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Verfahren zur Stabilisierung von Hochdruckpolyethylen
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung
von Hochdruckpolyethylen, bei dem als Antioxidantien verwendete Stabilisatoren in
ganz bestimmter Weise eingesetzt werden.
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Es ist bekannt, dem Hochdruckpolyethylen (LDPE) nach der Polymerisation
und vor der Granulierung Stabilisatoren, vorzugsweise sterisch gehinderte Phenole,
Phosphite oder auch Thioverbindungen zuzusetzen (W.C. Ray und K. Isenhart, Polymer-Engineering
and Science 15, 703 (1975)S Dies erfolgt Ublicherweise in den der Polymerabscheidung
nachgeschalteten Homogenisier-und Granulierextrudern.
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Es ist weiterhin bekannt, daß die nachträgliche Zugabe von Stabilisatoren
zum Hochdruckpolyethylen Folgeerscheinungen nicht mehr beseitigt, wie sie in Form
von z.B. Vernetzungen, Gelbildungen oder anderen unkontrollierten Abbruchreaktionen
durch im Anschluß an die
Polymerisationsreaktion erfolgende Reaktionen,
beispielsweise von Initiatorresten, verursacht werden können. Solche Folgereaktionen
können die Ausziehfähigkeit bei der Verarbeitung ungünstig beeinflussen (F. Mitterhofer,
Kunststoffe 67, 684 (1977)).
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Ferner ist bekannt, Stabilisatoren den Monomeren oder/ und dem Reaktionsgemisch
zuzusetzen. Dies ist nicht nur wegen einer möglichen Störung der Polymerisationsreaktion
sondern auch unter Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten nachteilig, da neben einem
im allgemeinen höheren Stabilisatorverbrauch auch mehr Initiator benötigt wird.
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Aus der Patentliteratur sind folgende BeisFiele für die Anwendung
von Stabilisatoren in der Reaktionszone bekannt: Gemäß US-PS 755,167 sind stabilere
Polymere des Ethylens in einem Rohrreaktor zu erhalten, wenn 10 bis 200 ppm substituierte
Phenole, z.B. Tertiärbutyl-p-hydroxyanisol, oder substituierte Phenylamine, bezogen
auf die Polymeren, nach im wesentlichen abgeschlossener Polymerisation, jedoch vor
Verlassen der Reaktionszone, zugesetzt werden. (Hierbei sind als mögliche Lösungsmittel
Benzol, Chlorbenzol und Tertiär-butanol genannt).
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In der US-PS 3,157,628 werden 0,02 bis 0,5 % (bezogen auf die Polymeren)
noch in gewissen Lösungsmitteln lösliche p-Tertiäralkylphenol-Formaldehyd-Harze
als Zusatz in die Reaktionszone eines Rohrreaktors empfohlen.
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Als organische Lösungsmittel sind genannt: Aceton, Toluol, Benzol,
Isopropanol, Acetaldehyd und ähnliche.
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In der US-PS 3,923,776 wird die Zugabe von geringen Mengen Chinon-alkyden
in die Reaktionszone von Autoklaven- oder Rohrreaktoren bei der Herstellung von
Äthylen-Homopolymeren zur Verbesserung der optischen Eigenschaften beschrieben.
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Wie diese Beispiele zeigen, erfolgt die Zugabe der die Qualität verbessernden
Mittel in die Reaktionszone, was die eingangs genannten Nachteile mit sich bringt.
Allen genannten Beispielen ist die Lehre zu entnehmen, daß die Wirkung eines stabilisierenden
bzw. in gewissen Eigenschaften die Qualität des Polyethylens verbessernden Mittels
nur im Reaktionsraum zu erreichen ist.
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Die Dosierung stabilisierender Mittel bei hohen Drucken (1000 bis
3000 bar) in Gegenwart inerter Lösungsmittel, wie z.B. Paraffinkohlenwasserstoffen,
ist durch schlechte Löslichkeiten der in Frage kommenden Substanzen sehr erschwert.
So können z.B. Ausfällungen und Versetzungen im Rohrsystem erfolgen und Störungen
im Reaktionsverlauf eintreten.
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Es wurde nun ein Verfahren zur Stabilisierung von Hochdruckpolyethylen
(LDPE) unter Zusatz von Antioxidantien gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß man die Antioxidantien dem Reaktionsgemisch nach Verlassen des Reaktors, jedoch
vor den üblichen Abscheideeinrichtungen zur Auftrennung des Reaktionsgemisches,
zusetzt und daß man als Antioxidantien unter hohem Druck stabile, einphasige Stabilisatorsysteme
einsetzt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Herstellung von sowohl
Homo- als auch Copolymerisaten.
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Die Antioxidantien werden dem Reaktionsgemisch im allgemeinen im Bereich
der in an sich bekannter Weise nach Verlassen des Autoklavenreaktors vorgenommenen
Druckabsenkung zugesetzt. Dabei werden die Antioxidantien beispielsweise dem den
Reaktionsraum verlassenden Reaktionsgemisch oder dem Gemisch im Bereich des Reaktorentspannungsventils,
unter Ausnutzen der dort herrschenden Turbulenzen, die eine ideale Durchmischung
und so eine optimale Wirksamkeit zugesetzter Additive ermöglichen, zugegeben. Die
Antioxidantien, die hochaktive, einphasige, homogene Lösungen der verschiedenen
Stabilisatoren bzw. Stabilisatorsysteme darstellen, werden im Abstand von mindestens
der 10-fachen Nennweite des betreffenden Rohrquerschnittes vor dem Reaktorentspannungsventil
oder im Abstand von mindestens der 10-fachen Nennweite und höchstens der 20-fachen
Nennweite des betreffenden Rohrquerschnittes nach derr. Reaktorentspannungsventil
im Bereich hohen Druckes von z.B. 800 bis 2000 bar, vorzugsweise 1000 bis 1800 bar,
zugesetzt. Die Zugabe erfolgt im allgemeinen mit 20 bis 1800C, vorzugsweise mit
30 bis 600C.
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Als Stabilisatorsysteme werden beispielsweise Mischungen aus einem
hochmolekularen sterisch gehinderten Phenol, einem bei hohem Druck schwer löslichen
Phosphitstabilisator oder einer bei hohem Druck schwer löslichen Thioverbindung
oder ein Gemisch dieser Verbindungen mit einem niedermolekularen sterisch gehinderten
Phenol eingesetzt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden bei bis zu 2000 bar homogene
Stabilisatorsysteme oder Stabilisator/Lösungsmittel-Systeme eingesetzt. Diese lassen
sich z.B. erhalten, wenn eine Lösung A eines sterisch gehinderten phenolischen Stabilisators
mit niedrigem Molekulargewicht in einem
Kohlenwasserstoff mit einem
in einem Kohlenwasserstoff schlecht löslichen sterisch gehinderten phenolischen
Stabilisator mit höherem Molekulargewicht oder mit einem ebenfalls schlecht löslichen
Phosphitstabilisator, oder Mischungen dieser Komponenten, versehen wird. Es kann
dabei vorteilhaft sein, die erste Lösung A zunächst zu erwärmen und dann die schlecht
löslichen Stabilisatoren (ohne Lösungsmittel) zuzugeben, um eine homogene Stabilisatorlösung
B zu erzielen. Letztere kann bei zunächst erhöhter Temperatur oder bei Raumtemperatur
auf den Betriebsdruck von ca. 2000 bar gebracht werden. Diese einer unterkühlten
Schmelze vergleichbare Lösung mit einem sterisch gehinderten phenolischen Stabilisator
mit niedrigem Molekulargewicht als Lösungsvermittler bleibt unter einem Betriebsdruck
von 2000 bar und Raumtemperatur stabil und führt unter Produktionsbedingungen nicht
zu Versetzungen.
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Für die erstgenannte Lösung A sind als Lösungsmittel aliphatische
sowie cyclische Kohlenwasserstoffe im Bereich von C5 bis C30, vorteilhaft Kohlenwasserstoffe
im Bereich C6 bis C12, geeignet. Als Stabilisatoren für Lösung A eignen sich sterisch
gehinderte Phenole, vorzugsweise solche, die nur einen aromatischen Kern enthalten.
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Diese sind beispielsweise 2,6-Di-tert.butyl-p-kresol, 2,3-Di-tert.butyl-4-hydroxy-anisol,
Octadecyl-3-(3,5-ditert.butyl-4-hydroxy-phenyl)-propionat, tert.Butylhydrochinon,
vorzugsweise 2,6-Di-tert.butyl-p-kresol.
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Die phenolische Komponente, die der Lösung A zugesetzt wird, ist im
allgemeinen ein mehrere aromatische Kerne enthaltender Stabilisator mit höherem
Molekulargewicht.
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Als Beispiel seien genannt: 1,1,3-Tris-(2 -methyl-4-hydroxy-5-tert.butyl-phenyl)buten,
Tetrakis/methylen-3-(3',5'-di-tert.butyl-4-hydrõxy-phenyl)propionat7methan, 2,2'-Methylen-bis-
(4-ethyl-6-tert.butyl-phenol), 1,3,5-
Trimethyl-2,4,6-tris-(3,5-tert.butyl-4-hydroxybenzyl)-benzol,
2,2'-Methylen-bis- (4-methyl-6-tert.butyl-phenol), 2,6-Bis-(2'-hydroxy-3'-tert.butyl-5'-methylbenzyl)-4-methylphenol.
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Es ist vorteilhaft, der Lösung A ferner ein bzw. mehrere Phosphitstabilsatoren,
sowie gegebenenfalls Thioverbindungen, zuzusetzen, die ein- oder mehrkernig sein
können.
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Es sind dies Verbindungen wie Tris-nonyl-phenyl-phosphit, Tris-(2,4-di-tert.butyl-kresyl)-phosphit,
Di-(stearyl)-pentaerythrit-diphosphit. Weiterhin seien Schwefelverbindungen wie
Dilauryl-thiodipropionat, Dimyristylthiodipropionat, Distearylthiodipropionat, 4,4'-Thiobis-(6-tert.butyl-m-kresol),
4,4'-Thiobis-(5-tert.butylo-kresol), genannt.
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Beispielsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt durchgeführt:
In Rührautoklaven mit einem L/D-Verhältnis (L = Länge, D = Durchmesser) von / 3
bis 4 und bei entsprechender Rührgestaltung, wodurch eine vollständige Rückvermischung
gewährleistet ist, werden ethylenisch ungesättigte Verbindungen unter Zusatz geeigneter
Radikallieferanten sowie Molekulargewichtsreglern in an sich bekannter Weise in
einem Druckbereich von 1500 bis 3000, insbesondere von 1800 bis 2200 bar, und einem
Temperaturbereich von 150 bis 3000C, vorzugsweise 160 bis 2800C, polymerisiert.
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Nach Absenken des Reaktionsdruckes und vollzogener Phasentrennung,
die mehrstufig erfolgen kann, wird über homogenisierende Extruder ausgetragen.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden geeignete Stabilisator/Stabilisator-Lösungsmittel-Systeme,
wie oben näher ausgeführt, unmittelbar nach Beendigung der Polymerisation,im Bereich
der eigentlichen Druckabsenkung
bzw. Phasentrennung, dosiert. In
der Regel verwendet man 25 %-ige Lösungen, wobei 150 bis 500 ppm, vorzugsweise 300
bis 400 ppm, in das Polymer eingebracht werden.
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Beim erfindungsgemäßen Einsatz der beschriebenen Stabilisator-Lösungen
werden Produkte mit verbesserten Eigenschaften, beispielsweise verbesserter Ausziehfähigkeit,
erhalten.
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Die Herstellung der entsprechenden Stabilisatorsysteme und der damit
entsprechend der Beschreibung hergestellten LDPE-Harze ist aus den Beispielen 3
bis 9 und 11 zu ersehen. In Tabelle I sind bei der Herstellung dosierte und in den
Polymeren enthaltene Stabilisatormengen angegeben.
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Beispiel 1 Eine 25 Teile 2,6-Di-tert.butyl-p-kresol enthaltende Isododecanlösung
wird auf 80 bis 900C erhitzt bis eine homogene Lösung entstanden ist. In einer optischen
Hochdruckzelle wird diese Lösung auf einen Druck von 2000 bar gebracht. Bei einer
auf T > 60 0C temperierten Zelle beginnt nach 25 Minuten Kristallisation, bis
T = 94°C ist die Lösung mehrere Stunden homogen.
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Beispiel 2 Eine 25 Teile 2c6-Di-tert.butyl-p-kresol enthaltende Isododekanlösung
wird mit 5 Teilen Aceton versetzt und unter Rühren bei Raumtemperatur gelöst. In
einer optischen Hochdruckzelle (2000 bar) bleibt die Probe bei einer Zelltemperatur
von T = 600C 60 Minuten homogen, bei Absenken der Temperatur auf T = 45°C (Abkühlrate
0,7°C/Minute) beginnt Kristallisation.
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Bei T = 77°C ist die Lösung mehrere Stunden homogen.
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Beispiel 3 Eine 15 Teile 2,6-Di-tert.-butyl-p-kresol enthaltende Isododekanlösung
wird mit 10 Teilen Tetrakis- ffi ethylen-3-(3',5'-di-tert.butyl-4-hydroxy-phenyl)propionat7-methan
versetzt. Unter Rühren wird auf 60 bis 80°C erhitzt, bis eine homogene Lösung entstanden
ist. Nach Abkühlen bleibt die Lösung 3 bis 5 Tage stabil.
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In einer optischen Hochtemperatur (2000 bar) bleibt die Probe bei
einer Zelltemperatur von T = 50°C mehrere Stunden stabil. Bei Absenken der Temperatur
(Abkühlrate 0,70C/Minute) wird bis -50C kein Ausfallen von Feststoff beobachtet.
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Beispiel 4 Eine 15 Teile 2,6-Di-tert.-butyl-p-kresol enthaltende Isododekanlösung
wird mit 5 Teilen Tetrakis-[methylen-3-(3',5'-di-tert.butyl-4-hydroxy-phenyl)propionat7-methan
und 5 Teilen Tris-(2,4-di-tert.butyl-kresyl)-phosDhit versetzt. Das Lösungsverhalten
ist analog Beispiel 3.
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Beispiel 5 Eine 15 Teile 2,6-Di-tert.butyl-p-kresol enthaltende Isododekanlösung
wird mit 2,5 Teilen Tetrakis-Lmethylen-3-(3',5'-di-tert.butyl-4-hydroxy-phenyl)proplonat7-methan
und 7,5 Teilen Tris-(2,4-di-tert.butyl-kresyl)-phosphit versetzt. Das Lösungsverhalten
entspricht Beispiel 3.
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Beispiel 6 Eine 10 Teile 2,6-Di-tert.butyl-p-kresol enthaltende Isododekanlösung
wird mit 15 Teilen Octadecyl-3-(3,5-di-tert.butyl-4-hydroxy-phenyl) -propionat versetzt,
Die Lösung ist oberhalb 170C bei 2000 bar stabil.
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Beispiel 7 Eine 5 Teile 2,6-Di-tert.butyl-p-kresol enthaltende Isododekanlösung
wird mit 10 Teilen Octadecyl-3-(3,5-di-tert.butyl-4-hydroxy-phenyl)-propionat und
mit 10 Teilen Di-(stearyl) -pentaerylthrityl-diphosphit versetzt. Die Lösung ist
oberhalb 350C bei 2000 bar stabil.
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Beispiel 8 Es wurde unter im allgemeinen bekannten Bedingungen ein
EVA (Ethylen/V inylacetat) -Copolymeres mit einem Gehalt an Vinylacetat von 3,5
%, einer Dichte von 0,927 g/cm3 und einem Schmelzindex von 1,6 g/10 Minuten hergstellt.
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Unmittelbar nach Beendigung der Polymerisationsreaktion wurde in das
den Reaktionsraum verlassende Reaktionsgemisch im Bereich des Reaktorentspannungsventils
bei einem Druck von 1800 bis 2200 bar das in Beispiel 4 beschriebene Stabilisator/Lösungsmittelsystem,
das sich bei Temperaturen von 2t bis 250C bequem handhaben ließ, zudosiert. Das
erhaltene Granulat wurde auf einer Reifenhäuser S-60-Folienblasanlage (Ausstoß 66
kg/h, Abzugsgeschwindigkeit 15 m/Minute, Aufblasverhältnis 1 : 2,5, Massetemperatur
2000C) zu einer 50 ,um starken Blasfolie verarbeitet. Bei einer Ausziehfähigkeit
von 20 /um erfolgte nach 100 Minuten noch kein Folienabriß.
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Beispiel 9 Es wurde ein Produkt entsprechend der Beschreibung in Beispiel
8 hergestellt, wobei ein in Beispiel 5 beschriebenes Stabilisatorsystem unmittelbart
nach Beendigung der Polymerisationsreaktion im Hochdruckteil dosiert wurde. Bei
der Folienherstellung, analog Beispiel 8, erfolgte bei einer Ausziehfähigkeit von
20 nach 150 Minuten noch kein Folienabriß.
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Beispiel 10 (Vergleichsbeispiel) Bei einem nach Beispiel 8 hergestellten
EVA Copolymeren wurde auf die Zugabe des Stabilisator/Stabilisator-Lösungsmittelsystems
im Hochdruckteil verzichtet.
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Das EVA Copolymere wurde mit 500 ppm 2,6-Di-tert.butylp-kresol im
Granulierextruder versehen.
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Es wurde, wie in Beispiel 8 beschrieben, eine Blasfolie hergestellt.
Nachdem 15 Minuten mit 50 /um gefahren worden war, wurde die Ausziehfähigkeit auf
20,um herabgesetzt. Nach weiteren 10 Minuten erfolgte Folienabriß wegen des Auftretens
von langgezogenen Gelpartikeln.
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Beispiel 11 Es wurde ein EVA-Copolymeres mit einem Gehalt an Vinylacetat
von 2 %, einer Dichte von 0,927 und einem Schmelzindex von 0,3 g/10 min wie in Beispiel
8 beschrieben, zu einer 50 /um starken Folie verarbeitet. Das Produkt war mit einem
in Beispiel 1 beschriebenen Stabilisatorsystem unmittelbar nach der Polymerisation
im Bereich des Hochdruckentspannungsventils versetzt worden; auf eine nachträgliche
Stabilisierung, wie in Beispiel 10 beschrieben, war verzichtet worden. Der Stabilisatorgehalt
der Folie betrug 300 ppm.
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Nach Einarbeiten von 2,5 % eines handelsüblichen 60 % TiO2-Masterbatches
(1,5 % Ti02 in der Folie) wurde eine Ausziehfähigkeit von 65,um ermittelt. (Laufzeit:
c Stunden).
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Beispiel 12 (Vergleichsbeispiel) Es wurde ein in Beispiel 11 beschriebenes
Produkt, jedoch ohne Zusatz des Stabilisatorsystems unmitelbar nach der Polymerisation,
mit 500 ppm 2,6-Di-tert.butyl-p-kresol im Granulierextruder stabilisiert. Nach Einarbeiten
der in Beispiel 11 beschriebenen Menge TiO2 wurde eine Ausziehfähigkeit von 90/um
ermittelt. (Laufzeit: 5 Stunden).
Tabelle I Stabilisatorgehalt
in LDPE (in ppm)
Summe phenol. Niedermolekulare Hochmolekulare Phosphit |
Stabilisatoren phenol.Stabilisatoren phenol.Stabilisatoren
Stabilisator |
erste Lösung A Zusätze zu A |
dosiert dosiert gefunden dosiert gefunden dosiert gefun- |
den |
Dosierung über |
Austragsextruder |
Beispiel 10 500 500' 4851) - - - - |
Dosierung nach |
Polymerisation |
Beispiel 8 2812) 225 1003) 75 403) 75 103) |
Dosierung nach |
Polymerisation |
Beispiel 9 186²) 165 803) 28 253) 83 203) |
1) UV-spektroskopisch im Polymeren bestimmt, bezogen auf 2,6-Di-tert.butyl-p-kresol
2) Berechnet als Summe niedermolekularer phenol. Stabilisatoren, bezogen auf 2,6-Di-tert.-butyl-p-kresol
3) Bestimmt durch quantitative Dünnschichtchromotographie an CH2Cl-Extrakten