DE2537586A1 - Latexpolymere mit hohem hlb - Google Patents

Latexpolymere mit hohem hlb

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DE2537586A1 DE19752537586 DE2537586A DE2537586A1 DE 2537586 A1 DE2537586 A1 DE 2537586A1 DE 19752537586 DE19752537586 DE 19752537586 DE 2537586 A DE2537586 A DE 2537586A DE 2537586 A1 DE2537586 A1 DE 2537586A1
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Nalco Chemical Company, Oak Brook, Illinois, Y.8t.ν.Α.
Latexpolymere mit hohem HLB
Die Erfindung betrifft eine stabile Wasser-in-Öl-Emulsion wasserlöslicher Polymerer und das Verfahren zu ihrer Herstellung.
Wasser-in-Öl-Emulsionen wasserlöslicher Yinyladditionspolymerer, die aus wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigten Monomeren hergestellt sind, haben auf vielen Gebieten zunehmende Bedeutung erlangt. Hierzu gehört die Verwendung dieser Polymeren bei Behandlung städtischer und industrieller Abfälle, in der Zellstoff- und Papierindustrie, als Zusätze zur Kontrolle von Strömungen und für zahlreiche weitere Anwendungen. Bezeichnenderweise werden diese Polymere aus wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigten Monomeren
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hergestellt, zu welchen Acrylamid, Acrylsäure, Dimethylaminomethylacrylat, Methacrylsäure und andere im Handel erhältliche wasserlösliche Yinylmonomere zählen.
Viele Arbeiten widmeten sich der Suche nach einem zufriedenstellenden Verfahren zur Handhabung von aus diesen Monomeren hergestellten Polymeren mit hohem Molekulargewicht. Wenn sie durch eine Lösungspolymerisationstechnik hergestellt werden, ist die Konzentration des Endproduktes stark begrenzt infolge der Endviskosität des Endproduktes. Dies begrenzt die Konzentration, mit welcher diese Polymere verschifft werden können, erheblich, gewöhnlich auf 5 bis 10 %, und erhöht Handhabungs- und Lagerungskosten drastisch. Viele Versuche sind unternommen worden, die Emulsionspolymertechnologie zur Verwendung bei Herstellung dieser Polymeren zu vervollkommnen, so daß sie in verhältnismäßig hohen Konzentrationen gelagert und verschifft und leicht gehandhabt werden können, um die Anwendung des Polymers wirtschaftlicher zu gestalten.
Vanderhoff et al. schlagen in der US-PS 3 284 393 ein Verfahren zur Herstellung von Wasser-in-Öl-Emulsionen dieser Polymere vor. Obwohl Vanderhoff eine Emulsion bildet, ist seine erhaltene Emulsion nicht stabil, und er muß seine Polymere als Festkörper fällen, um das Verfahren wirtschaftlich anzuwenden. Anderson et al. schlagen in der US-PS 3 624 019 ein Verfahren zur Herstellung verhältnismäßig stabiler Emulsionen feinteiliger wasserlöslicher Polymerer vor, die aus äthylenisch ungesättigten Vinyladditionsmonomeren hergestellt sind. Die Polymere nach Anderson et al. können
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schnell in eine wäßrige Lösung invertiert werden durch Verwendung eines geeigneten oberflächenaktiven Mittels. Obgleich dieses Verfahren einen großen Fortschritt der Technik bedeutete, sind die Anderson-Polymere doch nicht so stabil, wie sie von industriellen Benutzern gern gesehen worden wären, und trennten sich häufig nach nur 4 bis 5 Wochen. Obwohl erneut dispergierbar, selbst nach Trennung, erfordert der Redispersionsschritt die Verwendung zusätzlicher Vorrichtungen auf Seiten der Industrie, wo das Polymer verwendet werden soll; diese Vorrichtungen können gesonderte Mischungsbehälter, Mischer und passende Leitungssysteme und Ventile einschließen, die aber gerade durch die Verwendung der Wasserin-Öl-Emulsion dieser Polymere in Vergleich zur bisherigen Standardform der Verschiffung fester Polymere vermieden werden sollten, welche letzteren durch Verwendung dieser Ausrüstungen gelöst werden mußten.
Die Erfindung schlägt eine stabile Wasser-in-Öl-Emulsion feinteiliger wasserlöslicher Polymerer aus einem wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigten Monomer vor, welche aufweist
A) 70 bis 95 Gew.-% der Emulsion einer wäßrigen Phase, die aus Wasser und einem feinteiligen wasserlöslichen Polymer besteht;
B) 5 bis 70 Gew.-% der Emulsion einer aliphatischen Kohlenwasserstofflüssigkeit; und
0) 0,25 bis 5,0 Gew.-?o eines hydrophoben oberflächenaktiven Mittels;
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diese Emulsion zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß sie ein Kohäsivenergieverhältnis (i.Orig. cohesive energy ratio) von 1,0 bis 3,0 hat.
Die Erfindung schlägt auch ein Terfahren zur Herstellung einer stabilen Wasser-in-Öl-Emulsion von Polymeren und Gopolymeren aus wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigten Monomeren vor, bei welchem man eine Wasser-in-Öl-Emulsion aus wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigten Monomeren mit einer Wasserlöslichkeit von mindestens 5 Gew.-% oder wäßrigen Lösungen derselben in einem inerten hydrophoben flüssigen organischen Dispergiermedium bildet, das 0,1 bis 10 Gew.-% eines Wasser-in-Öl-Emulgiermittels enthält, wobei der Teil der wäßrigen Phase im Bereich von 70 bis 95 % der Emulsion liegt, man die Emulsion unter Bedingungen, wo sich freie Radikale bilden können, erwärmt, um Monomer in einer dispersen Phase in diesem Dispergiermedium zu polymerisieren, und den polymerisierten Latex gewinnt; das inerte hydrophobe flüssige organische Dispergiermedium aus einer aliphatischen Kohlenwasserstoffflüssigkeit und. einem oder mehreren Wasser-in-öl-Emulgiermitteln besteht, wodurch sich eine Emulsion mit einem Kohäsivenergieverhältnis im Bereich von 1,0 bis 3,0 bildet.
Die Erfindung schlägt außerdem reue, stabile Wasser-in-Öl-Emulsionen feinteiliger, hochmolekularer, wasserlöslicher Vinyladditionspolymerer vor, welche schnell in wäßrige Lösungen invertiert werden können, um das Polymer in Lösung zu bringen, sowie ein Terfahren zur Herstellung stabiler Wasser-in-Öl-Emulsionen feintei-
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liger wasserlöslicher Vinyladditionspolymerer.
Grundlage für die Bewertung dieser überraschend stabilen Emulsion der Erfindung ist das Kohäsivenergieverhältnis, geprägt von A.
Ratia Beerbower und M.W. Hill in dem Aufsatz "The Cohesive EnergyVoi Emulsions - A !Fundamental Basis for the HLB Concept" im Mc-Cutcheon's Detergents and Emulsifier Manual, 1971, S. 223 - 226. Auch herangezogen wird die HLB-Theorie, formuliert von Vi.C. Griff in in J. Soc. Cosmetic Chemists 2» 311 (1949) und 5., 249 (1954).
Die traditionelle HLB-Theorie, Hydrophil-Lipophil-Gleichgewichtstheorie, auf welcher Chemiker seit vielen Jahren aufbauen, besagt, daß stabile Wasser-in-Öl-Emulsionen nur bei HLB-Werten zwischen 4 und 6 zusammengestellt werden können. Unter Anwendung der Kohäsivenergietheorie und Auswahl geeigneter Lösungsmittel und Emulgiermittel können stabile Wasser-in-Öl-Emulsionen mit HLB-Werten zwischen 7-9 gebildet werden, welche größere Stabilitäten als die im traditionellen Bereich gebildeten und überlegene Eigenschaften zeigen.
Die Wasser-in-Öl-Emulsionen der Erfindung enthalten:
(1) 10 bis 50 Gewo-';:o eines feinteiligen wasserlöslichen Vinyladditionspolymers;
(2) 5 bis 75 Gew.-% der Emulsion einer aliphatischen Kohlenwasserstoff lüssigkeit ;
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(3) 70 bis 97 Gew.-% der Emulsion einer wäßrigen Phase, bestehend aus V/asser und feinteiligem wasserlöslichem Vinyladditionspolymer (aus 1);
(4) etwa 0,25 "bis 10,0 Gew.-va eines oder mehrerer hydrophober oberflächenaktiver Mittel, die eine stabile Emulsion der Monomeren bilden.
Beim ersten Schritt der Bildung einer stabilen Wasser-in-Öl-Emulsion eines feinteiligen Yinyladditionspolymers mit einem Kohäsivenergieverhältnis von 1,0 bis 3 muß eine geeignete Kohlenwasserstofflüssigkeit für die kontinuierliche Phase der erfindungsgemäßen Emulsion ausgewählt werden. Die Kohäsivenergie der Kohlenwasserstofflüssigkeit wird im wesentlichen durch drei Parameter bestimmt, den London-Energiekoeffizient (6 d) oder Löslichkeitsparameter, den Keesom-Energiekoeffizient (6 p) und den Wasserstoff bindungsenergiekoeffizient (6 h).
Die Kohäsivenergie kann in drei Gruppen von Einzelenergien unterteilt werden. Die London-Kohäsivenergie (δ d) ist eine fundamentale Eigenschaft der gesamten Materie und hauptsächlich verantwortlich für den Zusammenhalt des flüssigen und festen Zustandes. Sie ergibt sich aus der Vielzahl fluktuierender Dipole, die durch die relative Momentlage der Kerne und Elektronen von zwei Molekülen in nächster Nachbarschaft hervorgerufen werden. London nannte diese Energie "Dispersion" wegen ihrer Beziehung zur prismatischen Lichtbrechung, gewiß eine unglückliche Wahl, wenn kolloidale
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Dispersionen besprochen werden. Sie ist allseitig ausgerichtet "und stark abhängig vom Abstand zwischen Molekülen und die einzige Kohäsivenergie zwischen nichtpolaren Teilen der Moleküle.
Der Keesom-Energiekoeffizient (δ ρ) ist ein Maß für den permanenten Dipol und Moleküle, die aus Atomen unterschiedlicher Elektronegativität zusammengesetzt sind. Die Energie ist stark richtungsabhängig und hängt von der relativen Orientierung und dem Abstand zwischen Molekülen ab. Sie tritt nur zwischen Molekülen polaren Charakters auf.
Die Wasserstoffbindungskohäsivenergie (ö h) ergibt sich aus einzelnen Wasserstoffbrücken zwischen zwei elektronegativen Atomen und gleichen oder verschiedenen Molekülen. Auch sie ist stark richtungsabhängig und hängt von der relativen Orientierung und dem Abstand zwischen Atomen und Molekülen ab. Sie tritt nur in und zwischen Molekülen auf, die ein Wasserstoffatom, gebunden an ein elektronegatives Atom, enthalten.
Im Idealfall hat die als kontinuierliche Phase für die erfindungsgemäßen Emulsionssysteme ausgewählte organische Flüssigkeit einen london-Kohäsivenergiewert von 7,0 bis 8,3 Hildebrandeinheiten. Die London-Kohäsivenergie ist auch als Löslichkeitsparameter bekannt und für viele lösungsmittel gegeben. Man kann sie leicht berechnen unter Benutzung allgemein bekannter Methoden, einschließlich der Bestimmung der Oberflächenspannung in dyn/em.
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Die Keesom-Kohäsivenergie, ausgedrückt in Hildebrandeinheiten, sollte sehr niedrig liegen und sich Null nähern, in der erfindungsgemäß bevorzugten organischen Flüssigkeit nicht größer als 1 sein. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, daß die erfindungsgemäß bevorzugten organischen Flüssigkeiten funktioneile Gruppen, die einen Homodipoleffekt ergeben würden, nicht enthalten.
Die Wasserstoffbindung-Kohäsivenergie wird wie die Keesom-Kohäsivenergie in Hildebrandeinheiten ausgedrückt und sollte nicht größer als 1 bei erfindungsgemäß bevorzugten organischen Flüssigkeiten sein. Idealerweise sollte sich der Wasserstoffbindungsenergiekoeffizient dem Wert 0 nähern. Dies geht auf die Tatsache zurück, daß die erfindungsgemäß bevorzugten organischen Flüssigkeiten funktioneile Gruppen, die eine Wasserstoffbindung zwischen Molekülen herbeiführen würden, nicht enthalten.
Wichtig bei der Auswahl einer geeigneten organischen Flüssigkeit für die kontinuierliche Phase der Emulsionen dieser Erfindung ist auch das Molvolumen (V). Diese Größe entspricht dem Molekulargewicht, dividiert durch die Dichte, und kann für sämtliche Lösungsmittel und Iiösungsmittelgemisehe unter Benutzung des Molekulargewichts oder mittleren Molekulargewichts und der Dichte, die nach bekannten Methoden zu berechnen ist, schnell aufgefunden werden. Im Idealfall sollte das Molvolumen der erfindungsgemäß bevorzugten organischen Flüssigkeiten zwischen 100 und 300 liegen.
Im Lichte des Obigen ist festzuhalten, daß wegen der für die er-
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findungsgemäß bevorzugten, organischen Flüssigkeiten gewählten Parameter diese Flüssigkeiten aliphatisch sind -und außerdem funktioneile Gruppen nicht enthalten, die eine permanente Dipolbewegung hervorrufen könnten. Die bevorzugte organische Flüssigkeit sollte auch nichtpolaren Charakter haben. Folglich stellen die erfindungsgemäß bevorzugten lösungsmittel aliphatisch^ organische Flüssigkeiten mit den oben erwähnten Parametern dar. Die zur erfindungsgemäßen Verwendung ausgewählten organischen Flüssigkeiten sollten weniger als 20 % aromatische Komponenten enthalten. Im Idealfall sollte die bevorzugte Kohlenwasserstofflüssigkeit weniger als 10 % aromatische Komponenten enthalten.
Zusammengefaßt, die zur erfindungsgemäßen Verwendung ausgewählten, bevorzugten organischen Flüssigkeiten sollten folgende Eigenschaften aufweisen:
a) einen London-Energiekoeffizient (6 d) von 7,0 bis 8,3 Hildebrandeinheit en;
b) einen Keesom-Coenergiekoeffizient (6 p) nicht größer als
1 Hildebrandeinheit und sich 0 Hildebrandeinheiten nähernd;
c) einen Wasserstoffbindungs-Kohäsivenergiekoeffizient (o h) nicht über 1 Hildebrandeinheit und sich 0 nähernd;
d) ein Molvolumen zwischen 100 und 300; und
3) einen Aromatengehalt von weniger als 20 % und vorzugsweise wenigex1 als 10 c/o.
Für die Ziele der Erfindung ist wichtig, daß das Molvolumen, der London-Kohäsivenergiekoeffizient, der Keesom-Energiekoeffizient
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und Wasserstoffbindungskoeffizient auf die o"ben diskutierten Werte eingestellt werden, um eine Emulsion mit einem Kohäsivenergieverhältnis (Rq) im Bereich von 1,0 bis 3,0 zu erhalten.
Die zur Herstellung dieser Emulsionen verwendeten Öle können aus einer großen Gruppe organischer Flüssigkeiten ausgewählt werden, wozu flüssige Kohlenwasserstoffe und substituierte flüssige Kohlenwasserstoffe zählen.
Eine bevorzugte Gruppe organischer Flüssigkeiten sind die Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten, zu welchen aliphatisch^ Verbindungen zählen. Organische Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten wie Mineralöle, Kerosine und in bestimmten Fällen Petrolatumöle können verwendet v/erden. Ein besonders brauchbares Öl vom Standpunkt seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften ist das von der Humble Oil & Refining Company unter der Handelsbezeichnung "ISOPAR M* angebotene, aus verzweigtkettigen Isoparaffinen bestehende Lösungsmittel, Typische Spezifikationen dieses stark raffinierten isoparaffinischen Lösungsmittels finden sich in Tabelle I:
Eigenschaft
Spezifisches Gewicht, API bei
6O/6OÜF
Farbe, Saybolt
Anilinpunkt, 0G
Schwefel, ppm
Tabelle I Maximum Testmethode
Minimum 51,0 ASTM D 287
bei
48,0
- ASTM D 156
30 - ASTM D 611
85 10 ASTM D 1266
(nephelometri-
sche Methode)
-
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nocli Tabelle I
Eigenschaft Minimum 157 Maximum Testmethode
Destillation, 0C
IBP
Trο ckenpunkt
204 210 )
257,2)
ASTM D 86
Flammpunkt, C (verschlossene
Schale n. Pensky-Martens)
71 - ASTM D 93
1) mittleres Molekulargewicht:
2) Dichte 0,688 g/cm5
3) 6 d = 7,4
6 h = 0
δ ρ = 0
4) V1, = 228
Kerosin ist ebenfalls ein erfindungsgemäß bevorzugtes Öl. Die Ölmenge, die in bezug auf Wasser zur Herstellung der Emulsion verwendet wird, kann innerhalb weiter Grenzen variieren. Eine allgemeine Regel ist, daß die Mengen von Öl-zu-Wasser zwischen 5 : 1 bis 1 : 10 variieren können, wobei eine bevorzugte Emulsion mit einem Verhältnis von 1 : 2 bis 1:10 herzustellen ist. Diese Verhältnisse sind Beispiele für Emulsionen, die mit einem Verhältnis von 1 : 2 bis 1 : 10 hergestellt werden können; die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
Bei der Wahl eines geeigneten oberflächenaktiven Mittels zur Herstellung der erfindungsgemäßen Wasser-in-Öl-Emulsion ist es wichtig, auf den lipophilen Zuschnitt der in Betracht kommenden MoIe-
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küle zu achten. Obwohl nur ein (1) oberflächenaktives Mittel verwendet zu werden braucht, ist es oft ratsam, zwei oder mehrere oberflächenaktive Mittel zwecks Erhalts einer besseren Ausgewogenheit zu verwenden.
Die zur erfindungsgemäßen Verwendung ausgewählten oberflächenaktiven Mittel sollten Löslichkeitsparameter (London-Energiekoeffizienten) und Molvolumina haben, die so nah wie möglich bei denen der aliphatischen organischen Flüssigkeiten liegen. Im Idealfall sollten die Löslichkeitsparameter und Molvolumina der· oberflächenaktiven Mittel gleich denen der aliphatischen Kohlenwasserstoffflüssigkeit sein. Die meisten im Handel verfügbaren oberflächenaktiven Mittel weisen jedoch nicht die gleichen Eigenschaften wie die ausgewählten organischen Flüssigkeiten auf, deshalb können oberflächenaktive Mittel zwecks Erzielung näherliegender Verhältnisse gemischt werden. Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, zwei oder mehrere oberflächenaktive Mittel abzumischen, um einen additiven Löslichkeitsparameter dergestalt zu erhalten, daß ihre lipophilen Enden (tails) innerhalb plus oder minus 1 Hildebrandeinheit der ausgewählten aliphatischen organischen Flüssigkeit liegen.
Auch das Molvolumen der lipophilen Enden der oberflächenaktiven Mittel ist additiv und wird so gewählt, daß es innerhalb plus oder minus 10 % der ausgewählten organischen aliphatischen Flüssigkeit liegt. Die lipophilen Enden der ausgewählten oberflächenaktiven Mittel zur Verwendung bei Herstellung der erfindungsgemäßen Emul-
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sionen werden in. solchen Anteilen kombiniert, daß ihre Molvolumina und Kohäsivenergien additiv den Prozentgehalten jedes verwendeten lipophilen Endes entsprechen.
Sind geeignete lipophile Enden gefunden und die Mittel in geeigneten Anteilen abgemischt worden, so daß mathematisch ihre Löslichkeitsparameter und Molvolumina denen der Kohlenwasserstofflüssigkeit entsprechen, muß der hydrophile Anteil dieser Moleküle bestimmt werden.
Nach der Theorie von Beerbower ist R definiert als das Kohäsivenergieverhältnis der Emulsion. Bekannt ist, daß R für Wasser-in-Öl-Emulsionen größer als 1 sein muß. Es kann jedoch nicht viel größer als 1 sein. Erfindungsgemäß ergab sich, daß zur Herstellung stabiler Wasser-in-Öl-Emulsionen feinteiliger Vinyladditionspolymerer R im Bereich von 1,0 bis 3 liegen sollte. Weiterreichende Versuche haben gezeigt, daß Emulsionen mit einem R -Wert von annähernd 1,0 eine sehr schlechte WärmeStabilität haben und zum Brechen bei Erwärmen neigen können. Emulsionen mit R -Werten größer als 3 brechen häufig, während solche mit Werten etwas unter 3, jedoch oberhalb etwa 2,3, außerordentlich stabil sind, was die spätere Inversion der Emulsion erschwert - letztere ist ein wichtiger Schritt dieser Erfindung. Es wurde daher gefunden, daß das ideale R im Bereich von 1,5 bis 2,2 liegen sollte.
Zum Verständnis der Erfindung ist es wichtig, zwischen dem Kohäsivenergieverhältnis (R ) der Emulsion, das zwischen 1,0 und 3,0 lie-
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gen muß, und den bei Wahl der organischen Flüssigkeit und oberflächenaktiven Mittel benutzten Kohäsivenergien zu unterscheiden. Der berechnete R -Wert ist das "theoretische" Verhältnis zwischen den lipophilen und hydrophilen Anteilen der Gesamtemulsion und notwendig, um geeignete oberflächenaktive Mittel für die Erfindung auszuwählen.
Unter der Maßgabe,-daß R in diesem Bereich liegen soll, ist es möglich, geeignete hydrophile Enden für die lipophilen Teile der Moleküle des zuvor ausgewählten oberflächenaktiven Mittels auszuwählen. Mit der von Beerbower in dessen Aufsatz vorgeschlagenen Gleichung:
Ώ Vj ! 6 d2 + 0,25 6 p2 + 0,25 6 h2 ^ T
Vx, fid2 + 0,25 6 ρ2 + 0,25 ο h27 „ ,
Λ i- .j Ja
in welcher
Vt das Molvolumen des Lipophils,
V11 das Molvolumen des Hydrophils,
δ d der Löslichkeitsparameter (London-Kohäsivenergie) in Hildebrands, f
ό ρ die Keesom-Kohäsivenergie,
6 h die Wasserstoffbindungskohäsivenergie sind und die Indexnoten L und H auf lipophil und hydrophil verweisen.
Man erkennt, daß der auf dem hydrophilen Teil basierende Nenner kleiner sein muß als der Zähler, welcher sich aus dem lipophilen Teil zusammensetzt, um ein R gemäß den bevorzugten Werten zu er-
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halten. Bei Kenntnis des Molvolumens und der Löslichkeitsparameter möglicher hydrophiler Teile der Moleküle und unter Bezug auf veröffentlichte Werte für diese Größen wie auch experimentelle Ergebnisse ist es möglich, geeignete oberflächenaktive Mittel für die gewünschten hydrophilen und lipophilen Enden auszuwählen.
Wenn man das Molvolumen und den Löslichkeitsparameter möglicher hydrophiler Teile des Moleküls kennt, kann man geeignete oberflächenaktive Mittel mit den gewünschten Eigenschaften auffinden. Bei Wahl der erfindungsgemäß brauchbaren oberflächenaktiven Mittel und Kombination der hydrophilen/lipophilen Teile des oberflächenaktiven Mittels ist es wichtig, das oberflächenaktive Mittel sowohl chemisch als auch durch seine Parameter abzustimmen. Daher würde man zur· Verwendung in einem ungesättigten Kohlenwasserstofföl versuchen, ein ungesättigtes oberflächenaktives Mittel mit den obigen erwünschten Eigenschaften zu erhalten. Analog muß man zum Abschluß der hydrophilen und hydrophoben Gruppen solche Gruppen heraussuchen, die miteinander reagieren können und daher zugänglich sind.
Nachdem man die gewünschten oberflächenaktiven Mittel gefunden hat, ermittelt man das Hydrophil-Hydrophob-Gleichgewicht (HLB) der Emulsion unter Benutzung der Gleichung:
HLB = 20
1 + k n
' 6 d2 + 0,25 6 p2 + 0,25 δ h2j
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in welcher k = 139;
6 a, 6 ρ tmd 6 h die Loslichkeitsparameter, Keesom-Kohäsivenergie und Wasserstoffbindungskohäsivenergie der als kontinuierliche Phase für die Emulsion verwendeten organischen Flüssigkeit sind und I auf lipophil verweist.
Mit geeigneten oberflächenaktiven Mitteln und unter der Toraussetzung, die geeigneten oberflächenaktiven Mittel ergeben einen R -Wert innerhalb des bevorzugten Bereichs, kann das Hydrophil-Lipophil-Gleichgewicht der Emulsion unter Benutzung der obigen Gleichung berechnet werden, wobei man bei bekannten .oberflächenaktiven Mitteln durch die Verwendung des erhaltenen HLB-Werts geeignete Emulgiermittel für die Erfindung vorschlagen kann.
Man beachte, daß das Gemisch der gewählten oberflächenaktiven Mittel auf der zur Ermittlung des geeigneten lipophilen Teils durchgeführten Berechnung basiert; dieses Verhältnis sollte nicht geändert werden. Um jedoch ein Gemisch oberflächenaktiver Mittel zu erhalten, das die ausgewählten hydrophilen und lipophilen Enden aufweist, welche auf den R -Wert zugeschnitten sind und außerdem einen EÜJB-Wert gemäß obiger Gleichung ergeben, können zur Emulgiermittel "kette" geeignete Materialien zugesetzt werden, um ihr HLB zu erhöhen oder herabzusetzen. Als Beispiel kann das ausgewählte Emulgiermittel ein zuaddiertes Alkylenoxid aufweisen, um dessen HLB-Zahl zu erhöhen. So können beispielsweise 1 bis 20 Mole eines Alkylenoxids zu einem geeigneten oberflächenaktiven Mittel zugesetzt werden, um seinen HLB-Wert proportional zur Zahl der -
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Mole an zugesetztem Alkylenoxid anzuheben.
Daher weisen erfindungsgemäße Emulsionen typischerweise HLB-Werte zwischen 7 bis 9 auf, wogegen die HLB-Werte bisheriger Wasser-in-Öl-Emulsionen in der Größenordnung von 4 bis 6 gelegen hatten. Diese Änderung im HLB verleiht den erfindungsgemäßen Emulsionen höhere Stabilität, kleinere Teilchengrößen und, da aus unerklärlichen Gründen die Polymerisation eine der Lösungspolymerisation ähnliche Kinetik zeigt, können Polymere mit hohem Molekulargewicht erhalten werden.
Experimente haben gezeigt, daß nach Anderson, US-PS 3 624 019, hergestellte Polyacrylamid-Emulsionen bei Vergleich mit ähnlichen, jedoch erfindungsgemäß hergestellten Emulsionen die Emulsionen der Erfindung intrinsische Viskositäten zeigen, die bei Verwendung identischer Ausgangsmaterialien 2 bis 5 Einheiten höher liegen.
Die Menge des zur erfindungsgemäßen Verwendung ausgewählten oberflächenaktiven Mittels sollte zwischen 0,25 bis 1o Gew.-% der Emulsion liegen. Dieser Paktor ist nicht entscheidend, jedoch ergeben höhere Gehalte an oberflächenaktivem Mittel innerhalb des Bereiches eine größere Stabilität des fertigen Produktes, während die Emulsionen ihre einzigartige !Fähigkeit behalten, schnell in wäßrige Lösungen invertiert zu werden. Vorzugsweise wird das oberflächenaktive Mittel mit 1,5 bis 4,0 Gew.-% der Emulsion zugesetzt. Noch bevorzugter ist die Zugabe von 1,5 bis 2,5 Gew.-% der
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Emulsion. Obgleich es keine Formel zur Ermittlung der speziellen Menge an zu verwendendem oberflächenaktivem Mittel gibt, wurden die obigen Werte mit Erfolg verwendet und haben stabile Emulsionen geliefert. Gelegentlich wird jedoch aus unerklärlichen Gründen eine instabile Emulsion gebildet, wenn man diese oberflächenaktiven Mittel verwendet. Es ist dann oftmals notwendig, entweder (1) mehr Emulgiermittel zuzusetzen oder (2) eines der Emulgiermittel so zu ändern, daß das HLB geringfügig innerhalb des oben angegebenen Bereiches geändert wird. Da die angegebene Gleichung nur auf plus oder minus 1 HLB-Einheit genau ist, sollten Experimente durchgeführt werden, um zu ermitteln, ob das HLB dieses Systems erhöht oder herabgesetzt werden sollte.
Diese Prozedur ist einfach durchzuführen, wenn man die im Handel erhältlichen Emulgiermittel und ihre bekannten HLB-Werte heranzieht. Bei Kenntnis ihrer chemischen Struktur (d.h. hydrophil oder lipophil) lassen sich geeignete oberflächenaktive Mittel, die diese Eigenschaften haben und dem gewünschten HLB-Gleichgewicht entsprechen, auffinden.
■f
Im allgemeinen sind die erfindungsgemäß verwendbaren oberflächenaktiven Mittel als lipophil bekannt und werden in zahlreichen Druckschriften genannt, insbesondere von Anderson et al. in der US-PS 3 624 019.
Die Erfindung stellt auf eine stabile Wasser-in-Öl-Emulsion ab,
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7537RR6
welche darin dispergiert feinteilige Teilchen eines wasserlöslichen Vinyladditionspolymers in einer Konzentration von mindestens 10 ?ά, bezogen auf die Emulsion, enthält. Sie kann auch als polymerhaltige Emulsion "bezeichnet werden.
Yom wirtschaftlichen Standpunkt ist es günstig, daß die beschriebenen Polymeremulsionen stabil sind, gleichzeitig jedoch verhältnismäßig hohe Polymerkonzentrationen enthalten. Eine Methode zur Sicherstellung, daß das Polymer nicht ausfällt, wenn es in der Emulsion dispergiert wird, besteht darin, die Teilchengröße des Polymers so klein wie möglich z-uhalten. Polymere, die in der erfindungsgemäßen Emulsion dispergiert sind, sind sehr stabil, wenn die Teilchengröße innerhalb des Bereichs von 1 Mikron liegt. Die bevorzugte Teilchengröße der in der Wasser-in-Öl-Emulsion enthaltenen Polymerteilchen liegt unter 1 Mikron. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sollten die in den Wasser-in-Öl-Emulsionen enthaltenen Polymerteilchen eine Teilchengröße aufweisen, bei der mindestens eine ihrer Abmessungen kleiner als 1 Mikron ist.
Die stabile Wasser-in-Öl-Emulsion dieser Erfindung weist auf:
(1) eine wäßrige Phase;
(2) eine inerte hydrophobe Flüssigkeit; und (5) ein Wasser-in-Öl-Emulgiermittel.
Das Hauptmerkmal dieser polymerhaltigen Emulsion ist, daß sie über lange Zeiträume stabil bleibt. Die Stabilität, welche diese Masse
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- wie oben definiert - zeigt, ist die Aufrechterhaltung der Dispersion der Polymerteilchen innerhalb der Emulsion für einen Zeitraum von mindestens 3 Monaten, nach welchem Zeitpunkt die Dispersion nur durch leichtes Rühren erhalten werden kann.
Die polymerhaltige Emulsion der Erfindung ist zusammengesetzt aus einer wäßrigen Phase, die 70 bis 95 Gew.->o der Emulsion bildet. Die wäßrige Phase ist definiert als Summe aus Polymer oder Copolymer und dem in der Masse enthaltenen Wasser. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen 75 und 90 Gew.-9ο der Emulsion. Der bevorzugteste Bereich liegt zwischen 75 und 35 Gew.-% der Emulsion.
Die Erfindung verwendet eine Polymerkonzentration zwischen 10 und 50 Gew.-5i der Emulsion. Ein bevorzugter Bereich liegt zwischen 15 und 40 Gew.-% der Emulsion. Der bevorzugteste Bereich liegt zwischen 20 und 35 Gew.-% der Emulsion.
Diese Polymeren sind aus der Technik allgemein bekannt und werden in zahlreichen Publikationen und Patenten beschrieben. Die am häufigsten in vielen industriellen Anwendungsbereichen eingesetzten Polymere sind Acrylamid-Polymere, zu welchen Polyacrylamid und seine wasserlöslichen Copolymerderivate, wie z.B. Acrylamid-Acrylsäure- und Acrylamid-Acrylsäuresalz-Copolymere, zählen, die etwa 95 bis 5 Gew.-% Acrylamid enthalten. Verwendbar sind auch Copolymere des Acrylamids mit anderen Vinylmonomeren, wie Maleinsäureanhydrid, Acrylnitril, Dimethylaminoäthylmethacrylat und ähnliche.
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3ei d3r praktischen Durchführung der Urfindurig v/ird die Verwendun von AcrylaEidpolymeren bevorzugt, die wasserlöslich sind und mindestens 5 Gew.-/o Acrylamid enthalten.
Andere wasserlösliche Vinylpolvmere werden im einseinen in folgsnden US-?3en beschrieben: 3 418 237, :> 259 570 und 3 171 öCi'·.
3ei Prüfung der Offenbarungen dieser Patentschriften ergib- sich, daß die wasserlöslichen Polymere entweder kationisch oder anion:.?·: und in einigen Fällen die ionischen Ladungen genügend gering sind« so daß die Polymere als nichtionisch angesehen v/erden tx>mi3?it
Zum Beispiel sind die wasserlöslichen Polymere und Copolymere τ:-■·"-Allyl-, Diailylaminen oder Dimethylaraiiicätliyline^iiacrylat >£":io::.:.^o Polymere wie Polyvinylalkohol sind r_i.uhtionisch raid Polymere wi-*- Polyacrylsäure oder Pclystyrolsulfonat sind anionisch. Alle di^ss Polymeren können bei der praktischen Durchführung der Erfindung verwendet v/erden. Für die Ziele der Erfindung ist es v/iohti;Vi daß die ausgewählten wasserlöslichen Polymere aus Monomeren mit einer Löslichkeit von mindestens 5 Gew.-^. in V/asser aufgebaut sind.
Das Molekulargewicht der oben beschriebenen Polymere kann innerhalb v/ei tor Grenzen variieren, z.B. von 10 OGO bis 25 000 000. Die Srfindung findet jedoch ihre größte Anwendbarkeit bei Herstellung wäßriger Lösungen oder Dispersionen dieser Polymere und insbesondere von Aerylamid-Polymeren, deren Molelculargewicht über
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1 000 000 liegt. Polymere mit höheren Molekulargewichten sind schwieriger in V/asser zu lösen und neigen zur Bildung äußeret viskoser Lösungen bei verhältnismäßg niedrigen Konzentrationen.
Die Erfindung gestattet die rasche Herstellung wäßriger Lösungen der wasserlöslichen Vinyladditionspolymere mit Konzentrationen innerhalb des Bereichs von 0,1 bis 20 Gew.-;ί. Die Erfindung ist sehr oft brauchbar, wenn man wäßrige Lösungen von Polymeren mit einer Lösungskonzentration von 0,2 bis 2,0 Gew.-"o zu bilden wünscht.
Erfindungsgemäß brauchbare aliphatisch^ Kohlenwasserstofföle wurden bereits beschrieben; sie sollten 5 bis 75 Gew.-5'ύ der Emulsion bilden. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen 10 und 50 G-ew.-/o der Emulsion. Der am meisten bevorzugte Bereich liegt zwischen 20 und 30 Gew.-5'ά der Emulsion. Häufig ist es vorteilhaft, mehr öl als absolut notwendig zu verwenden, um eine fließfähigere Emulsion zu bilden. Der Zusatz größerer Mengen aliphatischer Kohlenwasserstofflüssigkeit als absolut notwendig zur Herstellung einer
f stabilen Emulsion ergibt gewöhnlich ein weit weniger viskoses und
besser freifließendes Endprodukt.
Die Wasser-in-Öl-Emulgiermittel zur Verwendung für die erfindungsgemäße Emulsion sind oben im einzelnen besprochen worden und werden hier nicht weiter erläutert. Diese Emulgiermittel sollten jedoch in Mengen im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-% der Emulsion ausgewählt werden. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen 0,1 und
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7 G-ew.-ϊί der Emulsion. Der am meisten bevorzugte Bereich liegt zwischen 0,25 und 5 Gew.-;o der Emulsion.
Die stabile rfasser-in-Gl-Emulsion der vorliegenden Erfindung seist die einzigartige Fähigkeit, sich rasch su wäßrigen Lösungen au lösen. Die polymerhaltige Emulsion gibt das Polymer in Gegenwart eines oberflächenaktiven Kittels in einer sehr kurzen Zeitspanne in V/asser frei, verglichen mit der zum Lösen einer festen Form des Polymers erforderlichen Zeit. Diese Inversionstechnik wird in der U3-?S 3 624 019 von Anderson et al. beschrieben, die hier als Referenz einbezogen sei.
Zur besseren Erläuterung der Erfindung werden die folgenden Beispiele gegeben.
Beispiel I
Dieses Beispiel erläutert die Zusammenstellung der Emulgiermittel einer stabilen Wasser-in-Öl-Emulsion von Polyacrylamid unter Verwendung von Kerosin als inerter hydrophober Flüssigkeit.
I) Die Löslichkeitsparameter von Kerosin wurden wie folgt gefunden:
A) Molvolumen (M^) = 265
3) b d = 7,8, Op=O, δ h = 0
G) vorwiegend geradkettiger Kohlenwasserstoff
II) Die im lipophilen Teil des Emulgiermittels erforderliehen LöslichkeitsOarameter sind dann:
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A) Mv = 263 - 10 %
B) δ d = 7,8 - 1
G) hauptsächlich geradkettige Konfiguration D) R -Wert muß größer sein als 1,0.
III) Mögliche lipophile Partner wurden in bezug auf ihre Parameter untersucht, inwieweit sie den Werten unter II) oben entsprechen:
A. Stearat: M^ = 293,2 6d = 8,21
B. Laurat: H^ = 135,7 6d = 8,09
C. Oleat: I^ = 283,8 Od = 7,60
D. Palm!tat:j^ = 26Q>2 6d = 8>2
IV) Zwei oder mehrere der obigen "Partner" wurden arithmetisch gemischt, um ein lipophiles Gemisch zu erhalten, das den Er fordernissen von II) entspricht. Es wurden 3 Emulgiermittel verwendet.
74 % Stearat 216,968 6,0754 16 % Laurat 31,312 1,2944
10 % Oleat 28,38 0,760
= 276,66 öd= 8,13
Y) Das HLB wurde dann unter Verwendung der Formel
HLB0 ο 20
1 + k '_bd2 + 0,25 Sp2 + 0,25
worin k = 139 ist, bestimmt.
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Pur aas in oehritt ±Y ge'.välilte U-eiaiscii ergiüt sieb. öd = _0,74 cd stearat + 0,16 öd laurat + 0,1 &d oleat"7 ''
δα = 66,03
^ HLB0 a 20/1^ = 9,4 ί 1
YI) Sorbitan, ein ücIidies Hyaropl.il und Ik Handel erhältlich» T.vurde als hydrophiler Seil der obigen LipopMle gewählt aufgrund seines I:L3, v/enn es mit den drei lipopliilen, surer gev/älilten Partnern Izoiüoiixiert wird»
R ^rurde dann unter Verwendung der P^rmelt ro , ο ,pi
4- 0,25 bxr + C,£5 6h2j
Ιι
YIi) jiur3n decbacliten Isr .aigeii-HI-3 des -rrt^r VI und ίΖλ "■ rge» scnlagenan Snralgi-^nittei-.ge^i^olies vrird gebunden, dad das HLI,. nicht erreicht v/erden l:ann, de^lialc muß auch em 2LtLyIBnczid-Addulrfc eines der gewählt ei: d^iuliItl t
den. In diesen Pail v/iri ΐ-^een 61 (Sor'bitaniüonostearat + 4- Z-Io Ie 20) verv732idi-t.
A) Berechnetes ;i^ für 1IVeen ^': ■■-■ Ι,^^'-Ι
gemisch be^räg-^ 5,4 (inneriialb des geforderten Bereiche)·
6 O 3 8 3 1 / O ü 3 7
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VIII) Das fertige Smulgiermittelgemisch ist
A) Emulgiermittel Span 20 des Gemisches Gew. -Ji = 8,4
D Span 60 des Gemisches
(Lipophil)
4,5 = 1,699
2) Tween 61 des Gemisches 20,7 = 283,4
3) Span 80 72,0 = 8,18.
4) HLB des Gemisches 2,8
3) Ro
C) \
I)) bd
E)
IX) Der Unterschied zwischen dem Kerosinlöslichkeitsparameter und dem des Emulgiermittelgemisches ist:
A) A M^ = 25 (innerhalb der Festlegung) 3) ^ Ad = 0,35 (innerhalb der Festlegung) C) Ro ist größer als 1,5.
Beispiel II
Unter Verwendung der Zusammensetzung nach Beispiel I aus Emulgiermittel/inerter hydrophober Flüssigkeit wurde ein Polyacrylamidpolymer als Wasser-in-Öl-Emulsion hergestellt. In einen mit Rührwerk, Rückflußkühler, Thermometer, Stickstoffspülrohr und Sinlaßteil ausgestatteten gerührten Harzkolben wurden 270,0 g Acrylamid, gelöst in 457,7 g entionisiertem Wasser, gegeben. Unter Rühren wurden 20,0 g des Emulgiermitbelgemisches aus Beispiel I in 250,0 g Kerosin zugesetzt. Unter Rühren und Spülen mit Stickstoff wurden
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4,05 g einer 10 pros. Lösung von Vaso 64- (Aaobisisobutyronitril), einem Freiradikalkatalysator, in Kerosin zugegeben. Die UmsetEimg wurde fortschreiten gelassen. Es vrarde eine stabile Wasser-in-Gl-Emulsion aus Polyacrylamid als Polymerisationsprodukt erhalten.
Dieser Polymerlatex war schnell invertierbar in V/assex· mittels der von Anderson et al., US-PS 3 624 019, beschriebenen Methoden. Das so hergestellte Emulsionspolymer hatte eine mittlere Seilen engröße kleiner als 1 Mikron.
Pat entansprüche
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Claims (16)

7537588 Patentansprüche :
1. Stabile Wasser-in-Öl-Emulsion eines feinteiligen, wasserlöslichen Polymers aus einem wasserlöslichen, äthyleniqch ungesättigten Monomer, dadurch gekennzeichnet, daß die Emulsion aus
A) 70 bis 95 Gew.-^ (der Emulsion) einer wäßrigen Phase aus Wasser und einem feinteiligen wasserlöslichen Polymer;
B) 5 bis 70 Gew.-% (der Emulsion) einer aliphatischen Kohlenwasserstoff lüssigkeit; und
C) 0,25 bis 5»0 Gew.-% eines hydrophoben oberflächenaktiven Mittels besteht
und ein Kohäsivenergieverhältnis von 1,0 bis 3,0 aufweist.
2. Emulsionnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Phase 5-50 Gew.-/6, bezogen auf die der Gesamtemulsion, des feinteiligen wasserlöslichen Polymers enthält.
3. Emulsion nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen der dispergierten Phase im Mittel mindestens eine Dimension messen, die nicht größer als 1 Mikron ist.
4. Emulsion nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
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gekennzeichnet, da:?, die alipliatische Kohlenwasserstofflüssigkeit eine Londonkohäsivenergie von 7,0 "bis S, 3 Hildebrando una ein Molvolumen von 100 "bis ;>00 CiP aufweist.
5. Emulsion nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, ca2 aas hydrophobe oberflächenaktive Kittel so ausgewählt ist, da3 sein lipophiler Seil (tail) ein Molvolumen aufweist, das im Bereich von - 10 >i des Molvolumens der aliphatischen Kohlenwasserstofflüssigkeit liegt.
6. Emulsion nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das oberflächenaktive Kittel so ausgewählt ist, da:;· sein lipophiler ieil eine Londoiikchäsivenergie von - 1 Hildebrandeinheit der Londonkohäsivenergie der aliphatisehen Kohlenv/asserstofflüssigkeit aufweist.
7. j&ralsion nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere oberflächenaktive Mittel enthalten sind, so daß ihr kombiniertes Molvolumen und ihre kombinierte Londonlrohäsivenergie noch nähex* beim Holvolumsn und der Londonkohäsivenergie der aliphatischen Kohlenwasserstofflüssigkeit liegen.
8. Emulsion nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aliphatisch^ Kohlenwasserstofflüssigkeit weniger als 20,0 % Aromaten enthält.
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9. Emulsion nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das äthylenisch ungesättigte, wasserlösliche Monomer Acrylamid, Acrylsäure und/oder Dimethylaminoäthylmethacrylat ist.
10. Verfahren zur Herstellung einer stabilen Wasser-inöl-Emulsion von Polymeren und Copolymeren wasserlöslicher, äthylenisch ungesättigter Monomerer, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Wasser-in-Öl-Emulsion aus einem wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigten Monomer mit einer Wasserlöslichkeit von mindestens 5 Gew.-Jj oder wäßriger Lösungen desselben in einem inerten hydrophoben organischen flüssigen Dispersionsmedium bildet, das 0,1 bis 10 Gew.-% eines Wasser-in-Öl-Emulgiermittels enthält, wobei der Anteil der wäßrigen Phase im Bereich von 70 bis 95 Gew.-;^ der Emulsion liegt, die Emulsion unter Bedingungen erwärmt, unter denen sich freie Radikale bilden können, um Monomer in einer dispersen Phase in diesem Dispersionsmedium zu polymerisieren, und das polymer!sierte Latexprodukt gewinnt; wobei das inerte hydrophobe flüssige organische Dispersionsmedium auß einer aliphatischen Kohlenwasserstofflüssigkeit und einem oder mehreren Wasserin-Öl-Emulgiermitteln besteht; und die Emulsion ein Kohäsivenergieverhältnis innerhalb des Bereichs von 1,0 bis 3,0 aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen der dispersen Phase im Mittel mindestens eine Dimension aufweisen, die nicht größer als 1 Mikron ist.
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12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch, gekennzeichnet, daß die aliphatisch^ Kohlenwasserstoffiüssigkeit eine Londonkohäsivenergie von 7,0 Ms 8,3 Hildebrandeinlieiten und ein I-Iolvolumen von 100 Ms 300 cm9 aufweist.
13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser-in-Öl-Emulgiermittel so ausgewählt wird, daß sein lipophiler Teil ein Molvolumen aufweist, das in: Bereich von - 10 /j des Molvolumens der aliphatischen Kohlenwasserstoff lüssigkeit liegt.
14. Verfahren nach Anspruch 10, 11, 12 oder 13» dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser-in-öl-Emulgiermittel so ausgewählt wird, daß sein lipophiler 'Teil eine Londonkohäsi vener gie aufweist, die innerhalb - 1 Hildebraiideinheit der Londonkohäsivenergis der aliphatischen Kohlenwasserstofflüssigkeit; liegt,
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 "eis 14, gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Wasser-in-Öl-Emulgiermittel verwendet werden? um das kombinierte Molvolumen und die kombinierte Londonkohäsivenergie derselben den Werten der aliphatischen Kohlenwasserstofflüssigkeit stärker anzunähern.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die aliphatische Kohlenwasserstofflüssigkeit weniger als 20 % Aromaten und vorzugsweise weniger als 10 % Aromaten enthält.
N 723
Dr.Ro/Di
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