DE3610644A1 - Ss-kristallines isotaktisches polypropylen, verfahren zu seiner herstellung und daraus hergestellte koerper - Google Patents
Ss-kristallines isotaktisches polypropylen, verfahren zu seiner herstellung und daraus hergestellte koerperInfo
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Description
Dr.-Ing. Roland Liesegang
Patentanwalt European Patent Attorney
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SHANGHAI INSTITUTE OF ORGANIC CHEMISTRY ACADEMICA SINICA Shanghai, China
P 073 07
ß-Kristallines isotaktisches Polypropylen, Verfahren
zu seiner Herstellung und daraus.hergestellte Körper
Diese Erfindung betrifft eine ß-kristalline Form von isotaktischem
Polypropylen mit hoher Reinheit und thermischer Stabilität, ein Verfahren zur Herstellung derselben und ebenso
auch Körper, die aus diesem Polypropylen hergestellt sind. Insbesondere wird die ß-Phase des Polypropylens durch Kristallisation
in der Schmelze in Gegenwart eines ß-kernbildenden Mittels, welches das erfindungsgemäße, aus zwei Komponenten
bestehende ß-kernbildende Mittel für Polypropylen ist,
das viele und verschiedenartige Vorteile im Vergleich zu anderen, in der Literatur beschriebenen β-kernbildenden Mitteln
aufweist, gebildet, das zur Herstellung eines Körpers mit hoher Schlagzähigkeit und von mikroporösen Filmen eingesetzt
werden kann.
Isotaktisches Polypropylen kann in mehreren Kristallformen kristallisieren. Die α- oder monokline Form ist die stabilste
und die überwiegend vorhandene. Die ß- oder hexagonale Form wird gelegentlich in kommerziell verfügbarem Polypropylen
im allgemeinen in niedrigen Gehalten gefunden.
Der relative Anteil K der kristallinen ß-Form in der Polypropylenprobe
kann aufgrund der Bestimmung durch Röntgenbeugungsanalyse durch die nachstehende empirische Gleichung
HR
Hß + H110 + H040 + H130
wiedergegeben werden, in welcher H110, H . und H13 die Höhe
der drei starken Peaks (110), (040) bzw. (130) der α-Form sind und H die Höhe des starken ß-Peaks (300) bedeutet.
Der K-Wert ist bei Abwesenheit der ß-Form Null und hat den Wert 1, falls nur die ß-Form in dem Material vorhanden ist.
Wo in den Spritzguß-Preßteilen, den Monofilen und den extrudierten
Körpern sphärolitische Morphologie angetroffen wird, findet man ß-Kristallinität normalerweise in einem Gehalt von
einigen wenigen Prozent. Bis vor kurzem war kein zuverlässiger Weg bekannt, um ausreichend ß-Form für detaillierte Studien
herzustellen. H. J. Leugering, Fa. Hoechst, hat berichtet, daß geringe Mengen eines Chinacridon-Farbstoffs, Permanent
Red E3B, vorzugsweise kristallisationskernbildend für die ß-Form wirkt. Die Verbindung ist eine der einigen wenigen
bekannten Verbindungen, die als ß-kernbildendes Mittel wirksam sind. Es ist jedoch noch schwierig, Materialien mit relativ
hohen Mengen an ß-Form zu erhalten, wenn Polypropylen aus der Schmelze in Gegenwart von E3B kristallisiert wird. Ulimann
und Wendorf haben berichtet, daß der K-Wert von Polypropylenproben, die in Gegenwart von E3B kristallisiert wurden, kleiner
als 0,6 ist. Moos und Hilger gelang es, durch Schmelzextrusion einer speziellen Pulverquälitat von Polypropylen mit
E3B in einem Doppelschnecken-Extruder eine Probe mit einem K-Wert bis zu 0,85 zu erhalten, jedoch wurden keine weiteren
Untersuchungen durchgeführt. In der JP Kokai No. 57-172943 wird ein Verfahren zur Herstellung der ß-Form von isotaktischem
Polypropylen beschrieben, welches das Mischen eines Chinacridon-Farbstoffs mit einem Polymerisationskatalysator
und das anschließende Polymerisieren des Propylens in Gegenwart
des vorstehend erwähnten, gemischten Katalysators umfaßt. Es wurde berichtet, daß, wenn ein derart hergestelltes Polypropylen
schmelzextrudiert und anschließend bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit
von 10°C/min kristallisiert wird, die Probe eine Menge an ß-Form von 63 bis 88 % enthält, wie dies
durch Differential Scanning Calorimetry (DSC) gemessen wurde. Jedoch ist die DSC-Methode für eine derartige Messung keine
genaue Methode und es kann daher aufgrund von Erfahrungen, welche die Anmelderin mit dieser Bestimmungsmethode gemacht
- 6
— 6 —
hat, der nach der DSC-Methode gemessene Gehalt an ß-Form zu hoch veranschlagt sein. Außerdem sind die so erhaltenen ß-Phase-Proben
von roter Farbe, thermisch unstabil und leicht während des Erhitzens in die α-Form zu überführen.
Ein anderes in der Literatur beschriebenes ß-kernbildendes
Mittel ist das Binatrium-Salz der o-Phthalsäure und eine geringere
Menge Isophthal- und Terephthalsäure. Alle diese Verbindungen sind weniger wirksam als E3B und es werden keine
quantitativen Daten für den K-Wert angegeben.
Im Rahmen von Untersuchungen, die zu der vorliegenden Erfindung führten, wurde unerwarteterweise ein wirksameres ß-kernbildendes
Mittel für Polypropylen aufgefunden, das imstande ist, einen viel höheren Gehalt an ß-Form in einem Polypropylen-Material
unter üblichen Verfahrensbedingungen zu bilden.
Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von ß-kristallinem Polypropylen
zu schaffen, welches das Mischen eines wirksamen ß-kernbildenden Mittels gemäß dieser Erfindung mit dem kommerziell verfügbaren
Polypropylen in einem gewissen Verhältnis umfaßt und anschließend das Verarbeiten der Mischung in der Schmelze unter
üblichen Bedingungen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine ß-kristalline
Form von isotaktischem Polypropylen zu schaffen, worin der Anteil an ß-Form-Kristallinität, angegeben als K-Wert,
zwischen 0,85 und 0,93, gemessen durch Röntgenbeugungsanalyse, liegt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Körper bzw. Gegenstände aus ß-kristallinem Polypropylen-Material zu schaf-
fen, die eine höhere Schlagzähigkeit oder andere Eigenschaften aufweisen, welche das kommerziell verfügbare Polypropylen nicht
besitzt.
Die Schaffung eines ß-kernbildenden Mittels aus zwei Komponenten
für Polypropylen ist ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Diese Erfindung schafft ein wirksameres 3-kernbildendes Mittel,
das farblos, thermisch stabil und unterhalb 32O0C nicht flüchtig
ist. In Gegenwart des vorstehenden kernbildenden Mittels kann ein farbloses Polypropylen mit einem viel höheren Gehalt
an B-Form als unter üblichen Verfahrensbedingungen erhalten werden. Die relative Menge an ß-Form, angegeben als K-Wert für
im Temperaturbereich von 25° bis 135°C kristallisierte Proben, liegt zwischen 0,85 und 0,93. Das Mischen von Polypropylen mit
dem 3-kernbildenden Mittel ist ziemlich einfach und kann in einem Einfach-Schneckenextruder durchgeführt werden. Für diesen
Zweck können handelsüblich verfügbare Pellet-Qualitäten von Polypropylen eingesetzt werden. Das so erhaltene 3-Phasen-Polypropylen
hat eine verbesserte thermische Stabilität und wandelt sich vor dem Schmelzen nicht in die α-Form um.
Das erfindungsgemäße ß-kernbildende Mittel wird durch Mischen
der Komponenten A und B hergestellt. Die Komponente A ist eine organische zweibasische Säure, wie Pimelinsäure, Azelainsäure,
o-Phthalsäure, Terephthalsäure und Isophthalsäure und dergleichen. Die Komponente B ist ein Oxid, Hydroxid oder ein
Säuresalz eines Metalls der Gruppe II, z.B. Magnesium, Calcium, Strontium und Barium. Das Säuresalz der Komponente B kann von
einer anorganischen oder organischen Säure stammen und ein Carbonat, Stearat, etc. sein. Die Komponente B kann eines der
dem Polypropylen zugesetzten Additive sein, das bereits in dem
Pellet-Material enthalten ist.
-4
Der Anteil der Komponente A liegt im Bereich von 1x10 bis
5 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von 0,01 bis 1 Gewichts-
-4 prozent, der Anteil der Komponente B beträgt 2x10 bis
Gewichtsprozent, besonders bevorzugt 0,05 bis 1 Gewichtsprozent, während des Mischens. Die gemäß dieser Erfindung aus
kommerziell verfügbarem Material hergestellte ß-Form von Polypropylen hat verbesserte mechanische Eigenschaften, wie dies
in den nachfolgenden Tabellen I und II gezeigt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die mechanischen Eigenschaften der
α- und ß-Form von Polypropylen, die in Tabelle I angegeben sind, für Raumtemperatur gelten.
Kristalline Form | Young's Modul (x 10 kg/cm) |
Streckgrenze (kg/cm2) |
Zugfestigkeit (kg/cm2) |
α-Form ß-Form |
10,7 8,6 |
358 276 |
451 485 |
II
Schlagzähigkeit von α- und ß-Form von Polypropylen bei 230C
Schmelzfluß-Rate (g/10 min) |
Kerbschlagzähigkeit (kg.cm/cm2) |
ß-Form |
0,47 | α-Form | 40 17,6 10,1 |
13 6,8 3,4 |
Das ß-Phasen-Polypropylen hat eine niedrige Streckgrenze und
eine höhere Schlagzähigkeit im Vergleich zu a-Phasen-Polypropylen
der gleichen Qualität. Ein anderes Merkmal besteht darin/ daß es in die α-Form mit ziemlich viel Poren darin übergeht,
wenn die ß-Form-Probe gereckt wird, so daß ein mikroporöser Film in einfacher Weise durch Verstrecken der ß-Form
von isotaktischem Polypropylen erhalten werden kann.
Die einzigartigen Eigenschaften des ß-Phasen-Polypropylens
eignen sich für eine Vielzahl von möglichen Anwendungen, welche hochschlagfeste Preßkörper, mikroporöse Filme, synthetische
Papiere, Filme mit rauher Oberfläche, die eine gute Ölimprägnierung
für elektrische Geräte ergeben, einschließen.
5 kg kommerziell verfügbare Pellets von Polypropylen-Homopolymerem
1330 (Schmelzfluß-Rate 1,5 g/10 min) der Fa. Xiangyang Chemical Works wurden als Ausgangsmaterxal eingesetzt. Der
ß-Kernbildner wurde durch Mischen von 5 g Azelainsäure mit 5 g Calciumcarbonat hergestellt. Der Verfahrensweg schloß das Vormischen
der Polypropylen-Pellets mit dem ß-Kernbildner-Pulver
ein, gefolgt vom Verarbeiten in der Schmelze durch Verwendung eines Einfach-Schneckenextruders bei 2000C. Das Extrudat wurde
nach dem Abschrecken im kalten Wasser zu Pellets zerhackt, und anschließend isotherm aus der Schmelze kristallisiert.
Die Bildung der ß-Form außer der α-Form, wie dies durch den K-Wert angegeben ist, wurde bei einem Kristallisationstemperaturbereich
von 23° bis 1400C beobachtet. Die erhaltenen Ergebnisse
sind in der nachstehenden Tabelle III zusammengefaßt.
- 10 -
III
Abhängigkeit des K-Werts von der Kristallisationstemperatur für Polypropylen-Homopolymerisat 1330
Kristallisationstemperatur (0C) |
K-Wert |
23,2 | 0,87 |
40 | 0,90 |
60 | 0,90 |
80 | 0,91 |
100 | 0,92 |
120 | 0,93 |
130 | 0,91 |
Der Versuch von Beispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß der 3-Kernbildner durch Mischen von 5 g Pimelinsäure mit
5 g Calciumcarbonat hergestellt wurde. Der K-Wert der Probe, welche bei einer Temperatur im Bereich von 25° bis 1300C kristallisierte, lag zwischen 0,85 und 0,93.
Der Versuch von Beispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß der ß-Kernbildner durch Mischen von 5 g Terephthalsäure
mit 5 g Calciumoxid hergestellt wurde. Der K-Wert der Probe, die bei einer Temperatur im Bereich von 25° bis 1300C kristallisierte,
lag zwischen 0,85 und 0,93.
Der Versuch von Beispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß die verwendete Polypropylenprobe ein Block-Copolymerisat
Qualität 1330 (Schmelzfluß-Rate 3,0 g/10 min) war, geliefert
von der Fa. Xiangyang Chemical Works. Der K-Wert der Probe, die bei einer Temperatur im Bereich von 23° bis 1200C kristallisierte,
wird in der nachfolgenden Tabelle IV gezeigt.
IV
Abhängigkeit des K-Werts von der Kristallisationstemperatur für Äthylen-Propylen-Blockcopolymerisat 1330
(Äthylenblock-Gehalt 22 %)
Kristallisationstemperatur (°C) |
K-Wert |
23,2 | 0,86 |
40 | 0,88 |
60 | 0,89 |
80 | 0,88 |
100 | 0,92 |
120 | 0,92 |
Der Versuch von Beispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß die Komponente B des 3-Kernbildners 5 g Bariumoxid war.
Der K-Wert der so erhaltenen Probe lag zwischen 0,85 und 0,93 bei Kristallisationstemperaturen von 25° bis 12O0C.
Die gemäß Beispiel 1 hergestellte Probe wurde zu gekerbten Prüflingen für den Schlagversuch gespritzt. Wenn man die Prüflinge
bei 23°C untersuchte, zeigten sie einen durchschnittlichen Wert der Schlagzähigkeit von 17,6 kg.cm/cm2. Wohingegen
die α-Form-Probe der gleichen Qualität einen Wert von 6,8 kg.cm/cm2 hatte.
- 12 -
Beispiel 7
Die gemäß Beispiel 1 hergestellte Polypropylenprobe in Form von Pellets wurde zuerst mittels eines Flachdüsenextruder zu
einem dünnen Film extrudiert und anschließend während des Kühlens
kristallisiert. Danach wurde dieser Film bei einer Temperatur im Bereich zwischen 60° und 1400C uniachsial oder biachsial
gereckt. Während des Reckverfahrens wurde der Film in einen mikroporösen opaken Film mit stark herabgesetzter Schüttdichte
umgewandelt und anschließend im gespannten Zustand durch Stabilisierung der Porenstruktur wärmebehandelt. Der fertiggestellte
Film hatte einen Weißgrad von 95 % und war auf beiden Seiten bedruckbar. Druckfarben auf Ölbasis und ebenso auch
Farbbänder für Schreibmaschinen waren für diesen Film verfügbar.
Claims (15)
1. Verfahren zur Herstellung des ß-kristallinen Polypropylen-Materials
/ dadurch gekennzeichnet, daß man ein aus zwei Komponenten bestehendes 3-kernbildendes
Mittel mit üblichem Polypropylen mischt und die Mischung unter üblichen Verarbeitungsbedingungen schmilzt, und anschließend
die Kristallisation des Polypropylens aus der Schmelze in Gegenwart des ß-kernbildenden Mittels ermöglicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
daß das aus zwei Komponenten bestehende ß-kernbildende Mittel aus einer Komponente A, die eine
organische zweibasische Säure ist und einer Komponente B, die ein Oxid, ein Hydroxid oder ein Salz eines Metalles der Gruppe Ha ist, besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die organische zweibasische Säure aus der Gruppe bestehend aus Pimelinsäure, Azelainsäure,
o-Phthalsäure, Terephthalsäure und Isophthalsäure ausgewählt
ist, das Metall der Gruppe Ha aus der Gruppe bestehend aus Magnesium, Calcium, Strontium und Barium ausgewählt ist, das
Salz aus anorganischen und organischen Salzen ausgewählt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Salz der organischen Säure ein Stearat und das Salz der anorganischen Säure Carbonat ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Anteil der Komponente A im Bereich von 0,0001 bis 5 Gewichtsprozent und der Anteil der
Komponente B 0,001 bis 5 Gewichtsprozent in der Mischung ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schmelzstufe in einem üblichen Extruder durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekenn
ζ eichnet, daß in der Mischstufe die Komponente B in dem Polypropylen vor dem Mischen bereits enthalten ist
und als eine Komponente des ß-kernbildenden Mittels verwendet wird.
8. ß-Kristalline Phase von Polypropylen, dadurch
gekennzeichnet, daß sie einen K-Wert zwischen 0,85 und 0,93 aufweist.
9. ß-Kristalline Phase von Polypropylen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der K-Wert
zwischen 0,88 und 0,93 liegt.
10. Körper, hergestellt aus einer farblosen 3-kristallinen
Phase von Polypropylen.
11. Körper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die ß-kristalline Phase des Polypropylens einen K-Wert zwischen 0,5 und 0,93 besitzt.
12. Körper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der K-Wert zwischen 0,85 und 0,93 liegt.
13. Körper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß er eine hohe Schlagzähigkeit besitzt.
14. Körper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß er ein mikroporöser Film ist.
15. Farblose ß-kristalline Phase von Polypropylen.
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