DE19628143A1 - Verfahren zur Herstellung einer wäßrigen Polymerisatdispersion - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer wäßrigen PolymerisatdispersionInfo
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Description
Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
einer wäßrigen Polymerisatdispersion durch radikalisch initiierte
Polymerisation von radikalisch polymerisierbaren Verbindungen,
deren individuelle Löslichkeit in Wasser unter den Bedingun
gen (Druck, Temperatur) der radikalisch initiierten Polymerisation
wenigstens 0,001 Gew.-%, bezogen auf die jeweilige gesättigte
wäßrige Lösung, beträgt (Verbindungen I), deren dispergierte
Polymerisatteilchen neben den Verbindungen I noch wenigstens eine
Verbindung II, deren Löslichkeit in Wasser unter den Bedingungen
(Druck, Temperatur) der radikalisch initiierten Polymerisation
weniger als 0,001 Gew.-%, bezogen auf die jeweilige gesättigte
wäßrige Lösung beträgt, enthalten, bei dem man aus einem Gemisch,
bestehend aus einem Teil der Verbindungen I und der wenigstens
einen Verbindung II, eine wäßrige Öl (disperse Phase) in Wasser
(kontinuierliche Phase) Emulsion I erzeugt, deren disperse Phase
hauptsächlich aus Tröpfchen eines Durchmessers 500 nm besteht
und bei dem man dem Polymerisationsgefäß unter fortwährender
radikalischer Polymerisation wenigstens einen Teil der wäßrigen
Emulsion I kontinuierlich zuführt.
Wäßrige Polymerisatdispersionen sind fluide Systeme, die als
disperse Phase in wäßrigem Dispergiermedium Polymerisatteilchen
in stabiler disperser Verteilung befindlich enthalten. Der Durch
messer der Polymerisatteilchen liegt im allgemeinen hauptsächlich
im Bereich von 0,01 bis 5 µm, häufig hauptsächlich im Bereich von
0,01 bis 1 µm.
Ebenso wie Polymerisatlösungen beim Verdampfen des Lösungs
mittels, weisen wäßrige Polymerisatdispersionen beim Verdampfen
des wäßrigen Dispergiermediums die Eigenschaft auf, Polymerisat
filme zu bilden, weshalb wäßrige Polymerisatdispersionen in viel
facher Weise als Bindemittel, z. B. für Anstrichfarben oder Massen
zum Beschichten von Leder, Anwendung finden.
Die Herstellung wäßriger Polymerisatdispersionen erfolgt meist
durch radikalische wäßrige Makroemulsionspolymerisation von
radikalisch polymerisierbaren Verbindungen, bei denen es sich,
von gegebenenfalls mitzuverwendenden untergeordneten Mengen
an das Molekulargewicht regelnden Verbindungen (nachfolgend
Molekulargewichtsregler genannt) abgesehen, normalerweise um
wenigstens eine ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisende
Monomere (nachfolgend verkürzt oft nur Monomere genannt) handelt.
Dabei werden die zu polymerisierenden Monomeren, sowie gegebenen
falls mitverwendete Molekulargewichtsregler, ohne größeren Auf
wand, z. B. durch übliches Rühren, im wäßrigen Medium emulgiert
und unter Zusatz von sich im wäßrigen Medium lösenden radika
lischen Polymerisationsinitiatoren polymerisiert. Der Begriff
Emulsion drückt dabei aus, daß ein System von zwei nicht oder
nur wenig ineinander löslichen Flüssigkeiten vorliegt, in dem die
Flüssigkeiten in mehr oder weniger feiner Verteilung vorliegen.
Die im Überschuß vorhandene Flüssigkeit wird als kontinuierliche
oder äußere Phase bezeichnet und die in der diskontinuierlichen
Phase tröpfchenförmig verteilte Flüssigkeit wird disperse Phase
genannt. Von einer wäßrigen Emulsion wird in der Regel dann
gesprochen, wenn die wäßrige Phase die kontinuierliche Phase
bildet. Zur Herstellung einer Emulsion bedarf es normalerweise
des Zusatzes von Emulgatoren (Ullmann′s Encyklopädie der techni
schen Chemie, Bd. 10, 4. Auflage, Verlag Chemie, Weinheim (1975),
(S. 449), die die unmittelbare Vereinigung von zwei zufällig
zusammenstoßenden Flüssigkeitströpfchen der dispersen Verteilung
unterbindet. Das Präfix "Makro" bringt zum Ausdruck, daß es sich
bei der wäßrigen Monomerenemulsion um eine solche handelt, deren
disperse Phase infolge des geringen Verteilungsaufwandes haupt
sächlich aus Tröpfchen eines Durchmessers 1000 nm besteht.
Wesentliches Merkmal der radikalischen wäßrigen Makroemulsions
polymerisation ist nun, daß jedes der zu polymerisierenden Mono
meren unter den Bedingungen (Druck, Temperatur) der radikalischen
wäßrigen Makroemulsionspolymerisation in Wasser eine gewisse Lös
lichkeit aufweist. Dem in der äußeren wäßrigen Phase der wäßrigen
Makromonomerenemulsion gelösten Polymerisationsinitiator stehen
so in großer Anzahl in der selben äußeren wäßrigen Phase gelöste
Monomere als Reaktionspartner zur Verfügung. Oberhalb einer
kritischen Kettenlänge fallen die dabei entstehenden Oligomer
radikale aus (homogene Nukleierung) und bilden Primärteilchen.
Ist die Geschwindigkeit des Radikaleinfangs durch solche Primär
teilchen gleich der Radikalbildungsgeschwindigkeit, ist die Poly
merisatteilchenbildungsphase im wesentlichen beendet und es
schließt sich die Polymerisatteilchenwachstumsphase an. In dieser
diffundieren die Monomeren aus den dispers verteilten Monomer
tröpfchen durch die Wasserphase in die Polymerisatprimärteilchen,
wo sie durch die eingefangenen Radikale polymerisiert und an das
Primärteilchen gebunden werden. Die das Molekulargewicht regeln
den Verbindungen verhalten sich dabei im wesentlichen wie Mono
mere und unterscheiden sich von den Monomeren im wesentlichen nur
dadurch, daß sie normalerweise keine ethylenisch ungesättigte
Doppelbindung aufweisen und daher die Polymerisationskette nicht
aufrechtzuerhalten vermögen, sondern diese abbrechen.
Da die homogene Nukleierung ein stochastischer Prozeß ist, ist
ihre Reproduzierbarkeit nicht befriedigend. Üblicherweise erhöht
man deshalb bei der radikalischen wäßrigen Makroemulsionspoly
merisation die in der wäßrigen Makromonomerenemulsion enthaltene
Emulgatormenge auf Werte oberhalb der kritischen Micellbildungs
konzentration und bietet so in der äußeren wäßrigen Phase in
großer reproduzierbarer Zahl micellare Aufenthaltsorte an,
wodurch sich die homogene Nukleierung unterdrücken läßt. Die
Micellen fangen aufgrund ihrer großen Oberfläche die Oligomer
radikale ein und fungieren in entsprechender Weise wie die
Primärteilchen als die Polymerisationszentren (heterogene
Nukleierung), wobei das Verhältnis von zu polymerisierender Mono
merenmenge und angebotenen Micellen im wesentlichen den Durch
messer der resultierenden, unmittelbar in disperser Verteilung
befindlich entstandenen, Polymerisatteilchen bestimmt. Die sei
tens der großen Monomerentröpfchen angebotene Oberfläche ist im
Vergleich zur Oberfläche der kleinen Micellen sehr viel kleiner
und vermag im wesentlichen keine Oligomerradikale einzufangen.
Mit anderen Worten befinden sich bei der radikalischen wäßrigen
Makroemulsionspolymerisation die Polymerisationsorte außerhalb
der dispers verteilten Monomerentröpfchen in der wäßrigen Phase
und die dispers verteilten Monomerentröpfchen fungieren lediglich
als Monomerenreservoir, aus dem heraus die Polymerisationsorte
durch Diffusion über die wäßrige Phase mit Monomeren versorgt
werden.
Dieses Prinzip stößt jedoch dann an seine Grenzen, wenn neben
mit der radikalischen wäßrigen Makroemulsionspolymerisation poly
merisierbaren Monomeren Monomere wie z. B. Stearylacrlyat oder
Vinylstearat einpolymerisiert werden sollen, deren Löslichkeit
unter Polymerisationsbedingungen in Wasser < 0,001 Gew.-%,
bezogen auf die gesättigte wäßrige Lösung, beträgt (Moore
schätzte die Löslichkeit von Vinylstearat in Wasser [vgl. J.
Polym. Sci., Part A-1, 1967, 5, 2665] auf 10-10 mol/dm³). Aufgrund
ihrer unzureichenden Löslichkeit in Wasser vermögen derartige
Monomere nicht mit ausreichender Geschwindigkeit zu den bei der
radikalischen wäßrigen Makroemulsionspolymerisation in den in der
kontinuierlichen wäßrigen Phase befindlichen Polymerisationsorten
transportiert werden. Sie bleiben daher als Resttröpfchen der
ursprünglichen Monomerentröpfchen zurück und werden im wesent
lichen nicht in die Polymerisatteilchen eingebaut. Häufig ist die
Copolymerisation derartiger hydrophiler Monomere jedoch gerade
erwünscht, um den Verfilmungen der resultierenden wäßrigen
Polymerisatdispersion ein möglichst hydrophobes Eigenschafts
profil zu verleihen.
Die Tatsache, daß bei der radikalischen wäßrigen Makroemulsions
polymerisation die im wäßrigen Medium dispers verteilten
Monomerentröpfchen nicht die eigentlichen Polymerisationsstätten
sind, macht sich auch dann nachteilig bemerkbar, wenn in die
wäßrige Polymerisatdispersion in Wasser wenig lösliche organische
Hilfsmittel wie z. B. Weichmacher, Verbesserer der Klebrigkeit
der resultierenden Verfilmung, Filmbildehilfsmittel oder sonstige
organische Additive eingearbeitet werden sollen.
Diese Substanzen sind zwar in der Regel mit der Monomerenphase
verträglich, arbeitet man sie jedoch vor Beginn der radikalischen
wäßrigen Makroemulsionspolymerisation in selbige ein, bleiben
auch sie als Resttröpfchen der ursprünglichen Monomerentröpfchen
zurück und bilden in der resultierenden wäßrigen Polymerisat
dispersion separate Teilchen, die sich in ihrer Massendichte und
Größe von den gebildeten Polymerisatteilchen in der Regel erheb
lich unterscheiden, was zu Sedimentations-, Flotations- und/oder
Koagulationserscheinungen führen kann. Erwünscht wäre hingegen
ein Aufenthalt dieser Additive in den dispergierten Polymerisat
teilchen selbst, was sich normalerweise durch ein nachträgliches
Einarbeiten solcher Additive in die fertig gestellte wäßrige
Polymerisatdispersion nicht erreichen läßt.
Den vorstehend aufgezeigten Problemen bei der radikalischen
wäßrigen Makroemulsionspolymerisation läßt sich in an sich be
kannter Weise dadurch abhelfen, daß man durch besondere Maßnahmen
die Größe der Monomerentröpfchen in der wäßrigen Monomeren-(und
gegebenenfalls Additiv)-emulsion soweit verringert, daß diese
Tröpfchen überwiegend einen Durchmesser 500 nm aufweisen. Bemißt
man gleichzeitig die Emulgatormenge so, daß im wäßrigen Medium im
wesentlichen keine Micellbildung vorliegt, so werden die Oligo
merradikale von den kleinen, eine vergleichsweise große Gesamt
oberfläche aufweisenden, Monomerentröpfchen eingefangen und die
Polymerisation findet in den Monomerentröpfchen selbst statt.
Abgeleitet von der geringen Größe der Monomerentröpfchen wird
diese Art und Weise der radikalischen wäßrigen Emulsionspoly
merisation als radikalische wäßrige Miniemulsionspolymerisation
und die wäßrige Ausgangsemulsion als Monomerenminiemulsion
bezeichnet. Nach der Methode der radikalischen wäßrigen Mini
emulsionspolymerisation lassen sich auch besonders hydrophobe
Monomere (z. B. auch Makromonomere (wie Oligopropenacrylate) =
Oligomere oder Polymere, die wenigstens eine ethylenisch unge
sättigte Doppelbindung aufweisen) ohne weiteres copolymerisieren.
Arbeitet man sonstige hydrophobe Additive vorab der Erzeugung
der wäßrigen Monomerenminiemulsion in die zu polymerisierenden
Monomere mit ein, sind diese Additive in vorteilhafter Weise
auch noch in den dispergierten Polymerisatteilchen in chemisch
und/oder physikalisch gebundener Form enthalten.
Die vorgenannten hydrophoben Komponenten wirken sich im Verlauf
der radikalischen wäßrigen Miniemulsionspolymerisation aber nicht
nur nicht nachteilig aus, sondern beeinflussen deren Verlauf
normalerweise positiv, in dem sie die sogenannte Ostwaldreifung
mindern. Darunter wird der Prozeß verstanden, durch den die klei
neren Monomerentröpfchen infolge ihres erhöhten Krümmungsradius
und dem daraus resultierenden erhöhten Diffusionsdruck Monomere
an die größeren Monomerentröpfchen verlieren. Ein weiterer Vor
teil der radikalischen wäßrigen Miniemulsionspolymerisation liegt
darin, daß sich durch die Einstellung der Tröpfchengröße der
wäßrigen Monomerenminiemulsion in einfacher Weise die Größe der
resultierenden Polymerisatteilchendurchmesser regulieren läßt, da
letztere im wesentlichen der Tröpfchengröße entsprechen. Häufig
liegen die überwiegenden Durchmesser der wäßrigen Monomerenmini
emulsion oberhalb von 40 nm. Günstig ist der Tröpfchendurch
messerbereich von 100 nm bis 300 nm, bzw. von 100 nm bis 200 nm.
Dadurch unterscheidet sich die radikalische wäßrige Miniemul
sionspolymerisation signifikant von der radikalischen wäßrigen
Suspensionspolymerisation, wo von einer wäßrigen Monomeren
emulsion mit einer Monomerentröpfchengröße 0,01 mm ausgegangen
wird. Ferner müssen für die radikalische wäßrige Suspensions
polymerisation zwingend solche radikalischen Polymerisations
initiatoren verwendet werden, die sich vorzugsweise nicht im
kontinuierlichen wäßrigen Medium, sondern unmittelbar in den
Monomerentröpfchen selbst auflösen. Zwar können solche als öllös
liche radikalische Polymerisationsinitiatoren bezeichnete Starter
auch für die radikalische wäßrige Miniemulsionspolymerisation
eingesetzt werden, doch sind sie zur Durchführung derselben
weniger bevorzugt. Dies liegt darin begründet, daß durch ihren
bevorzugten Aufenthalt im Monomerentröpfchen die lokale Radikal
konzentration in selbigem üblicherweise vergleichsweise hoch ist.
Dies fördert Abbruchreaktionen der radikalischen Kette sowie die
radikalische Rekombination, wodurch das erzielbare polymere Mole
kulargewicht und die Polymerisationsgeschwindigkeit gemindert
werden.
Vorteilhaft an der radikalischen wäßrigen Miniemulsionspolymeri
sation ist ferner, daß sie die Herstellung relativ emulgator
armer (die kritische Micellbildungskonzentration muß nicht über
schritten werden) feinteiliger wäßriger Polymerisatdispersionen
ermöglicht.
Voraussetzung für ein ideales Gelingen einer radikalischen
wäßrigen Miniemulsionspolymerisation ist, daß mehr oder weniger
in allen Monomerentröpfchen der wäßrigen Monomerenminiemulsion
die radikalische Polymerisation gleichzeitig ausgelöst wird.
Wird diese Voraussetzung nicht erfüllt, fungieren die nicht
gestarteten Monomerentröpfchen wie bei der radikalischen wäßrigen
Makroemulsionspolymerisation als Monomerenreservoir für die
gestarteten Monomerentröpfchen. Dadurch ändern sie ihre Zusammen
setzung, was im Fall ihrer nachträglichen Initiierung zu Unein
heitlichkeiten in der Zusammensetzung der resultierenden Poly
merisatteilchen führen kann. Im ungünstigsten Fall verbleiben die
hydrophoben Tröpfchenbestandteile als Resttröpfchen und bedingen
Koagulation oder Aufrahmen etc.
Um diesen Zusammenhängen Rechnung zu tragen, wird die
radikalische wäßrige Miniemulsionspolymerisation meist batch
förmig durchgeführt. D.h., die wäßrige Monomerenminiemulsion
wird erzeugt, ins Polymerisationsgefäß vorgelegt, auf die Poly
merisationstemperatur erwärmt und anschließend unter Rühren mit
einer ausreichenden Menge an radikalischem wäßrigem Polymeri
sationsinitiator versetzt (vgl. z. B. P. Rajatapiti, V.L. Dimonie,
M.S. El-Aasser, Polymeric Materials Science and Engineering,
Proc. of the ACS Division of Polymeric Materials Science and
Engineering, 71 (1994), S. 57 bis 59; Journal of Applied Polymer
Science, Vol. 49, S. 633 bis 655 (1993); EP-A 520478;
EP-A 401 565).
Problematisch an allen radikalischen Polymerisationen von wenig
stens eine ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisenden Monomeren
ist jedoch, daß sie äußerst exotherm verlaufen. Aus Gründen einer
sichereren Reaktionskontrolle werden sie daher ganz allgemein nur
äußerst ungern batchförmig ausgeführt.
Vielmehr wird die Zulauf fahrweise bevorzugt, bei der die radika
lisch zu polymerisierenden Monomeren der Polymerisationszone
unter fortwährender Polymerisation nach Maßgabe ihres Verbrauchs
kontinuierlich zugeführt werden.
Führt man einer Polymerisationszone unter fortwährender Poly
merisation eine wäßrige Monomerenminiemulsion nach Maßgabe ihres
Verbrauchs kontinuierlich zu, so treffen zu einem späteren Zeit
punkt zugeführte Monomerentröpfchen stets auf bereits radikalisch
initiierte Monomerentröpfchen. Erstere fungieren daher für
letztere so lange als Monomerenreservoir, bis erstere selbst
initiiert werden. Dies führt zu den bereits beschriebenen Nach
teilen.
Die DE-A 40 25 290 versucht diesem Problem dadurch zu begegnen,
daß sie einen öllöslichen Polymerisationsinitiator verwendet, der
vorab der Herstellung der wäßrigen Monomerenminiemulsion in den
Monomeren gelöst wird.
Eine solche Verfahrensweise ist jedoch äußerst riskant und in
einer großtechnischen Realisierung kaum vertretbar.
Ein weiterer Nachteil einer reinen Monomerenminiemulsionszulauf
fahrweise liegt darin begründet, daß der Fließwiderstand einer
wäßrigen Monomerenminiemulsion infolge der geringen Monomeren
tröpfchendurchmesser mit zunehmendem Gewichtsanteil der emulgier
ten Monomeren stark wächst. Monomerengewichtsanteile oberhalb
von 50 Gew.-% sind daher kaum denkbar. Dies beschränkt in
entsprechender Weise den möglichen Feststoffvolumenanteil der
resultierenden wäßrigen Polymerisatdispersion.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand daher darin, ein
Verfahren der radikalischen wäßrigen Miniemulsionspolymerisation,
bei dem der Polymerisationszone unter fortwährender Polymeri
sation wenigstens ein Teil der wäßrigen Monomerenminiemulsion
kontinuierlich zugeführt wird, zur Verfügung zu stellen, das
die Nachteile der Verfahren des Standes der Technik in einem
geringeren Ausmaß aufweist.
Demgemäß wurde ein Verfahren zur Herstellung einer wäßrigen
Polymerisatdispersion durch radikalisch initiierte Polymerisation
von radikalisch polymerisierbaren Verbindungen deren individuelle
Löslichkeit in Wasser unter den Bedingungen (Druck, Temperatur)
der radikalisch initiierten Polymerisation wenigstens
0,001 Gew.-%, bezogen auf die jeweilige gesättigte wäßrige
Lösung, beträgt (Verbindungen I), deren dispergierte Polymerisat
teilchen neben den Verbindungen I noch wenigstens eine Ver
bindung II, deren Löslichkeit in Wasser unter den Bedingungen
(Druck, Temperatur) der radikalisch initiierten Polymerisation
weniger als 0,001 Gew.-%, bezogen auf die jeweilige gesättigte
wäßrige Lösung beträgt, enthalten, bei dem man aus einem Gemisch,
bestehend aus einem Teil der Verbindungen I und der wenigstens
einen Verbindung II, eine Öl (disperse Phase) in Wasser (konti
nuierliche Phase) Emulsion I erzeugt, deren disperse Phase
hauptsächlich aus Tröpfchen eines Durchmessers 500 nm besteht
und bei dem man dem Polymerisationsgefäß unter fortwährender
radikalischer Polymerisation wenigstens einen Teil der wäßrigen
Emulsion I als einen Zulauf I kontinuierlich zuführt, gefunden,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß man den kontinuierlichen
Zulauf I wenigstens zeitweise durch wenigstens einen Zulauf II
begleitet, mit der Maßgabe, daß der wenigstens eine Zulauf II ein
Zulauf eines anderen Teils der Verbindungen I und/oder eine Öl
(disperse Phase) in Wasser (kontinuierliche Phase) Emulsion II
eines anderen Teils der Verbindungen I ist, deren disperse Phase
hauptsächlich aus Tröpfchen eines Durchmessers 1000 nm besteht.
Als Verbindungen I kommen alle diejenigen wenigstens eine
ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisenden Monomeren in
Betracht, die üblicherweise im Rahmen der radikalischen wäßrigen
Makroemulsionspolymerisation Anwendung finden. Zu diesen Mono
meren zählen Olefine, wie z. B. Ethylen, vinylaromatische Monomere
wie Styrol, α-Methylstyrol, o-Chlorstyrol oder Vinyltoluole,
Vinyl- und Vinylidenhalogenide wie Vinyl- und Vinylidenchlorid,
Ester aus Vinylalkohol und 1 bis 12 C-Atome aufweisenden Mono
carbonsäuren wie Vinylacetat, Vinylpropionat, Vinyl-n-butyrat,
Vinyllaurat sowie im Handel befindliche Monomere VEOVA® 9-11
(VEOVA X ist ein Handelsname der Firma Shell und steht für Vinyl
ester von Carbonsäuren, die auch als Versatic® X-Säuren bezeich
net werden), Ester aus Allylalkohol und 1 bis 12 C-Atome aufwei
senden Monocarbonsäuren wie Allylacetat, Allylpropionat, Allyl-n-
butyrat und Allyllaurat, Ester aus vorzugsweise 3 bis 6 C-Atome
aufweisenden α,β-monoethylenisch ungesättigten Mono- und Dicarbon
säuren, wie insbesondere Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure,
Fumarsäure und Itaconsäure, mit im allgemeinen 1 bis 12, vorzugs
weise 1 bis 8 und insbesondere 1 bis 4 C-Atome aufweisenden
Alkanolen, wie besonders Acrylsäure- und Methacrylsäuremethyl-,
-ethyl-, -n-butyl-, -iso-butyl- und -2-ethylhexylester, Malein
säuredimethylester oder Maleinsäure-n-butylester, Nitrile
α,β-monoethylenisch ungesättigter Carbonsäuren wie Acrylnitril
sowie C4-8-konjugierte Diene wie 1,3-Butadien und Isopren auf
gebaut ist.
Die genannten Monomeren bilden in der Regel die Hauptmonomeren,
die, bezogen auf die Gesamtmenge der einzupolymerisierenden Mono
meren, normalerweise einen Anteil von mehr als 50 Gew.-% auf sich
vereinen. Verbindungen I, die für sich polymerisiert üblicher
weise Homopolymerisate ergeben, die eine erhöhte Wasserlöslich
keit aufweisen, werden im Normalfall lediglich als modifizierende
Monomere in Mengen, bezogen auf die Gesamtmenge der zu polymeri
sierenden Monomeren, von weniger als 50 Gew.-%, in der Regel 0,5
bis 20, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-%, miteinpolymerisiert.
Beispiele für derartige Monomere sind 3 bis 6 C-Atome aufweisende
α,β-monoethylenisch ungesättigte Mono- und Dicarbonsäuren und
deren Amide wie z. B. Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure,
Fumarsäure, Itaconsäure, Acrylamid und Methacrylamid, ferner
Vinylsulfonsäure und deren wasserlösliche Salze sowie N-Vinyl
pyrrolidon.
Monomere, die üblicherweise die innere Festigkeit der Ver
filmungen der wäßrigen Polymerisatdispersionen erhöhen, werden in
der Regel ebenfalls nur in untergeordneten Mengen, meist 0,5 bis
10 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der zu polymerisierenden
Monomeren, miteinpolymerisiert. Normalerweise weisen derartige
Monomere eine Epoxy-, Hydroxy-, N-Methylol-, Carbonyl- oder
wenigstens zwei nicht konjugierte ethylenisch ungesättigte
Doppelbindungen auf. Beispiele hierfür sind N-Alkylolamide von
3 bis 10 C-Atome aufweisenden α,β-monoethylenisch ungesättigten
Carbonsäuren sowie deren Ester mit 1 bis 4 C-Atome aufweisenden
Alkanolen, unter denen das N-Methylolacrylamid und das N-Methy
lolmethacrylamid ganz besonders bevorzugt sind, zwei Vinylreste
aufweisende Monomere, zwei Vinylidenreste aufweisende Monomere
sowie zwei Alkenylreste aufweisende Monomere. Besonders geeignet
sind dabei die Di-Ester zweiwertiger Alkohole mit α,β-mono
ethylenisch ungesättigten Monocarbonsäuren, unter denen wiederum
die Acryl- und Methacrylsäure vorzugsweise eingesetzt werden.
Beispiele für derartige zwei nicht konjugierte ethylenisch unge
sättigte Doppelbindungen aufweisende Monomere sind Alkylenglycol
diacrylate- und -dimethacrylate wie Ethylenglycoldiacrylat,
1,3-Butylenglycoldiacrylat, 1,4-Butylenglycoldiacrylat sowie
Propylenglycoldiacrylat, Divinylbenzol, Vinylmethacrylat, Vinyl
acrylat, Allylmethacrylat, Allylacrylat, Diallylmaleat, Diallyl
fumarat, Methylenbisacrylamid, Cyclopentadienylacrylat oder Tri
allylcyanurat, In diesem Zusammenhang von besonderer Bedeutung
sind auch die Methacrylsäure- und Acrylsäure-C₁-C₈-Hydroxyalkyl
ester wie n-Hydroxyethyl-, n-Hydroxypropyl- oder n-Hydroxybutyl
acrylat und -methacrylat sowie Verbindungen wie Diacetonacrylamid
und Acetylacetoxyethylacrylat bzw.-methacrylat.
Neben ethylenisch ungesättigte Doppelbindungen aufweisenden
Monomeren können die Verbindungen I in untergeordneten Mengen,
üblicherweise 0,01 bis 2 Gew.-%, bezogen auf die zu polymeri
sierenden Monomeren, bei radikalischen Polymerisationen das
Molekulargewicht regelnde Substanzen wie Mercaptane, z. B. tert.-
Dodecylmercaptan oder 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan, umfassen.
Somit können die Verbindungen I z. B. aus
- A) 80 bis 100 Gew.-Teilen wenigstens eines Monomeren aus der Gruppe umfassend Styrol, α-Methylstyrol, Vinyltoluole, Ester aus 3 bis 6 C-Atome aufweisenden α,β-monoethylenisch ungesättigten Carbonsäuren und 1 bis 12 C-Atome aufweisenden Alkanolen, Butadien sowie Vinyl- und Allylester von 1 bis 12 C-Atome aufweisenden Alkancarbon säuren (Monomere A) und
- B) 0 bis 20 Gew.-Teilen sonstigen, wenigstens eine ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisenden Verbindungen I (Monomere B)
sowie gegebenenfalls 0,01 bis 2 Gew.-%, bezogen auf die Summe aus
den Monomeren A und B, an das Molekulargewicht regelnden
Verbindungen I bestehen.
Mögliche Monomere A sind dabei z. B. n-Butylacrylat, 2-Ethylhexyl
acrylat, Methylmethacrylat und Styrol.
Mögliche Monomere B sind Acrylamid, Methacrylamid, Acrylsäure,
Acrylnitril, Methacrylnitril, 2-Acrylamido-2-methylpropansulfon
säure, Vinylpyrrolidon, Hydroxyethylacrylat, Mydroxymethyl
acrylat, Hydroxypropylacrylat, Hydroxypropylmethacrylat, quater
niertes Vinylimidazol, N,N-Dialkylaminoalkyl(meth)acrylate,
N,N-Dialkylaminoalkyl(meth)acrylamide, Trialkylammoniumalkyl
(meth)acrylate und Trialkylammoniumalkyl(meth)acrylamide.
(Meth)acryl- steht hierbei verkürzend für Methacryl- oder Acryl-.
Erfindungsgemäße Ausführungsformen sind aber auch solche, bei
denen die Verbindungen I zu
- - 70 bis 100 Gew.-% aus Estern der Acryl- und/oder Meth
acrylsäure mit 1 bis 12 C-Atome auf
weisenden Alkanolen und/oder Styrol,
oder zu - - 70 bis 100 Gew.-% aus Styrol und/oder Butadien,
oder zu - - 70 bis 100 Gew.-% aus Vinylchlorid und/oder Vinyliden
chlorid,
oder zu - - 40 bis 100 Gew.-% aus Vinylacetat, Vinylpropionat und/oder Ethylen
zusammengesetzt sind.
Häufig erfolgt die Wahl der Monomerenzusammensetzung innerhalb
der vorgenannten Zusammensetzungsraster so, daß die Glasüber
gangstemperaturwerte (DSC, midpoint temperature) der resultieren
den Polymerisate bei alleiniger Polymerisation der Verbindungen I
unterhalb von 50°C bzw. unterhalb von 30°C, oft unterhalb von 20°C
und vielfach auch unterhalb von 0°C (bis zu -70°C) liegen würde.
Die Verbindungen II können ebenfalls monoethylenisch ungesättigte
Gruppen aufweisen. In diesem Fall sind sie den zu polymerisieren
den Monomeren zuzurechnen.
Beispiele für solche Verbindungen II sind z. B. p-tert.-Butyl
styrol, Ester aus 3 bis 6 C-Atome aufweisenden α,β-monoethylenisch
ungesättigten Carbonsäuren und mehr als 12 C-Atome (in der Regel
bis zu 30 C-Atome) aufweisenden Alkanolen, wie z. B. Stearyl
acrylat. Aber auch Ester aus Vinylalkohol oder Allylalkohol und
mehr als 12 C-Atome (in der Regel bis zu 30 C-Atome) aufweisenden
Alkancarbonsäuren, wie z. B. Vinylstearat, sind solche Verbin
dungen II. Zu den copolymerisierbaren Verbindungen II zählen aber
auch Makromonomere wie Oligopropenacrylat. Ganz allgemein sind
Makromonomere polymere oder oligomere Verbindungen, die wenig
stens eine, meist endständige, ethylenisch ungesättigte Doppel
bindung aufweisen. Ihr relatives zahlenmittleres Molekulargewicht
sollte für eine Verwendbarkeit als mögliche Verbindung II vor
zugsweise nicht mehr als 100 000 betragen. In der Regel wird die
ses relative zahlenmittlere Molekulargewicht 1000 bis 50 000 bzw.
2000 bis 50 000 betragen. Makromonomere sind dem Fachmann bekannt.
Ihre Herstellung ist beispielsweise in Makromol. Chem. 223 (1994)
S. 29 bis 46 beschrieben. Ganz allgemein kommen als copoly
merisierbare Verbindungen II solche Monomeren in Betracht, deren
Löslichkeit bei 25°C und 1 bar in Wasser geringer ist als die
Löslichkeit von Laurylacrylat (teilweise kann auch Laurylacrylat
selbst noch als mögliche Verbindung II verwendet werden). Solche
Monomeren sind z. B. auch das Methacryloyl-Polybutylacrylat AB-6
und das Methacryloyl-Polystyrol AS-6 der Fa. Toa Gasei Kagaku KK
(JP), die beide ein zahlenmittleres relatives Molekulargewicht
von 6000 aufweisen. Aber auch Polyol 130 der Hüls AG (ein stereo
spezifisches, niedrigviskoses Polybutadien (75% 1,4-cis, 24%
1,4-trans, 1% vinyl), dessen dynamische Viskosität bei 20°C
3000 mPa·s beträgt) und Polyol 110 der Hüls AG (ein stereo
spezifisches, niedrigviskoses Polybutadien (75% 1,4-cis, 24%
1,4-trans, 1% vinyl), dessen dynamische Viskosität bei 20°C
3000 mPa·s beträgt) bilden als Makromonomere einsetzbare
Verbindungen II.
Selbstverständlich können bei entsprechend geringer Löslichkeit
in Wasser aber auch keine ethylenisch ungesättigte Gruppe auf
weisende höhermolekulare Verbindungen geeignete Verbindungen II
bilden. Als Beispiele genannt seien Acronal® A 150 F, ein Poly-n-
butylacrylat der BASF AG, dessen 50gew.-%ige Lösung in Ethyl
acetat bei 23°C und 1 atm eine Viskosität (bestimmt nach ISO 3219,
DIN 53 019, bei 250 s-1) von 33 mPa·s aufweist.
Aber auch PnBA, ein Hochtemperatur (120°C)lösungs(Isopropanol)poly
merisat des n-Butylacrylats mit einem bei 25°C in Isopropanol
bestimmten K-Wert von 24 kommt als mögliche Verbindung II in
Betracht. Der K-Wert ist eine relative Viskositätszahl, die in
Analogie zur DIN 53 726 bestimmt wird. Er beinhaltet die Fließ
geschwindigkeit des reinen Lösungsmittels relativ zur Fließ
geschwindigkeit der 0,1gew.-%igen Lösung des Polymerisats im
selben Lösungsmittel (vgl. auch Cellulosechemie, Vol. 13 (1932),
S. 58-64, und Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology,
Vol. 23, S. 967-968). Der K-Wert ist ein Maß für das mittlere
Molekulargewicht eines Polymerisats. Ein hoher K-Wert entspricht
dabei einem hohen mittleren Molekulargewicht.
Mögliche Verbindungen II sind aber auch Harze wie Kollophonium
harze (vgl. Ullmann′s Encykl. Techn. Chem. 4. Auflage (1976),
Vol. 12, S. 525-538) und Kohlenwasserstoffharze (vgl. Encycl.
Polym. Sci. Eng. (1987) Vol. 7, S. 758-782), wie z. B. Kristalex
F 85 der Fa. Hercules. Beispielhaft genannt sei Foral® 85 E, ein
Glycerinester von hochhydriertem Kollophoniumharz (Erweichungs
punkt: 86°C) der Fa. Hercules.
Aber auch sonstige wasserunlösliche, öllösliche Substanzen wie
aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe (z. B. Hexadekan),
öllösliche Silikonverbindungen, Filmbildehilfsmittel oder Weich
macher wie Plastilit® 3060 (ein Polypropylenglykol-alkylphenyl
ether Weichmacher) kommen als mögliche Verbindungen II (die
häufig in Form von Gemischen angewendet werden) in Betracht.
Selbstverständlich können als Verbindungen II auch Molekular
gewichtsregler (z. B. wasserunlösliche Mercaptane) verwendet
werden. Bezogen auf die Menge der erfindungsgemäß radikalisch
zu polymerisierenden Monomeren wird ihr Anteil normalerweise
2 Gew.-% nicht überschreiten.
Die Herstellung der erfindungsgemäß erforderlichen wäßrigen
Emulsion I kann in einfacher, an sich bekannter, Weise so
erfolgen, daß man die sie enthaltenden Verbindungen I und II mit
einander mischt und zunächst in einfacher Weise in eine Emulgator
gelöst enthaltende wäßrige Lösung einrührt und so eine wäßrige
Monomerenmakroemulsion erzeugt. Dabei kann die wäßrige Emulgator
lösung auch bereits pH-Puffersubstanzen wie Natriumhydrogen
carbonat zugesetzt enthalten, die den pH-Wert des wäßrigen
Mediums während der späteren radikalischen Polymerisation günstig
gestalten. Als Emulgator werden vorzugsweise anionische und/oder
nichtionische Emulgatoren verwendet. Prinzipiell ist aber auch
die Anwendung kationischer Emulgatoren möglich. Es können alle
diejenigen Emulgatoren angewendet werden, deren Anwendungs
möglichkeit für die radikalische wäßrige Makroemulsionspoly
merisation bekannt ist (Öl in Wasser Emulgatoren).
Gebräuchliche Emulgatoren sind z. B. ethoxylierte Mono-,
Di- und Tri-Alkylphenole (EO-Grad: 3 bis 50, Alkylrest: C₄ bis
C₉), ethoxylierte Fettalkohole (EO-Grad: 3 bis 50, Alkylrest: C₈
bis C₃₆), sowie Alkali- und Ammoniumsalze von Alkylsulfaten
(Alkylrest: C₈ bis C₁₂), von Schwefelsäurehalbestern ethoxylierter
Alkanole (EO-Grad: 4 bis 30, Alkylrest: C₁₂ bis C₁₈) und ethoxy
lierter Alkylphenole (EO-Grad: 3 bis 50, Alkylrest: C₄ bis C₉),
von Alkylsulfonsäuren (Alkylrest: C₁₂ bis C₁₈) und von Alkylaryl
sulfonsäuren (Alkylrest: C₉ bis C₁₈). Weitere geeignete Emul
gatoren finden sich in Houben-Weyl, Methoden der organischen
Chemie, Band XIV/1, Makromolekulare Stoffe, Georg-Thieme Verlag,
Stuttgart, 1961, Seiten 192 bis 208.
Als geeignete Emulgatoren haben sich auch Verbindungen der all
gemeinen Formel I
worin R¹ und R² Wasserstoff oder C₄- bis C₂₄-Alkyl bedeuten und
nicht gleichzeitig Wasserstoff sind, und X und Y Alkalimetall
ionen und/oder Ammoniumionen sein können, erwiesen. In der
Formel I bedeuten R¹ und R² bevorzugt lineare oder verzweigte
Alkylreste mit 6 bis 18 C-Atomen oder Wasserstoff, und ins
besondere mit 6, 12 und 16 C-Atomen, wobei R¹ und R² nicht
beide gleichzeitig Wasserstoff sind. X und Y sind bevorzugt
Natrium, Kalium oder Ammoniumionen, wobei Natrium besonders
bevorzugt ist. Besonders vorteilhaft sind Verbindungen I in
denen X und Y Natrium, R¹ ein verzweigter Alkylrest mit
12 C-Atomen und R² Wasserstoff oder R¹ ist. Häufig werden tech
nische Gemische verwendet, die einen Anteil von 50 bis 90 Gew.-%
des monoalkylierten Produktes aufweisen, beispielsweise Dowfax®
2A1 (Warenzeichen der Dow Chemical Company). Die Verbindungen I
sind allgemein bekannt, z. B. aus der US-A 4,269,749, und im Han
del erhältlich.
Die Emulgatormenge wird erfindungsgemäß zweckmäßig so gewählt,
daß in der letztlich resultierenden wäßrigen Emulsion I innerhalb
der wäßrigen Phase die kritische Micellbildungskonzentration der
verwendeten Emulgatoren im wesentlichen nicht überschritten wird.
Bezogen auf die in der wäßrigen Emulsion I enthaltene Menge an
Verbindungen I und II liegt diese Emulgatormenge in der Regel im
Bereich von 0,1 bis 5 Gew.-%.
Da die vorgenannten Emulgatoren auch die disperse Verteilung
in der letztlich resultierenden wäßrigen Polymerisatdispersion
stabilisieren, können ihnen zusätzlich Schutzkolloide an die
Seite gegeben werden. Diese vermögen die Oberflächenspannung von
Wasser kaum zu verringern und weisen in der Regel oberhalb von
1000 liegende relative Molekulargewichte auf. Mögliche Schutz
kolloide sind beispielsweise Polyvinylalkohole, Cellulosederivate
oder Vinylpyrrolidon enthaltende Copolymerisate. Eine ausführ
liche Beschreibung weiterer geeignet Schutzkolloide findet sich
in Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, Band XIV/1,
Makromolekulare Stoffe, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart, 1961,
S. 411 bis 420.
Die wie beschrieben erhältliche wäßrige Monomerenmakroemulsion
kann anschließend in üblicher Weise zur erfindungsgemäß benötig
ten wäßrigen Emulsion I homogenisiert werden (vgl. P.L. Tang,
E.D. Sudol, C.A. Silebi und M.S. El-Aasser in Journal of Applied
Polymer Science, Vol. 43, S. 1059-1066 [1991]). In der Regel wer
den dazu Hochdruckhomogenisatoren angewendet. Die Feinverteilung
der Komponenten wird in diesen Maschinen durch einen hohen
lokalen Energieeintrag erzielt. Zwei Varianten haben sich dies
bezüglich besonders bewährt.
Bei der ersten Variante wird die wäßrige Monomerenmakroemulsion
über eine Kolbenpumpe auf über 1000 bar verdichtet und anschlie
ßend durch einen engen Spalt entspannt. Die Wirkung beruht hier
auf einem Zusammenspiel von hohen Scher- und Druckgradienten
und Kavitation im Spalt. Ein Beispiel für einen Hochdruckhomo
genisator, der nach diesem Prinzip funktioniert, ist der Niro-
Soavi Hochdruckhomogenisator Typ NS1001L Panda.
Bei der zweiten Variante wird die verdichtete wäßrige Monomeren
makroemulsion über zwei gegeneinander gerichtete Düsen in eine
Mischkammer entspannt. Die Feinverteilungswirkung ist hier vor
allem von den hydrodynamischen Verhältnissen in der Mischkammer
abhängig. Ein Beispiel für diesen Homogenisatortyp ist der Micro
fluidizer Typ M 120 E der Microfluidics Corp. In diesem Hoch
druckhomogenisator wird die wäßrige Monomerenmakroemulsion
mittels einer pneumatisch betriebenen Kolbenpumpe auf Drücke von
bis zu 1200 bar komprimiert und über eine sogenannte "interaction
chamber" entspannt. In der "interaction chamber" wird der Emul
sionsstrahl in einem Mikrokanalsystem in zwei Strahlen aufge
teilt, die unter 180° aufeinandergeführt werden. Ein weiteres
Beispiel für einen nach dieser Homogenisierungsart arbeitenden
Homogenisator ist der Nanojet Typ Expo der Nanojet Engineering
GmbH. Allerdings sind bei Nanojet anstatt eines festen Kanal
systems zwei Homogenisierventile eingebaut, die mechanisch ver
stellt werden können.
Neben den ebenda genannten Prinzipien kann die Homogenisierung
aber z. B. auch durch Anwendung von Ultraschall (z. B. Branson
Sonifier II 450) erzeugt werden. Die Feinverteilung beruht hier
auf Kavitationsmechanismen. Die Qualität der im Schallfeld
erzeugten wäßrigen Emulsion I hängt dabei nicht nur von der ein
gebrachten Schalleistung, sondern auch noch von anderen Faktoren
wie z. B. der Intensitätsverteilung des Ultraschalls in der Misch
kammer, der Verweilzeit, der Temperatur und den physikalischen
Eigenschaften der zu emulgierenden Stoffe, beispielsweise von der
Zähigkeit, der Grenzflächenspannung und dem Dampfdruck ab. Die
resultierende Tröpfchengröße hängt dabei u. a. von der Konzen
tration des Emulgators sowie von der bei der Homogenisierung
eingetragenen Energie ab und ist z. B. durch entsprechende Ver
änderung des Homogenisierungsdrucks bzw. der entsprechenden
Ultraschallenergie gezielt einstellbar.
Die mittlere Größe der Tröpfchen der dispersen Phase der
erfindungsgemäß zu verwendenden wäßrigen Emulsion I läßt sich
nach dem Prinzip der quasielastischen dynamischen Lichtstreuung
bestimmen (der sogenannte z-mittlere Tröpfchendurchmesser z der
unimodalen Analyse der Autokorrelationsfunktion). In den Bei
spielen dieser Schrift wurde dazu ein Coulter N4 Plus Particle
Analyser der Fa. Coulter Scientific Instruments verwendet (1 bar,
25°C). Die Messungen wurden an verdünnten wäßrigen Emulsionen I
vorgenommen, deren Gehalt an nichtwäßrigen Bestandteilen
0,01 Gew.-% betrug. Die Verdünnung wurde dabei mittels Wasser
vorgenommen, das zuvor mit den in der wäßrigen Emulsion ent
haltenen Verbindungen I und II gesättigt worden war. Letztere
Maßnahme soll verhindern, daß mit der Verdünnung eine Änderung
der Tröpfchendurchmesser einhergeht.
Erfindungsgemäß betragen die solchermaßen ermittelten Werte für z
normalerweise 500 nm, häufig 400 nm. Günstig ist erfindungs
gemäß der z-Bereich von 100 nm bis 300 nm bzw. von 100 nm bis
200 nm. Im Normalfall beträgt z der erfindungsgemäß einzu
setzenden wäßrigen Emulsion I 40 nm.
Normalerweise enthalten die erfindungsgemäß zu verwendenden
wäßrigen Emulsionen I, bezogen auf die enthaltenen Verbin
dungen I, wenigstens 0,5 Gew.-% an Verbindungen II. Eine obere
Schranke für die in dieser Weise bezogene Menge an enthaltenen
Verbindungen II besteht nicht. Diese Aussage gilt insbesondere
dann, wenn es sich bei den verwendeten Verbindungen II aus
schließlich um solche handelt, die selbst wenigstens ein eine
radikalisch polymerisierbare ungesättigte Gruppe aufweisen. Im
Regelfall wird der so bezogene Gehalt an Verbindungen II jedoch
200 Gew.-% nicht übersteigen und häufig 100 Gew.-% betragen.
Erfindungsgemäße Ausführungsformen sind auch solche, in denen,
der wie vorstehend bezogene Gehalt an Verbindungen II 1 bis
50 Gew.-%, oder 2 bis 30 Gew.-%, oder 5 bis 15 Gew.-% beträgt.
Normalerweise beträgt der Gesamtgehalt an Verbindungen I und II
in der wäßrigen Emulsion I nicht mehr als 50 Gew.-%, bezogen
auf die wäßrige Emulsion I. Mit einem höheren Gesamtgehalt an
Verbindungen I und II geht in der Regel ein nicht angemessener
Fließwiderstand einher, dessen Verringerung eine polydisperse
(im einfachsten Fall bimodale) Einstellung der Tröpfchendurch
messerverteilung der dispersen Phase erfordert.
Als Bestandteil des Zulaufs II kommen prinzipiell alle diejenigen
Verbindungen I in Betracht, die auch Bestandteil der wäßrigen
Emulsion I sein können. In der Regel wählt man die im Zulauf II
enthaltenen Verbindungen I jedoch so aus, daß ihre individuelle
molale Löslichkeit in Wasser unter den Polymerisationsbedingungen
größer ist als die entsprechende Wasserlöslichkeit der unter
Polymerisationsbedingungen am schlechtesten wasserlöslichen
Verbindung I der wäßrigen Emulsion I. Vorzugsweise sollte die
individuelle molale Löslichkeit der Verbindungen I des Zulaufs II
unter den Polymerisationsbedingungen in Wasser jedoch schlechter
sein als in den dispers verteilten Tröpfchen der wäßrigen
Emulsion I.
Mit Vorteil umfaßt der Zulauf II ausschließlich Verbindungen I.
Diese Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
insbesondere dann günstig, wenn ein hoher Feststoffgehalt der
resultierenden wäßrigen Polymerisatdispersion angestrebt wird.
Prinzipiell kommt als Zulauf II aber auch eine wäßrige Mono
merenmakroemulsion der Verbindungen I in Betracht. Im letzteren
Fall können alle diejenigen Emulgatoren eingesetzt werden, die
bereits im Zusammenhang mit der wäßrigen Emulsion I genannt
wurden. Erfindungsgemäß können z. B. bis zu 10 Gew.-%, bis zu
20 Gew.-%, oder bis zu 30 Gew.-%, oder bis zu 40 Gew.-%, oder bis
zu 50 Gew.-%, oder bis zu 60 Gew.-%, oder bis zu 70 Gew.-%, oder
bis zu 80 Gew.-%, oder bis zu 90 Gew.-% oder die Gesamtmenge oder
mehr der wäßrigen Emulsion I dem Polymerisationsgefäß als wenig
stens ein Zulauf I kontinuierlich zugeführt werden. Letzterer
kann dann erfindungsgemäß z. B. über seine gesamte Zeitdauer durch
einen Zulauf II begleitet werden.
In einfachster Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren so
durchgeführt werden, daß man ins Polymerisationsgefäß etwas
Wasser vorlegt, das vorgelegte Wasser auf die Polymerisations
temperatur erwärmt und anschließend über räumlich getrennte
Zuläufe die wäßrige Emulsion I sowie den radikalischen Poly
merisationsinitiator, in der Regel als wäßrige Lösung, unter
Aufrechterhaltung der Polymerisation dem Polymerisationsgefäß
kontinuierlich zuführt. Mit Vorteil wird man in diesem Fall den
erfindungsgemäß wesentlichen Zulauf II synchron zur wäßrigen
Emulsion I zuführen. Erfindungsgemäße Vorteile gegenüber den
Zulaufverfahren des Standes der Technik treten jedoch in der
Regel bereits dann auf, wenn der Zulauf II die kontinuierliche
Zufuhr der wäßrigen Emulsion I nur zeitweise begleitet. Auch kann
sich der Zulauf II über das Ende der kontinuierlichen Zufuhr der
wäßrigen Emulsion I hinaus erstrecken.
Häufig wird man das erfindungsgemäße Verfahren jedoch so durch
führen, daß man bis zu 50 Gew.-%, oder bis zu 30 Gew.-%, oder bis
zu 15 Gew.-% der wäßrigen Emulsion I, gegebenenfalls unter Zusatz
von Wasser, ins Polymerisationsgefäß vorlegt, die Vorlage auf die
Polymerisationstemperatur erwärmt, radikalischen Polymerisati
onsinitiator zusetzt, das resultierende Gemisch anpolymerisiert
und anschließend die Restmenge der wäßrigen Emulsion I unter
Aufrechterhaltung der Polymerisation ins Polymerisationsgefäß
kontinuierlich zuführt, und diese Zufuhr durch eine vorzugsweise
synchrone kontinuierliche Zufuhr an Polymerisationsinitiator so
wie eine vorzugsweise synchrone Zufuhr des Zulaufs II begleitet.
Im Prinzip kann aber auch die Gesamtmenge an radikalischem Poly
merisationsinitiator ins Polymerisationsgefäß vorgelegt werden.
Auch hier kann die Zufuhr II nur zeitweise erfolgen und sich
auch über das Ende der Zufuhr der wäßrigen Emulsion I hinaus
erstrecken.
Üblicherweise wird die molare Gesamtmenge an Verbindungen I,
die als Bestandteil des Zulaufs II eingesetzt werden (molare
Menge A), der molaren Gesamtmenge an Verbindungen I betragen,
die als Bestandteil der wäßrigen Emulsion I eingesetzt werden
(molare Menge B). Sie kann jedoch auch das zwei- und mehrfache
dieser Menge betragen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen sind
demnach solche Verfahren, bei denen die molare Menge A bis zu
300% oder bis zu 100%, oder bis zu 75%, oder bis zu 50% oder
bis zu 25% oder bis zu 10% der molaren Menge B beträgt. Die
Untergrenze liegt oft bei 5%.
Als radikalische Polymerisationsinitiatoren kommen prinzipiell
alle diejenigen in Betracht, die in der Lage sind, eine radi
kalische Polymerisation auszulösen. Es kann sich dabei sowohl
um Peroxide, Hydroperoxide als auch um Azoverbindungen handeln.
Sie können sowohl öllöslich als auch wasserlöslich sein.
Vorzugsweise werden für das erfindungsgemäße Verfahren
radikalische Polymerisationsinitiatoren mit erhöhter Wasser
löslichkeit eingesetzt. Beispiele für solche Polymerisations
initiatoren sind z. B. die Peroxodischwefelsäure und ihre
Ammonium- und Alkalimetallsalze sowie Wasserstoffperoxid und
tert.-Butylhydroperoxid. Selbstverständlich können als solche
wasserlöslichen radikalischen Polymerisationsinitiatoren auch
kombinierte Systeme, die aus wenigstens einem Reduktionsmittel
und wenigstens einem Peroxid und/oder Hydroperoxid zusammenge
setzt sind, verwendet werden. Beispiele für solche Kombinationen
sind z. B. tert.-Butylhydroperoxid/Natriummetallsalz der Hydroxy
methansulfinsäure sowie Wasserstoffperoxid/Ascorbinsäure. Häufig
umfassen die kombinierten Systeme zusätzlich eine geringe Menge
einer im wäßrigen Medium löslichen Metallverbindung, deren metal
lische Komponente in mehreren Wertigkeitsstufen auftreten kann.
Beispiele für solche Systeme sind z. B. Ascorbinsäure/Eisen(II)
sulfat/Wasserstoffperoxid oder Natriumsulfit/Eisen(II)sulfat/Was
serstoffperoxid. Selbstverständlich kann in den vorgenannten Sy
stemen anstelle von Ascorbinsäure auch das Natriummetallsalz der
Hydroxymethansulfinsäure, Natriumhydrogensulfit oder Natrium
metallbisulfit eingesetzt werden. Ferner können in den vorgenann
ten Systemen anstelle von Wasserstoffperoxid tert.-Butylhydro
peroxid oder Alkalimetallperoxidisulfate und/oder Ammonium
peroxidisulfate angewendet werden. Anstelle eines wasserlöslichen
Eisen(II)-salzes wird vielfach eine Kombination aus wasserlös
lichen Fe/V-Salzen benutzt.
Bezogen auf die radikalisch zu polymerisierenden Monomeren werden
üblicherweise 0,1 bis 10 Gew.-%, häufig 0,5 bis 5 Gew.-% an
radikalischen Polymerisationsinitiatoren verwendet.
Die Polymerisationstemperatur richtet sich beim erfindungsgemäßen
Verfahren in der Regel nach der Zerfallstemperatur des einge
setzten radikalischen Polymerisationsinitiators. Redoxinitiator
systeme zerfallen in der Regel bei besonders niedrigen Tempera
turen. Typische Polymerisationstemperaturen betragen 0°C bis 95°C,
häufig 30°C bis 90°C und oft 50°C bis 85°C. Bei Anwendung von er
höhtem Druck kann die Polymerisationstemperatur auch bis zu 120°C
und mehr betragen. Üblicherweise wird bei Normaldruck (1 bar)
polymerisiert.
Die Zuläufe können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
dem Polymerisationsreaktor von oben, von der Seite oder durch
den Reaktorboden zugeführt werden.
Die Vorteilhaftigkeit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird
ohne Anspruch auf Gültigkeit darauf zurückgeführt, daß die nicht
initiierten Monomerentröpfchen zwar immer noch wie ein Monomeren
reservoir Monomere an die wäßrige Phase abgeben, doch werden
diese Monomeren kaum noch durch radikalische Polymerisation in
den initiierten Monomerentröpfchen verbraucht, da in Form des
Zulaufs II in der wäßrigen Phase ein Überangebot radikalisch
polymerisierbarer Verbindungen I, die nicht den Monomerenmini
emulsionströpfchen entstammen, eingestellt wird. Die mögliche
Reservoirfunktion der nichtinitiierten Monomerenminiemulsions
tröpfchen wird daher nicht in Anspruch genommen, wodurch ein ein
heitlicheres Produkt resultiert.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die
Möglichkeit der Realisierung erhöhter Polymerisatvolumenanteile
in der wäßrigen Polymerisatdispersion (bis zu 60 oder 70 Vol.-%
u. mehr). Bezüglich derselben erweist es sich als Vorteil, daß
das erfindungsgemäße Verfahren in der Regel zu, bezüglich der
Verteilungsfunktion der Durchmesser der dispergierten Poly
merisatteilchen, polydispersen oder polymodalen wäßrigen Poly
merisatdispersionen führt.
Eine wäßrige Lösung aus Wasser, 15gew.-%iger wäßriger
Natriumlaurylsulfatlösung und gegebenenfalls Natriumhydrogen
carbonat wurde vorgelegt. Zu dieser wäßrigen Lösung 1 wurde
unter Rühren ein aus Verbindungen I und II bestehender
Zulauf I zugeführt und das dabei resultierende Gemisch nach
beendeter Zufuhr noch 10 min gerührt. Die dabei resultieren
den wäßrigen Monomerenmakroemulsionen wurden anschließend in
Anwendung einer der nachfolgenden Homogenisationsweisen A bis
D zu einer wäßrigen Monomerenmikroemulsion homogenisiert:
- A: Hochdruckhomogenisator Niro Soavi, Typ NS 1001 L Panda; zur Homogenisierung der wäßrigen Monomerenmakroemulsionen wurde jeweils ein Durchlauf bei 850 bar durchgeführt;
- B: Microfluidizer, Typ M 120 der Fa. Microfluidics Corp.; zur Homogenisierung wurde jeweils ein Durchlauf bei 1000 bar durchgeführt;
- C: Hochdruckhomogenisator Nanojet, Modell Expo; zur Homo genisierung wurde jeweils ein Durchlauf bei 850 bar durchgeführt;
- D: Ultraschall (Branson Sonifier II 450); 1 Liter der wäßrigen Monomerenmakroemulsion wurde unter Rühren jeweils 5 min mit den Einstellungen Duty Cycle 25%, Output Control 10 und jeweils 20 min bei Duty Cycle 100% und Output Control 10 beschallt.
Zur Charakterisierung der erhaltenen wäßrigen Monomerenmini
emulsion wurde deren z [nm] bestimmt.
Tabelle 1 zeigt die erhaltenen Ergebnisse sowie die Zusammen
setzung (alle Angaben erfolgen in Gramm) der jeweils ver
wendeten Lösungen 1 und Zuläufe 2.
Ferner weist die Tabelle 1 den angewandten Homogenisator aus.
Zunächst wurden wie in Bsp. A) wäßrige Emulsionen I erzeugt.
In allen Fällen erfolgte die Homogenisierung nach der Homo
genisierungsweise A.
Dann wurde ins Polymerisationsgefäß eine bestimmte Menge
Wasser vorgelegt und auf 85°C erhitzt.
Anschließend wurden der erhitzten Vorlage auf einmal
10 Gew.-% der wäßrigen Emulsion I sowie 15 Gew.-% eines
Zulaufs 2 (wäßrige Natriumperoxodisulfatlösung als radi
kalischer Polymerisationsinitiator) zugegeben und das
resultierende Gemisch 15 min bei 85°C polymerisiert.
Anschließend wurden dem Polymerisationsgefäß zeitgleich be
ginnend die Restmenge der wäßrigen Emulsion I als Zulauf I
(innerhalb von 2 h), die Restmenge des Zulaufs 2 (innerhalb
von 2 h und 30 min) sowie gegebenenfalls ein aus Verbin
dungen I bestehender Zulauf II (innerhalb von 2 h) unter
Aufrechterhaltung der 85°C über räumlich getrennte Zuläufe
kontinuierlich zugeführt. Nach Beendigung der Zuläufe wurde
das Reaktionsgemisch noch 1 h unter Rühren bei 85°C gehalten
und anschließend auf 25°C abgekühlt.
Zur Charakterisierung der resultierenden wäßrigen Poly
merisatdispersionen wurde deren Feststoffgehalt (FG, in
Gew.-%, bezogen auf wäßrige Polymerisatdispersion), der pH-Wert
des wäßrigen Dispergiermediums, der sogenannte LD-Wert
(das ist die Lichtdurchlässigkeit einer auf einen FG von
0,01 Gew.-% verdünnten wäßrigen Polymerisatdispersion (er
mittelt bei einer Schichtdicke von 2,5 cm) relativ zur Licht
durchlässigkeit von reinem Wasser (LD-Wert = 100)), die
enthaltene Menge an Makrokoagulat KG (prozentualer Gewichts
anteil des bei Filtration der wäßrigen Polymerisatdispersion
durch einen Filter von 125 µm Maschenweite verbleibenden
Rückstandes, bezogen auf den Feststoffgehalt der wäßrigen
Polymerisatdispersion) und die nach vorgenannter Filtration
noch enthaltende Menge an Stippen S (Mikrokoagulat; die
Mengenbestimmung erfolgte durch optische Beurteilung eines
eine Trockendicke von 60 µm aufweisenden Films der wäßrigen
Polymerisatdispersion, wobei die Verfilmung 10°C oberhalb
deren Mindestfilmbildetemperatur (DIN 53 787) jedoch nicht
unter 20°C erfolgte; 1 = stippenfrei, 5 = schlechteste
Beurteilung) bestimmt.
Als Maß zur Charakterisierung der Breite der Durchmesser
verteilung der dispergierten Polymerisatteilchen wurde der
Quotient Q = d₉₀-d₁₀/d₅₀ bestimmt, wobei dm der Durchmesser
ist, der von m Gew.-% der dispergierten Polymerisatteilchen
nicht überschritten wird. Als Maß für die chemische Einheit
lichkeit der dispergierten Polymerisatteilchen wurde deren
Massendichteverteilung untersucht. Sowohl die Untersuchungen
der Polymerisatteilchendurchmesserverteilung als auch der
Massendichteverteilung erfolgten in der Analytischen Ultra
zentrifuge unter Einbezug der H₂O/D₂O-Sedimentationsanalyse
sowie unter Anwendung dynamischer Dichtegradienten. Eine
ausführliche Beschreibung der Meßmethoden durch W. Mächtle
findet sich in "Analytical Ultracentrifugation in Bio
chemistry and Polymer Science, S.E. Harding et al. (Eds.),
Royal Society of Chemistry, Cambridge, England (1992),
Chapter 10".
Nachfolgend sind die angewandten Zusammensetzungen (Mengenan
gaben in Gramm) sowie die erhaltenen Ergebnisse im einzelnen
aufgeführt.
D1: Vorlage: 300 g Wasser;
Lösung 1: 738,4 g Wasser, 1,6 g Natriumhydrogencarbonat, 32 g einer 15gew.-%igen wäßrigen Natrium laurylsulfatlösung;
Zulauf 1: 400 g n-Butylacrylat (I), 160 g Stearyl acrylat (II);
Zulauf 2: 150 g Wasser, 4 g Natriumperoxodisulfat;
Zulauf II: 240 g n-Butylacrylat (I);
FG: 39 Gew.-%;
pH: 3,0;
LD: 58;
z (wäßrige Emulsion I): 177 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion D1): 235 nm;
KG: 0 Gew.-%;
S: 1;
Q: 0,986.
Lösung 1: 738,4 g Wasser, 1,6 g Natriumhydrogencarbonat, 32 g einer 15gew.-%igen wäßrigen Natrium laurylsulfatlösung;
Zulauf 1: 400 g n-Butylacrylat (I), 160 g Stearyl acrylat (II);
Zulauf 2: 150 g Wasser, 4 g Natriumperoxodisulfat;
Zulauf II: 240 g n-Butylacrylat (I);
FG: 39 Gew.-%;
pH: 3,0;
LD: 58;
z (wäßrige Emulsion I): 177 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion D1): 235 nm;
KG: 0 Gew.-%;
S: 1;
Q: 0,986.
Die Massendichte der dispergierten Polymerisatteilchen
d erstreckt sich über den Bereich von 1,019 g/cm³
bis 1,044 g/cm³.
Dies weist aus, daß im Verlauf der Polymerisation weder
reines Poly-n-butylacrylatd 1,06 g/cm³) noch reines Polystearylacrylat(d = 0,94 g/cm³) gebildet wurde.
KG- und S-Wert weisen aus, daß D1 im wesentlichen
koagulatfrei war.
VD1: Vorlage, Lösung 1 und Zulauf 2 wie für D1. Zulauf 1
bestand jedoch aus 640 g n-Butylacrylat (I) und 160 g
Stearylacrylat (II); dafür wurde kein Zulauf II ange
wendet.
FG: 37,6 Gew.-%;
pH: 3,3;
LD: 28;
z (wäßrige Emulsion I): 344 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion VD1): 287 nm;
KG: 8,5 Gew.-%;
S: 3.
FG: 37,6 Gew.-%;
pH: 3,3;
LD: 28;
z (wäßrige Emulsion I): 344 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion VD1): 287 nm;
KG: 8,5 Gew.-%;
S: 3.
Die wäßrige Polymerisatdispersion VD1 wies in erheb
lichem Umfang flotierendes Koagulat auf, das gemäß
DSC-(Differential Scanning Calorimetry)-Analyse aus
reinem Polystearylacrylat bestand. Die Bruttozusammen
setzungen von D1 und VD1 sind identisch.
D2: Vorlage, Lösung 1 und Zuläufe 2, II wie für D1.
Zulauf 1 bestand jedoch aus 280 g n-Butylacrylat (I) und
280 g Stearylacrylat (II).
FG: 39,4 Gew.-%;
pH: 2,9;
LD: 52;
z (wäßrige Emulsion I): 197 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion D2): 234 nm;
KG: 2 Gew.-%;
S: 1;
Q: 1,437;d: 0,975 g/cm³ bis 1,045 g/cm³;
D2 unterscheidet sich von D1 lediglich durch einen erhöhten Anteil an Stearylacrylat.
Bildung von Polystearylacrylat wurde dennoch nicht beobachtet.
FG: 39,4 Gew.-%;
pH: 2,9;
LD: 52;
z (wäßrige Emulsion I): 197 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion D2): 234 nm;
KG: 2 Gew.-%;
S: 1;
Q: 1,437;d: 0,975 g/cm³ bis 1,045 g/cm³;
D2 unterscheidet sich von D1 lediglich durch einen erhöhten Anteil an Stearylacrylat.
Bildung von Polystearylacrylat wurde dennoch nicht beobachtet.
VD2: Wie D2, Zulauf II wurde jedoch ersatzlos weggelassen.
FG: 31,8 Gew.-%;
pH: 3,7;
LD: 39;
z (wäßrige Emulsion I): 223 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion VD2): 228 nm;
KG: 3,8 Gew.-%;
S: 3.
Die wäßrige Polymerisatdispersion VD2 wies wie VD1 in erheblichem Umfang flotierendes Polystearylacrylat auf.
FG: 31,8 Gew.-%;
pH: 3,7;
LD: 39;
z (wäßrige Emulsion I): 223 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion VD2): 228 nm;
KG: 3,8 Gew.-%;
S: 3.
Die wäßrige Polymerisatdispersion VD2 wies wie VD1 in erheblichem Umfang flotierendes Polystearylacrylat auf.
VD3: Vorlage: 200 g Wasser;
Lösung 1: 838,4 g Wasser, 1,6 g Natriumhydrogencarbonat, 32 g einer 15gew.-%igen wäßrigen Natrium laurylsulfatlösung;
Zulauf 1: 520 g n-Butylacrylat (I), 280 g Stearyl acrylat (II);
Zulauf 2: 150 g Wasser, 4 g Natriumperoxodisulfat;
Zulauf II: -;
FG: 39,2 Gew.-%;
pH: 3,2;
LD: 31;
z (wäßrige Emulsion I): 253 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion VD3): 258 nm;
KG: 5,0 Gew.-%;
S: 3.
Die wäßrige Polymerisatdispersion VD3 wies die gleiche Bruttozusammensetzung wie D2 auf, zeigte im Unterschied zu D2 jedoch erhebliche Mengen an flotierendem Poly stearylacrylat.
Lösung 1: 838,4 g Wasser, 1,6 g Natriumhydrogencarbonat, 32 g einer 15gew.-%igen wäßrigen Natrium laurylsulfatlösung;
Zulauf 1: 520 g n-Butylacrylat (I), 280 g Stearyl acrylat (II);
Zulauf 2: 150 g Wasser, 4 g Natriumperoxodisulfat;
Zulauf II: -;
FG: 39,2 Gew.-%;
pH: 3,2;
LD: 31;
z (wäßrige Emulsion I): 253 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion VD3): 258 nm;
KG: 5,0 Gew.-%;
S: 3.
Die wäßrige Polymerisatdispersion VD3 wies die gleiche Bruttozusammensetzung wie D2 auf, zeigte im Unterschied zu D2 jedoch erhebliche Mengen an flotierendem Poly stearylacrylat.
D3: Vorlage: 300 g Wasser;
Lösung 1: 834,4 g Wasser, 1,6 g Natriumhydrogencarbonat, 32 g einer 15gew.-%igen wäßrigen Natrium laurylsulfatlösung;
Zulauf 1: 560 g Styrol (I); 64 g PnBA (II);
Zulauf 2: 150 g Wasser, 4 g Natriumperoxodisulfat;
Zulauf II: 240 g Styrol (I);
FG: 39,2 Gew.-%;
pH: 6,5;
LD: 20;
z (wäßrige Emulsion I): 210 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion): 245 nm;
KG: 1,6 Gew.-%;
S: 2;
d: 1,050 g/cm³ bis 1,054 g/cm³.
Die Polymerisatteilchendurchmesserverteilung war aus geprägt bimodal.Die d-Werte von PnBA und Polystyrol betragen 1,05 bzw. 1,06 g/cm³.
Lösung 1: 834,4 g Wasser, 1,6 g Natriumhydrogencarbonat, 32 g einer 15gew.-%igen wäßrigen Natrium laurylsulfatlösung;
Zulauf 1: 560 g Styrol (I); 64 g PnBA (II);
Zulauf 2: 150 g Wasser, 4 g Natriumperoxodisulfat;
Zulauf II: 240 g Styrol (I);
FG: 39,2 Gew.-%;
pH: 6,5;
LD: 20;
z (wäßrige Emulsion I): 210 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion): 245 nm;
KG: 1,6 Gew.-%;
S: 2;
d: 1,050 g/cm³ bis 1,054 g/cm³.
Die Polymerisatteilchendurchmesserverteilung war aus geprägt bimodal.Die d-Werte von PnBA und Polystyrol betragen 1,05 bzw. 1,06 g/cm³.
VD4: Vorlage, Lösung 1 und Zulauf 2 wie für D3. Zulauf 1
bestand jedoch aus 800 g Styrol (I) und 64 g PnBA;
dafür wurde kein Zulauf II angewendet:
FG: 39 Gew.-%;
pH: 7,2;
LD: 16;
z (wäßrige Emulsion 1): 237 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion VD4): 258 nm;
KG: 3,0 Gew.-%;
S: 3.
Gegenüber D3 wies VD4 einen erhöhten Anteil an Makro- und Mikrokoagulat auf.
FG: 39 Gew.-%;
pH: 7,2;
LD: 16;
z (wäßrige Emulsion 1): 237 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion VD4): 258 nm;
KG: 3,0 Gew.-%;
S: 3.
Gegenüber D3 wies VD4 einen erhöhten Anteil an Makro- und Mikrokoagulat auf.
D4: Vorlage: 300 g Wasser;
Lösung 1: 834,4 g Wasser, 1,6 g Natriumhydrogencarbonat, 32 g einer 15gew.-%igen wäßrigen Natrium laurylsulfatlösung;
Zulauf 1: 560 g Styrol (I); 64 g AB-6 (II);
Zulauf 2: 150 g Wasser, 4 g Natriumperoxodisulfat;
Zulauf II: 240 g Styrol (I);
FG: 39,4 Gew.-%;
pH: 5,1;
LD: 18;
z (wäßrige Emulsion I): 170 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion): 239 nm;
KG: 0,9 Gew.-%;
S: 2.
Lösung 1: 834,4 g Wasser, 1,6 g Natriumhydrogencarbonat, 32 g einer 15gew.-%igen wäßrigen Natrium laurylsulfatlösung;
Zulauf 1: 560 g Styrol (I); 64 g AB-6 (II);
Zulauf 2: 150 g Wasser, 4 g Natriumperoxodisulfat;
Zulauf II: 240 g Styrol (I);
FG: 39,4 Gew.-%;
pH: 5,1;
LD: 18;
z (wäßrige Emulsion I): 170 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion): 239 nm;
KG: 0,9 Gew.-%;
S: 2.
VD5: Vorlage, Lösung 1 und Zulauf 2 wie für D4. Zulauf 1
bestand jedoch aus 800 g Styrol (I) und 64 g AB-6;
dafür wurde kein Zulauf II angewendet;
FG: 39,1 Gew.-%;
pH: 6,2;
LD: 11;
z (wäßrige Emulsion I): 282 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion): 260 nm;
KG: 3,1 Gew.-%;
S: 2.
FG: 39,1 Gew.-%;
pH: 6,2;
LD: 11;
z (wäßrige Emulsion I): 282 nm;
z (resultierende Polymerisatdispersion): 260 nm;
KG: 3,1 Gew.-%;
S: 2.
Gegenüber D4 wies VD5 einen erhöhten Anteil an Makro
koagulat auf. Die DSC-Analyse des Makrokoagulats wies
eine deutliche Anreicherung an AB-6 im Vergleich zum AB-6
Gehalt des aus der filtrierten wäßrigen Polymerisat
dispersion gebildeten Films aus.
Die nachfolgende Tabelle 2 weist zur Demonstration der
breiten Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Verfahrens
weise sowie zum Nachweis der Möglichkeit des Erhalts
hoher Feststoffgehalte weitere Ausführungsbeispiele D5
bis D15 aus. Die für die einzelnen Größen verwendeten
Einheiten entsprechen den in den vorhergehenden Bei
spielen verwendeten Einheiten.
Claims (31)
1. Verfahren zur Herstellung einer wäßrigen Polymerisat
dispersion durch radikalisch initiierte Polymerisation
von radikalisch polymerisierbaren Verbindungen deren
individuelle Löslichkeit in Wasser unter den Bedingungen
der radikalisch initiierten Polymerisation wenigstens
0,001 Gew.-%, bezogen auf die jeweilige gesättigte wäßrige
Lösung, beträgt (Verbindungen I), deren dispergierte Poly
merisatteilchen neben den Verbindungen I noch wenigstens eine
Verbindung II, deren Löslichkeit in Wasser unter den Bedin
gungen der radikalisch initiierten Polymerisation weniger als
0,001 Gew.-%, bezogen auf die jeweilige gesättigte wäßrige
Lösung beträgt, enthalten, bei dem man aus einem Gemisch, be
stehend aus einem Teil der Verbindungen I und der wenigstens
einen Verbindung II, eine Öl in Wasser Emulsion I erzeugt,
deren disperse Phase hauptsächlich aus Tröpfchen eines Durch
messers 500 nm besteht und bei dem man dem Polymerisations
gefäß unter fortwährender radikalischer Polymerisation wenig
stens einen Teil der wäßrigen Emulsion I als einen Zulauf I
kontinuierlich zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß man den
kontinuierlichen Zulauf I wenigstens zeitweise durch wenig
stens einen Zulauf II begleitet, mit der Maßgabe, daß der
wenigstens eine Zulauf II ein Zulauf eines anderen Teils der
Verbindungen I und/oder eine Öl in Wasser Emulsion II eines
anderen Teils der Verbindungen I ist, deren disperse Phase
hauptsächlich aus Tröpfchen eines Durchmessers 1000 nm
besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verbindungen I ausschließlich wenigstens eine ethylenisch
ungesättigte Gruppe aufweisende Monomere sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verbindungen I ein Gemisch aus wenigstens eine ethylenisch
ungesättigte Gruppe aufweisenden Monomeren und Molekular
gewichtsreglern sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verbindungen I aus
- A) 80 bis 100 Gew.-Teilen wenigstens eines Monomeren aus der Gruppe umfassend Styrol, α-Methylstyrol, Vinyltoluole, Ester aus 3 bis 6 C-Atome auf weisenden α,β-monoethylenisch ungesättigten Carbonsäuren und 1 bis 12 C-Atome aufweisenden Alkanolen, Butadien sowie Vinyl- und Allylester von 1 bis 12 C-Atome aufweisenden Alkan carbonsäuren (Monomere A) und
- B) 0 bis 20 Gew.-Teilen sonstigen, wenigstens eine ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisenden Verbindungen I (Monomere B)
sowie gegebenenfalls 0,01 bis 2 Gew.-%, bezogen auf die Summe
aus den Monomeren A und B, an das Molekulargewicht regelnden
Verbindungen I bestehen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Monomeren A ausgewählt sind aus der Gruppe, umfassend n-Buty
lacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Methylmethacrylat und Styrol.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Monomeren B ausgewählt sind aus der Gruppe, umfassend
Acrylamid, Methacrylamid, Acrylsäure, Acrylnitril, Methacryl
nitril, 2-Acrylamino-2-methylpropansulfonsäure, Vinyl
pyrrolidon, Hydroxyethylacrylat, Hydroxymethylacrylat,
Hydroxypropylacrylat, Hydroxypropylmethyacrylat, quaterni
siertes Vinylimidazol, N,N-Dialkylaminoalkyl(meth)acrylat,
N,N-Dialkylaminoalkyl(meth)acrylamid, Trialkylammoniumal
kyl(meth)acrylat und Trialkylammoniumalkyl(meth)acrylamid.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verbindungen I zu 70 bis 100 Gew.-% aus Estern der Acryl-
und/oder Methacrylsäure mit 1 bis 12 C-Atome aufweisenden
Alkanolen und/oder Styrol zusammengesetzt sind.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verbindungen I zu 70 bis 100 Gew.-% aus Styrol und/oder Buta
dien zusammengesetzt sind.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verbindungen I zu 70 bis 100 Gew.-% aus Vinylchlorid und/oder
Vinylidenchlorid zusammengesetzt sind.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verbindungen I zu 40 bis 100 Gew.-% aus Vinylacetat,
Vinylpropionat und/oder Ethylen zusammengesetzt sind.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verbindungen II wenigstens eine
monoethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verbindungen II ausgewählt sind aus der Gruppe, umfassend
Ester aus 3 bis 6 C-Atome aufweisenden α,β-monoethylenisch
ungesättigten Carbonsäuren und mehr als 12 C-Atome aufweisen
den Alkanolen, Ester aus Vinylalkohol oder Allylalkohol und
mehr als 12 C-Atome aufweisenden Alkancarbonsäuren und Makro
monomere.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Verbindungen II keine monoethylenisch unge
sättigte Gruppe aufweisen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Verbindungen II ein Gemisch sind aus wenig
stens eine monoethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisenden
Verbindungen II und keine monoethylenisch ungesättigte Gruppe
aufweisenden Verbindungen II.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Verbindungen II Molekulargewichtsregler
umfassen.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge
kennzeichnet, daß z der Tröpfchen der wäßrigen Emulsion I
500 nm beträgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß z der Tröpfchen der wäßrigen Emulsion I 40 nm
bis 400 nm beträgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß z der Tröpfchen der wäßrigen Emulsion I 100 nm
bis 300 nm beträgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß z der Tröpfchen der wäßrigen Emulsion I 100 nm
bis 200 nm beträgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekenn
zeichnet, daß die wäßrige Emulsion I, bezogen auf die enthal
tenen Verbindungen I, wenigstens 0,5 Gew.-% an
Verbindungen II aufweist.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekenn
zeichnet, daß die wäßrige Emulsion I, bezogen auf die enthal
tenen Verbindungen I, 1 bis 200 Gew.-% an Verbindungen II
aufweist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekenn
zeichnet, daß die wäßrige Emulsion I, bezogen auf die enthal
tenen Verbindungen I, 2 bis 100 Gew.-% an Verbindungen II
aufweist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekenn
zeichnet, daß die im Zulauf II enthaltenen Verbindungen I
so ausgewählt sind, daß ihre individuelle molale Löslichkeit
in Wasser unter den Polymerisationsbedingungen größer ist
als die entsprechende Wasserlöslichkeit der unter Poly
merisationsbedingungen am schlechtesten wasserlöslichen
Verbindung I der wäßrigen Emulsion I.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekenn
zeichnet, daß die individuelle Löslichkeit der im Zulauf II
enthaltenen Verbindungen I unter den Polymerisations
bedingungen in Wasser schlechter ist, als in den dispers
verteilten Tröpfchen der wäßrigen Emulsion I.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Zulauf II ausschließlich aus Verbindungen I
besteht.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekenn
zeichnet, daß die molare Gesamtmenge an Verbindungen I, die
als Bestandteil des Zulaufs II eingesetzt werden (molare
Menge A), größer als die molare Gesamtmenge an Verbindungen I
ist, die als Bestandteil der wäßrigen Emulsion I eingesetzt
werden (molare Menge B).
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekenn
zeichnet, daß die molare Gesamtmenge an Verbindungen I,
die als Bestandteil des Zulaufs II eingesetzt werden
(molare Menge A), kleiner oder gleich der molaren Gesamt
menge an Verbindungen I ist, die als Bestandteil der wäßrigen
Emulsion I eingesetzt werden (molare Menge B).
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekenn
zeichnet, daß man ins Polymerisationsgefäß Wasser vorlegt,
das vorgelegte Wasser auf die Polymerisationstemperatur
erwärmt und anschließend über räumlich getrennte Zukäufe
die wäßrige Emulsion I, den radikalischen Polymerisations
initiator sowie den Zulauf II dem Polymerisationsgefäß unter
Aufrechterhaltung der Polymerisation kontinuierlich zuführt.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekenn
zeichnet, daß man, gegebenenfalls unter Zusatz von Wasser,
bis zu 50 Gew.-% der wäßrigen Emulsion I ins Polymerisations
gefäß vorlegt, die Vorlage auf die Polymerisationstemperatur
erwärmt, radikalischen Polymerisationsinitiator zusetzt, das
resultierende Gemisch anpolymerisiert und anschließend die
Restmenge der wäßrigen Emulsion I unter Aufrechterhaltung
der Polymerisation kontinuierlich ins Polymerisationsgefäß
zuführt und diese Zufuhr durch eine vorzugsweise kontinuier
liche Zufuhr an Polymerisationsinitiator sowie eine vorzugs
weise synchrone Zufuhr des Zulaufs II begleitet.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekenn
zeichnet, daß als radikalischer Polymerisationsinitiator ein
solcher verwendet wird, der sich überwiegend in der wäßrigen
Phase löst.
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