DE2141985A1 - Rieselfaehige, lagerstabile, polymerisierbare lactam-katalysator-aktivatorgemische - Google Patents

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FARBENFABRIKEN BAYER AG

LEVERKLJSEN-Bayerwerk 2 O. Aug. 1971

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Str/Ra

Rieselfähige, lagerstabile, polymerisierbare Lactam-Katalysator-Aktivator-Gemische

Gegenstand der Erfindung sind rieselfähige, lagerstabile, · polymerisierbare Laotam-Katalysator-Aktivator-Gemische, die einen oder mehrere in ein hydrophobes Schutzmaterial eingebettete Katalysatoren enthalten.

Es ist bekannt, durch aktivierte anionische Polymerisation Lactame, wie ^-Caprolactam, Capryllactam oder Laurinlactam, in Gegenwart eines Katalysators und eines Aktivators zu Polyamiden zu polymerisieren.

Katalysatoren für die Lactamschnellpolymerisatlon sind Alkali- und Erdalkaliverbindungen von Lactamen, ζ. B. Natrium- £-caprolactamat oder von kurzkettigen, aliphatischen Carbonsäuren, ζ. B. Natrium-, Kaliumformiat, oder von Alkoholen mit bis zu 6 Kohlenstoffatomen, ζ. B.-Natrium-methylat, Kalium-tert.-butylat oder Natriumphenolat, oder Alkali und Erdalkalihydride, -hydroxide und -carbonate und andere.

Als Aktivatoren werden z. B. Isocyanate, wie Hexamethylen-1,6-diisocyanat, Phenylisocyanat oder maskierte Isocyanate wie Hexamethylen-lio-bisfcarbamido-caprolactam), Ketene,

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Carbodiimide, Säurechloride, Carbonsäureester, Carbonsäureimide, Triazine u.a. benutzt.

Mischungen solcher Lactame, Katalysatoren und Aktivatoren, wie sie üblicherweise für die aktivierte anionische Lactampolymerisation eingesetzt werden, sind selbst bei Raumtemperatur und unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluß aufbewahrt, nicht lagerstabil. Nach relativ kurzer Zeit können sie nicht mehr polymerisiert werden. Eine lagerstabile Mischung ist jedoch von großer Bedeutung, da mit ihrer Hilfe Abmischen, Versand, Bevorratung sowie Verarbeitung erheblich vereinfacht werden.

In der deutschen Offenlegungsschrift 1 57° ^oj5 werden Lactam-Katalysator-Aktivator-Gemische beschrieben, die unterhalb 5o°C lagerstabil sind. Sie werden hergestellt unter Benutzung sogenannter "latenter Katalysatoren", die erst bei erhöhter Temperatur, etwa oberhalb l4o°C, unter Abspaltung von CO₂ in den eigentlichen reaktiven katalysator zerfallen. Diese Gemische haben den Nachteil, daß das entstehende Polyamid wegen der COp-Entwicklung blasenhaltig ist.

Weiterhin werden sogenannte "Einkomponenten-Katalysatoren", Verbindungen, die gleichzeitig als Aktivator und als Katalysator wirken, mit Lactamen gemischt als lagerstabile, polymerisierbar Mischung beschrieben. Es handelt sich dabei ψ um Alkalimetallverbindungen von Amiden und Aniliden, z, B. von Ν,Ν'-Dimethylharnstoff, von Urethanen, acylierten Hydroxamsäuren _t Caprolactam-N-carbonsäureaniliden (französische Patentschrift 1 553 382) bzw. um Alkalisalze von #-substituierten ß-Ketoamiden (deutsche Offenlegungsschrift 1 595 ^54 und französische Patentschrift 1 5^4 o7o). Nachteilig ist einerseits die aufwendige Herstellung und andererseits die geringe Aktivator-Reaktivität dieser Verbindungen, die bei Stand-, Spritz- und Rotationsguß lange Zykluszeiten erfordert.

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Ferner werden in den britischen Patentschriften 928 313 und 928 31Λ Lactam-Katalysator-Mischungen, also Zweikomponentenmischungen, beschrieben, die den Katalysator in Lactam-Tabletten gefüllt enthalten. Vom aufwendigen Herstellungsverfahren abgesehen, sind solche Mischungen nicht genügend rieselfähig bzw. neigen erheblich zur Entmischung.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß man eine rieselfähige, lagerstabile, polymerisierbar Lactam-Katalysator-Aktivator-Mischung erhält, wenn man zuvor den Katalysator und gegebenenfalls auch den Aktivator in ein inertes Schutzmaterial einbettet.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß eine rieselfähige, lagerstabile, polymer:'sierbare Lactam-Katalysator-Aktivator-Mischung, bestehend aus mindestens einem Lactam mit mehr als 5 Ringgliedern, mindestens einem Aktivator und aus mindestens einem Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator oder eine 8 bis 90 gewichtsprozentige Lösung des Katalysators in einem Lactam und gegebenenfalls auch der Aktivator in ein bei Zimmertemperatur festes, mindestens einen hydrophoben Rest enthaltendes Schutzmaterial, das unter den Bedingungen der ionischen Polymerisation seine Barrierenwirkung durch Aufschmelzen oder Auflösen in der Lactamschmelze verliert, eingebettet 1st.

Vorzugsweise enthalten die Lactam-Katalysator-Aktivator-Gemische den Katalysator oder das Katalysatorgemisch gegebenenfalls auch den Aktivator oder das Aktivatorgemisch eingebettet in ein unterhalb 50⁰C festes Schutzmaterial. Prinzipiell können die Gemische Jeden für die anionische Schnellpolymerisation von Lactamen geeigneten Katalysator in der eingebetteten Form enthalten, so z. B. Alkali- und Erdalkaliverbindungen von Lactamen, z. B. Natrium-ST-caprolactamat, oder von kurzkettigen aliphatischen Carbonsäuren, z. B. Natrium-, Kaliumformiat, oder von Alkoholen mit bis zu 6 Kohlenstoffatomen,

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z. B. Natrium-methylat, Kalium-tert.-butylat oder Natrium-' phenolate oder Alkali und Erdalkalihydride, -hydroxide und -carbonate und andere.

Als Umhüllungsmaterialien eignen sich wachsartige Verbindungen, deren Schmelzpunkt oberhalb 5o°C liegt und die bei der Polymerisationstemperatur, also zwischen loo und 25o°c, ihre Barrierenwirkung durch Aufschmelzen oder Auflösen in der Lactamschmelze verlieren. Die wachsartigen Verbindungen enthalten mindestens einen hydrophoben Rest im Molekül, der aus mindestens Io Kohlenstoffatomen besteht. Solche hydrophoben Reste sind z. B. lineare oder verzweigte Paraffinketten, gegebenenfalls unterbrochen oder substituiert von oder mit aromatischen oder alicyclischen Gruppen oder aliphatische, kondensierte Ringsysteme. Im Prinzip gibt es hinsichtlich der Zahl der Kohlenstoffatome im Molekül nach oben hin keine Grenze, da auch oligomere und polymere Verbindungen geeignet sind, vorausgesetzt, sie lassen sich mit einem Einbettungsoder Umhüllungsverfahren verarbeiten und erfüllen die obigen Bedingungen.

Als Beispiele für solche Umhüllungsmaterialien seien genannt: aliphatische Kohlenwasserstoffe wie Paraffine so z. B. Hartparaffine, Polymere von Vinylmonomeren wie z. B. nieder- und höhermolekulare Polyäthylene und Polystyrole, höhere Fett-λ alkohole, z. B. Stearylalkohol, Ester von langkettigen Fettsäuren wie Stearinsäure-p-nonyl-phenolat, Cholansäurebutylester aber auch Wachse und Fette natürlicher oder synthetischer Herkunft wie Bienenwachs oder Rindertalg, ferner Amide und Imide von langkettigen Fettsäuren, z. B. N-Stearylphthalimid, Behensäurecyclohexylamid, Stearinsäureamid oder Essigsäurestearylamid; auch sind z. B. langkettige Ketone wie Stearon oder Zibeton geeignet. Besonders geeignet sind diejenigen Verbindungen, die neben ihrer Wirkung als Schutzmaterial

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zusätzliche Funktionen erfüllen. So wirken die langkettigen Fettalkohole und die Amide als Molekulargewichtsregler bei der Polymerisation der Lactame. Ferner hat ein großer Teil der obengenannten Stoffe gleichzeitig die Eigenschaften eines Entformungsmittels. Besonders eignet sich das Stearinsäur eeyelohexylamid. Es können auch Mischungen der genannten Einbettungsmittel verwendet werden.

Die Einbettung wird z. B. durch Sprühtrocknung,· Fließbett-Umhüllung, elektrostatische Zerstäubung, Koazervation, Fällung von Polymeren aus ihren Lösungen, Phasengrenzflächen - in situ Polymerisation oder ähnliche Verfahren durchgeführt»

Ferner erreicht man bereits eine geeignete Einbettung, wenn man den Katalysator oder sein© Lösung in einem Lactam und das oder die Einbettungsmittel durch gemeinsames Aufschmelzenmischt und die Schmelz® anschließend nach einem beliebigen Verfahren abkühlt, erstarren läßt und zerkleinert, z_o B₀ durch Abschuppen über eine Kühlwalze» Die rieselfähige, lagerstabile Mischung erhält man dann durch Zumischen des Lactams und Aktivators.

Vereinfachen läßt sich diese Einbettung weiterhin dadurch, daß man das oder die Einbettungsmittel bei der Herstellung des Katalysators _s z. B₀ aus Caprolactam und Matriummethylat, bereits zumischt.

Nach den genannten Verfahren lassen sich die Korngröße und natürlich auch das Mengenverhältnis zwischen Katalysator und Einbettungs- bzw, Umhüllungsmittel variieren» Das Einbettungsmittel kann in Mengen von. 1 = 5oo₅ vorzugsweise Io - 2oo Gewichtsprozent, bezogen auf das su umhüllende Material_s eingesetzt werden»

Die eingebetteten Katalysatoren werden in solchen Mengen zugegeben* daß als Menge Katalysator O₅I bis 2o, vorzugsxteise 1 - Io Molprozont,, bezogen auf die zu polymerlsierende Lactam=·

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menge beträgt. ^v

Lactame mit mehr als 5 Ringgliedern, wie z. B. ß-Pyrroliden, 6-Caprolactam, önanthlaotam, Capryllactam oder Laurinlactam eignen sieh zur Herstellung von lagerstabilen, rieselfähigen Mischungen gemäß der Erfindung.

Von den zahlreichen bekannten Aktivatoren, die zur anionischen Schnellpolymerisation geeignet sind, seien als Beispiele angeführt: Phenylisocyanat, Toluylen-l,4-diisocyanat, Hexamethylen-ljö-diisoeyanatä, Caprolactarri-N-carbonsäure-N'-phenylamid, Hexamethylen-liö-bisCcarbamidocaprolactarri), Triphenoxy-'s-triazin und N-Stearoyl»caprolactam« Sie können auch eingebettet der Mischung zugesetzt werden.

Die Herstellung der Gesaratmischung erfolgt üblicherweise durch Mischen der 5 Komponenten Lactam, eingebettetem Katalysator und Aktivator^ der gegebenenfalls auch eingebettet sein kann, bei Temperaturen unterhalb 5o°C unter Feuchtigkeit saussohuß. Ss ist aber auch möglich, d&n Aktivator in aufgeschmolzenem Lactam su lösen, die Sohmelse z. B. mittels einer Kühlwalz© abaukühlen und abzuschuppen und erst dann den erfindungsgemäßen eingebetteten Katalysator zuzumisehen.

Auch können diesen Mischungen vor., während oder nach der Polymerisation Zusätse beigemischt werden. Es sind dies fc z. B. Regler wie Buty!acetamid, anorganische oder organische Pigmente oder Farbstoffe wie Ruß, TiO₂ oder Phthalocyanine.. Weichmacher oder Entformungsmltfcel, anorganische oder organische Fasern wie Glasfasern oder -matten oder Faserasbest, ferner Füllstoff® wie Glaskugeln, Caloiumcarbonat oder Bentonite Hilfsmittel zur Flammfestmashung wie roter Phosphor, organische Halogenverbindungen, Phosphorsäureester oder Metalloxide, ferner Treibmittel wie Aside oder Kohlenwasser-

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stoffe und schließlich lassen sich auch Polymere zusetzen, wie z. B. gemahlene Polyeaprolactamabfälle, Nylon 66 oder Polystyrol.

Die erfindungsgemäßen Gemische werden in einem verschlossenen Behälter unter Ausschluß von Feuchtigkeit gelagert. Überraschenderweise sind sie nicht nur unter Stickstoff, sondern auch unter Luft wochenlang lagerstabil. Sie lassen sich z. B. noch nach 6 Wochen mit unveränderter Aktivität polymerisieren. Besonders wegen der extremen Empfindlichkeit anionisch polymerisierbarer Systeme ist es als äußerst überraschend zu werten, daß die Polymerisationsfähigkeit der erf indungs gemäß en Gemische in keiner V/eise durch die Einbettungsmaterialien oder gar durch die Lagerung unter Luft nachteilig verändert wird.

Die Polymerisation dieser Gemische erfolgt wie üblich und ohne Schwierigkeiten bei Temperaturen von l4o - j5oo°C. Sie kann diskontinuierlich z. B. im Standguß oder im Rotationsguß, besonders aber kontinuierlich z. B. in einer Spritzgußmaschine, in einer Schnecken- oder Kolbenpresse, in einem beheizten Druckrohr oder in einem Extruder durchgeführt werden, wobei die polymerisierbare Mischung gegebenenfalls in einem vorgeschalteten Gefäß aufgeschmolzen und mittels einer Zahnradpumpe in den beheizten Zylinder der zu benutzenden Maschine gefördert wird,

Die Erfindung erfaßt daher auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Lactam-Katalysator-Cokatalysator-Mischungen zur Herstellung von Polyamiden durch anionische Polymerisation von Lactamen mit mindestens 5 Ringgliedern, die dadurch gekennzeichnet ist, daß man das Lactam in Gegenwart eines Katalysators oder einer 8-90 gewichtsprozentigen Lösung des Katalysators in einem Lactam, eingebettet in einem bei Zimmertemperatur festen, mindestens einen hydrophoben Rest

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enthaltendes Schützmaterial, und einen Aktivator bei Temperaturen von l4o - 3oo°C polymerisiert.

Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung des Erfindungsgegenstandes, ohne ihn in irgendeiner Weise einzuschränken.

Als Maß für die Lagerstabilität des erfindungsgemäßen Gemisches werden die Polymerisationszeit sowie der Umsatz, ausgedrückt durch den Extraktgehalt des entstandenen Polyamids, angegeben.

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Beispiel 1

In einer bei 7o°C hergestellten Lösung von Io g Behensäurecyclohexylamid in loo ml destilliertem Ligroin werden bei 55°C Io g ca. 70 #iges Natriumlactamat in Caprolactam suspendiert. Unter Rühren wird die Suspension langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Dabei erstarrt sie zu einem Kuchen, der zerkleinert wird und dann im Exsikkator zunächst bei Wasserstrahlvakuum zuletzt bei ölpumpenvakuum (ca. 1 Torr) vom Lösungsmittel befreit wird.

Einige loo ml Schliffkolben werden mit je 56,5 g -Caprolactam, 0,5 g Hexamethylen-liö-bis-fcarbamidocaproüactam) und 0,6 g des hier beschriebenen Katalysators gefüllt, dreimal durch Evakuieren und Aufheben des Vakuums mit Stickstoff gespült und mit einem Schliffstopfen dicht verschlossen. Nach 21, 52 und I08 Tagen wird je ein Kolben in eine Rührapparatur eingebaut, in ein 21o°C heißes ölbad getaucht und der Inhalt polymerisiert. Als Polymerisationszeit wird die Zeit vom Eintauchen des Kolbens bis zum Unrührbarwerden des entstehenden Polyamids gemessen (no-flow-time). Es wird noch 30 Min. bei 21o° nachgetempert, sodann abgekühlt, entformt, zersägt, gehäckselt und 12 Stunden mit Methanol extrahiert.

Kolben Lagerzeit Induktionszeit Extraktgehalt (Tage) (Min.) %

1 21 11 9,2

2 52 11,9

3 I08 11,2 9,3

Beispiel 2

2 kg Caprolactam, 500 g 85 #iges Natriumlactamat in Caprolactam und 500 g Hartparaffin vom Schmelzpunkt 60 - 62⁰C

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werden unter Stickstoff aufgeschmolzen und über eine Kühlwalze abgeschuppt. Das Produkt hat einen Natriumlactamatgehalt von 11,0 % (Titration mit n/lο HCl gegen Phenolphthalein).

Wie in Beispiel 1 werden Proben mit einer Mischung aus 5o,o g Caprolactam, 0,5 g Hexamethylen-ljö-bis-icarbamidocaprolactam) und 2,44 g dieses 11 #igen Katalysators angesetzt. Sie werden jedoch nicht mit Stickstoff gespült, sondern ohne die Restluft zu verdrängen, verschlossen. Die Polymerisation erfolgt wie in Beispiel 1 beschrieben.

Kolben	Lagerzeit (Tage)	Polymerisationszeit (Min.)	Extraktgehalt
1	0	. · 4,2	7,7
2	18	4,1	—
3	3o	4,2	8,5
\	42	4,5	-
5	64	4,7	8,1

Beispiel 3

2 kg Caprolactam, 5oo g ca. 85# Natriumlactamat, 65o g Stearinsäurecyclohexylamid und 5oo g Hartparaffin vom Schmelzpunkt 6o - 62°C werden unter Stickstoff aufgeschmolzen und gerührt. Die Schmelze wird binnen 4o Minuten über eine Kühlwalze abgeschuppt. Die Titration mit n/lο HCl gegen Phenolphthalein ergibt einen Gehalt von 7,ο % Natriumlactamat.

Wie in den Beispielen 1 bzw. 2 beschrieben, werden Proben mit 5o,o g Caprolactam, 0,5 g Hexamethylen-l,6-bis-(carbamidocaprolactam) und 3,86 g dieses 7,ο #igen Katalysators unter Luft, aber dicht verschlossen gelagert bzw. nach Ablauf der Lagerzeit polymerisiert.

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1	ο	4,7
2	18	5,0
3	3ο	4,9
4	42	6,7
5	64	5,5

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Kolben Lagerzeit Polymerisationszeit Extraktgehalt (Tage) (Min.) %

7,4 8,3 7,8

Beispiel 4

1150 g Hexamethylen-liö-bis-icarbamidooaprolactam) und looo g Stearinsäurecyclohexylamid werden unter Stickstoff aufgeschmolzen und nach völliger Durchmischung über eine Kühlwalze abgeschuppt. Man erhält farblose Schuppen vom Schmelzpunkt 75 - 77°C.

Wie in Beispiel 1 beschrieben, werden Proben mit einer Mischung aus 50,0 g Caprolactam, 0,91 g des hier beschriebenen Aktivators und 2,44 g des in Beispiel 2 beschriebenen 11 #igen Katalysators angesetzt. Sie werden unter Luft aber dicht verschlossen gelagert bzw. nach Ablauf der Lagerzeit polymerisiert.

Kolben	Lagerzeit	Polymerisationszeit	Extraktgehalt	5,3
	(Tage)	(Min.)	%
1	0	4,8	9,4
2	18	5,4
3	30	5,0	8,0
4	42	4,8
5	64	4,8

Beispiel 5

In einer loo°C heißen Schmelze von I60 g Stearinsäure-N-cyclo-

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hexylamid werden unter Stickstoff Überleitung und starkem Rühren 4o g Kaliumcaprolactamat suspendiert. Die Mischung wird auf Bleche gegossen und nach dem Erstarren zerkleinert. Durch Titration mit n/lo HCl gegen Phenolphthalein wird ein Kalium-caprolactamat-Gehalt von 17*1 % ermittelt.

Wie in Beispiel 1 bzw. 2 beschrieben, werden Proben mit einer Mischung aus 5o,o g Gaprolactam, 0,5 g Hexamethylenl,6-bis-(carbamidocaprolactam) und 1,8 g dieses 17,1 ^igen Katalysators angesetzt, unter Luft dicht verschlossen gelagert und nach Ablauf der Lagerzeit, wie in Beispiel 1 beschrieben, polymerisiert.

™ Kolben Lagerzeit Polymerisationszeit Extraktgehalt (Tage) (Min.) [£}

1 Io 4,6 7,5

2 33 5,1 -

3 54 4,5 8,2

Beispiel 6

Eine Mischung aus 675 g ^-Caprolactam, 173 g Stearinsäure-N-cyclohexylamid, 130 g Hartparaffin und 3oo g einer 18,6 #igen Natriummethylat-Methanol-Lösung wird unter Stickstoff aufgeschmolzen und gerührt. Sobald 9o°C Schmelztemperatur erreicht sind, wird Vakuum angelegt und das Methanol abdestilliert. Bei einem Endvakuum von ca. 6 mm und 100⁰C wird 2 Stunden nachgerührt, sodann mit Stickstoff das Vakuum aufgehoben und die trübe Schmelze über eine Kühlwalze abgeschuppt. Durch Titration mit n/lo HCl gegen Phenolphthalein wird ein Natriumlactamatgehalt von 12,8 % ermittelt.

Wie in Beispiel 1 bzw. 2 beschrieben, werden Proben mit einer Mischung aus 5o,o g Caprolactam, 0,45 g Hexamethylenl,6-bis-(carbamidocaprolactam)und 1,91 g dieses 12,8 #igen

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Katalysators angesetzt, unter Luft dicht verschlossen gelagert und nach Ablauf der Lagerzeit, wie in Beispiel 1 beschrieben, polymerisiert.

Kolben Lagerzeit Polymerisationszeit Extraktgehalt (Tage) (Min) {%)

1 0 3,75 7,2

2 13 3,35

3 4o 3,6o 8_so

Beispiel 7 (Vergleichsbeispiel)

Wie in Beispiel 1 werden Proben angesetzt, die eine Mischung von 56,5 g 6-Caprolaetam, 0,3 g eines 85 $igen Natriumcaprolactamats in Caprolactam und 0_P5 S Hexamethylen-1 ,,6~bis-(earbamidocaprolactam) enthalten» Sie werden unter Luft_s dicht verschlossen gelagert. Schon nach β Tagen Lagerung findet man eine viel zu hohe Polymerisationszeit von 15*7 Minuten.

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Claims (3)

2H1985 Patentansprüche:Αψ

1. Rieselfähige, ?agerstabile, polymerisierbare Lactam-Katalysator-Aktivator-Mischung, bestehend aus mindestens einem Lactam mit mehr als 5 Ringgliedern, mindestens einem Aktivator und aus mindestens einem Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator oder eine 8-90 gewichtsprozentige Lösung des Katalysators in einem Lactam und gegebenenfalls auch der Aktivator in ein bei Zimmertemperatur festes, mindestens einen hydrophoben Rest enthaltendes Schutzmaterial, das unter den Bedingungen der ionischen Polymerisation seine Barrierenwirkung durch Aufschmelzen oder Auflösen in der Lactamschmelze verliert, eingebettet ist.

W 2. Verfahren zur Herstellung Yieselfähiger, lagerstabiler, polymerisierbarer Lactam-Katalysator-Aktivator-Mischungen bestehend aus mindestens einem Lactam mit mehr als 5 Ringgliedern, mindestens einem Aktivator und aus mindestens einem in einem Schutzmaterial eingebetteten Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daS man den Katalysator oder eine 8-90 gewichtsprozentige Lösung des Katalysators in einem hydrophoben Rest enthaltenden Schutzmaterial aufschmilzt, abkühlt und mit dem Lactam und Aktivator abmischt.

3. Verwendung einer rieselfähigen, lagerstabilen, polymerisierbaren Lactam-Kataiysator-Aktivator-Mischung zur Herstellung von Polyamiden durch anionische Polymerisation von Lactamen mit mindestens 5 Ringgliedern, dadurch gekennzeichnet, daß man das Lactam in Gegenwart eines Katalysators oder einer 8 - 90 gewichtsprozentigen Lösung des Katalysators in einem Lactam,eingebettet in einem bei Zimmertemperatur festen, mindestens einen hydrophoben Rest enthaltenden Schutzmaterial, und einem Aktivator bei Temperaturen von l4o - 3oo°C polymerisiert.

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