die Färbungsgeschwindigkeit oder die Reaktionsgeschwindigkeit mit dem Farbstoff, und
der praktische Färbungsgrad wird etwas kleiner.
Die Mischpolymerisate des Acrylnitril, welche gemäß der Erfindung lactonisiert werden, enthalten einen
überwiegenden Mengenanteil, nämlich mindestens 60 Gewichtsprozent Acrylnitril.
Das Monomere mit einer Hydroxylgruppe, das mit Acrylnitril mischpolymerisiert worden ist, ist z.B.
Allylalkohol.
Das Mischmonomere, welches eine Hydroxylgruppe bilden kann, ist ebenfalls ein mit Acrylnitril mischpolymerisierbares
Monomeres und kann eine Hydroxylgruppe ausbilden, wenn es unter den erfindungsgemäßen
Bedingungen der Säurebehandlung hydrolysiert wird. Besondere Beispiele solcher Monomeren
sind Vinylacetat, Isopropenylacetat, Vinylpropionat, Vinylisobutyrat, Vinylbutyrat und andere Vinylester,
Allylacetat, Allylcaproat und andere Allylester.
Die beim Verfahren der Erfindung eingesetzten Mischpolymerisate können weiter andere mit Acrylnitril
mischpolymerisierbare Monomere innerhalb einer Grenze, welche die Lactonisierung beim Verfahren
der Erfindung nicht stört, enthalten. Beispiele solcher Monomerer sind Allylsulfonsäure und Methallylsulfonsäure
und ihre Salze, Styrol, Vinylchlorid und Vinylidenchlorid.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren zu verwendende Säure kann entweder eine anorganische oder
eine organische Säure sein. Säuren, die nur eine geringe Oxydierbarkeit haben, wie anorganische Säuren, wie
Schwefelsäure, Salzsäure und Phosphorsäure und organische Säuren, wie Ameisensäure, Essigsäure, Oxalsäure
und Toluolsulfonsäure, sind bevorzugt. Falls Salpetersäure verwendet wird, verläuft die Lactonisierung
leicht, jedoch werden Sekundärreaktionen, wie die Bildung eines Säureamids oder von Carbonsäure,
bewirkt.
Die Säurebehandlung sollte bei einer Temperatur von nicht weniger als 6O0C durchgeführt werden, da
bei einer Temperatur unter 60° C eine unzulässig lange Zeit erforderlich ist, um die gewünschte Lactonisierung
hervorzurufen. Im allgemeinen verläuft die Lactonisierung mit steigender Behandlungstemperatur und
steigender Säurekonzentration schneller.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie zu beschränken. Alle Prozentangaben sind
auf das Gewicht bezogen, wenn nichts anderes angegeben ist.
15 g eines Mischpolymerisats, das aus 98% Acrylnitril und 11% Vinylacetat bestand, wurden in 135 g
einer wäßrigen Lösung von Schwefelsäure verschiedener Konzentrationen verteilt, in einem uneinheitlichen
(heterogenen) System durch Variieren der Behandlungstemperatur und Behandlungszeit unter Rühren
mit Säure behandelt, anschließend abfiltriert und mit Wasser gewaschen. Der Lactongehalt in dem so
behandelten Mischpolymerisat wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle I und F i g. 1 angegeben.
Der Lactongehalt wurde durch den Gewichtsprozentsatz der Gruppe
— CH2 — CH-CH2 -CH-
O-
C=O
im Mischpolymerisat angegeben.
Diese Analyse wurde gemacht, indem ein Mischpolymerisat mit einer bekannten Menge des Lactons
aus einem Mischpolymeren von Methylacrylat und Vinylacetat hergestellt und die Infrarotabsorptionsbande
von 1176 cm"1 des erhaltenen Mischpolymerisats durch Verwendung des oben hergestellten
Mischpolymeren als Kriterium nach einer Methode gemessen wurde, die auf S. 142 bis 154 des Buches
»Chemistry of High Polymers«, Bd. 7, angegeben ist. Bei der Behandlung, die mit () in Tabelle I gezeigt ist,
war aus dem Infrarotabsorptionsspektrum zu ersehen, daß die CN-Gruppe des Acrylnitrilteils, der nicht in
Nachbarschaft zum Vinylacetatteil stand, gleichzeitig mit der Lactonisierung auch eine Hydrolyse erfuhr,
was eine Verunreinigung und Strukturveränderung bewirkte. Die Färbungsgrade der wie oben erwähnt behandelten
Mischpolymerisate sind in Tabelle II dargestellt. Die Veränderungen im %-Gehalt an Carboxylgruppen
bei einer Behandlungszeit von 2 Stunden sind in Tabelle III und F i g. 2 gezeigt. Der Anstieg
des Färbungsgrades und die Zunahme im Carboxylgruppengehalt waren sehr gering im Falle einer
Schwefelsäurekonzentration von nicht mehr als 20%. Ihre deutliche Zunahme war im Falle einer Schwefelsäurekonzentration
von 40% ersichtlich.
Der Färbungsgrad des Mischpolymerisates wurde aus der folgenden Formel berechnet:
Färbungsgrad =
Reflexion bei 595 ηΐμ — Reflexion bei 453 ηΐμ
Reflexion bei 553 ηΐμ
Reflexion bei 553 ηΐμ
100
indem Mischpolymerisat-Tabletten unter Druck hergestellt und die Reflexionen bei den drei Wellenlängen
von 453, 553 und 595 πΐμ aus Kurven der sichtbaren Reflexion der Proben für Magnesiumoxyd bestimmt
wurden. Es ist gezeigt, daß der Färbungsgrad um so höher ist, je höher der numerische Wert
ist.
Weiter wurden die Carboxylgruppen im Mischpolymerisat durch potentiometrische Titration einer Dimethylformamidlösung
des Mischpolymerisats mit alkoholischer Natronlauge bestimmt.
Die Menge an Sulfonsäure im Mischpolymerisat wurde durch konduktometrische Titration einer Dimethylformamidlösung
des Mischpolymerisats mit alkoholischer Natronlauge bestimmt. Wie aus Tabelle IV hervorgeht, war bei der Behandlung nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren keine Veränderung zu sehen.
Schwefelsäure konzentration |
Behandlungstemperatur | 0,5 | Behandlungszeit (Stunden) | 2,0 | 4,0 |
(%) | ro | ■ 1,0%*) | 1,0 | 4,0%*) | 6,5%*) |
2 | 101 (Sieden) | nicht mehr als | ■ 2,1%*) | 1,0 | 1,9 |
5 | 80 | 0,2 | nicht mehr als | ||
0,2 | 0,2 | 2,8 | 3,9 | ||
5 | 90 | 1,9 | 1,1 | 6,0 | 8,2 |
5 | 102 (Sieden) | 2,3 | 3,0 | 6,9 | 9,7 |
10 | 103 (Sieden) | —· | 3,2 | — | 0,6 |
20 | 70 | nicht mehr als | — | 0,8 | 2,7 |
20 | 80 | 0,2 | 0,9 | ||
0,2 | 2,5 | 5,7 | |||
20 | 90 | 3,7 | 1,3 | 6,4 | 9,5 |
20 | 105 (Sieden) | nicht mehr als | 5,5 | 1,9 | 4,0 |
40 | 80 | 0,2 | 1,2 | ||
1,0 | 3,2 | 5,'l | |||
90 | 3,0 | 1,6 | (9,2) | (11,8) | |
105 | (5,8) | (5,5) | (11,8) | — | |
114 (Sieden) | (10,4) | ||||
*) Lacton, Gewichtsprozent.
Behandlungszeit | 2% | Färbungsgrad | 5% | 10% | 20% | 40% | |
Behandlungstemperatur | (Stunden) | 2,7 | 3,3 | 4,2 ' | |||
ro | 2 | Schwefelsäurekonzentration (%) | 3,7 | — | 3,6 | 4,9 | |
80 | 2 | 3,8 | 3,5 | 3,8 | 4,3 | 7,3 | |
90 | 2 | — | — | — | — | 7,0 | |
105 | 2- | ||||||
114 | |||||||
Behandlungstemperatur | Behandlungszeit | 2% | Schwefelsäurekonzentration (%) | 5% | 10% | 20% | 40% |
ro | (Stunden) | —%*) | 0,43%*) | —%.*)■ | 0,50%*) | 0,59%*) | |
80 | 2 | — | 0,42 | — | 0,51 | 0,87 | |
90 | 2 | 0,34 | 0,39 | 0,57 | 0,69 | 1,82 | |
105 | 2 | — | — | — | — | 2,56 | |
114 | 2 | ||||||
Bemerkungen
Der Carboxylgruppengehalt im unbehandelten Mischpolymerisat betrug 0,35 Gewichtsprozent.
■*) Carboxylgruppengehalt (Gewichtsprozent).
Behandlungsbedingungen
in wäßriger 20%iger
Schwefelsäurelösung
bei 1050C (Sieden)
in wäßriger 20%iger
Schwefelsäurelösung
bei 1050C (Sieden)
1 Stunde
4 Stunden
Unbehandelt
-SO3H (%).... 0,39 0,38 0,38
100 g eines Acrylnitrilmischpolymerisatpulvers aus 89,0% Acrylnitril und 11,0% Allylalkohol wurden zu
500 ml einer siedenden Lösung von 20%iger Schwefelsäure gegeben und behandelt, indem das Sieden 2 Stunden
in einem nicht gleichförmigen (heterogenen) System unter Rühren fortgesetzt wurde. Dann wurde das
behandelte Mischpolymerisat abfiltriert und mit Wasser
gewaschen. Sein Infrarotabsorptionsspektrum — wurde gemessen. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß
die Hydroxylgruppe bei 3450 cm"1 abgenommen hatte und eine Absorption von C = O, C—O — C, die
einen sechsgliedrigen Lactonring zeigte, jeweils bei 1735 und 1165 cm"1 zu erkennen war. Es wurde ein
weißes lactonisiertes Mischpolymerisat erhalten.
Acrylnitrilmischpolymerisatpulver, das aus 89,0% Acrylnitril und 11% Allylalkohol bestand, wurde mit
20%iger Phosphorsäure in der gleichen Weise wie im Beispiel 2 behandelt, wobei ein weißes Produkt erhalten wurde. Die Infrarotanalyse dieses Produktes
zeigte die gleiche Adsorption wie das Produkt von Beispiel 2.
1 g eines Mischpolymeren von 60,5% Acrylnitril und 39,5% Vinylacetat wurde in 50 ml eines Lösungsgemisches
von 90 Teilen Acetonitril und 10 Teilen Wasser gelöst. 6 ml konzentrierter Schwefelsäure
(98%ig) wurden zur Lösung zugefügt. Die Lösung wurde dann 3 Stunden zum Sieden erhitzt. Im Verlaufe
der Behandlungszeit fiel ein Teil des Mischpolymerisats aus. Wenn das Mischpolymerisat durch
Zufügen einer großen Wassermenge zum Reaktionssystem gut ausgefällt und dann filtriert und mit Wasser
gewaschen war, wurde ein weißes lactonisiertes Acrylmischpolymerisat
mit 46% Lacton erhalten. ,.
100 g eines Acrylnitrilmischpolymerisatpulvers, das aus 89% Acrylnitril und 11% Vinylacetat bestand,
wurden zu 500 ml einer siedenden wäßrigen 20%igen Schwefelsäurelösung gegeben und 1 Stunde in einem
heterogenen System unter Rühren am Sieden gehalten. Nach Abfiltrieren und Waschen mit Wasser des so behandelten
Mischpolymerisates wurde ein weißes lactonisiertes Mischpolymerisat mit 5,5% Lacton erhalten.
Zum Nachweis vorteilhafter Eigenschäften wurde eine Spinnlösung hergestellt, indem dieses lactonisierte
Acrylnitrilmischpolymere in einer wäßrigen Lösung von 48% Natriumthiocyanat gelöst wurde, so
daß die Mischpolymerisatkonzentration 10% betrug.
Diese Lösung wurde in eine wäßrige Lösung von 10% Natriumthiocyanat bei 0° C versponnen. Die gesponnenen
Fäden wurden mit Wasser gewaschen, dann auf das lOfache der ursprünglichen Länge in siedendem
Wasser verstreckt und in überspanntem Dampf bei 115 und 125° C zu Fasern von 3 den relaxiert. Die
Eigenschaften der so erhaltenen Fasern sind in Tabelle V gezeigt. Bemerkenswerte Veränderungen
waren bei ihnen im Vergleich mit den Eigenschaften von Fasern feststellbar, die nach der gleichen Methode
wie oben aus einem nicht lactonisierten Acrylmischpolymerisat erhalten worden waren.
Wärme behandlungs- temperatur |
Schrumpfen | Festigkeit | Dehnung | Elastizität bei 3% Dehnung |
Youngscher Modul |
Sekundäre*) Steifigkeit |
|
(0C) | (%) | (g/den) | (%) | (%) | (g/den | (g/den) | |
Lactonisierte Mischpoly | 115 | 22,4 | 3,68 | 30,8 | 82,1 | 59,1 | 3,84 |
merisatfasern (gemäß | |||||||
der Erfindung) | |||||||
desgl. | 125 | 27,7 | 3,40 | 38,3 | 82,0 | 55,4 | 2,34 |
Unbehandelte Misch | 115 | 34,4 | 3,03 | 44,9 | 83,4 | 51,8 | 1,13 |
polymerisatfasern | |||||||
desgl. | 125 | 51,2 | 2,42 | 83,2 | 75,9 | 28,1 | 0,38 |
*) Maß für die Spannungsverformung über den Streckpunkt der Spannungs-Dehnungskurve hinaus.
Bei Zugabe von 100 g eines Acrylnitrilmischpolymerisatpulvers, das aus 89% Acrylnitril und 11%
Vinylacetat bestand, zu 500 ml einer siedenden wäßrigen 20%igen Schwefelsäurelösung und 4stündigem
Sieden in einem heterogenen System unter Rühren, anschließendem Filtrieren und Waschen mit Wasser
wurde ein weißes lactonisiertes Acrylmischpolymerisat mit 9,5% Lacton erhalten. Dieses lactonisierte Acrylnitrilmischpolymerisat
war in Natriumthiocyanat und Dimethylformamid löslich.
Nach Verspinnen dieses lactonisierten Mischpolymerisats, Waschen mit Wasser und Dehnen nach dem
gleichen Verfahren wie im Beispiel 5 und anschließendem 15minütigem Relaxieren in Dampf unter Druck
bei 1200C wurden Fasern von 3 den erhalten. Die Eigenschaften der Fasern sind aus Tabelle VI zu ersehen.
Es ist ersichtlich, daß, wie in Tabelle VI gezeigt, die Festigkeit, der Yöüngsche Modul und die sekundäre
Steifigkeit der so erhaltenen Fasern höher waren als die Werte von Fasern, die nach der gleichen
Arbeitsweise aus dem obenerwähnten, jedoch nicht lactonisierten Acrylmischpolymerisat erhalten waren.
Die Festigkeits-Dehnungskurve in heißem Wasser bei 95° C ist in F ig. 3 gezeigt, aus der ersichtlich ist,
daß die Neigung zur Dehnung in heißem Wasser bemerkenswert vermindert ist. Weiter ist der Färbungsgrad durch den Prozentsatz der Farbstoffabscheidung
auf den Fasern bei 60minutiger Färbung bei 85° C unter folgenden Färbeflottenbedingungen gezeigt: 3%,
bezogen auf Fasergewicht, an CI. Basic Orange 24, 1%, bezogen auf Fasergewicht, Essigsäure, Badverhältnis
1/100.
Probe | Festigkeit | Dehnung | Elastizität bei 3% Dehnung |
Youngscher Modul |
Sekundäre Steifigkeit |
Färbungs grad |
(g/den) | (%) | (%) | (g/den) | (g/den) | (%) | |
Fasern aus lactonisiertem Mischpoly | ||||||
merisat gemäß der Erfindung | 3,66 | 31,8 | 84,4 | 61,2 | 4,23 | 0,282 |
Fasern aus unbehandeltem Acrylnitril- | ||||||
mischpolymerisat | 2,58 | 59,3 | 80,0 | 40,0 | 0,75 | 1,59 |
209 523/453
I 720 §41
Pg em'es Äc*yJÄi&ßis<^e^^ das
aus M%, Acrylnitril m4 H% Vinyläeeiait bestand,.
Wurden iö 1.1 einW wäßrigen· 15%igeni SalzsäiuretÖsuog
eifigebräeM und! 4 Stenidefii iö den* fieterogerieii System;
»ter MulMens zufü Sieden; erMtzfl und dann abiltriert
und nälf Wasser gewaseiem Es wurde ein; iaGtoöisieries
weifgsÄgsyWtflffliiselsfoilpiiieEisat mä 9,2%. lactoii
eebaliea. Seifest im itnksitMsbsotpu&asspQkitnm war
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zeigte die Bildung anderer mödifizietter
Stri&itfrea |wie Siaiearöid) außer Laetonisiertiög.
Es waf äüeii eiöe ZüHaitiae der Mefige sm
Cärböiyigrufperi ifö Pölynierisat zu beöbaehteö,
Hiefztt i Sktt
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von lactonisierten Mischpolymerisaten durch Behandeln von Mischpolymerisaten,
die Nitrilgruppen und Acylgruppen bzw. Hydroxylgruppen enthalten, in einem
Medium mit einem Säuregehalt von nicht mehr als 40% und einem pH-Wert von nicht über 2,
dadurch gekennzeichnet, daß ein
Mischpolymerisat des Acrylnitrils mit hydroxylgruppenhaltigen Monomeren oder Monomeren,
die Hydroxylgruppen bilden können, gegebenenfalls mit anderen damit mischpolymerisierbaren
Monomeren, das wenigstens 60 Gewichtsprozent Acrylnitril enthält, eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Säuregehalt nicht höher als
20% ist.
-CH, -CH-CH9-CH ... CH, —CH-
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2141366 | 1966-04-04 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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ID=12054320
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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