DE2034534B2

DE2034534B2 - Verfahren zum Herstellen niedermolekularer, wachsartiger Polyäthylene

Info

Publication number: DE2034534B2
Application number: DE19702034534
Authority: DE
Inventors: Oskar Dr. Buechner; Hans Dr. Gropper; Walter Dr. Hensel; Kurt Dr. 6900 Heidelberg Stark; Friedrich Dr. 6703 Limburgerhof Urban
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1970-07-11
Filing date: 1970-07-11
Publication date: 1978-08-03
Also published as: DE2034534C3; DE2034534A1

Description

Hch auf eine Temperatur von 230 bis 300° C bringt, über die nächsten V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres mit einer Konstanz von ±5° C auf einer konstanten Temperatur im Bereich von 230 bis 300⁰C hält und im letzten V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres um 50 bis 100° C abkühlt, sowie b) mit einer Geschwindigkeit von 3 bis 30 m/ see, vorzugsweise 3 bis 12 m/sec, durch das Reaktionsrohr führt.

Aus den ausgelegten Unterlagen des belgischen Patents 714729 war zwar ein Verfahren zur Herstellung von niedermolekularen, wachsartigen Polyäthylenen bekannt, wobei man kontinuierlich ein Gemisch aus Äthylen, Initiator und Reglern bei einem Druck innerhalb des Bereichs von 1000 bis 3000 at und einer Temperatur innerhalb des Bereichs von 230 bis 280° C in einem Reaktionsrohr polymerisiert. Die Initiator- und Reglermengen liegen dabei innerhalb der Bereiche gemäß dem Verfahren vorliegender Erfindung, und Reaktionsrohre mit einem Verhältnis von Rohrlänge: Rohrinnendurchmesser innerhalb des Bereichs von 5000 : 1 bis 30000 : 1 sind bei der Äthylenhochdruckpolymerisation üblich. Bei diesem Verfahren werden bereits Polyäthylenwachse erhalten, die Erweichungstemperaturen und Schmelzviskositäten innerhalb der obengenannten Bereiche und gutes ölbindevermögen aufweisen.

Das gleiche gilt gegenüber dem Verfahren der DL-PS 52218, bei dem gemäß den Beispielen zusatzlieh auch noch die gleichen Einführungstemperaturen und die gleichen Geschwindigkeiten wie beim Verfahren gemäß vorliegender Erfindung gegeben sind und demgegenüber sich das erfindungsgemäße Verfahren lediglich durch das Temperaturprofil innerhalb des Reaktionsrohres und die geringere Reglermenge unterscheidet. In der DL-PS 52218 ist auch bereits grundsätzlich die Verwendung von Alkanalen beschrieben.

Kennzeichnendes Merkmal des Polymerisations-Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung ist aber das Einstellen eines speziellen Temperaturprofils im Reaktionsrohr und einer bestimmten Geschwindigkeit des Reaktionsgemisches durch das Rohr. Diese spezielle Verfahrensweise ist aus den ausgelegten Unterlagen des belgischen Patents 714729 nicht erkennbar. Erfindungsgemäß werden Polyäthylenwachse mit guten Eigenschaften bei gleichzeitig hohen Ausbeuten erhalten.

Zum Nachweis des technischen Fortschritts, der aus dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber den vorstehend genannten bekannten Verfahren resultiert, wurde der weiter unten folgende Vergleichsversuch durchgeführt. In diesem Vergleichsversuch, der dem Beispiel 1 entspricht, in dem aber mit einem anderen Temperaturprofil gearbeitet wird, wurde ein Polyäthylen-Wachs mit erheblich verminderter Ausbeute erhalten (27 Teile statt 31 Teile pro Stunde). Für das Verfahren der Erfindung geeignete radikalische Polymerisationsinitiatoren sind die einschlägig üblichen, z. B. Sauerstoff, tert.-Butylperoxyacetat, tert.-Butylperoxypivalat, Dilauroylperoxid, Benzolperoxid oder Di-tert.-butylperoxid sowie Gemische aus den betroffenen Initiatoren. Besonders gut geeignet ist Sauerstoff, etwa in Form von Luft.

Als Polymerisationsregler dienen C₃- bis C₆-Alkanale, insbesondere C₃- bis C₆-n-Alkanale, wie Propanal, Butanal, Pentanal und Hexanal sowie Gemische aus den betroffenen Reglern. Besonders gut geeignet ist Propanal (= Propionaldehyd).

Zur Durchführung des Verfahrens eignen sich die einschlägig üblichen Rohrreaktionsar.lagen. Auch die Verfaiirensdurchführung an sich kann - unter Berücksichtigung der erfindungsgemäßen, oben definierten Besonderheiten — in einschlägig üblicher Weise erfolgen. An Stelle näherer Ausführungen hierzu sei beispielsweise verwiesen auf die GB-PS 1058967 sowie die DL-PS 52218.

In den nachfolgenden Beispielen wird gearbeitet mit einer üblichen Rohrreaktionsanlage mit einem Verhältnis von Rohrlänge : Rohrinnendurchmesser von 15000 : 1. Das Reaktionsrohr ist umgeben von einem Mantelrohr zur Aufnahme eines Heiz- bzw. Kühlmediums (Wasserdampf bzw. Wasser) für die Temperaturführung. Das Mantelrohr seinerseits ist in 15 gleich lange Zonen eingeteilt, die voneinander unabhängig sind, so daß das Heiz- bzw. Kühlmedium in jeder Zone in seiner Temperatur individuell geführt werden kann.

Die in den Beispielen angegebenen Teile sind Gewichtsteile.

Beispiel 1

In die Rohrreaktionsanlage bringt man kontinuierlich pro Stunde ein ein Gemisch aus 100 Teilen Äthylen, 0,05 Teilen Luft (entsprechend 3,5 MoI Sauerstoff), bezogen auf 1 Million Mol Äthylen) und 0,93 Teilen Propanol, wobei der Druck des Gemisches 1450 at beträgt.

Das der Polymerisation zu unterwerfende Gemisch wird mit einer Temperatur von 110° C in das Reaktionsrohr eingeführt und in den ersten V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres allmählich auf eine Temperatur von 270° C gebracht. In den nächsten V|₅ der Länge des Reaktionsrohres wird das Gemisch auf 270 ± 5 ° C gehalten. Im letzten V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres wird das Gemisch auf eine Temperatur von 210° C gebracht. Während des Verfahrens wird das der Polymerisation zu unterwerfende Gemisch mit einer Geschwindigkeit von 5,5 m/sec durch das Reaktionsrohr geführt.

Auf diese Weise erhält man stündlich 31 Teile eines niedrigmolekularen, wachsartigen Polyäthylens. Seine Kenndaten sind: Erweichungsbereich: 102 bis 104° C; Härte: 0,27 mm (Eindringtiefe nach Höppler, DGF M-III 9a); Schmelzviskosität bei 120° C: 930 cSt; ölbindung: sehr gut; mittleres Molekulargewicht: 6050.

Beispiel 2

In die Rohrreaktionsanlage bringt man kontinuierlich pro Stunde ein ein Gemisch aus 100 Teilen Äthylen, 20 Mol Di-tert.-Butylperoxid, bezogen auf 1 Million Mol Äthylen und 1 Teil Propanol, wobei der Druck des Gemisches 1500 at beträgt.

Das der Polymerisation zu unterwerfende Gemisch wird mit einer Temperatur von 130° C in das Reaktionsrohr eingeführt und in den ersten V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres allmählich auf eine Temperatur von 260° C gebracht. In den nächsten ⁹/₁₅ der Länge des Reaktionsrohres wird das Gemisch auf 260 ± 5 ° C gehalten. Im letzten V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres wird das Gemisch auf eine Temperatur von 200 ° C gebracht. Während des Verfahrens wird das der Polymerisation zu unterwerfende Gemisch mit einer Geschwindigkeit von 4 m/sec durch das Reaktionsrohr

geführt.

Auf diese Weise erhält man stündlich 27 Teile eines niedrigmolekularen, wachsartigen Polyäthylens. Seine Kenndaten sind: Erweichungsbereich: 101 bis 103⁰C; Härte: 0,29 mm (Eindringtiefe nach Höppler, DGF M-III 9a); Schmelzviskosität bei 120° C: 1100 cSt; ölbindung: sehr gut; milderes Molekulargewicht: 5800.

Beispiel 3

In die Rohrreaktionsanlage bringt man kontinuierlich pro Siunde ein ein Gemisch aus 100 Teilen Äthylen, 0,049 Teilen Luft (entsprechend 3,5 Mol Sauerstoff, bezogen auf 1 Million Mol Äthylen) und 0,9 Teilen Propanal, wobei der Druck des Gemisches 1350 at beträgt.

Das der Polymerisation zu unterwerfende Gemisch wird mit einer Temperatur von 100° C in das Reaktionsrohr eingeführt und in den ersten V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres allmählich auf eine Temperatur von 250° C gebracht. In den nächsten ⁹Z₁₅ der Länge des Reaktionsrohres wird das Gemisch auf 250 ± 5 ° C gehalten. Im letzten V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres wird das Gemisch auf eine Temperatur von 170° C gebracht. Während des Verfahrens wird das der Polymerisation zu unterwerfende Gemisch mit einer Geschwindigkeit von 6 m/sec durch das Reaktionsrohr geführt.

Auf diese Weise erhält man stündlich 34 Teile eines niedrigmolekularen, wachsartigen Polyäthylens. Seine jo Kenndaten sind: Erweichungsbereich: 101 bis 102° C; Härte: 0,29 mm (Eindringtiefe nach Höppler, DGF M-III 9a); Schmelzviskosität bei 120° C: 1200 cSt; ölbindung: sehr gut; mittleres Molekulargewicht: 3200.

Beispiel 4

In die Rohrreaktionsanlage bringt man kontinuierlich pro Stunde ein ein Gemisch aus 100 Teilen Äthylen, 0,154 Teilen Luft (entsprechend 11 Mol Sauerstoff, bezogen auf 1 Million Mol Äthylen) und 2,7 Teilen Butanal, wobei der Druck des Gemisches 1450 at beträgt.

Das der Polymerisation zu unterwerfende Gemisch wird mit einer Temperatur von 110° C in das Reaktionsrohr eingeführt und in den ersten V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres allmählich auf eine Temperatur von 270° C gebracht. In den nächsten ¹V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres wird das Gemisch auf 270 ± 5 ° C gehalten. Im letzten V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres wird das Gemisch auf eine Temperatur von 210 ° C gebracht. Während des Verfahrens wird das der Polymerisation zu unterwerfende Gemisch mit einer Geschwindigkeit von 5,5 m/sec durch das Reaktionsrohr geführt.

Auf diese Weise erhält man stündlich 26 Teile eines niedrigmolekularen, wachsartigen Polyäthylens. Seine Kenndaten sind: Erweichungsbereich: 101 bis 103° C; Härte: 0,29 mm (Eindringtiefe nach Höppler, DGF M-III 9a); Schmelzviskosität bei 120° C: 980 cSt; ölbindung: sehr gut; mittleres Molekulargewicht: 5750.

Vergleichsversuch

In die Rohrreaktionsanlage gemäß Beispiel 1 bringt man kontinuierlich pro Stunde ein Gemisch aus 100 Teilen Äthylen, 0,05 Teilen Luft (entsprechend 3,5 Mol Sauerstoff, bezogen auf 1 Million Mol Äthylen) und 0,93 Teilen Propanal, wobei der Druck des Gemisches 1450 at beträgt.

Das der Polymerisation zu unterwerfende Gemisch wird mit einer Temperatur von 110° C in das Reaktionsrohr eingeführt und in den ersten ¹V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres allmählich auf eine Temperatur von 270° C gebracht. Im nächsten V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres wird das Gemisch auf 270 ± 5° C gehalten. In den letzten V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres wird das Gemisch auf eine Temperatur von 210° C gebracht.

Während des Verfahrens wird das der Polymerisation zu unterwerfende Gemisch mit einer Geschwindigkeit von 5,5 m/sec durch das Reaktionsrohr geführt.

Auf diese Weise erhält man stündlich 27 Teile eines niedrigmolekularen, wachsartigen Polyäthylens. Seine Kenndaten sind: Erweichungsbereich·. 102 bis 104° C; Härte: 0,27 mm (Eindringtiefe nach Höppler, DGF M-III 9a); Schmelzviskosität bei 120° C: 930 cSt; Ölbindung: sehr gut; mittleres Molekulargewicht: 6050.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Herstellen niedermolekularer, wachsartiger Polyäthylens, wobei man kontinuierlich ein Gemisch aus 100 Gewichtsteilen Äthylen und 0,5 bis 10 Gewichtsteilen eines Polymerisationsreglers sowie 0,05 bis 50 Mol eines radikalischen Polymerisationsir.itiators je 1 Million Mol Äthylen bei erhöhter Temperatur und einem Druck von 1000 bis 3000 at der Polymerisation in einer Rohrreaktionsanlage mit einem Verhältnis von Rohrlänge : Rohrinnendurchmesser von 5000 : 1 bis 30000 : 1 unterwirft, dadurch gekennzeichnet, daß man I) bei dem Verfahren als Polymerisationsregler

ein C₃- bis Q-Alkanal einsetzt und
II) das der Polymerisation zu unterwerfende Gemisch

a) mit einer Temperatur von 90 bis 140° C in das Reaktionsrohr einführt, in den ersten V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres allmählich auf eine Temperatur von 230 bis 300° C bringt, über die nächsten ⁹/₁₅ der Länge des Reaktionsrohres mit einer Konstanz von ±5° C auf einer konstanten Temperatur im Bereich von 230 bis 300° C hält und im letzten V₁₅ der Länge des Reaktionsrohres um 50 bis 100° C abkühlt

sowie

b) mit einer Geschwindigkeit von 3 bis 30 m/sec durch das Reaktionsrohr führt.

Nach den bekannten Verfahren zur Herstellung von Polyäthylen-Wachsen werden Produkte erhalten, bei denen die einen oder anderen Eigenschaften noch unbefriedigend sind. Ursache hierfür ist vor allem, daß man durch entsprechende Bedingungen bei der Polymerisation zwar eine oder mehrere erwünschte Eigenschaften »hochzüchten« kann, dafür aber die Verschlechterungeiner oder mehrerer anderer erwünschter Eigenschaften in Kauf nehmen muß. Diese »Gegenläufigkeit« ist besonders ausgeprägt z. B. bei den folgenden Eigenschaftspaaren: (1) Mit einer Senkung des Molekulargewichts, d. h. mit einer erwünschten Erniedrigung der Schmelzviskosität, geht einher eine unerwünschte Abnahme der Härte; und umgekehrt. (2) Eine erwünschte Erhöhung des Erweichungsbereiches zieht eine unerwünschte Erniedrigung des ölbindevermögens nach sich; und umgekehrt. (3) Eine erwünschte Steigerung der Härte führt ebenfalls zu einer unerwünschten Abnahme des Ölbingevermögens; und umgekehrt.

So ist es aus der deutschen Patenschrift 836711 bekannt, Polyäthylen-Wachse herzustellen durch Polymerisation von Äthylen bei Drücken von mindestens 500 at, Temperaturen von 100 bis 400° C und mit Sauerstoff als Initiator. Um Polyäthylen-Wachse mit den erwünschten niederen Molekulargewichten von 2000 bis 10000 zu erhalten, muß bei relativ niedrigem Druck, d. h. 500 bis 1000 at, und mit relativ großen Mengen Sauerstoff gearbeitet werden; die entstehen-

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60 den Wachse sind weich und salbenartig. Es kommt hinzu, daß die letztgenannten Polymerisationsbedingungen nahe dem Bereich liegen, in dem eine explosive Zersetzung des Äthylens erfolgt.

Aus der französischen Patentschrift 890354 sowie der US-Patentschrift 2387 755 ist es bekannt, beim Herstellen von Polyäthylen-Wachsen in Gegenwart von Wasserstoff zu arbeiten, wobei mit steigender Konzentration des Wasserstoffes zwar das Molekulargewicht der Polymerisate abnimmt, zugleich aber auch der Erweichungsbereich und die Härte.

Unter dem Zeichen eines »Kompromisses« der Eigenschaften steht schließlich das Verfahren aus der deutschen Patentschrift 1091332: Bei der Polymerisation von Äthylen in Gegenwart von 10 bis 15 Vol.% Wasserstoff bei Temperaturen von 150 bis 180° C und Drücken von 300 bis 500 at unter Verwendung von Di-tert.-butylperoxid als Initiator wird ein Polyäthylen-Wachs mit dem Erweichungsbereich von 106 bis 109° C und der Schmelzviskosität von 400 bis 2000 cSt erhalten. Nachteilig an diesem Wachs ist der relativ hohe Erweichungsbereich, der die Verarbeitung z. B. in der Kerzen-, Putzmittel-, Druckfarbenoder Verpackungsindustrie erschwert (erwünscht wäre ein Wachs mit dem Erweichungsbereich von 101 bis 105 ° C). Weiter ist von Nachteil die mittelmäßige Härte des Wachses (Penetrometerzahlen 1 bis 3, gemessen nach ASTM D 5-25, 100 g/5 sec/25° C; 0,1 mm Eindringtiefe = 1).

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs definierten Art aufzuzeigen, mit dem es gelingt, Polyäthylen-Wachse herzustellen, bei denen nicht nur der Erweichungsbereich und die Schmelzviskosität in den erwünschten Grenzen liegen (101 bis 105° C und 700 bis 1300 cSt), sondern die auch eine gute Härte (0,25 bis 0,29 mm Eindringtiefe nach Höppler, DGF M-III 9a) sowie ein sehr gutes Ölbindevermögen haben.

Es wurde gefunden, daß die gestellte Aufgabe gelöst werden kann, wenn man (I) bei dem Verfahren einen speziellen Polymerisationsregler einsetzt und zudem (II) in der Rohrreaktionsanlage ein spezielles Temperaturprofil einstellt sowie das Reaktionsgemisch mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch die Rohrreaktionsanlage strömen läßt.

Gegenstand der Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zum Herstellen niedermolekularer, wachsartiger Polyäthylene, wobei man kontinuierlich ein Gemisch aus 100 Gewichtsteilen eines Polymerisationsreglers sowie 0,05 bis 10, vorzugsweise 0,1 bis 5 Gewichtsteilen eines Polymerisationsreglers sowie 0,05 bis 50, vorzugsweise 0,1 bis 30 Mol, eines radikalischen Polymerisationsinitiators je 1 Million Mol Äthylen bei erhöhter Temperatur und einem Druck von 1000 bis 3000 at, vorzugsweise von 1200 bis 1700 at, der Polymerisation in einer Rohrreaktionsanlage mit einem Verhältnis von Rohrlänge : Rohrinnendurchmesser von 5000 : 1 bis30000 : !,vorzugsweise 10000 : 1 bis 20000 : 1, unterwirft. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man

I) bei dem Verfahren als Polymerisationsregler ein

C₃- bis C₆-Alkanal einsetzt und
II) das der Polymerisation zu unterwerfende Gemisch

a) mit einer Temperatur von 90 bis 140° C in das Reaktionsrohr einführt, in den ersten '/υ der Länge des Reaktionsrohres allmäh-