DE2634486B2 - Verfahren zur Herstellung von periförmigen Polymerisaten aus wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigten Monomeren - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von periförmigen Polymerisaten aus wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigten MonomerenInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von. perlförmigen Polymerisaten aus wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigten Monomeren
naclt dem Verfahren der umgekehrten Suspensionspolymerisation, bei dem eine 15- bis 80prozentige wäßrige
Lösung der Monomeren in einer inerten hydrophoben Flüssigkeit suspendiert und darin in Gegenwart eines
Polymerisationsinitiators und 0.01 bis 2 Gewichtsprozent, bezogen auf die Ölphase der Wasser-in-ÖI-Suspension, eines Schutzkolloids zu polymeren Produkten
in Perlform polymerisiert wird.
Dieses Verfahren zur Herstellung von perlförmigen Polymerisaten aus wasserlöslichen, ätnylenisch ungesättigten Monomeren ist aus der DE-PS 10 81 228 bekannt.
Für die praktische Durchführung des Verfahrens ist die richtige Auswahl eines geeigneten Schutzkolloids
entscheidend. Die Schutzkolloide stabilisieren die Wasser-in-Öl-Emulsionen und beeinflussen die Größe
der Polymerisatperlen. Als Schutzkolloide werden beispielsweise Sorbilanester, wie Sorbitanmonostearat
und Sorbitanmonoolcal, äthoxylierte Fettsäureamide, Glycerinfettester, Sorbitansesquioleat oder Sorbitanmonooleat zusammen mit Dicalciumphosphat bzw.
Hydiw.ylapatit oder Silikaten eingesetzt. Eine weitere
Gruppe von bekannten Schutzkolloiden umfaßt Blockoder Pfropfpolymerisate, die mindestens einen polymeren hydrophilen und einen polymeren hydrophoben Teil
im Molekül enthalten. Nach dem Verfahren der umgekehrten Suspensionspolymerisation kann man
Polymerisate mil besonders hohen Molekulargewichten herstellen und hat außerdem die Möglichkeit, bei
geeigneter Wahl der Hilfsphase ohne weiteres das Wasser durch azeotrope Destillation aus dem System zu
entfernen.
Während der Polymerisation durchläuft die wäßrige Phase der Wasser-in-ÖI-Dispersion einen Zustand
starker Klebrigkeit. Auch nach Beendigung der Polymerisation ist das suspendierte wasserhaltige
Polymerisat nicht klcbfrei. Daher kann es während der Polymerisation oder auch während einer sich an die
Polymerisation anschließenden azeotropen Entwässerung zur Verklebung von Polymerisatteilchen untereinander und mit den Gefäßwandungen kommen. Dieser
Vorgang kanu im Extremfall sogar so weit gehen, daß das ganze Polymerisat zu einer zusammenhängenden an
Rührer und Wandungen haftenden Masse verklumpt. Die bekannten Schutzkolloide haben den Nachteil, daß
sie das Aufwachsen von Belägen an den Wänden der Polymerisationsapparatur und am Rührer nicht verhindem.
Aufgabe der Erfindung ist es, Schutzkclloide für das eingangs beschriebene umgekehrte Suspensionspolymerisationsverfahren zur Verfugung zu stellen, mit
denen die Nachteile der bekannten Schutzkolloide möglichst weitgehend vermieden werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadm _h gelöst,
daß man als Schutzkolloid Reaktionsprodukte verwendet, die durch Umsetzung von Polybutadienölen, die
allylständige Wasserstoffe enthalten, oder von ölen
und/oder Harzen, die allylständige Wasserstoffe enthalten und die durch Mischpolymerisation von Olefinen
und Diolefinen mit 4 bis 6 Kohlenstoffatomen hergestellt worden sind und ein Molgewicht von 750 bis
50 000 aufweisen, mit 2 bis 30 Gewichtsprozent Maleinsäureanhydrid, bezogen auf die Öle und Harze,
erhalten worden sind.
Als inerte hydrophobe Flüssigkeit, die die Hilfsphase
der Wasser-in-ÖI-Suspension darstellt, können prinzipiell alle mit Wasser nicht mischbaren Flüssigkeiten
verwendet werden, die nicht in die Polymerisation eingreifen. Vorzugsweise verwendet man aliphatische.
cycloaliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffmischungen.
Erfindungsgemäß können alle wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigt' Monomeren nach dem Verfahren
der umgekehrten Suspensionspolymerisation zu perlförmigen Polymerisaten polymerisiert werden. Dieses
Verfahren hat vor allem Bedeutung für die Polymerisation von Amiden äthylenisch ungesättigter Cj- bis
C^Carbonsäuren, wie Acrylamid und Methacrylamid sowie für die Herstellung von Copolymerisaten der
genannten Amide mit anderen äthylenisch ungcsälligten Monomeren, die in Wasser löslich sind, beispielsweise Acrylsäure, Methacrylsäure, deren Lithium-, Natrium-, Kalium- und Ammoniumsalzen sowie anderen
äthylenisch ungesättigten Carbonsäuren bzw. ihren Salzen, die mit den Am'den copolymcrisicrbar sind,
substituierte Acrylamide, wie N-Mclhy'ijlacrylamid und
N-Methylolmethacrylamid, basischen Estern von Cr bis
CrCirbonsäuren, beispielsweise Diäthylaminoäthylacrylat, Dimethy'aminoäthylmethacrylal sowie die entsprechenden Carbonsäureamide wie Diäthylaminoäthylacrylamid und Dimethylaminoäthylmcthacrylamid.
Man kann auch mehrere der genannten Monomeren bei der Polymerisation einsetzen, sowie in untergeordneten Mengen auch diejenigen Monomeren, die in
Wasser nur wenig löslich sind, aber mit den genannten Monomeren gut «»polymerisieren, z. B. Acrylnitril und
Melhylacrylat,
Die nur geringfügig in Wasser löslichen Monomeren werden in einer Menge bis zu 20 Gewichtsprozent,
bezogen auf die gesamte Monomerenmischung, eingesetzt. Die Polymerisation wird in der Weise durchgeführt, daß man eine wäßrige Lösung mindestens eines
Monomeren in einer inerten hydrophoben Flüssigkeit suspendiert, so daß sich eine Wasser-in-ÖI-Suspension
bildet. Dazu ist es jedoch erforderlich, daß ein Si'hut/.kulloid anwesend ist. Als Schutzkolloide werden
erfindungsgemäß Umsetzungsprodukte von Polybutadienölen, die allylständige Wasserstoffe enthalten, oder
von ölen und/oder Harzen, die aliylständige Wasserstoffe enthalten und die durch Mischpolymerisation von
Olefinen und Diolefinen mit 4 bis 6 Kohlenstoffatomen
hergestellt worden sind und ein Molgewicht von 750 bis 50 000 aufweisen, mit 2 bis 30 Gewichtsprozent
Maleinsäureanhydrid, bezogen auf die öle und Harze,
verwendet Diese Reaktionsprodukte sind an sich bekannt Man gewinnt sie durch Erhitzen der öle
und/oder Harze mit Maleinsäureanhydrid auf Temperaturen oberhalb 1500C in einer sogenannten En-Reaktion (H. M. R. Hoffmann, Angew. Chem. 81, 597 [1969],
C P. A. Kappelmeyer et al, Kunststoffe 40,81 [1950]). Im
allgemeinen führt man die Reaktion bei Temperaturen von 1800C bis 2400C durch. Die Anwesenheit eines
Lösungsmittels ist gewöhnlich nicht erforderlich, kann im Einzelfall jec-jch Vorteile haben. So wurden
aromatische Lösungsmitte! vielfach eingesetzt Prinzipiell kommen natürlich alle Lösungsmittel in Frage,
soweit sie inert sind. Bleibt bei der Reaktion überschüssiges Maleinsäureanhydrid unumgesetzt zurück, so kann dieses im Vakuum abdestilliert werden
(US-PS 35 18 213). Die Produkte müssen, um ihre Wirksamkeit als Schutzkolloid zu entfalten, in der
inerten hydrophoben Flüssigkeit löslich sein. Während der En-Reaktion unterliegen die Öle und/oder Harze
bei Anwesenheit von Sauerstoff jedoch vielfach vernetzenden Nebenreaktionen, die zur Unlöslichkeit
führen (Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Band 14/2, 771 [196j]). Im dllgemeinen muß
daher die Reaktion unter Inertgas f'.urchgeführt werden.
Auch sind Zusätze bekannt, die solche N>.benreaktionen
unterdrücken.
Als Öle und Harze kommen Mischpolymerisate von Olefinen und Diolefinen mit 4 bis 6 Kohlenstoffatomen
in Betracht. Geeignete Diolefine sind beispielsweise Butadien, Cyclopentadien, Cyclohexadien, Isopren,
Piperylen, Melhylcyclopentadien.
Die Öle und Harze haben ein Molekulargewicht von 750 bis 50 000, vorzugsweise von 1000 bis 30 000. Die
öle und Harze können gegebenenfalls mit anderen äthylenisch ungesättigten Monomeren modifiziert sein,
beispielsweise mit Styrol. Methylstyrol, Inden, Acrylestern, Methacrylestern.
Die Monomcrenkonzcntration in der wäßrigen Monomerlösung kann in weilen Grenzen variiert
werden und liegl zwischen 15 und 80%. Die obere
Grenze wird vor allem durch die Löslichkeit der Monomeren gegeben, wahrend die untere Grenze aus
WirtschaftlichkeitsgrUnden in der Regel nicht unterschritten wird.
Die Schulzkolloide werden in einer Menge von 0,01
bis 2 Gewichtsprozent, bezogen auf die Olphase der Wasser-in-öl-Suspension, eingesetzt. Der Anteil der
inerten hydrophoben Flüssigkeit am Aufbau der Wasser-in-öl-Suspension beträgt 40 bis 90 Gewichtsprozent
Für die Polymerisation der Monomeren werden die üblichen radikalischen Polymerisationsinitiatoren, wie
Peroxide, Hydroperoxide und Azoverbindungen in den bekannten Mengen eingesetzt
Man erhält perlförmige Polymerisate, die durch azeotropes Entfernen des Wassers als trockene
Produkte anfallen. Unier perlförmigen Polymerisaten sollen hier auch solche verstanden werden, deren 0,2 bis
5 mm große Körner aus mehreren kleineren, miteinander verwachsenen Teilchen bestehen. Der Vorteil des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist vor allem darin zu sehen, daß an den Polymerisationsapparaturen und
Einrichtungen keine oder nur eine äußerst geringe Belagbildung zu beobachten ist Ein weiterer Vorteil
besteht darin, daß durch den Einsatz der Schutzkolloide die Korngrößenverteilung des Polymerisates besser
beeinflußt werden kann, als es mit den bekannten Schutzkolloiden möglich ist
lü mäße Verfahren. Die Prozentangaben in den Beispielen
beziehen sich auf das Gewicht der Stoffe, die im
folgenden angegebenen Teile sind Gewichtsteile.
Umsetzungsprodukt aus 10 Teilen Maleinsäureanhydrid (MSA) und 90 Teilen eines Polybutadienöls
vom Molgewicht 1500, das 75% eis-1,4-, 24% trans-1,4- und 1% Vinyl-DoppelbindungeniPolybu-
>0 tadienöl I) enthält Die Umsetzung wurde bei 180
bis 200° C durchgeführt
Umsetzungsprodukt aus 7,5 Teilen MSA und 92,5 Teilen Polybutadienöl I, Reaktions-Temperatur 180
bis 200° C.
Umsetzungsprodukt von 5 Teilen MSA mit 95 Teilen eines Polybutadiens vom Molgewicht 3000
so mit 80% eis-1,4-, 19% Irans-1,4-und 1% Vinyl-Dop-
pelbindungen, hergestellt bei 180 bis 2000C.
Umsetzungsprodukt aus 10 Teilen MSA und 90 Teilen eines Polybutadienöls vom Molgewicht
1500. das ca. 40 bis 45% Irans-1,4-, 30 bis 40%
cis-1.4- und 20 bis 25% Vinyl-Dcppelbindungen
enthält (Polybutadienöl II). Die ReaKtwn wurde bei 180 bis 200°C durchgeführt.
Umsetzungsprodukt aus 20 Teilen MSA und 80 Teilen Polybutadienöl II, hergestellt bei 180 bis
2000C.
(. Schutzkolloid F:
Umsetzungsprodukt aus 7.5 Teilen MSA und 32.5 Teilen Polybutadienöl II, hergestellt bei 180 bis
200° C.
'" Uiisetzungsprodukt aus 7,9 Teilen MSA und 92,1
Teilen eines Harzes, das durch kationische Polymerisation eines Destillates der Naphthacrackung, das
einen Siedepunkt von 35 bis 1600C und einen
Doppelbindungsgehalt halte, der 114 g Brom pro
" 100 g Destillat entsprach, mit Bortrifluorid als
Katalysator bei einer Temperatur von 400C
erhallen wurde. Vor der Umsetzung mit MSA, die bei 180 bis 2000C erfolgte, wurden die nicht
polymerisierbaren Anteile des Destillats entfernt.
Beispiel I
1,5 g Schutzkolloid A1 1,6 1 Cyclohexan und 30 g
Wasser wurden in einem 5-l-Kessel aus nicht rostendem '" Stahl vorgelegt, der mit Heizung, Impellerrührer,
Thermometer, Rückflußkühler und einer Kaskade von 2 Tropftrichtern ausgestattet war. Nachdem man den
Kessel sorgfällig mit Stickstoff gespült hatte, wurden die
vorgelegten Stoffe aufgeheizt und der Druck im Kessel soweit vermindert, daß der Inhalt bei 500C unter
Rückfluß siedete.
Dann wurden 184 g Acrylamid, 80 g Acrylsäure und 280 mg Natriumhcxametaphosphat in 436 g Wasser
gelöst und mit 80 g 50%iger Natronlauge auf pH 7 eingestellt. Man versetzte die Lösung mit 25 ml einer
100/oigen wäßrigen Ammoniaklösung und 8,8 ml einer
l%igen wäßrigen Kaliumperoxodisulfatlösung und
füllte das Gemisch in den oberen Zulauftrichter der Kaskade ein. Von dort gelangte es in den 2.
Zulauftrichter, aus dem man es in dem Maße, in dem es zufloß, kontinuierlich in den Kessel dosierte. Ein
Stickstoffstrom, der die Lösung im unteren Trichter ständig durchperlte, entfernte gelösten Sauerstoff. Die
Zulaufdauer betrug 1 Stunde; die Rührerdrehzahl 225 min-'. Man polymerisierte 1 Stunde unter den
angegebenen Bedingungen each, fügte 16 ml einer tö/öigen wäßrigen Hydroxylammoniumsulfatlösung hinzu
und entfernte das Wasser durch azeotrope Destillation bei Atmosphärendruck. Die wasserfreie
Suspension wurde abgelassen und der Kessel mit Cyclohexan gespült. Im Kessel verblieben weniger als
2 g Produkt. Die Suspension wurde abgesaugt und das Produkt im Vakuum getrocknet. Es bestand aus runden
kugelförmigen Teilchen von 0,1 bis 3 mm Größe.
Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch setzte man 1,5 g des Schutzkolloids A ein. Man erhielt ein kugelförmiges
Polymerisat mit 0,1 bis 2 mm Korngröße. Die Ablagerungen im Kessel betrugen nur 0,8 g.
Beispiel 1 wird mit der Ausnahme wiederholt, daß man anstelle des Schutzkolloids A 2.0 g des Schutzkolloids
B einsetzte. Im Polymerisationskesse! lagerten sich etwa 1,5 g des Produkts ab.
Beispiel I wurde wiederholt, jedoch mit der Ausnahme, daß man anstelle des Schutzkolloids A 0,9 g
des Schutzkolloids D einsetzte. Im Kessel bildeten sich keine Beläge. Das perlförmige Polymerisat bestand aus
Teilchen von 1 bis 5 mm Durchmesser.
Das Beispiel wurde mit 2,5 g des Schutzkolloids B wiederholt. Im Kessel verblieben nach Abschluß der
Polymerisation 2,7 g Produkt in Form von Ablagerungen. Das Polymerisat bestand aus runden Perlen von 0,1
bis 2 mm Größe.
Beispiel 1 wird wiederholt, jedoch anstelle des .Schutzkolloids A das Schutzkolloid E in einer Mengt
von 0,0 g eingesetzt. Im Polymerisationsgefäß bildeten
sich 2,0 g Beläge. Die Perlen waren 0,1 bis 2 mm groß.
In der Polymerisationsapparatur, die im Beispiel I beschrieben ist, werden 21 Cyclohexan, 3 g des
Schutzkolloids G und 10 g Wasser vorgelegt. Dann stellt
man eine Lösung ius 298 g Acrylamid, 72 g Acrylsäure und 420 mg Natriumhexametaphosphat in 806 ml
Wasser her. Die Lösung wird dann mit 80 g 50%iger Natronlauge auf Lwmn pH-Wert von 7 eingestellt. Nach
Zugabe von 4 ml 10%igem Ammoniak und 12 ml 1%iger Kaliumperoxodisulfatlösung läßt man diese
Mischung aus einem Tropftrichter, der ständig von einem kräftigen Stickstoffstrom durchspült wird, i.inerhalb
von 10 Minuten in die unter Atmosphärendruek siedende Vorlage einfließen, die gerührt wird
(225 UpM). Nach einer Polymerisationsdauer von einer Stunde fügt man 7 ml einer 1 %igen Hydrazinhydratlösung
hinzu und entfernt das Wasser durch azeotrope
ίο Destillation. Der Kessel bleibt frei von Anbackungen.
Man erhält ein kugelförmiges Polymerisat mit Perlen zwischen 0,1 und 2 mm.
Beispiel 6 wird wiederholt jedoch setzt man insgesamt 9 ml Ammoniak ein und führt die Polymerisa-
Ii tion bei einer Temperatur von 60°C unter vermindertem
Druck durch. Der Druck wird dabei so eingestellt, daß die Mischung siedet. Der Kessel bleibt frei von
Ablagerungen. Die Teilchengröße liegt zwischen 0.1 und
1 mm.
238,5 g Acrylamid, 57,5 g Acrylsäure und 350 mg Natriumhexametaphosphat wurden in 640 g Wasser
gelöst und mit 64 g 50°/oiger Natronlauge auf pH 7
.'ϊ gestellt. Man fügte 9 ml 10%igen Ammoniak und 10 ml
l%iger Kaliumperoxodisulfat'ösung hinzu und polymerisierte
analog Beispiel 1 bei Atmosphärendruck. Die Vorlage bestand aus 2,0 g Schutzkolloid D, 1,61
Cyclohexan und 30 ml Wasser. Vor der azeotropen Trocknung wurden 10 ml einer 1 "/oigen Hydroxylammoniumsulfatlösung
zugefügt. Man erhielt kugelförmige Polymerisatteilchen »-on 0,1 bis 2 mm Größe. Der Belag
an den Wänden der Polymerisationsapparatur betrug Ig·
In der im Beispiel 1 angegebenen Apparatur wurden 1,61 Cyclohexan. 4 g des Schlitzkolloids D und 30 ml
Wasser vorgelegt. Die Polymerisation wurde bei
JO Atmosphärendruck analog Beispiel 1 durchgeführt,
indem man eine Lösung von 300 g Acrylamid, 12 g Natriumbicarbonat, 210 mg Nairiumhexamctaphosphat
und 100 mg Thioharnstoff in 574 g Wasser, die mit 15 ml einer l%igen wäßrigen Kaliumperoxidisulfatlösung
4) versetzt wurde, zur Vorlage zugab. Nach beendeter
Polymerisation setzte man 15 ml einer 1°/oigen Hydroxylammoniumsulfatlösung
zu und entfernte das Wasser durch azeotrope Destillation aus dem Polymerisationsgcfäß.
Man erhielt ein Polymerisat mit Korngrößen
ο zwischen 0,4 und 4 mm. Die Belagbildung im Kessel
betrug 3,2 g.
In der im Beispiel I angegebenen Apparatur werden r» 5 g Schutzkolloid F. 1,61 η-Hexan und 30 ml Wasser
vorgelegt. Die Mischung wird dann unter Atmosphärendruek zum üieden erhitzt. Dann wird eine Lösung aus
184 g Acrylamid. 80 g Acrylsäure und 200 mg Natriumhexametaphosphat
in 436 g Wasser, die mit 80 g einer M) 50%igen Natronlauge auf pH 5 eingestellt worden ist,
mit 20 ml einer 10%igen wäßrigen Ammoniaklösung und 8,8 ml einer 1°/oigen wäßrigen Kaliumperoxodisulfatlösung
versetzt. Die weitere Verfahrensweise entspricht der im Beispiel 1 angegebenen, jedoch mit der
b5 Ausnahme, daß die Polymerisation bei Atmosphärendruek
durchgeführt wird. Man erhielt ein Polymerisat mit Korngrößen zwischen 0,5 und 4 mm. Im Polymerisationskessel
hatten sich keine Beläge gebildet.
Beispiel 10
Beispiel I wurde wiederholt, jedoch als Schutzkolloid 1,5 g des Schutzkolloids C eingesetzt. Der Wandbelag
im Kessel betrug 2 g. Das Polymerisat bestand aus Perlen zwischen 0,2 und 3 mm.
Vergleichsbeispicl I
Beispiel 2 wurde wiederholt, jedoch mit der Ausnahme, dall anstelle des Schut/kolloids A Sorbitanmonostearat
als Schul/kolloid verwendet wurde. Mim erhält F'erlen /wischen 0.2 und 3 mm. Der Wandbelag
betrug 34 g.
Verglcichsbeispiel 2
Beispiel 2 wurde wiederholt, jedoch mit der Ausnahme, daß man anstelle des Schut/kolloids A
öllösliche Athylzelliilose als Schutzkolloid einsetzt. Das perlförmige Polymerisat wies TeilchengröQcn zwischen
0,2 und 3 mm auf. Der Wandbelag betrug in diesem Fall 22 g.
Vergleichsbeispiel 3
Als Schutzkolloid wurde das Produkt eingesetzt, das gemäß Beispiel A der DE-OS 20 99 218 hergestellt
wurden ist. Man verführt wie oben im Heispiel 1
ίο beschrieben, verwendet jedoch anstelle des Schuizkolloids
Λ 8,0 g der 40%igen Suspension des bekannten .Schutzkolloids und führt die Polymerisation bei einer
Tourenzahl des Rührers von 300 UpM durch. Die Teilchengröße lag /wischen 0.2 und 4 mm. Im Kessel
Ii verblieben 22 gdes Produkts als Wandbelag.
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Herstellung von perlförmigen Polymerisaten aus wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigten Monomeren nach dem Verfahren der umgekehrten Suspensionspolymerisation, bei dem eine 15- bis 80%ige wäßrige Lösung der Monomeren in einer inerten hydrophoben Flüssigkeit suspendiert und darin in Gegenwart eines Polymerisationsinitiators und 0,01 bis 2 Gew.-%, bezogen auf die ölphase der Wasser-in-ÖI-Suspension, eines Schutzkolloids zu polymeren Produkten in Perlform polymerisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß man als Schutzkolloid Reaktionsprodukte verwendet, die durch Umsetzung von Polybutadienölen, die allylständige Wasserstoffe enthalten, oder von ölen und/oder Harzen, die allylständige Wasserstoffe enthalten und die durch Mischpolymerisation von Olefinen und Diolefinen mit 4 bis 6 Kohlenstoffatomen hergestellt worden sind und ein Molgewicht von 750 bis 50 000 aufweisen, mit 2 bis 30Gew.-% Maleinsäureanhydrid, bezogen auf die öle und Harze, erhalten wordei) sind.
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