DE19805612A1 - Verfahren zur kontrollierten Herstellung oder Modifizierung von polymeren Produkten mittels IR-ATR-Spektroskopie - Google Patents
Verfahren zur kontrollierten Herstellung oder Modifizierung von polymeren Produkten mittels IR-ATR-SpektroskopieInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontrollierten Herstellung oder
zur Modifizierung von polymeren Produkten unter Anwendung der IR-ATR-Spektro
skopie.
Es ist bekannt beispielsweise teilhydrierte Acrylnitril-Butadien-Kautschuke (HNBR)
unter Anwendung der Raman-Spektroskopie herzustellen. Durch Anwendung der
Raman-Spektroskopie bei der Herstellung von HNBR-Kautschuken ist es möglich,
die Hydrierung der eingesetzten Acrylnitril-Butadien-Kautschuke kontrolliert durch
zuführen. In diesem Zusammenhang verweisen wir auf die deutsche Patentanmeldung
mit der Anmeldungsnummer 197 36 310.5.
Ein Nachteil der Raman-Spektroskopie ist der damit verbundene hohe technische Auf
wand, da für die Anregung des Raman-Spektrums ein starker Laser erforderlich ist.
Deshalb ist es wünschenswert, eine alternative Meßmethode für die kontrollierte Her
stellung oder Modifizierung von polymeren Produkten einsetzen zu können. Als
Alternative zur Raman-Spektroskopie bietet sich beispielsweise die IR-ATR-
Spektroskopie an. Diese Meßmethode wurde bisher bevorzugt zur Analyse von
niederviskosen Medien angewendet. Für die Analyse von höherviskosen Medien war
es bislang erforderlich die Messung mittels eines Bypasses, der an dem Reaktor
angebracht ist, durchzuführen, um einen ausreichend schnellen Stoffaustausch an der
Oberfläche des ATR-Kristalles zu gewährleisten.
Es ist deshalb als überraschend zu werten, daß es mit Hilfe des nachfolgend näher
beschriebenen Verfahrens mittels IR-ATR-Spektroskopie möglich ist, die Herstellung
oder Modifizierung von polymeren Produkten unter genau kontrollierten Bedingun
gen unter Erhalt des gewünschten Umsatzgrads oder Modifikationsgrads durchzu
führen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur kontrollierten
Herstellung oder zur Modifizierung von polymeren Produkten unter Anwendung der
IR-ATR-Spektroskopie, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man
- a) im Falle einer Polymerreaktion die Extinktionen der charakteristischen IR- Absorptionsbanden für die eingesetzten Monomeren und des entstehenden polymeren Produkts oder
- b) im Falle einer Polymermodifikation die charakteristischen IR-Absorptions
banden des eingesetzten Edukts und des modifizierten polymeren Produkts
bestimmt, aus den Absorptionsbanden den Umsatzgrad oder den Modifika
tionsgrad errechnet und bei Erreichen des gewünschten Umsatzgrads oder des
gewünschten Modifikationsgrads die Reaktion durch geeignete Maßnahmen
abbricht, wobei die IR-ATR-Messung mittels einer Eintauchsonde direkt in
einem gerührten Reaktor in kurzen Zeitabständen bei Viskositäten des
Reaktorinhalts von maximal 10 000 Pas, bevorzugt von 10 bis 1000 Pas, und
bei Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich von 0,01 bis 10 m/s, gemessen
am Ort der IR-ATR-Sonde, durchgeführt wird und der Umsatzgrad oder
Modifikationsgrad sich wie folgt errechnet:
wobei bedeutet:
M(t) = Modifikationsgrad zum Zeitpunkt t
U(t) = Umsatzgrad zum Zeitpunkt t
A(t) = Extinktion einer charakteristischen Absorptionsbande der eingesetzten Monomeren oder des Edukts zum Zeitpunkt t
A(t0) = Extinktion der charakteristischen Absorptionsbande der eingesetzten Monomeren oder des Edukts zum Zeitpunkt t0 (Start der Reaktion).
Bei der vorliegenden Erfindung ist als charakteristische Absorptionsbande eine
Absorptionsbande zu verstehen, die bei den eingesetzten Monomeren oder bei dem zu
modifizierenden Edukt vorhanden ist, während der Reaktion oder Modifizierung
abnimmt und im erhaltenen polymeren Produkt oder im modifizierten polymeren
Produkt nicht mehr vorhanden ist.
Der gewünschte Umsatzgrad oder der gewünschte Modifikationsgrad hängt von der
jeweiligen Polymerreaktion oder Modifizierungsreaktion ab. Üblicherweise sollte der
Umsatzgrad für eine Polymerreaktion mindestens 70%, bevorzugt mindestens 80%,
insbesondere mindestens 90% betragen; der Modifikationsgrad kann - wie erwähnt - je
nach Anforderung zwischen 5 und 95% liegen.
Die Viskositäten des Reaktorinhalts bei der IR-ATR-Messung liegen ganz besonders
bevorzugt bei 10 bis 200 Pas. Die Strömungsgeschwindigkeiten liegen bevorzugt bei
0,01 bis 10, ganz besonders bevorzugt 0,1 bis 2 m/s.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es zweckmäßig die IR-ATR-Spektren in
Zeitabständen von etwa 1 s bis 1 h, bevorzugt 10 s bis 10 min, insbesondere 30 s bis 5
min zu messen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es beispielsweise möglich, Polymer
reaktionen zu kontrollieren, d. h. radikalische Polymerisationsreaktionen, Polykonden
sations- und Polyadditionsreaktionen. Beispielsweise eignet sich das erfindungsge
mäße Verfahren bevorzugt für die kontrollierte Herstellung von Polyestern, Poly
amiden, Polycarbonaten, Polystyrol und Polystyrol-Copolymeren, Polyolefinen sowie
synthetischen Kautschuken, sofern die Herstellung der Polymeren in homogener
Schmelze oder in Lösung im genannten Viskositätsbereich erfolgt, insbesondere für
die Herstellung von Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polymethyl
metharcylat, Lackharze auf Polyester- oder Polyurethanbasis, Polyamid-6, Polyamid-
6,6, Bisphenol-A-Polycarbonat, Polystyrol, Acrylniltril-Styrol-Coplymere, Acrylnitril-
Butadien-Styrol-Copolymere, Polyethylen, Polypropylen, Polybutadien, Styrol-
Butadien-Copolymere, Polychloropren, Acrylnitril-Butadien-Copolyrnere, Ethylen-
Vinylacetat-Copolymere, Ethylen-Propylen-Copolymere und Isobutylen-Copolymere
(Butylkautschuk).
Als Modifikationsreaktionen für polymere Produkte werden z. B. genannt, die Hydrie
rungsreaktionen von ungesättigten Polymeren, die Funktionalisierung von polymeren
Produkten, wie Halogenierungs- und Carboxylierungsreaktionen.
Als ein besonderes Beispiel für die Modifizierung von polymeren Produkten sei die
Hydrierungsreaktion von NBR-Kautschuken hervorgehoben.
Ein weiterer Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens ist deshalb die
kontrollierte Modifizierung von Nitrilkautschuken (NBR-Kautschuken) unter Anwen
dung der IR-ATR-Spektroskopie, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die
charakteristischen IR-Absorptionsbanden des eingesetzten NBRs und des hydrierten
NBRs bestimmt, aus den Absorptionsbanden den Modifikationsgrad errechnet und bei
Erreichen des gewünschten Modifikationsgrads die Reaktion durch geeignete Maß
nahmen abbricht, wobei die IR-ATR-Messung mittels einer Eintauchsonde direkt in
einem gerührten Reaktor in Zeitabständen von 10 s bis 20 min bei Viskositäten des
Reaktorinhalts von 1 bis 100 Pas, bevorzugt von 1 bis 50 Pas, und bei
Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich von 0,1 bis 10 m/s, bevorzugt von 1 bis
8 m/s, gemessen am Ort der IR-ATR-Sonde, durchgeführt wird und der Modifi
kationsgrad sich nach der zuvor angegebenen Formel für den Modifikationsgrad er
rechnet.
Die Hydrierung von NBR erfolgt dabei in der üblichen Weise, indem die NBR-
Lösungen batchweise in einem gerührten Druckautoklaven mit Wasserstoff hydriert
werden. Die Polymerkonzentration in der zu hydrierenden Lösung beträgt ca.
15 Gew.-%. In "Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry" von 1993 werden die
zur Hydrierung eingesetzten homogenen und heterogenen Katalysatoren sowie die
Reaktionsbedingungen für die Hydrierung näher beschrieben.
Für das erfindungsgemäße Verfahren zur kontrollierten Herstellung oder zur Modifi
zierung von polymeren Produkten mittels IR-ATR-Spektroskopie eignet sich z. B. eine
ATR-Eintauchsonde vom Typ DPR 111 der Firma Axiom Analytical Inc., 18103 Sky
Park South, Irvine, CA 92714, USA, wie sie käuflich erhältlich ist oder ähnlich aufge
baute ATR-Eintauchsonden mit ausreichender Druck- und Temperaturbeständigkeit.
Die IR-ATR-Messung erfolgt in einem gerührten Reaktor mit den zuvor angegebenen
Strömungsgeschwindigkeiten und Viskositäten des Reaktorinhalts.
Zur Messung der IR-ATR-Spektren können am Markt angebotene Filterphotometer,
diverse Spektrometer oder Fourier-Transform (FT)-IR-Spektrometer, die das IR-
Spektrum mit einem Interferometer erzeugen, verwendet werden. Bei dem erfin
dungsgemäßen Verfahren werden vorzugsweise FT-IR-Spektrometer verwendet, weil
hiermit IR-Spektren mit besonders gutem Signal-Rausch-Verhältnis gemessen werden
können.
Zur Aufnahme des IR-ATR-Spektrums des Reaktorinhalts wird das kontinuierliche
Spektrum des FT-IR-Spektrometers zu dem im Reaktor befindlichen ATR-Kristall
und nach Passage des Kristalles zu dem außerhalb des Reaktors befindlichen Detektor
geleitet. Soll das IR-Spektrometer an einem vom Reaktor weiter entfernten Ort
aufgestellt werden, verwendet man zum Transport der IR-Strahlung geeignete
Lichtleiter. Die zur Zeit für den Spektralbereich des mittleren IR verfügbaren Licht
leiter können aufgrund starker Signalverluste das IR-Signal jedoch nur wenige Meter
weit transportieren.
Bei Verwendung der IR-ATR-Technik ist die in den Reaktor transportierte
Strahlungsenergie so gering, daß sie keine potentielle Zündquelle darstellen kann und
keine unerwünschten Nebenreaktionen initiiert werden können. Das beanspruchte
Meßverfahren besitzt somit eine hohe inhärente Sicherheit.
Die zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses in einem bestimmten Zeit
intervall mit einem Fourier-Transform Infrarot (FT-IR)-Spektrometer akkumulierten
IR-ATR-Spektren (z. B. 200 scans mit einer spektralen Auflösung vom 4 cm-1)
werden dann im Spektralbereich von 4000 bis 800 cm-1 ausgewertet.
Bei der erfindungsgemäßen Modifizierung (Hydrierung) von NBR-Kautschuken
zeigen die IR-ATR-Spektren von NBR die folgenden charakteristischen Signale für
C=C-Doppelbindungen der Butadieneinheiten: A(970) für 1,4-trans-C=C bei ca. 970
cm-1, A(730) für 1,4-cis-C=C bei ca. 730 cm-1 und A(920) für 1,2-vinyl-C=C bei ca.
920 cm-1. Die CN-Gruppierung (Nitrilgruppe) ergibt ein IR-Signal A(2237) bei ca.
2237 cm-1.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im nachfolgenden anhand der Hydrierung von
NBR-Kautschuken näher erläutert.
Zur Bestimmung des aktuellen Hydriergrades bei der Hydrierung von NBR-
Kautschuken in Chlorbenzol-Lösung mittels IR-ATR-Methode werden folgende
Einzelschritte vorgenommen:
- 1. Bestimmung des Gehaltes der 1,4-trans-C=C-Doppelbindungen DB(1,4-trans) des für die Hydrierung eingesetzten NBR-Produktes vor der Hydrierung mittels klassischer Labormethode.
- 2. Aufnahme des IR-ATR-Spektrums A0(ν) zum Zeitpunkt t=0 vor der Hydrie rung unter den aktuellen Hydrierbedingungen (Druck, Temperatur, Konzen trationen). Als Backgroundspektrum dient das Intensitätsspektrum mit nicht benetztem ATR-Kristall.
- 3. Bestimmung der Extinktion der Nitrilgruppe A0(2237) bei ca. 2237 cm-1 (Basislinie: 2260-2210 cm-1).
- 4. Subtraktion eines auf dem Spektrometer-Rechner abgespeicherten und unter gleichen Bedingungen (Druck, Temperatur, Konzentrationen, ATR-Kristall, spektrale Auflösung) aufgenommenen IR-ATR-Spektrums einer vollständig hydrierten Produktlösung mit variablem, multiplikativem Faktor für das gespeicherte Spektrum so, daß die Absorption des Differenzspektrums bei 903 cm-1 (Chlorbenzol-Absorption) minimiert ist.
- 5. Bestimmung der Extinktion der 1,4-trans-C=C-Doppelbindungen A0(970) bei 970 cm-1 mit Basislinie zwischen 1043 und 950 cm-1.
- 6. Berechnung des Quotienten Q0 = A0(970)/A0(2237).
- 7. Aufnahme des IR-ATR-Spektrums At(ν) zum Zeitpunkt t der Hydrierung. Als Backgroundspektrum dient das Intensitätsspektrum mit nicht benetztem ATR- Kristall.
- 8. Bestimmung der Extinktion der Nitrilgruppe At(2237) bei ca. 2237 cm-1 (Basislinie: 2260-2210 cm-1).
- 9. Subtraktion eines auf dem Spektrometer-Rechner abgespeicherten und unter gleichen Bedingungen (Druck, Temperatur, Konzentrationen) aufgenommenen IR-ATR-Spektrums einer vollständig hydrierten Produktlösung mit variablem, multiplikativem Faktor für das gespeicherte Spektrum so, daß die Absorption des Differenzspektrums bei 903 cm-1 minimiert ist.
- 10. Bestimmung der Extinktion der 1,4-trans-C=C-Doppelbindungen At(970) bei 970 cm-1 mit Basislinie zwischen 1043 und 950 cm-1.
- 11. Berechnung des Quotienten Qt = At(970)/At(2237).
- 12. Berechnung des Quotienten RDt(1,4-trans) = Qt/Q0.DB(1,4-trans).
In einem mit einer ATR-Eintauchsonde, und mit einem Migrührer ausgerüsteten
5 Liter Autoklaven werden unter Stickstoff eine Lösung von 225 g NBR (mit einem
nicht exakt bestimmten Acrylnitril-Anteil von ca. 40% und ca. 60% Butadien-Anteil,
davon 85,5% 1,4 trans; 7,3% 1,4 cis und 7,2% 1,2-vinyl Butadien-Einheiten),
2,25 g Triphenylphosphin, 0,675 g Rhodium-Katalysator und 1275 g Chlorbenzol
vorgelegt. Anschließend wird die Lösung bei einer Drehzahl von 280 min-1 dreimal
mit Stickstoff gespült und jeweils auf Normaldruck entspannt.
Als ATR-Sonde wurde eine modifizierte Sonde der Fa. Axiom Analytical Inc., 18103
Sky Park South, Irvine, CA 92714, USA, Typ DPR 111 mit zylindrischem ATR-
Kristall aus ZnSe, Durchmesser des ATR-Kristalls 1/8 Inch, Länge 1,55 Inch, Dich
tungsmaterial: Kalrez, Länge der ATR-Sonde: 52 cm verwendet. In die ATR-Ein
tauchsonde wurde die in [5] beschriebene druckfeste Barriere integriert (s. Zeich
nungen). Die IR-ATR-Spektren wurden mit einem Nicolet 510-FT-IR-Spektrometer
mit Flüssigstickstoff-gekühltem MCT-Detektor aufgenommen.
Zunächst wird die Reaktionslösung auf die Reaktionstemperatur 135°C aufgeheizt.
Dann wird die beschriebene IR-ATR-Methode angewendet. Nach Abarbeiten der
Punkte 1.-6. ergibt sich für das Verhältnis der IR-ATR-Extinktionen
Q0 = A0(970)/A0(2237) des Ausgangsmaterials bei 135°C der folgende Wert: Q0 = 7,88.
Anschließend wird Wasserstoff bis zu einem Gesamtdruck von 35 bar aufgedrückt.
Gleichzeitig wird ein automatisiertes Spektrenmeß- und Auswerteprogramm für die
Punkte 7-12. gestartet, das die on-line Verfolgung der Hydrierung zum Zeitpunkt t
und eine Darstellung des momentanen Restdoppelbindungsgehalts (Rd)t auf dem Bild
schirm des angeschlossenen Computers erlaubt.
Mit Aufnahme von jeweils 200 scans bei 4 cm-1 Auflösung ergab sich ein Zeitbedarf
von ca. 2 min pro Spektrum. Nach einer Hydrierzeit von t=6,5 Stunden betrug das
Verhältnis der IR-ATR-Extinktionen Qt = At(970)/It(2237) = 0,993. Damit berechnet
sich nach Punkten 11.-12. ein 1,4-trans-Restdoppelbindungsgehalt von:
RDt(1,4-trans) = [0,993/7,88].85,5% = 10,8%
Da bekannt ist, daß die 1,4-cis und 1,2-vinyl-Doppelbindungen gegenüber den
1,4-trans-Doppelbindungen von NBR bevorzugt hydriert werden, beträgt entsprechend
der Modifikationsgrad 89,2%. Bei diesem Wert wurde die Reaktion durch Ent
spannen auf Normaldruck abgebrochen.
Claims (5)
1. Verfahren zur kontrollierten Herstellung oder zur Modifizierung von poly
meren Produkten unter Anwendung der IR-ATR-Spektroskopie, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß man
- a) im Falle einer Polymerreaktion die Extinktionen der charakteristischen IR-Absorptionsbanden für die eingesetzten Monomeren und des ent stehenden polymeren Produkts oder
- b) im Falle einer Polymermodifikation die charakteristischen IR-Absorp
tionsbanden des eingesetzten Edukts und des modifizierten polymeren
Produkts
bestimmt, aus den Absorptionsbanden den Umsatzgrad oder den Modi
fikationsgrad errechnet und bei Erreichen des gewünschten Umsatz
grads oder des gewünschten Modifikationsgrads die Reaktion durch
geeignete Maßnahmen abbricht, wobei die IR-ATR-Messung mittels
einer Eintauchsonde direkt in einem gerührten Reaktor in kurzen Zeit
abständen bei Viskositäten des Reaktorinhalts von maximal 10 000 Pas,
bevorzugt von 10 bis 1000 Pas, und bei Strömungsgeschwindigkeiten
im Bereich von 0,01 bis 10 m/s, gemessen am Ort der IR-ATR-Sonde,
durchgeführt wird und der Umsatzgrad oder Modifikationsgrad sich
wie folgt errechnet:
wobei bedeutet
M(t) = Modifikationsgrad
U(t) = Umsatzgrad
A(t) = Extinktion einer charakteristischen Absorptionsbande der einge setzten Monomeren oder des Edukts zum Zeitpunkt t
A(t0)= Extinktion der charakteristischen Absorptionsbande der einge setzten Monomeren oder des Edukts zum Zeitpunkt t0 (Start der Reaktion).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskositäten des
Reaktorinhalts bei 10 bis 200 Pas liegen.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strö
mungsgeschwindigkeiten 0,01 bis 10 m/s betragen.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-
ATR-Spektren in Zeitabständen von 1 Sekunde bis 1 Stunde gemessen wer
den.
5. Verfahren zur kontrollierten Modifizierung von Nitrilkautschuken (NBR-
Kautschuken) unter Anwendung der IR-ATR-Spektroskopie, dadurch gekenn
zeichnet, daß man die charakteristischen IR-Absorptionsbanden des einge
setzten NBRs und des hydrierten NBRs bestimmt, aus den Absorptionsbanden
den Modifikationsgrad errechnet und bei Erreichen des gewünschten Modifi
kationsgrads die Reaktion durch geeignete Maßnahmen abbricht, wobei die
IR-ATR-Messung mittels einer Eintauchsonde direkt in einem gerührten Reak
tor in Zeitabständen von 10 s bis 20 min bei Viskositäten des Reaktorinhalts
von 1 bis 50 Pas und bei Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich von 0,1 bis
10 m/s, gemessen am Ort der IR-ATR-Sonde, durchgeführt wird und der
Modifikationsgrad sich nach der zuvor angegebenen Formel für den Modifika
tionsgrad errechnet.
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