DE2456807A1 - Verfahren zur herstellung von polymerisaten des vinylpyrrolidons - Google Patents
Verfahren zur herstellung von polymerisaten des vinylpyrrolidonsInfo
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Description
BASF Aktiengesellschaft 2456807
Unser Zeichens O0Zo 31 COT Ks/UB
6700 Ludwigshafen, 29.11.1974
Verfahren zur Herstellung von Polymerisaten des Vinylpyrrolidon s
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymerisaten
des Viny!pyrrolidone durch Polymerisieren von Vinylpyrrolidon,
gegebenenfalls zusammen mit anderen äthylenisoh ungesättigten mit Vinylpyrrolidon copolymerisierbaren Monomeren,
in einem Lösungsmittel bei höheren Temperaturen in G-egenwart radikalischer Polymerisationsinitiatoren»
Es ist bekannt, daß man Vinylpyrrolidon radikalisch in lösung polymerisieren kann. Dabei verwendet man als Lösungsmittel Wasser,
Alkohole oder aromatische Kohlenwasserstoffe« Da eine nachträgliche thermische Behandlung zur Entfernung von nicht
umgesetztem Vinylpyrrolidon wegen der Empfindlichkeit des Polymerisats einerseits und des hohen Siedpunkts des Monomeren andererseits praktisch nicht durchführbar ist, versucht man durch
diskontinuierliches Polymerisieren und Anwendung langer Reaktionszeiten einen möglichst vollständigen Umsatz zu erzielen.
Da aber dieses Verfahren leicht zur Verfärbung des Polymerisats und zur Bildung von Nebenprodukten führt, bedient man sich zusätzlich
zu den Initiatoren noch gewisser Schwermetallkomplexe, die zwar die Reaktionszeit verkürzen, aber selbst physiologisch
nicht unbedenklich sind, vgl„ z.B. US-PS 2 767 159* Diese Nachteile
fallen umso mehr ins G-ewichts ;je niedriger der K~¥ert des
Polyvinylpyrrolidons sein solle Ein weiterer Wachteil der diskontinuierlichen
Verfahren besteht darin f daß die Raum-Zeit-Ausbeute
sehr klein ist-«
Es ist bisher nicht bekannt, Vinylpyrrolidon kontinuierlich zu
polymerisierenο Die GB-PS 919 757 betrifft ein Verfahren zur
Herstellung von polymeren IT-La et amen, bei dem man das Monomere
im Verlauf von mindestens einer halben Stunde zusammen mit einem Polymerisationsinitiator einer Reaktionszone zuführt, in der es
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in wäßriger Lösung und bei der Siedetemperatur der Mischung
diskontinuierlich, polymerisiert wird» Dieses Verfahren weist
ebenfalls die Nachteile der oben genannten diskontinuierlichen Verfahren auf»
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Homo- und Gopolyniierisaten des N-Viny!pyrrolidone aufzuzeigen,
bei dem man Polymerisate mit enger Molekulargewichtsverteilung
in hoher Raum-Zeit-Ausbeute erhält„ Die Polymerisate
sollen auch bei niedrigen K-Werten farblos und praktisch frei
von Verunreinigungen sein»
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem eingangs beschriebenen Verfahren dadurch gelöst 9 daß man die Polymerisation kontinuierlich
bei einem Druck oberhalb von 1 bar in einem organischen Lösungsmittel durchführt0
Mach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vor allein Polymerisate
des 1-Vinylpyrrolidons hergestellts deren K-Wert 10 bis 35,
vorsugsweise 12 bis 25 9 beträgt=. Der forteil des Verfahrens
liegt vor allem darin, daß man Polymerisate herstellen kann,
die praktisch frei von Rest-Monomeren und Verunreinigungen sind» Selbst diejenigen Polymerisate, deren K-Wert unter 20 liegt,
sind beispielsweise in 50 ^iger Lösung farblos„ Um U-Vinylpyrrolidon-Polymerisate
mit einem K-Wert von kleiner als 20
herzustellen, benötigt man nach dem erfindungsgemäßeii Verfahren
nur etwa 1/4 der Initiatormenge„ die bei den bekannten Verfahren
eingesetzt werden muß', um Polymerisate eines niedrigen K-Wertes zu erhalten= Die erfindungsgemäß hergestellten Polymerisate
haben außerdem eine engere Molekulargewichtsverteilung
als diejenigen, die nach diskontinuierlichen Verfahren erhalten werden» Ferner wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die
Raum-Zeit-Ausbeute etwa um den Paktor 10 oder mehr gegenüber
den diskontinuierlichen Verfahren verbessert» Im Gegensatz zur Batch —Pahrweise garantiert das kontinuierliche Polymerisationsverfahren
eine gleichmäßig gute Qualität des Endprodukts über beliebig lange Zeiträume hinweg„
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorzugsweise Homopolymerisate
des N-Vinylpyrrolidons hergestellte Es ist jedoch
ebenso gut möglich, auch Copolymerisate des N-Vinylpyrrolidons herzustellen, indem man N-Vinylpyrrolidon zusammen mit anderen
äthylenisch ungesättigten, mit N-Yiny!pyrrolidon copolymerisierbaren
Monomeren polymerisiert„ Geeignete andere mit Vinylpyrrolidon
copolymerisierbare Monomeren sind "beispielsweise Vinylesterj. wie Vinylacetat und Vinylpropionat, Acrylester,
Methaarylester, Maleinsäureester, Fumarsäureester, Hydroxypropylacrylat,
Acrylsäure, Methacrylsäure und Crotonsäure und ferner Styrol« Es ist selbstverständlich möglich, auch Mischungen
von mehreren der genannten Monomeren miteinander zu ^polymerisieren,
beispielsweise eine Mischung aus N-Vinylpyrrolidon, Vinylacetat und Acrylsäuremethylester„ Der Comonomerengehal.t
der Vinylpyrrolidonpolymerisate kannn in einem weiten Bereich schwanken, Z0B0 zwischen 0 (Herstellung von Homopolymerisa
ten des Vinylpyrrolidons) und 90 Gew» $, vorzugsweise
zwischen 5 und 70 &ew. $„
Die Polymerisation des N-Vinylpyrrolidons wird in einem organischen
lösungsmittel durchgeführte Geeignete Lösungsmittel sind
beispielsweise Alkohole, wie Methanol, Äthanol, n- und i-Propanol,
Äther, wie Dioxan und Tetrahydrofuran, Halogenverbindungen, wie Chloroform, Methylenchlorid, Tetrachloräthan oder Hexachloräthan,
aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Toluol, Xylol, Cumol oder Äthylbenzol, sowie Mischungen der genannten Lösungsmittel,
die miteinander vollständig mischbar sind, beispielsweise Mischungen aus Isopropanol und Cumol oder ein Gemisch mehrerer
aromatischer Kohlenwasserstoffe wie Äthylbenzol und Toluole Vorzugsweise verwendet man als Lösungsmittel Isopropanol, Xylol
oder Äthylbenzolo Die Konzentration der Monomeren in der Lösung beträgt 5 bis 75, vorzugsweise 10 bis 50 Gewichtsprozente
Die Polymerisation der Monomeren erfolgt in Gegenwart radikalischer
Polymerisationsinitiatoren= Um Polymerisate eines hohen K-Wertes herzustellen, kann man prinzipiell alle üblichen, radikalischen
Starter verwenden« Homopolymerisate des Vinylpyrroli-
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dons mit K-Werten bis zu 35 werden jedoch, vorzugsweise in Gegenwart
von Dialkyl-, Diaryl- oder Arylalky!peroxiden sowie
Gemischen dieser Peroxide hergestellt, z„B° Dicumylperoxid,
Di-tertc-butylperoxid, terto-Butyl-cumylperoxid und 2,2-Ditert„-butylperoxybutano
Es ist besonders vorteilhaft, Di-tertobutylperoxid
als Polymerisationsinitiator zu verwenden» Die Initiatorkonzentration liegt im allgemeinen zwischen 0,1 und
5 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen 0,5 und 3 Gew» fo, bezogen
auf die Monomeren„
Die Reaktionsmischung kann bereits die Gesamtmenge des radikalischen
Polymerisationsinitiators enthalten; man kann jedoch auch den Polymerisationsinitiator an verschiedenen Stellen der
Reaktionszone der zu polymerisierenden Mischung zuführen,,
Die Polymerisation wird bei Temperaturen von 100 bis 300 O9
vorzugsweise HO bis 220°Gs durchgeführte Die Temperaturen
liegen in der Regel oberhalb des Siedepunkts des jeweils verwendeten Lösungsmittels, so daß sich ein Druck von oberhalb
1 bar einstellt» Man kann jedoch auch den Druck in der Reaktionszone dadurch erhöhen, daß man z.B» Stickstoff oder ein anderes
inertes Gas aufpreßt« Ein oberer Wert für den Druck, bei dem die Polymerisation durchgeführt wird, kann nicht angegeben werden.
Der obere Wert für den Druck ist durch die Auslegung der jeweils verwendeten Apparatur gegebene Im allgemeinen arbeitet
man bei Drücken von 2 bis 100 bar, vorzugsweise 5 bis 45 bar»
Die Polymerisation wird kontinuierlich durchgeführt, indem man beispielsweise eine Mischung aus N-Yinylpyrrolidon, einem Lösungsmittel
und einem Initiator unter einem Druck oberhalb von 1 bar in eine Reaktionszone pumpt, in der die Reaktion bei einer
Temperatur von 100 bis 3000G und einer mittleren Verweilzeit
von 3 Ms 120 Minuten stattfindet. Der Druck in der Polymerisationszone
ist so hoch, daß das Lösungsmittel in flüssiger Phase vorliegt» Die Yerweilzeit des Reaktionsgemisches in der
Polymerisationszone beträgt vorzugsweise 5 "bis 50 Minuten.
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Die Polymerisationszone kann aus einem Reaktionsrohr, einer
Kesselkaskade oder einem Kessel mit nachgeschaltetem Reaktionsrohr bestehen» Vorzugsweise polymerisiert man die Monomeren in
mindestens zwei hintereinandergeschalteten Polymerisationszonen„
Dabei kann die eine Reaktionszone aus einem druckdichten Kessel,
die andere aus einem druckdichten Reaktionsrohr, vorzugsweise
einem beheizbafen statischen Mischer bestehen» Um die
Monomeren bis zu Umsätzen >99 $>
auszupolymerisieren, führt man die Polymerisation in einer Kesselkaskade durch, die vorzugsweise
aus drei oder mehr Kesseln besteht» Die Kessel müssen beheizbar und für einen bestimmten Druck ausgelegt sein» Während
der Polymerisation wird für eine gute Durchmischung der Komponenten gesorgt» Man kann die Reaktionsmischung beispielsweise
in der Kesselkaskade.rühren oder auch als Polymerisationseinheit anstelle einer Kesselkaskade einen einzelnen Kessel mit
einem nachgesohalteten Reaktionsrohr verwenden, das beispielsweise
mit einem statischen Mischer ausgerüstet ist. Die Polymerisation
wird kontinuierlich durchgeführt, indem man pro Zeiteinheit die gleiche G-ewichtsmenge an polymerisierter Mischung
aus der Polymerisationszone entfernt wie an Monomerenmischung zugeführt wird»
Die Reaktionsmischung kann dadurch aufgearbeitet werden, daß man sie direkt einer Trocknung unterwirft, wie Sprüh-, Walzen—
oder G-efriertrocknung oder dadurch, daß man zunächst einen Teil
des Lösungsmittels abdestilliert, den Rückstand dann in Wasser aufnimmt und anschließend die wäßrige Lösung sprüh- oder gefriertrocknet
„
Die nach dem genannten Verfahren hergestellten Polyvinylpyrrolidone
lassen sich für Injektionen im Human- und Veterinärbereich, als Dispergiermittel, Lösungsvermittler und Verträglichkeitsverbesserer
für bestimmte Werkstoffe verwenden» Sie dienen ferner zur Stabilisierung von tiefgefrorenen Blutkörperchen
oder anderen tiefgefrorenen G-ewebeteilen» Sie sind außerdem geeignet
zur Herstellung eines speziellen PVP-Jod-Präparates, das
nach Resorption über offene Wunden oder bei chirurgischen Ein-
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griffen vom Körper wieder ausgeschieden wird,, Copolymerisate
des Yinylpyrrolidons dienen verschiedenen Zwecken; beispielsweise werden Copolymerisate aus Vinylpyrrolidon und Vinylacetat
für die Herstellung von Haarsprays verwendet=
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher erläutert»
Die K-Werte wurden nach Fikentscher, Cellulose-Chemie.
22, 58 - 64 und 71 - 74 (1932) in 5 folgen wäßrigen lösungen bei
einer Temperatur von 2O0G bestimmt; dabei bedeutet K = k ° 10 „
Die in den Beispielen angegebenen Molekulargewichte sind Zahlenmittel und wurden mit einem Dampfdruckosmometer (Meehrolab) gemessen»
Der N-Vinylpyrrolidongehalt der Polymerisate wurde
titrimetrisch bestimmte Die in den Beispielen angegebenen Teile sind Gewichtsteile, die Prozentangaben beziehen sich auf das
Gewicht„
Ein Gemisch aus 50 Teilen Vinylpyrrolidon, 49 Teilen Isopropanol und 1 Teil Di-tert„-butylperoxid wird mit einer Zulaufgeschwindigkeit
von 7 l/h in eine Kesselkaskade von 3 hintereinander
geschalteten 0,7 1-Reaktoren gepumpt und bei einer Temperatur von 1800C und einem Druck von 25 bar Stickstoff polymerisiert.
Die Verweilzeit der Reaktionsmischung in der Reaktionszone beträgt
insgesamt 20 Minuten. Am Ende der Reaktionszone wird kontinuierlich eine dem Zulauf entsprechende Gewichtsmenge des
Reaktionsgemisches abgezogen. Der Umsatz beträgt 99,3 #» Zur
Aufarbeitung des Reaktionsgemisches destilliert man zunächst ca„ 70 io des Isopropanols ab, nimmt mit 5 Teilen Wasser auf
und sprühtrocknet dann das Polymerisat bei einer Temperatur von 1300Co Das Polymerisat hat einen K-Wert von 14,4 (Molekulargewicht
1440) und wird als Blutplasma-Ersatz verwendet. Eine
50 $ige Lösung des Polymerisats in Wasser ist farbloso Die
Raum-Zeit-Ausbeute beträgt 1,5 kg/l°h„
Eine Mischung aus 40 Teilen N-Viny!pyrrolidon, 59,2 Teilen Iso-
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propanol und 0,8 Teilen Di-tert„-butylperoxid wird mit einem
Durchsatz von 8 l/h, durch, eine Polymerisationszone geschleust,
die aus einem 0,7 1-Druckkessel und einem nachgeschalteten, mit
einem statischen Mischer ausgestatteten Druckrohr (Inhalt 1,5 1) "besteht ο Die Polymerisationstemperatur im Kessel beträgt 16O0Cs
die im Polymerisationsrohr 1850Co Die Yerweilzeit des Gemisches
"beträgt 22 Minuten„ Am Ende der Reaktionszone wird kontinuierlich
die gleiche G-ewichtsmenge entfernt, die am Beginn der
Polymerisationszone in den Reaktor gepumpt wirdο Der Umsatz
beträgt 99,5 $<■ Das Reaktionsgemisch wird einer Sprühtrocknung
unterworfene Man erhält ein Polyvinylpyrrolidon, das einen K-Wert
von 14,2 aufweist und in 50 ^iger wässriger Lösung farblos
isto Die Raum-Zeit-Ausbeute beträgt 1,3 kg/l°h.
Eine Mischung von 30 Teilen Vinylpyrrolidon, 70 Teilen Isopropanol
und 2 Teilen Di-tert„-butylperoxid wird mit einer Zulaufgeschwindigkeit
von 5 l/h in den Kessel der im Beispiel 2 beschriebenen Polymerisationseinheit gepumpt und bei einer Kesselinnentemperatur
von 1700C und einer Temperatur im Mischrohr von
1850C polymerisiert. Gleichzeitig wird mit einer zweiten Kolbendosierpumpe
eine 0,02 $ige Lösung von Di-tert»-butylperoxid in
Isopropanol mit einer Zulaufgeschwindigkeit von 0,5 l/h über
eine Einspritzvorrichtung zwischen Kessel und statischem Mischer zugefahren. Am Ausgang der Polymerisationseinheit wird eine
farblose Polyvinylpyrrolidon-Lösung in Isopropanol mit 5,5 l/h abgezogen. Die Raum-Zeit-Ausbeute beträgt 0,62 kg/l°h„ Durch
Sprühtrocknung der farblosen Polymerlösung erhält man Polyvinylpyrrolidon, das einen K-Wert von 13*7 und einen N-Yinylpyrrolidongehalt
von 0,15 i» hato Das mittlere Molekulargewicht des
Polymerisats beträgt 138O0 Das Polymerisat kann als Blutplasma-Ersatz
sowie zur Herstellung von PVP-Jod verwendet werden«
Eine Lösung von 70 Teilen N-Viny!pyrrolidon, 29 Teilen Dioxan
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und 1 Teil Dicumylperoxid wird mit einem Durchsatz von 10 l/t
durch, die Polymerisationsanlage gemäß Beispiel 2 gepumpt und bei einer Kesselinnentemperatur von 1650C und einer Mischrohrtemperatur
von 1'90 C sowie unter einem S ticks to ff druck von 35 at polymerisiert ο Die Verweilzeit beträgt 13 Minuten und
die Raum-Zeit-Ausbeute 2,85 kg/loh» Der Umsatz ist größer als
99,5 $. Die Reaktionslösung wird kontinuierlich über ein Druckhalteventil
mit einer Geschwindigkeit von 10 l/h in eine Vorlage entspannt, mit dem doppelten Volumen Wasser verdünnt und
dann bei 1300C sprühgetrocknet» Das farblose Polymerisat hat
einen K-Wert von 20,3 und ein Molekulargewicht von 9300 und wird beispielsweise für die Herstellung von PVP-Jod verwendet«
Eine Lösung von 80 Teilen Styrol, 20 Teilen Vinylpyrrolidon, 25 Teilen Äthylbenzol und 0,5 Teilen Pinanhydroperoxid wird
mit einer Zulaufgeschwindigkeit von 13 l/h durch die Polymerisationsanlage
gemäß Beispiel 2 gepumpt und mit gleicher Geschwindigkeit über ein Druckhalteventil in eine Vorlage entspannt«
Die Kesselinnentemperatur und die Mischrohrtemperatur betragen je 2350C; der Druck hat einen Wert von 27 at« Der Umsatz
liegt über 99,6 #o Die Raum-Zeit-Ausbeute beträgt 4,25 kg/
l»h. Das Äthylbenzol wird durch Destillation entfernt» Man erhält
ein sprödes Copolymerisat vom Molekulargewicht 1840, das beispielsweise als inneres Gleitmittel für Styrolpolymerisate
eingesetzt werden kann.
Vergleichsbeispiel 1
Die in Beispiel 2"beschriebene Mischung aus 4>0 Teilen Vinylpyrrolidon,
59,2 Teilen Isopropanol und 0,8 Teilen Di-tert.-' butylperoxid wird in einer Stickstoffatmosphäre bei Siedetemperatur diskontinuierlich polymerisiert. Nach 6 Stunden erfolgt
keine weitere Umsetzung mehr. Die Raum-Zeit-Ausbeute beträgt nur 0,056 kg/l»h, der Umsatz 93,2 $„ Nach der Aufarbeitung erhält
man ein Polyvinylpyrrolidon, das einen K-Wert von 45 hat0
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Vergleichsbeispiel 2
Das Vergleichsbeispiel 1 wird mit der Abänderung wiederholt,
daß man anstelle von 0,8 Seilen 3,2 Teile Di-terto-butylperoxid
als radikalischen Polymerisationsinitiator einsetzte Der
Umsatz "beträgt nach 4 Standen 94,1 f*, na oh 6 Stunden 9810 $
und nach 8 Stunden 98,6 foo Die Raum-Zeit-Ausbeute beträgt nach
8 Stunden 0,045 kg/l-h,, Durch Sprühtrocknung wird ein. Polyvinylpyrrolidon
erhalten, das einen K-¥ert von 37,4 hat„ Dieses
Vergleichsbeispiel verdeutlicht, daß es trotz eines 4-fachen
Initiatorzusatzes nicht möglich ist, die Raum-Zeit-Ausbeute
wesentlich anzuheben noch, den K-¥ert zu senken«,
Es lag nach den Ergebnissen des Vergleichsbeispiels 2 nahe, den
Zerfall des Polymerisationsinitiator Di-tert.-butylperoxid durch
Zusatz von 2 ppm Kupferacetat zu beschleunigen.
Deshalb wurde eine Mischung von 40 Teilen Vinylpyrrolidon, 56,8
Teilen Isopropanol, 3,2 Teilen Di-terto-butylperoxid auf Siedetemperatur
erhitzt und nach Erreichen dieser Temperatur mit 2 ppm Ku ρ f er a ce tat versetzte Der Umsatz betrug nach. 4 Stunden
92,3 1°> 6 Stunden 96,9 $>
»ud 8 Stunden 98,7 £. Die Raum-Zeit-Ausbeute
wird nich.t erhöht und beträgt 0,044 kg/l'h, der K-Wert
39,2. Auch; der K-Wert konnte durch diese Maßnahme nicht
herabgesetzt werden.
Eine Lösung von 40 Teilen Vinylpyrrolidon in56,8 Teilen Isopropanol
wird mit 3,2 Teilen tert«-Butylhydroperoxid versetzt
und auf Siedetemperatur erhitzt a Dann gibt man 1 ppm Kupferacetat
zu. ITach einer 8-stü.ndigen Polymerisationsdauer beträgt
der Umsatz nur 95,6 ^o Die Raum-Zeit-Ausbeute beträgt 0,043 kg/
l«h. Die Lösung des Polymerisates ist gelbbraun gefärbt». Das
Polymerisat hat einen K-Wert von 14,5» Dieses Vergleichsbeispiel
zeigt, daß auch mit anderen radikalischen Polymerisationsinitiatoren die Raum-Zeit-Ausbeute sehr gering ist0
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Claims (6)
- - 10 - OoZo 31 007PatentansprücheM0 Verfahren zur Herstellung von Polymerisaten des Tiny!pyrrolidone durch Polymerisieren von Vinylpyrrolidon, gegebenenfalls zusammen mit anderen äthylenisch ungesättigten mit
Vinylpyrrolidon copolymerisierbaren Monomeren, in einem Lösungsmittel bei höheren Temperaturen in G-egenwart radikalischer Polymerisationsinitiatoren, dadurch gekennzeichnet,
daß man die Polymerisation kontinuierlich bei einem Druck
oberhalb von 1 bar in einem organischen Lösungsmittel durchführt. - 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerisationstemperatur 100 bis 3000O beträgt.
- 5ο Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der Polymerisationszone 3 bis 120 Minuten beträgt.
- 4» Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als radikalischen Polymerisationsinitiator Ditert.-butylperoxid einsetzt.
- 5. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Polymerisation in mindestens 2 hintereinander geschalteten Polymerisationszonen durchführt.
- 6. Verwendung des gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 erhaltenen PoIyvinylpyrrolidons zur Herstellung von PVP-Jod.BASP Aktiengesellschaft609824/0830
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