DE1915237C2 - New polymers containing sulfonated aromatic rings and processes for their preparation - Google Patents
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Description
R3 R3 R 3 R 3
verwendet werden, worin A, B und C unabhängig voneinander für Sauerstoff oder -CH2- und Ri, R2 und R3 unabhängig voneinander für Ci-Cio-Alkyl, -Aryl, -Alkaryl oder -Aralkyl stehen.are used, in which A, B and C independently represent oxygen or -CH2- and Ri, R2 and R3 independently represent Ci-Cio-alkyl, -aryl, -alkaryl or -aralkyl.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lewis-Basen organische Pyrophosphate der allgemeinen Formel8. The method according to claim 2, characterized in that the Lewis bases are organic pyrophosphates the general formula
R1R2R3R4P2O7 R 1 R 2 R 3 R 4 P 2 O 7
-verwendet werden, worin R1, R2, R3 und R4 unabhängig voneinander für Wasserstoff, C1-C12-Alkyl, -Aryl, -Aralkyl, -Alkaryl oder ihre substituierten Derivate stehen, wobei jedoch wenigstens zwei Reste R kein Wasserstoff sind.- are used, in which R 1 , R2, R3 and R 4 are independently hydrogen, C1-C12-alkyl, -aryl, -aralkyl, -alkaryl or their substituted derivatives, but at least two radicals R are not hydrogen.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis des SO;rDonators zur Lewis-Base 1 : 1 bis 15 : 1 beträgt.9. The method according to claims 2 to 8, characterized in that the molar ratio of the SO; rDonators to the Lewis base is 1: 1 to 15: 1.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die molare Konzentration des SOi-Komplexes im Reaktionsmedium 3 : 1 beträgt.10. The method according to claims 2 to 9, characterized in that the molar concentration of the SOi complex in the reaction medium is 3: 1.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis des Schwefeltrioxiddonators zum Komplexbildner etwa 1 : 1 bis 9 : 1 beträgt.11. The method according to claims 2 to 10, characterized in that the molar ratio of the Sulfur trioxide donor to complexing agent is about 1: 1 to 9: 1.
Die Erfindung betrifft sulfonierte, aromatische Ringe enthaltende Polymere auf Basis von Styrol-Butylkautschuk-Pfropf-Copolymeren, homogenen Styrol-Isobutylen-Copolymeren, Styrol-Butadien-Copolymeren oder Styrol-Acrylnitril-Copolymeren, in denen die Sulfonsäuregruppen neutralisiert ist, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.The invention relates to sulfonated, aromatic ring-containing polymers based on styrene-butyl rubber graft copolymers, homogeneous styrene-isobutylene copolymers, styrene-butadiene copolymers or styrene-acrylonitrile copolymers in which the sulfonic acid group is neutralized, and a process for their manufacture.
Ionische Polymere sind zwar vernetzt, jedoch haben sie einen Schmelzpunkt oder Erweichungspunkt oder Erweichungsbereich und können sogar in verschiedenen Lösungsmittel gelöst werden. Bei normalen Gebrauchstemperaturen verhalten sich diese ionischen Polymeren ähnlich wie vernetzte Polymere. Bei erhöhten Temperaturen lassen sie sich jedoch leicht deformieren und in der gleichen Weise wie thermoplastische Harze bearbeiten und verarbeiten. Diese ionischen Polymeren (Ionomere) verdanken ihre einzigartigen Eigenschäften der Tatsache, daß die Vernetzung durch ionische und nicht durch kovalente Bindung zwischen Molekülen des Polymeren bewirkt worden ist. Typisch für diese ionischen Polymeren sind Copolymere von Äthylen und äthylenisch ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäuren, die durch Metallsalze neutralisiert worden sind (s. beispielsweise britische Patentschrift 1011981 und USA-Patentschrift 3264272).Ionic polymers are crosslinked, but they have a melting point or softening point or Softening range and can even be dissolved in various solvents. With normal At service temperatures, these ionic polymers behave in a similar way to crosslinked polymers. At increased However, they are easily deformed at temperatures and in the same way as thermoplastic ones Processing and processing resins. These ionic polymers (ionomers) owe their unique properties the fact that the crosslinking occurs through ionic and not through covalent bonds between molecules of the polymer has been effected. Copolymers of ethylene are typical of these ionic polymers and ethylenically unsaturated mono- or dicarboxylic acids which have been neutralized by metal salts (See e.g. British Patent 1011981 and USA Patent 3264272).
Durch Copolymerisation eines Styrol-Sulfonsäuresalzes und anderer Monomerer sind Sulfonsäureionomere hergestellt worden, wobei plastische Polymere gebildet werden, die ionische Vernetzungsbrücken enthalten. Bei diesem in der USA-Patentschrift 3322734 beschriebenen Verfahren wird von säuremodifizierten Monomeren ausgegangen, die ausschließlich polymerisiert werden. Bei dieser Polymerisation findet bereits eine erhebliche Vernetzung statt.By copolymerizing a styrene sulfonic acid salt and other monomers, sulfonic acid ionomers are made has been produced, forming plastic polymers which contain ionic crosslinking bridges. In this process, described in US Pat. No. 3,322,734, acid-modified monomers are used assumed that are exclusively polymerized. This polymerization already takes place considerable networking takes place.
Sulfonierte, aromatische Ringe enthaltende Polymere auf Basis von Styrol-Butylkautschuk-Pfropf-Copolymeren, homogenen Styrol-Isobutylen-Copolymeren, Styrol-Butadien-Copolymeren oder Styrol-Acrylnitril-Copolymeren, in denen die Sulfonsäuregruppe neutralisiert ist, sowie Verfahren zur Herstellung solcher Polymere, sind aus der US-PS 3072618 bekannt. Dabei wird ein Komplex eines niederen Alkylphosphats mit SOi als Sulfonierungsrnittel verwendet. Dadurch wird ein Sulfonierungsverfahren geschaffen, das sich bezüglich der Nebenreaktionen leicht steuern läßt und die Herstellung von im wesentlichen unvernetzten Produkten erlaubt. Bei den sulfonierten Produkten handelt es sich um Verdickungsmittel für wäßrige Systeme, Imprägniermittel, Bindemittel, Bodenverbesserungsmittel und Textilschichten. Nach der Lehre dieser Druckschrift können Olefine, Aromaten und Polymere mit alkylenaromatischen Gruppen sulfoniert werden, wobei wegen des - trotz der milden Bedingungen - hohen Sulfonierungsgrades wasserlösliche Produkte erhalten werden.Sulfonated polymers containing aromatic rings based on styrene-butyl rubber graft copolymers, homogeneous styrene-isobutylene copolymers, styrene-butadiene copolymers or styrene-acrylonitrile copolymers, in which the sulfonic acid group is neutralized, as well as processes for the preparation thereof Polymers are known from US Pat. No. 3,072,618. This is a complex of a lower alkyl phosphate with SOi used as a sulfonating agent. This creates a sulfonation process that is related to the side reactions can be easily controlled and the production of essentially uncrosslinked products permitted. The sulfonated products are thickeners for aqueous systems, impregnating agents, Binders, soil improvers and textile layers. According to the teaching of this publication Olefins, aromatics and polymers with alkylene aromatic groups can be sulfonated, whereby because of which - despite the mild conditions - high degree of sulfonation water-soluble products are obtained.
Auch gemäß der US-PS 3072619 werden in ähnlicher Weise wasserlösliche Produkte erhalten.According to US Pat. No. 3,072,619, water-soluble products are obtained in a similar manner.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Polymere mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, wobei die erhaltenen Copolymerisate nach der Neutralisation ionogen vernetzt sind und elastomere Eigenschaften aufweisen.The object of the present invention is to provide polymers with improved mechanical properties and a To create a process for their preparation, the copolymers obtained after neutralization are ionically crosslinked and have elastomeric properties.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 2.
Die Zugfestigkeit, der Young-Modul und die Schmelzfestigkeit bei hoher Temperatur können erfindungsgemäß
weiter verbessert werden.This object is achieved by the features in the characterizing part of claims 1 and 2.
The tensile strength, Young's modulus, and high temperature melt strength can be further improved in the present invention.
Insbesondere können elastomere Polymere, die aromatische Ringe enthalten, durch Umsetzung des Polymeren mit einem Sulfonieru ngsmittel, das etwa 1 bis 4 Mol Schwefeltrioxid und etwa 1 Mol eines Komplexbildners enthält, sulfoniert werden. Als Komplexbildner eignen sich Lewis-Basen, die Sauerstoff, Phosphor oder Stickstoff enthalten. Das so gebildete Polymere kann durch Neutralisation mit Metallsalzen, Aminen oder Aminderivaten ionisch vernetzt werden.In particular, elastomeric polymers containing aromatic rings can be converted by the Polymers with a sulfonation agent containing about 1 to 4 moles of sulfur trioxide and about 1 mole of a complexing agent contains, are sulfonated. Suitable complexing agents are Lewis bases, oxygen, phosphorus or Contain nitrogen. The polymer thus formed can be neutralized with metal salts, amines or Amine derivatives are ionically crosslinked.
Zur»'; besseren Verständnis der Beschreibung wird auf die beigefügten Abbildungen verwiesen. Hierbei stellt Fig.I eine Wechselbeziehung zwischen dem Young-Modul in Dyn/cm2 und dem Gehalt an SO3H oder ionischen Bestandteilen in einem homogenen Styrol-Isobutylen-Copolymeren dar, während in Fig.II die Zugfestigkeit eines Styrol-Isobutylen-Copolymeren, von sulfonierten Polymeren und ihren entsprechenden ionischen Polymeren in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt ist.To the"'; For a better understanding of the description, reference is made to the accompanying figures. Here Fig.I shows a correlation between the Young's modulus in dynes / cm 2 and the content of SO3H or ionic constituents in a homogeneous styrene-isobutylene copolymer, while in Fig.II the tensile strength of a styrene-isobutylene copolymer of sulfonated polymers and their corresponding ionic polymers as a function of temperature.
Der hier gebrauchte Ausdruck »Butylkautschuk« umfaßt Copolymere, die aus einem Polymerisationsreaktionsgemisch hergestellt werden, das 70 bis 99,8 Gew.-% eines Isoolefins mit etwa 4 bis 7 Kohlenstoffatomen,The term "butyl rubber" as used herein includes copolymers obtained from a polymerization reaction mixture be prepared, the 70 to 99.8 wt .-% of an isoolefin having about 4 to 7 carbon atoms,
z. B. Isobutylen, und etwa 30 bis 0,2 Gew.-% eines konjugierten, mehrfach ungesättigten Olefins mit etwa 4 bis 14 C-Atomen, z. B. Isopren, enthält. Das erhaltene Copolymere enthält 85 bis 99,8 Gew.-% gebundenes Isoolefin und 0,2 bis 15% gebundenes mehrfach ungesättigtes Olefin.z. B. isobutylene, and about 30 to 0.2 wt .-% of a conjugated, polyunsaturated olefin with about 4 to 14 carbon atoms, e.g. B. isoprene contains. The copolymer obtained contains 85 to 99.8% by weight of bound isoolefin and 0.2 to 15% bound polyunsaturated olefin.
Butylkautschuk hat im allgemeinen ein Staudinger-Molekulargewicht von etwa 20000 bis 500000, vorzugsweise etwa 25 000 bis 400 000, insbesondere etwa 100 000 bis 400 000, und eine Wijs-Jodzahl von etwa 0,5 bis 50, vorzugsweise 1 bis 15. Die Herstellung von Butylkautschuk wird in der USA-Patentschrift 23 56128 beschrieben. Butyl rubber generally has a Staudinger molecular weight of about 20,000 to 500,000, preferably about 25,000 to 400,000, in particular about 100,000 to 400,000, and a Wijs iodine number of about 0.5 to 50, preferably 1 to 15. Production of butyl rubber is described in US Pat. No. 2,356,128.
Für die Zwecke der Erfindung wird ein Butylkautschuk bevorzugt, der etwa 0,5 bis 6%, vorzugsweise 0,5 bis 3%, z. B. 2%, gebundenes mehrfach ungesättigtes Olefin enthält.For the purposes of the invention, a butyl rubber is preferred which is about 0.5 to 6%, preferably 0.5 to 3% e.g. B. 2%, bound polyunsaturated olefin contains.
Die erste Stufe der Herstellung von Butylkautschuk-Ionomeren ist die Aufpfropfung von Styrol auf die Butylkautschukhauptkette. Die Aufpfropfung erfolgt durch Halogenierung des Butylkautschuks und anschließende Umsetzung mit kationisch polymerisierbaren Monomeren (z.B. Styrol) in Gegenwart eines Aluminiumalkyls oder Halogenaluminiumalkyls als Katalysator. Das Pfropfpolymere wird dann mit einem Komplex von Schwefeltrioxid mit einer Lewis-Base umgesetzt, um den aromatischen Ring zu sulfonieren. Das Polymere wird dann durch Neutralisation der Schwefelsäurekomponente in ein Ionomeres umgewandelt.The first stage in the production of butyl rubber ionomers is the grafting of styrene onto the butyl rubber main chain. The grafting takes place by halogenation of the butyl rubber and then Reaction with cationically polymerizable monomers (e.g. styrene) in the presence of an aluminum alkyl or haloaluminum alkyls as a catalyst. The graft polymer is then complexed with sulfur trioxide reacted with a Lewis base to sulfonate the aromatic ring. The polymer then becomes converted into an ionomer by neutralization of the sulfuric acid component.
Halogenierter Butylkautschuk ist im Handel erhältlich und kann wie folgt hergestellt werden: Butylkautschuk wird in einer Lösung, die 1 bis 60 Gew.-% Butylkautschuk in einem im wesentlichen inerten Cs-Cs-Kohlenwasserstoff als Lösungsmittel wie Pentan, Hexan, Heptan usw. enthält, halogeniert. Dieser Butylkautschukzement wird mit einem Halogengas etwa 25 Minuten behandelt, wobei halogenierter Butylkautschuk und ein Halogenwasserstoff gebildet werden. Das Copolymere enthält bis zu 1 Halogenatom pro Doppelbindung im Copolymeren. Die Herstellung von halogenierten Butylkautschuken ist seit langem bekannt (s. beispielsweise USA-Patentschrift 3099644). Die Erfindung ist in keiner Weise durch die Art und Weise beschränkt, in der Butylkautschuk halogeniert wird. Sowohl chlorierter als auch bromierter Butylkautschuk sind für die Zwecke der Erfindung geeignet.Halogenated butyl rubber is commercially available and can be made as follows: butyl rubber is in a solution containing 1 to 60 wt .-% butyl rubber in an essentially inert Cs-Cs hydrocarbon contains as a solvent such as pentane, hexane, heptane, etc., halogenated. This butyl rubber cement is treated with a halogen gas for about 25 minutes, with halogenated butyl rubber and a Hydrogen halides are formed. The copolymer contains up to 1 halogen atom per double bond in Copolymers. The production of halogenated butyl rubbers has long been known (see for example U.S. Patent 3099644). The invention is in no way limited by the manner in which Butyl rubber is halogenated. Both chlorinated and brominated butyl rubber are for the purpose suitable for the invention.
Repräsentativ für handelsübliche halogeniert^ Butylkautschuke ist ein chlorierter Butylkautschuk, der etwa 1,25 Gew.-% Chlor und 2 Mol-% ungesättigte Einheiten enthält und ein mittleres, aus der Viskosität ermitteltes Molekulargewicht von etwa 357000 hat.A chlorinated butyl rubber is representative of commercially available halogenated butyl rubbers Contains 1.25% by weight of chlorine and 2 mol% of unsaturated units and an average value determined from the viscosity Has a molecular weight of about 357,000.
Die Herstellung von Butylkautschuk-Styrol-Pfropfpolymeren aus halogeniertem Butylkautschuk ist in der
belgischen Patentschrift 701850 beschrieben.
Es wird angenommen, daß das aus dem Pfropfpolymeren gebildete Ionomere die folgende Struktur hat:The production of butyl rubber-styrene graft polymers from halogenated butyl rubber is described in Belgian patent 701850.
The ionomer formed from the graft polymer is believed to have the following structure:
CH3 CH3 HCH 3 CH 3 H
ι(CH 2 -Ο
ι
ι~ (CH 2 -C) = CH-O- · butyl main chain
ι
CH3 I.
CH 3
CH2
I I.
CH 2
I.
I CH 2
I.
Hierin ist M* vorzugsweise ein Metallion der Gruppe I. Elemente der Gruppe II, III, IV, V, VIb, VIIb und VIII des Periodischen Systems können ebenfalls verwendet werden.Herein M * is preferably a group I metal ion. Group II, III, IV, V, VIb, VIIb and elements VIII of the Periodic Table can also be used.
Das beschriebene Verfahren ist auf die Bildung von Sulfonationomeren aus beliebigen Polymeren, die einen aromatischen Ring in ihrer Struktur enthalten, anwendbar. Ein besonders gut geeignetes Polymeres ist das homogene Styrol-Isobutylen-Copolymere der allgemeinen Struktur:The process described is based on the formation of sulfonationomers from any polymer that has a aromatic ring contained in their structure, applicable. This is a particularly suitable polymer homogeneous styrene-isobutylene copolymers of the general structure:
CH3 CH 3
CH3 HCH 3 H
-CH2-C-CH2-C-CH2-C-CH 2 -C-CH 2 -C-CH 2 -C
CH3 /\ CH3 CH 3 / \ CH 3
Der Ausdruck »homogen« dient zur Unterscheidung dieses Polymeren von üblicheren Styrol-Isobutylen-Copolymeren, die überwiegend Polymergemische von Polystyrol und Polyisobutylen sind.The term "homogeneous" is used to distinguish this polymer from more common styrene-isobutylene copolymers, which are predominantly polymer blends of polystyrene and polyisobutylene.
Diese homogenen Polymeren können durch kontinuierliche Lösungspolymerisation unter Aufrechterhaltung des stationären Zustandes in einem Reaktionsbehälter unter guter Vermischung hergestellt werden. Als Lösungsmittel für die Polymerisation wird entweder Hexan oder ein hexanreiches Gemisch von Hexan mit Methylchlorid verwendet. Das Polymere kann 0,5 bis 90 Mol-% Styrol enthalten. Für die Zwecke der Bildung von ionischem Polymerisat enthält das Polymere etwa 2 bis 80 Mol-% Styrol. Der niedrigste Sulfonierungsgrad für minimale Löslichkeit in polaren Lösungsmitteln entspricht etwa 7 Mol Styrolsulfonsäuregruppen pro 100 Monomereinheiten im Copolymeren. Der höchste Sulfonierungsgrad für die Erzielung guter thermischer und mechanischer Stabilität beträgt etwa 60 Mol sulfonierte Styrolgruppen pro 100 Mol Monomereinheiten im Copolymeren.These homogeneous polymers can be maintained by continuous solution polymerization of the steady state in a reaction vessel with good mixing. as Solvent for the polymerization is either hexane or a hexane-rich mixture of hexane using Methyl chloride used. The polymer can contain 0.5 to 90 mole percent styrene. For the purpose of education of ionic polymer, the polymer contains about 2 to 80 mol% styrene. The lowest degree of sulfonation for minimal solubility in polar solvents corresponds to about 7 moles of styrenesulfonic acid groups per 100 monomer units in the copolymer. The highest degree of sulfonation for achieving good thermal and mechanical stability is about 60 moles of sulfonated styrene groups per 100 moles of monomer units Copolymers.
Weitere Polymere, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung sulfoniert werden können, sind Copolymere von Styrol und Butadien, Styrol und Isopren, Chloropren und Styrol, Acrylnitril und Styrol (SAN), Styrol und Acrylsäure, Pfropfpolymere von Styrol auf Polybutadien, Pfropfpolymere von Styrol-Acrylnitril-Copolymeren (SAN) auf Polybutadien (ABS), Styrol-Isobutylen-Isopren-Terpolymere usw.Further polymers which can be sulfonated by the process according to the invention are copolymers of styrene and butadiene, styrene and isoprene, chloroprene and styrene, acrylonitrile and styrene (SAN), and styrene Acrylic acid, graft polymers of styrene on polybutadiene, graft polymers of styrene-acrylonitrile copolymers (SAN) on polybutadiene (ABS), styrene-isobutylene-isoprene terpolymers, etc.
Ein typisches Sulfonierungsverfahren besteht darin, daß man das Polymere bei etwa 0 bis 1000C für eine Dauer von einigen Sekunden bis zu mehreren Stunden mit einem Sulfonierungskomplex in Berührung bringt, der vorzugsweise durch Umsetzung von etwa 2 bis 4 Mol Schwefeltrioxid mit 1 Mol einer Phosphorverbindung hergestellt wird, und das sulfonierte Polymere isoliert.A typical sulfonation process consists in bringing the polymer into contact with a sulfonation complex at about 0 to 100 ° C. for a period of a few seconds to several hours, which is preferably made by reacting about 2 to 4 mol of sulfur trioxide with 1 mol of a phosphorus compound and the sulfonated polymer is isolated.
Beim Verfahren gemäß der Erfindung wird ein Polymeres, das Alkenylaromaten enthält, mit einem Sulfonierungsmittel sulfoniert, das einen Schwefeltrioxiddonator in Kombination mit einer Lewis-Base als Komplexbildner enthält. In der bevorzugten Ausführungsform wird als Lewis-Base ein niederes Trialkylphosphat verwendet.In the method according to the invention, a polymer containing alkenyl aromatics is treated with a sulfonating agent sulfonated, which uses a sulfur trioxide donor in combination with a Lewis base as a complexing agent contains. In the preferred embodiment, the Lewis base is a trialkyl lower phosphate used.
Der hier gebrauchte Ausdruck »Schwefeltrioxiddonator« bezeichnet Substanzen einschließlich SO3, die Schwefeltrioxid in einer lose gebundenen Form enthalten, aus der es leicht freigesetzt werden kann.The term "sulfur trioxide donor" used here refers to substances including SO3 that Contain sulfur trioxide in a loosely bound form from which it can be easily released.
Eeispiele von Schwefeltrioxiddonatoren, die für die Zwecke der Erfindung geeignet sind, sind Schwefeltrioxid, rauchende Schwefelsäure (Oleum, 20 bis 80%ige), Chlorsulfonsäure und Fluorsulfonsäure. Der hier gebrauchte Ausdruck »Komplexbildner« bezeichnet die Lewis-Base, die für die Zwecke der Erfindung geeignet sind.Examples of sulfur trioxide donors which are suitable for the purposes of the invention are sulfur trioxide, fuming sulfuric acid (oleum, 20 to 80%), chlorosulfonic acid and fluorosulfonic acid. This here The term used "complexing agent" denotes the Lewis base which is suitable for the purposes of the invention are.
Der Ausdruck »Lewis-Base« im hier gebrauchten Sinne bezeichnet Materialien, die Elektronenpaare unter Bildung von kovalenten Bindungen abgeben. Der Ausdruck umfaßt die bekannten Lewis-Basen sowie andere Komplexbildner, die als Lewis-Basen bei der Sulfonierungsreaktion wirksam sind.The term "Lewis base" as used here refers to materials that have electron pairs below Release formation of covalent bonds. The term includes the known Lewis bases as well as others Complexing agents that act as Lewis bases in the sulfonation reaction.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Base und verfügbares Schwefeltrioxid vor der Vermischung mit dem Polymeren zusammengegeben (zur Bildung eines Komplexes). Es ist jedoch nicht wesentlich, daß das verfügbare Schwefeltrioxid mit dem Komplexbildner vorgemischt wird, vielmehr ist es lediglich notwendig, daß der Komplexbildner während der Sulfonierungsreaktion anwesend ist. Beispielsweise können das verfügbare Schwefeltrioxid und der Komplexbildner gleichzeitig mit der organischen Substanz gemischt werden, und der Komplex kann in der Sulfonierungszone in situ gebildet werden.In a preferred embodiment, the base and available sulfur trioxide are prior to Mixing together with the polymer (to form a complex). However, it is not It is essential that the available sulfur trioxide is premixed with the complexing agent, rather it is only necessary that the complexing agent is present during the sulfonation reaction. For example the available sulfur trioxide and the complexing agent can be used simultaneously with the organic substance and the complex can be formed in situ in the sulfonation zone.
Da der Komplexbildner die Reaktionsfähigkeit des verfügbaren Schwefeltrioxids beeinflußt, braucht die Sulfonierungstemperatur nicht unter 0°C gehalten zu werden, vielmehr kann sie von -1000C bis 1000C variieren. Ferner ist der Druck kein entscheidend wichtiger Faktor, vielmehr kann der Druck auf jeden geeigneten Wert eingestellt werden. Beispielsweise kann die Sulfonierung in einem Bereich von vermindertem Druck von beispielsweise etwa 0,5 Atm. bis zu einem Überdruck bis etwa 10 Atm. durchgeführt werden. Vom wirtschaftlichen Standpunkt ist es am zweckmäßigsten, die Reaktion bei Temperaturen von 15 bis 400C und ungefähr bei Normaldruck durchzuführen. Die Sulfonierungszeit ist natürlich in Abhängigkeit von den jeweiligen gewählten Bedingungen, der zu sulfonierenden Verbindungen und dem verwendeten Komplex verschieden. Im allgemeinen sind die Reaktionen in einer Zeit von einigen Sekunden bis zu mehreren Stunden nach der Zusammenführung der Reaktionsteilnehmer vollendet Wenn bei Raumtemperatur und Normaldruck sulfoniert wird, sollte die Kontaktzeit etwa 5 Sekunden bis 25 oder 30 Minuten betragen. Da der Komplexbildner die Aktivität des Schwefeltrioxids vermindert, ist es nicht notwendig, die Sulfonierungszeit zu begrenzen, wie dies bei üblichen Verfahren notwendig ist. Dies gilt auch für die Reinigungsstufe, wo es erwünscht ist, die organische Substanz einige Stunden mit dem Sulfonierungsmittel in Berührung zu halten.Since the complexing agent affects the reactivity of the available sulfur trioxide, which does not need sulphonation temperature below 0 ° C to be held, but they can range from -100 0 C to 100 0 C vary. Furthermore, the pressure is not a critically important factor, rather the pressure can be adjusted to any suitable value. For example, the sulfonation can be carried out in a reduced pressure range of, for example, about 0.5 atm. up to an overpressure of about 10 atm. be performed. From an economic point of view, it is most expedient to carry out the reaction at temperatures from 15 to 40 ° C. and approximately at normal pressure. The sulfonation time is of course different depending on the particular conditions chosen, the compounds to be sulfonated and the complex used. In general, the reactions are completed in a time from a few seconds to several hours after the reactants are brought together. If sulfonation is carried out at room temperature and normal pressure, the contact time should be about 5 seconds to 25 or 30 minutes. Since the complexing agent reduces the activity of the sulfur trioxide, it is not necessary to limit the sulfonation time, as is necessary in conventional processes. This also applies to the cleaning stage, where it is desirable to keep the organic substance in contact with the sulfonating agent for a few hours.
1010
2020th
2525th
3030th
3535
4040
4545 5050 5555 6060 6565
Repräsentativ für Lewis-Basen, die sich als Komplexbildner eignen, sind gewisse Phosphorverbindungen. Die }·.;Certain phosphorus compounds are representative of Lewis bases that are suitable as complexing agents. The }·.;
Phosphorverbindungen können anorganisch oder organisch sein, jedoch werden organische Phosphorver- ;.;Phosphorus compounds can be inorganic or organic, but organic phosphorus compounds;.;
bindungen der allgemeinen Formel jfibonds of the general formula jfi
R3 R3 R 3 R 3
bevorzugt, worin A, B und C unabhängig für Sauerstoff oder -CH2- stehen und Ri, R2 und Rj unabhängig aus der Gruppe C1-C20-Alkyl, -Aryl, -Alkaryl oder -Aralkyl gewählt sind. Als Komplexbildner können die verschiedensten organischen Phosphite, Phosphinite, Phosphinate, Phosphate, Phosphonate, Phosphonite und Phosphine verwendet werden.preferred, in which A, B and C independently represent oxygen or -CH 2 - and Ri, R 2 and Rj are independently selected from the group C1-C20-alkyl, -aryl, -alkaryl or -aralkyl. A wide variety of organic phosphites, phosphinites, phosphinates, phosphates, phosphonates, phosphonites and phosphines can be used as complexing agents.
Repräsentativ für phosphorhaltige anorganische Komplexbildner sind Phosphorsäure, phosphorige Säure, Pyrophosphorsäure, Metaphosphorsäure, Phosphonsäure und Phosphinsäure. Außer den Säuren können auch ihre mono-, di- und trisubstituierten Derivate verwendet werden. Bevorzugt als Phosphorverbindungen werden jedoch die Trialkylphosphate und -phosphite.Phosphoric acid, phosphorous acid, Pyrophosphoric acid, metaphosphoric acid, phosphonic acid and phosphinic acid. Besides the acids can also their mono-, di- and trisubstituted derivatives can be used. Preferred as phosphorus compounds are however the trialkyl phosphates and phosphites.
Weitere organische Phosphorverbindungen, die sich als Komplexbildner eignen, sind beispielsweise Triäthylphosphat, Trimethylphosphat, Tripropylphosphat, Tributylphosphat und Triäthylphosphit.Other organic phosphorus compounds that are suitable as complexing agents are, for example, triethyl phosphate, Trimethyl phosphate, tripropyl phosphate, tributyl phosphate and triethyl phosphite.
Zu den organischen Verbindungen, die sich als Komplexbildner eignen, gehören ferner die organischen Pyrophosphate. Diese Verbindungen haben die allgemeine FormelThe organic compounds which are suitable as complexing agents also include the organic ones Pyrophosphates. These compounds have the general formula
RiR2R3R4P2O7 RiR 2 R 3 R 4 P 2 O 7
Hierin werden Ri, R2, R3 und R4 unabhängig aus der Gruppe Wasserstoff, Ci-Ci2-AlKyI, -Aryl, -Aralkyl,Here, Ri, R 2 , R3 and R 4 are independently selected from the group consisting of hydrogen, Ci-Ci 2 -AlKyI, -aryl, -aralkyl,
-Alkaryl und deren Gemischen gewählt, wobei jedoch wenigstens zwei Reste R nicht für Wasserstoff stehen. Die Reste R können halogensubstituiert sein. Im Falle von Phenylresten kann der Rest R halogen- oder nitrosubstituiert sein. Wenn der Ausdruck »substituierte Derivate« unter Bezugnahme auf diese Reste Rgebraucht wird, so sind hierunter nitro- oder halogensubstituierte Reste R zu verstehen.-Alkaryl and mixtures thereof are selected, but at least two radicals R not being hydrogen. the R radicals can be halogen-substituted. In the case of phenyl radicals, the radical R can be halogen or nitro substituted be. When the term "substituted derivatives" is used with reference to these radicals R, then These are to be understood as meaning nitro- or halogen-substituted radicals R.
Beispiele dieser organischen Pyrophosphate sind Tetraäthylpyrophosphat, Tetramethylpyrophosphat, Dimethyldiäthylpyrophosphat und Bis(2,4-dichlorphenyl)diäthylpyrophosphat. Bei Verwendung von Pyrophosphaten können bis zu 15, jedoch vorzugsweise 12 Mol verfügbares Schwefeltrioxid mitjedem Mol der Phosphorverbindung komplex gebunden sein.Examples of these organic pyrophosphates are tetraethyl pyrophosphate, tetramethyl pyrophosphate, Dimethyl diethyl pyrophosphate and bis (2,4-dichlorophenyl) diethyl pyrophosphate. When using pyrophosphates may have up to 15, but preferably 12, moles of available sulfur trioxide with each mole of the phosphorus compound be complex bound.
Als Komplexbildner eignen sich ferner Lewis-Basen, die Sauerstoff oder Stickstoff enthalten.
Die stickstoffhaltigen Lewi'-Basen, die aktive Komplexe mit Schwefeltrioxiddonatoren bilden und für die
Sulfonierung der ungesättigten Polymeren gemäß der Erfindung geeignet sind, haben die allgemeine FormelLewis bases which contain oxygen or nitrogen are also suitable as complexing agents.
The nitrogen-containing Lewi 'bases which form active complexes with sulfur trioxide donors and are suitable for the sulfonation of the unsaturated polymers according to the invention have the general formula
Hierin sind Ri, R2 und R3 unabhängig voneinander Wasserstoff oder Ci-C36-Alkyl, -Aryl, -Alkaryl, -Aralkyl oder deren Gemische mit dem Vorbehalt, daß in Fällen, in denen Ri und R2 Wasserstoff sind, R3 kein Wasserstoff sein darf, und R4 ein C3-C36-Alkylenrest ist. Als stickstoffhaltige Lewis-Basen können beliebig primäre, sekundäre oder tertiäre organische Amine oder cyclische organische Amine verwendet werden. Wenn die Reste Ri, R2, R3, R4 oder R5 mehr als zwei Kohlenstoffatome enthalten, können sie heterogene organische Reste sein, die Sauerstoff, Chlor, Nitrogruppen oder deren Gemische enthalten. Mit anderen Worten, Ri, R2, Rj, Ri und R5 können Äthergruppen sein, substituierte Halogenatome und Nitrogruppen enthalten oder sowohl Äthergruppen als auch substituierte Gruppen umfassen. In Bezug auf Ri, Rj, R3, Ri und R5 in diesen Formeln bedeutet der hier gebrauchte Ausdruck »substituierte Analoge« die beschriebenen und mit den oben genannten Substituenten substituierten Reste R. Für die Zwecke der Erfindung fallen die Reste Ri, R2, R3, R4 und R5 in Fällen, in denen sie Äthergruppen sind, in die Klasse der »substituierten Analogen«. In Fällen, in denen Ri, R2 und Ri Aryl-, Alkaryl- oder Aralkylreste enthalten, ist die Verwendung des Schwefeltrioxiddonators im Überschuß erforderlich, um eine etwaige Sulfonierung der aromatischen Einheiten auszugleichen.Here, Ri, R 2 and R3 are independently hydrogen or Ci-C36-alkyl, -aryl, -alkaryl, -aralkyl or mixtures thereof, with the proviso that in cases in which Ri and R 2 are hydrogen, R3 is not hydrogen may, and R 4 is a C3-C36 alkylene radical. Any primary, secondary or tertiary organic amines or cyclic organic amines can be used as nitrogen-containing Lewis bases. If the radicals Ri, R 2 , R3, R 4 or R5 contain more than two carbon atoms, they can be heterogeneous organic radicals which contain oxygen, chlorine, nitro groups or mixtures thereof. In other words, Ri, R 2 , Rj, Ri and R 5 can be ether groups, contain substituted halogen atoms and nitro groups, or comprise both ether groups and substituted groups. With regard to Ri, Rj, R3, Ri and R5 in these formulas, the term "substituted analogs" used here means the radicals R described and substituted with the abovementioned substituents. For the purposes of the invention, the radicals Ri, R 2 , R3 fall , R 4 and R5 in cases in which they are ether groups, in the class of "substituted analogs". In cases in which Ri, R 2 and Ri contain aryl, alkaryl or aralkyl radicals, the use of the sulfur trioxide donor in excess is necessary in order to compensate for any sulfonation of the aromatic units.
Beispiele dieser stickstoffhaltigen Lewis-Basen sind Trimethylamin, Triäthylamin, Dimethylanilin, Diäthylaniün, Piperidin, Morpholin, N-Äthylmorpholin, Diäthylaminoacetat und 2-Chlortriäthylamin.Examples of these nitrogen-containing Lewis bases are trimethylamine, triethylamine, dimethylaniline, diethylaniün, Piperidine, morpholine, N-ethylmorpholine, diethylaminoacetate and 2-chlorotriäthylamine.
R2-N oder R4 NR 2 -N or R 4 N
IFlIFl
Weitere geeignete Komplexbildner, die Stickstoff enthalten, können durch die Formel
R3 Further suitable complexing agents which contain nitrogen can be given by the formula
R 3
dargestellt werden, in der Ri, R2, R3, R4 und Rs für Wasserstoff, Halogen oder Ci-C36-Alkyl, -Aryl, -Alkaryl oder -Aralkyl stehen. In Fällen, in denen Ri, R2, Rj, R4 und R5 aromatische Einheiten enthalten, ist die Verwendung des Schwefeltrioxiddonators im Überschuß erforderlich, um ein?. Sulfonierung dieser Einheiten auszugleichen. Die organischen Reste R,, R2, R3, R4 und R5 können Halogenatome, Sauerstoffatome oder Nitrogruppen enthalten. In Bezug auf diese R-Reste bedeutet der hier gebrauchte Ausdruck »substituierte Analoge« die beschriebenen R-Reste, die mit Sauerstoff oder Halogen substituiert sind oder Sauerstoff in der Kohlenstoffkette enthalten. Ferner sind Strukturen von verschmolzenen cyclischen Ringen und Polymerstrukturen geeignet.are shown, in which Ri, R2, R3, R4 and Rs stand for hydrogen, halogen or Ci-C36-alkyl, -aryl, -alkaryl or -aralkyl. In cases where Ri, R2, Rj, R4 and R5 contain aromatic units, it is necessary to use the sulfur trioxide donor in excess in order to achieve a ?. To compensate for sulfonation of these units. The organic radicals R 1 , R 2, R3, R4 and R5 can contain halogen atoms, oxygen atoms or nitro groups. In relation to these R radicals, the term “substituted analogs” used here means the R radicals described which are substituted with oxygen or halogen or which contain oxygen in the carbon chain. Also, structures of fused cyclic rings and polymer structures are suitable.
Beispiele dieses Verbindungstyps sind Pyridin, 2-Methylpyridin, 2,6-Dimethylpyridin, Chinolin, Chinaldin und Poly-2-vinylpyridin. Bevorzugt als stickstoffhaltige Komplexbildner werden Triäthylamin und Tri-n-propylamin. Das Molverhältnis des Schwefeltrioxiddonators zu Stickstoff im Komplex kann bis zu 5 : 1 betragen, jedoch wird ein Verhältnis von 1 : 1 bevorzugt.Examples of this type of compound are pyridine, 2-methylpyridine, 2,6-dimethylpyridine, quinoline, quinaldine and poly-2-vinyl pyridine. Triethylamine and tri-n-propylamine are preferred as nitrogen-containing complexing agents. The molar ratio of the sulfur trioxide donor to nitrogen in the complex can be up to 5: 1, however, a ratio of 1: 1 is preferred.
Als Lösungsmittel für die Herstellung dieser Komplexe eignen sich chlorierte Kohlenwasserstoffe. Die Konzentration des Komplexes in der Lösung beträgt vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%, insbesondere 10 bis 15 Gew.-%. Die Komplexe können auch durch direkte Zugabe der Reagenzien gebildet werden, wenn dafür Sorge getragen wird, daß die entwickelte Wärme abgeführt wird. Die Reaktionen von Komplexen von SO3 mit Molekülen, die Stickstoff enthalten, und den Polymerhauptketten, die aromatische Ringe enthalten, erwiesen sich als nicht-quantitativ. Es ist daher zweckmäßig, bei diesen Reaktionen den Komplex im Überschuß zu verwenden.Chlorinated hydrocarbons are suitable solvents for the production of these complexes. the The concentration of the complex in the solution is preferably 5 to 20% by weight, in particular 10 to 15% by weight. The complexes can also be formed by direct addition of the reagents, if for this Care is taken that the heat developed is dissipated. The reactions of complexes of SO3 with Molecules that contain nitrogen and the polymer backbones that contain aromatic rings prove to be non-quantitative. It is therefore advisable to use an excess of the complex in these reactions use.
Sauerstoffhaltige Lewis-Basen erwiesen sich als vorteilhaft, für die Komplexbindung des Schwefeltrioxiddonators, um die Reaktion mit den ungesättigten Einheiten der Polymermoleküle zu erleichtern. Diese Basen haben die folgenden allgemeinen FormelnOxygen-containing Lewis bases proved to be advantageous for the complex binding of the sulfur trioxide donor, to facilitate the reaction with the unsaturated units of the polymer molecules. These bases have the following general formulas
Rl ORl O
O oder R3 O oder O OO or R 3 O or OO
K2K2
Hierin stehen Ri und R2 unabhängig voneinander für C2-C36-Alkyl, -Aryl, -Alkaryl oder -Aralkyl und R3 für C3-Ci6-Alkylen. R3 kann ein substituierter Alkylenrest sein. Die Substituenten können Ci-C2o-AIkyl, -Aryl, Alkaryl oder -Aralkyl sein. Wenn die Reste Ri, R2 oder R3 mehr als zwei C-Atome enthalten, können auch Halogen, Nitrogruppen und Äthersauerstoffatome vorhanden sein. In Bezug auf Ri, R2 und R3 bedeutet der hier gebrauchte Ausdruck »substituierte Analoge« R3-substituiert, wie oben beschrieben. Die Anwesenheit von Aryl-, Alkaryl- oder Aralkylresten in der Base erfordert die Verwendung von SO3 im Überschuß, da ein Teil des SO3 bei der Sulfonierung der aromatischen Gruppen verbraucht wird.Here, Ri and R 2 independently of one another represent C2-C36-alkyl, -aryl, -alkaryl or -aralkyl and R3 represents C3-Ci6-alkylene. R 3 can be a substituted alkylene radical. The substituents can be Ci-C2o-alkyl, -aryl, alkaryl or -aralkyl. If the radicals Ri, R2 or R3 contain more than two carbon atoms, halogen, nitro groups and ether oxygen atoms can also be present. With respect to Ri, R2 and R 3 , the term "substituted analogs" used herein means R3-substituted as described above. The presence of aryl, alkaryl or aralkyl radicals in the base requires the use of excess SO3, since part of the SO3 is consumed in the sulfonation of the aromatic groups.
Repräsentative Beispiele von sauerstoffhaltigen Lewis-Basen, die für die Zwecke der Erfindung geeignet sind, sind Tetrahydrofuran, p-Dioxan, 2,3-Dichlor-l,4-dioxan, m-Dioxan und 2,4-Dimethyl-l,3-dioxan.Representative examples of oxygenated Lewis bases suitable for the purposes of the invention, are tetrahydrofuran, p-dioxane, 2,3-dichloro-1,4-dioxane, m-dioxane and 2,4-dimethyl-1,3-dioxane.
Weitere sauerstoffhaltige Lewis-Basen, die sich als Komplexbildner eignen, sind Ester der allgemeinen FormelFurther oxygen-containing Lewis bases which are suitable as complexing agents are esters of the general formula
O Il O Il
R1-C-O-R2 R 1 -COR 2
in der Ri und R2 für Ci-Cio-Alkylreste, Phenyl- oder Benzylreste stehen. Beispiele solcher Ester sind Benzylacetat, Butylacetat, Butylpropionat, Methylbenzoat, Hexylacetat, Isobutylbenzoat, Äthyl-o-brombenzoat, p-Nitrophenylacetat, Athyl-n-butyrat, Äthylstearat und Äthylphenylacetat.in which Ri and R 2 are Ci-Cio-alkyl radicals, phenyl or benzyl radicals. Examples of such esters are benzyl acetate, butyl acetate, butyl propionate, methyl benzoate, hexyl acetate, isobutyl benzoate, ethyl o-bromobenzoate, p-nitrophenyl acetate, ethyl n-butyrate, ethyl stearate and ethylphenyl acetate.
Das Molverhältnis des SCb-Donators zur Base kann bis zu 15 :1 betragen und beträgt vorzugsweise etwa 9 :1 bis 1:1, insbesondere etwa 5:1 bis 1:1. Besonders bevorzugt wird ein Molverhältnis von etwa 2:1 bis 4:1, z. B. 3:1.The molar ratio of SCb donor to base can be up to 15: 1 and is preferably about 9: 1 up to 1: 1, in particular about 5: 1 to 1: 1. Particularly preferred is a molar ratio of about 2: 1 to 4: 1, e.g. B. 3: 1.
Als Lösungsmittel für die Herstellung der Komplexe des Schwefeltrioxiddonators mit Komplexbildnern, die Sauerstoff enthalten, werden vorzugsweise chlorierte Kohlenwasserstoffe oder der sauerstoffhaltige Komplexbildner verwendet. Beispiele solcher chlorierter Lösungsmittel sind Tetrachlorkohlenstoff, Dichloräthan, Chloroform und Methylenchlorid. Die Komplexe können auch durch direkte Zugabe der Reagenzien gebildet werden, wenn dafür Sorge getragen wird, daß die entwickelte Wärme abgeführt wird.As a solvent for the preparation of the complexes of the sulfur trioxide donor with complexing agents that Contain oxygen, are preferably chlorinated hydrocarbons or the oxygen-containing complexing agent used. Examples of such chlorinated solvents are carbon tetrachloride, dichloroethane, Chloroform and methylene chloride. The complexes can also be formed by direct addition of the reagents if care is taken that the heat generated is dissipated.
Die Reaktionen von Ätherkomplexen von SO3 mit den Polymerketten, die aromatische Gruppen enthalten, erwiesen sich als nicht-quantitativ. Daher ist die Verwendung des Komplexes im Überschuß zweckmäßig, um den erforderlichen Sulfonierungsgrad zu erzielen.The reactions of ether complexes of SO3 with the polymer chains containing aromatic groups, turned out to be non-quantitative. Therefore, it is desirable to use the complex in excess to achieve the required degree of sulfonation.
Beliebige phosphor-, Sauerstoff- oder stickstoffhaltige Lewis-Basen können allein oder in Mischung als Komplexbildner verwendet werden. Bevorzugt als Komplexbildner werden die organischen Phosphorverbindungen. Any phosphorus, oxygen or nitrogen-containing Lewis bases can be used alone or as a mixture Complexing agents can be used. The organic phosphorus compounds are preferred as complexing agents.
Bei Verwendung des phosphorhaltigen Komplexbildners kann der Komplex etwa 1 bis 15 Mol Schwefeltrioxiddonator pro Mol Komplexbildner enthalten. Bevorzugt werden etwa 1 bis 9 Mol, insbesondere etwa 1 bis 5 Mol. Besonders bevorzugt werden 2 bis 4 Mol, z. B. 3 Mol.When using the phosphorus-containing complexing agent, the complex can contain about 1 to 15 moles of sulfur trioxide donor contained per mole of complexing agents. About 1 to 9 moles are preferred, in particular about 1 to 5 moles. Particularly preferred are 2 to 4 moles, e.g. B. 3 moles.
Als Komplexbildner werden vorzugsweise Trimethylphosphit, Triäthylphosphit und Triäthylphosphat verwendet. Das letztere wird besonders bevorzugt. Als Schwefeltrioxiddonator wird SO3 bevorzugt.The preferred complexing agents are trimethyl phosphite, triethyl phosphite and triethyl phosphate used. The latter is particularly preferred. SO3 is preferred as the sulfur trioxide donor.
Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird das zu sulfonierende Polymere in einem geeigne-IC ten Lösungsmittel gelöst und mit einem Komplex, der den Komplexbildner und den Schwefeltrioxiddonator enthält, bei mäßigen Temperaturen umgesetzt. Das Lösungsmittel muß sowohl das Polymere als auch den Komplex lösen. Vorzugsweise wird ein nicht-aromatisches Lösungsmittel verwendet. Beispiele solcher Lösungsmittel sind Alkane, chlorierte Alkane, Äther, Ester und deren Gemische. Das Alkan kann linear, verzweigt oder cyclisch sein. Beispiele solcher Alkane sind Hexan, Pentan, Butan, Cyclohexan, Heptan und deren Homologe und Analoge. Beispiele der chlorierten Alkane sind Methylchlorid, Äthylchlorid, Dichloräthan, Chloroform, Methylenchlorid, Tetrachlorkohlenstoff oder beliebige höhere Alkane oder chlorierte Alkane.To carry out the method according to the invention, the polymer to be sulfonated is in a suitable IC th solvent and dissolved with a complex that contains the complexing agent and the sulfur trioxide donor contains, implemented at moderate temperatures. The solvent must be both the polymer and the Solve complex. Preferably a non-aromatic solvent is used. Examples of such Solvents are alkanes, chlorinated alkanes, ethers, esters and their mixtures. The alkane can be linear, branched or be cyclic. Examples of such alkanes are hexane, pentane, butane, cyclohexane, heptane and their Homologues and analogues. Examples of chlorinated alkanes are methyl chloride, ethyl chloride, dichloroethane, Chloroform, methylene chloride, carbon tetrachloride, or any higher alkanes or chlorinated alkanes.
Als Äther und Ester eignen sich beispielsweise Tetrahydrofuran, p-Dioxan, Diäthyläther, Amyläthyläther, Bis-penta-chloräthyläther, Bis-/?-chlorisopropyläther, Butylacetat, Isoamylacetat und Cyclohexylacetat.Suitable ethers and esters are, for example, tetrahydrofuran, p-dioxane, diethyl ether, amyl ethyl ether, Bis-penta-chloroethyl ether, bis - /? - chloroisopropyl ether, butyl acetate, isoamyl acetate and cyclohexyl acetate.
Der Feststoffgehalt der Polymerlösung liegt vorzugsweise unter 25 Gew.-%, insbesondere bei etwa 5 bis 20 Gew.-%. Besonders bevorzugt wird ein Feststoffgehalt von etwa 10 bis 20 Gew.-%. Zwar können Pasten mit hohem Feststoffgehalt bis 60 Gew.-% verwendet werden, jedoch ergibt sich durch die hohe Viskosität ein Handhabungsproblem. The solids content of the polymer solution is preferably below 25% by weight, in particular from about 5 to 20% by weight. A solids content of approximately 10 to 20% by weight is particularly preferred. Pastes can be used with high solids content of up to 60% by weight can be used, but the high viscosity results in a handling problem.
Der Komplex kann bei etwa -100 bis +1000C, vorzugsweise bei etwa -40 bis +400C gebildet werden. Vorzugsweise wird der Komplex unmittelbar vor dem Gebrauch gebildet. Es erwies sich auch als möglich, den Komplex in der Polymerlösung in situ zu bilden. Wenn der Komplex vor dem Gebrauch gebildet wird, sollte seine Konzentration im Lösungsmittel etwa 0,5 bis 25 Gew.-% betragen. Vorzugsweise beträgt diese Konzentration etwa 1 bis 20 Gew.-%, wobei eine Konzentration von 10 bis 20 Gew.-%, z. B. 18 Gew.-%, besonders bevorzugt wird.The complex may be preferably formed at about -100 to +100 0 C, at about -40 to +40 0 C. Preferably the complex is formed immediately prior to use. It was also found possible to form the complex in situ in the polymer solution. If the complex is formed before use, its concentration in the solvent should be about 0.5 to 25% by weight. This concentration is preferably about 1 to 20% by weight, with a concentration of 10 to 20% by weight, e.g. B. 18 wt .-%, is particularly preferred.
Die Sulfonierung des Polymeren wird bei einer Temperatur zwischen -100 und +1000C durchgeführt. Die Sulfonierung findet statt, wenn der Komplex in Lösung der Polymerlösung zugesetzt wird. Die Reaktionszeit kann 5 Sekunden bis 3 Stunden betragen. Das Produkt bleibt während der gesamten Reaktionszeit löslich. Es wird am besten durch Abdampfen der Lösungsmittel in heißem Wasser isoliert. Das Wasser zersetzt außerdem den nicht umgesetzten Komplex.Sulfonation of the polymer is carried out at a temperature between -100 and +100 0 C. The sulfonation takes place when the complex is added in solution to the polymer solution. The reaction time can be 5 seconds to 3 hours. The product remains soluble during the entire reaction time. It is best isolated by evaporating the solvents in hot water. The water also breaks down the unreacted complex.
Die sulfonierten Polymeren können, falls erforderlich, durch Kneten in Gegenwart von niedrigsiedenden Ketonen oder Alkoholen weiter gereinigt werden. Bevorzugt für diesen Zweck werden Aceton und Methanol. Nach dem Kneten werden die Polymeren auf einem heißen Walzenmischer getrocknet. Die gewonnenen Produkte sind in den verschiedensten Lösungsmitteln löslich, ein Zeichen, daß die Sulfonierung ohne Vernetzung erfolgt ist.The sulfonated polymers can, if necessary, by kneading in the presence of low-boiling Ketones or alcohols are further purified. Acetone and methanol are preferred for this purpose. After kneading, the polymers are dried on a hot roller mixer. The products obtained are soluble in a wide variety of solvents, a sign that sulfonation takes place without crosslinking is done.
Repräsentativ für den Schwefeltrioxidkomplex, der durch Umsetzung eines Komplexbildners mit SOi gebildet wird, ist der Trialkylphosphat-SOs-Komplex, der in Gleichung (1) dargestellt ist:Representative of the sulfur trioxide complex that is formed by reacting a complexing agent with SOi is the trialkyl phosphate SOs complex shown in equation (1):
R-O R-OR-O R-O
(1) R — O—P-»O + XSO3—fR— O—P—>O:(SO3);c(1) R - O - P - »O + XSO 3 - f R - O - P -> O: (SO 3 ); c
R-O R-OR-O R-O
Hierin ist R ein Alkylrest und X die Zahl der Mole SO3 pro Mol Phosphorverbindung. Vorzugsweise hat X
einen Wert von etwa 1 bis 7, insbesondere etwa 2 bis 4, z.B. 3.
Eine typische SulfonierungsreaRiion verläuft wie folgt:Here, R is an alkyl radical and X is the number of moles of SO3 per mole of phosphorus compound. X preferably has a value of about 1 to 7, in particular about 2 to 4, for example 3.
A typical sulfonation reaction proceeds as follows:
(2)~ CH2-C — CH2-CH^+ (RO)3PO:(SO3)3-(2) ~ CH 2 -C - CH 2 -CH ^ + (RO) 3 PO: (SO 3 ) 3 -
-+(RO3POr(SOj)2 - + (RO 3 POr (SOj) 2
CH2-C-CH2-CHCH 2 -C-CH 2 -CH
Die Matallionen, die sich fur die Herstellung der ionischen Copolymeren gemäß der Erfindung eignen, können in zwei Gruppen eingeteilt werden: nicht-komplexgebundene Metallionen und komplexgebundene Metallionen. Bei dem '•icht-komplexgebundenen Metallion entspricht die Wertigkeit des Ions der Wertigkeit des Metalls. Diese Metallionen werden aus allgemein bekannten und verwendeten Metallsalzen erhalten.The metal ions which are suitable for the preparation of the ionic copolymers according to the invention, can be divided into two groups: non-complex-bound metal ions and complex-bound metal ions Metal ions. In the case of the non-complex-bound metal ion, the valence of the ion corresponds to the valency of the metal. These metal ions are obtained from well-known and used metal salts.
Bei den komplexen Metallionen handelt es sich um solche, in denen das Metall an mehr als einen Salzgmppentyp gebunden ist, wobei wenigstens ein Ion ionisiert und ein Ion nicht ionisiert ist. Da die Bildung von ionischen Polymeren nur eine ionisierte Valenz erfordert, sind solche komplexen Metallionen ebenso gut für die Zwecke der Erfindung geeignet Die Eignung von komplexen Metallionen, die für die Bildung von ionischen Copoiymeren verwendet werden, enstpricht hinsichtlich ihrer ionisierten Valenzen derjenigen der nichtkomplexgebundenen Ionen. Die einwertigen Metalle sind natürlich ausgeschlossen, jedoch können die höherwertigen Metalle in Abhängigkeit davon, wieviele Metallionen komplexgebunden sind und wieviele ionisiert werden können, einbezogen werden. Bevorzugt werden komplexe Metallionen, in denen alle Metallvalenzen außer einer komplexgebunden sind und eine leicht ionisierbar ist Insbesondere können die Metallsalze von sehr schwachen Säuren, z. B. Stearinsäure, und ionisierten Säuren, z. B. Ameisensäure und Essigsäure, verwendet werden.The complex metal ions are those in which the metal is attached to more than one salt group type is bound, wherein at least one ion is ionized and one ion is not ionized. Since the formation of ionic polymers only require an ionized valence, such complex metal ions are just as good for that Purposes of the invention suitable The suitability of complex metal ions necessary for the formation of ionic Copoiymeren are used, corresponds in terms of their ionized valences to those of the non-complex-bound Ions. The monovalent metals are of course excluded, but the higher valued metals can Metals depending on how many metal ions are complexed and how many are ionized can be included. Complex metal ions in which all metal valences are preferred are preferred except one are complex-bound and one is easily ionizable. In particular, the metal salts of very weak acids, e.g. B. stearic acid, and ionized acids, e.g. B. formic acid and acetic acid are used will.
Als nicht-komplexgebundene Metallionen eignen sich für die Herstellung von ionischen Copolymeren gemäß der Erfindung ein-, zwei-, drei- und vierwertige Metalle in den Gruppen I, II, III, IV, V, VlB, VIIB und VIII des Periodischen Systems (s. Seite B-3 von »Handbook of Chemistry and Physics«, Chemical Rubber Publishing Co., 47. Auflage). Geeignete einwertige Metallionen sind Na+, K+, Li+, Cs+, Ag+, Hg+ und Cu+. Geeignete zweiwertige Metallionen sind Be+2, Mg+2, Ca+2, Sr+2, Ba+2, Cu+2, Cd+2, Hg+2, Sn+2, Fe+2, Pb"2, Co+2, Ni+2 und Zn+2. Geeignete dreiwertige Metallionen sind Al+3, Sc+3, Fe+3 und Y+3. Geeignete vierwertige Metallionen sind Sn+", Zr+4, Ti+4 und Pb+4.Suitable non-complex-bound metal ions for the production of ionic copolymers according to the invention are mono-, di-, tri- and tetravalent metals in groups I, II, III, IV, V, VIB, VIIB and VIII of the Periodic Table (see Sect . Page B-3 of Handbook of Chemistry and Physics, Chemical Rubber Publishing Co., 47th Edition). Suitable monovalent metal ions are Na + , K + , Li + , Cs + , Ag + , Hg + and Cu + . Suitable divalent metal ions are Be +2 , Mg +2 , Ca +2 , Sr +2 , Ba +2 , Cu +2 , Cd +2 , Hg +2 , Sn +2 , Fe +2 , Pb " 2 , Co + 2 , Ni +2 and Zn +2 . Suitable trivalent metal ions are Al +3 , Sc +3 , Fe +3 and Y +3 . Suitable tetravalent metal ions are Sn + ", Zr +4 , Ti +4 and Pb +4 .
Außer den Metallionen können auch andere basische Materialien, z. B. primäre, sekundäre und tertiäre Amine, für die Bildung der ionischen Bindungen verwendet werden. Die bevorzugten Amine haben eine Basizitätskonstante Kb von mehr als 10"3. Die Basizitätskonstante kann durch de.i AusdruckIn addition to the metal ions, other basic materials, e.g. B. primary, secondary and tertiary amines, can be used for the formation of ionic bonds. The preferred amines have a basicity constant K b of more than 10 " 3. The basicity constant can be expressed as de.i.
[Produkt][Product]
K =K =
[~ SO3H] [Amin]
für die Reaktion ~ SO3H + Amin > Produkt definiert werden. Hierin bedeuten[~ SO3H] [amine]
for the reaction ~ SO3H + amine> product can be defined. Mean therein
[Produkt] = Konzentration des Produkts[Product] = concentration of the product
[~ SO3H] = Konzentration von Sulfonsäuregruppen im Polymeren[~ SO3H] = concentration of sulfonic acid groups in the polymer
[Amin] = Konzentration des Amins.[Amine] = concentration of the amine.
Die bevorzugten Amine haben einen ÄVWert im Bereich von 10~3 bis etwa 1O+6, vorzugsweise etwa IO3 bis 10'2. Beispiele solcher Amine sind wasserfreies Piperazin, Tri-n-propylamin, Triäthylamin und Triäthanolamin. Besonders bevorzugt werden die sekundären und tertiären Amine, insbesondere Piperazin und Tri-n-propylamin. The preferred amines have a ÄVWert in the range of 10 -3 to about 1O +6, preferably about 3 to 10 IO '. 2 Examples of such amines are anhydrous piperazine, tri-n-propylamine, triethylamine and triethanolamine. The secondary and tertiary amines, in particular piperazine and tri-n-propylamine, are particularly preferred.
Da die SOjH-Gruppen Seitengruppen entweder des aromatischen Rings oder der Polymerhauptkette sein können, ist ihre Konzentration im Polymeren in Mol-%, bezogen auf das Polymere und nicht auf die aromatischen Einheiten, ausgedrückt. Es ist erwünscht, daß der sulfonierte Styrol-Butadien-Kautschuk gemäß der Erfindung etwa 0,08 bis 20 Mol-% SO3H-Gruppen, vorzugsweise etwa 1 bis 20 Mol-%, insbesondere etwa 0,5 bis 12 Mol-% enthält, wobei etwa 3 bis 8 Mol-%, z. B. 3,0 Mol-%, besonders bevorzugt werden. Etwa 1 bis 100% der SO3H-Gruppen können zur Bildung des Ionomeren neutralisiert werden.Because the SOjH groups are side groups of either the aromatic ring or the polymer backbone their concentration in the polymer is in mol%, based on the polymer and not on the aromatic Units, expressed. It is desirable that the sulfonated styrene-butadiene rubber according to FIG Invention about 0.08 to 20 mol% SO3H groups, preferably about 1 to 20 mol%, in particular about 0.5 to 12 mole percent, with about 3 to 8 mole percent, e.g. B. 3.0 mol%, are particularly preferred. About 1 to 100% of the SO3H groups can be neutralized to form the ionomer.
Bei dreiwertigen Metallionen [M+2] wie Zn+2, Ca+2, Cu+2 und Ba+2 ist der Ionengehalt vorzugsweise kleiner als etwa 12 Mol [M+2 (Styrolsulfonat)2]-Gruppen pro 100 Monomereinheiten. Bei dreiwertigen Metallionen [M+3] wie Al+3, Fe+3 und Co+3 sollte der Ionengehalt vorzugsweise kleiner sein als 1,0 Mol [M+3 (Styrolsulfonatb]-Gruppen pro 100 Monomereinheiten.In the case of trivalent metal ions [M +2 ] such as Zn +2 , Ca +2 , Cu +2 and Ba +2 , the ion content is preferably less than about 12 mol [M +2 (styrene sulfonate) 2] groups per 100 monomer units. In the case of trivalent metal ions [M +3 ] such as Al +3 , Fe +3 and Co +3 , the ion content should preferably be less than 1.0 mol [M +3 (styrenesulfonateb] groups per 100 monomer units).
50 Beispiel 1 50 Example 1
Ein homogenes Styrol-Isobutylen-Copolymeres wurde in einem üblichen Überlaufreaktor hergestellt. Der Reaktor enthielt eine zentrale Kammer mit einem Rührer und zwei Außenkammern für den Umlauf der Reaktionsteilnehmer. Der Reaktor war in ein bei konstanter Temperatur gehaltenes Bad gehängt. Zwei Zuführungsleitungen wurden verwendet, nämlich eine für die in einem Lösungsmittel gelösten Monomeren und die zweite für den gelösten Katalysator. Beide Einsatzmaterialien wurden auf die richtige Temperatur vorgekühlt.A homogeneous styrene-isobutylene copolymer was produced in a conventional overflow reactor. Of the The reactor contained a central chamber with a stirrer and two outer chambers for circulating the reactants. The reactor was hung in a constant temperature bath. Two feed lines were used, one for the monomers dissolved in a solvent and the second for the dissolved catalyst. Both feedstocks were precooled to the correct temperature.
Die Reaktionstemperatur betrug -900C und die Reaktionszeit 30 Minuten. Die Ausgangsmonomeren bestanden aus 40 Gew.-% Styrol und 60 Gew.-% Isobutylen. Die Monomeren wurden mit einem Gemisch von Methylchlorid und Hexan (60 :40) auf eine Konzentration von 17,5% verdünnt. Als Katalysator wurde AICI3 in einer Konzentration von 0,12 Gew.-% verwendet.The reaction temperature was -90 0 C and the reaction time 30 minutes. The starting monomers consisted of 40% by weight styrene and 60% by weight isobutylene. The monomers were diluted with a mixture of methyl chloride and hexane (60:40) to a concentration of 17.5%. AICI3 was used as the catalyst in a concentration of 0.12% by weight.
Nach einer Reaktionsdauer von 30 Minuten wurde die Aktivität des Katalysators durch Eintragen in lospropylalkohol zerstört. Das Copolymere wurde isoliert und getrocknet. Die Grenzviskosität betrug 1,099 (1 g/l Toluol bei 25,84°C). Das Copolymere hatte ein aus der Viskosität ermitteltes mittleres Molekulargewicht von 330000. Durch kernmagnetische Resonanzspektroskopie wurde ein Styrolgehalt von 39,3 Gew.-% bestimmt.After a reaction time of 30 minutes, the activity of the catalyst was increased by adding it to lospropyl alcohol destroyed. The copolymer was isolated and dried. The intrinsic viscosity was 1.099 (1 g / l Toluene at 25.84 ° C). The copolymer had a viscosity average molecular weight of 330,000. A styrene content of 39.3% by weight was determined by nuclear magnetic resonance spectroscopy.
Das Produkt hatte schlechte Festigkeitseigenschaften, wie die Werte in Tabelle I zeigen, und war in gewissen nicht-polaren Lösungsmitteln wie Benzol und Tetrachlorkohlenstoff löslich, quoll jedoch nicht in polaren Lösungsmitteln wie Alkohol oder Wasser, wie die Werte in Tabelle II zeigen.The product had poor strength properties as shown by the values in Table I and was in certain Soluble in non-polar solvents such as benzene and carbon tetrachloride, but did not swell in polar ones Solvents such as alcohol or water as shown by the values in Table II.
2020th 2525th
4040
5050 5555 6060
6565
Das gemäß Beispiel 1 erhaltene Produkt wurde nach dem Verfahren des US-PS 30 72 618 sulfoniert. 20 g Polymerisat wurden in 760 ml trockenem Dichloräthan gelöst. Zur Lösung wurden 100 ml einer Lösung von 3,35 ml Triäthylphosphat mit 2,+8 ml frisch destilliertem Schwefeltrioxid in Dichloräthan gegeben. Die Reaktionszeit betrug 10 Minuten bei 100C. Das Polymere enthielt 7,12 x 10"4 Äquivalente SCbH/g (etwa 4,9 Mol-% sulfoniertes Styrol, bezogen auf das Copolymere).The product obtained according to Example 1 was sulfonated according to the method of US Pat. No. 3,072,618. 20 g of polymer were dissolved in 760 ml of dry dichloroethane. 100 ml of a solution of 3.35 ml of triethyl phosphate with 2. + 8 ml of freshly distilled sulfur trioxide in dichloroethane were added to the solution. The reaction time was 10 minutes at 10 0 C. The polymer contained 7.12 x 10 "4 equivalents SCBH / g (about 4.9 mol% sulfonated styrene, based on the copolymer).
Die physikalischen Eigenschaften des Copolymeren sind in Tabelle I und seine Löslichkeitseigenschaften in Tabelle II angegeben.The physical properties of the copolymer are in Table I and its solubility properties in Table II given.
Fertigkeitseigenschaften von sulfonierten homogenen Styrol-Isobutylen-Copolymeren bei 25° C (Zuggeschwindigkeit 12,7 cm/Minute)Skill properties of sulfonated homogeneous styrene-isobutylene copolymers at 25 ° C (pulling speed 12.7 cm / minute)
0
2260
226
4,24.2
löslich
löslich
löslichsoluble
soluble
soluble
löslich
löslichsoluble
soluble
17,317.3
3,33.3
97,497.4
191,6191.6
170170
150,5 58,9150.5 58.9
I Styrol-IsobutylenCopolymeres löslich löslichI styrene-isobutylene copolymer soluble soluble
II 4,9 Mol-% ~ SO3H löslich löslichII 4.9 mol% ~ SO 3 H soluble soluble
III 4,9 Mol-% ~ SO3-Na+ löslich 923III 4.9 mol% ~ SO 3 -Na + soluble 923
IV 13,3 Mol-% ~ SO3H 170 307IV 13.3 mole percent ~ SO 3 H 170 307
V 18,1 Mol-%-SO3H 13,9 50,8V 18.1 mole percent - SO 3 H 13.9 50.8
VII 13,1 Mol-% ~ SO3H + 22,0 62,1
5 Mol-% Zn (~ SOr)2 VII 13.1 mol% ~ SO 3 H + 22.0 62.1
5 mol% Zn (~ SOr) 2
VIII 20,1 Mol-% ~ SO3H 17,6 48,6VIII 20.1 mole% ~ SO 3 H 17.6 48.6
IX 10,7 Mol-% ~ SO3H + 29,6 89,9
10,0 Mol-% Zn (~ SOr)2 IX 10.7 mole% ~ SO 3 H + 29.6 89.9
10.0 mol% Zn (~ SOr) 2
Das Produkt von Beispiel 2 wurde in ein ionisches Interpolymeres umgewandelt, indem genaue Äquivalente von Natriummethoxid eingeknetet wurden. Durch Erhitzen wurde Methylalkohol abgetrieben. Das Material ist leicht verarbeitbar, preßbar und spritzbar und erneut verarbeitbar. Die Festigkeitseigenschaften waren gut (Tabelle I). Das Produkt zeigte ähnliche Löslichkeitseigenschaften wie das in Beispiel 2 beschriebene Produkt (siehe Tabelle II).The product of Example 2 was converted to an ionic interpolymer by exact equivalents were kneaded by sodium methoxide. Methyl alcohol was driven off by heating. The material is easy to process, press and spray and process again. The strength properties were good (Table I). The product showed similar solubility properties as the product described in Example 2 (see Table II).
Das gemäß Beispiel 1 erhaltene Produkt wurde sulfoniert (nach der in Beispiel 2 beschriebenen allgemeinen Arbeitsweise), wobei ein Produkt erhalten wurde, das 1,93 x 10° Äquivalente SO3H/g Polymerisat enthielt.The product obtained according to Example 1 was sulfonated (according to the general procedure described in Example 2), a product being obtained which contained 1.93 × 10 ° equivalents of SO 3 H / g of polymer.
bestimmt durch Titration (siehe Beispiel 2) und Elementaranalyse auf Schwefel. Dies entspricht 13,3 Mol-% sulfonierten Styroleinheiten, bezogen auf das Monomer. Das Material hat ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften (siehe Tabelle I) und einen weiten Temperaturbereich, in dem es kautschukartig ist Es läßt sich unter PreC- und Spritzbedingungen (138°C, Druck 12 kbar) erneut leicht verarbeiten. Das Material hat erhöhte Beständigkeit gegenüber unpolaren Lösungsmitteln und verringerte Beständigkeit gegenüber polaren Lösungsmitteln s (Tabelle II).determined by titration (see Example 2) and elemental analysis for sulfur. This corresponds to 13.3 mol% sulfonated Styrene units, based on the monomer. The material has excellent strength properties (see Table I) and a wide temperature range in which it is rubber-like. It can be classified under PreC and Apply again easily to spraying conditions (138 ° C, pressure 12 kbar). The material has increased durability to non-polar solvents and reduced resistance to polar solvents s (Table II).
Das gemäß Beispiel 1 hergestellte Material wurde auf die in Beispiel 2 beschriebene Weise sulfoniert, wobei ein Produkt mit 18,1 Mol-% sulfonierten Styroleinheiten erhalten wurde. Dieses Produkt war sehr stark und elastisch (Tabelle I) und konnte unter Preß- und Spritzbedingungen erneut verarbeitet werden. Es war etwas beständig gegenüber unpolaren Lösungsmitteln, wurde aber durch polare Lösungsmittel stark angegriffen (siehe Tabelle II).The material prepared according to Example 1 was sulfonated in the manner described in Example 2, wherein a product having 18.1 mol% sulfonated styrene units was obtained. This product was very strong and elastic (Table I) and could be processed again under pressing and spraying conditions. It was something resistant to non-polar solvents, but was strongly attacked by polar solvents (see Table II).
Das in Beispiel 5 beschriebene Produkt wurde in ein ionisches Interpolymeres umgewandelt, indem genau äquivalente Mengen Natriummethoxid eingeknetet wurden. Das Produkt war schwierig verarbeitbar. Offensichtlich wurde eine obere Grenze für den ionischen Charakter gerade überschritten.The product described in Example 5 was converted into an ionic interpolymer by exactly equivalent amounts of sodium methoxide were kneaded. The product was difficult to process. Apparently an upper limit for the ionic character has just been exceeded.
Das in Beispiel 5 beschriebene Produkt wurde in ein ionisches Interpolymeres umgewandelt, indem ZnO in einer solchen Menge zugegeben wurde, daß 5 Mol-% sulfoniertes Styrol ionisch gemacht wurden. Das Produkt war leicht verarbeitbar und bei Preß- und Spritzbedingungen (138° C, Druck 12 kbar) erneut verarbeitbar. Das Produkt hatte sehr gute Festigkeitseigenschaften (Tabelle I) und hatte g'ate Beständigkeit gegenüber unpolaren Lösungsmitteln (Tabelle II).The product described in Example 5 was converted into an ionic interpolymer by converting ZnO into was added in such an amount that 5 mole percent sulfonated styrene was rendered ionic. The product was easy to process and processable again under pressing and spraying conditions (138 ° C., pressure 12 kbar). That Product had very good strength properties (Table I) and had good resistance to non-polar Solvents (Table II).
Das gemäß Beispiel 1 hergestellte Produkt wurde auf die in Beispiel 2 beschriebene Weise sulfoniert, wobei ein Produkt mit 20,1 Mol-% sulfonierten Styroleinheiten erhalten wurde. Das Produkt hatte gute Fertigkeitseigenschaften (Tabelle I) und war erneut verarbeitbar. Das Material wurde durch unpolare Lösungsmittel leicht angequollen und wurde durch polare Lösungsmittel stark angegriffen (Tabelle II).The product prepared according to Example 1 was sulfonated in the manner described in Example 2, wherein a product having 20.1 mol% sulfonated styrene units was obtained. The product had good handicraft properties (Table I) and was processable again. The material became light with non-polar solvents swollen and was severely attacked by polar solvents (Table II).
Das gemäß Beispiel 8 hergestellte Produkt wurde in ein ionisches Interpolymeres umgewandelt, indem ZnO in einer solchen Menge zugesetzt wurde, daß 10 Mol-% sulfoniertes Styrol ionisch gemacht wurden. Das Produkt war leicht verarbeitbar und unter Preß- und Spritzbedingungen erneut verarbeitbar. Es wurde durch unpolare Lösungsmittel nur leicht angequollen.The product prepared according to Example 8 was converted into an ionic interpolymer by adding ZnO was added in an amount such that 10 mole percent sulfonated styrene was rendered ionic. The product was easy to process and processable again under pressing and spraying conditions. It was made by non-polar Solvent only slightly swollen.
Auf die in Beispiel 2 beschriebene Weise wurde ein Styrol-Isobutylen-Copolymeres unterschiedlich stark sulfoniert. Der Modul wurde an sulfonierten Proben sowohl vor als auch nach der Herstellung von Ionomeren auf die in Beispiel 3 beschriebene Weise bestimmt.In the manner described in Example 2, a styrene-isobutylene copolymer was sulfonated to different degrees. The module was based on sulfonated samples both before and after the preparation of ionomers determined in the manner described in Example 3.
Fig. I zeigt den Einfluß der Wasserstoffbindung und von ionischen Bindungen auf den Modul. Fig. Ia zeigt, daß der Modul mit zunehmendem Gehalt an SOjH-Gruppen (Mol-%) leicht ansteigt. Im Gegensatz hierzu wird durch die Umwandlung des Produktes in Ionomere der Modul scharf erhöht. Beispielsweise zeigt Fi g. Ib eine Probe eines Styrol-Isobutylen-Copolymeren, das etwa 16,15 Mol-% SO3 enthält und in ein Ionomeres mit unterschiedlichen Graden ionischer Vernetzung umgewandelt ist. Überraschenderweise ändert sich der Modul sehr stark mit dem Ionengehalt.Fig. I shows the influence of hydrogen bonding and ionic bonds on the module. Fig. Ia shows that the modulus increases slightly with increasing content of SOjH groups (mol%). In contrast, will by converting the product into ionomers, the modulus is sharply increased. For example, Fig. Ib a Sample of a styrene-isobutylene copolymer which contains about 16.15 mol% SO3 and is converted into an ionomer with different Degree of ionic crosslinking is converted. Surprisingly, the module changes a lot strong with the ion content.
Fig. II zeigt die Zugfestigkeit des unsulfonierten Styrol-Isobutylen-Copolymeren im Vergleich zu dem gleichen Produkt, das 16,15 Mol-% SOjH enthält und unterschiedliche Ionengehalte hat.Fig. II shows the tensile strength of the unsulfonated styrene-isobutylene copolymer compared to the same Product, which contains 16.15 mol% SOjH and has different ion contents.
Kurve A zeigt die Zugfestigkeit des unsulfonierten Polymeren in Abhängigkeit von der Temperatur. Bei 20° C hat das Polymere eine Zugfestigkeit von 2640 kPascal. Bei 6O0C beträgt der Zugfestigkeitswert 0. Im Gegensatz hierzu hat das Polymere, das etwa 16,15 Mol-% SO3H enthält (Kurve B), bei 2O0C eine Zugfestigkeit über 4200 kPascal und bei 1000C eine Zugfestigkeit von fast 3500 kPascal.Curve A shows the tensile strength of the unsulfonated polymer as a function of the temperature. At 20 ° C the polymer has a tensile strength of 2640 kPascals. At 6O 0 C the tensile strength is 0. In contrast, has the polymer comprising about 16.15 mole% of SO 3 H contains (curve B), at 2O 0 C a tensile strength greater than 4200 kPascals, and at 100 0 C a tensile strength of almost 3500 kPascals.
Durch Umwandlung in das Calciumionomere mit nur etwa 4 Mol-% SO3H (Kurve C) wird ein Produkt erhalten, das bei 2O0C eine Zugfestigkeit von mehr als 6300 kPascal bei 1000C eine Zugfestigkeit von etwa 3750 kPascal hat.By conversion to the Calciumionomere with only about 4 mol% SO3H (curve C) the product is obtained at 2O 0 C a tensile strength of greater than 6300 Pascals at 100 0 C has a tensile strength of about 3750 Pascals.
Die Vorteile der Verwendung eines einwertigen Ions zur Bildung des Ionomeren werden durch Kurve D veranschaulicht. Bei einer Umwandlung von etwa 12 Mol-% der SO3H-Gruppen in das Natriumsalz hat das Polymere bei 200C eine Zugfestigkeit von etwa 10500 kPascal, während die Zugfestigkeit bei 1000C weniger als 2800 kPascal beträgt. Trotz einer hohen Zugfestigkeit bei Raumtemperatur läßt sich das Polymere somit leicht bei mäßigen Temperaturen verarbeiten.The advantages of using a monovalent ion to form the ionomer are illustrated by curve D. At a conversion of about 12 mole% of SO 3 H groups in the sodium salt of the polymer at 20 0 C has a tensile strength of from about 10500 Pascals, while the tensile strength at 100 0 C is less than 2800 kPascals. Despite a high tensile strength at room temperature, the polymer can thus be easily processed at moderate temperatures.
Es ist aus den vorstehenden Beispielen ersichtlich, daß das Polymere etwa 0,5 bis 20 MoI-0Zo SO;H-Gruppen enthalten kann. Bereits mit 1 Mol-% (SCb)11M, wobei η die Wertigkeit des Metallions M ist, wird ein Ionomeres mit verbesserten Eigenschaften erhalten. Vorzugsweise beträgt der lonengehalt, d. h. der Gehalt an (SCb)nM-Gruppen, etwa 2 bis 18 Mol-%, wobei ein Gehalt von etwa 4 bis 12 Mol-% besonders bevorzugt wird.It is apparent from the above examples that the polymer about 0.5 to 20 MOI 0 Zo SO; may contain H groups. Even with 1 mol% (SCb) 11 M, where η is the valence of the metal ion M, an ionomer with improved properties is obtained. The ion content, ie the content of (SCb) n M groups, is preferably about 2 to 18 mol%, a content of about 4 to 12 mol% being particularly preferred.
In den vorstehenden Beispielen wurde die Sulfonierung eines gereinigten homogenen Styrol-Isobutylen-Copolymeren beschrieben. Es ist nicht notwendig, das Produkt vor der Sulfonierung zu reinigen, wie in diesem Beispiel beschrieben. Das gemäß Beispiel 1 erhaltene Material wurde erneut hergestellt mit dem Unterschied, daß der Katalysator nicht durch Eintragen des Reaktionsgemisches in Isopropylalkohol zerstört wurde. Stattdessen wurde das Reaktionsmedium (Methylchlorid/Hexan = 60:40) bei -400C gehalten und das Styrol-Isobutylen-Copolymere direkt mit Triäthylphosphat und Schwefeltrioxid sulfoniert. Das Polymere wurde isoliert und analysiert. Das Produkt enthielt 5,57 Mol-% sulfoniertes Styrol. Das Material hatte in jeder Hinsicht die gleichen Eigenschaften wie ein sorgfältig gereinigtes Produkt (in Dichloräthan).In the preceding examples, the sulfonation of a purified homogeneous styrene-isobutylene copolymer has been described. It is not necessary to purify the product prior to sulfonation as described in this example. The material obtained according to Example 1 was prepared again with the difference that the catalyst was not destroyed by introducing the reaction mixture into isopropyl alcohol. Instead, the reaction medium (methylene chloride / hexane = 60:40) was kept at -40 0 C and the styrene-isobutylene copolymers directly sulfonated with sulfur trioxide and triethyl phosphate. The polymer was isolated and analyzed. The product contained 5.57 mole percent sulfonated styrene. The material had the same properties in all respects as a carefully purified product (in dichloroethane).
Es ist leicht ersichtlich, daß das ionische Polymere von homogenem Styrol-Isobutylen-Copolymerisat ein überlegenes thermoplastisches Material ist, das sich durch Strangpressen, Spritzgießen oder Pressen verarbeiten läßt. Auf Grund seines ungewöhnlichen Verhaltens gegenüber Lösungsmitteln findet das Produkt Anwendung bei der Herstellung von Kautschukfarben, alkoholischen Verdickungsmitteln, Flockungsmitteln, Mitteln zur Verbesserung der Färbbarkeit und Klebstoffen für die Verklebung von Metallen.It can easily be seen that the ionic polymer is a homogeneous styrene-isobutylene copolymer is superior thermoplastic material that can be processed by extrusion, injection molding, or pressing leaves. The product is used due to its unusual behavior towards solvents in the manufacture of rubber paints, alcoholic thickeners, flocculants, agents for Improvement of colorability and adhesives for bonding metals.
Ein Styrol-Butyl-Pfropfpolymeres wurde nach dem Verfahren der US-PS 568001 wie folgt hergestellt: 100 g Chlorbutylkautschuk HT-1066 wurden in einem Lösungsmittelgemisch aus 900 ml Heptan und 1000 ml Propan bei -500C gelöst. Zur Lösung wurden 206,3 g frisch destilliertes Styrol und dann 2,87 g AIEt2CI als Katalysator gegeben. Die Reaktion dauert 90 Minuten. Nach dieser Zeit wurde das Produkt isoliert und getrocknet. Die Ausbeute betrug 249,0 g. Das Produkt wurde zur Entfernung des Styrolhomopplymeren mit Aceton extrahiert. Der Rest des Materials wurde in Methyläthylketon löslich gemacht, um die gelatinöse Fällung abzutrennen. Die in Methyläthylketon lösliche Fraktion wurde isoliert und getrocknet.A styrene-butyl graft polymer was prepared by the method of U.S. Patent No. 568 001 as follows: 100 g chlorobutyl HT-1066 were dissolved in a solvent mixture of 900 ml of heptane and 1000 ml of propane dissolved at -50 0 C. 206.3 g of freshly distilled styrene and then 2.87 g of AIEt 2 CI were added as a catalyst to the solution. The reaction takes 90 minutes. After this time the product was isolated and dried. The yield was 249.0 g. The product was extracted with acetone to remove the styrene homopolymer. The remainder of the material was made soluble in methyl ethyl ketone to separate the gelatinous precipitate. The fraction soluble in methyl ethyl ketone was isolated and dried.
5 g dieses Materials wurden in 190 ml Dichloräthan gelöst. Dann wurde nach dem Verfahren des US-PS 3072618 sulfoniert. 0,38 ml Triäthylphosphat und dann 0,28 ml Schwefeltrioxid wurden bei 5°C zugesetzt. Nach einer Reaktionsdauer von 10 Minuten wurde die Reaktion durch Eintragen in Isopropylalkohol beendet und das Produkt isoliert.5 g of this material were dissolved in 190 ml of dichloroethane. Then, following the procedure of U.S. Patent 3,072,618 sulfonated. 0.38 ml of triethyl phosphate and then 0.28 ml of sulfur trioxide were added at 5 ° C. After a reaction time of 10 minutes, the reaction was stopped by adding to isopropyl alcohol ended and the product isolated.
3S Die Analyse des Styrol-Butyl-Propfmischpolymeren ergab eine Grenzviskosität von 0,77 in Toluol und einen durch Infrarotanalyse ermittelten Styrolgehalt von 42%. Eine gepreßte Platte hatte eine Zugfestigkeit von 19700 kPascal und eine Bruchdehnung von 375%.3S Analysis of the styrene-butyl graft copolymer gave an intrinsic viscosity of 0.77 in toluene and one styrene content determined by infrared analysis of 42%. A pressed board had a tensile strength of 19700 kPascals and an elongation at break of 375%.
Die Säure-Base-Titration des ionischen Styrol-Butyl-Pfropfmischpolymeren in einem 1 : 1-Gemisch von Toluol und Methanol mit 0,1 H-KOC(CHj)3 zeigte, daß dieses Produkt 8,83 Χ 10"4 Säureäquivalente/g hatte. Ein Schwefelgehalt von 2,84 Gew.-% wurde festgestellt.The acid-base titration of the ionic styrene-butyl graft copolymer in a 1: 1 mixture of toluene and methanol with 0.1 H-KOC (CHj) 3 showed that this product was 8.83 10 " 4 acid equivalents / g A sulfur content of 2.84% by weight was found.
Das sulfonierte Styrol-Butyl-Pfropfmischpolymerisat wurde in das ionische Produkt umgewandelt, indem esThe sulfonated styrene-butyl graft copolymer was converted into the ionic product by adding
in einem 1 : 1-Gemisch von Toluol und Methanol gelöst wurde und 8,83 x 10~4 Äquivalente Natriummethoxid zugesetzt wurden. Das ausgefällte Produkt wurde getrocknet und bei 149° C unter einem Druck von 12 kbar 10 Minuten gepreßt. Der Preßling war thermoplastisch und konnte unter den oben genannten Bedingungen erneut geformt werden. Die gepreßte Platte hatte eine Zugfestigkeit von 9630 kPascal und eine Bruchdehnung von 225%. Das ionische Pfropfmischpolymere war entschieden steifer als das nicht-ionische Pfropfmischpolymere.was dissolved 1 mixture of toluene and methanol and 8.83 x 10 ~ 4 equivalents of sodium methoxide were added: in a first The precipitated product was dried and pressed at 149 ° C. under a pressure of 12 kbar for 10 minutes. The compact was thermoplastic and could be molded again under the above conditions. The pressed plate had a tensile strength of 9630 kPascals and an elongation at break of 225%. The ionic graft copolymer was decidedly stiffer than the nonionic graft copolymer.
Das ionische Pfropfmischpolymere zeigte im Vergleich zu dem nicht-ionischen Pfropfmischpolymeren eineThe ionic graft copolymer exhibited one as compared with the nonionic graft copolymer
ungewöhnliche Lösungsmittelbeständigkeit. Die Einflüsse verschiedener Lösungsmitte! sind in Tabelle III zusammengestellt. Die Werte zeigen daß das nicht-ionische Pfropfmischpolymere in gewissen organischen Lösungsmitteln stark gequollen oder gelöst wurde, während das ionische Pfropfmischpolymere darin unlöslich oder lediglich angequollen war.unusual solvent resistance. The Influences of Different Solvents! are in Table III compiled. The data show that the nonionic graft copolymer in certain organic Solvents have been greatly swollen or dissolved while the ionic graft copolymer is insoluble therein or was merely swollen.
Verhalten von Pfropfmischpolymeren und ionischen Pfropfmischpolymeren gegenüber LösungsmittelnBehavior of graft copolymers and ionic graft copolymers towards solvents
eres Ionisches Pfropfmischpolymereseres ionic graft copolymer
quillt leichtswells slightly
löslichsoluble
unlöslich (nicht gequollen)insoluble (not swollen)
unlöslichinsoluble
unlöslichinsoluble
unlöslichinsoluble
unlöslichinsoluble
Ein Styrol-Chlorbutyl-Pfropfmischpolymeres, das 63% Styrol enthielt, wurde hergestellt. 90,9 g frisch destilliertes Styrol wurden zu 24 g Chlorbutylkautschuk HT-1066 in 313 ml Äthylchlorid plus 313 ml Methylcyclohexan gegeben. 0,14 g AlEt2Cl wurden als Katalysator verwendet. Die Temperatur betrug 14°C, die Reaktionszeit 172 Minuten, die Ausbeute 107 g. Das Produkt wurde mit Aceton extrahiert. Die Methyläthylketonfraktion wurde abgetrennt und analysiert. Die Grenzviskosität dieses Materials in Toluol betrug 0,36.A styrene-chlorobutyl graft copolymer containing 63% styrene was prepared. 90.9 g of freshly distilled styrene were added to 24 g of chlorobutyl rubber HT-1066 in 313 ml of ethyl chloride plus 313 ml of methylcyclohexane. 0.14 g of AlEt 2 Cl was used as a catalyst. The temperature was 14 ° C., the reaction time 172 minutes and the yield 107 g. The product was extracted with acetone. The methyl ethyl ketone fraction was separated off and analyzed. The intrinsic viscosity of this material in toluene was 0.36.
Die Sulfonierung des Materials wurde auf die in der US-PS 3072618 beschriebene Weise durchgeführt. 5,0 g Produkt wurden in 190 ml Dichloräthan gelöst, dem 0,57 ml Triäthylphosphat und 0,42 ml Schwefeltrioxid bei 5°C zugesetzt wurden. Nach vollendeter Reaktion wurde das Produkt isoliert und analysiert. Die Säure-Base-Titration ergab, daß das Material 3,77 x 10"3 Äquivalente Styrolsulfonsäure/g enthielt. Das Material wurde wie folgt ionisch gemacht: Das Produkt wurde in einem 1:1-Gemisch von Toluol und Methanol gelöst. Zur Lösung wurden 3,77 x 10"3 Äquivalente Natriummethoxid gegeben. Die Lösungsmittel wurden abgedampft, und das getrocknete ionische Pfropfmischpolymere wurde isoliert. Dieses Produkt konnte bei 1490C und einem Druck von 12 kbar über einen Zeitraum von 5 Minuten leicht gepreßt werden. Das Material ließ sich unter diesen Preßbedingungen sehr leicht wiederverarbeiten. Ebenso wie in Beispiel 12 war dieses ionische Pfropfmischpolymerisat entschieden steifer als das nicht-ionische Pfropfmischpolymerisat. Die Zugeigenschaften der beiden Produkte sind nachstehend einander gegenübergestellt.The sulfonation of the material was carried out in the manner described in US Pat. No. 3,072,618. 5.0 g of product were dissolved in 190 ml of dichloroethane, to which 0.57 ml of triethyl phosphate and 0.42 ml of sulfur trioxide were added at 5 ° C. When the reaction was complete, the product was isolated and analyzed. Acid-base titration showed the material to contain 3.77 x 10 "3 equivalents of styrene sulfonic acid / g. The material was made ionic as follows: The product was dissolved in a 1: 1 mixture of toluene and methanol. Dissolve 3.77 x 10 " 3 equivalents of sodium methoxide were added. The solvents were evaporated and the dried ionic graft copolymer was isolated. This product could be easily pressed at 149 ° C. and a pressure of 12 kbar over a period of 5 minutes. The material was very easy to reprocess under these pressing conditions. As in Example 12, this ionic graft copolymer was decidedly stiffer than the nonionic graft copolymer. The tensile properties of the two products are compared below.
Material Zugfestigkeit kPascal Bruchdehnung, %Material tensile strength kPascal elongation at break,%
Styrol-Butyl-Pfropfmischpolymerisat 10 850 200Styrene-butyl graft copolymer 10 850 200
Ionisches Styrol-Butyl-Pfropfmischpolymerisat 28100 2Ionic styrene-butyl graft copolymer 28100 2
Ein handelsüblicher Styrol-Butadien-Kautschuk, der 23 Gew.-% Styrol und 77 Gew.-% Butadien enthielt und ein durch Membran-Osmometrie ermitteltes Molekulargewicht (Zahlenmittel) von 120000 hatte, wurde wie folgt sulfoniert: Der Styrol-Butadien-Kautschuk wurde gereinigt, indem 50 g des Kautschuks in 500 ml Hexan gelöst wurden und das Polymere inlO 1 Methanol ausgefällt wurde. Der Kautschuk wurde auf einem Walzenmischer bei etwa 116°C getrocknet. Durch Sulfonierung von 5 g-Proben des gereinigten Materials unter Verwendung eines (EtO)3PO: (SO3)3-Komplexes wurden Polymere mit verschiedenen Sulfonierungsgraden hergestellt. Die Sulfonierung wurde in Lösungsmittelgemischen aus Cyclohexan und Methylenchlorid durchgeführt. Das Polymere wurde im Lösungsmittelgemisch gelöst, worauf die in Methylenchlorid hergestellten Komplexe unter Rühren zugetropft wurden. Die Reaktion wurde 10 Minuten bei 25°C durchgeführt.A commercially available styrene-butadiene rubber which contained 23% by weight of styrene and 77% by weight of butadiene and had a molecular weight (number average) determined by membrane osmometry of 120,000 was sulfonated as follows: The styrene-butadiene rubber was purified by dissolving 50 g of the rubber in 500 ml of hexane and precipitating the polymer in 10 1 methanol. The rubber was dried on a roller mixer at about 116 ° C. Polymers with various degrees of sulfonation were prepared by sulfonating 5 g samples of the purified material using an (EtO) 3 PO: (SO 3 ) 3 complex. The sulfonation was carried out in mixed solvents of cyclohexane and methylene chloride. The polymer was dissolved in the solvent mixture, whereupon the complexes prepared in methylene chloride were added dropwise with stirring. The reaction was carried out at 25 ° C for 10 minutes.
Die Umwandlung der Sulfonsäure enthaltenden Polymeren in Ionomere wurde durchgeführt, indem das SuI-fonsäurepolymere mit einem 2/1-Überschuß einer NaOH-Lösung in Methanol umgesetzt wurde. Die Polymeren wurden isoliert, indem die Polymerlösung in siedendes Wasser gegeben wurde, wodurch die Lösungsmittel abgedampft wurden und das Polymere ausgefallt wurde. Das isolierte Polymere wurde bei'130°C getrocknet.The conversion of the sulfonic acid containing polymers to ionomers was carried out by using the sulfonic acid polymer was reacted with a 2/1 excess of a NaOH solution in methanol. The polymers were isolated by adding the polymer solution to boiling water, thereby removing the solvents were evaporated and the polymer was precipitated. The isolated polymer was dried at 130.degree.
Die verschiedenen Versuchsergebnisse sind in Tabelle V zusammengestellt. Es ist festzustellen, daß das SuI-fonsäurepolymere bei 6,5 Mol-% SO3H löslich ist, ein Zeichen, daß keine Vernetzung stattgefunden hat. Die Polymeren waren thermoplastisch und konnten bei 1300C und 63300 kPascal gepreßt und umgepreßt werden.The various test results are summarized in Table V. It can be seen that the sulfonic acid polymer is soluble at 6.5 mol% SO3H, a sign that no crosslinking has taken place. The polymers were thermoplastic and could be pressed at 130 0 C and 63,300 Pascals and umgepreßt.
Die Sulfonierung wurde zwar als Sulfonierung des aromatischen Rings beschrieben, jedoch wird angenommen, daß in Polymeren, wie SBR, die in hohem Maße nicht-aromatisch ungesättigt sind, die ungesättigten Stellen ebenfalls sulfoniert werden. Eine Festlegung auf eine Theorie ist nicht beabsichtigt, jedoch wird angenommen, daß die Sulfonsäurekomponenten in Abhängigkeit von dem Molverhältnis der ungesättigten Stellen zum aromatischen Ring und von der Reaktionsfähigkeit der sulfonierten Stellen auf die nicht-aromatischen ungesättigten Stellen und die aromatischen Ringe verteilt werden. Es wird angenommen, daß die ungesättigten Stellen reaktionsfähiger sind als der aromatische Ring. In einem Polymeren, wie SBR, wird somit die überwiegende Zahl der Sulfonsäuregruppen an nicht-aromatisch ungesättigten Stellen angelagert.Although sulfonation has been described as the sulfonation of the aromatic ring, it is believed that in polymers such as SBR, which are highly non-aromatic unsaturation, the sites of unsaturation are also sulfonated. It is not intended to be bound by any theory, but it is believed that the sulfonic acid components depending on the molar ratio of unsaturation to the aromatic ring and the reactivity of the sulfonated sites on the non-aromatic unsaturation Make and the aromatic rings are distributed. It is believed that the unsaturation are more reactive than the aromatic ring. In a polymer such as SBR, therefore, will be the predominant number of the sulfonic acid groups attached to non-aromatic unsaturation points.
55 Tabelle V55 Table V
Herstellung und Eigenschaften eines sulfonierten Styrol-Butadien-Copolymeren (SBR)Production and properties of a sulfonated styrene-butadiene copolymer (SBR)
(EtO)3PO-Menge,
MolUsed
(EtO) 3 PO amount,
Mole
gNaOH
G
MoI-0/.SO 3 H
MoI- 0 /.
Mol-%SO 3 Na
Mol%
Reaktions
produktsState of
Reaction
product
■«·!
lit
i Ii?
■ «·!
lit
i
mlCH 3 OH
ml
100 ml Cyclohexan +
0,0823 Mol5g
100 ml of cyclohexane +
0.0823 moles
MolCH 2 Cl 2
Mole
Lösungsmittel:
Verfügbare Reaktionsfähigkeit in Lösung:SBR amount:
Solvent:
Available responsiveness in solution:
SCb-Menge, MolUsed
SCb amount, mole
SO3HMol%
SO 3 H
SO3NaMol%
SO 3 Na
kPascaltensile strenght
kPascal
kPascalModule (50%)
kPascal
kPascalModule (300%)
kPascal
%strain
%
rest beim Bruch,
%Deformation
rest at break,
%
6,50
6.5
02.90
0
45503710
4550
11,910.9
11.9
4226.4
42
340650
340
05
0
Die Verbesserung der physikalischen Eigenschaften ergibt sich deutlich durch einen Vergleich von Styrol-Butadien-Kautschuk mit dem gleichen Polymeren, das sowohl sulfoniert als auch in das Natriumionomere umgewandelt ist. Die physikalischen Eigenschaften sind in Tabelle VI zusammengestellt.The improvement in the physical properties can be clearly seen by comparing styrene-butadiene rubber with the same polymer that is both sulfonated and converted into the sodium ionomer is converted. The physical properties are summarized in Table VI.
Eigenschaften von sulfoniertem Styrol-Butadien-KautschukProperties of sulfonated styrene-butadiene rubber
Diese Ergebnisse zeigen deutlich, daß die Eigenschaften des Polymeren durch Sulfonierung verbessert werden. Beispielsweise wird bereits mit 0,48 Mol-% SO3H im Polymeren die Zugfestigkeit um mehr als 100% gesteigert. Die sulfonierten Polymeren können in beliebiger üblicher Weise vernetzt werden.These results clearly show that sulfonation improves the properties of the polymer. For example, just 0.48 mol% SO 3 H in the polymer increases the tensile strength by more than 100%. The sulfonated polymers can be crosslinked in any conventional manner.
Nach dem Verfahren der US-PS 3265765 wurde ein Styrol-Butadien-Blockpolymeres hergestellt, dasAccording to the method of US-PS 3265765 a styrene-butadiene block polymer was prepared which
30 Gew.-% Styrol (S) und 70 Gew.-% Butadien (B) enthielt. Das Polymere hatte die Struktur S-B-S. Hierin stellt S die Styroleinheiten mit einem Molekulargewicht (Zahlenmittel) von etwa 15 000 und B die Butadieneinheiten mit einem Molekulargewicht (Zahlenmittel) von etwa 50000 dar. Das Polymere wurde auf die in Beispiel beschriebene Weise sulfoniert. Die Ergebnisse sind in Tabelle VII zusammengestellt.Contained 30% by weight of styrene (S) and 70% by weight of butadiene (B). The polymer had the structure S-B-S. Here S the styrene units having a number average molecular weight of about 15,000; and B the butadiene units having a number average molecular weight of about 50,000. The polymer was based on that in Example sulfonated manner described. The results are shown in Table VII.
MolUsed (EtO ^ PO amount,
Mole
0,158 Mol10 g
0.158 moles
Mol-%SO 3 H
Mol%
11
mlClCH 2 CH 2 Cl
ml
Verfügbare Reaktionsfähigkeit in Lösung
Lösungsmittelgemisch 100 ml Cyclohexan + 40 ml CH2Cl2 Amount of polymer
Available responsiveness in solution
Solvent mixture 100 ml cyclohexane + 40 ml CH 2 Cl 2
MolAmount of SO 3 used
Mole
1414th
Die gemäß Beispiel 1 hergestellten Styrol-Isobutylen-Copolymeren wurden sulfoniert, wobei keine phosphorhalligen Lewis-Basen, sondern andere Komplexbildner verwendet wurden. In Tabelle VIII sind die Ergebnisse der Sulfonierung unter Verwendung von p-Dioxan, Triethylamin und Tetrahydrofuran als Komplexbildner zusammengestellt. Die Ergebnisse zeigen deutlich, daß diese Lewis-Basen wirksame Komplexbildner sind.The styrene-isobutylene copolymers prepared according to Example 1 were sulfonated, but none of them were phosphorus-halous Lewis bases but other complexing agents were used. In Table VIII are the results sulfonation using p-dioxane, triethylamine and tetrahydrofuran as complexing agents compiled. The results clearly show that these Lewis bases are effective complexing agents.
Sulfonierung von Styrol-Isobutylen-CopolymerenSulphonation of styrene-isobutylene copolymers
Alle Produkte waren im Reaktionsmedium löslich. Sie hatten auch ohne Bildung des Ionomeren verbesserte physikalische Eigenschaften. Beispielsweise war das sulfonierte Polymere, das 1,24 Mol-% SO3H enthielt, beständiger gegen Fließen in einer kalten Presse. Die verbesserten physikalischen Eigenschaften wurden der Wasserstoffbildung zugeschrieben. Das Produkt läßt sich auf die in Beispei 14 beschriebene Weise leicht in das lonomere umwandeln. % All products were soluble in the reaction medium. They had improved physical properties even without forming the ionomer. For example, the sulfonated polymer containing 1.24 mole percent SO 3 H was more resistant to flow in a cold press. The improved physical properties were attributed to hydrogen formation. The product is easily converted to the ionomer in the manner described in Example 14. %
Es ist zu bemerken, daß Styrol-Sulfonat-Ionomere aus beliebigen aromatenhaltigen Polymeren hergestellt werden können. Beispielsweise kann Polystyrol selbst in ein ionisches Polymeres nach dem Verfahren gemäß der Erfindung umgewandelt werden. Überraschenderweise wird durch Umsetzung von Polystyrol-Sulfonsäure mit einem aromatischen Härtungsmittel ein einzigartiges thermisch stabiles Produkt gebildet. Das sulfonierte Polystyrol muß ausreichend sulfoniert werden, um in polaren Lösungsmitteln löslich zu sein. Vorzugsweise sollten wenigstens 85%, insbesondere 100% der Styroleinheiten des Polymeren sulfoniert werden.It should be noted that styrene sulfonate ionomers are made from any aromatic-containing polymer can be. For example, polystyrene can itself be converted into an ionic polymer by the method according to of the invention. Surprisingly, by reacting polystyrene sulfonic acid formed a unique thermally stable product with an aromatic curing agent. The sulfonated Polystyrene must be sulfonated sufficiently to be soluble in polar solvents. Preferably should at least 85%, in particular 100% of the styrene units of the polymer are sulfonated.
Als polare Lösungsmittel eignen sich beispielsweise Wasser, Ci-Co-Alkylalkohole und Ci-Ce-Sulfate. Beispiele solcher Lösungsmittel sind Methanol, Äthanol, Methylsulfat, Dimethylsulfat und Trimethylphosphat. Das verwendete Lösungsmittel muß polar sein (d. h. das Dipolmoment muß größer sein als 10 Debye). Es muß nicht-aromatisch sein und das aromatische Härtungsmittel lösen.Suitable polar solvents are, for example, water, Ci-Co-alkyl alcohols and Ci-Ce sulfates. Examples such solvents are methanol, ethanol, methyl sulfate, dimethyl sulfate and trimethyl phosphate. The solvent used must be polar (i.e. the dipole moment must be greater than 10 Debye). It must be non-aromatic and dissolve the aromatic curing agent.
Als Härtungs- oder Vernetzungsmittel eignen sich Ce-Cs-Aromaten, z. B. Benzol, Toluol oder Xylol, C2-C25-Alkylbenzol, Biphenyl, Ci-Qi-substituiertes Biphenyl, Triphenyl, Ci-Cn-substituiertes Triphenyl, Naphthalin, Anthracen und Phenanthren. Kurz gesagt, beliebige aromatische Verbindungen können verwendet werden, vorausgesetzt, daß der aromatische Ring oder die aromatischen Ringe nicht vollständig substituiert sind.Suitable curing or crosslinking agents are Ce-Cs aromatics, e.g. B. benzene, toluene or xylene, C 2 -C 25 -alkylbenzene, biphenyl, Ci-Qi-substituted biphenyl, triphenyl, Ci-Cn-substituted triphenyl, naphthalene, anthracene and phenanthrene. In short, any aromatic compound can be used provided that the aromatic ring or rings are not completely substituted.
Zur Aktivierung der Härtung oder Vernetzung ist ein Katalysator erforderlich, der vorzugsweise in einer Menge von etwa 0,1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf Polystyrol, verwendet wird. Geeignet sind Katalysatoren der allgemeinen FornieiTo activate the curing or crosslinking, a catalyst is required, which is preferably in a Amount of about 0.1 to 10 wt .-%, based on polystyrene, is used. Catalysts of the general type are suitable Forniei
Al(R)nXn, oder Sn(R)„X„Al (R) n X n , or Sn (R) "X"
Hierin ist R ein C|-C8-Alkylrest, X ein Halogenatom, m und «sind ganze Zahlen von 0 bis 3, wobei m + η = 3, und q und ρ sind ganze Zahlen von 0 bis 4, wobei q + ρ = 4, wobei ρ im Falle von q = 0 entweder 2 oder 4 ist.Herein, R is a C | -C 8 -alkyl radical, X is a halogen atom, m and are integers from 0 to 3, where m + η = 3, and q and ρ are integers from 0 to 4, where q + ρ = 4, where ρ is either 2 or 4 in the case of q = 0.
Beispiele solcher Verbindungen sind AlCl3 Aluminiumtriäthyl, Aluminiumdiäthylchlorid, Aluminiumäthyldichlorid, Zinn(II)-chlorid, Zinn(IV)-chlorid, Vanadinpentachlorid, Zinkdichlorid, Bortrichlorid, Phosphortrichlorid, Phosphorpentachlorid und Phosphorpentoxid. Als Katalysatoren eignen sich Friedel-Crafts-Katalysatoren. Ferner eignen sich als Katalysatoren beispielsweise Schwefelsäure, Thionylchlorid, Chlorsulfonsäure und Oleum.Examples of such compounds are AlCl 3 aluminum triethyl, aluminum diethyl chloride, aluminum ethyl dichloride, tin (II) chloride, tin (IV) chloride, vanadium pentachloride, zinc dichloride, boron trichloride, phosphorus trichloride, phosphorus pentachloride and phosphorus pentoxide. Friedel-Crafts catalysts are suitable as catalysts. Also suitable as catalysts are, for example, sulfuric acid, thionyl chloride, chlorosulfonic acid and oleum.
Ein sulfoniertes Polystyrol wurde nach dem Verfahren der US-PS 30 72 618 hergestellt. Etwa 5 g Polystyrol, das ein Molekulargewicht (Zahlenmittel) von 110000 hatte, wurden in etwa 190 ml Dichloräthan gelöst. Diese Lösung wurde dann bei 0° C zu etwa 200 ml Dichloräthan gegeben, das 5,0 ml frisch destilliertes SchwefeltrioxidA sulfonated polystyrene was prepared according to the method of US Pat. No. 3,072,618. About 5 g of polystyrene that had a number average molecular weight of 110,000, were dissolved in about 190 ml of dichloroethane. These The solution was then added to about 200 ml of dichloroethane at 0 ° C., which contained 5.0 ml of freshly distilled sulfur trioxide
und 3,7 ml Triäthylphosphat enthielt. Nach einer Reaktionszeit von etwa 10 Minuten wurde das Produkt, in dem etwa 90,6% der Styroleinheiten sulfoniert waren, gewaschen und getrocknet. Die Grenzviskosität betrug 1,942, gemessen an einer 0,5%igen Lösung in Äthanol bei 250C.and contained 3.7 ml of triethyl phosphate. After a reaction time of about 10 minutes, the product, in which about 90.6% of the styrene units were sulfonated, was washed and dried. The limiting viscosity was 1,942, as measured on a 0.5% solution in ethanol at 25 0 C.
S Beispiel 18S example 18
Das gemäß Beispiel 17 hergestellte Produkt wurde unter Verwendung von Schwefelsäure als Katalysator und Biphenyl als Vulkanisationsmittel in den nachstehend genannten Mengen vulkanisiert.The product prepared according to Example 17 was using sulfuric acid as a catalyst and Biphenyl vulcanized as a vulcanizing agent in the following amounts.
ίο Tabelle IXίο Table IX
VulkanisationsmischungenVulcanization mixtures
Mischung Nr.Mix no.
Gewichtsteile
Sulfoniertes PolystyrolParts by weight
Sulfonated polystyrene
BiphenylBiphenyl
20 320 3
4
54th
5
0 25 42 67 840 25 42 67 84
Das Produkt wurde durch Entfernung des Katalysators und durch Abdampfen des Lösungsmittels isoliert. Die thermische Stabilität dieser Produkte ist in Tabelle X angegeben. Die Nummern der Mischungen in Tabelle X entsprechen den Nummern der Mischung in Tabelle IX.The product was isolated by removing the catalyst and evaporating the solvent. the thermal stability of these products is given in Table X. Mix numbers in Table X correspond to the numbers of the mixture in Table IX.
Thermische Stabilität von vulkanisierten Produkten
(Stickstoffatmosphäre, Heizgeschwindigkeit 6° C/Minute)Thermal stability of vulcanized products
(Nitrogen atmosphere, heating rate 6 ° C / minute)
Mischung
Temp., 0Cmixture
Temp., 0 C
Diese Werte zeigen, daß das selbstvulkanisierte Material (Mischung 1) nicht so stabil ist wie ein Material, das ein zusätzliches Vulkanisationsmittel (z.B. Biphenyl) enthält. Das erhaltene Produkt hat ausgezeichnete Wärmebeständigkeit und eignet sich als Auskleidung für bei hoher Temperatur arbeitende Reaktoren und allgemein für alle Zwecke, bei denen es auf hohe thermische Stabilität ankommt.These values show that the self-vulcanized material (Mixture 1) is not as stable as a material that contains an additional vulcanizing agent (e.g. biphenyl). The product obtained has excellent Heat resistance and is suitable as a lining for reactors operating at high temperatures and generally for all purposes where high thermal stability is important.
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