DE2728849C2 - Verfahren zur Herstellung von hochmolekularen Polymeren nach der Zweiphasen-Grenzflächenmethode - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von hochmolekularen Polymeren nach der Zweiphasen-GrenzflächenmethodeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochmolekularen Polymeren nach der Zweiphasen-Grenzflächenmethode,
bei der zur Durchführung der Polymerisation ein inniges Gemenge zweier nicht mischbarer flüssiger Phasen hergestellt wird, von denen jede mindestens einen der Reaktanten enthält.
Bei einem Verfahren dieses Typs wird im allgemeinen durch eine Vergrößerung der wirksamen Zweiphasen-Grenzfläche
die Geschwindigkeit des Polymerisationsprozesses und die Ausbeute der Synthese an hochmolekularen
Polymeren erhöht. Zur Erreichung einer möglichst großen Zweiphasen-Grenzfläche wird vorteilhaft eine
feine Dispersion der einen Phafe in der anderen Phase erzeugt. Die Herstellung solcher Dispersionen, die meist
durch den Zusatz von sogenannten Emulgatoren begünstigt wird, erfolgt üblicherweise diskontinuierlich in
Rührkesseln oder auch kontinuierlich in hinterelnandergeschalteteu Rührkesselkaskaden.
Bei allen bekannten Verfahren dieser Art ist zur Herstellung von Dispersionen aus den beiden miteinander
vermengten flüssigen Phasen eine nicht unbeträchtliche Zeit erforderlich, während der die beiden Phasen
miteinander in Kontakt stehen und dabei bereits eine Polymerisation stattfindet, obwohl die optimalen Bedingungen
hierfür noch nicht erreicht sind.
Bei vielen Arten von Synthesen von hochmolekularen Polymeren sind bestimmte Nebenreaktionen nur
schwer gänzlich zu unterdrücken. Eine Voraussetzung für eine brauchbare Synthese ist es dabei allerdings,
daß diese Nebenreaktionen wesentlich langsamer verlaufen als die gewünschte Polymerisationsreaktion. Zur
Erreichung einer hohen Ausbeute an hochmolekularen Polymeren ist es daher günstig, die Synthese möglichst
rasch und unter optimalen Bedingungen ablaufen zu lassen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens der eingangs genannten Art zur Herstellung von
hochmolekularen Polymeren nach der Zweiphasen-Grenzflächenmethode, das die Nachteile bekannter Verfahren
vermeidet, wobei insbesondere angestrebt wird, daß nach dem Vermengen der beiden flüssigen Phasen im Reaktionsraum
der optimale Zustand einer feinen Dispersion einer Phase in der anderen Phase sehr rasch erreicht
wird.
Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird nun dadurch gelöst, daß die beiden flüssigen Phasen in
einem vorgegebenen Mengenverhältnis zueinander kontinuierlich miteinander In Verbindung gebracht und das
so erhaltene Gemenge durch eine oder mehrere hintereinandergeschaltete Mischstufen geführt wird, wobei in
jeder Mischstufe das Gemenge in mehrere Teilströmungen aufgeteilt wird, die Teilströmungen mit ihren Strömungsbegrenzungen
quer zu ihren Hauptströmungsrichtungen Bewegungen mit mittleren Geschwindigkeiten
von größer als 5 m/s, vorteilhaft aber größer als 10 m/s, ausführen und die Teilströmungen In einer mit zumindest
einem Ausgangskanal versehenen Mischkammer münden, in der sie gemischt und das erhaltene Gemenge
über die Ausgangskanäle abgeführt wird, wobei während des Durchflusses des Gemenges durch die Mischkammer
die kinetische Energie des Gemenges auf einen gegenüber ihrem Höchstwert geringen Wert herabgesetzt
wird, und die in der Mischkammer strömenden Gemengebereiche sich zumindest nahezu periodisch verändernden
Strömungsverhältnissen ausgesetzt sind.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens münden die Teilströmungen in
einer ringförmige Mischkammer, wobei sie sich mit ihren Begrenzungen längs einer kreisförmigen Bahn entlang
des Mischkammerumfanges bewegen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet,
daß eine spaltförmige Mischkammer verwendet wird, die jeweils in Richtung der Hauplströmungsrichiungen der
ip sie mündenden Teilströmungen eine mittlere Breite von weniger als 10 mm aufweist.
Dabei werden vorteilhaft während Czr Bewegung der Teilslrömungeri samt ihren Begrenzungen die Teilströmungs-MündungsöTfnungen
an der Mischkammer jeweils in ihrer Projektion parallel zur betreffenden Teilströmungs-Hauptrichtung auf die Einmündungsöffnungeii der Mischkammer-Ausgangskanäle mit diesen
periodisch zumindest zum Teil zur Deckung gebracht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figur bzw. einiger Synthesebeispiele eingehend erläutert.
Die Figur zeigt teilweise im Schnitt in schematischer Darstellung einen zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeigneten Reaktor.
Im zylindrischen Gehäuse 1 des Reaktors, der einen mit Flüssigkeitseinlaß bzw -auslaß 2, 3 versehenen
Doppelmantel 4 aufweist, ist in einer Lagerung 5 ein einseitig offener hohlzylindrischer Rotor 6 drehbar
gelagert. Ferner ist im Gehäuse 1 ein hohlzylindrischer Stator 7 angeordnet, der dem Rotor 6 umfaßt und mit
diesem einen schmalen ringförmigen Spalt 8 einer Breite von etwa 1 mm einschließt.
Rotor 6 und Stator 7 weisen an ihrer Mantelfläche in mehreren Reihen längs des Rotor- bzw. Statorumfanges
gleichmäßig verteilte Durchbrüche 9 bzw. 10 auf, so daß jeder Durchbruch 9 bei bestimmten Stellungen des
Rotors mit Durchbrüchen 10 des Stators 7 zur Deckung gebracht werden kann. Bei dem benutzten Versuchsreaktor
waren längs des Rotor- bzw. Statorumfanges in einer Reihe hintereinander jeweils 60 Durchbrüche
angeordnet.
An der Stirnseile des Reaktor-Gehäuses 1 sind zwei Anschlußrohre 11, 12 vorgesehen, deren offene
Mündungsstutzen in der Nähe der Innenwandung des Rotors 6 enden. Schließlich weist das Reaktorgehäuse an
seinem Mantel - vorzugsweise an zueinander diametral gelegenen Stellen - weitere Anschlußrohre 13 bzw. 14
auf.
Zur Durchführung des Verfahrens wird der Rotor 6 z. B. mit Hilfe einer Preßluftturbine mit einer Tourenzahl
von z. B. 20 000 UpM angetrieben und die beiden, die Reaktanten enthaltenden flüssigen Phasen über die zwei
Anschlußrohre 11 bzw. 12 mit Hilfe von Dosierpumpen in einem vorgegebenen Mengenverhältnis zueinander
kontinuierlich der Reaktor-Vorkammer 15, die durch den Innenrauni des hohlzylindrischen Rotors 6 gebildet
wird, zugeführt. Durch die Scherwirkung der sich bewegenden Rotorinnenwand wird das Zweiphasen-Flüssigkeitsgemenge
in der Vorkammer 15 in Rotation versetzt, wobei, verstärkt durch die Rührwirkung der in die
Vorkammer 15 hineinragenden Anschlußrohre 11, 12, bereits eine gute Vermengung der beiden Phasen eintritt.
Das in der Vorkammer 15 gebildete Gemenge tritt nun - unterstützt durch die Wirkung auftretender Fliehkräfte
- durch die Durchbrüche 9 in Form von Teilströmungen in den durch Rotor 6 und Stator 7 begrenzten
Spalt 8 ein, wo sie einem Mischprozeß unterworfen werden, so daß eine feine Dispersion der einen Phase in der
anderen Phase entsteht, die nun durch die Durchbrüche 10 des Stators 7 in den ringförmigen Raum zwischen
Stator 7 und Gehäusemantel 4 eintritt. Von hier wird das Gemenge nun über das Anschlußrohr 14 abgeführt.
Zu einer Reinigung kann der Reaktor mit einem Lösungsmittel über die Anschlußrohre 13 und 14 durchgespült
werden.
Zum Verständnis des bei der Herstellung der Dispersion wirksamen Mechanismus sei folgendes angefühlt:
Die bei einigen erfolgreichen Syntheseversuchen sich aus dem Volumen des Spaltes 8 sowie dem Durchsatz
des Gemenges durch den Reaktor ergebende mittlere Gemenge-Verweilzeit im Spalt 8 lag im Bereich von 0,5
bis 2 Sekunden.
Das Gemenge wird durch die gemeinsame Wirkung von Rotor und Stator innerhalb einer sehr kurzen Zeit
auf eine relativ hohe Geschwindigkeit beschleunigt und danach wieder abgebremst, wobei es innerhalb des
schmalen Spaltes 8 zu einer turbulenten Strömung mit erzwungenermaßen sehr kleinen Wirbelbereichen
kommt. Zum Beispiel ergibt sich bei einem Rotorumfang von 30 cm und einer Tourenanzahl von 20 000 UpM
eine Rotorumfanggeschwindigkeit von 100 m/s, auf die das Gemenge bei seinem Durchtritt durch die Rotordurchbrüche
9 beschleunigt wird, wonach das Gemenge dann während seines Durchganges durch den Spalt 8
verzögert wird und schließlich nach dem Durchgang durch die Statordurchbrüche 10 zumindest auf eine
im Verhältnis zur Rotorumfanggeschwindigkeit sehr kleine Umfangsgeschwindigkeit zurückgebracht wird. Bei
einer mittleren Verweilzeit des Gemenges im Spalt 8 von z. B. einer Sekunde können die dabei auftretenden
negativen Beschleunigungen ein Mehrfaches der Erdbeschleunigung betragen.
Während der Abbremsung des Flüssigkeitsgemisches im Spalt 8 ist die Strömung des Gemenges einer rasch
wechselnden Änderung der StiömungsverMItnisse ausgesetzt. Wenn man nämlich z. B. bei einer Rotorumfangsgeschwindigkeit
von 100 m/s als mittlere Umfangsgeschwindigkeit des Gemenges im Spalt 50 m/s annimmt,
erleidet ein sich mit dieser Geschwindigkeit oewegender Gemengebereich durch die sich relativ zu ihm
bewegenden Durchbrüche 9 oder 10 im Rotor 6 bzw. Stator 7 bei der angenommenen Rotortourenzahl von
20 000 UpM eine periodische Änderung der Strömungsverhältnisse mit einer Frequenz von 10 KHz.
In dem in den Zustand einer feinen Dispersion der einen Phase in der anderen Phase gebrachten Gemenge
vollzieht sich nun die Polymerisationsreaktion, die in vielen Fällen bereits innerhalb weniger Sekunden abgeschlossen
ist. Die vom Zeitpunkt der Herstellung der Dispersion bis zum Reaktionsende gemessene Hauptreaktionszeit
kann in den Fällen, in denen das Reaktionsende durch einen Farbumschlag des Reaktionsgemenges zu
erkennen ist, besonders einfach bestimmt werden.
Um das Reakktionsgemenge im Reaktor auf einer vorgegebenen Temperatur zu hallen, wird über den Flüssigkeitseinlaß
bzw. -auslaß 2, 3 durch den Doppelmantel des Reaktorgefäßes eine Kühl- bzw. Heizflüssigkeit
geleitet.
Aus dem auf die beschriebene Weise erhaltenen Polymerc-Lösungsmiuelgemenge wird nun das Polymere wie
üblich, z. B. mittels einer Zentrifuge, abgetrennt, gewaschen und getrocknet. Das verbleibende Lösungsmittel-
gemisch wird einer Rückgewinnungsanlage zugeführt.
In den nachstehenden Beispielen und Vergleichsversuchcn wurde der Polymerisationsgrad der gewonnenen
Polymeren durch die inhärente Viskosität (IV) bestimmt.
Diese ist gegeben durch die Beziehung
IV _ In ;;rel
wobei /;rel die relative Viskosität und C die Polymerkonzentration im Lösungsmittel bei der Viskositätsmessung
bedeuten.
Bei den bei 30° C durchgeführten Viskositätsmessungen wurde m-Kresol als Lösungsmittel verwendet und
eine Polymerkonzentration von 0,5 g/100 ml Lösungsmittel eingehalten.
Die nachstehenden Versuche betreffen Verfahrensbeispiele gemäß der Erfindung und Vergleichsversuche,
bei denen jeweils dasselbe Polymere nach einem üblichen Verfahren hergestellt wurde. An den erhaltenen
Polymeren wurde die inhärente Viskosität (IV) bestimmt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnten
jeweils wesentlich höhere ViskosHätswerte erzielt werden als mit den üblichen Verfahren.
Komponente A: 318 g(l Mol) Phenolphthalein
80 g (2 Mole) NaOH
5,5 1 Wasser
80 g (2 Mole) NaOH
5,5 1 Wasser
Komponente B: 203 g (1 Mol) iso-Phthaloyldichlorid
0,5 I 1,2-Dichloräthan
0,5 I 1,2-Dichloräthan
Diese Komponenten A und B wurden mittels zugehöriger Dosierpumpen im Mengenverhältnis 11:1 über die
Anschlußrohre 11 und 12 kontinuierlich dem anhand der Figur beschriebenen Reaktor zugeführt, wobei der
Reaktorrotor 6 mit einer Tourenzahl von 20 000 UpM angetrieben wurde. Das Gemenge, das wegen seiner alkalischen
Phenolkomponente A eine rötliche Färbung hat, wird bei Beendigung des Polymerisationsprozesses
farblos. Die Förderleistung der Dosierpumpen wird nun so gesteuert, daß das aus dem Anschlußrohr 14 austretende
Reaklionsgemisch farblos ist. Dabei wurde das Gemischvolumen (Volumen der Komponente A und B),
das 6 1 betrug, in 5 Minuten durch den Reaktor geführt. Dabei ergibt sich bei den vorliegenden Reaktorvolumen
von 100 ml eine Verweilzeit des Gemenges im Reaktor von 5 Sekunden.
Das gebildete Polymere wurde nun durch Zentrifugieren abgetrennt, chloridfrei gewaschen und im Vakuum
getrocknet. Das organische Lösungsmittel wurde durch einfaches Abscheiden zurückgewonnen.
Die Ausbeute der Synthese an Polymeren betrug 98%.
Die gemessene IV = 0,71.
Die gemessene IV = 0,71.
Vergleichsversuch A
Die im Beispiel 1 angeführten Komponenten A und B wurden in einem 10-l-Kolben mit Propellerrührer bei
1500 UpM zur Reaktion gebracht.
Die Reaktionszeit betrug 40 Minuten; die Aufarbeitung des Reaktionsgemenges erfolgte wie in Beispiel 1
angegeben.
Bei 93%iger Ausbeute betrug die IV = 0,25.
Bei 93%iger Ausbeute betrug die IV = 0,25.
Komponente A: 318 g (1 MoI) Phenolphthalein
80 g (2 fviuiei NaOH
5,5 I Wasser
5,5 I Wasser
Komponente B: 203 g (1 Mol) iso-Phahaloyldichlorid
0,5 I 1,2-Dichloräthan
0,5 I 1,2-Dichloräthan
Die Reaktion wurde unter gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 1 durchgeführt, nur die Rotordrehzahl
wurde auf 40 000 UpM erhöht. Die Verweilzeit des Gemenges im Reaktor betrug bei entsprechend erhöhtem
Durchsatz 3 Sekunden,
Bei 99%iger Ausbeute war die IV = 0,90.
Bei 99%iger Ausbeute war die IV = 0,90.
Vergleichsversuch B
Die im Beispiel 2 angeführten Komponenten A und B wurden in einem 10-l-Kolben mit Propellerrührer bei
3000 UpM zur Reaktion gebracht, wobei die Reaktionszeit 30 Minuten betrug.
Bei 95%iger Ausbeute wurde die IV = 0,39 gemessen.
Bei 95%iger Ausbeute wurde die IV = 0,39 gemessen.
Komponente A: 318 g(l Mol Phenolphthaiein
80 g (2 Mole) NaOH
80 g (2 Mole) NaOH
15 g (0,1 Mol) Tetraäthyl-Ammonium-Hydroxyd (Katalysator) 5
5,5 1 Wasser
Komponente B: 203 g (1 Mol) iso-Phthaloyldichlorid
0,5 I 1,2-Dichloräthan.
0,5 I 1,2-Dichloräthan.
Die Reaktion wurde unter gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 2 durchgeführt, d. h. mit einer Verweilzeit
im Reaktor von 3 Sekunden.
Bei 99%iger Ausbeute betrug die IV = 0,92.
Bei 99%iger Ausbeute betrug die IV = 0,92.
Vergleichsversuch C 15 ξ
Die im Beispiel 3 angeführten Komponenten A und B wurden in einem 10-l-Kolben mit Propellerrührer bei
3000 UpM zur Reaktion gebracht, wobei die Reaktionszeit 20 Minuten betrug. Bei 97%iger Ausbeute war die IV = 0,48.
Komponente A: 318 g(l Mol) Phenolphthaiein
80 g (2 Mole) NaOH 25
15 g (0,1 Mol) Tetraäthyl-Ammonium-Hydroxyd (Katalysator) 5,5 g (1 g/l) Nichtionogener Emulgator (auf Basis einer Siliconverbindung)
5,5 1 Wasser
KomponenteB: 203 g(l Mol) iso-Phthaloyldichlorid *'
0,5 1,2-Dichloräthan
Die Reaktion wurde unter den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 3 durchgeführt, und zwar mit einer
Verweilzeit im Reaktor von 3 Sekunden.
Bei 99%iger Ausbeute betrug die IV = 0,91. 35
Bei 99%iger Ausbeute betrug die IV = 0,91. 35
Vergieichsversuch D
Die im Beispiel 4 angeführten Komponenten A und B wurden in einem 10-l-Kolben mit Propellerrührer bei
3000 UpM zur Reaktion gebracht, wobei die Reaktionszeit 10 Minuten betrug. 40
Bei 9896iger Ausbeute war die IV = 0,52.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung von hochmolekularen Polymeren nach der Zweiphasen-Grenzflächenmethode,
bei der zur Durchführung der Polymerisation ein inniges Gemenge zweier miteinander nicht mischbarer flüs-
siger Phasen hergestellt wird, von denen jede mindestens einen Reaktanten enthält, dadurch gekenOnzeichnet,
daß die beiden flüssigen Phasen in einem vorgegebenen Mengenverhältnis zueinander miteinander
in Verbindung gebracht und das so erhaltene Gemenge durch eine oder mehrere hintereinander geschaltete
Mischstufen geführt wird, wobei in jeder Mischstufe das Gemenge in mehrere Teilströmungen aufgeteilt
wird, die Teilströmungen mit ihren Strömungsbegrenzungen (9) quer zu ihren Hauptströmungsrichtungen
ι, Bewegungen mit mittleren Geschwindigkeiten von größer ais 5 m/s ausführen und die Teilströmungen in
einer mit zumindest einem Ausgangskanal (10) versehenen Mischkammer (8) münden, in der sie gemischt
und das erhaltene Gemenge über die Ausgangskanäle (10) abgeführt wird, wobei während des Durchflusses
das Gemenge durch die Mischkammer (8) die kinetische Energie des Gemenges auf einen gegenüber ihrem
Höchstwert geringen Wert herabgesetzt wird, und die in der Mischkammer (8) strömenden Gemengebereiche
:< sich zumindest nahezu periodisch verändernden Strömungsverhältnissen ausgesetzt sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittleren Geschwindigkeiten der quer zu
ihrer Hauptströmungsrichtung erfolgenden Bewegungen der Teilströmungen samt ihren Begrenzungen größer
als 10 rr/s sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilströmungen in eine ringför-μ
mige Mischkammer (8) münden, wobei sie sich mit ihren Begrenzungen längs einer kreisförmigen Bahn
entlang des Mischkammer-Umfanges bewegen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine spaltförmige Mischkammer
(8) verwendet wird, die jeweils in Richtung der betreffenden Teilströmungs-Hauptrichtung eine
mittlere Breite von weniger als 10 mm aufweist.
>
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bewegung der Teilströmungen
samt ihren Begrenzungen (9), die Teilströmungs-Mündungsöffnungen an der Mischkammer jeweils in ihrer
Projektion parallel zur betreffenden Teilströmungs-Hauptrichtung mit den Einmündungs-Öffnungen der
Mischkammer-Ausgangskanäle (10) periodisch zumindest zum Teil zur Deckung gebracht werden.
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