DE2461082A1 - Verfahren zur suspensionspolymerisation von vinylhalogeniden - Google Patents
Verfahren zur suspensionspolymerisation von vinylhalogenidenInfo
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Description
PATENTANWÄLTE
DR. ING. A. VAN DERWERTH DR. FRANZ LEDERER
(1934-1974) 8 MÜNCHEN 80
München, 23. 12. 1974 CPB 3497
BP CHEMICALS I1TTERHATI01TAL LIMITED
Britannic House, Moor Lane, London EC2Y 9BU
England
Verfahren zur Suspensionspolymerisation von Viny!halogeniden
Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Suspensionspolymerisation
von Viny!halogeniden·
Es gi"bt drei Arten von Polymerisationsverfahren in wäßriger
Dispersion, die üblicherweise für Vinylhalogenide "angewandt
werden. Diese sind als Suspensions-, Emulsions- und Mikrοsuspensionspolymerisation
bekannt. Die Suspensionspolymerisation verwendet einen im Monomeren löslichen, freiradikalischen
Initiator, und die Tröpfchengröße der Dispersion ist groß, wobei Polymerisatteilchen mit einer Größe größer als etwa
50 /im erhalten werden, die von der Dispersion durch Zentrifugieren
oder Filtrieren abgetrennt werden können. Die Dispersion wird durch Substanzen wie Zelluloseäther, Polyvinylalkohol,
Gelatine und fein zerteilte, anorganische
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Feststoffe wie Hydroxyapatit stabilisiert, welche als Dispergiermittel
oder Suspendiermittel bekannt sind und nicht als echte, grenzflächenaktive Mittel angesehen werden. Während der PoIymerisati-on
ist außer den Stabilisatoren ein Rühren erforderlich, um ein Agglomerieren der Dispersion und ein Auftreten einer
Sedimentation zu verhindern.
Bei der Emulsionspolymerisation werden dagegen wasserlösliche Initiatoren verwendet, und das Polymerisat wird in Porin eines
Latex mit Teilchen von üblicherweise weniger als 1 /um Durchmesser
gebildet, welche von der wäßrigen Phase durch Zentrifugieren oder Filtrieren nicht abgetrennt werden können. Zur
Stabilisierung der Dispersionen, welche normalerweise beim Stehen stabil sind, werden echte grenzflächenaktive Mittel
verwendet, dennoch wird bei der Polymerisation gerührt.
Bei Mikrosuspensionspolymerisationen werden wie bei Suspensionen im Monomeren lösliche Initiatoren verwendet, jedoch wird das
Polymerisat in Form eines Latex mit Teilchen von üblicherweise weniger als 2 um Durchmesser, manchmal jedoch bis hinauf zu
20/um Durchmesser, gebildet, welche von der wäßrigen Phase
durch Zentrifugieren oder Filtrieren nicht abgetrennt werden können. Diese Latices werden normalerweise durch Sprühtrocknen
unter Bildung von Polymerisaten isoliert, die beim Mischen mit Weiehmaehern Pasten bilden können· Als Stabilisatoren
werden echte grenzflächenaktive Mittel verwendet, und oftmals wird ein System eingesetzt, das mehr als ein grenzflächenaktives
Mittel oder grenzflächenaktive Mittel und ein Modifikationsmittel für grenzflächenaktive Mittel enthält. Diese
Dispersionen können im Gegensatz zu Suspensionen oder Emulsionen nicht einfach durch Rühren des Monomeren und des Wassers in
Anwesenheit des grenzflächenaktiven Mittels unter Anwendung dea normalen Rührausmaßes, das während der Polymerisation erforderlich ist, hergestellt werden. .
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Wenn Vinylhalogenide in wäßriger Suspension polymerisiert werden, ist es üblicherweise erforderlich, den Polymerisationsbehälter unter Druck zu halten, da die Monomeren gasförmig
bei den üblichen Polymerisa'tionstemperaturen sind. Bei einer
bestimmten Umwandlung, welche im allgemeinen etwa 70 $ beträgt, wird jedoch eine Druckverminderung beobachtet,'die im folgenden
mit "Druckabfall" bezeichnet wird. Es wird angenommen,
daß dies der Punkt ist, an welchem alles flüssige Vinylhalogenid
in dem gebildeten Polymerisat adsorbiert worden ist, und daß daher nur gasförmiges Yiny!halogenid und in dem Polymerisat
aufgelöstes Vinylhalogenid vorhanden sind. Der Druck fällt dann unterhalb den örtlichen Sättigungsdampfdruck des Vinylhalogenides,
wenn das gasförmige Vinylhalogenid polymerisiert wird.
In der "US-Patentschrift 3 661 881 ist beschrieben, daß Monomeres
kontinuierlich in das Reaktionsgefäß nach dem Druckabfall mit einer solchen Rate eingeführt wird, so daß der Druck auf einem
reduzierten Wert gehalten wird, um die Porosität der Polymerisatteilchen
herabzusetzen. Die Richtigkeit des Haltens des Druckes unterhalb des ursprünglichen Wert wird betont, obwohl
diese Forderung zu größeren Komplikationen beim Betrieb von Polymerisationsreaktoren führt.
In der britischen Patentschrift 1 348 426 ist ein Ansatzverfahren zur Suspensionspolymerisation von Vinylchlorid
beschrieben, bei welchem Vinylchlorid kontinuierlich während einer Anfangspolymerisationsperiode eingespeist wird, wobei
die Zugabe des Monomeren spätestens dann unterbrochen wird, nachdem 70 fo des eingeführten Gesamtv.iny!chlorides umgesetzt .
worden sind, d. h. die Zugabe von Vinylchlorid wird nach dem Druckabfall nicht fortgeführt. Es wird angegeben, daß bei
kontinuierlicher Zugabe von Vinylchlorid nach dem Druckabfall die Anzahl von Flecken im Produkt erhöht wird, daß die anderen
Eigenschaften jedoch nicht beeinträchtigt werden. Ein ähnliches ■Ergebnis wird erhalten, falls das Verfahren halb-kontinuierlich
durchgeführt wird, indem ein Anteil des Reaktionsgemisches beim
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Druckabfall abgezogen und durch eine frische Charge von
Monomerem und Wasser ersetzt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile dieser vorgenannten
Arbeitsweisen zu vermeiden und ein verbessertes Verfahren zur Suspensionspolymerisation von Viny!halogeniden zu schaffen.
Es wurde nun gefunden, daß günstige Ergebnisse erhalten werden, falls anstelle des Einspeisens des Monomeren über einer
längeren Zeitspanne dieses Monomere rasch in einer bestimmten Zeitspanne nach dem Druckabfall zugegeben wird·
Das erfindungsgemäße "Verfahren betrifft daher ein Ansatzverfahren
zur Homopolymerisation eines Yinylhalogenidmonomeren,
welches sich dadurch auszeichnet, daß das Monomere in wäßriger Suspension in Anwesenheit eines im Monomeren löslichen, frei
radikalischen Initiators bis zum Beginn des Druckabfalles homopolymerisiert wird, und daß-danach nicht mehr als 50 Gew.-^
von anfänglichem Vinylchlorid oder frischem Vinylhalogenid
während nicht mehr als 15-Minuten in einer Zeitspanne zugesetzt
werden, in welcher die Umwandlung im Bereich von 70 bis 80 Gew.-fo
des anfänglich zugesetzten Monomeren liegt, daß die Polymerisatio abgeschlossen wird und daß dann das Monomere gewonnen wird.
Jedes polymerisierbare, Vinylhalogenid enthaltende, monomere
Material kann verwendet werden, das bevorzugte Monomere ist . jedoch Vinylchlorid.
Bs wird bevorzugt, daß das in die Polymerisation nach dem Druckabfall
eingeführte Vinylhalogenid reines Monomeres ist, d. h.
Vinylhalogenid, das nicht in Wasser dispergiert oder suspendiert ist.
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-If-
Die Polymerisation wird in einer Suspension von monomerem Material-in-Wasser durchgeführt, d. h. in einer ,durch Turbulenz
stabilisierten Dispersion, welche Suspendiermittel enthält, wobei ein im Monomeren löslicher, frei radikalischer Initiator
verwendet wird.
Das Verhältnis von Phase des monomeren Materials zur Wasserphase
ist nicht kritisch, vorausgesetzt, daß ausreichend Wasser vorhanden ist, damit das monomere Material in Dispersion
hierin gehalten werden kann. Vorzugsweise liegt dieses Verhältnis im Bereich von 1:1 bis 1 : 3, bezogen auf Gewicht, und besonders
bevorzugt von 1 : 1,1 bis 1 : 2,5 , ebenfalls bezogen auf Gewicht.
Es wird bevorzugt, das Reaktionsgefäß mit Monomerem und Wasser
vollständig zu füllen, d. h. die Menge an Monomerem und Wasser zu verwenden, welche normalerweise in das Reaktionsgefäß bei
Abwesenheit irgendwelcher nachfolgenden Zugabe an Monomerem
eingespeist würde.
Das Polymerisationsverfahren kann bei konventionellen Temperaturen
durchgeführt werden, die zur Suspensionspolymerisation von Vinylchlorid verwendet werden. Vorteilhafterweise wird
eine Temperatur im Bereich von + 5 0C bis + 75 0C angewandt.
Die Polymerisationstemperatur kann während der Reaktion variiert werden. - " - ,
Geeignete Initiatoren sind z. B.: Lauroylperoxid, Caprylylperoxid,
Benzoylperoxid, tert.-Butylperoxypivalat, 2-Azo-bisisobutyronitril,
Peroxydicarbonate wie- Di-tert.-butylcyclohexylperoxydicarbonat,
Diäthylperoxydicarbonat, Dicyclohexylperoxydioarbonat und Diisopropylperoxydicarbonat. Andere geeignete
Initiatoren sind solche, die "in situ" im Reaktionsmedium
gebildet werden, z. B. der durch Reaktion von einem Chlorformiat,
z. B. Ithylehlorformiat oder Isopropylchlorformiat, und Wasserstoffperoxid
unter alkalischen Bedingungen gebildete Initiator.
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-G-
Kombinationen der oben angegebenen Initiatoren können ebenfalls
eingesetzt v/erden.
Die verwendete Initiatormenge kann derjenigen Menge gleichartig sein, die bei konventionellen Verfahren zur Suspensionspolymerisation
von Viny!halogenid verwendet werden. Ebenfalls kann frischer Initiator zusammen mit dem zusätzlichen, monomeren
Material zugefügt v/erden, das in das Polymerisationssystem während der Druckabfallperiode zugesetzt wird.
Geeignete Suspendiermittel sind z. B. unlösliche, anorganische
Phosphate wie Hydroxyapatit und organische Kolloide wie Zelluloseäther,
Gelatine oder nicht vollständig hydrolysierte Polyvinylacetate.
Die Polymerisation wird in einem geschlossenen Behälter durchgeführt,
im allgemeinen unter dem sich selbst einstellenden Druck. Das zusätzliche Yinylhalogenid enthaltende,, monomere
Material wird vorzugsweise in einer Teilmenge zu Beginn •oder kurz nach dem Beginn des Druckabfalles zugesetzt, d. h.
bevor der Druck um mehr als etwa 2,1 kg/cm oder vorzugsweise
1,05 kg/cm abgefallen ist, um die maximalen Vorteile im Hinblick
auf die Steigerung der Behälterproduktivität für eine vorgegebene Reaktionszeit zu erreichen.
Die Teilzugabe von Viny!halogenid während der Polymerisation
wird am geeignetsten durch einmalige Zugabe des gesamten Vinylhalogenids durchgeführt, so daß die zur Überwachung der
Zugabe erforderliche Zeit auf ein Minimum herabgesetzt wird. Es kann physikalisch nicht möglich sein, das gesamte Vinylhalogenid
auf einmal zuzusetzen, z. B. wegen Beschränkungen
der Rohrgrößen usw., jedoch muß die Zugabe in jedem
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während nicht mehr als 15 Minuten und vorzugsweise während
nicht langer als 10 Minuten erfolgen. Besonders bevorzugt wird die Zugabe des Vinylhalogenidmonomeren während nicht
langer als 5 Minuten durchgeführt. Die Zugabe kann nach dein
Druckabfall verzögert werden, jedoch wird ihre Wirksamkeit reduziert und die Polymerisationszeit langer ausgedehnt. Die
Zugabe des Monomeren muß während der Zeitspanne erfolgen, in
welcher die Umwandlung des Monomeren im Bereich von 70 fo bis
80 io des ursprünglich vorhandenen Monomeren liegt· Das zusätzliche
Monomere erhöht im allgemeinen den Druck wiederum auf den Sättigungsdampfdruck, und dies ist die bevorzugte Ausführungsform.
Torzugsweise beträgt die zugesetzte Menge von 2 bis 30 io der ursprünglichen Charge. Die Polymerisation wird
nach der Zugabe des Yinylhalogenides bis zu dem Umwandlungsgrad an Gesamtvinylhalogenid zu Polymerisat fortschreiten gelassen,
welcher für Suspensionspolymerisationen normal ist, so daß die Polymerisation auf diese Weise abgeschlossen wird.
Im allgemeinen wurde gefunden, daß durch Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens eine erhöhte Ausbeute aus einer ansatzweisen Polymerisation ohne entsprechende Erhöhung der Polymerisationszeit
erreicht v/erden kann. Weiterhin wurde gefunden, daß die Schüttdichte insbesondere von Homopolymerisaten
erhöht werden kann.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.
Ein konventioneller Behälter zur Suspensionspolymerisation von Vinylchlorid wurde mit Wasser (131 Gew.-Teile), einer
wäßrigen Lösung eines Zelluloseätherdispergiersystems (0,22 Teile) und einem Di-t-butylcyclohexylperoxydicarbonat (0,03
Teile) und Caprylylperoxid (0,03 Teile) enthaltenden Initiatorsystem
gefüllt. Das System wurde auf einen pH-Fert von etwa
7 durch Verwendung eines Mittels zur Einstellung des pH-Wertes gehalten. Der Polymerisationsbehälter wurde verschlossen,
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evakuiert, und es wurde Vinylchlorid (100 Teile) in den Behälter "bei Zimmertemperatur eingeführt. Die Temperatur
der gerührten, durch Turbulenz stabilisierten Vinylehlorid-in-Wasser-Dispersion
wurde dann auf 58 0C erhöht, und die Polymerisation
wurde bei dieser Temperatur fo.rtschreiten gelassen, bis der Druck innerhalb des Reaktionsbehälters um 1,97
kg/cm von dem maximalen, während der Polymerisation erreich-
ten Druck, d. h. von ca. 9,00 kg/cm Überdruck, gefallen war.
Dann wurde frisches Vinylchlorid (14,5 Teile) in den Polymerisationsbehälter,
wobei die mittlere Reaktionstemperatur auf 58 0C gehalten wurde, während einer Zeitspanne von 4 Minuten
eingeführt. Dies reichte aus, um den Druck wieder auf den Tr.rert
vor Beginn des Druckabfalles zu bringen. Die Polymerisation wurde dann fortgeführt, bis der Druck innerhalb des Behälters
etwa 4,22 kg/cm Überdruck - atü erreicht hatte. Die gesamte Reaktionszeit für die Charge betrug 7 Stunden. Das Produkt wurde
durch Zentrifugieren isoliert und dann getrocknet« Die Schüttdichte des durch Suspension hergestellten PVC-Homopolymerisates
betrug 568 kg/m .
Es wurde eine weitere Suspensionspolymerisation nach der in Beispiel 1 beschriebenen Arbeitsweise mit der Ausnahme durchgeführt,
daß die Stufe der nachträglichen Zugabe von Vinylchloridmonomerem
nach dem Auftreten des Druckabfalles um 1,97 kg/cm nicht durchgeführt wurde. Die Gesamtzeit für die
Polymerisation betrug in diesem Fall etwa 6,5 Stunden.
Die Schüttdichte des hierbei erhaltenen, getrockneten PVC-Homopolymerisates
betrug 548 kg/m .
Ein anderer Behälter für die konventionelle Suspensionspolymerisation
von Vinylchlorid (von dem in Beispiel 1 verwendeten verschieden), wurde mit Leitungswasser (170 Gew.-Teile), einem
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wäßrigen Zelluloseäther-Dispergiermittelsystem (0,22 Teile) und einem Di-t-butylcyclohexylperoxydicarbonat (0,03 Teile)
und Caprylylperoxid (0,0247 Teile) enthaltenden Initiatorsystem
"beschickt. Vinylchlorid wurde in das Reaktionsgefäß
eingeführt und wie in Beispiel 1 polymerisiert. Zum Beginn des Druckabfalles wurde Vinylchlorid (30 G-ew.-Teile) während
einer Zeitspanne von 3 Minuten eingespeist. Dies reichte aus, um den Druck wieder-auf seinen Wert vor Beginn des Druckabfalles
einzustellen. Die Polymerisation wurde wie in Beispiel 1 fortgeführt, die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle
zusammengestellt.
Die Arbeitsweise von Beispiel 3 wurde mit der Ausnahme wiederholt,
daß 40 bzw. 50 Gew.-Teile Vinylchlorid zu Beginn des Druckabfalles zugesetzt wurden. Die Ergebnisse sind ebenfalls
in der Tabelle aufgeführt.
Es wurde ein Vergleichsbeispiel, das nicht im Rahmen der Erfindung
liegt, durchgeführt, wobei die Arbeitsweise von Beispiel 3 angewandt wurde, jedoch das Monomere bei einer Umwandlung von
90 <fo der ursprünglichen Charge an Monomerem statt zu Beginn des
Druckabfalles zugesetzt wurde. Die Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle gezeigt.
Bsp. | Vinylchlorid-Injektion | Zeit | Umwand lung^) |
Druck (atü) |
Reak tions zeit (Std.) |
Schütt dichte (kg/m3) |
Menge (TIe) |
zu Beginn des Druckabfalles It 11 nach dem Druck abfall |
etwa 70 etwa 70 etwa 70 90 |
etwa 8,44 etwa 8,44 etwa 8,44 5,62 |
12,0 . 13,0 12,3 16,0 |
613 626 655 590 |
|
3 4 5 B |
30 40 50 30 |
SÖ9828/083S
Claims (7)
- Patentansprücheί. Ansatzweises Verfahren zur Homopolymerisation eines Vinylhalogenidmonomeren, dadurch gekenn ζ e i ohne t, daß das Monomere in v/äßriger Suspension in Anwesenheit eines im Monomeren löslichen, frei-radikalischen Initiators Ms zu Beginn des Druckabfalles homopolymerisiert wird, und daß danach nicht mehr als etwa 50 G-ew.-$ Vinylhalogenid während nicht mehr als 15 Minuten in einer Zeitspanne zugesetzt v/erden, in welcher die Umwandlung im Bereich von 70 fo bis 80 fo des anfänglich zugesetzten Monomeren liegt, daß die Polymerisation abgeschlossen wird und daß erst dann das Polymerisat gewonnen wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vinylhalogenid während nicht mehr als 10 Minuten zugesetzt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vinylhalogenid während nicht mehr als 5 Minuten zugesetzt wird.
- 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vinylhalogenid zugesetzt wird, bevor der Druck um mehr als 2,11 kg/cm abgefallen ist.
- 5. Verfahren nach Anspruch^ 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Vinylhalogenid zugesetzt wird, bevor der Druck um mehr als 1,05 kg/cm abgefallen ist.
- 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an zugesetztem Vinylhalogenid von 2 bis 30 Gew.~$ der ursprünglichen Charge an Vinylhalogenid beträgt.509828/083S
- 7. Polyviny !halogenid, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.509828/083S
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