DE2646803B2 - Hydroxyl- und carboxylgruppenhaltige Copolymerisate - Google Patents
Hydroxyl- und carboxylgruppenhaltige CopolymerisateInfo
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- C08F220/04—Acids; Metal salts or ammonium salts thereof
- C08F220/06—Acrylic acid; Methacrylic acid; Metal salts or ammonium salts thereof
Description
COOX
und 5 bis 50 Mol-% wiederkehrenden Einheiten der Formel
—ECH2-CRi]-
OH
bestehen, wobei R für ein Wasserstoffatom oder die
Methylgruppe und X für ein Wasserstoffatom oder ein Alkalimetallatom stehen.
2. Verwendung der Copolymerisate gemäß Anspruch 1 in Wasch- und Reinigungsmitteln.
30
bekanntlich neben oberflächenaktiven Stoffen js
sogenannte Gerüststoffsubstanzen — engl. »Builder« genannt Eine der Aufgaben, die diese Builder zu erfüllen
haben, ist das Abfangen (sequestrieren«) von wasserunlösliche Salze bildenden Kationen, vornehmlich des
Calciums und Magnesiums. Speziell werden diese -to Gerüststoffe deshalb auch Sequestrierungsmittel genannt.
Die bisher besten Mittel waren Phosphate, vor allem Pentanatriumtriphosphat. Der ungeheure Ausstoß
an phosphathaltigen Abwässern bedingte jedoch eine starke Eutrophierung der Gewässer, was zu übermäßi- «
gern Algenwuchs und damit zur Verarmung der Gewässer an Sauerstoff führte.
Die Gesetzgebung der meisten Länder ist daher darauf ausgerichtet, Phosphate entweder ganz zu
verbieten oder aber recht niedrig liegende Maximalmengen in Waschmitteln festzusetzen.
Zahlreiche Vorschläge sind seit ca. 15 jähren gemacht
worden, um dieses Problem zu lösen, und es sei, da es sieb um zusammenfassende Darstellungen handelt, auf
die Artikel in Angew. Chemie 87 (1975), S. 115 ff. sowie «
auf Chemiker-Zeitung 96 (1972), S. 685 ff. verwiesen. Danach wurden zahlreiche als Komplexbildner bekannte
nieder- und hochmolekulare Verbindungen getestst, und es zeigte sich, daß Polymerisate auf Basis
Acrylsäure und hydroxylgruppenhaltige Derivate schon bo
recht gut geeignet waren, Phosphate teilweise zu ersetzen.
Die DE-OS 21 61 727 beschreibt z.B. ein Verfahren zur Sequestrierung von Metallionen mittels Poly-«-hydroxyalkylaten
oder deren Derivaten. Lt. Angew. h5 Chemie loc. dt. weisen solche Polymerisate bei 200C ein
Ca-Bindungsvermögen von 228 und bei 900C von
182 mg CaCOi pro Gramm auf. Nachteilig bei diesen Verbindungen ist einmal deren relativ schwierige
ZugängUcbJceit und zum anderen das relativ schlechte
Calciumbindevermögen,
Aus der DE-AS 20 25 238 sind ebenfalls Hydroxyl- und Carboxylgruppen enthaltende Polymerisate bekannt,
die mim durch sogenannte oxidative Polymerisation
von Acrolein, gegebenenfalls zusammen mit Acrylsäure oder Derivaten davon und anschließende
Behandlung des Polymerisats bzw. Copolymerisate nach Cannizzaro erhält Auch diese Polymerisate kommen
über ein Bindevermögen von 300 mg CaCÜ3 pro
Gramm Wirksubstanz nicht hinaus.
Es stellte sich somit die Aufgabe, ein carboxyl- und
hydroxylgruppenhaltiges wasserlösliches Polymerisat aufzufinden, das leicht herstellbar ist, und das vor allem
ein möglichst hohes Caläumbindevermögen aufweist
Es wurden nun hydroxylgruppenhaltige Copolymerisate aufgefunden, wie sie gemäß dem Patentanspruch 1
definiert sind, und die ein Calciumbindevermögen
aufweisen, vrelches das der bisher bekannten Mittel
übertrifft
Als wirksame Komponenten in Wasch- und Reinigungs-,
vor allem Geschirrspülmitteln liegen sie in Form ihrer Alkali-, vornehmlich Natriumsalze vor.
Ausgangsverbindungen zur Herstellung der erfindungsgemäßen Copolymerisate sind einmal Acrylsäure,
Methacrylsäure oder deren Gemische (Komponenten), wobei bevorzugt Acrylsäure in einer Menge von 60 bis
90 Mol-%, bezogen auf die Monomerenmischung, zum Einsatz gelangt
Komponente b ist erfindungsgemäß Vinylmilchsläure, Isopropenylrnilchsäure, oder ein Gemisch dieser Verbindungen,
und kommt in Mengen von vorzugsweise 40 bis 10 Mol-% zum Einsatz. Diese Komponente wird
beispielsweise nach den Angaben der DE-OS 17 95 312
durch Umsetzung von Vinyl- oder Isopropenylketon mit HCN und anschließendes Verseifen der als Zwischenverbindungen
aniJlenden Cyanhydrine erhalten; die Durchführung dieser Operation ist Gemeingut der
Fachwelt und bedarf keiner speziellen Erläuterung.
Zur Auslösung der Polymerisation verwendet man zweckmäßigerweise übliche radikalbildende Initiatoren,
wie H2O2, Alkaliperoxidsulfat, Ammoniumperoxiddisulfat,
organische Hydroperoxide und Peroxide wie Caproylperoxid, Benzoylperoxid, tert-Butylperbenzoat,
Dicumylperoxid, p-Menthanhydroperoxid, Cumolhydroperoxid,
Bernsteinsäureperoxid, femer aliphatische Azoverbindungen, die unter den Polymerisationsbedingungen
in Radikale zerfallen, wie Azoisobutyronitril und andere Azoriitrile, wie sie beispielsweise in Jack Hine
»Reaktivität und Mechanismus in der organischen Chemie«, Verlag Georg Thieme, Stuttgart (I960), Seile
412 aufgeführt sind, sowie Redoxysysteme, wie Kaliumoder
Ammoniumperoxidisulfat und Ascorbinsäure, Natriumhydrosulfit oder Eisen(II)salze. Geeignet sind
ferner Chelate von Übergangsmetallen, wie des Mangansilll), Kobalts(lH), Kupfer(II) und Cers(IV).
Meistens nimmt man als Chelatbildner I3-Dicarbonylverbindungen
wie Acetessigester oder Acetylaceton. Vorzugsweise verwendet man in solchen Redoxsystemen
beispielsweise Cu-acetylacetonat oder Kobalt(iii)acetessigester.
Die Initiatoren verwendet man im allgemeinen in Mengen von 0,05 bis 5 Gew.-°/o, bezogen auf die Menge
an eingesetzten Monomeren. Optimale Mengen sind durch einfache Versuche zu ermitteln. Die Polymerisation
kann in Substanz durchgeführt werden. Vorteilhafterweise arbeitet man in Gegenwart von Lösungs- oder
Verdünnungsmitteln, wie Q- bis Cs-AJkoboIen, wie
Methanol, Äthanol, Isopropanol oder n-ButanoI, Äther,
wie THF oder Djoxan, Ketonen, wie Methyl-äthyl- oder
Methyl-propylketon, Kohlenwasserstoffen, wie Heptan,
Cyclobexan cder Benzol oder schließlich aprotischen
polaren Lösungsmitteln wie Formamid oder Dimethylformamid,
Die für eine Vielfalt anderer Monomerer oder Monomerengemische
üblichen Suspensions-, Lösungs- oder Emulsionspolymerisationsverfahren sind auch zur Herstellung
der neuen Copolymerisate geeignet; auch bezüglich der gegebenenfalls zu verwendenden Hilfsmittel,
wie Puffersubstanzen, Dispergiermittel, Schutzkolloide unterscheidet sich die Herstellung der erfindungsgemäßen
Copolymerisate nicht von bisher üblichen Methoden.
Die Polymerisation kann in einem weiten Temperaturbereich, etwa zwischen 0 und 150, vorzugsweise
zwischen 50 und 120° C durchgeführt werden. Man arbeitet i. a. bei Atmosphärendruck, doch können auch
höhere Drücke ar..gewandt werden.
Die Copolymerisation der Acrylsäure bzw. Methacrylsäure
mit den ungesättigten Milchsäuren wird speziell in der Weise durchgeführt, daß man in
Lösungsmitteln, wie Isopropanol (50 Gew.-°/o bezogen auf Feststoffe), bei 70 bis 8O0C mit z. B. Azoisobutyronitril
polymerisiert, im Anschluß mit Alkalihydroxiden, wie Natronlauge neutralisiert und das Lösungsmittel
abzieht
Die Copolymerisate weisen dann mittlere Molgewichte von 2000 bis 20 000 auf (osmometrisch
bestimmt).
Die erfindungsgemäßen Copolymerisate haben sich, wie gesagt, als ausgezeichnete Sequestrierungsmittel
erwiesen, deren Calciumbindt vermögen deutlich über dem des Pentanatriumtriphosphats um' auch der bisher
bekannten hydroxyl- und carboxyigrupper.haltigen Copolymerisate liegt, und die außerdem dieselbe
Weißwaschkraft aufweisen, wie Phosphat allein. Bezüglich des Schmutztragevermögens ist gegenüber Phosphat
allein sogar eine Verbesserung festzustellen. Diese Wirkungsverbesserung tritt vor allem auch dann zutage,
wenn die Copolymerisate mit Phosphaten abgemischt eingesetzt werden, d. h. wenn man die Phosphate nur
teilweise ersetzt Bevorzugte Mischungsverhältnisse Pentanatriumtriphosphat zu Copolymerisat liegen dabei
zwischen 1 :4 bis 4 :1. Die Sequestrierungsmittel, d. h.
die Copolymerisate oder die erwähnten Phosphat/Copolymerisat-Abmischungen, sind in Waschmittelformulierungen
im allgemeinen zu 10 bis 50 Gew.-% — berechnet als Alkalisalze und bezogen auf das
Gesamtgewicht der Waschmittelformulierung — enthalten.
Solche Waschmittelformulierungen enthalten ansonsten übliche anionaktive und/oder nichtionische Tenside
in einer Menge, daß das Verhältnis Tensid zu Sequestrierungsmittel etwa 3:1 bis 1:10 beträgt.
Bevorzugt enthalten die Waschmittelformulierungen etwa 5 bis 30 Gew.-% an Tensiden bzw. Tensidgemischen.
Als Tenside kommen z. B. nichtionische wie Ce- t>o
bis Ci2-Alkylphenoloxä(hylate mit 5 bis 25 Äthylenoxideinheiten
— im folgenden »EO« genannt, Ce- bis C2o-Alkohole mit 6 bis 30 EO, Anlagerungsprodukte —
statistisch verteilt oder blockweise — des Äthylen- und Propylenoxids — im folgenden »PO« genannt — an die t,i
vorgenann'cn drundkörper mit 9 bis 15 EO und 3 bis
20 PO, sodann Block- und Mischpolymerisate des EO und PO mit Molgewichten von ca. 600 bis 40C0 und
EO/PO Anlagerungsprodukte an Äthylendiamin in
Betracht.
Als anionaktive Tenside kommen z.B. Qr bis
Qo-FettalkylsuJfate und -sulfonate, C8- bis QrAlkylbenzolsulfonate,
Alkansulfonate, Sulfofettsäureester, Ce- bis
Qo-Fettalkylsarkosinate, übliche Seifen und schließlich
auch sogenannte Äthersulfate, die man durch Oxalkylierung von Ce- bis QrAlkylphenolen oder Cg- bis
Qo-Alkoholen und anschließende Sulfatierung erhält, in
Betracht
Diese und andere in Betracht kommende Tenside sind z.B. in Schwartz-Perry bzw. Schwarz-Perry-Berch
»Surface Active Agents and Detergents« Intersc. PubL Ine, New York und London, Bd. 1 und 2 beschrieben.
Weiter können die Wascnmittelformulierungen noch
Neutralsalze wie Na2SO4 (bis zu 15 Gew.-%) und
Bleichmittel (bis zu 30 Gew.-%) sowie Aufheller und Enzyme enthalten. Bleichmittel sind z. B. solche auf
Peroxidbasis wie Alkali- oder Ammoniumperborat, -peroxidisulfat, -percarbonat oder auf Basis von Chlor
der Oxidationsstufe +1, wie Alkalihypochlorit oder Alkali-di- oder -trichlorisocyanurat
Reiniger- bzw. Spülmittelformulierungen sind ähnlich aufgebaut, enthalten aber wegen der i.a. wesentlich
gröber verschmutzten Gegenstände wesentlich mehr Alkali, wie Soda, Pottasche oder Alkalisilikate. In
Spülmitteln sind i. a. 0 bis 50% an Sequestriermittel, 0 bis 10 eines der obengenannten Tenside, 0 bis 20 Gew.-°/o
an Neutralsalz und 0 bis 60 Gew.-°/o an den alkalischen Stoffen enthalten.
Häufig enthalten Wasch- und Reinigungsmittel noch geringe Zusätze an Desinfektionsmitteln, z. B. auf Basis
von Jod enthaltenden Tensiden oder Polycarboxylaten (»Iodophore«) und gegebenenfalls Riechstoffen.
I. Allgemine Herstellungsvorschrift
(Teile sind Gewichtsteile)
(Teile sind Gewichtsteile)
100 Teile Monomere wurden bei 80° C in Gegenwart von 100 Teilen Isopropanol und 1 TeL' Azoisobutyronitril
innerhalb von 4 Stunden in einem Rührkessel polymerisiert Anschließend wurde das Lösungsmittel
destillativ entfernt
II. Nach dieser Vorschrift wurden folgende
Copolymerisate erhalten:
Copolymerisate erhalten:
Beispiel | Copolymerisat aus | % Vinylmilchsäure |
% Acrylsäure | 10 | |
1 | 90 | 15 |
2 | 85 | 20 |
3 | 80 | 30 |
4 | 70 | 40 |
5 | 60 | 50 |
6 | 50 | |
Die durchschnittlichen Molekulargewichte betrugen zwischen 8000 und 12 000.
III. Waschversuche
A. Weiügradbcstimmung
A. Weiügradbcstimmung
In einer vereinfachten Vollwaschmittelrezeptur wurde im Sequestrierungsmittel der Anteil an Pentanatriumtriphosphat
stufenweise durch eines der Copolymer!-
sate gemäß Beispiele 1 bis 6 ersetzt und die Weißwaschwirkung an WFK-Gewebe bestimmt (WFK-Gewebe
- Standardschmutzgewebe der Wäscheretforschung
Krefeld), Als Waschgerät diente ein Launder-O-meter,
Versuchsbedingungen:
Temperatur: 95° C
Flottenverhältnis: 1:25
Temperatur: 95° C
Flottenverhältnis: 1:25
Gewebe: WFK-Baumwollgewebe und Baumwollfüllgewebe(l
:1)
Waschdauer: 30 min.
Waschdauer: 30 min.
Wasserhärte: 10° d pH- Wert: 10,5 Waschmittelkonzentration; 5 g/l
10% CrAlkylbenzolsulfonat (Na-SaIz) 5% C,6/C)8-Fettalkohol+25 EO
5% Natriumstearat 10% Na2SO+ 20% Natriumperborat
40% Sequestriermittel 10% Wasser
Verhältnis Pentanatriumtri- | Weißgrad | in Remissionswerten | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
phosphat Copolymerisat | (»Elrepho«-Gerät) | 78,4 | 78,5 | 77,8 | 77,7 | 77,5 | |
1 | 76,3 | 76,5 | 76,7 | 76,4 | 76,4 | ||
3 : 1 | 77,3 | 75,3 | 74,6 | 74,6 | 73,7 | 73,5 | |
1 : 1 | 76,1 | ||||||
1 :3 | 75,7 |
Pentanatriumtriphosphat allein ergibt einen Weißgrad
von 77,0.
Durch wiederholtes Waschen in Gegenwart von viel Pigmentschmutz (Zusammensetzung: Ruß, Eisenoxidgelb
und Eisenoxidschwarz) wurde das Schmutztragevermögen der Copolymerisate im Vergleich zu Pentanatriumtriphosphat
anhand des erhaltenen Weißgrades geprüft Der Pigmentschmutz wurde in Form angeschmutzter
Baumwollsträngchen in die Waschflotte eingebracht
30
35
Gewebe: 10 g Baumwollgewebe Nr. 5 g Baumwollgewebe Nr.
5 g Baumwollschmutzgarn
pH-Wert: 10,5
Es wurde 5mal gewaschen, wobei nach jeder Wäsche das Schmutzgarn erneuert wurde.
Sequestriermittelgut | 3 | - | 4 | 6 | Pentanatriumtri | Weißgrad, gemessen | der Wäschen | in Remissionswerten | 4 | 5 |
Zusammensetzung (%) | - | - | - | phosphat | (»Elrepho«-Gerät) | 2 | 58,9 | 58,1 | ||
Beispiel | - | - | - | Anzahl | 63,7 | 57,2 | 56,8 | |||
1 | - | - | - | 1 | 61,2 | 3 | 59,5 | 58,1 | ||
!00 | 100 | - | - | - | 67,5 | 64,6 | 62,5 | 56,4 | 54,5 | |
75 | 75 | - | - | 25 | 65,7 | 60,0 | 60,2 | 57,2 | 56,9 | |
50 | 50 | - | - | 50 | 69,5 | 60.1 | 62,3 | 58,9 | 57,0 | |
25 | 25 | - | - | 75 | 65,7 | 61,1 | 58,4 | 56,6 | 56,3 | |
- | - | - | - | - | 65,0 | 61,2 | 59,7 | 57,3 | 54,0 | |
- | - | 100 | - | 25 | 64,9 | 60,2 | 60,6 | 59,3 | 56,3 | |
- | - | 75 | - | 50 | 65,4 | 62,6 | 59,7 | 59,3 | 58,2 | |
- | - | 50 | - | 75 | 64,0 | 61,0 | 58,2 | 59,4 | 57,3 | |
- | - | 25 | - | - | 63,4 | 62,9 | 60,2 | 58,4 | 55,4 | |
- | - | - | 100 | 25 | 66,6 | 60,9 | 60,0 | 51,5 | 50,0 | |
- | - | - | 75 | 50 | 65,3 | 54,4 | 62,2 | 54,0 | 52,1 | |
- | - | - | 50 | 75 | 65,7 | 57,8 | 59,7 | 59,6 | 56,9 | |
- | _ | - | 25 | - | 58,9 | 62,0 | 52,5 | 58,4 | 56,8 | |
- | _ | _ | 25 | 61,5 | 63,8 | 57,9 | 55.8 | 52.3 | ||
- | 50 | 66,5 | 61.9 | 60,7 | ||||||
- | 75 | 66,2 | 60,2 | |||||||
_ | 100 | 66.5 | 58.8 | |||||||
Hier ergibt sicn eine gegenüber Pentanatriumphosphat
verbesserte !nihibierung der Vergrauung.
C. Calcium-Bindevermögen ">
Die Bestimmung des Calcium-Bindevermögens erfolgte durch Trübungstitration mit Ca-acetat. Dazu löst
man 1 g des zu prüfenden Komplexbildners in 100 ml destilliertem Wasser auf und versetzt dann mit 10 ml in
2%iger Na-carbonat-Lösung. Der pH-Wert dieser Lösung wird auf 11 eingestellt und während der
Titration konstant gehalten. Man titriert dann mit 4,4%iger Ca-acetat-Lösung bis eine deutliche konstante
Trübung auftritt. Die Zugabe der Ca-acetat-Lösung π erfolgt in Intervallen von 30 s mit jeweils 1 ml. I ml
verbrauchter Ca-acetat-Lösung entspricht 25 mg Cacarbonat. Die Angabe erfolgt in mg Ca-carbonat pro
Gramm Komplexbildner.
Komplexbildner | Ca-Bindevermögen | (mg CaCO3/g) |
Beispiel | 25 C | 90 C |
1 | 575 | 500 |
2 | 675 | 525 |
3 | 650 | 475 |
4 | 600 | 475 |
5 | 550 | 425 |
CTv | 750 | 375 |
Pentanatriumtri- | 225 | 150 |
phosphat |
D. Reinigungswirkung in Geschirreinigern
Die Reinigungswirkung der Copolymerisate in Geschirreinigern wurde an mit Stärke angeschmutzten
Teillern bestimmt. 20 g Kartoffelstärke werden in 1 I kochendem Wasser gelöst. Von dieser Lösung werden 4
Teelöffel auf einem Haushaltsteller gleichmäßig verteilt. Anschließend wird bei 1000C 45 min. lang getrocknet.
Die Bestimmung der Reststärke nach einem Reinigungsvorgang in der Geschirrspülmaschine geschieht
durch Anfärben mit 1% KJ-Jod-Lösung und Abschätzen der blaugefärbten Fläche.
Reinigerrezeptur:
9 Teile Sequestrierungsmittel
1 Teil Na-carbonat
10 Teile Na-metasilikat
1 Teil Na-carbonat
10 Teile Na-metasilikat
Sequestriermittel | Reststärke |
Beispiel | % |
1 | 8 |
2 | 3 |
3 | 3 |
4 | 3 |
5 | 2 |
6 | 4 |
Pentanatrium tri- | 3 |
phosphat |
Sämtliche Versuche zeigen deutlich, daß die Copolymerisate Phosphate zumindest teilweise mit großem
Erfolg ersetzen können.
Claims (1)
1. Hydroxyl- und carboxylgruppenhaltige Copolymerisate,
dadurch gekennzeichnet, daß s sie aus 50 bis 95 Mol-% wiederkehrenden Einheiten
der Formel
IO
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