DE1770588C3 - Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen kationischen Polymerisationsprodukten in fester Form - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen kationischen Polymerisationsprodukten in fester FormInfo
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Description
worin
R Wasserstoff oder ein niederer Alkylrest,
X eine der Gruppen —O— und — NH-,
A ein geradkettiger oder verzweigter Alkylenrest
mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen,
Ri, R2 und Rj gleiche oder verschiedene Reste aus der Gruppe niederer Alkylreste oder Benzyl-
Ri, R2 und Rj gleiche oder verschiedene Reste aus der Gruppe niederer Alkylreste oder Benzyl-
oder Hydroxyalkylreste und
Y ein Äquivalent eines Säureanions
Y ein Äquivalent eines Säureanions
sind, allein oder zusammen mit untergeordneten Mengen weiterer Monomerer in 40- bis 75gewichtsprozentigen
konzentrierten wäßrigen Lösungen in Gegenwart von wasserlöslichen radikalbildenden
Initiatoren unter Ausschluß von Luftsauerstoff in einem Gefäß mit flexiblen Wandungen und Eindampfen
der erhaltenen Polymerisatlösung, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerisation
in einem oben offenen Gefäß, worin das polymerisierende Gemisch eine Schicht von höchstens
10 cm Dicke mit waagerechter Oberfläche ausbildet, durchgeführt und die erhaltene konzentrierte
Polymerisatlösung unmittelbar im Polymerisationsgefäß auf mindestens 85 Gew.-% Polymerisatgehalt
eingedampft wird.
Wasserlöslich, kationische Polymerisate finden eine breite praktische Anwendung als Hilfsmittel für die
Papier- und Textilindustrie, als Bindemittel, Klebstoffe und Schlichten, als Haarfestlegemittel, zur antistatischen
Ausrüstung von Fasern und Folien, als Färbereihilfsmittel, als Dispergier- und Emulgiermittel für
Pigmente oder öle, als Bakterizid, als Verdickungsmittel für wäßrige Lösungen sowie als Flockungs- und
Sedimentierhilfsmittel. Für die genannten Zwecke haben sich Polymerisate von Acryl- und Melhacrylestern,
die im Alkoholrest eine quartäre Ammoniumgruppe tragen, besonders bewährt. In vielen Fällen
erwiesen sich die Polymerisate als um so wirksamer, je höher ihr Molekulargewicht liegt. Die technische
Herstellung sehr hochmolekularer Polyacryl- und <so Polymethacrylsäureester mit quartären Gruppen im
Alkoholrest ist jedoch mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.
Es ist aus der Polymerisationschemie bekannt, daß man besonders hochmolekulare Produkte nur unter 6s
bestimmten Voraussetzungen erhält. Die Polymerisation muß bei möglichst hoher Konzentration unter
einem sehr schwachen Radikalstrom und in Abwesenheit von kettenübertragenden Mitteln stattfinden. Die
monomeren Acryl- und Methacrylsäureester mit quartären Ammoniumgruppen sind nicht schmelzbar und
können deshalb nur in wäßriger Lösung polymerisiert werden, wodurch der Anwendung hoher Konzentrationen
eine obere Grenze gesetzt ist. Kettenabbrechende Mittel lassen sich verhältnismäßig leicht ausschließen,
jedoch die dritte Forderung, nämlich mit möglichst niedrigem Radikalstrom, d.h. mit einer je Zeit- und
Volumeneinheit des polymerisierenden Gemisches kleinen Zahl von neu gebildeten Starterradikalen zu
arbeiten, kann nur bis zu einem Kompromiß mit der Polymerisationsdauer erfüllt werden. Man ist daher
gezwungen, bei höchstmöglicher Konzentration und einer gerade noch wirtschaftlichen Dauer zu polymerisieren.
Derartige Verfahren sind mehrfach beschrieben worden, beispielsweise in der deutschen Auslegeschrift
10 70 828. Die konzentrierte Polymerisatlösung, die. bei
Konzentrationen von mehr als 30 Gewichtsprozent in der Regel nicht mehr fließfähig ist, wird mit Wasser oder
dessen Gemischen mit geeigneten organischer. Lösungsmitteln in solchem Maße verdünnt, daß man ein
noch gut fließfähiges Produkt erhält. In dieser Form werden die Polymerisate in den Handel gebracht.
Es fehlt aber bisher ein technisch brauchbares Verfahren, um die Polymerisate in feinteiliger Form als
Festprodukt zu gewinnen. Derartige Festprodukte sind jedoch wegen der geringeren Transportkosten und des
geringeren Lagerraumbedarfs erwünscht.
In der deutschen Auslegeschrift 10 32 922 ist schon beschrieben worden, 25- bis 5O°/oige Lösungen anderer
wasserlöslicher Monomerer in dünner Schicht auf einer beheizten Walze oder einem Band zu polymerisieren,
gleichzeitig das Wasser abzudampfen und das Polymerisat dann mit einem Messer von der Walze oder dem
Band abzuschälen. Wenn es auch nicht ausgeschlossen erscheint, auf diesem Wege hochmolekulare Polyacrylsäureester
oder Polymethacrylsäureester von quaternierten Aminoalkoholen als Festprodukte zu gewinnen,
so kann das Verfahren aus wirtschaftlichen Gründen nicht ernsthaft in Betracht gezogen werden. Wegen der
erforderlichen langen Polymerisationszeiten müßte die Maschine schon bei geringer Leistung eine erhebliche
Größe haben und darüber hinaus in einer sauerstofffreien Atmosphäre arbeiten.
In der belgischen Patentschrift 6 94 342 wird ein Verfahren beschrieben, wonach wasserlösliche Polymerisate
in fester Form dadurch gewonnen werden, daß man eine mindestens 30%ige wäßrige Lösung eines
Monomeren in einem Folienbeutel oder in einem flachen starrwandigen Gefäß polymerisieren läßt, die
erhaltene, gelartig feste Polymerisallösung aus dem Beutel oder Polymerisationsgefäß entnimmt, trocknet
und zerkleinert. Bei der Nacharbeitung der Polymerisation von Methacryloxyäthyl-trimethylammonium-chlorid
erweist sich das Verfahren mit den dort beschriebenen Mitteln als undurchführbar. Die gelartige Polymerisatlösung
haftet so zäh an Behälterwandungen jeglicher Art, daß die Polymerisationsform nur unter Zerstörung
geöffnet, jedoch keinesfalls vom Polymerisat getrennt werden kann.
Es wurde nun die überraschende Beobachtung gemacht, daß die hohe Klebkraft des wäßrigen
Polymerisaigeis, die bei etwa 30% Wassergehalt noch
unüberwindlich ist, verschwindet, wenn der Wassergehalt auf etwa 10% verringert wird. Das Polymerisat ist
bei diesem Wassergehalt starr und spröder und kann mit
Leichtigkeit von einer Folie oder einer flexiblen Unterlage abgenommen und zu einem Pulver zermahlen
werden. Diese Beobachtung bildet die Grundlage der nachfolgend beschriebenen Erfindung.
Das Verfahren der Erfindung dient der Herstellung von wasserlöslichen, kationischen Polymerisaiii rodukten
in fester Form, die in l°/oiger wäßriger .. >sung
eine Viskosität von mindestens 150OcP haben, durch Polymerisation von Verbindungen der allgemeinen
Formel
CH2=C-CO-X-A-N-R2,
worin
R Wasserstoff oder ein niederer Alkylrest,
X eine der Gruppen — O— und — NH-,
A ein geradkettiger oder verzweigter Alkylenrest mit 2
bis 8 Kohlenstoffatomen,
Ri, R2 und Rj gleiche oder verschiedene Reste aus der Gruppe niederer Alkylreste oder Benzyl- oder
Ri, R2 und Rj gleiche oder verschiedene Reste aus der Gruppe niederer Alkylreste oder Benzyl- oder
Hydroxyalkylreste und
Υθ ein Äquivalent eines Säureanions
Υθ ein Äquivalent eines Säureanions
sind, allein oder zusammen mit untergeordneten Mengen weiterer Monomerer in 40- bis 75gewichtsprozentigen
konzentrierten wäßrigen Lösungen in Gegenwart von wasserlöslichen radikalbildenden Initiatoren
unter Ausschluß von Luftsauerstoff in einem Gefäß mit flexiblen Wandungen und Eindampfen der erhaltenen
Polymerisatlösung. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerisation in einem oben offenen Gefäß, worin
das polymerisierende Gemisch eine Schicht von höchstens 10 cm Dicke mit waagerechter Oberfläche
ausbildet, durchgeführt und die erhaltene konzentrierte Polymerisatlösung unmittelbar im Polyinerisationsgefäß
auf mindestens 85 Gewichtsprozent Polymerisatgehalt eingedampft wird.
Die Schichtdicke der eingesetzten Monomerenlösung ist dabei so zu begrenzen, daß die Polymerisationswärme
weitgehend abgeleitet werden kann. Eine Schichtdicke von 10 cm stellt dabei eine Grenze dar, bis zu der
bei verhältnismäßig niedriger Monomerenkonzentration und bei sehr langsamer Polymerisation, z. B. mittels
eines Redoxsystems, noch ein einheitliches Polymerisat von hohem Molekulargewicht erhalten werden kann.
Um die Vorteile besonders hoher Molekulargewichte voll auszuschöpfen, sollten Schichtdicken von 5 cm nicht
überschritten werden. Unter Mitberücksichtigung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens werden bei 1 bis 3 cm
Schichtdicke die besten Ergebnisse erzielt. Bei noch geringerer Dicke ist das Verfahren zwar technisch noch
durchführbar, aber nicht mehr so wirtschaftlich. Wenn eine Schichtdicke von etwa 5 cm nicht überschritten
wird, ist eine Kühlvorrichtung entbehrlich; die Wärmeabfuhr über die Gasphase ist ausreichend. Um das
Eindringen von Sauerstoff in den Polymerisationsraum zu vermeiden, wird vorteilhaft unter einem geringen
Überdruck eines Inertgases, wie Stickstoff, Kohlensäure oder Argon, in einem gegen die Atmosphäre abgeschlossenen
Raum polymerisiert.
Das erfindungsgemäß zu verwendende Polymerisationsgefäß soll so gestaltet sein, daß das polymerisierende
Gemisch eine möglichst große freie Oberfläche ausbilden kann. Geeignet sind z. B. Bleche mit
hochgebördelten Rändern, flache Schalen oder Rinnen. Mit besonderem Vorteil verwendet man Gefäße, die an
sich starr sind, aber mit einer flexiblen Folie ausgekleidet sind. Diese kann nach dem Trocknen von
dem Polymerisat abgezogen werden. Die Folien können aus Metallen, wie Aluminium, Kupfer oder Blei, oder aus
Kunststoffen, wie Polyolefinen, Polyester, Polyvinylchlorid oder Polytetrafluoräthylen, bestehen. Bituminiertes
oder paraffingetränktes Papier kann verwendet
ίο werden, wenn bei der Polymerisation und der
anschließenden Trocknung die Schmelztemperatur des Imprägniermittels nicht überschritten wird. Es können
auch selbsttragende Gefäße aus einem genügend flexiblen Material, wie Polyäthylen oder Polypropylen,
verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie dünnwandig genug sind, um sie an jeder Berührsjngsstelle mit dem
Polymerisat von diesem abspreizen zu können. Für die betriebliche Praxis eignen sich am besten flache Bleche
mit hochgebördelten Rändern, die mit einer Polyesterfolie ausgelegt sind. Eine Vielzahl solcher Bleche kann
— mit dem zu polymerisierenden Gemisch gefüllt — in einen evakuierbaren Wärmeschrank, vorzugsweise mit
einer Gs.sumwälzungseinrichtung, gleichzeitig eingesetzt werden.
Als Beispiele für die im Sinne der Erfindung zu polymerisierenden Monomeren seien
Methacryloxyäthyl-trimethylammonium-chlorid,
-methosulfat und -acetat,
2-Methacryloxypropyl-dimethyl-benzyl-
-methosulfat und -acetat,
2-Methacryloxypropyl-dimethyl-benzyl-
ammonium-chlorid und
Acrylamidoäthyl-diäthylmethylammoniump-toluolsulfonat
genannt. Neben derartigen Monomeren, die allein oder zumindest in überwiegender Menge angewendet werden,
können — je nach den für das Endprodukt geforderten Eigenschaften — weitere Monomere in
untergeordneten Mengen mitverwendet werden. Soweit es sich dabei um wasserlösliche Monomere handelt,
wie Acrylamid, Methacrylamid oder N-Vinylpyrrolidon,
wird ihre Menge nur durch die für das Endprodukt geforderten Eigenschaften festgelegt und kann z. B. bei
40% des Monomerengemisches liegen. Wasserunlösliche Monomere, wie niedere Acryl- oder Methacrylsäureester,
Acrylnitril, Vinylacetat oder Styrol, können gegebenenfalls in dem Maße mitverwendet werden, wie
das wasserlösliche Monomere bzw. Monomerengemisch als Lösungsvermittler wirkt. Sie können z. B. etwa
10% des Monomerengemisches ausmachen, insbesondere wenn zur weiteren Verbesserung der Löslichkeit
grenzflächenaktive Verbindungen zugesetzt werden.
Die Monomeren werden, da auf ein besonders hohes Molekulargewicht Wert gelegt wird, in konzentrierter
wäßriger Lösung von 40 bis 75 Gew.-% depolymerisation unterworfen. Die erforderliche Poiymerisationstemperatur
und -dauer stehen im engen Zusammenhang mit dem gewählten Initiatorsystem. Für
das Verfahren der Erfindung sind wasserlösliche, radikalbildende Initiatoren geeignet, deren Zerfallstemperatur
unter 100cC liegt. Höher zerfallende Initiatoren
(10 können angewendet werden, wenn die Polymerisation unter Druck durchgeführt wird. Als organische Initiatoren
kommen z. B. α,α'-Azodiisobutyramidin-dihydrochlorid
oder 4,4'-Azobis-4,4'-dicyanovaleriansäure in Frage. Der letztgenannte Initiator setzt die Polymerisats
tion bei 50 bis 6O0C in Gang. Je nach der Schichtdicke und den Möglichkeiten der Wärmeableitung steigt die
Temperatur im Innern des polymerisicrcnden Gemisches
auf 80 bis 1000C an. Redox-Initiatorsysteme lassen
niedrigere Temperaturen zu. Mit dem System Ammoniumperoxydisulfat/Natriumpyrosulfit
beginnt die Polymerisation bei Raumtemperatur, worauf Erwärmung auf 40 bis 50°C folgt. Andere Redoxsysteme, wie z. B.
Wasserstoffperoxyd/Eisensalze oder Persulfat/Natrium-hydroxy-methansulfinat,
verhalten sich ähnlich, jedoch werden mit dem erstgenannten System die höchsten Molekulargewichte erzielt. Die Initiatormenge
soll, wenn hohe Molekulargewichte angestrebt werden, nur so groß gewählt werden, daß eine vollständige
Polymerisation der Monomeren gewährleistet ist. Die dazu erforderliche Menge liegt für die Mehrzahl der
Initiatorsysteme zwischen 0,02 und 0,05 Gew.-%, bezogen auf die Monomeren. Jeder Initiatorüberschuß
erniedrigt das Molekulargewicht.
Um die Polymerisationsansätze gut reproduzierbar durchzuführen, hat sich üblicherweise ein Zusatz eines
Metallionenkomplexbildners, z. B. des Natriumsalzes der Äthylendiamintetraessigsäure oder eines Natriumphosphates,
bewährt. Der störende Einfluß von Schwermetallspuren wird dadurch ausgeschaltet.
Es empfiehlt sich, das Reaktionsgemisch unmittelbar nach der Polymerisation einzudampfen. Das Gemisch,
das in diesem Stadium äußerst zäh und klebrig ist, verbleibt dazu in dem zur Polymerisation benutzten
Behälter, vorteilhafterweise im gleichen Wärmeschrank. Bei Normaldruck, mittlerer Schichtdicke und
einer Temperatur von etwa 110°C ist nach 6 bis 8 Stunden ein Restfeuchtigkeitsgehalt von etwa 10
Gew.-% erreicht. Das Trocknen im Vakuum von z. B. 100 Torr, wobei bei sonst gleichen Bedingungen eine
Trocknungszeit von 4 bis 5 Stunden ausreicht, bietet den Vorteil, daß die Masse blasig wird und leichter
zerkleinert werden kann. Das auf 10% Wassergehalt getrocknete Gemisch ist hart, spröde und nicht mehr
klebrig. Die zur Auskleidung des Polymerisationsgefäßes benutzte Folie kann leicht und rückstandslos
abgezogen werden; ebenso kann ein selbsttragendes flexibles Gefäß, vom Rand beginnend, vom Polymerisat
leicht abgelöst werden. Das Polymerisat kann nun auf jede gewünschte Korngröße vermählen werden. Eine
weitere Trocknung ist schwer zu erreichen und bringt keine zusätzlichen Vorteile.
Das gemahlene Polymerisat ist in Wasser leicht löslich. Eine l%ige wäßrige Lösung hat, sofern die
Maßnahmen zur Erzielung besonders hochmolekularer Produkte wenigstens teilweise eingehalten wurden, eine
Viskosität von mindestens 150OcP. Höhere Werte, z. B. von 3000 bis zu 6000 cP, sind für gleich konzentrierte
Lösungen erreichbar.
Die erfindungsgemäß erhaltenen Polymerisate eignen sich für die schon eingangs genanuen Zwecke. Es hat
sich gezeigt, daß die extrem hochmolekularen Polymerisate bei der Anwendung als Flockungsmittel und als
Retentionsmittel bei der Papierherstellung gegenüber gleichartigen niedrigermolekul&ren Produkten unerwartet
große Vorteile bieten. Überraschenderweise erwiesen sich dabei die Polymerisate in Form ihrer
Chloride als noch erheblich wirksamer als die entsprechenden Sulfate oder Methosulfate.
Sie eignen sich weiterhin als Verdickungsmittel für
nichtwäßrige, wasserlösliche organische Lösungsmittel, insbesondere für niedere Alkohole. Die Viskosität eines
Lösungsmittelgemisches aus gleichen Teilen Isopropylalkohol und Dipropylenglykol konnte mit extrem
hochmolekularem Polymethacryloxyäthyl-trimethylammoniumchtorid wirksamer als mit jedem anderen
bekannten Verdickungsmittel erhöht werden. Wasserfreie Lösungen dieser Art sind für Anwendungen in
flüssigen Wasch- und Reinigungsmitteln und in Kosmetika sehr wertvoll.
Als antistatische Überzüge auf Fasern und Kunsistoffen
zeichnen sich die hochmolekularen Produkte durch verbesserte Waschfestigkeit aus.
In den nachfolgenden Beispielen ist die Herstellung einiger extrem hochmolekularer Polymerisate beschrieben,
die für die vorstehend genannten Anwendungsgeiο biete hervorragend geeignet sind.
100 g /}-Methacryloxyäthyl-benzyl-dimethylammoniumchlorid
werden in 43 g eines Lösungsmittelgemisches aus Wasser und Aceton (77 :23) gelöst. Die Lösung wird
mit 0,013 g des Natriumsalzes der Äthylendiamin-tetraessigsäure und mit 0,033 g 4,4'-Azobis-4,4'-dicyano-valeriansäure
versetzt. Als Polymerisationsgefäße dienen flache Aluminiumwannen, die mit einer Folie aus
Polyäthylenterephthalat ausgelegt sind. Die Monomerenlösung wird mit einer Schichtdicke von 3 cm
eingefüllt. Die Polymerisation wird in einem Wärmeschrank unter einer Kohlendioxydatmosphäre bei 55 bis
60°C eingeleitet. Nach 3 bis 4 Stunden steigt die Temperatur auf 90 bis 100° C an. Sobald die Temperatur
sinkt, wird auf 11O0C erhitzt und der Wärmeschrank
belüftet. Nach 7 Stunden ist das Reaktionsprodukt glasig und spröde. Es kann der Aluminiumwanne
zusammen mit der Folie entnommen werden. Diese wird vom Polymerisat abgezogen, und das Polymerisat
wird zu einem Pulver zermahlen. Das gemahlene Produkt ist leicht wasserlöslich und hat als l%ige
Lösung eine Viskosität von 2000 bis 4000 cP.
Wenn die Trocknung bei 1100C nicht unter Normaldruck, sondern bei einem Vakuum von 100 Torr
vorgenommen wird, ist das Produkt nach 4 bis 5 Stunden hinreichend getrocknet.
Beispiele 2 und 3
Die Arbeitsweise gemäß Beispiel 1 wird wiederholt, wobei jedoch anstelle des dort eingesetzten Monomeren
die gleiche Menge der nachfolgend genannten Verbindungen verwendet wird:
Beispiel 2: /3-Acryloxyäthyl-trimethylarnmoniumchlorid,
Beispiel 3: ß-Methacryloxyäthyl-diäthylmethylammoniumchlorid.
Die erhaltenen Produkte haben in l%iger wäßriger Lösung eine Viskosität von 2000 bis 4000 cP.
100 g ß-Methacryloxyäthyl-trimethylammoniumchlorid
werden in einer Mischung von 33 g Wasser und 10 g Aceton gelöst, und die Lösung wird mit einem
Redoxbeschleunigersystem aus 0,027 g Ammoniumperoxydisulfat und 0,017 g Natriumpyrosulfit sowie mit
0,013 g des Natriumsalzes der Äthylendiaminotetraessigsäure versetzt. Die Polymerisation wird, ebenso wie
(,0 in Beispiel 1, in mit Polyäthylenterephthalat-Folien
ausgelegten flachen Aluminiumwannen durchgeführt, wobei jedoch die Polymerisation schon bei 20 bis 250C
beginnt. Nach einer Induktionsperiode von 1 bis 5 Stunden steigt die Temperatur bis auf 35 bis 45°C an.
Danach wird in 4 bis 5 Stunden bei HO0C und 100 Torr
getrocknet. Das getrocknete Produkt wird von der Folie abgetrennt und gemahlen und ergibt in l%iger
wäßriger Lösung eine Viskosität von 3000 bis 6000 cP.
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen kationischen Polymerisationsprodukten in fester Form, die in l°/oiger wäßriger Lösung eine Viskosität von mindestens 150OcP haben, durch Polymerisation von Verbindungen der allgemeinen FormelR RIN. IXiI /CH2 = C-CO-X-A-N-R2, Y
Priority Applications (6)
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---|---|---|---|
DE19681770588 DE1770588C3 (de) | 1968-06-07 | Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen kationischen Polymerisationsprodukten in fester Form | |
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NL696908561A NL154524B (nl) | 1968-06-07 | 1969-06-05 | Werkwijze voor het bereiden van in water oplosbare kationogene polymerisatieprodukten in vaste vorm. |
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