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Verwendung von Polybenzylen als Fließhilfsmittel
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für aromatische Polyester Die Erfindung betrifft die Verwendung von
gegebenenfalls substituierten Polybenzylen zur Verbesserung der Fließfähigkeit der
Schmelze thermoplastischer voll-aromatischer Polyester.
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Aromatische Polyester sind bekannt (W. M. Eareckson, J. Polym. Sci.
XL, 399-406 (1959); Andre Conix, "Thermoplastic Polyesters from Bisphenols", Ind.
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Eng. Chem., Vol. 51, Nr. 2, 147-150, Febr. 1959; FR 11 77 517, US
33 51 624, DE-AS 14 45 384). Sie werden aufgrund ihrer ausgezeichneten Eigenschaften
überall dort eingesetzt, wo hohe Wärmeformbeständigkeit und gute Schlag- bzw. Kerbschlagzähigkeit
erwünscht sind.
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Obwohl die bislang bekannten thermoplastischen aromatischen Polyester
viele Anforderungen erfüllen, ist die Fachwelt daran interessiert, die Fließfähigkeit
der Schmelze noch zu verbessern. Zu diesem Zweck sind schon verschiedene Maßnahmen
vorgeschlagen worden:
Einerseits hat man das Problem über die Legierung
mit ABS-Harzen (JP-OS 73/25 053), Polyethylenterephthalat (DE-OS 23 33 017, JP-OS
74/23 844, US 39 46 091), Polyethylenhydroxybenzoat (JP-OS 75/5443, US 38 84 990),
Polytetrafluorethylen (JP-OS 75/5444), Copolyestern aus Ethylenglykol, Terephthal-
und p-Hydroxybenzoesäure (JP-OS 75/64 351), aliphatischen oder aromatischen Polyestern
(JP-OS 75/96 652) und Polyamiden (DE-OS 26 46 728) zu lösen versucht, wobei dann
allerdings nicht nur die Wärmeformbeständigkeit und die mechanischen Eigenschaften
der erhaltenen Legierungen manche Wünsche offen ließen, sondern auch die Transparenz
verlorenging.
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Andererseits wurde auch schon vorgeschlagen, die Fließfähigkeit aromatischer
Polyester durch Zusatz folgender niedermolekularer Hilfsmittel zu steigern: Trialkylphosphate
(JP-OS 74/34 546), Diphenylsulfoxid (JP-OS 74/86 433), Ester aromatischer Phosphonsäuren
(JP-OS 76/37 145) und Ester aromatischer Carbonsäuren (JP-OS 76/37 146). Wegen des
hohen Dampfdrucks dieser Verbindungen muß man in Anbetracht der hohen Verarbeitungstemperaturen
aromatischer Polyester mit Verdampfungsverlusten und gar mit Selbstentzündung dieser
Fließhilfsmittel rechnen.
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Gemäß DE-OS 30 31 491 wird Pentaerythrit-tetrastearat als Fließhilfsmittel
für voll-aromatische Polyester verwendet. Aufgrund der Reaktivität seiner Estergruppen
neigt Pentaerythrit-tetrastearat bei höheren Temperaturen jedoch zur Umesterung
mit dem Polyester; es wird
deshalb erst nach der beendeten Polyesterherstellung
zugesetzt, weil andernfalls mit einem Abbau des Polyesters zu rechnen wäre.
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Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß bereits kleine Mengen
gegebenenfalls substituierter Polybenzyle die Schmelzviskosität senken, ohne andere
wesentliche Eigenschaften der Polyester, wie z.B. die Zähigkeit und die Wärmeformbeständigkeit,
nennenswert zu verschlechtern.
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Gegenstand der Erfindung ist also die Verwendung von Polybenzylen
mit (im Mittel) 5 bis 100, vorzugsweise 6 bis 30, wiederkehrenden Einheiten der
Formel
worin R1, R Wasserstoff oder C1-C10-Alkyl, vorzugsweise C1-C3-Alkyl, bedeuten, als
Fließhilfsmittel für voll-aromatische Polyester.
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Die erfindungsgemäß zu verwendenden Polybenzyle werden vorzugsweise
in Mengen von 0,01 bis 10, insbesondere in Mengen von 0,1 bis 3 Gew.-%, bezogen
auf voll-aromatischen Polyester eingesetzt.
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Polybenzyle werden in der Regel durch Friedel-Crafts-Alkylierung von
Benzylhalogeniden der Formel
mit sich selbst hergestellt, wobei X ein Jod-, vorzugsweise ein Chlor- oder Bromatom
bedeutet und R1 und R2 die oben angegebene Bedeutung haben.
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Die Alkylierung erfolgt im vorliegenden Fall in m- und/ oder p-Position,
wobei durch Mehrfachalkylierung natürlich auch Verzweigungen entstehen können. Bis
zu 10 % der aromatischen Ringe der erfindungsgemäß zu verwendenden Polybenzyle,
können Verzweigungsstellen darstellen.
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Die erfindungsgemäß zu verwendenden Polybenzyle können als Endgruppen
die aufgrund der Friedel-Crafts-Alkylierung entstehenden Gruppen
sowie Wasserstoff, Halogen, Hydroxyl, -OR', mit
Rg = C1-C18-Alkyl
(insbesondere Methyl), C7-C12-Aralkyl (vorzugsweise Benzyl) und C4-C18-, vorzugsweise
C6-C12 -Aryl (insbesondere Phenyl) tragen. Als Endgruppen kommen insbesondere Phenyl
und Tolyl infrage; vorzugsweise sind die Endgruppen keine Halogenatome.
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Durch Nebenreaktionen können z.B. auch Isopropenylphenylgruppen oder
Trimethylphenylindylgruppen der Formel
entstehen.
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Die Herstellung der erfindungsgemäß zu verwendenden Polybenzyle wird
z.B. in der US-PS 37 70 661 und in CHEMTECH (1972) 687 beschrieben.
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Nach einem bevorzugten Herstellungsverfahren setzt man Benzylhalogenid,
vorzugsweise Cumylhalogenid, nach Friedel-Crafts mit sich selbst um, wobei man Benzylhalogenid,
vorzugsweise Cumylhalogenid und, bezogen auf 100 Gewichtsteile Benzyl- bzw. Cumylhalogenid,
1 bis 50, vorzugsweise 2 bis 20, Gewichtsteile Katalysatormischung aus a) Aluminiumhalogenid
und b) als zweiter Lewis-Säure einem Halogenid aus der
Reihe (i)
Halogenide 1- bis 3-wertiger übergangsmetalle mit Ausnahme solcher der 3., 4. und
5. Nebengruppe, (ii) Halogenide von Tl(III), Sn(II), Pb(II), Sb(III) und Bi(III),
(iii) Bortrihalogenide und (iv) P(V)-halogenide, wobei das Molverhältnis a/b 1 :
10 bis 2 : 1, vorzugsweise 1 : 3 bis 1 : 6, beträgt, in 100 bis 5000, vorzugsweise
300 bis 3000, Gewichtsteilen inertem organischem Lösungsmittel bei Temperaturen
von -130 bis +30°C, vorzugsweise von -50 bis 100C, reagieren läßt.
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Aluminiumhalogenide a) sind solche Aluminiumverbindungen, die mindestens
eine Aluminium-Halogen-Bindung pro Molekül enthalten. Bevorzugte Aluminiumhalogenide
umfassen Aluminiumtrichlorid, -tribromid und -trijodid, Aluminium-C1-C4-alkylhalogenide
des Typs (RAlHal2)n und (R2AlHal) n mit Hal = Chlor, Brom, Jod und n = 1 oder 2,
Komplexsalze des Typs (AlHal4)2 Me mit Me = zweiwertiges Metallion, wie z.B. Co
, und Aluminiumhalogenide, die aus Aluminiumtrihalogeniden in situ durch Austausch
von ein oder zwei Halogenatomen durch andere Nucleophile, wie z.B. C1-C3-Alkoholate,
Säureanionen, wie z.B.
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Hydrogenphosphat, erhalten werden.
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Sind mehrere Halogenatome an ein Aluminiumatom gebunden, so können
sie auch gemischt sein; beispielsweise kann ein Teil der Chloratome durch Brom-
oder Jodatome ersetzt sein. Die Aluminiumhalogenide a) können auch Hydratwasser
enthalten, doch scheiden Hydrate mit vollständig hydratisierten Aluminiumionen (Koordinationszahl
mindestens 6) aus. Man kann anstelle der Aluminiumhalogenide a) auch solche Verbindungen
einsetzen, aus denen sich die Aluminiumhalogenide vor oder während der Reaktion
bilden.
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Für die Halogenide b) gilt, daß sie - ebenso wie die Halogenide a)
- unterschiedliche Halogene und/oder Hydratwasser enthalten können, daß ihre Halogenatome
teilweise durch andere Nucelophile ersetzt sein können und daß sie vor oder während
der Reaktion aus anderen Verbindungen gebildet werden können.
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Bevorzugte Halogenide b) sind z.B.: (i) Kupfer(II)-, Zink-, Chrom(III)-,
Eisen(II)-, Eisen(III)-, Cobalt- und Nickelhalogenide, insbesondere Eisen(III)chlorid,
(ii) Thallium(III)chlorid, Zinn(II)chlorid, Blei(II)-chlorid, Antimontrichlorid
und Wismuttrichlorid, (iii) Bortrichlorid, (iv) Phosphorpentachlorid und Phosphoroxytrichlorid.
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Als inerte Lösungsmittel eignen sich alle Lösungsmittel, deren Schmelzpunkte
so niedrig liegen, daß die gesamte Reaktionsmischung bei der jeweiligen Reaktionstemperatur
flüssig ist. Bevorzugte inerte Lösungsmittel sind halogenierte, vorzugsweise chlorierte,
Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Mono-, Di-, Tri- und Tetrachlormethan, Mono-, 1,1-
und 1,2-Di-, Tri- und 1,1,2,2-Tetrachlorethan, Mono-, 1,1- und 1,2-Di-, Tri- und
Tetrachlorethylen.
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Beispiele bevorzugter Fluor, Brom bzw. Jod enthaltender Lösungsmittel
sind Monobrommonochlormethan, Bromchlorfluormethan, Monofluordichlormethan, Methyljodid,
Bromethan, 1-Chlor-2-bromethylen, 1 , 1-Dibromethan, 1,1-Dichlor-1 , 2-dibromethan,
1,2-Dichlor-1,2-dibromethan, 1,1-Dichlor-1,2,2,2-tetrafluorethan, Monojodethan,
1,1,2-Tribromethan, 1,1,2-Trichlor-1,2,2-trifluorethan, 1,2-Dibromethylen. Bevorzugt
eingesetzt werden Dichlormethan und Gemische von Dichlormethan und Trichlorethylen.
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Aromatische Polyester im Sinne der Erfindung sind thermoplastische
Polyester aus aromatischen Dihydroxyverbindungen und Iso- und/oder Terephthalsäure,
Kettenabbrechern und gegebenenfalls Verzweigungsmitteln, wobei bis zu 50 Mol-% der
Estergruppen durch Carbonatgruppen ersetzt sein können.
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Die aromatischen Polyester besitzen in der Regel relative Lösungsviskositäten
von 1,18 bis 2,0, vorzugsweise von 1,2 bis 1,5 (gemessen mit einer Lösung von 0,5
g Substanz in 100 ml CH2Cl2-Lösung bei 250C).
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Bevorzugte Diphenole für die Herstellung der aromatischen Polyester
sind Verbindungen der Formel HO - Z - OH (IV) worin Z einen zweiwertigen ein- oder
mehrkernigen aromatischen Rest mit 6-30 C-Atomen bedeutet, wobei Z derart gebaut
ist, daß die beiden OH-Gruppen direkt an je ein C-Atom eines aromatischen Systems
gebunden sind.
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Besonders bevorzugte Diphenole sind Verbindungen der Formel
in der Y eine Einfachbindung, einen Alkylen- oder Alkylidenrest mit 1-7 C-Atomen,
einen Cycloalkylen- oder Cycloalkylidenrest mit 5-12 C-Atomen, -O-, -S-,
-SO2-, oder
bedeutet, sowie deren kernalkylierte und kernhalogenierte Derivate, z.B.
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Hydrochinon, Resorcin, Dihydroxydiphenyle,
Bis-(hydroxyphenyl)-alkane,
Bis-(hydroxyphenyl)-cycloalkane, Bis-(hydroxyphenyl)-sulfide, Bis-(hydroxyphenyl)-ether,
Bis-(hydroxyphenyl)-ketone, Bis-(hydroxyphenyl)-sulfoxide, Bis-(hydroxyphenyl)-sulfone
und ;,d~'-Bis-(hydroxyphenyl)-diisopropylbenzole sowie deren kernalkylierte und
kernhalogenierte Verbindungen, insbesondere z.B. Bisphenol A, Tetramethylbisphenol
A, 1, 1-Bis-(4-hydroxyphenyl) -isobutan, 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclohexan, 4,4'-Dihydroxydiphenylsulfid,
4,4'-Dihydroxydiphenyl, 4,4'-Dihydroxydiphenylsulfon sowie deren di- und tetrahalogenierte
Derivate. Besonders bevorzugt ist Bisphenol A. Es können auch beliebige Mischungen
der vorgenannten Diphenole verwendet werden.
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Als Kettenabbrecher für die aromatischen Polyester, deren Fließfähigkeit
erfindungsgemäß verbessert werden kann, werden vorzugsweise Phenol, Alkylphenole
mit C1-C12 -Alkylgruppen, halogenierte Phenole, Hydroxydiphenyl, Naphthole, Chlorkohlensäureester
aus solchen phenolischen Verbindungen und Chloride von aromatischen Monocarbonsäuren,
die gegebenenfalls durch C1-C22-Alkylgruppen und Halogenatome substituiert sein
können, in Mengen von 0,1 bis 10 Mol-% (im Falle von Phenolen bezogen auf Diphenole,
im Falle von Säurechloriden bezogen auf Säuredichloride) verwendet.
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Als Verzweigungsmittel für die aromatischen Polyester, deren Fließfähigkeit
erfindungsgemäß verbessert werden kann, lassen sich vorzugsweise 3-oder höherfunktionelle
Carbonsäurechloride oder 3- und höherwertige Phenole in Mengen von 0,01 bis 1 Mol-%,
bezogen auf eingesetzte Dicarbonsäurechloride bzw. auf eingesetzte Diphenole, verwenden.
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Außerdem können die aromatischen Polyester bis zu 10 Mol-% Säureanhydrid-Gruppierungen
(bezogen auf die Summe von Carbonester-, Carbonat- und Anhydrid-Gruppierungen) enthalten.
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Verfahren zur Herstellung aromatischer Polyester sind bekannt: Sie
können aus Diphenolen, Dicarbonsäurediphenylestern, Kettenabbrechern und gegebenenfalls
Verzweigungsmitteln nach dem Umesterungsverfahren oder aus Diphenolen, Dicarbonsäuredichloriden,
Kettenabbrechern und gegebenenfalls Verzweigungsmitteln in der Schmelze, in Lösung
oder nach dem Phasengrenzflächenverfahren hergestellt werden; vgl. V.V. Korshak
und S.V. Vinogradova, "Polyesters", Pergamon Press, 1965.
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Bevorzugte Dicarbonsäuren sind Terephthalsäure, Isophthalsäure, o-Phthalsäure,
Naphthalindicarbonsäuren und Diphenyletherdicarbonsäuren.
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Auch der teilweise Ersatz der Ester- durch Carbonatgruppen ist bekannt
(G.S. Kolesnikow et. al., J. Polym.
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Sci. USSR, Vol. 9, 1967, S. 1705 bis 1711; US 2 030 331, 3 169 121,
3 409 704, DE-OS 2 714 544, 2 758 030).
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Die Einarbeitung der erfindungsgemäß zu verwendenden, normalerweise
in Pulverform vorliegenden Fließhilfsmittel in die aromatischen Polyester kann z.B.
durch Auftrudeln auf das Polyestergranulat, anschließende Homogenisierung im Extruder
und erneute Granulierung erfolgen.
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Die Fließhilfsmittel können den Polyestern auch während der Herstellung,
beispielsweise vor dem Eindampfen von deren Lösungen, zugesetzt werden.
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Schließlich ist auch das Auftrudeln der pulverförmigen Fließhilfsmittel
auf das Granulat und dessen unmittelbare Verarbeitung zu Formkörpern möglich.
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Die erfindungsgemäß mit Fließhilfsmittel ausgerüsteten aromatischen
Polyester können Stabilisatoren, Fließmittel, Weichmacher und Füllstoffe, wie z.B.
Glasfasern, Glaskugeln, Asbest- und Kohlenstoffasern, Kieselgur, Kaolin, Gesteinsmehl
und Pigmente, enthalten.
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Die gemäß der Erfindung verbesserten aromatischen Polyester können
nach üblichen Verfahren in Spritzgießmaschinen zu Formkörpern oder in Extrudern
zu Halbzeug verarbeitet werden.
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Der Zusatz der erfindungsgemäß zu verwendenden Fließhilfsmittel macht
sich weder bezüglich Transparenz noch bezüglich Farbe nachteilig bemerkbar.
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Beispiele Herstellung von α-Cumylchlorid Bei -100C wird in eine
Lösung von 180 g frisch destilliertem zu -Methylstyrol in 600 ml getrocknetem Dichlormethan
trockener Chlorwasserstoff bis zur Sättigung eingeleitet.
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Polykondensation des zu -Cumylchlorids Unter Stickstoffspülung wird
die gesamte, frisch hergestellte Cumylchlorid/Dichlormethanlösung bei -400C zu einer
Mischung aus 1800 ml getrocknetem und destilliertem Dichlormethan, 12 g wasserfreiem
Eisentrichlorid und 3 g wasserfreiem Aluminiumtrichlorid innerhalb einer Stunde
getropft und dann 5 Stunden unter Stickstoffspülung bei -400C nachgerührt.
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Anschließend verrührt man das Reaktionsgemisch bei Raumtermperatur
mit 6 1 destilliertem Wasser, trennt die organische Phase ab und engt sie bei 600C
und 20 mbar bis auf ca. 500 ml ein. Die so erhaltene Lösung wird in 2 1 Aceton eingerührt.
Hierbei fällt die 1. Polymerfraktion (P 1) aus. Sie wird abfiltriert und getrocknet.
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Die Mutterlauge von P 1 wird bis fast zur Trockne eingeengt, der Rückstand
in 450 ml Dichlormethan aufgenommen und zur Fällung der 2. Polymerfraktion (P 2)
in 6 1 Methanol eingerührt. Auch P 2 wird abfiltriert und getrocknet.
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Der Umsatz des eingesetzten-Cumylchlorids beträgt 100 %. Man erhält
126 g P 1 und 31 g P 2.
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Analysen der Produkte: P 1: Mw = 2300, Mn = 1600 (gemessen durch Gelpermeationschromatografie
in Chlorbenzol bei 600C) Schmelzbereich: ca. 2400C Thermische Zers.: ca. 4500C Cl-Gehalt:
0,09 Gew.-% P 2: Mw = 1100, Mn = 900 Schmelzbereich: ca. 1100C Thermische Zers.:
ca. 4300C Cl-Gehalt: <0,005 Gew.-% Die Ketten enthalten ganz überwiegend eine
1-Phenyl-1,3,3-trimethyl-indyl-Endgruppe.
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Beispiele 1 - 8 Die beiden Polybenzyle P 1 und P 2 wurden in einem
Doppelwellenextruder bei 3800C in Mengen von jeweils 0,5 und 2 Gew.- in einen aromatischen
Polyester (APE) und in ein Polyestercarbonat (PEC) eingearbeitet.
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Die Polyester waren wie folgt hergestellt: APE aus Bisphenol A und
(1 : 1)-Gemisch Iso- und Terephthalsäuredichlorid nach Phasengrenzflächenverfahren.
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In einem Stahlkessel mit intensiv wirkendem Rührer wurden unter Stickstoffatmosphäre
2,736 kg Bisphenol-A, 1,5 1 45 gew.-%ige wäßrige Natronlauge, 8,4 g Natriumborhydrid,
80 g Tetrabutylammonium-bromid, 86,7 g p-Isooctylphenol, 40 1 Wasser und 22 1 Dichlormethan
bis zur Lösung des Bisphenols bei Raumtemperatur gerührt.
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Unter Wasserkühlung wurde dann innerhalb 15 Minuten eine Lösung aus
je 1239,5 g Iso- und Terephthalsäuredichlorid in 6 1 Dichlormethan in das intensiv
gerührte Zweiphasengemisch gegeben. Die Temperatur des Zweiphasengemisches überstieg
dabei nicht 220C. Der pH-Wert der wäßrigen Phase wurde bei 12 - 13 gehalten. Die
Nachrührzeit betrug 1 Stunde. - Nach Abtrennung der wäßrigalkalischen Phase wurde
die organische Phase zunächst mit verdünnter wäßriger Phosphorsäure, dann mit Wasser
salzfrei gewaschen und ca. 50 % des Dichlormethans unter Normaldruck abdestilliert.
Die verbliebene Lösung wurde mit 15 1 Chlorbenzol verdünnt und die Abdestillation
des Dichlormethans fortgesetzt, bis die Sumpftemperatur ca. 800C betrug, der Polyester
sodann im Vakuumextruder bei 3800C vom Chlorbenzol befreit, als Strang abgezogen
und granuliert. Das Granulat besaß eine relative Lösungsviskosität von 1,264.
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PEC mit 30 Mol-% Carbonatanteil. Wie für APE beschrieben, wurden 2,736
kg Bisphenol A, 1,5 1 45 gew.-%ige wäßrige Natronlauge, 8,4 g Natriumborhydrid,
120 g Triethylamin, 36 1 Wasser und 22 1 Dichlormethan in einen Stahlkessel gefüllt
und das Gemisch bis zur vollständigen Lösung des Bisphenols gerührt.
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In das intensiv gerührte Zweiphasengemisch wurde dann unter Wasserkühlung
innerhalb 15 Minuten eine Lösung aus je 852,72 g Iso- und Terephthalsäurechlorid
und 39,5 g (3,5 Mol-%) Phenol, gelöst in 3 1 Dichlormethan, gegeben und 1 Stunde
nachgerührt. Die Temperatur des Reaktionsgemisches überstieg dabei nicht 220C. Durch
Zugabe von Natriumhydroxyd wurde der pH-Wert des Gemisches bei 12 - 13 gehalten.
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Unter fortgesetztem Rühren erfolgte die Einleitung von 600 g Phosgen,
wobei die Temperatur wieder bei ca. 20"C und der pH-Wert bei 12 - 13 gehalten wurden.
Nach der Einleitung des Phosgens wurden 120 ml einer 4 gew.-%igen wäßrigen Lösung
von Triethylamin zugesetzt und noch 1 Stunde nachgerührt. Die Aufarbeitung erfolgte
wie für APE angegeben. Das Granulat besaß eine relative Lösungsviskosität von 1,269.
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Die Eigenschaften der Mischungen aus APE bzw. PEC mit den erfindungsgemäßen
Fließhilfsmitteln sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
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Tabelle: Eigenschaften der Mischungen aus APE und PEC mit den erfindungsgemäßen
Fließhilfsmitteln Beispiel Polyester Fließhilfs- Eigenschaften der Mischungen #rel
vor und nach Messung der mittel ak (kJ/m²) Vicat B (°C) Schmelz- Schmelzviskosität
Art/Gew.-% viskosität vor nach Vgl. APE - 23,5 191,5 985 1,258 1,257 Vgl. PEC -
25,6 178 590 1,261 1,258 1 APE P 1/0,5 22,8 191 915 1,254 1,257 2 " P 1/2 22,1 188
795 1,248 1,251 3 " P 2/0,5 22,5 191 890 1,252 1,251 4 " P 2/2 21,9 187,5 780 1,249
1,254 5 PEC P 1/0,5 24,9 177 520 1,258 1,255 6 " P 1/2 24,2 176 385 1,252 1,250
7 " P 2/0,5 24,8 177 510 1,257 1,253 8 " P 2/2 23,8 175,5 370 1,251 1,249 ak = Kerbschlagzähigkeit
gemäß DIN 53 453 Vicat B = Wärmeformbeständigkeit nach Vicat, Methode B, DIN 53
460 Schmelzviskosität: bei 360°C und einer Schergeschwindigkeit von 10¹ sec-1 gemessen
mit einem Kapillarrheometer in Anlehnung am DIN-Entwurf 54 811 (8.80). Durchmesser
der Düse 1 mm, Länge der Düse 20 mm. Durchmesser des Zylinders 9,5 mm #rel = relative
Lösungsviskosität, gemessen mit einer Lösung aus 0,5 g Substanz in 100 ml CH2Cl2-Lösung.