DE19924340A1 - Verfahren zur selektiven Hydrierung von ethylenisch ungesättigten Doppelbindungen in Polymeren - Google Patents
Verfahren zur selektiven Hydrierung von ethylenisch ungesättigten Doppelbindungen in PolymerenInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hydrierung von ethylenisch ungesättigten Doppelbindungen in Polymeren P durch Umsetzung einer wässrigen Dispersion wenigstens eines Polymeren P mit Wasserstoff in Gegenwart wenigstens eines Hydrierkatalysators, der wenigstens ein Übergangsmetall, ausgewählt unter Rhodium und/oder Ruthenium, und wenigstens eine nichtionische, phosphorhaltige Verbindung, die eine koordinative Verbindung mit dem Übergangsmetall ausbilden kann, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass man den Hydrierkatalysator ohne Zusatz eines Lösungsmittels in die wässrige Dispersion des Polymeren P einarbeitet. DOLLAR A Die vorliegende Erfindung betrifft auch die nach diesem Verfahren erhältlichen wässrigen Dispersionen der hydrierten Polymere P, sowie Beschichtungsmittel, die derartige Dispersionen enthalten.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hydrierung
von ethylenisch ungesättigten Doppelbindungen in Polymeren P
durch Umsetzung einer wässrigen Dispersion wenigstens eines Poly
meren P mit Wasserstoff in Gegenwart wenigstens eines Hydrierka
talysators.
Die Hydrierung ethylenisch ungesättigter Doppelbindungen stellt
ein wichtiges Verfahren zur Derivatisierung von Polymeren, die
ethylenisch ungesättigte Doppelbindungen enthalten, dar. Eine
Reihe derartiger Polymere werden in großtechnischem Maßstab her
gestellt. Hier seien beispielhaft Polymere auf der Basis von Bu
tadien und/oder Isopren genannt. Die Hydrierung erlaubt somit die
Bereitstellung von Polymerklassen, die neu oder auf anderem Wege
nur sehr viel aufwendiger herstellbar sind.
Bei der Entwicklung von Hydrierverfahren für Polymere ist zu be
achten, dass die zu hydrierenden Polymere neben den ethylenisch
ungesättigten Doppelbindungen auch andere gegenüber der Hydrie
rung reaktive Funktionalitäten aufweisen können. Das Hydrierver
fahren sollte sich daher im Regelfall durch eine hohe Selektivi
tät hinsichtlich der zu hydrierenden Doppelbindungen auszeichnen.
Ferner birgt die Hydrierung grundsätzlich die Gefahr, dass auf
dem Polymer reaktive Zwischenstufen erzeugt werden, die mit noch
nicht abreagierten Doppelbindungen unter Vernetzung reagieren
können.
Verfahren zur Hydrierung von Polymeren, die ethylenisch ungesät
tigte Doppelbindungen aufweisen, sind grundsätzlich bekannt. Eine
Übersicht über derartige Verfahren geben N. T. McManus et al. (J.
Macromol. Sci., Rev. Macromol. Chem. Phys. (C 35(2), 1995,
239-285). Allen beschriebenen Verfahren ist gemeinsam, dass die
Umsetzung in einem organischen Medium durchgeführt wird. Hierzu
zählt die homogene Reaktion des gelösten Polymers in Gegenwart
eines homogenen gelösten Katalysators in einem organischen Lö
sungsmittel sowie heterogene Reaktionen von Polymeren, die in ei
nem organischen Lösungsmittel suspendiert sind, in Gegenwart ho
mogen gelöster Katalysatoren, sowie die Hydrierung von Polymerlö
sungen und/oder Polymerschmelzen in Gegenwart heterogener Kataly
satoren. In der Regel wird bei der Hydrierung jedoch Gelbildung
beobachtet, was auf Vernetzungsreaktionen hinweist.
Aus der EP-A 588097 ist die Hydrierung von Polymeren auf der Ba
sis von Butadien/Acrylnitril (NBR) bekannt. Bei diesen Verfahren
werden die Polymere als wässrige Dispersionen in wenigstens der
fünffachen Menge, bezogen auf die Dispersion, eines organischen
Lösungsmittels in Gegenwart von Rutheniumkatalysatoren umgesetzt.
Durch Zugabe spezieller Additive wird die Bildung von vernetzten
Polymeren weitgehend unterdrückt. Nachteilig an diesem Verfahren
ist die Verwendung der großen Lösungsmittelmengen.
Grundsätzlich besteht ein großes Interesse an der Übertragung der
katalytischen Hydrierung von Polymeren, die ethylenisch ungesät
tigte Doppelbindungen enthalten, auf wässrige Reaktionssysteme.
So sind einige großtechnisch bedeutende Polymere des Butadiens
kommerziell als wässrige Polymerdispersionen verfügbar. Ferner
stellt die Verwendung von Lösungsmitteln bei der Produktion einen
nicht unwesentlichen Kostenfaktor dar. Die Vermeidung von Lö
sungsmitteln ist auch aus arbeitshygienischen Gründen und Umwelt
schutzaspekten wünschenswert.
Singha et al. (Rubber Chemistry and Technology, Vol. 68, 1995 S.
281-86) beschreiben die Hydrierung einer wässrigen NBR-Disper
sion in Gegenwart von wasserlöslichen Katalysatoren vom Wilkin
son-Typ. Trotz vergleichsweise hoher Katalysatormengen werden nur
geringe Umsätze erzielt.
Die ältere deutsche Patentanmeldung P 197 53 302.7 beschreibt die
Hydrierung von Butadien enthaltenden wässrigen Polymerdispersio
nen in Gegenwart eines Übergangsmetallkatalysators, der Rhodium
und oder Ruthenium und wenigstens eine phosphorhaltige Verbindung
umfasst. Hierbei stellt man zunächst aus einem Salz oder einer
Komplexverbindung des jeweiligen Übergangsmetalls und einer
phosphorhaltigen Verbindung in einem organischen Lösungsmittel
unter Wasserstoffatmosphäre eine Lösung des Hydrierkatalysators
her und gibt diese Lösung anschließend zu der zu hydrierenden,
wässrigen Polymerdispersion. Diese Methode führt zu zufrieden
stellenden Hydrierungsumsätzen und vermeidet den Einsatz größerer
Lösungsmittelmengen. Nachteilig ist jedoch, daß mit dem Katalysa
tor ein organisches Lösungsmittel in die Polymerdispersion einge
bracht wird. Zudem bedeutet die gesonderte Herstellung des Kata
lysators einen zusätzlichen Aufwand.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver
fahren zur Hydrierung von ethylenisch ungesättigten Doppelbindun
gen in Polymeren bereitzustellen, das in einer wässrigen Disper
sion der Polymere P durchgeführt werden kann und das eine hohe
Selektivität zugunsten der Hydrierung der ethylenischen Doppel
bindung gegenüber der Hydrierung anderer Funktionalitäten oder
gegenüber Vernetzungsreaktionen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird überraschenderweise durch ein Verfahren ge
löst, bei dem man eine wässrige Dispersion eines Polymeren P mit
ethylenisch ungesättigten Doppelbindungen in Gegenwart eines Hy
drierkatalysators hydriert, wobei man den Hydrierkatalysator, der
wenigstens ein Übergangsmetall, ausgewählt unter Rhodium und/oder
Ruthenium, und wenigstens eine nichtionische, phosphorhaltige
Verbindung, die eine koordinative Verbindung mit dem Übergangsme
tall ausbilden kann, umfasst, ohne Zusatz eines Lösungsmittels in
die wässrige Dispersion des Polymeren P einarbeitet.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Hy
drierung von ethylenisch ungesättigten Doppelbindungen in Polyme
ren P durch Umsetzung einer wässrigen Dispersion wenigstens eines
Polymeren P mit Wasserstoff in Gegenwart wenigstens eines Hy
drierkatalysators, der wenigstens ein Übergangsmetall, ausgewählt
unter Rhodium und/oder Ruthenium, und wenigstens eine nichtioni
sche, phosphorhaltige Verbindung, die eine koordinative Verbin
dung mit dem Übergangsmetall ausbilden kann, umfasst, dadurch ge
kennzeichnet, dass man den Hydrierkatalysator ohne Zusatz eines
Lösungsmittels in die wässrige Dispersion des Polymeren P einar
beitet.
Im vorliegenden Fall steht "ethylenisch ungesättigte Doppelbin
dung" für ein- zwei- oder dreifach substituierte C=C-Doppelbin
dungen, die nicht in ein aromatisches π-Elektronensystem eingebun
den sind. Sie sind vorzugsweise nicht mit anderen Doppelbindungen
konjugiert.
Erfindungsgemäß wird der Hydrierkatalysator ohne Zusatz eines or
ganischen Lösungsmittels in die Dispersion des zu hydrierenden
Polymeren P eingearbeitet. Zu diesem Zweck kann der Hydrierkata
lysator als solcher, d. h. in Form einer Komplexverbindung, die
das jeweilige Übergangsmetall und wenigstens eine phosphorhaltige
Verbindung als Liganden enthält, in die Dispersion eingearbeitet
werden. In diesem Fall erfolgt die Einarbeitung in der Regel
durch Zugabe der Komplexverbindung aus Übergangsmetall und phosp
horhaltiger Verbindung in die wässrige Dispersion des zu hydrie
renden Polymeren P. Die Komplexverbindung aus Übergangsmetall und
phosphorhaltiger Verbindung kann als Feststoff, als wässrige Lö
sung oder als Lösung in einer verdünnten wässrigen Mineralsäure,
z. B. in verdünnter Salzsäure, zugegeben werden.
Man kann das Übergangsmetall und die phosphorhaltige Verbindung
auch separat in die Dispersion des zu hydrierenden Polymeren P
einarbeiten. Zu diesem Zweck arbeitet man das Übergangsmetall in
Form eines Salzes oder einer Komplexverbindung, die keine phos
phorhaltige Verbindung umfaßt, in die Dispersion des Polymeren P
ein. Die phosphorhaltige Verbindung wird hierbei als separate
Verbindung in die Dispersion des Polymeren P eingearbeitet.
Zur Einarbeitung des Übergangsmetalls in die Dispersion des Poly
meren P kann man beispielsweise ein Salz oder eine geeignete Kom
plexverbindung des Übergangsmetalls als Feststoff oder als wäss
rige Lösung oder als Lösung in einer verdünnten Mineralsäure zu
der Dispersion des Polymeren P geben. Die Einarbeitung des Über
gangsmetalls kann auch dergestalt erfolgen, daß man vor der Her
stellung der Dispersion des Polymeren P ein Salz oder eine Kom
plexverbindung des Übergangsmetalls in den zu polymerisierenden
Monomeren M löst und anschließend das Polymer P durch Polymerisa
tion der Monomere M in Gegenwart des Übergangsmetalls herstellt.
Diese Methode bietet sich insbesondere dann an, wenn die Herstel
lung der wässrigen Dispersion des Polymeren P durch radikalische
wässrige Emulsionspolymerisation der das Polymer P bildenden Mo
nomere M erfolgt. Sofern es sich bei der wässrigen Dispersion des
Polymeren P um eine Sekundärdispersion handelt, kann man das
Übergangsmetall in geeigneter Form in einer Lösung oder Schmelze
des Polymeren lösen, die dann in die eigentliche wässrige Disper
sion des Polymeren P überführt wird. Die phosphorhaltige Verbin
dung kann prinzipiell zu jedem der obengenannten Zeitpunkte zuge
geben werden. Vorzugsweise gibt man die phosphorhaltige Verbin
dung zu der wässrigen Dispersion des Polymeren P. Insbesondere
gibt man sie erst kurz vor der Hydrierung zu der wässrigen Dis
persion des Polymeren P.
Erfindungsgemäß geeignete Salze und Komplexverbindungen des Rho
diums und des Rutheniums, die noch keine phosphorhaltige Verbin
dung als Liganden enthalten, sind im folgenden beispielhaft auf
geführt: Zu den Salzen des Rutheniums und des Rhodiums zählen de
ren Hydride, Oxyde, Sulfide, Nitrate, Sulfate, Halogenide, z. B.
deren Chloride, Carboxylate, z. B. deren Acetate, Propionate, He
xanoate oder Benzoate, deren Salze mit Sulfonsäuren sowie ge
mischte Salze, d. h. Salze mit verschiedenen Anionen, z. B. die
Oxidchloride. Weiterhin eignen sich Salze von komplexen Ionen des
Rhodiums und/oder Rutheniums, beispielsweise die Salze der Rho
dium- bzw. der Rutheniumsauerstoffsäuren, die Salze von Halogeno
ruthenaten und Halogenorhodaten, insbesondere die Chlororuthenate
und Chlororhodate, die Ammin- und Aquokomplexe der Rhodiumhaloge
nide und der Rutheniumhalogenide, insbesondere der Chloride, so
wie die Salze von Nitroruthenaten. Beispiele für die vorgenannten
Salze und komplexen Salze sind: Ruthenium(III)chlorid, Ruthe
nium(III)nitrosylchlorid, Ammoniumpentachloroaquoruthenat(III),
Hexamminruthenium(II)- und -ruthenium(III)chlorid,
Dichlorobis(2,2'-dipyridyl)ruthenium(II), Tris(2,2'-dipyridyl)ru
thenium(II)chlorid, Pentamminchlororuthenium(III)chlorid, Kalium
pentachloronitrosylruthenium(II), Ruthenium(IV)oxid, Tetraaceta
tochlorodiruthenium(II,III), Hexakisacetatotriaquo-µ-oxotriruthe
nium(III)acetat, Rhodium(III)chlorid, Rhodium(III)hydroxyd, Rho
dium(III)nitrat, Rhodium(III)sulfat, Ammoniumpentachloroaquorho
dat(III), Kaliumpentachlororhodat(III), Natriumhexachlororho
dat(III), Triammintrichlororhodium(III), Trisethylendiaminrho
dium(III)chlorid, Rhodium(II)acetat-Dimer, Hexakisacetatotriaquo-
µ-oxotrisrhodium(III), Rhodium(III)hydroxid, Rhodium(IV)oxid und
Kaliumhexanitrorhodat(III). Ebenfalls geeignet sind neutrale Kom
plexe des Rhodiums und des Rutheniums. Hierbei sei angemerkt,
dass die Übergänge zwischen Salzen des Rutheniums bzw. Rhodiums
sowie salzartigen und neutralen Komplexen fließend sind und die
vorliegende Einteilung nur ordnenden Charakter hat. Beispiele für
neutrale Komplexe, die keine phosphorhaltige Verbindung enthal
ten, sind die 2,4-Pentandionate des Rhodiums und des Rutheniums
wie Ruthenium(III)tris-2,4-pentandionat, Rhodium(I)dicarbo
nyl-2, 4-pentandionat, Rhodium(III)tris-2,4-pentandionat, Bisethy
lenrhodium(I)-2,4-pentandionat und Norbornadienrho
dium(I)-2,4-pentandionat, die Carbonylkomplexe des Rutheniums und
des Rhodiums wie Dodecacarbonyltetrarhodium, Hexadecacarbonylrho
dium, Tetracarbonyldi-µ-chlorodirhodium(I) und Dodecacarbonyltri
ruthenium.
Erfindungsgemäß geeignet sind organische, phosphorhaltige Verbin
dungen, worin die Phosphoratome dreiwertig sind. Sie enthalten
vorzugsweise ein oder zwei Phosphoratome.
Beispiele für bevorzugte phosphorhaltige Verbindungen sind die
Verbindungen der allgemeinen Formel I
PR3 (I)
und die Verbindungen der Formel II
R2P-(O)x-A-(O)y-PR2 (II)
worin
R gleich oder verschieden sein können und unabhängig voneinan der für C1-C10-Alkyl, C4-C12-Cycloalkyl, Aryl, C1-C10-Alkyloxy, C4-C12-Cycloalkyloxy und Aryloxy oder Fluor stehen, oder zwei Reste R gemeinsam C3-C6-Alkylen, C3-C6-Alkenylen oder C3-C6- Alkadienylen bedeuten,
A einen bivalenten Kohlenwasserstoffrest bedeutet, und
x,y unabhängig voneinander für 0 oder 1, und vorzugsweise für 0 stehen.
R gleich oder verschieden sein können und unabhängig voneinan der für C1-C10-Alkyl, C4-C12-Cycloalkyl, Aryl, C1-C10-Alkyloxy, C4-C12-Cycloalkyloxy und Aryloxy oder Fluor stehen, oder zwei Reste R gemeinsam C3-C6-Alkylen, C3-C6-Alkenylen oder C3-C6- Alkadienylen bedeuten,
A einen bivalenten Kohlenwasserstoffrest bedeutet, und
x,y unabhängig voneinander für 0 oder 1, und vorzugsweise für 0 stehen.
In diesem Zusammenhang steht C1-C10-Alkyl sowohl für lineares, als
auch verzweigtes Alkyl, das 1 bis 10, vorzugsweise 1 bis 6 und
insbesondere 1 bis 4 Kohlenstoffatome aufweist, z. B. Methyl,
Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, 2-Butyl, Isobutyl, tert.-Bu
tyl, n-Hexyl, 2-Ethylhexyl und n-Decyl. C1-C10-Alkyloxy steht für
eine lineare oder verzweigte, primäre, sekundäre oder tertiäre
Alkoxygruppe mit 1 bis 10, vorzugsweise 1 bis 4 und insbesondere
1 bis 4 Kohlenstoffatomen z. B. Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy, Iso
propoxy, n-Butoxy, 2-Butyloxy, tert.-Butoxy, n-Hexyloxy, 2-Ethyl
hexyloxy. Die Alkylgruppen in C1-C10-Alkyl und C1-C10-Alkoxy können
teilweise oder vollständig halogeniert sein und/oder eine, zwei
oder drei funktionelle Gruppen, ausgewählt unter Hydroxy- oder
Aminofunktionen aufweisen oder durch ein oder mehrere, nicht be
nachbarte Sauerstoffatome oder Iminogruppen unterbrochen sein
können. Beispiele für derartige Reste sind 2-Hydroxyethyl, Hydro
xypropyl, 2-Aminoethyl, 5-Hydroxy-3-oxopentyl. Teilweise haloge
niert bedeutet hier und im folgenden, daß die jeweilige Gruppe
eines, zwei, drei, vier oder fünf Halogenatome, vorzugsweise
Chlor oder Fluor aufweist.
C4-C12-Cycloalkyl steht für gesättigte Mono-, Bi- und Tricyclen
wie Cyclobutyl, Cyclopentyl, Cycloheptyl, Cyclooctyl, Norbornyl
Camphyl oder Tricyclodecanyl, die bis zu 12 Kohlenstoffatome auf
weisen können und die teilweise oder vollständig halogeniert sein
und/oder einen, zwei oder drei Substituenten oder funktionelle
Gruppen, ausgewählt unter C1-C4-Alkyl, C1-C4-Alkoxy, Hydroxy- oder
Aminofunktionen, aufweisen können. Sie können außerdem im Cyclus
ein oder mehrere, nicht benachbarte Sauerstoffatome oder Imino
gruppen aufweisen.
Sofern zwei Reste R gemeinsam für C3-C6-Alkylen, C3-C6-Alkenylen
oder C3-C6-Alkadienylen stehen, bedeuten sie eine lineare Kohlen
stoffkette mit 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatomen in der Kette, wo
bei diese durch ein oder zwei Sauerstoffatome unterbrochen sein
kann. Somit bilden sie gemeinsam mit dem Phosphoratom an das sie
gebunden sind, einen Phosphorheterocyclus, der neben dem Phospho
ratom auch ein oder zwei Sauerstoffatome aufweisen kann und we
nigstens 4 und bis zu 9 Ringatome aufweist. C3-C6-Alkylen, C3-C6-
Alkenylen oder C3-C6-Alkadienylen können sowohl einen, zwei oder
drei Substituenten oder funktionelle Gruppen, ausgewählt unter
C1-C4-Alkyl, C1-C4-Alkoxy, Hydroxy- oder Aminofunktionen, aufwei
sen. Sie können auch mit einem oder zwei Phenylgruppen ein kon
densierten Polycyclus bilden. Beispielsweise können zwei Reste R
einen Tetrahydrophosphol-1-yl-, Benzodihydrophosphol-1-yl-, Di
benzophosphol-1-yl- oder einen Phenoxaphosphan-10-yl-Rest bilden.
Aryl steht für Phenyl, Naphthyl oder Anthracenyl, die teilweise
oder vollständig halogeniert sein können und/oder einen oder meh
rere Substituenten, ausgewählt unter C1-C4-Alkyl, C1-C4-Alkyloxy,
Amino, Di-C1-C4-alkylamino und Hydroxy, das gegebenenfalls auch
ethoxyliert sein kann, aufweisen können. Bevorzugtes Aryl ist
Phenyl, o-, m- oder p-Tolyl, p-Chlorphenyl, p-tert.-Butylphenyl
und p-Hydroxyphenyl, das auch ethoxyliert sein kann (EO-Grad 1
bis 50).
A steht für einen gesättigten oder ungesättigten, monocyclischen,
polycyclischen oder acyclischen, zweiwertigen Kohlenwasser
stoffrest mit vorzugsweise bis zu 25 Kohlenstoffatomen.
A steht beispielsweise für lineares oder verzweigtes C2-C12-, vor
zugsweise C2-C6-Alkylen wie 1,2-Ethylen, 1,2- bzw. 1,3-Propylen,
2,3-Butylen, 2,2-Dimethyl-1,3-propylen, Butan-1,4-diyl, das gege
benenfalls substituiert und/oder Teil eines Carbocyclus oder ei
nes Heterocyclus ist, z. B. wie in 2,3-(1',3'-Dioxa-2',2'-dime
thylpropan-1',3'-diyl)butan-1,4-diyl und trans- oder cis-Norbor
nan-1,2-diyl. A steht weiterhin auch für zweiwertige mono-, bi-
oder tricyclische Reste mit Phenyl-, Naphthyl- oder Anthracenyl
gruppen und umfasst insbesondere o-Phenylen, o,o-Diphenylen,
(o,o-Diphenylen)methan, 2,2-(o,o-Diphenylen)propan, (o,o-Dipheny
len)ether, 1,8-Naphthylen, 2,2'-Binaphthylen, 1,1'-Ferrocenylen,
1,9-Anthracenylen, 1,9-Xanthenylen, wobei die Phenylen-, Naphthy
len- oder Anthracenylengruppen teilweise oder vollständig haloge
niert sein können und/oder einen oder mehrere Substituenten, aus
gewählt unter C1-C4-Alkyl, C1-C4-Alkyloxy, Amino, Di-C1-C4-alkyla
mino und Hydroxy, das gegebenenfalls auch ethoxyliert sein kann,
aufweisen können.
Bevorzugte Reste R sind Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Bu
tyl, 2-Butyl, Isobutyl, tert.-Butyl, n-Hexyl, Cyclohexyl, Cyclo
pentyl, Phenyl, o-, m- oder p-Tolyl, p-Chlorphenyl, p-tert.-Bu
tylphenyl und p-Hydroxyphenyl, insbesondere n-Butyl, 2-Butyl,
Isobutyl, tert.-Butyl, Cyclohexyl und Phenyl.
Beispiele für bevorzugte Verbindungen der Formel I sind Triphenyl
phosphin, Triisopropylphosphin, Tri-nbutylphosphin, Tri-n-octyl
phosphin, Tricyclopentylphosphin, Tricyclohexylphosphin, Trisani
sylphosphin, Tris(p-tolyl)phosphin, Triethylphosphit, Tri-n-bu
tylphosphit und Dibenzophosphol. Beispiele für bevorzugte Verbin
dungen der Formel II sind 1,2-Bis(diphenylphosphino)ethan, 1,3-
Bis(diphenylphosphino)propan, 1,1'-Bis(diphenylphosphino)ferro
cen, 2,2'-Bis(diphenylphosphino)-1,1'-biphenyl und 2,2'-Bis(di
phenylphosphino)-1,1'-binaphthyl. Weitere Beispiele für Verbin
dungen der allgemeinen Formel II finden sich in WO 97/33854, An
gew. Chem. 1999, 111 S. 349; Applied Homogeneous Catalysis with
Organometallic Compounds, Vol. 1 (Hrsg., B. Cornils, W. A. Herr
mann) VCH Weinheim, New-York 1996.
Die erfindungsgemäßen phosphorhaltigen Verbindungen können auch
dahingehend modifiziert sein, daß sie noch weitere zur Koordina
tion mit dem Metallatom geeignete Atome oder Atomgruppen, wie
Amino- oder Iminogruppen, z. B. Oxazolin und Imidazolin-Gruppen,
aufweisen. Die Wirkungsweise derartiger phosphorhaltiger Verbin
dungen ist vermutlich so zu erklären, dass sie die Bildung hy
drieraktiver Spezies aus dem jeweils eingesetzten Ruthenium- oder
Rhodiumprecursor unterstützen. Bevorzugte phosphorhaltige Verbin
dungen sind die oben genannten Verbindungen der allgemeinen For
mel I und II.
Erfindungsgemäße Komplexe des Rutheniums mit wenigstens einer
phosphorhaltigen Verbindung gehorchen vorzugsweise der allgemei
nen Formel III:
Ru X1X2 (CO)k (L1)l (L2)2 (III)
worin
X1 und X2 unabhängig voneinander für Wasserstoff, Halogen, vor zugsweise Chlorid, das Anion einer Carbonsäure, z. B. Acetat, Benzoat oder Hexanoat oder einer Sulfonsäure, z. B. Phenyl sulfonat, Acetylacetonat, Phenyl, das gegebenenfalls substi tuiert ist, stehen,
k und l unabhängig voneinander für 0, 1 oder 2 stehen, mit der Maßgabe, dass k + 1 = 1 oder 2 ist,
L1 ausgewählt ist unter Carbonyl, Pyridin, Benzonitril, Dibenzo phosphol, Cycloolefinen und einem Liganden der allgemeinen Formel PR3, worin R die zuvor genannten Bedeutungen hat, und
L2 für einen phosphorhaltige Liganden der Formel I steht und (L2)2 auch für einen phosphorhaltige Liganden der Formel II stehen kann.
X1 und X2 unabhängig voneinander für Wasserstoff, Halogen, vor zugsweise Chlorid, das Anion einer Carbonsäure, z. B. Acetat, Benzoat oder Hexanoat oder einer Sulfonsäure, z. B. Phenyl sulfonat, Acetylacetonat, Phenyl, das gegebenenfalls substi tuiert ist, stehen,
k und l unabhängig voneinander für 0, 1 oder 2 stehen, mit der Maßgabe, dass k + 1 = 1 oder 2 ist,
L1 ausgewählt ist unter Carbonyl, Pyridin, Benzonitril, Dibenzo phosphol, Cycloolefinen und einem Liganden der allgemeinen Formel PR3, worin R die zuvor genannten Bedeutungen hat, und
L2 für einen phosphorhaltige Liganden der Formel I steht und (L2)2 auch für einen phosphorhaltige Liganden der Formel II stehen kann.
Erfindungsgemäße Komplexe des Rhodiums mit wenigstens einer
phosphorhaltigen Verbindung gehorchen vorzugsweise der allgemei
nen Formel IV:
Rh Xm L3 L4 (L5)n (IV)
worin
X für Halogenid, vorzugsweise Chlorid oder Bromid, das Anion einer Carbonsäure, Acetylacetonat, Aryl- oder Alkylsulfonat, Hydrid oder das Diphenyltriazinanion steht,
L3, L4 und L5 unabhängig voneinander für CO, Olefine, Cycloole fine, Benzonitril, einen phosphorhaltigen Liganden der Formel I oder II,
m für 1 oder 2 und n für 0, 1 oder 2 stehen,
mit der Maßgabe, dass wenigstens einer der Liganden L3, L4 und L5 für eine der oben genannten phosphorhaltigen Liganden der allge meinen Formel I oder II steht.
X für Halogenid, vorzugsweise Chlorid oder Bromid, das Anion einer Carbonsäure, Acetylacetonat, Aryl- oder Alkylsulfonat, Hydrid oder das Diphenyltriazinanion steht,
L3, L4 und L5 unabhängig voneinander für CO, Olefine, Cycloole fine, Benzonitril, einen phosphorhaltigen Liganden der Formel I oder II,
m für 1 oder 2 und n für 0, 1 oder 2 stehen,
mit der Maßgabe, dass wenigstens einer der Liganden L3, L4 und L5 für eine der oben genannten phosphorhaltigen Liganden der allge meinen Formel I oder II steht.
X steht in Formel III oder IV vorzugsweise für Hydrid, Chlorid,
Bromid, Acetat, Tosylat, Acetylacetonat oder das Diphenyltriaci
nanion, insbesondere für Hydrid, Chlorid oder Acetat.
Beispiele für geeignete Phosphinkomplexe der allgemeinen Formeln
III und IV sind: Carbonylchlorohydridobis(tricyclohexylphosp
hin)ruthenium(II), Carbonylchlorohydridobis(triisopropylphosp
hin)ruthenium(II), Carbonylchlorohydridobis(triphenylphosphin)ru
thenium(II), Carbonylchlorostyrylbis(tricyclohexylphosphin)ruthe
nium(II),Carbonylchlorostyrylbis(triisopropylphosphin)ruthe
nium(II), Carbonylchlorobenzoatobis(triphenylphosphin)ruthe
nium(II), Dichlorotris(triphenylphosphin)ruthenium(II), Bis(tri
phenylphosphin)rutheniumdicarbonylchlorid, Acetatohydrido
tris(triphenylphosphin)ruthenium(II), Chlorotris(triphenylphos
phin)rhodium(I), Hydridotetrakis(triphenylphosphin)rhodium(I),
Hydridotris(dibenzophosphol)rhodium(I).
Bevorzugtes Übergangsmetall im erfindungsgemäßen Verfahren ist
Ruthenium. Ruthenium wird vorzugsweise als eine der oben genann
ten Rutheniumverbindungen mit 2,4-Pentadionat-Liganden einge
setzt. Insbesondere setzt man Ruthenium-tris-2,4-pentandionat
ein. Ruthenium wird bevorzugt mit Verbindungen der Formel I ein
gesetzt, insbesondere mit Triisopropylphosphin, Tri-n-butylphosp
hin, Tris-n-octylphosphin, Tricyclohexylphosphin, Triphenylphosp
hin, Trisanisylphosphin und Tris(p-tolyl)phosphin.
Je nach Art des Katalysatorsystems und dem gewünschten Umsatz
werden Katalysatormengen im Bereich von 1 bis 1000 ppm, vorzugs
weise 5 bis 500 ppm Ruthenium und/oder Rhodium, bezogen auf das
Gesamtgewicht des zu hydrierenden Polymers P eingesetzt. Das mo
lare Verhältnis von phosphorhaltiger Verbindung zu Metallatom
liegt in der Regel im Bereich von 1 : 10 bis 100 : 1, vorzugsweise
1 : 2 bis 50 : 1 und speziell 1 : 1 bis 20 : 1.
Die Durchführung der erfindungsgemäßen Hydrierung erfolgt in der
Regel so, dass man zunächst den Hydrierkatalysator in der oben
beschriebenen Weise in die wässrige Dispersion des Polymeren P
einarbeitet. Gegebenenfalls stellt man die Dispersion durch Ver
dünnen mit Wasser oder einer Wasser-Emulgator-Mischung vor oder
nach der Einarbeitung des Katalysators auf einen geeigneten Fest
stoffgehalt ein. Der Feststoffgehalt der zu hydrierenden Disper
sion des Polymeren P liegt in der Regel im Bereich von 20 bis
60 Gew.-% und vorzugsweise im Bereich von 20 bis 50 Gew.-%.
Dann überführt man gegebenenfalls die katalysatorhaltige Disper
sion in ein für die Hydrierung geeignetes Reaktionsgefäß, ent
fernt gegebenenfalls Sauerstoff, beispielsweise durch Spülen des
Reaktionsgefäßes mit einem Inertgas wie Stickstoff, stellt den
gewünschten Wasserstoffdruck ein und erhitzt auf eine geeignete
Reaktionstemperatur. Hierbei kann man z. B. so vorgehen, dass man
zuerst nach Zugabe des Katalysators zu der Dispersion einen ge
ringeren Wasserstoffüberdruck einstellt, dann den Reaktionsansatz
auf die gewünschte Reaktionstemperatur erhitzt und dann den für
die Reaktion erforderlichen Wasserstoffüberdruck einstellt.
Die Hydrierung erfolgt in der Regel bei einem Partialdruck des
Wasserstoffs im Bereich von 0,5 bis 600 bar, vorzugsweise 50 bis
400 bar, insbesondere 100 bis 300 bar. Die Reaktionstemperatur
liegt in der Regel im Bereich von 20 bis 250°C, vorzugsweise 50
bis 200°C, insbesondere 100 bis 180°C. Die Reaktionsdauer liegt
in der Regel im Bereich von 1 bis 50 Stunden, vorzugsweise 2 bis
40 Stunden und insbesondere 3 bis 30 Stunden.
Die Reaktion kann je nach gewünschter Eigenschaft des hydrierten
Polymers bis zu einem bestimmten Umsatz geführt werden, der in
bekannter Weise durch Reaktionsparameter wie Wasserstoffdruck und
Temperatur sowie die Menge des eingesetzten Katalysatorsystems
gesteuert wird. Vorzugswiese führt man die Reaktion bis zu einem
Umsatz von wenigstens 50%, bezogen auf die in P enthaltenen ethy
lenischen Doppelbindungen. Die Wahl der jeweiligen Reaktionspara
meter kann der Fachmann in Routinexperimenten ermitteln. Eine Um
satzbestimmung kann beispielsweise IR-spektrometrisch durch Kon
trolle der für ethylenisch ungesättigten Doppelbindungen typi
schen Banden im Bereich von 900 bis 1000 cm-1 erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass
die ethylenischen Doppelbindungen der Polymerise P auch in Gegen
wart anderer hydrieraktiver Doppelbindungen, beispielsweise aro
matische C=C-Doppelbindungen, Carbonylgruppen, Nitrilfunktionen
etc., selektiv hydriert werden, ohne daß eine merkliche Hydrie
rung anderer Doppelbindungen beobachtet wird. Ferner ist das er
findungsgemäße Verfahren in seiner Durchführung vereinfacht, da
der Katalysator nicht separat hergestellt werden muß. Außerdem
werden keine Lösungsmittel benötigt.
Als Substrate für das erfindungsgemäße Hydrierverfahren kommen
prinzipiell alle wässrigen Dispersionen von Polymeren mit ethyle
nisch ungesättigten Doppelbindungen in Betracht. Hierzu zählen
sowohl Dispersionen, die durch radikalische Polymerisation von
wässrigen Monomeremulsionen hergestellt werden (Primärdispersio
nen), als auch solche, deren Polymere auf anderem Wege herge
stellt werden und anschließend in eine wässrige Dispersion über
führt werden (Sekundärdispersionen). Der Begriff Polymerdisper
sion umfasst grundsätzlich auch Dispersionen von Mikrokapseln.
Der Lösungsmittelgehalt (organische Lösungsmittel) der zu hydrie
renden Polymerisatdispersion wird in der Regel 1000 ppm, und ins
besondere 500 ppm, bezogen auf das Gesamtgewicht der Dispersion
nicht überschreiten.
Bevorzugte Polymere P sind Homo- oder Copolymere konjugierter
Diene, die in der Regel 10 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis
100 Gew.-% wenigstens eines konjugierten Diens in einpolymeri
sierter Form enthalten (Monomere a). Geeignete Monomere a sind
beispielsweise Butadien, Isopren, Chloropren, 1-Methylbutadien,
2,3-Dimethylbutadien, 2-(Tri-C1-C4-alkyl)silylbutadien, wie
2-Triethylsilyl-1,3-butadien. Bevorzugte Monomere a sind Butadien
und Isopren, insbesondere Butadien.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung be
trifft die Hydrierung von Polymeren P, die aus wenigstens einem
konjugierten Dien als Monomer a, wenigstens einem weiteren, mit
dem Dien copolymerisierbaren, monoethylenisch ungesättigten Mono
mer b, und gegebenenfalls einem weiteren, modifizierenden Monomer
c aufgebaut sind. Derartige Copolymere sind in der Regel aus 10
bis 99 Gew.-%, insbesondere 15 bis 95 Gew.-% Gew.-% und speziell
20 bis 90 Gew.-% Monomeren a und 1 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise 5
bis 85 Gew.-% und speziell 10 bis 80 Gew.-% Monomeren b aufge
baut. Die modifizierenden Monomere c machen in der Regel bis zu
20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der das Polymer konsti
tuierenden Monomere a, b und c, aus.
Geeignete Monomere b sind die für die Herstellung wässriger Poly
merdispersionen üblicherweise verwendeten Monomere, die in der
Regel eine Wasserlöslichkeit unterhalb 80 g/l aufweisen. Hierzu
zählen beispielsweise:
- - Olefine wie Ethylen, Propen, n-Buten, und Isobuten; Vinylaromatische Monomere wie Styrol, α-Methylstyrol, o- Chlorstyrol oder Vinyltoluole;
- - Vinyl- und Allylester aliphatischer, linearer oder verzweig ter C1-C18-Monocarbonsäuren wie Vinylacetat, Vinylpropionat, Vinylbutyrat, Vinylvalerat, Vinylhexanoat, Vinyl-2-ethylhexa noat, Vinyldecanoat, Vinyllaurat und Vinylstearat;
- - Ester aus vorzugsweise 3 bis 6 C-Atome aufweisenden ethyleni sch ungesättigten Mono- und Dicarbonsäuren, beispielsweise Ester der Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumarsäure und Itaconsäure, mit im allgemeinen 1 bis 12, vorzugsweise 1 bis 8 und insbesondere 1 bis 4 C-Atomen aufweisenden Alkano len wie Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, 1-Buta nol, 2-Butanol, Isobutanol, tert.-Butanol, n-Hexanol, 2-Ethylhexanol, oder C5-C10-Cycloalkanolen wie Cyclopentanol oder Cyclohexanol und hierunter besonders bevorzugt die Ester der Acrylsäure und/oder der Methacrylsäure, z. B. Methylme thacrylat, n-Butylmethacrylat, tert.-Butylmethacrylat, Methy lacrylat, Ethylacrylat, n-Butylacrylat, tert.-Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat und Laurylacrylat.
Weiterhin kommen als Monomere b ethylenisch ungesättigte Nitrile
wie Acrylnitril oder Methacrylnitril in Betracht.
Zu den modifizierenden Monomeren c zählen Monomere c', die eine
erhöhte Wasserlöslichkeit (z. B. ≧ 80 g/l bei 25°C und 1 bar)
aufweisen. Die Monomere c' umfassen z. B. die vorgenannten ethy
lenisch ungesättigten Carbonsäuren, insbesondere Acrylsäure, Me
thacrylsäure, Maleinsäure, Itaconsäure, die Amide der vorgenann
ten ethylenisch ungesättigten Carbonsäuren, z. B. Acrylamid und
Methacrylamid, die N-Alkylolamide der vorgenannten ethylenisch
ungesättigten Carbonsäuren wie N-Methylolacrylamid und N-Methy
lolmethacrylamid, die Hydroxyalkylester der vorgenannten ethyle
nisch ungesättigten Carbonsäuren, z. B. 2-Hydroxyethylacrylat und
-methacrylat, ethylenisch ungesättigte Sulfonsäuren bzw. deren
Alkalimetallsalze, z. B. Vinylsulfonsäure, Allylsulfonsäure, Me
thallylsulfonsäure, Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, ferner
N-Vinyllactame, z. B. N-Vinylpyrrolidon oder N-Vinylcaprolactam.
Derartige Monomere c' werden in der Regel in untergeordnetem
Maße, d. h ≦ 20 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der zu poly
merisierenden Monomere a, b und c, vorzugsweise ≦ 10 Gew.-%, bei
spielsweise in Mengen von bis zu 0,1 bis 10 Gew.-% und speziell
0,5 bis 8 Gew.-%, eingesetzt.
Weiterhin können die zu hydrierenden Polymere P als Monomere c
auch Monomere c" einpolymerisiert enthalten, die wenigstens zwei
nicht-konjugierte, ethylenisch ungesättigte Bindungen aufweisen,
beispielsweise die Diester zweiwertiger Alkohole mit ethylenisch
ungesättigten Monocarbonsäuren. Beispiele hierfür sind Alkylen
glykoldiacrylate und Dimethacrylate wie Ethylengkoldi(meth)-
acrylat, 1,3-Butylenglykoldi(meth)acrylat, 1,4-Butylenglykol
di(meth)acrylat, Propylenglykoldi(meth)acrylat, weiterhin Divi
nylbenzol, Vinylmethacrylat, Vinylacrylat, Allylmethacrylat, Al
lylacrylat, Diallylmaleat, Diallylfumarat, Diallylphthalat, Me
thylenbisacrylamid, Cyclopentadienylacrylat und -methacrylat,
Tricyclodecenylacrylat und -methacrylat, N,N'-Divinylimidazo
lin-2-on oder Triallylcyanurat. Derartige Monomere werden, sofern
erwünscht in Mengen von 0,01 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Ge
samtmenge der Monomere a + b + c eingesetzt.
Ferner kann das Polymer P auch als Monomere c auch bifunktionelle
Monomere einpolymerisiert enthalten, die neben einer ethylenisch
ungesättigten Doppelbindung wenigstens reaktive funktionelle
Gruppe, beispielsweise eine Epoxid-, Anhydrid, Aldehyd- oder Ke
tocarbonylfunktion aufweisen. Beispiele für bifunktionelle Mono
mere sind ethylenisch ungesättigte Glycidylether und -ester, z. B.
Vinyl-, Allyl- und Methallylglycidylether, Glycidylacrylat und
-methacrylat, die Anhydride α,β-monoethylenisch ungesättigter
Mono- und Dicarbonsäuren, z. B. Acrylsäureanhydrid und Methacryl
säureanhydrid, die Diacetonylamide der obengenannten ethylenisch
ungesättigten Carbonsäuren, z. B. Diaceton(meth)acrylamid, und die
Ester der Acetylessigsäure mit den obengenannten Hydroxyalkyle
stern ethylenisch ungesättigter Carbonsäuren, z. B. Acetylaceto
xyethyl(meth)acrylat. Die zu hydrierenden Polymere P können bi
funktionelle Monomere in Mengen bis zu 20 Gew.-%, beispielsweise
0,01 bis 10 Gew.-% enthalten. Die funktionellen Gruppen der bi
funktionellen Monomere werden durch die Hydrierung nicht zerstört
und ermöglichen die Nachvernetzung der erfindungsgemäßen Polymere
P, beispielsweise mit polyfunktionellen Aminen, Hydraziden oder
Alkoholen.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens be
treffen die Hydrierung von Polymerdispersionen, deren Polymere P
im Wesentlichen aus Butadien und/oder Isopren, insbesondere Buta
dien als alleinigem Monomer a, und aus Styrol, Acrylnitril, Me
thacrylnitril, Isobuten und/oder (Meth)acrylsäurealkylestern als
Monomeren b aufgebaut sind. Bevorzugte Monomere c sind Acryl
säure, Methacrylsäure, Itaconsäure, Acrylamid, Methacrylamid, N-
Methylolacrylamid und/oder N-Methylolmethacrylamid.
Bevorzugte Monomerkombinationen a/b sind Butadien und/oder Iso
pren mit Styrol und/oder α-Methylstyrol; Butadien mit Acrylnitril
und/oder Methacrylnitril; Butadien und Isopren mit Acrylnitril
und/oder Methacrylnitril; Butadien mit Acrylnitril und Styrol;
Butadien mit Isobuten; Butadien mit (Meth)acrylsäurealkylestern.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich zum einen dadurch
aus, dass die ethylenischen Doppelbindungen der Polymere P selek
tiv hydriert werden, ohne dass andere hydrieraktive Doppelbindun
gen, beispielsweise aromatische C=C-Doppelbindungen, Carbonyl
gruppen, Nitrilfunktionen, Epoxidgruppen angegriffen werden. Auch
eine Vernetzung der Polymere tritt nicht, oder nur in untergeord
netem Maße auf. Zum anderen entfällt in der Regel die Herstellung
des Hydrierkatalysators vor der Hydrierung. Überdies wird durch
das erfindungsgemäße Verfahren ein unnötiger Lösungsmitteleinsatz
vermieden.
Die Herstellung zur Hydrierung geeigneter, wässriger Dispersionen
der Polymere P ist dem Fachmann bekannt und kann grundsätzlich
durch anionische, radikalische oder Ziegler-Natta-Polymerisation
in Lösung, in Substanz, in Suspension oder in Emulsion durchge
führt werden. Je nach Reaktionstyp liegen die konjugierten Diene
1,4-polymerisiert und/oder 1,2-polymerisiert vor. Sofern die nach
den vorgenannten Verfahren erhältlichen Polymere P nicht bereits
als wässrige Dispersionen erhalten werden (Primärdispersionen)
werden sie vor der Hydrierung in bekannter Weise in eine wässrige
Dispersion überführt (sog. Sekundärdispersionen).
Für das erfindungsgemäße Hydrierverfahren werden vorzugsweise Po
lymere eingesetzt, die durch radikalische, wässrige Emulsionspo
lymerisation der vorgenannten Monomere a und gegebenenfalls b
und/oder c (einschließlich Mini- und Mikroemulsionspolymerisa
tion) hergestellt wurden. Diese Verfahren sind dem Fachmann hin
reichend bekannt und in der Literatur ausführlich beschrieben,
beispielsweise in Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry,
5th ed., Vol. A21., S. 373-393. In der Regel werden solche Poly
mere in Gegenwart von Radikalinitiatoren und gegebenenfalls ober
flächenaktiven Substanzen wie Emulgatoren und Schutzkolloiden (s.
beispielsweise Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, Bd.
XIV/1, Makromolekulare Stoffe, Georg Thieme-Verlag, Stuttgart
1961, S. 192-208) durchgeführt.
Geeignete radikalische Polymerisationsinitiatoren umfassen orga
nische Peroxide wie tert.-Butylhydroperoxid, Benzoylhydroperoxid,
Diisopropylbenzoylperoxid, anorganische Peroxide, wie Wasser
stoffperoxid, Salze der Peroxomono- und/oder Peroxodischwefel
säure, insbesondere die Ammonium- und/oder Alkalimetallperoxidi
sulfate (Persulfate), sowie Azoverbindungen, wobei die Persulfate
besonders bevorzugt sind. Bevorzugt sind auch kombinierte Sy
steme, die aus wenigstens einem organischen Reduktionsmittel und
wenigstens einem Peroxid und/oder Hydroperoxid zusammengesetzt
sind, z. B. tert.-Butylhydroperoxid und das Natriumsalz der Hy
droxymethansulfinsäure oder Wasserstoffperoxid und Ascorbinsäure
(als elektrolytfreies Redoxinitiatorsystem), und die darüber hin
aus auch eine geringe Menge einer im Polymerisationsmedium lösli
chen Metallverbindung enthalten können, deren metallische Kompo
nente in mehreren Wertigkeitsstufen auftreten kann, z. B. Ei
sen(II)sulfat und wasserlösliche Fe/V-Salze. Die genannten Poly
merisationsinitiatoren werden in üblichen Mengen eingesetzt,
z. B. in Mengen von 0,01 bis 5, vorzugsweise 0,1 bis 2,0 Gew.-%,
bezogen auf die zu polymerisierenden Monomere.
Gegebenenfalls kann die Monomermischung in Gegenwart von üblichen
Polymerisationsreglern, wie Mercaptanen, z. B. tert.-Dodecylmer
captan, polymerisiert werden. Diese werden dann in einer Menge
von 0,01 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Mischung,
verwendet.
Hinsichtlich der verwendbaren Emulgatoren bestehen keine besonde
ren Einschränkungen. Geeignet sind neutrale Emulgatoren wie etho
xylierte Mono-, Di- und Tri-Alkylphenole (EO-Grad: 3 bis 50, Al
kylrest: C4 bis C9) oder ethoxylierte Fettalkohole (EO-Grad: 3 bis
50, Alkylrest C8 bis C36) und anionische Emulgatoren wie die Al
kali- und Ammoniumsalze von Fettsäuren (Alkylrest: C12 bis C24),
Alkylsulfaten (Alkylrest: C8 bis C22), von Schwefelsäurehalbestern
ethoxylierter Alkanole (EO-Grad: 4 bis 30, Alkylrest: C8 bis C22)
und ethoxylierter Alkylphenole (EO-Grad: 3 bis 50, Alkylrest: C4
bis C10), von Alkylsulfonsäuren (Alkylrest: C8 bis C22) und von
Alkylarylsulfonsäuren (Alkylrest: C4 bis C18). Als anionische
Emulgatoren kommen weiterhin Alkali- oder Ammoniumsalze von Mono-
oder Di-C4-C24-alkylderivaten des Bis(phenylsulfonsäure)ethers in
Frage, z. B. technische Gemische, die 50 bis 80% des monoalky
lierten Produkts enthalten. Derartige Emulgatoren sind aus der
US-A 4 269 749 bekannt, die technischen Gemische sind beispiels
weise unter der Bezeichnung Dowfax®2A1 (Dow Chemical) im Handel
erhältlich.
Besonders bevorzugt sind die Alkalimetall- und/oder Ammonium
salze, insbesondere die Natriumsalze von. Weitere geeignete Emul
gatoren finden sich in Houben-Weyl, Methoden der organischen Che
mie, Band XIV/1, Makromolekulare Stoffe, Georg-Thieme Verlag,
Stuttgart, 1961, Seiten 192 bis 208.
Anstelle von oder im Gemisch mit Emulgatoren können aber auch
konventionelle Schutzkolloide wie Polyvinylalkohol, Polyvinylpyr
rolidon oder amphiphile Blockpolymere mit kurzen hydrophoben
Blöcken zur Co-Stabilisierung eingesetzt werden. In der Regel
wird die verwendete Menge an Emulgatoren, bezogen auf die zu po
lymerisierenden Monomeren, 5 Gew.-% nicht überschreiten.
Vorzugsweise wird die Polymerisationsreaktion in Gegenwart einer
wässrigen Polymerisatdispersion als Polymersaat (Saat-Latex)
durchgeführt. Derartige Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich
bekannt und beispielsweise in der DE-A 42 13 967, DE-A 42 13 968,
EP-A 567 811, EP-A 567 812 oder EP-A 567 819 beschrieben, auf die
hiermit in vollem Umfang Bezug genommen wird.
Die Polymerisationsreaktion wird vorzugsweise unter Druck durch
geführt. Die Polymerisationsdauer kann in einem weiten Bereich
variieren. Sie liegt im allgemeinen im Bereich von 1 bis 15 Stun
den, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 10 Stunden. Auch die Poly
merisationstemperatur ist in einem weiten Bereich variabel. Sie
beträgt, je nach verwendetem Initiator, etwa 0 bis 110°C.
Die auf diese Weise hergestellten Polymerdispersionen weisen in
der Regel Feststoffgehalte bis zu 75 Gew.-% auf. Von besonderer
Bedeutung sind Polymerdispersionen mit Feststoffgehalten von 40
bis 70 Gew.-%. Für den Einsatz im erfindungsgemäßen Hydrierver
fahren können die Dispersionen mit diesen Feststoffgehalten ein
gesetzt werden. Gegebenenfalls wird man die Dispersionen zuvor
mit Wasser oder einer wässrigen Emulgatorlösung auf einen geei
gneten Feststoffgehalt verdünnen. Bevorzugt liegt der Feststoff
gehalt der im Verfahren eingesetzten Dispersion im Bereich von 10
bis 60 Gew.-%, insbesondere 20 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Ge
samtgewicht der Dispersion.
Die in den Polymerdispersionen in der Regel noch enthaltenen
oberflächenaktiven Substanzen sowie weitere Stoffe, die bei
spielsweise bei Emulsionspolymerisationen als übliche Polymerisa
tionshilfsmittel verwendet werden, wirken sich im erfindungsgemä
ßen Hydrierverfahren nicht störend aus. Es empfiehlt sich jedoch
die Polymerdispersionen vor der Hydrierung durch chemische oder
physikalische Desodorierung von Lösungsmitteln und nicht polyme
risierten Monomeren zu befreien.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Dispersio
nen der von den Polymeren P abgeleiteten, hydrierten Polymere P'
sind neu und ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die
in ihnen enthaltenen Polymere P', die sich in bekannter Weise aus
den Dispersionen gewinnen lassen, zeichnen sich durch eine hohe,
im Vergleich mit den Polymeren P der nicht hydrierten Grunddis
persionen deutlich verbesserte Stabilität gegenüber Umweltein
flüssen wie Licht, Sauerstoff und/oder erhöhter Temperatur aus.
So zeigen die hydrierten Polymere P' eine niedrige Vergilbungs-
und Versprödungsneigung. Darüber hinaus zeichnen sich die hy
drierten Polymere P' durch eine gegenüber den nicht hydrierten
Polymere P durch verbesserte Reißfähigkeit und eine erhöhte Reiß
dehnung aus. Dies prädestiniert die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren erhältlichen Dispersionen der hydrierten Polymere P'
für den Einsatz als Bindemittel für Dichtungs- oder Beschich
tungsmassen, beispielsweise in Dispersionsfarben, in Kunststoff
putzen, speziell für Außenanwendungen, als Ausrüstung für Texti
lien, Leder und Papier, als Haftkleber, als kautschukelastische
Komponente in Formmassen, und zur Modifizierung von mineralischen
Baustoffen, beispielsweise zur Modifizierung von Mörtel oder Ze
ment bzw. Beton.
Eine spezielle Ausführungsform A1 der vorliegenden Erfindung be
trifft hydrierte Polymerdispersionen, die sich von solchen Poly
meren P ableiten, welche im Wesentlichen aufgebaut sind aus:
- - 10 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 70 Gew.-%, insbesondere 25 bis 65 gew.-% wenigstens einem Monomeren a, ausgewählt un ter Butadien und Isopren, insbesondere Butadien als alleini gem Monomer a,
- - 10 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 80 Gew.-%, insbesondere 35 bis 75 Gew.-% wenigstens einem Monomeren b, ausgewählt un ter vinylaromatischen Monomeren, Estern der Acrylsäure mit einem C1-C12-Alkanol, Estern der Methacrylsäure mit einem C1-C12-Alkanol Acrylnitril und Methacrylnitril, insbesondere Styrol als alleinigem Monomer b,
- - 0 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 0 bis 10 und insbesondere 0,1 bis 8 Gew.-% einem oder mehreren Monomeren c,
wobei die Anteile der Monomere a, b und c sich zu 100 Gew.-%
addieren und der Anteil an Acrylnitril und Methacrylnitril
weniger als 20 Gew.-% beträgt.
Hierunter sind besonders bevorzugt hydrierte wässrige Dispersio
nen von Polymeren, die ausgehend von Dispersionen erhältlich
sind, deren Polymere P Butadien als Monomer a und Styrol als Mo
nomer b enthalten. Bevorzugte Monomere c dieser Ausführungsform
sind Acrylsäure, Methacrylsäure, Itaconsäure, Acrylamid, Metha
crylamid, N-Methylolacrylamid und/oder N-Methylolmethacrylamid.
Polymerdispersionen, die Butadien und Styrol in einpolymerisier
ter Form enthalten, werden vorzugsweise durch radikalische Emul
sionspolymerisation hergestellt und sind wichtige großtechnische
Produkte. Sie sind in vieler Hinsicht Polymeren auf der Basis
Styrol/Butylacrylat vergleichbar, wobei das einpolymerisierte Bu
tadien die Rolle des "weichmachenden" Butylacrylats übernimmt.
Zwar besitzt Butadien gegenüber Butylacrylat einen beträchtlichen
Kostenvorteil, da ersteres direkt aus dem C4-Schnitt des Steam
crackers abgetrennt werden kann, wohingegen letzteres in wenig
stens zwei Schritten ausgehend von Steamcrackerprodukten herge
stellt werden muss, jedoch weisen andererseits butadienhaltige
Polymere die oben aufgeführten Nachteile hinsichtlich ihrer Wit
terungsbeständigkeit auf, so dass ihre Anwendungsmöglichkeiten
bisher stark eingeschränkt waren.
Das erfindungsgemäße Hydrierverfahren führt bei den Polymeren P,
beispielsweise bei den Polymeren der Ausführungsform A1, z. B.
bei solchen auf der Basis von Butadien/Styrol, zu hydrierten Po
lymeren P', die hinsichtlich ihrer mechanischem Eigenschaften
überraschenderweise den nicht hydrierten Polymeren wenigstens
vergleichbar, wenn nicht gar überlegen sind und eine deutlich ge
ringere Empfindlichkeit gegenüber Umweltbedingungen aufweisen.
Dies prädestiniert die Dispersionen der hydrierten Polymere P'
und speziell der Ausführungsform A1 für den Einsatz als Bindemit
tel für Dichtungs- oder Beschichtungsmassen, z. B. für wässrige
Beschichtungsmittel wie Dispersionsfarben, in Kunststoffputzen,
speziell für Außenanwendungen, als Ausrüstung für Textilien, Le
der und Papier, als Haftkleber, als kautschukelastische Kompo
nente in Formmassen, und zur Modifizierung von mineralischen Bau
stoffen, beispielsweise zur Modifizierung von Mörtel, Tonen, Ze
ment oder Beton, z. B. Flüssigbeton.
Eine spezielle Anwendung finden die hydrierten Dispersionen der
Polymere P als Bindemittel in wässrigen Beschichtungsmitteln wie
Dispersionsfarben. Diese enthalten in der Regel eine nach diesem
Verfahren erhältliches hydriertes Polymer, insbesondere eines der
Ausführungsform A1, und hierunter bevorzugt eines auf der Basis
von Styrol und Butdadien in Form seiner wässrige Dispersion und
wenigstens ein anorganisches Pigment und/oder einen organischen
oder anorganischen Füllstoff sowie übliche Hilfsmittel. Derartige
Beschichtungsmittel enthalten üblicherweise 30 bis 75 Gew.-% und
vorzugsweise 40 bis 65 Gew.-% nichtflüchtige Bestandteile. Hier
unter sind alle Bestandteile der Zubereitung zu verstehen, die
nicht Wasser sind, zumindest aber die Gesamtmenge an Bindemittel,
Füllstoff, Pigment, schwerflüchtigen Lösungsmitteln (Siedepunkt
oberhalb 220°C), z. B. Weichmacher, und polymere Hilfsmittel. Da
von entfallen üblicherweise:
- 1. i 3 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 60 Gew.-%, auf feste Bindemittelbestandteile (hydriertes Polymer P')
- 2. ii 5 bis 85 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 60 Gew.-%, auf wenig stens ein anorganisches Pigment,
- 3. iii 0 bis 85 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 70 Gew.-%, auf organi sche oder anorganische Füllstoffe und
- 4. iv 0,1 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 bis 15 Gew.-%, auf übli che Hilfsmittel.
Die Pigmentvolumenkonzentration PVK der erfindungsgemäßen Be
schichtungsmittel liegt in der Regel oberhalb 10%, z. B. 15 bis
85%. Die Vorteile der erfindungsgemäßen hydrierten Polymere kom
men insbesondere bei einer PVK ≧ 40 zum tragen, beispielsweise
bei einer PVK im Bereich von 40 bis 80. Die PVK wird üblicher
weise definiert als der mit 100 multiplizierte Quotient aus dem
Gesamtvolumen der festen anorganischen Bestandteile (Pigment +
Füllstoffe), geteilt durch das Gesamtvolumen der festen anorgani
schen Bestandteile und der Polymerisatteilchen der wässrigen Bin
demittelpolymerisatdispersion; siehe Ullmanns Enzyklopädie der
technischen Chemie, 4. Auflage, Band 15, S. 668.
Typische Pigmente ii für die erfindungsgemäßen Zubereitungen,
insbesondere für Dispersionsfarben, sind beispielsweise Titan
dioxid, vorzugsweise in der Rutilform, Bariumsulfat, Zinkoxid,
Zinksulfid, basisches Bleicarbonat, Antimontrioxid, Lithopone
(Zinksulfid + Bariumsulfat). Die Zubereitungen können jedoch auch
farbige Pigmente, beispielsweise Eisenoxide, Ruß, Graphit, lumi
neszente Pigmente, Zinkgelb, Zinkgrün, Ultramann, Manganschwarz,
Antimonschwarz, Manganviolett, Pariser Blau oder Schweinfurter
Grün enthalten. Neben den anorganischen Pigmenten können die er
findungsgemäßen Zubereitungen auch organische Farbpigmente, z. B.
Sepia, Gummigutt, Kasseler Braun, Toluidinrot, Pararot, Hansa
gelb, Indigo, Azofarbstoffe, anthrachinoide und indigoide Farb
stoffe sowie Dioxazin, Chinacridon-, Phthalocyanin-, Isoindoli
non- und Metallkomplexpigmente enthalten.
Geeignete Füllstoffe iii umfassen grundsätzlich Alumosilicate,
wie Feldspäte, Silicate, wie Kaolin, Talkum, Glimmer, Magnesit,
Erdalkalicarbonate, wie Calciumcarbonat, beispielsweise in Form
von Calcit oder Kreide, Magnesiumcarbonat, Dolomit, Erdalkalisul
fate, wie Calciumsulfat, Siliciumdioxid etc. Die Füllstoffe kön
nen als Einzelkomponenten eingesetzt werden. In der Praxis haben
sich jedoch Füllstoffmischungen besonders bewährt, z. B. Calcium
carbonat/Kaolin, Calciumcarbonat/Talkum.
Zu den üblichen Hilfsmitteln iv zählen Netz- oder Dispergiermit
tel, wie Natrium, Kalium- oder Ammoniumpolyphosphate, Alkalime
tall- und Ammoniumsalze von Polyacrylsäuren und von Polymalein
säure, Polyphosphonate, wie 1-Hydroxyethan-1,1-diphosphonsaures
Natrium sowie Naphthalinsulfonsäuresalze, insbesondere deren Na
triumsalze, Die Dispergiermittel werden in der Regel in einer
Menge von 0.1 bis 0.6 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der
Dispersionsfarbe eingesetzt.
Ferner umfassen die Hilfsmittel iv gegebenenfalls auch Verdic
kungsmittel, beispielsweise Cellulosederivate, wie Methylcellu
lose, Hydroxyethylcellulose und Carboxymethylcellulose, ferner
Casein, Gummiarabikum, Tragantgummi, Stärke, Natriumalginat, Po
lyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Natriumpolyacrylate, wasser
lösliche Copolymerisate auf Acryl- und Methacrylsäurebasis, wie
Acrylsäure/Acrylamid- und Methacrylsäure/Acrylester-Copolymeri
sate und sog. Assoziativverdicker, beispielsweise Styrol-Malein
säureanhydrid-Polymerisate oder hydrophob modifizierte Polyether
urethane, wie sie beispielsweise von N. Chen et al. in J. Coa
tings Techn. Vol 69, No. 867, 1997, S. 73 und von R. D. Hester et
al. J. Coatings Technology, Vol. 69, No. 864, 1997, 109 beschrie
ben sind und auf deren Offenbarung hiermit in vollem Umfang Bezug
genommen wird.
Auch anorganische Verdickungsmittel, z. B. Bentonite oder Hekto
rit, können verwendet werden. Verdickungsmittel werden im Allge
meinen in Mengen von 0,1 bis 3 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis
1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der wässrigen Zuberei
tung, verwendet. Ferner umfassen die Hilfsmittel iv in der Regel
auch Entschäumer, Konservierungs- oder Hydrophobiermittel, Bio
zide, Fasern oder weitere Bestandteile.
Auch können die Beschichtungsmassen zur Einstellung der Filmbil
deeigenschaften der Bindemittelpolymerisate, sog. Filmbildekonso
lidierungsmittel (Weichmacher), z. B. Ethylenglykol, Propylengly
kol, Butylenglykol, Hexylenglykol, Alkylether und -etherester von
Glykolen und Polyglykolen, z. B. Diethylenglykolmonoethylether,
Diethylenglykolmonoethyletheracetat, Diethylenglykolmonobutyl
ether, Hexylenglykoldiacetat, Propylenglykolmonoethylether, -mo
nophenylether, -monobutylether und -monopropylether, Dipropylen
glykolmonomethylether, Dipropylenglykolmono-n-butylether, Tripro
pylenglykolmono-n-butylether, und die Acetate der vorgenannten
Monoalkylether, z. B. Butoxybutylacetat, ferner Alkylester ali
phatischer Mono- und Dicarbonsäuren, z. B. Texanol® der Eastman,
oder technische Gemische von Dibutylestern der Bernsteinsäure,
Glutarsäure und Adipinsäure enthalten. Filmbildehilfsmittel wer
den üblicherweise in Mengen von 0,1 bis 20 Gew.-%, bezogen auf
das in der Zubereitung enthaltene Copolymer P, eingesetzt, so
dass die Zubereitung eine Mindestfilmbildetemperatur < 15°C und
vorzugsweise im Bereich von 0 bis 10°C aufweist.
Häufig unterscheidet man zwischen lösungsmittelhaltigen und lö
sungsmittelfreien Dispersionsfarben. Lösungsmittelhaltige Disper
sionsfarben enthalten üblicherweise weniger als 15 Gew.-% Lö
sungsmittel und werden vorzugsweise für Anwendungen im Freien
eingesetzt, wohingegen lösungsmittelfreie Farben bevorzugt im In
nenbereich verwendet werden. Typische lösungsmittelhaltige Farben
enthalten als Filmbildehilfsmittel neben den obengenannten Film
bildehilfsmittel Kohlenwasserstoffe bzw. deren Gemische, mit oder
ohne aromatische Bestandteile, z. B. Testbenzine des Siedebe
reichs 140 bis 210°C.
Ferner können die erfindungsgemäß zur Anwendung kommenden Zube
reitungen auch vernetzende Zusätze enthalten. Derartige Zusätze
können sein: aromatische Ketone, z. B. Alkylphenylketone, die ge
gebenenfalls am Phenylring einen oder mehrere Substituenten auf
weisen, oder Benzophenon und substituierte Benzophenone als Pho
toinitiatoren. Für diesen Zweck geeignete Photoinitiatoren sind
z. B. aus der DE-A-38 27 975 und der EP-A-417 568 bekannt. Ge
eignete vernetzend wirkende Verbindungen sind auch wasserlösliche
Verbindungen mit wenigstens zwei Aminogruppen, beispielsweise Di
hydrazide aliphatischer Dicarbonsäuren gemäß der DE-A-39 01 073,
wenn das Polymer P Carbonylgruppen enthaltende Monomere einpoly
merisiert enthält.
Die erfindungsgemäßen Beschichtungsmittel sind stabile fluide Sy
steme, die man zur Beschichtung von einer Vielzahl von Substraten
verwenden kann. Danach betrifft die vorliegende Erfindung auch
ein Verfahren zum Beschichten von Substraten. Geeignete Substrate
sind beispielsweise Holz, Beton, Metall, Glas, Keramiken, Pla
stik, Putze, Tapeten, gestrichene, grundierte oder verwitterte
Untergründe. Das Aufbringen der Zubereitung auf das zu beschich
tende Substrat erfolgt in einem von der Ausgestaltung der Zube
reitung abhängigen Weise. Das Aufbringen kann, abhängig von Vis
kosität und Pigmentgehalt der Zubereitung sowie dem Substrat mit
tels Rollen, Bürsten, Rakeln oder als Spray erfolgen.
Die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtungsmittel
hergestellten Beschichtungen zeichnen sich durch eine im Ver
gleich zu nicht hydrierten Dispersionen der Polymere P hohe Wit
terungsstabilität, beispielsweise bei Einwirkung von ultraviolet
ter Strahlung, aus.
Ein weiteres vorteilhaftes Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen
hydrierten Polymerdispersionen sind Dispersionssilikatfarben- und
putze. Dispersionssilikatfarben und -putze enthalten neben der
Polymerdispersion als weiteres Bindemittel Kaliwasserglas. Der
Anteil der organischen Bindemittelkomponenten in Dispersionssili
katfarben kann bis zu 10 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der
Farbe betragen und wird vorzugsweise nach DIN 18363 etwa 5 Gew.-%
nicht überschreiten. Der Aufbau einer Dispersionssilikatfarbe ist
ähnlich dem einer Dispersionsfarbe. Dispersionssilikatfarben und
-putze enthalten darüber hinaus als Hilfsmittel häufig Additive,
die die Verträglichkeit von Dispersion und Wasserglas verbessern,
sowie Hydrophobierungsmittel. Eine ausführliche Beschreibung der
verschiedenen Komponenten und ihrer Wirkungen auf die Eigenschaf
ten bietet die Monographie "Dispersions-Silikatsysteme: Grundla
gen - Formulierungen - Problemlösungen", Wolfgang Schultze et al.
Expert-Verlag, Renningen-Malmsheim, 1995, auf die hiermit in vol
lem Umfang Bezug genommen wird. Hierbei ist zu berücksichtigen,
dass vorzugsweise alle Komponenten bei den durch das Wasserglas
bedingten hohen pH-Werten stabil sein sollten. Im Unterschied zu
den bekannten Bindemitteln auf der Basis von Styrol/Butylacrylat-
Emulsionspolymerisaten erfüllen die erfindungsgemäßen hydrierten
Polymere diese Anforderung in besonderem Maße.
Die erfindungsgemäßen Dispersionssilikatfarben sind ähnlich wie
konventionelle Dispersionsfarben stabile fluide Systeme, die in
den üblichen Weisen auf das zu beschichtende Substrat, beispiels
weise Mauerwerk, Faserzementplatten, Betonwände, Fertigbetonform
teile wie Fertigbetonwände, und vergleichbare Untergründe aufge
bracht werden. Die so aufgebrachten Dispersionssilikatfarben auf
Basis der hydrierten Polymere P' trocknen zu außergewöhnlich was
serfesten Beschichtungen. Diese besitzen im Vergleich zu Silikat
dispersionsfarben auf Basis nicht hydrierter Butadien/Styrol-Co
polymere eine erhöhte Resistenz gegen flüssiges Wasser, so dass
auf Hydrophobierungsmittel verzichtet werden kann. Die für Sili
katfarben typische hohe Durchlässigkeit für Wasserdampf wird je
doch nicht beeinträchtigt. Hervorzuheben ist ferner die gestei
gerte Nassabriebfestigkeit der Beschichtungen, die vermutlich auf
einer verbesserten Haftung und Bindung der Pigmente und Füll
stoffe beruht.
Die im Folgenden aufgeführten Beispiele sollen die Erfindung ver
deutlichen, ohne sie jedoch einzuschränken.
Die Glasübergangstemperatur wurde mittels DSC (Differential-Kalo
rimetrie), ausgewertet durch "mid-point-Methode" nach ASTM D
3418-823), bestimmt.
Die Mindestfilmbildetemperatur (MFT) der Polymerisatdispersionen
erfolgte in Anlehnung an Ullmanns Enzyklopädie der technischen
Chemie, 4. Aufl. Bd. 19, VCH Weinheim 1980, S. 17. Als Messgerät
diente eine sogenannte Filmbildebank (Metallplatte, an die ein
Temperaturgradient angelegt wird und an die zur Temperaturkali
brierung an verschiedenen Stellen Temperatursensoren angebracht
sind, wobei der Temperaturgradient so gewählt wird, dass das eine
Ende der Filmbildebank eine Temperatur oberhalb der zu erwarten
den MFT und das andere Ende eine Temperatur unterhalb der zu er
wartenden MFT aufweist). Auf die Filmbildebank wird nunmehr die
wässrige Polymerisatdispersion aufgebracht. In den Bereichen der
Filmbildebank, deren Temperatur oberhalb der MFT liegt, bildet
sich beim Trocknen ein klarer Film aus, wohingegen sich in den
kühleren Bereichen Risse im Film auftreten und bei noch niedrige
ren Temperaturen sich ein weißes Pulver bildet. Anhand des be
kannten Temperaturprofils der Platte wird die MFT visuell be
stimmt.
Der Hydrierumsatz wurde aus dem Verhältnis I/Io normierter Inten
sitäten von IR-Banden hydrierter Proben (I) und nicht hydrierter
Proben (Io) ermittelt. Die IR-Bande bei 960 cm-1 resultiert aus
der Doppelbindung einer 1,4-verknüpften Butadieneinheit und die
Bande bei 910 cm-1 aus der Doppelbindung einer 1,2-verknüpften Bu
tadieneinheit. Die Intensitäten wurden durch Integration der je
weiligen Bande und Vergleich der so ermittelten Peakfläche gegen
die Peakfläche der Bande bei 699 cm-1 (Styroleinheit) normiert.
Die Filme zur Bestimmung der Wasseraufnahme wurde wie folgt her
gestellt: Eine abgewogene Menge der auf 25% Festgehalt verdünn
ten Dispersionen wurde in Formen gegossen, so dass nach Trocknung
0,5 mm dicke Filme zurückblieben. Dispersionen mit einer MFT von
unter 10°C wurden bei 23°C, 50% rel. Feuchte verfilmt; bei hö
herer MFT wurde zunächst 2d bei 50°C getrocknet, dann 24 Stunden
bei 23°C, 50% rel. Feuchte konditioniert. Aus den Filmen wurden
Quadrate mit 5 cm Seitenlänge ausgestanzt, für 24 Stunden in Was
ser gelegt und die Gewichtszunahme registriert.
In einem Polymerisationsgefäß wurden 3800 g Wasser und eine
geringe Menge Saatlatex (Polystyrolsaat, 30 nm) vorgelegt und
auf 75°C erwärmt. Hierzu gab man 6 g Natriumpersulfat sowie
5 Gew.-% der Monomeremulsion. Anschließend gab man zeitgleich
beginnend unter Beibehaltung der Temperatur über separate Zu
läufe 1900 g einer 6 gew.-%igen wässrigen Natriumpersulfat
lösung und die verbleibende Menge der Monomeremulsion inner
halb von 3,5 Stunden zu. Anschließend polymerisierte man eine
weitere Stunde unter Beibehaltung der Temperatur. Danach re
duzierte man den Gehalt an Restmonomeren unter 10 ppm durch
kombinierte chemische und physikalische Desodorierung.
Die Monomeremulsion bestand aus
14 250 g eines Monomerengemischs aus Butadien und Styrol im Gewichtsverhältnis 1 : 1,85
440 g Acrylsäure
105 g Texapon®NSO (Henkel KGaA)
9 300 g Wasser
1,19 g Ruthenium(III)tris-2, 4-pentandionat
14 250 g eines Monomerengemischs aus Butadien und Styrol im Gewichtsverhältnis 1 : 1,85
440 g Acrylsäure
105 g Texapon®NSO (Henkel KGaA)
9 300 g Wasser
1,19 g Ruthenium(III)tris-2, 4-pentandionat
Die Herstellung erfolgte wie bei D1 beschrieben mit dem Un
terschied, dass die Monomeremulsion zusätzlich 60 g tert.-Do
decylmerkaptan enthielt.
Die Herstellung erfolgte wie bei D1 beschrieben mit dem Un
terschied, dass die Monomeremulsion zusätzlich 120 g tert.-
Dodecylmerkaptan enthielt.
Die Herstellung erfolgte wie bei D1 beschrieben, wobei ein
Monomerengemisch aus Butadien und Styrol im Gewichtsverhält
nis 1 : 1,3 eingesetzt wurde.
Zu 950 g der wässrigen Polymerdispersion D1 wurden etwa 650 g
destilliertes und entgastes Wasser zugegeben, um einen Fest
stoffgehalt von 30% einzustellen. Dann wurden 0,07 g Tri-n-
butylphosphin zugegeben. Diese Mischung wurde über 16 Stunden
bei Raumtemperatur gerührt und anschließend in einen Autokla
ven überführt, der zuvor mehrfach inertisiert wurde. Bei
Raumtemperatur wurde zunächst ein Druck von 100 bar Wasser
stoff aufgepresst. Es wurde auf 150°C erwärmt; sobald die
Temperatur erreicht war, wurde der Wasserstoffdruck auf
280 bar erhöht und über 15 Stunden konstant gehalten. Nach
Ende der Reaktionszeit wurde der Autoklav abgekühlt, ent
spannt und entleert. Der Umsatz wurde IR-spektroskopisch be
stimmt.
Die Umsetzung erfolgte wie bei HD1 beschrieben, jedoch wurde
die Dispersion D1 mit destilliertem Wasser auf einen Fest
stoffgehalt von 40% eingestellt.
Die Umsetzung erfolgte wie bei HD1 beschrieben, jedoch mit
Dispersion D2.
Die Umsetzung erfolgte wie bei HD3 beschrieben, jedoch betrug
die Reaktionszeit 30 Stunden.
Die Umsetzung erfolgte wie bei HD1 beschrieben, jedoch mit
Dispersion D3.
Die Umsetzung erfolgte wie bei HD5 beschrieben, jedoch betrug
die Reaktionszeit 30 Stunden.
Die Umsetzung erfolgte wie bei HD1 beschrieben, jedoch mit
Dispersion D4.
Die Umsetzung erfolgte wie bei HD7 beschrieben, jedoch betrug
die Reaktionszeit 30 Stunden.
Die Dispersionen D1 bis D4 und HD1 bis HD8 wurden nach
der folgenden Rezeptur zu Fassadenfarben weiterverarbeitet
(Vergleichsbeispiele V1 bis V4, Beispiele 1 bis 8).
Die Rezeptur umfasste folgende Bestandteile:
60,0 g Wasser
1,1 g Dispergiermittel1)
11,6 g 10 gew.-%-ige, wässrige Natriumpoly phosphat-Lösung2)
1,1 g konz. wässrige Ammoniaklösung
3,1 g handelsübliches Biozid3)
77,8 g 4 gew.-%ige wässrige Verdickerlösung4)
39,0 g Glimmer5)
130,8 g Titandioxidpigment6)
25,0 g Eisenoxidpigment (gelb)7)
155,8 g Calcit8)
39, 0 g Talkum 9)
3,8 g Entschäumer10)
6,6 g Butyldiglykol
13,2 g Testbenzin 11) und wahlweise:
42,8 g Wasser, oder
778,6 g 25 gew.-%ige Dispersion HD1 bis HD8
1,1 g Dispergiermittel1)
11,6 g 10 gew.-%-ige, wässrige Natriumpoly phosphat-Lösung2)
1,1 g konz. wässrige Ammoniaklösung
3,1 g handelsübliches Biozid3)
77,8 g 4 gew.-%ige wässrige Verdickerlösung4)
39,0 g Glimmer5)
130,8 g Titandioxidpigment6)
25,0 g Eisenoxidpigment (gelb)7)
155,8 g Calcit8)
39, 0 g Talkum 9)
3,8 g Entschäumer10)
6,6 g Butyldiglykol
13,2 g Testbenzin 11) und wahlweise:
42,8 g Wasser, oder
778,6 g 25 gew.-%ige Dispersion HD1 bis HD8
Der Feststoffgehalt der Farben lag bei 59 Gew.-% für die
mit 50 Gew.-%iger Dispersion hergestellten Farben und bei
44 Gew.-% für die mit 25 gew.-%iger Dispersion herge
stellten Farben. Das Bindemittel/Pigment-Verhältnis ist
für alle Farben identisch.
Die anwendungstechnischen Eigenschaften der Dispersions
farben sind in der Tabelle 1 zusammengefasst.
1) 30 gew.-%ige wässrige Lösung eines Ammoniumpolyacry
lats; Pigmentverteiler A der BASF AG, Ludwigshafen
2) Calgon® N der BK Ladenburg, Ladenburg
3) Konservierungsmittel KM 102 der Firma Schultze & Mayr GmbH, Norderstedt
4) Tylose MH 4000 K (4%ig) der Firma Clariant GmbH, Wiesbaden
5) Micro-Mica der Firma Norwegian Talk AS Deutschland GmbH, Bad Soden
6) Kronos ®2056 der Kronos Titan GmbH, Leverkusen
7)Bayterrox gelb 930 der Firma Bayer AG, Leverkusen
8) Microdol 1 der Firma Norwegian Talk AS Deutschland GmbH, Bad Soden
9) Talkum A.T.1 der Firma Norwegian Talk AS Deutschland GmbH, Bad Soden
10) Nopco 8034 der Firma Henkel KGaA, Düsseldorf
11) Testbenzin K60 der Firma Brenntag, Frankfurt (Siede bereich 180 bis 210°C)
2) Calgon® N der BK Ladenburg, Ladenburg
3) Konservierungsmittel KM 102 der Firma Schultze & Mayr GmbH, Norderstedt
4) Tylose MH 4000 K (4%ig) der Firma Clariant GmbH, Wiesbaden
5) Micro-Mica der Firma Norwegian Talk AS Deutschland GmbH, Bad Soden
6) Kronos ®2056 der Kronos Titan GmbH, Leverkusen
7)Bayterrox gelb 930 der Firma Bayer AG, Leverkusen
8) Microdol 1 der Firma Norwegian Talk AS Deutschland GmbH, Bad Soden
9) Talkum A.T.1 der Firma Norwegian Talk AS Deutschland GmbH, Bad Soden
10) Nopco 8034 der Firma Henkel KGaA, Düsseldorf
11) Testbenzin K60 der Firma Brenntag, Frankfurt (Siede bereich 180 bis 210°C)
Die Dispersionen D1, D3, Acronal 290 D sowie HD1 und HD6
wurden entsprechend dem nachfolgenden Rezept zu Disper
sionssilikatfarben weiterverarbeitet (VS1, VS2, VS3 und
S1, S2).
217 g Wasser (bzw. 117 g bei HD1 und HD6)
2 g Verdickungsmittel12)
2 g Dispergiermittel13)
2 g Stabilisierungsmittel14)
100 g Titandioxidpigment15)
2 g Entschäumer16)
100 g 50 gew.-%ige Dispersion D1, D2, 290 D22) (bzw. 200 g 25 gew.-%ige HD1, HD6)
15 g Testbenzin11)
100 g Calcit17)
40 g Talkum18)
100 g Plättchenfüllstoff 119)
70 g Plättchenfüllstoff 220)
250 g stabilisiertes Kaliwasserglas, 29%ig21)
2 g Verdickungsmittel12)
2 g Dispergiermittel13)
2 g Stabilisierungsmittel14)
100 g Titandioxidpigment15)
2 g Entschäumer16)
100 g 50 gew.-%ige Dispersion D1, D2, 290 D22) (bzw. 200 g 25 gew.-%ige HD1, HD6)
15 g Testbenzin11)
100 g Calcit17)
40 g Talkum18)
100 g Plättchenfüllstoff 119)
70 g Plättchenfüllstoff 220)
250 g stabilisiertes Kaliwasserglas, 29%ig21)
Der Feststoffgehalt der Farben lag bei 53%.
Die anwendungstechnischen Eigenschaften der Dispersions
silikatfarben sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
12)Rhodopol 50 MD der Fa. Rhone Poulenc Chemie GmbH,
Frankfurt
13) Lopon 826 der BK Ladenburg GmbH, Ladenburg
14) Betolin Quart der Fa. Woellner Werke, Ludwigshafen
15) Kronos 2043 der Kronos Titan GmbH, Leverkusen
16) Agitan 280 der Fä. Münzing, Heilbronn
17) Omyacarb BLP 3 der Fa. Omya GmbH, Köln
18) Talkum A. T.1 der Firma Norwegian Talk AS Deutschland GmbH, Bad Soden
19) Plastorit 0000 der Fa. Luzenac Deutschland GmbH, Düs seldorf
20) Plastorit 0 der Fa. Luzenac Deutschland GmbH, Düssel dorf
21) Betolin P 35 der Fa. Woellner Werke, Ludwigshafen
22) Acronal 290 D der BASF Aktiengesellschaft, Ludwigsha fen: wässrige Copolymerdispersion auf Basis von Sty rol/Butylacrylat mit einer MFT von 20°C.
13) Lopon 826 der BK Ladenburg GmbH, Ladenburg
14) Betolin Quart der Fa. Woellner Werke, Ludwigshafen
15) Kronos 2043 der Kronos Titan GmbH, Leverkusen
16) Agitan 280 der Fä. Münzing, Heilbronn
17) Omyacarb BLP 3 der Fa. Omya GmbH, Köln
18) Talkum A. T.1 der Firma Norwegian Talk AS Deutschland GmbH, Bad Soden
19) Plastorit 0000 der Fa. Luzenac Deutschland GmbH, Düs seldorf
20) Plastorit 0 der Fa. Luzenac Deutschland GmbH, Düssel dorf
21) Betolin P 35 der Fa. Woellner Werke, Ludwigshafen
22) Acronal 290 D der BASF Aktiengesellschaft, Ludwigsha fen: wässrige Copolymerdispersion auf Basis von Sty rol/Butylacrylat mit einer MFT von 20°C.
Zur Bestimmung der Witterungsbeständigkeit der Farban
striche wurden je zwei Faserzementplatten (5 × 15 cm) zu
nächst mit einer Mischung der unter lila hergestellten
Dispersionsfarben und Wasser im Gewichtsverhältnis 1 : 1
grundiert und anschließend mit den Dispersionsfarben aus
III erneut gestrichen. Der Farbauftrag betrug 300 g/m2
(Trockenauftrag). Je eine Platte wurde dann einer künst
lichen Bewitterung ausgesetzt, die andere Platte diente
als Referenz. Nach 100 Stunden wurde die Auskreidung ge
mäß DIN 53159 bestimmt.
Die Dispersionssilikatfarben wurden in Anlehnung an
DIN 53778 Blatt 2 auf ihre Scheuerfestigkeit geprüft: Mit
Hilfe eines 60 mm breiten Rakels wurde ein Anstrichfilm
auf eine Glasplatte aufgezogen. Die Spalthöhe wurde so
gewählt, dass eine Trockenschichtdicke von 100 µm resul
tierte. Der Film wurde 28 Tage unter Normklimabedingungen
getrocknet. Dann wurde in einem Scheuergerät unter stän
digem Zutropfen einer 0,25%igen wässrigen Lösung von
n-Dodecylbenzolsulfonat-Natriumsalz eine Scheuerbürste
über den Anstrich geführt. Die Anzahl der Doppelhübe bis
zum Durchscheuern des Anstrichs diente als Maß für die
Scheuerfestigkeit bzw. Nassabriebfestigkeit.
Die kapillare Wasseraufnahme von Dispersionsilikatfarben
wurde in Anlehnung an DIN 52617 über die Gewichtszunahme
in Wasser gelagerter, beschichteter Kalksandsteine ge
prüft. Dazu werden Kalksandsteine (nach DIN 106, Typ: KS
NF, Rohdichte: 2,0 kg/dm3, 240 mm × 115 mm × 71 mm) auf
einer der großen Flächen mit den Dispersionssilikatfarben
beschichtet. Hierzu wurde zunächst eine Grundierung aus
der 1 : 1 mit Wasser verdünnten Farbe aufgetragen. Dann
wurde die Farbe zweimal unverdünnt aufgetragen, so dass
insgesamt eine Auftragsmenge von 300 g/m2 resultierte.
Die Seitenflächen der Steine wurden mit einem Zwei-Kompo
nenten-Lack versiegelt. Anschließend wurden die Steine
28 d bei 23°C, 50% rel. Feuchte getrocknet, dann je
dreimal für 24 Stunden gewässert, 24 Stunden bei 50°C
getrocknet und abschließend 7 d bei 23°C, 50% rel.
Feuchte konditioniert. Die Steine wurden zunächst gewo
gen, dann mit der beschichteten Seite nach unten 1 cm
tief in Wasser gelagert. Nach 24 Stunden wurden die
Steine herausgenommen und erneut gewogen. Die kapillare
Wasseraufnahme errechnet sich aus der Gewichtsdifferenz
dividiert durch die Prüffläche und die Wurzel aus der
Zeit.
Claims (15)
1. Verfahren zur Hydrierung von ethylenisch ungesättigten Dop
pelbindungen in Polymeren P durch Umsetzung einer wässrigen
Dispersion wenigstens eines Polymeren P mit Wasserstoff in
Gegenwart wenigstens eines Hydrierkatalysators, der wenig
stens ein Übergangsmetall, ausgewählt unter Rhodium und/oder
Ruthenium, und wenigstens eine nichtionische, phosphorhaltige
Verbindung, die eine koordinative Verbindung mit dem Über
gangsmetall ausbilden kann, umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass man den Hydrierkatalysator ohne Zusatz eines Lösungsmit
tels in die wässrige Dispersion des Polymeren P einarbeitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man
den Hydrierkatalysator erzeugt, indem man zu einer wässrigen
Dispersion des Polymeren P, die das Übergangsmetall in Form
eines Salzes oder einer Komplexverbindung enthält, wenigstens
eine phosphorhaltige Verbindung gibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
wässrige Dispersion der Polymere P nicht mehr als 1000 ppm
eines organischen Lösungsmittels enthält.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die phosphorenthaltende Verbindung aus
gewählt ist unter Verbindungen der allgemeinen Formel I
PR3 (I)
und Verbindungen der Formel II
R2P-(O)x-A-(O)y-PR2 (II)
worin
R gleich oder verschieden sein können und unabhängig von einander für C1-C10-Alkyl, C4-C12-Cycloalkyl, Aryl, C1-C10- Alkyloxy, C4-C12-Cycloalkyloxy und Aryloxy oder Fluor stehen, oder zwei Reste R gemeinsam C3-C6-Alkylen, C3-C6- Alkenylen oder C3-C6-Alkadienylen bedeuten,
A einen bivalenten Kohlenwasserstoffrest bedeutet, und
x,y unabhängig voneinander für 0 oder 1 stehen.
PR3 (I)
und Verbindungen der Formel II
R2P-(O)x-A-(O)y-PR2 (II)
worin
R gleich oder verschieden sein können und unabhängig von einander für C1-C10-Alkyl, C4-C12-Cycloalkyl, Aryl, C1-C10- Alkyloxy, C4-C12-Cycloalkyloxy und Aryloxy oder Fluor stehen, oder zwei Reste R gemeinsam C3-C6-Alkylen, C3-C6- Alkenylen oder C3-C6-Alkadienylen bedeuten,
A einen bivalenten Kohlenwasserstoffrest bedeutet, und
x,y unabhängig voneinander für 0 oder 1 stehen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die wässrige Dispersion der Polymere P
durch radikalische, wässrige Emulsionspolymerisation ethyle
nisch ungesättigter Monomere M hergestellt wurde.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man
das Übergangsmetall in Form einer Komplexverbindung oder ei
nes Salzes in den zu polymerisierenden Monomeren M löst oder
dispergiert.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass man 1 bis 1000 ppm Übergangsmetall, be
zogen auf das Gesamtgewicht des Polymeren P in der Disper
sion, einsetzt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass man die Umsetzung bei Temperaturen im
Bereich von 20 bis 250°C und Wasserstoffpartialdrücken im
Bereich von 0,5 bis 600 bar durchführt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass man die Hydrierung bis zu einem Umsatz
von wenigstens 50 mol-%, bezogen auf die im Polymer P enthal
tenen ethylenisch ungesättigten Doppelbindungen, führt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Polymere P im Wesentlichen aus we
nigstens einem konjugiertem Dien als Monomer a und wenigstens
einem mit dem Dien copolymerisierbaren, monoethylenisch unge
sättigten Monomer b und gegebenenfalls einem oder mehreren
modifizierenden Monomer c aufgebaut sind.
11. Wässrige Polymerdispersionen, erhältlich durch ein Verfahren
gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend wenig
stens ein hydriertes Polymer P', das sich von einem Polymer P
ableitet.
12. Wässrige Polymerdispersion nach Anspruch 11, wobei das Poly
mere P aufgebaut ist aus:
10 bis 90 Gew.-% wenigstens einem Monomeren a, ausgewählt un ter Butadien und Isopren,
10 bis 90 Gew.-% wenigstens einem Monomeren b, ausgewählt un ter vinylaromatischen Monomeren, Estern der Acrylsäure mit einem C1-C12-Alkanol, Estern der Methacrylsäure mit einem C1-C12-Alkanol Acrylnitril und Methacrylnitril,
0 bis 20 Gew.-% einem oder mehreren Monomeren c
wobei die Anteile der Monomere a, b und c sich zu 100 Gew.-% addieren und der Anteil an Acrylnitril und Methacrylnitril weniger als 20 Gew.-% beträgt.
10 bis 90 Gew.-% wenigstens einem Monomeren a, ausgewählt un ter Butadien und Isopren,
10 bis 90 Gew.-% wenigstens einem Monomeren b, ausgewählt un ter vinylaromatischen Monomeren, Estern der Acrylsäure mit einem C1-C12-Alkanol, Estern der Methacrylsäure mit einem C1-C12-Alkanol Acrylnitril und Methacrylnitril,
0 bis 20 Gew.-% einem oder mehreren Monomeren c
wobei die Anteile der Monomere a, b und c sich zu 100 Gew.-% addieren und der Anteil an Acrylnitril und Methacrylnitril weniger als 20 Gew.-% beträgt.
13. Wässriges Beschichtungsmittel, enthaltend wenigstens eine
wässrige Polymerdispersion nach Anspruch 11 oder 12 und we
nigstens ein anorganisches Pigment und/oder einen anorgani
schen Füllstoff sowie übliche Hilfsmittel.
14. Beschichtungsmittel nach Anspruch 13, dessen Pigmentvolumen
konzentration PVK wenigstens 40 beträgt.
15. Beschichtungsmittel nach Anspruch 13 oder 14 in Form einer
Dispersionssilikatfarbe.
Priority Applications (10)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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