DE2153643A1 - Verfahren zur Herstellung linearer hochpolymerer Poly-N-alkylhydrazide - Google Patents
Verfahren zur Herstellung linearer hochpolymerer Poly-N-alkylhydrazideInfo
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Description
DIPL.-ING. HANS W. GROENING 2 1 ζ Ί R Λ ^
DIPL."CHEM. DR. ALFRED SCHÖN
PATENTANWÄLTE
' S/I lO - 92
Inventa AG für Forschung und Patentverwertung Zürich, Zürich, Stampfenbachstraße 3 8
Verfahren zur Herstellung linearer hochpadymerer Poly-N-alky!hydrazide
Gegenstand der 'Vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren zur
Herstellung linearer hochpolymerer Poly-N-alkylhydrazide so»
wie die nach diesem Verfahrer^ erhajXteneh- Poly-N-alkylhydrazide
selbst.
I -
Lineare aromatische Polymere mit zwei einfach gebundenen
Stickstoffatomen in der Kette besitzen erhebliches technisches Interessle als Au:s~gangsmaterial für die Herstellung
synthetischer Fasern, die entweder als solche für textile Zwecke direkt verwendet werden können, oder aber durch thermische
Cyclodehydratisi-erunfr in die hochtemperaturbeständigen
Polyoxadiazolfaserh'übergeführt werden können. Obwohl
sich die letzteren\iiuch "direkt aus Polyoxadiazolen durch
i-IaßspinnerT in Gleum oder Polyphosphorsäure herstellen lassen,
benutzt man mit Vorteil den Umweg über die Polyhydrazidfasern, da diese in einigen organischen Lösungsmitteln lös-
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lieh sind und aus diesen in rationeller Weise trocken versponnen
werden können.
In der Literatur sind mehrere Verfahren zur Herstellung von aromatischen Polymeren mit zwei benachbarten, einfach gebundenen
Stickstoffatomen in der Kette beschrieben worden. Sie alle haben gemeinsam, daß eine aromatische Dicarbonsäure
oder ein geeignetes Derivat mit Hydrazin bzw. einem Hydrat, Salz oder Alkylierungsprodukt des Hydrazins umgesetzt
werden. Die Verfahren unterscheiden sich nur in der Art des verwendeten Reaktionsmediums. So benutzten McFarlane
und Miller (USP 2,615,862) Xylenole oder Nitrobenzol als Reaktionsmedium im Temperaturbereich von 170 - 200°C.
Sie konnten aber nur niedermolekulare Produkte erhalten. Frazer und Wallenberger (Journal Pol. Sei. A 2 (1964) 1137)
entwickelten einen Tieftemperatur-Polykondensationsprozeß,
wonach Säuredihydrazide mit Säurechloriden bei 0 - 200C
in Hexamethylphosphorsäuretrxamxd oder N-Methylpyrrolidon
umgesetzt werden. Dieses Verfahren ist nicht nur umständlich, weil es in zwei Stufen durchgeführt werden muß, sondern
durch die Verwendung der kostspieligen Säurechloride und Lösungsmittel unwirtschaftlich.
Nach einer dritten Methode wurden als Reaktionsmedien rauchende Schwefelsäure oder Polyphosphorsäure vorgeschlagen
(Iwakura, Jap. PatentVeröffentlichung 68/15633, Jap. Patentveröffentlichung
68/29959). Auch diese Reaktionsmedien haben Nachteile, die die Herstellung von technisch brauchbaren
Polymeren des Hydrazidtyps erschweren. Infolge der starken Oxydationswirkung des im Oleum gelösten freien Schwefeltrioxyds
sind technische Oleumqualitäten stets dunkel gefärbt. Die gelbe bis braune Farbe überträgt sich auf die aus der
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Polymerlösung geformten Gebilde, wie z.B. Fasern oder Folien.
Eine weitere Farbveränderung nach roten Tönen tritt durch Oxydation von geringen Mengen oxydierbarer Verunreinigungen
ein, die den technischen Ausgangsmaterialien, insbesondere
den Hydrazinsalzen, anhaften.
Ein weiterer Nachteil von Oleum als Reaktionsmediuin ist der
hohe Dampfdruck des gelösten Schwefeltrioxyds, das bei den
erforderlichen Reaktionstemperaturen von 80 - 140 C teilweise aus der Lösung entweicht, sich an den kälteren Teilen der
Apparatur niederschlägt und infolge seiner Neigung, hochschmelzende Kondensationsprodukte zu bilden, zu Verstopfungen
der Zuleitungen und Armaturen führen kann.
Auch mit Polyphosphorsäure als Lösungs- und Kondensationsmittel entstehen nur gefärbte Polymere. Als weiterer Nachteil
kommt hinzu, daß Polyphosphorsäure eine hohe Eigenviskosität besitzt. Polyhydrazid-Lösungen mit dem technisch
interessanten Molekulargewichts- und Konzentrationsbereich werden so viskos, daß sie nicht mehr gerührt und filtriert
werden können.
Es wurde nun gefunden, daß Chlorsulfonsäure für die Herstellung von linearen aromatischen Polyazinen ein neues und
sehr geeignetes Lösungs- und Kondensationsmittel darstellt, das keinen der genannten Nachteile der bisher verwendeten
Reaktionsmedien aufweist. Die Eignung von Chlorsulfonsäure war deshalb besonders überraschend, weil nach bisheriger
Kenntnis Polymere mit zwei benachbarten einfach gebundenen Stickstoffatomen durch starke konzentrierte Säuren abgebaut
werden.
Chlorsulfonsäure ist in technischen Qualitäten eine farblose Flüssigkeit, die beim Erwärmen kein Schwefeltrioxyd
abspaltet und keinerlei Oxydationswirkung hat. Da Chlorsul-
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fonsäure außerdem ein gutes Lösungsmittel mit niedriger Eigenviskosität ist, können mit überraschender Leichtigkeit
farblose hochmolekulare Polyhydrazide im notwendigen Konzentrationsbereich von 10 - 15 g pro 100 g Lösungsmittel
hergestellt werden, ohne daß Rühr- oder Filtrierschwierigkeiten auftreten.
Die vorliegende Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zur Herstellung linearer hochpolymerer Poly-N-alkylhydrazide
mit wiederkehrenden Struktureinheiten der Formel
Ar - | C - | N - | N - | C |
Il | t | t | Il | |
0 | Rl | R2 | 0 |
worin Ar einen gegen Sulfonierung inerten zweiwertigen aromatischen
Rest, dessen Bindungen an die Nachbarsubstxtuenten durch eine Kette von mindestens 3 Kohlenstoffatomen voneinander
getrennt sind, R1 Wasserstoff oder eine niedere Alkylgruppe
und R« eine niedere Alkylgruppe bedeuten,
a) durch Kondensation eines aromatischen Dicarbonsäurediesters mit einem Hydrazin, dessen eines der 4 H-Atome
durch niederes Alkyl substituiert sein kann,
b) oder durch Kondensation einer aromatischen Dicarbonsäure oder deren Dihalogenide, Dinitrile, Diamide oder Dialkalisalze
mit einem Hydrazin, dessen eines der U Η-Atome oder dessen zwei nicht am gleichen Stickstoffatom stehende H-Atome
durch niederes Alkyl ersetzt ist (sind) ,
c) oder durch Kondensation eines aromatischen Dicarbonsäuremonoesters
mit einem Hydrazin, dessen eines der 4 H-Atome durch niederes Alkyl substituiert ist,
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bei erhöhter Temperatur, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Polykondensation in Chlorsulfonsäure, gegebenenfalls
in Gegenwart von konzentrierter Schwefelsäure und/oder einem Alkylierungsmittel, durchführt. "Niederes Alkyl" bedeutet
hierbei überall Alkylgruppen bis zu 4 C-Atomen, insbesondere die Methyl- oder Äthylgruppe.
Ar bedeutet vorzugsweise den 1,3- oder 1 ,H-Phenylenrest,
einen Naphthylenres oder einen Rest der Formel
worin X die direkte Bindung oder die Gruppe -CO-, -SO2- oder
-N=N- bedeutet.
Als Ausgangsverbindungen kommen, je nach Wahl der Kondensationsvarianten
a)bis c), in Frage:
Terephthalsäure, Isophthalsäure, Tetrachlorterephthalsäure, 5-Methyl-isophthalsäure, Naphthalin-2,6- oder -1,4-dicarbonsäure,
Benzophenon—4,4'-dicarbonsäure, Azobenzol-ijH'-dicarbonsäure
(sofern die Eigenfarbe nicht stört. Im allgemeinen bevorzugt man farblose Ausgangsstoffe.) oder Diphenylsulfon-4,H'-dicarbonsäure
bzw. deren Mono- und Diester, insbesondere Dialkylester, vor allem Dimethyl- oder Diäthylester,
ferner Dihalogenide, insbesondere Dichloride-, Diamide oder Dialkalisalze, voraugsweise Dinatriumsalze.
Das Hydrazin, ob substituiert oder nicht, wird meist in Form seiner anorganischen Salze, gewöhnlich als Sulfat, verwendet.
Es kommen z.B. in Frage die Sulfate des Hydrazins, des N-Methyl-, N-Äthyl-, oder N,N1-Dimethyl- oder N,N1-Di-
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äthylhydrazins.
Von den drei KondensationsVarianten a), b) und c) wird a)
bevorzugt.
Gemäß Variante a) verläuft die Reaktion bei Verwendung von unsubstituiertem Hydrazin hauptsächlich nach folgendem
Schema:
R9-O-C-Ar-C-O-R9 + H9N-NH0 -Ar-C-N—NH-C
*■
Il Il * ' * I» I Il
0 0 C R2 0
Der niedere Alkylrest R9 des Diesters lagert sich also an
das eine N des Hydrazids an. Geht man von einem gemischten Diester aus, z.B. von Terephthalsäure-mono-methyl-mono-äthylester,
so erhält man Gemische von Endprodukten mit den Gruppen
-N NH- und -N NH -
I I
CH3 C2H5
Setzt man Dicarbonsäureester mit einem definitionsgemäß substituierten Hydrazin, z.B. mit N-Methylhydrazin bzw. dessen
Sulfat um, so erhält man ein Endprodukt, dessen beide N-Atome der Hydrazidgruppe substituiert sind, gemäß dem Schema:
R0-O-C-Ar-C-O-R0 + HN NH0 *>
-Ar-C-N—N-C—
* ^f ' Il I I Il
■ι Ii
0 0 CH3 ° CH3R2°
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Geeignete Verbindungen sind z.B. Dimethylterephthalat, Dimethylisophthalat,
Tetrachlorterephthalsäuredimethylester, 5-Methylisophthalsäuredimethylester, Naphthalin-2,6-dicarbonsäurediniethylester,
Benzophenon-Ί,4' -dicarbonsäuredimethylester,
Azobenzol-^H'-dicarbonsäuredimethylester.
Ganz allgemein können bei der Reaktion von aromatischen Dicarbonsäurealkylestern
mit Hydrazin oder anorganischen Salzen des Hydrazins in Gegenwart von Chlorsulfonsäure, je nach
den Reaktionsbedingungen, neben den offenen Hydrazidbindungen auch 5 bis 30 % geschlossene 1,3,4-Oxadiazolringe gebildet
werden. Um diese in manchen Fällen unerwünschte Nebenreaktion, die zur Unlöslichkeit der Polymere in organischen Lösungsmitteln
führen kann, auszuschließen bzw. zu unterdrükken, ist es zweckmäßig, die Reaktion in Gegenwart von Alkylierungsmitteln,
wie z.B. niederen aliphatischen Alkoholen oder Dialkylsulfat, auszuführen.
Gemäß Variante b) verläuft die Reaktion nach dem Schema: HO-C-Ar-C-OH + HN—NH ^ -Ar-C-N N C-
0 0 R1 R2 0 R1 R2 0
wobei R1 und R„ die in der Definition angegebene Bedeutung
haben. Analog verläuft die Reaktion bei Verwendung der entsprechenden Dialkalisalze, Dihalogenide, Dinitrile und Diamide.
Geeignete Ausgangsstoffe sind z.B. Terephthalsäure, Isophthalsäure, 5-Methylisophthalsäure, Tetrachlorterephthalsäure,
Naphthalin-2,6-dicarbonsänre, Naphthalin4,4-dicarbonsäure,
Terephthalsäuredinitril, Isophthalsäurediamid.
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Als Hydrazinverbindungen eignen sich z.B. N-Methylhydrazin,
Ν,Ν'-Dimethylhydrazin sowie deren Hydrochloride und Sulfate.
Durch Verwendung von zwei oder drei dieser aromatischen Dicarbonsäuren
bzw. deren Estern, Halogeniden, Nitrilen, Amiden oder Alkalisalzen gemäß Variante a) bis c) können wertvolle
Copolymere oder Terpolymere hergestellt werden. Bevorzugt wird eine Mischung von Terephthalsäure und Isophthalsäure
bzw. deren Alkylestern.
Besonders günstige Endprodukte erhält man durch Umsetzung von 1 Mol Terephthalsäuredimethylester mit 1/2 Mol Di-(hydrazin)-sulfat
oder Gemischen von Terephthalsäure-und Isophthalsäuredimethylester mit Hydrazinsulfat, in beiden Fällen
unter bevorzugter Mitverwendung von Alkylierungsmitteln, wie Methanol oder Dimethylsulfat, oder von 1 Mol Terephthalsäure mit 1 Mol N-Monomethylhydrazin oder von 1 Mol Dinatriumsalz
der Isophthalsäure mit 1 Mol N,N'-Dimethylhydrazinsulfat oder von 1 Mol Dikaliumsalz der Benzophenon-4,4'-dicarbonsäure
mit 1 Mol Dimethylhydrazinhydrochlorid.
Vorteilhaft arbeitet man mit mindestens 2 Mol Chlorsulfonsäure pro 1 Mol aromatischer Dicarbonsäure bzw. deren definitionsgemäßen
Derivaten, und.in Gegenwart von konzentrierter Schwefelsäure.
Die genannten aromatischen Dicarbonsäuren bzw. deren definitionsgemäßen
Derivate (gemäß Varianten a) bis c)), das Hydrazin bzw. dessen Salz und die Chlorsulfonsäure werden in solchen
Mengenverhältnissen eingesetzt, daß auf je I Mol der aromatischen Verbindung und der Hydrazinverbindung mindestens 2 Mol
Chlorsulfonsäuie verwendet werden. Zweckmäßig arbeitet man
jedoch mit einem Überschuß an Chlorsulfonsäure oder mit
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Mischungen von Chlorsulfonsäure und konzentrierter Schwefelsäure, um die Polymerkonzentration und damit die Viskosität
der Lösung in praktisch brauchbaren Grenzen zu halten.
Für alle drei Varianten wird die Reaktion zweckmäßig im Tempe
raturbereich von 50 bis 200 C ausgefü doch der Temperaturbereich von 80 bis
raturbereich von 50 bis 200 C ausgeführt. Bevorzugt ist jeDie nach vorliegender Erfindung hergestellten Poly-N-alkylhydrazide
können direkt aus der hochviskosen, vorzugsweise etwa 10%-igen Lösung durch Einpressen in ein geeignetes
Koagulationsbad zu Fasern oder Filmen verformt werden. Bekannte Fällbäder sind z.B. verdünnte Schwefelsäure sowie
konzentrierte wäßrige Lösungen von Zinkchlorid oder Ammoniumsulfat.
Man kann aber auch die Polymerlösungen in Wasser ausfällen,
das erhaltene farblose faserige Polymere nach dem Waschen und Trocknen in einem organischen Lösungsmittel, wie Dimethylsulfoxyd,
SuIfolan, Ν,Ν-Dimethylacetamid oder N-Methylpyrrolidon,
auflösen und hieraus nach dem Trockenspinnverfahren zu Fasern oder nach dem Gießverfahren zu Folien oder Überzügen verarbeiten.
Die geformten Gebilde aus den erfindungsgemäß hergestellten Polyhydraziden sind zäh, elastisch, reißfest und
schmelzen erst bei Temperaturen oberhalb 300 C. Durch längeres Erhitzen auf 200 bis 26O°C können die Polyhydrazide unter
Abspaltung von Wasser oder Alkohol in die noch wesentlich temperaturbeständigeren Poly-1,3,4-Oxadiazole übergeführt
werden.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung:
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In einem 2 1-Dreihalskolben (versehen mit Rührer, Thermometer
und Rückflußkühler) werden 194,19 g (1,0 Mol) Dimethylterephthalat und 81,08 g (0,5 Mol) Dihydrazinsulfat in einem Gemisch
von 600 g Chlorsulfonsäure und 600 g konzentrierter Schwefelsäure gelöst. Das Reaktionsgemisch wird auf IUO0C
erhitzt, wobei eine lebhafte Chlorwasserstoffentwicklung eintritt.
Nach Ablauf einer Stunde wird die farblose klare Reaktionslösung sehr zähflüssig, die Kondensation wird abge-'
brochen. Eine Probe des Reaktionsgemisches wird unter Rühren in Wasser ausgefällt, das weiße körnige Polymer neutral
gewaschen und getrocknet. Die reduzierte spezifische Viskosität beträgt 4,10 (gemessen in 100%-iger Schwefelsäure,
0,2 g/100 ml, 200C).
Die Mikro-Elementaranalyse ergibt folgende Werte:
gefunden berechnet (auf 2£> % PoIy-
oxadiazol-Gehalt)
C | 62,75 % | 62,19 |
H | 4,10 % | 4,13 |
N | - 16,79 % | 16,80 |
Das Infrarotspektrum zeigt neben einer sehr starken Carbonyl-
— 1 —1
bande bei 1680 cm eine schwache Absorption bei 970 cm
(-1,3,4-oxadiazol). Aufgrund der analytischen Daten sind ca.
25 % der N-Methylhydrazidgruppen zu 1,3,4-Oxadiazolringen cyclisiert.
Das Produkt ist allein in Schwefelsäure löslich. Der Hauptanteil des Reaktionsgemisches wird direkt für Spinnversuche
verwendet. In 50%-iger Schwefelsäure als Koagulationsbad können farblose Fäden von sehr hoher Festigkeit gesponnen
werden.
2 0 98t S1/09 80
Es wird ähnlich verfahren wie in Beispiel 1, mit dem Unterschied,
daß ein Gemisch von 145,8 g (0,75 Mol) Dimethylterephthalat und 48,4 g (0,25 Mol) Dimethylisophthalat eingesetzt
wird. Die Kondensation wird in Gegenwart von 25 ml Methanol durchgeführt. Die Reaktion dauert bei 1300C 4 Stunden.
Eine in Wasser ausgefällte gewaschene und getrocknete Probe ist löslich in Dimethylformamid, Dimethylacetamid,
N-Methylpyrrolidon und Dimethylsulfoxyd. Im InfrarotSpektrum
ist keine Oxadiazolbande bei 970 cm" zu erkennen. Das PoIyphenylen-N-methylhydrazid
mit statistisch verteilten para- und meta-Phenylen-Verknüpfungen schmilzt bei 320 bis 3400C.
Die reduzierte spezifische Viskosität ist 1,82 (gemessen in 100%-iger Schwefelsäure, 0,2 g/100 ml, 200C).
Es wird wie in Beispiel 2 verfahren. Anstelle von Methanol werden 50 g Dimethylsulfat eingesetzt. Das erhaltene Produkt
ist identisch mit demjenigen von Beispiel 2· Die reduzierte
spezifische Viskosität beträgt 2,08 (gemessen in 100%-iger Schwefelsäure, 0,2 g/100 ml, 200C).
In einen 250 ml-Dreihalskolben, versehen mit Rührer, Thermometer
und Calciumchloridrohr, werden 16,61 g (0,1 Mol) Isophthalsäure
eingewogen und mit 80 ml Chlorsulfonsäure versetzt, Die Lösung wird unter Rühren auf 50°C erwärmt, dann werden
14,41 g (0,1 Mol) Methylhydrazxnsulfat eingetragen und das Gemisch weiter erhitzt. Bei 90 C setzt eine starke Chlorwasserstoff
entwicklung ein und die Viskosität nimmt langsam zu.
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Die Polykondensation wird bei 1300C in 1 Stunde zu Ende geführt.
Das Poly-m-phenylen-N-methylhydrazid wird in Eiswasser
ausgefällt, neutral gewaschen und getrocknet. Das Produkt ist gut löslich in DimethyIforraamid. Aus solchen Lösungen lassen sich Filme mit hoher mechanischer Festigkeit herstellen.
Die reduzierte spezifische Viskosität des Polymeren beträgt.
1,70 (gemessen in N-Methylpyrrolidon, 0,2 g /100 ml, 200C).
Die Polykondensation wird ähnlich durchgeführt wie in Beispiel H, mit dem Unterschied, daß anstelle der Isophthalsäure 31,12 g (0,1 Mol) Benzophenon-H,4'-dicarbonsäuredinatriumsalz
eingesetzt wird. Das Produkt ist in N-Methylpyrrolidon
löslich.
Die reduzierte spezifische Viskosität ist 1,35 (gemessen in
N-Methylpyrrolidon, 0,2 g/100 ml, 200C).
2098 1 9/0980
Claims (10)
- PatentansprücheVerfahren zur Herstellung linearer hochpolymerer PoIy-N-alkylhydrazide mit wiederkehrenden Struktureinheiten der Formel-Ar-C-N-N-C-Il I t ItO R1 R2 Oworin Ar einen gegen Sulfonierung inerten zweiwertigen aromatischen Rest, dessen Bindungen an die Nachbarsubstituenten durch eine Kette von mindestens 3 Kohlenstoffatomen voneinander getrennt sind, R. Wasserstoff oder eine niedere Alkylgruppe und R2 eine niedere Alkylgruppe bedeuten,a) durch Kondensation eines aromatischen Dicarbonsäurediesters mit einem Hydrazin, dessen eines der 4 H-Atome durch niederes Alkyl substituiert sein kann,b) oder durch Kondensation einer aromatischen Dicarbonsäure oder deren Dihalogenide, Dinitrile, Diamide oder Dialkalisalze mit einem Hydrazin, dessen eines der 4 H-Atome oder dessen zwei nicht am gleichen Stickstoffatom stehende Η-Atome durch niederes Alkyl ersetzt ist (sind), oderc) durch Kondensation eines aromatischen Dicarbonsäure-monoesters mit einem Hydrazin, dessen eines der 4 Η-Atome durch niederes Alkyl substituiert ist,bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß man die Polykondensation in Chlorsulfonsäure, gegebenenfalls in Gegenwart von konzentrierter Schwefelsäure und/oder einem Alkylierungsmittel, durchführt.209819/0980
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß1 Mol Terephthalsäuredimethylester mit 1/2 Mol Di-(hydrazin>sulfat umgesetzt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mischungen von Terephthalsäure-und Isophthalsäuredimethylester mit Hydrazinsulfat umgesetzt werden.
- 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polykondensation in Gegenwart von Methanol als Alkylierungsmittel durchgeführt wird.
- 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polykondensation in Gegenwart von Dimethylsulfat als Alkylierungsmittel durchgeführt wird.
- 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 1 Mol Terephthalsäure mit 1 Mol N-Monomethylhydrazin umgesetzt wird.
- 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß1 Mol Dinatriumsalz der Isophthalsäure mit 1 Mol N,N-Dimethylhydrazinsulfat umgesetzt wird.
- 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 1 Mol Dikaliumsalz der Benzophenon-4,4'-dicarbonsäure mit 1 Mol Dimethylhydrazinhydrochlorid umgesetzt wird.
- 9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mischungen von Chlorsulfonsäure und konzentrierter Schwefelsäure verwendet werden.
- 10. Lineare hochpolymere aromatische Ringe enthaltende Polyhydrazide, dadurch gekennzeichnet, daß sie gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 hergestellt worden sind.209819/0980
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
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8330 | Complete disclaimer |