DE3650559T2 - Kautschukähnliches akrylpolymer, latex und herstellung - Google Patents

Kautschukähnliches akrylpolymer, latex und herstellung

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    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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    • C08F220/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08F222/02Acids; Metal salts or ammonium salts thereof, e.g. maleic acid or itaconic acid

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Es gibt viele Patente und Veröffentlichungen über Latizes, deren Polymere und daraus hergestellte Gegenstände. Diese Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Latex-Zusammensetzung, die ein Polymer mit einer hervorragenden Ausgewogenheit von Eigenschaften wie einer niedrigen Temperaturflexibilität, "Weichheit", einer guten Beständigkeit gegen Licht und Oxidation, einer guten Kombination aus Zugfestigkeit und Dehnung und hervorragenden Hysteresis-Eigenschaften enthält. Bei der Hauptklasse von Latizes handelt es sich um Acryllatizes.
  • Herkömmliche Acryllatizes, die Polymere aus interpolymerisierten Einheiten aus (einem) Acrylatsäureester(n) bis zu größere Mengen anderer, copolymerisierbarer Monomere, eine ungesättigte Carbonsäure wie Acrylsäure und ein vernetzendes Monomer wie N-Alkylolacrylamid enthalten, sind wohlbekannt. Die Polymere können in Form eines Latex verwendet werden, oder die Polymere können durch Koagulation und Trocknen aus dem Latex isoliert werden. Die Latexform kann zweckmäßigerweise zur Herstellung von Farben verwendet werden, oder sie kann als Bindemittel für Vliesstoffe oder für die Behandlung von Papier und anderen Materialien verwendet werden.
  • Im Fachgebiet gibt es viele Beispiele für Acryllatizes. U.S.- A-2 757 106; 3 231 533; 3 539 434 und 4 501 289 sind nur einige Beispiele für solche Patente. Insbesondere Patente, die Acryllatexpolymere, die interpolymerisierte Einheiten aus ungesättigten Dicarbonsäuren wie Itaconsäure enthalten, anführen oder offenbaren, sind für die vorliegende Erfindung relevanter. Beispiele für solche Patente sind U.S.-A-2 754 280; 3 714 078; 4 071 650; 4 181 769; 4 268 546; 4 289 823; 4 291 087; 4 351 875; 4 406 660 und 4 455 342. Diese Literaturstellen unterscheiden jedoch entweder nicht die Verwendung von Dicarbonsäuren gegenüber Monocarbonsäuren, oder sie offenbaren die einzigartigen und verbesserten Polymere, die hier unter Verwendung der Dicarbonsäuren hergestellt werden, nicht. Vor dieser Erfindung wiesen weiche Acrylpolymere mit einer niedrigen Tg grundsätzlich eine schlechte Ausgewogenheit. zwischen der Zugfestigkeit, den Dehnungseigenschaften und ungenügenden Hysteresis-Eigenschaften auf. Dies ist nicht. überraschend, da es normalerweise einen "Kompromiß" zwischen guten Eigenschaften bei niedriger Temperatur wie der Biegsam-. keit bei niedriger Temperatur und guten Festigkeitseigenschaften gibt. Die Polymere dieser Erfindung weisen in dieser Hinsicht eine sehr verbesserte Ausgewogenheit von Eigenschaften auf. Insbesondere sind die neuen Polymere grundsätzlich weiche Acrylpolymere mit einer niedrigen Tg, die eine gute Ausgewogenheit zwischen der Zugfestigkeit, der Dehnung und hervorragenden Hysteresis-Eigenschaften aufweisen, was durch einen niedrigen prozentualen Hysteresis-Verlust gezeigt wird
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Latex, umfassend Wasser, 0,1 bis 10 Gew.-Teile eines Tensids und ein Polymer mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von -20 ºC bis -60 ºC, einem prozentualen Hysteresis-Verlust von weniger als 15 % und einer Zugfestigkeit des Rohpolymers von wenigstens 2,068 MPa (300 psi) und einer Dehnung von wenigstens 350 %, umfassend interpolymerisierte Einheiten aus (a) 1 bis 20 Gew.-Teilen wenigstens einer ungesättigten Dicarbonsäure, umfassend 4 bis 10 Kohlenstoffatome, (b) 70 bis 99 Gew.-Teilen wenigstens eines copolymerisierbaren Monomers, von denen die Mehrheit (ein) Acrylatmonomer(e) ist (sind), und (c) gegebenenfalls 0,1 bis 10 Gew.-Teilen eines vernetzenden Nonomers, wobei alle Gewichte auf 100 Gew.-Teile der Gesamtmenge aller Monomere bezogen sind, wobei das Verfahren den Schritt des abgemessenen Zugebens einer Premix-Masse, die im wesentlichen Wasser, wenigstens ein copolymerisierbares Monomer, gegebenenfalls (ein) vernetzende(s) Monomer(e), ein Tensid und bis zu einer Hälfte der Gesamtmenge wenigstens eine ungesättigte Dicarbonsäure umfaßt, in einen Reaktor, wobei der Reaktor Wasser, einen Initiator und wenigstens eine Hälfte der Gesamtmenge der wenigstens einen ungesättigten Dicarbonsäure umfaßt, und anschließend das Durchführen der Polymerisation im Reaktor bei einer Temperatur von 0 ºC bis 100 ºC umfaßt.
  • Die Polymere in diesen Latizes weisen eine einzigartige und verbesserte Ausgewogenheit von Eigenschaften auf. Die neuen Polymere sind weiche Acrylpolymere mit einer niedrigen Tg, die eine gute Ausgewogenheit zwischen der Zugfestigkeit, der Dehnung und hervorragenden Hysteresis-Eigenschaften aufweisen. Sie sind kautschukartig, widerstandsfähig und hochelastisch und weisen Zugfestigkeits- und Dehnungseigenschaften auf, die einigen "härteren" Acrylpolymeren zu eigen sind.
  • Die Latizes können hergestellt werden, indem die Monomere und andere Bestandteile unter Verwendung einer Premix-Masse der Monomere, die einem Initiator enthaltenden Reaktor zudosiert wird, polymerisiert werden. Ein bevorzugtes Verfahren besteht. jedoch darin, eine Premix-Masse auf die übliche Weise, aber ohne die gesamte oder einen wesentlichen Teil der ungesättigten Dicarbonsäure, herzustellen und die ungesättigte Carbonsäure zu Beginn, bevor die Premix-Masse dem Reaktor zudosiert wird, zuzugeben.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die hier offenbarten Latizes, die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, sind als Beschichtungen oder Bindemittel für Vliesstoffe nützlich, wodurch Gegenstände erhalten werden, die einzigartige Eigenschaften aufweisen, oder das Polymer kann aus dem Latex isoliert werdden und zur Herstellung von Filmen und Gegenständen mit einzigartigen Eigenschaften verwendet werden. Sie weisen eine hervorragende Biegsamkeit bei niedriger Temperatur auf und weisen trotzdem eine gute Ausgewogenheit zwischen der Zugfestigkeit, der Dehnung und hervorragenden Hysteresis-Merkmalen auf. Insbesondere weisen die Polymere eine verbesserte Ausgewogenheit zwischen einer hohen Rückprallelastizität, Kautschukelastizität, Zähigkeit, einer in Betracht ihrer Weichheit niedrigen oberflächenklebrigkeit, Wärme- und Lichtbeständigkeit, Trocken-, Naß- und Lösungsmittelfestigkeit und einer Biegsamkeit bei niedrigen Temperaturen auf. Bestimmte Eigenschaften der Polymere sind mit denen einiger viel härterer Acrylatpolymere vergleichbar. Zum Beispiel weisen die Polymere eine Abriebbeständigkeit auf, die mit der von härteren Acrylatpolymeren vergleichbar ist. Die Polymere weisen jedoch ein kautschukartiges Verhalten auf, wenn sie mit dem kunststoffartigeren Verhalten verglichen werden, das bei härteren Acrylatpolymeren beobachtet wird. Vor dieser Erfindung wiesen weiche Acrylpolymere mit einer niedrigen Tg grundsätzlich eine schlechte Ausgewogenheit zwischen den Eigenschaften der Zugfestigkeit, der Dehnung und unzureichenden Hysteresis-Merkmalen auf. Die Polymere weisen in dieser Hinsicht eine weitaus verbesserte Ausgewogenheit der Eigenschaften auf. Insbesondere handelt es sich bei den Polymeren um weiche Acrylpolymere mit einer niedrigen Tg, die eine gute Ausgewogenheit zwischen der Zugfestigkeit, der Dehnung und hervorragenden Hysteresis-Merkmalen aufweisen, wie durch einen niedrigen prozentualen Hysteresis-Verlust gezeigt wird.
  • Die hier offenbarten Latizes werden hergestellt, indem wenigstens eine ungesättigte Dicarbonsäure, die 4 bis 10 Kohlenstoffatome enthält, mit wenigstens einem copolymerisierbaren Monomer in Gegenwart eines Initiators und eines Tensids polymerisiert wird. Gegebenenfalls kann ein vernetzendes Monomer mit der (den) ungesättigten Dicarbonsäure(n) und dem (den) copolymerisierbaren Monomer(en) interpolymerisiert werden. Die Gesamtmenge aller, ob chargenweise, portionsweise und/oder durch Zudosieren in den Reaktor gegebenen Monomere gleicht 100 Gew.-Teilen.
  • Die Verwendung ungesättigter Dicarbonsäuren ist für die Erfindung kritisch. Durch die Verwendung von Monocarbonsäuren wie Acrylsäure oder Methacrylsäure wird die einzigartige Ausgewogenheit von Eigenschaften im Polymer nicht erzeugt. Die ungesättigten Dicarbonsäuren, die in der Erfindung verwendet werden, enthalten 4 bis 10 Kohlenstoffatome pro Molekül. Besonders geeignete Dicarbonsäuren sind diejenigen, die 4 bis 6 Kohlenstoffatome enthalten, wie Itaconsäure, Citraconsäure, Mesaconsäure, Glutaconsäure, Fumarsäure und Maleinsäure. Die Anhydride solcher Säuren, wie Maleinsäureanhydrid, sind ebenfalls nützlich. Bei den noch mehr bevorzugten ungesättigten Dicarbonsäuren handelt es sich um Itaconsäure und Fumarsäure. Die mit Hinsicht auf die Qualität am meisten bevorzugte ungesättigte Dicarbonsäure ist Itaconsäure.
  • Die Menge der verwendeten ungesättigten Dicarbonsäure beträgt 1 Gew.-Teil bis 20 Gew.-Teile und noch mehr bevorzugt 2 Gew.- Teile bis 8 Gew.-Teile. Die Verwendung der ungesättigten Dicarbonsäuren in Mengen von mehr als 8 Gew-Teilen macht aufgrund einer destabilisierenden Wirkung der Säure und einer gewissen Verlangsamung der Polymerisation geeignete Einstellungen der Polymerisationsbestandteile erforderlich. Zum Beispiel wies in einem Experiment, bei dem 8 Gew.-Teile Itaconsäure zu Beginn in den Reaktor gegeben wurden, wobei dieselbe Menge an Tensid und Initiator verwendet wurde, die bei der Verwendung von 4 Gew.-Teilen Itaconsäure gute Ergebnisse ergab, der resultierende Latex einen hohen Gehalt an Restmonomer auf, der einige schwierigkeiten bei der Bildung eines gleichmäßigen oder ebenen Films verursachte. Wenn zu Beginn 20 Gew.-Teile Itaconsäure in den Reaktor gefüllt wurden, bildete sich ein Latex, aber die Konzentration an restlichem Monomer war ziemlich hoch. In solchen Fällen können die Polymerisationsbedingungen und -bestandteile leicht eingestellt werden, wodurch Latizes mit akzeptablen Anteilen an restlichem Monomer erhalten werden. Dies kann erfolgen, indem die Mengen des verwendeten Tensids und/oder Initiators erhöht werden, indem die Polymerisationstemperatur erhöht wird, indem ein Teil der ungesättigten Dicarbonsäure zudosiert wird, indem der Latex abgestreift wird oder durch Kombinationen des obigen. Hervorragende Ergebnisse sind durch die Verwendung von 3 bis 6 Gew.-Teilen der ungesättigten Carbonsäure erhalten worden.
  • Die Polymere des nach dieser Erfindung hergestellten Latex sind Interpolymere aus (a) wenigstens einer der oben beschriebenen ungesättigten Dicarbonsäuren-mit (b) wenigstens einem copolymerisierbaren Monomer und (c) gegebenenfalls (einem) vernetzenden Monomer(en). Folglich kann ein Polymer ein Interpolymer sein, das eine so einfache Struktur wie ein Copolymer aus 95 Gew.-% n-Butylacrylat und 5 Gew.-% Itaconsäure aufweist. Es ist jedoch wahrscheinlicher, daß die Polymere interpolymerisierte Einheiten aus mehr als zwei Monomeren aufweisen.
  • Bei dem (den) in dieser Erfindung verwendete(n) copolymerisierbare(n) Monomer(en) kann es sich um ein beliebiges ungesättigtes Monomer handeln, das dazu in der Lage ist, mit der ungesättigten Dicarbonsäure zu interpolymerisieren. Die Menge des verwendeten copolymerisierbaren Monomers ist so, daß sich die Gewichtsteile der ungesättigten Dicarbonsäure(n) und, falls es (sie) verwendet wird (werden), des (der) vernetzenden Monomers (Monomere), zusammen mit den Gewichtsteilen des (der) verwendeten copolymerisierbaren Monorners (Monomere) auf 100 Gew.-Teile belaufen. Zum Beispiel würde ein Copolymer der Erfindung, das 4 Gew.-Teile einer ungesättigten Dicarbonsäure und 2 Gew.-Teile eines vernetzenden Monomers enthält, dann 94 Gew.-Teile eines copolymerisierbaren Monomers (copolymerisierbarer Monomere) enthalten. Da alle Monomere auf einer Gesamtgrundlage von 100 Gew.-Teilen zugegeben werden und die Umwandlungen in der Latexreaktion normalerweise im wesentlichen bis zur Vervollständigung gehen, gleichen die Gewichtsteile der zugegebenen Monomere im wesentlichen den Gewichtsprozenten des interpolymerisierten Monomers im fertigen Polymer. Falls dies nicht der Fall ist, wird durch die Verwendung herkömmlicher analytischer Techniken leicht der Gewichtsprozenüsatz jedes interpolymerisierten Monomers im Polymer festgestellt. Normalerweise beträgt die Gesamtmenge des (der) in den Reaktor gegebenen copolymerisierbaren Monomers (Monomere) wenigstens 70 Gew.-Teile, und noch typischer wenigstens 90 Gew.-Teile des Gesamtgewichts aller Monomere.
  • Beispiele für die copolymerisierbaren Monomere sind Alkyl-, Alkoxyalkyl-, Alkylthioalkyl- und Cyanoalkylacrylate und -methacrylate, die 1 bis 20 Kohlenstoffatome in der Alkylgruppe enthalten; Diacrylate und Dimethacrylate wie Ethylenglycoldimethacrylat und Diethylenglycoldiacrylat; Monoolefine, die 2 bis 10 Kohlenstoffatome enthalten, wie Ethylen, Propylen, Isobutylen, 1-Hexen, 1-Octen; Vinyl- und Allylacetate, die 4 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten, wie Vinylacetat, Vinylpropionat, Allylacetat; Vinylketone, die 4 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten, wie Methylvinylketon; Vinyl- und Allylether, die 4 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten, wie Vinylmethylether, Vinylethylether, Vinyl-n-Butylether, Allylmethyl-. ether; Vinylaromaten, die 8 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten, wie Styrol, α-Methylstyrol, p-n-Butylstyrol, p-n-Octylstyrol, Vinyltoluol; Vinylnitrile, die 3 bis 6 Kohlenstoffatome enthalten, wie Acrylnitril und Methacrylnitril; Vinylamide, die 4 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten, wie Acrylamid, Methacrylamid, N-Methylmethacrylamid; und Diene und Divinyle, die 4 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten, wie Butadien, Isopren, Divinylbenzol, Divinylether; Monomere mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen, die eine Halogengruppe enthalten, wie Vinylchlorid, Vinylbromid, Vinylidenchlorid, Vinylbenzylchlorid, Vinylbenzylbromid, Vinylchloracetat, Allylchloracetat, 2-Chlorethylacrylat, Chloropren; ungesättigte Sulfonatmonomere wie Natriumstyrolsulfonat, Vinylsulfonat; ungesättigte Carbonsäureester und Amidmonomere, die 4 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten, wie Dimethylfumarat, Dibutylitaconat, die Halbethylester von Itaconsäure und ungesättigte Monocarbonsäuren, die 3 bis 3 Kohlenstoffatome enthalten, wie Acrylsäure, Methacrylsäure.
  • Die beiden Bedingungen bei der Auswahl des (der) copolymerisierbaren Monomers (Monomere) sind (1), daß die Glasübergangstemperatur (Tg) des hergestellten Polymers auf -20 ºC bis -60 ºC und noch mehr bevorzugt auf -25 ºC bis -50 ºC gebracht wird, und (2), daß das (die) copolymerisierbare(n) Monomer(e) einen Hauptanteil eines Acrylatmonomers (von Acrylatmonomeren) enthält.
  • Bei dem verwendeten Acrylatmonomer handelt es sich um ein Alkyl-, Alkoxyalkyl-, Alkylthioalkyl- oder Cyanoalkylacrylat der Formel
  • wobei Ra Wasserstoff oder Methyl ist und R¹ ein Alkylrest, der 1 bis 20 Kohlenstoffatome enthält, ein Alkyoxyalkyl- oder Alkylthioalkylrest, der insgesamt 2 bis 12 Kohlenstoffatome enthält, oder ein Cyanoalkylrest, der 2 bis 12 Kohlenstoffatome enthält, ist. Die Alkylstruktur kann primäre, sekundäre oder tertiäre Kohlenstoffkonfigurationen enthalten. Beispiele für solche Acrylate sind Methylacrylat, Ethylacrylat, Propylacrylat, n-Butylacrylat, Isobutylacrylat, n-Pentylacrylat, Isoamylacrylat, n-Hexylacrylat, 2-Methylpentylacrylat, n- Octylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, n-Decylacrylat, n-Dodecylacrylat, n-Octadecylacrylat; Methoxymethylacrylat, Methoxyethylacrylat, Ethoxyethylacrylat, Butoxyethylacrlat, Ethoxypropylacrylat, Methylthioethylacrylat, Hexylthioethylacrylat und α- und β-Cyanoethylacrlat, α-, β- und α-Cyanopropylcyanobutyl, Cyanohexyl- und Cyanooctylacrylat und dergleichen; n- Butylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, Isodecylmethacrylat, Octadecylmethacrylat. Ohne weiteres werden Mischungen aus zwei oder mehr Acrylatmonomeren verwendet.
  • Vorzugsweise enthält das verwendete copolymerisierbare Monomer (enthalten die verwendeten copolymerisierbaren Monomere) 40 Gew.-% bis 100 Gew.-% Acrylate der obigen Formel. Das (die) am meisten bevorzugte(n) Alkylatmonomer(e) ist das (sind die), wobei Ra Wasserstoff ist und R¹ ein Alkylrest mit 4 bis 10 Kohlenstoffatomen oder ein Alkoxyalkylrest, der 2 bis 8 Kohlenstoffatome enthält, ist. Beispiele für die am meisten bevorzugten Acrylate sind n-Butylacrylat, Hexylacrylat, 2- Ethylhexylacrylat und Methoxyethylacrylat, Ethoxyethylacrylat. Sowohl ein Alkylacrylat als auch ein Alkoxyalkylacrylat kann verwendet werden. Hervorragende Ergebnisse sind erhalten worden, wenn das (die) verwendete(n) Acrylatmonomer(e) das (die) am meisten bevorzugte(n) Acrylatmonomer(e) ist (sind), und (ein) solche(s) Monomer(e) umfaßt (umfassen) etwa 75 % bis 100 % des copolymerisierbaren Monomers.
  • Die beiden Kriterien bei der Auswahl des copolymerisierbaren Monomers, dahingehend, daß das Polymer eine niedrige Tg aufweist und einen größeren Teil des (der) interpolymerisierten Acrylatmonomers (Acrylatmonomere) enthält, sind in der Hinsicht etwas komplementär, daß die Verwendung einer hohen Konzentration des (der) bevorzugten Acrylatmonomers (Acrylatmonomere) wie dem copolymerisierbaren Monomer leicht zu einem Polymer mit dem erwünschten Tg-Wert führt. Es gilt als vereinbart, daß die Polymere mehr als einen Tg-Wert innerhalb des vorgeschriebenen Tg-Bereiches aufweisen können.
  • Die Tg eines Polymers kann leicht durch Differential-Thermoanalyse bestimmt werden. Weiterhin ist die Tg eines Polymers aus den interpolymerisierten Monomeren vorhersagbar, indem bekannte Formeln und leicht erhältliche Daten, die in vielen Veröffentlichungen angegebenen Verfahren und Lehren folgen, angewandt werden. Eine solche Veröffentlichung ist das Buch Mechanical Properties of Polymers von L. E. Nielsen, Reinhold Publishing Corp. (1967), Library of Congress Catalog, Kartennr. 62-18939. Kapitel 2 betrifft Übergänge in Polymeren, und die auf den Seiten 16 bis 24 aufgeführten Tabellen führen die Tg-Werte vieler Polymere, einschließlich von Acrylatpolymeren, auf der Grundlage der verwendeten Polymere auf.
  • Somit kann der Tg-Wert der Polymere durch die Kenntnis der Typen und Mengen der verwendeten copolymerisierbaren Monomere bestimmt werden. Aus dem zuvor erwähnten Verzeichnis von copolymerisierbaren Monomeren ist jedoch offensichtlich, daß einige der Monomere nicht in großen Mengen verwendet werden können und dennoch zu einem Polymer führen, das die erforderlichen Kriterien erfüllt. Zum Beispiel würden die "harten" copolymerisierbaren Monomere; d.h. diejenigen, die einen Homopolymer-Tg-Wert von +80 ºC oder mehr ergäben, normalerweise in Mengen von 0 Gew.-% bis 25 Gew.-% des Gesamtgewichtes der copolymerisierbaren Monomere verwendet. Beispiele für solche harten Monomere sind die Vinylaromaten wie Styrol, α-Methylstyrol, Vinyltoluol; Vinylnitrile wie Acrylnitril und Methacrylnitril und Monomere, die eine Halogengruppe enthalten, wie Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Vinylbenzylchlorid. Weiterhin weisen bestimmte der copolymerisierbaren Monomere eine Aktivität auf, die, wenn die Monomere in großen Mengen vorhanden wären, die Merkmale der Polymere dieser Erfindung überschatten. Somit würden die copolymerisierbaren Monomere wie die Vinylamide, die Diacrylate und Dimethacrylate, die ungesättigten Sulfonatmonomere und die ungesättigten Monocarbonsäuren normalerweise in Mengen von 0 Gew.-% bis 5 Gew.-% des Gesamtgewichts der copolymerisierbaren Monomere verwendet.
  • Zum Erreichen der einzigartigen Eigenschaften der Polymere ist es nicht erforderlich, daß ein vernetzendes Monomer vorhanden ist. Viele Verwendungen der neuen Polymere nutzen jedoch die Gegenwart eines vernetzenden Monomers im Polymer oder die Zugabe eines Vernetzungsmittels zum Polymer.
  • Bei den hier verwendeten Monomeren kann es sich um ein beliebiges Monomer oder Oligomer, das mit der ungesättigten Dicarbonsäure polymerisierbar ist, und ein copolymerisierbares Monomer, das ein Vernetzen aufweist oder das in eine Vernetzungsstelle umgewandelt werden kann, handeln. Ein Beispiel für ein vernetzendes Monomer, das mit der ungesättigten Dicarbonsäure und dem copolymerisierbaren Monomer interpolymerisiert werden und dann umgewandelt werden kann, wodurch eine Vernetzungsstelle erhalten wird, ist Acrylamid, das, wenn es mit Formaldehyd behandelt wird, eine Methylolgruppe ergibt. Die noch mehr bevorzugten vernetzenden Monomere sind monoethylenisch ungesättigte Monomere, die N-Methylolgruppen enthalten, wie N-Methylolacrylamid oder N-Methylolderivate von Allylcarbamat, die eine oder zwei N-Methylolgruppen enthalten können. Die N-Methylolgruppen können unumgesetzt bleiben, oder sie können verethert werden, wie mit C&sub1;- bis C&sub4;-Kohlenstoff-Alkoholen. Der Alkohol wird beim Härten freigesetzt, wodurch die N-Methylolgruppe für das Härten regeneriert wird. Veretherungsmittel für Alkohole werden durch Methylalkohol, Ethylalkohol, Isopropylalkohol, Isobutylalkohol, 2-Ethoxyethanol und 2-Butoxyethanol veranschaulicht.
  • Insbesondere werden die bevorzugten vernetzenden Monomere aus N-Alkylolacrylamiden, die 4 bis 18, vorzugsweise 4 bis 12 Kohlenstoffatome in der Alkylgruppe enthalten, und Nieder alkylacrylamidoglycolatniederalkylethern, die 7 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten, ausgewählt. Spezielle Beispiele für die besonders bevorzugten vernetzenden Monomere umfassen N-Methylolacrylamid, N-Methylolmethacrylamid, N-Butoxymethylacrylamid, Isobutoxymethylacrylamid und Methylacrylamidoglycolatmethylether. Besonders gute Ergebnisse werden durch die Verwendung von N-Methylolacrylamid als dem vernetzenden Monomer erhalten.
  • Das vernetzende Monomer wird im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.- Teilen und noch bevorzugter von 0,5 bis 5 Gew.-Teilen, bezogen auf insgesamt 100 Gew.-Teile aller Monomere, verwendet.
  • Falls ein vernetzendes Monomer nicht mit der ungesättigten Dicarbonsäure und dem copolymerisierbaren Monomer interpolymerisiert wird, kann das neue Polymer dennoch durch die Zugabe eines Vernetzungsmittels zum Latex oder zum Polymer nach der Polymerisation vernetzt werden. Beispiele für solche Vernetzungsmittel sind Harnstoff-Formaldehyd-Harze, Melamin-Formaldehyd-Harze und teilweise methoxylierte Melamin-Formaldehyd- Harze, Glyoxalharze. Diese Vernetzungsmittel können mit Konzentrationen von 0,1 Gew.-Teilen bis 20 Gew.-Teilen und noch bevorzugter von 0,5 Gew.-Teilen bis 2 Gew.-Teilen, bezogen auf 100 Gew.-Teile Polymer, verwendet werden.
  • Die Polymere werden als Latizes hergestellt. Da die Polymere einen hohen Nutzen aufweisen, wenn sie in Form eines Latex verwendet werden, sind die Latizes selbst einzigartig.
  • Das wässrige Medium, in dem die Polymere hergestellt werden, kann frei von herkömmlichen Emulgatoren sein, oder es kann herkömmliche Emulgatoren enthalten. Wenn herkömmliche Emulgatoren zur Herstellung der einzigartigen Latizes verwendet werden, können die Standardtypen der anionischen und nichtionischen Emulgatoren verwendet werden. Nützliche Emulgatoren umfassen Alkalimetall- oder Ammoniumsalze der Sulfate von Alkoholen mit 8 bis 18 Kohlenstoffatomen wie Natriumlaurylsulfat, Ethanolaminlaurylsulfat und Ethylaminlaurylsulfat; Alkalimetall- und Ammoniumsalze sulfonierter Erdöl- und Paraffinöle; Natriumsalze von Sulfonsäuren wie Dodecan-1-sulfonsäure und Octadien-1-sulfonsäure; Aralkylsulfonate wie Natriumisopropylbenzolsulfonat, Natriumdodecylbenzolsulfonat und Natriumisobutylnaphthalinsulfonat; Alkalimetall- und Ammoniumsalze sulfonierter Dicarbonsäureester wie Natriumdioctylsulfosuccinat und Dinatrium-N-octadecylsulfosuccinat; Alkalimetall- oder Ammoniumsalze der freien Säure komplexer organischer Mono- und Diphosphatester; copolymerisierbare Tenside wie Vinylsulfonat. Nichtionische Emulgatoren wie Octyl- oder Nonylphenylpolyethoxyethanol können ebenfalls verwendet werden. Latizes mit einer hervorragenden Stabilität werden erhalten, indem die Alkalimetall- und Ammoniumsalze aromatischer Sulfonsäuren, Aralkylsulfonate, langkettige Alkylsulfonate und Poly(oxyalkylen)sulfonate als Emulgatoren verwendet werden.
  • Der Emulgator oder dessen Mischung kann vollständig zu Beginn der Polymerisation zugegeben werden, oder er kann portionsweise zugegeben oder während des gesamten Laufs zudosiert werden. Normalerweise wird ein Teil des Emulgators zu Beginn der Polymerisation in den Reaktor gegeben, und der Rest wird portionsweise oder proportional in dem Maß, in dem die Monomere bemessen werden, in den Reaktor gegeben.
  • Die Polymerisation der Polymere kann bei Temperaturen von 0 ºC bis 100 ºC in Gegenwart einer Verbindung durchgeführt werden, die dazu in der Lage ist, die Polymerisationen zu initiieren. Initiierungsverbindungen und deren Mischungen werden oft zusammen mit Oxidations-Reduktions-Katalysatoren in einer Menge und Art ausgewählt, die bei einem gewählten Profil der Polymerisationsternperatur in einer geeigneten Initiierungsgeschwindigkeit resultiert. Normalerweise verwendete Initiatoren umfassen die radikalischen Initiatoren wie die verschiedenen Persauerstoffverbindungen, wie Persulfate, Benzoylperoxid, t-Butyldiperphthalat, Pelargonylperoxid und 1-Hydroxycyclohexylhydroperoxid; Azoverbindungen wie Azodusobutyronitril und Dimethylazodiisobutyrat. Besonders nützliche Initiatoren sind die wasserlöslichen Persauerstoffverbindungen, wie Wasserstoffperoxid und Natrium-, Kalium- und Ammoniumpersulfat, die als solche oder in aktivierten Systemen verwendet werden. Typische Oxidations-Reduktionssysteme umfassen Alkalimetallpersulfate in Kombination mit einer reduzierenden Substanz wie Polyhydroxyphenolen, oxidierbaren Schwefelverbindungen wie Natriumsulfit oder Natriumbisulfit, reduzierenden Zuckern, Dimethylaminopropionitril, Diazomercapto-Verbindungen, wasserlöslichen Ferricyanidverbindungen. Schwermetallionen können ebenfalls zur Aktivierung persulfatkatalysierter Polymerisationen verwendet werden.
  • Die Menge des verwendeten Tensids beträgt 0,01 bis 10 Gew.- Teile, und die Menge des verwendeten Initiators beträgt 0,01 bis 1,5 Gew.-Teile, beide bezogen auf 100 Gew.-Teile der Gesamtmenge der Monomere.
  • Nach dem Verfahren der Erfindung hergestellte Polymerlatizes mit einer hervorragenden Stabilität werden erhalten, indem ein Alkalimetall und Ammoniumpersulfat als Initiator verwendet werden. Der Initiator kann zu Beginn der Polymerisation vollständig in den Reaktor gegeben werden, oder es kann auch eine portionsweise Zugabe oder ein Zudosieren des Initiators während der gesamten Reaktion angewandt werden. Die Zugabe des Initiators während der gesamten Polymerisation ist oft vorteilhaft, um während der gesamten Polymerisation eine geeignete Geschwindigkeit zu erhalten.
  • Die neuen Acryllatizes können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Bei einem Verfahren wird eine Premix-Masse hergestellt, indem die Monomere gegebenenfalls mit Wasser, einem Tensid oder deren Mischung, Puffern, Reglersubstanzen, gemischt werden. Falls Wasser verwendet wird, wird die wässrige Premix-Masse gerührt, wodurch eine Emulsion gebildet wird. Getrennt werden mehr Wasser, der Initiator und optionale Bestandteile einem Reaktor zudosiert. Die Premix-Masse wird dann dem Reaktor zudosiert, und die Monomere werden polymensiert.
  • Bei einer Variation des obigen Verfahrens kann ein Teil der Premix-Masse in den Reaktor gegeben werden, dann wird der Initiator zugegeben, und dann wird die Polymerisation der ursprünglichen Monomere im Reaktor ermöglicht, wodurch Impfpolymerteilchen gebildet werden. Danach wird der Rest der Premix-Masse oder einer anderen Premix-Masse in den Reaktor gefüllt, und die Polymerisationsreaktion wird auf die übliche Weise abgeschlossen. Bei einer noch anderen Variation kann die Premix-Masse portionsweise statt kontinuierlich in den Reaktor gegeben werden. Schließlich können bei einer noch anderen Variation des Verfahrens alle Monomere und weitere Bestandteile direkt in den Reaktor gegeben und die Polymerisation auf eine bekannte Weise durchgeführt werden. Diese letzte Variation wird normalerweise als Chargenverfahren bezeichnet. Monomere können auch in getrennten Strömen, die andere als bei der Premix-Masse sind, zum Reaktor gegeben werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Latex der Erfindung werden 2 bis 8 Gew.- Teile der ungesättigten Dicarbonsäure, wie Itaconsäure, in Wasser mit 90 bis 98 Gew.-Teilen eines Alkylacrylatmonomers wie n-Butylacrylat und 0,5 bis 5 Gew.-Teilen eines vernetzenden Monomers, wie N-Methylolacrylamid, in der Gegenwart von 0,1 bis 5 Gew.-Teilen eines geeigneten Tensids wie Natriumlaurylsulfat und 0,01 bis 1,5 Gew.-Teilen eines geeigneten Initiators, wie Natriumpersulfat, polymerisiert.
  • Die ungesättigte Dicarbonsäure kann insgesamt zu Beginn, bevor mit der Zugabe der Premix-Masse begonnen wird, in den Reaktor gegeben werden, oder ein Teil der oder die gesamte Säure kann während der Polymerisation dem Reaktor zudosiert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die ungesättigte Dicarbonsäure insgesamt zu Beginn in den Reaktor gegeben, und die Premix-Masse, die das (die) copolymerisierbare(n) Monomer(e) enthält, wird dem Reaktor zudosiert. Die beste Ausgewogenheit der physikalischen Eigenschaften des Polymers wurde erhalten, wenn die gesamte ungesättigte Dicarbonsäure zu Beginn in den Reaktor gegeben wurde. Polymere mit einer besseren Ausgewogenheit der Eigenschaften, verglichen mit ähnlichen Polymeren, die unter Verwendung ausschließlich von Monocarbonsäuren hergestellt werden, werden jedoch auch erhalten, wenn ein Teil oder die gesamte ungesättigte Dicarbonsäure zur Premix-Masse gegeben wird.
  • Wie bereits festgestellt wurde, umfassen Verfahren zur Herstellung von Acryllatizes normalerweise eine Reihe von Schritten. Normalerweise wird eine Premix-Masse hergestellt, die ein oder mehrere Monomere, gegebenenfalls ein Tensid, Wasser und Bestandteile wie Puffer und Kettenregler enthält. Die Premix Masse wird normalerweise heftig gerührt, um, falls Wasser ein Bestandteil ist, bei Raumtemperatur eine Emulsion zu bilden. Der Reaktor wird auch für die Polymerisation vorbereitet, indem Wasser, Initiator, Monomer (falls es in den Reaktor gegeben wird), gegebenenfalls Puffer und andere Bestandteile zugegeben werden. Der Reaktor und sein Inhalt kann vorgewärmt werden. Die Premix-Masse wird über einen Zeitraum von 0,5 bis 10 oder mehr Stunden, vorzugsweise 1 bis 4 h, dem Reaktor zudosiert. Sobald die Polymerisation beginnt, erhöht sich die Temperatur des Reaktors. Zur Steuerung der Polymerisationstemperatur, vorzugsweise bei 30 ºC bis 90 ºC, kann ein Kühlmantel mit Wasser oder einem anderen Material um den Reaktor herum verwendet werden.
  • Der erhaltene Latex wird normalerweise behandelt oder verarbeitet, um die restlichen Monomere zu vermindern, und der pH-Wert wird auf einen beliebigen, erwünschten Wert eingestellt. Der Latex wird dann oft durch Gaze oder einen Filtersack filtriert und gelagert. Der Latex weist einen Gesamt- Feststoffgehalt von 10 % bis 68 % und noch typischer von 40 % bis 60 % auf.
  • Es gilt als vereinbart, daß, obwohl die besten Ergebnisse erhalten wurden, wenn alle oder wenigstens die Hälfte oder mehr der ungesättigten Dicarbonsäure zu Beginn in den Reaktor gegeben wurde, eine unerwartete Verbesserung der Ausgewogenheit der physikalischen Eigenschaften der neuen Polymere auch erhalten wurde, wenn mehr als die Hälfte oder die gesamte Säure in die Premix-Masse gegeben wird, solange es sich bei der verwendeten Säure um die hier beschriebene ungesättigte Dicarbonsäure handelt. Die Verwendung von ungesättigten Monocarbonsäuren wie Acrylsäure und Methacrylsäure funktionierte bei der Bildung der einmaligen Ausgewogenheit von Eigenschaften im neuen Polymer nicht. Weiterhin gelierte oder koagulierte die Reaktionsmischung, wenn zu Beginn die gesamte Acrylsäure oder Methacrylsäure zugegeben wurde, trotz Versuchen, dies durch die Zugabe von Wasser während der Polymerisation zu verhindern.
  • Wie zuvor beschrieben, wird bei einem bevorzugten Verfahren dieser Erfindung die gesamte ungesättigte Carbonsäure zu Beginn in den Reaktor gegeben, im Gegensatz zu Verfahren nach dem Stand der Technik, bei denen normalerweise die gesamte Monocarbonsäure zur Premix-Stufe gegeben wird. Die Zugabe großer Mengen der ungesättigten Carbonsäure zum Reaktor erfordert zunächst Einstellungen der Polymerisations-Rezeptur, damit ein Latex mit optimalen Eigenschaften erhalten wird. Zum Beispiel kann das Einfüllen der gesamten ungesättigten Dicarbonsäure in den Reaktor, ohne andere Änderungen bei der Polymerisations-Rezeptur oder dem Polymerisations-Verfahren durchzuführen, zu einem Latex mit einer größeren Teilchengröße führen. Es wird angenommen, daß der Grund dafür darin besteht, daß die Dicarbonsäure die Wirksamkeit des Initiators im Reaktor vermindert und/oder eine Destabilisierung bei der Bildung von Teilchen im Reaktor verursacht, was seinerseits die Teilchengröße des Latexpolymers beeinflussen kann.
  • Es ist in der Acryllatex-Technologie bekannt, daß die Menge des Tensids im Reaktor die Teilchengröße des Latex wesentlich beeinflussen kann. Folglich kann die Teilchengröße des Latex vermindert werden, indem die Menge des verwendeten Tensids erhöht wird. Da die Gegenwart der ungesättigten Dicarbonsäure im Reaktor die Auswirkung haben kann, daß die Teilchengröße vergrößert wird, kann eine Einstellung der Menge des verwendeten Tensids (und/oder Initiators) nach oben diese Auswirkung kompensieren.
  • Die hier offenbarten Latizes weisen typische kolloidale Eigenschaften auf. Sie werden anionisch stabilisiert, weisen bei der Herstellung einen pH-Wert von 1 bis 6 auf, weisen eine Teilchengröße im Bereich von 100 bis 500 nm (1000 bis 5000 Å) auf und zeigen eine gute mechanische Stabilität, wenn ihr pH- Wert über den Neutralwert erhöht wird.
  • Eine der einzigartigsten Eigenschaften der Polymere dieser Erfindung besteht in ihren hervorragenden Hysteresis-Merkmalen. Die hier hergestellten neuen Polymere weisen sehr enge Hysteresiskurven auf. Je enger eine Hysteresiskurve ist, desto elastischer ist das Polymer. Darüber hinaus wird, je enger die Hysteresiskurve ist, umso weniger Wärme beim Strecken oder Arbeiten des Polymers erzeugt.
  • Der prozentuale Hysteresis-Verlust von Polymeren wurde durch das folgende Verfahren aus der Hysteresis-Kurve des Polymers bestimmt. Hantelproben des Rohpolymers mit einer Dicke von 178 - 254 µm (7 - 10 mil) wurden unter Verwendung eines Ziehbalkens aus dem Latex hergestellt. Die gegossenen Filme wurden durch Luft getrocknet, dann 5 min lang auf 149 ºC (300 ºF) erwärmt. Mit Rohpolymer ist gemeint, daß keine compoundieren-. den Bestandteile wie Füllstoffe, Pigmente und Weichmacher zugegeben wurden und daß keine Vulkanisierbestandteile zugegeben wurden. Die Proben wurden in eine Zugprüfmaschine von Instrom eingebracht und mit einer Geschwindigkeit von 50,8 cm (20 Inch)/min auf eine Dehnung von 200 % gedehnt. Die Probe wurde dann mit 0,8 cm (20 Inch)/min auf ihre Ursprungsstellung zusammengezogen (wodurch ein Kreislauf durchlaufen wurde) und dann gedehnt und wieder zusammengezogen, bis fünf Kreisläufe vervollständigt waren. Es wurden die Zug-/Dehnungs- (d.h. Hysteresis-)kurven für jeden Kreislauf aufgezeichnet. Die Messungen des prozentualen Hysteresis-Verlustes wurden in jedem Fall mit den für den zweiten Kreislauf aufgezeichneten Daten durchgeführt. Bei einer Hysteresiskurve der Kraft gegen die Dehnung stellte die Fläche unter der Kurve der Figur, die durch das zweite Strecken des Polymers auf eine Dehnung von 200 % beschrieben wird, die Höhe der Arbeitsenergie wieder, die benötigt wird, um die Dehnung zu erzeugen (EA). Die Fläche der Figur, die dadurch beschrieben wurde, daß das Polymer beim Kreislauf zusammengezogen wird, stellt die Arbeitsenergie dar, die durch das Polymer durch das Zurückkehren in seine ursprüngliche Position erzeugt wird (EB). Ein perfekt elastisches Polymer, das keine Wärme- oder andere Energieverluste zeigt, wiese eine Hysteresiskurve auf, bei der EA gleich EB wäre, d.h., die beiden Kurven würden aufeinander liegen. Die Abweichung von diesem Idealzustand ist ein Maß für den Hysteresisverlust des Polymers. Ein gummiartiges Polymer wiese einen sehr hohen prozentualen Hysteresis-Verlust auf.
  • Der prozentuale Hysteresis-Verlust der Polymere wurde durch die folgende Formel bestimmt:
  • Prozentualer Hysteresisverlust = [EA - EB]/EA x 100 %
  • Die Polymere, die aus den am meisten bevorzugten ungesättigten Dicarbonsäuren, copolymerisierbaren Monomeren und vernetzenden Monomeren und durch das bevorzugte Verfahren hergestellt werden, weisen einen prozentualen Hysteresisverlust von weniger als 15 % auf.
  • Die neuen Polymere weisen andere Eigenschaften auf, die sie einzigartig machen. Sie sind weich, dennoch kautschukartig und widerstandsfähig Ihre Rohpolymer-Reißfestigkeit beträgt wenigstens 2,07 MPa (300 psi), und ihre prozentuale Dehnung beim Reißen beträgt wenigstens 350 %, gemessen an Filmen aus Rohpolymer, die mit einem Zugbalken gegossen sind, durch Luft getrocknet und 5 min lang auf 149 ºC (300 ºF) erwärmt sind. Eine Art zur Untersuchung der guten Ausgewogenheit zwischen der Zugfestigkeit und der Dehnung, die die Polymere dieser Erfindung aufweisen, besteht darin, ihr "TxE-Produkt" zu berechnen, wobei es sich einfach um die Zahl handelt, die erhalten wird, indem die Reißfestigkeit des Polymers mit seiner prozentualen Dehnung beim Reißen multipliziert wird. Die Zahl ist auf 1000 gerundet angegeben. Das TxE-Produkt ist eine Abschätzung der Gesamtzähigkeit des Polymers. Das TxE- Produkt der neuen Polymere beträgt wenigstens 140 000 und noch mehr bevorzugt wenigstens 200 000. Das TxE-Produkt für die neuen Polymere, die aus den am meisten bevorzugten Monomeren unter Verwendung des am meisten bevorzugten Verfahrens hergestellt werden, beträgt wenigstens 250 000.
  • BEISPIELE
  • In den folgenden Experimenten wurde der Latex, sofern nichts anderes angegeben wird, hergestellt, indem eine Monomermischung aus 93 bis 97 Gew.-Teilen des copolymerisierbaren Monomers, 2 bis 4,5 Gew.-Teilen der aufgeführten Säure und 1 bis 3 Gew.-Teile des vernetzenden Monomers polymerisiert wurde. In Vergleichsbeispielen, bei denen keine Säure verwen det wurde, wurde die Menge des copolymerisierbaren Monomers entsprechend erhöht. Die Premix-Masse wurde in einem getrennten Tank hergestellt, indem demineralisiertes Wasser, Natriumlaurylsulfat als das Tensid, das vernetzende Monomer und das (die) copolymerisierbare Monomer(e) vermischt wurden. Die gesamte oder ein Teil der Säure wurde wie angegeben in die Premix-Masse oder in den Reaktor dosiert. Der Reaktor enthielt zu Beginn demineralisiertes Wasser, Natriumlaurylsulfat und Natriumpersulfat. Die Premix-Masse wurde über einen Zeitraum von etwa 1,5 bis etwa 2,5 h dem Reaktor zudosiert, wobei während dieses Zeitraums die Temperatur im Reaktor auf 70 ºC bis 80 ºC gesteuert wurde.
  • Nach dem Beginn der Zugabe der Premix-Masse zum Reaktor wurde in einigen Fällen ein zweites Initiatorsystem in den Reaktor gegeben. Das zweite Initiatorsystem bestand aus Natriumpersulfat, Natriumlaurylsulfat und Ammoniumcarbonat in demineralisiertem Wasser. Der zweite Initiator wurde über einen Zeitraum von 3,5 h dem Reaktor zudosiert. Manchmal wurde eine Initiator-Auffrischung lediglich portionsweise in den Reaktor gegeben, statt sie zuzudosieren. Nach Vervollständigung der Reaktion wurde der Latex im Reaktor etwa 1,5 h lang bei 75 ºC stehen gelassen und wurde dann auf 40 ºC abgekühlt. An diesem Punkt wurde der Latex abgestreift, auf 30 ºC abgekühlt, sein pH-Wert wurde mit Ammoniak auf einen pH-Wert von etwa 4,5 eingestellt, und er wurde durch Gaze filtriert und gelagert.
  • Unter Befolgung der obigen allgemeinen Verfahren wurden effektiv drei Variationen von Reaktionsbedingungen verwendet. Bei Variation A betrug die Reaktionstemperatur 80 ºC, der Dosierungszeitraum für die Premix-Masse betrug 2 h, eine Initiator- Auffrischung, die 0,05 Teile Natriumpersulfat enthielt, wurde nach 2 h zugegeben, und die Menge des verwendeten Laurylsulfats betrug 0,05 Gew.-Teile im Reaktor und 0,95 Gew.-Teile in der Premix-Vorstufe. Variation B war wie Variation A, außer, daß die Reaktionstemperatur 75 ºC betrug. Bei Variation C betrug die Reaktionstemperatur 70 ºC, im Reaktor waren 0,35 Gew.-Teile Natriumpersulfat-Initiator, ein zweiter Initiator aus 0,15 Teilen Natriumpersulfat und 0,05 Teilen Natriumlaurylsulfat wurde über 3,5 h zudosiert, und die Menge des Natriumlaurylsulfats im Reaktor betrug 0,4 Gew.-Teile, und in der Premix-Masse waren 0,6 Gew.-Teile.
  • Die Rohpolymerfilme wurden auf die folgende Weise hergestellt. Zuerst wurde der Latex neutralisiert, indem der pH-Wert des Latex mit Ammoniak zwischen 7 und 8 eingestellt wurde. Verdikkungsmittel wurde nach Bedarf zum Latex gegeben, wodurch seine Viskosität auf etwa 500 mPa s (cps) erhöht wurde, so daß ein gleichmäßiger Film erhalten werden konnte. Ein Latexfilm wurde mit einem Ziehbalken auf einem Polyethylenträger abgeschieden, wodurch ein trockener Film mit einer Dicke von 178 bis 254 um (7 bis 10 Milli-Inch) erhalten wurde, und der Latexfilm wurde etwa 24 h lang bei Raumtemperatur getrocknet. Der Polymerfilm wurde dann vom Träger abgeschält, falls erforderlich zur Erleichterung der Handhabung mit Talk eingestaubt und 5 min lang bei 300 ºF (149 ºC) erwärmt. Die Testproben wurden unter Anwendung des folgenden Verfahrens hergestellt und getestet. Aus dem Polymerfiln wurde eine hantelförmige Testprobe hergestellt und in eine Zugprüfmaschine von Instron mit einem Backenabstand von 2,54 cm (1 Inch) eingespannt. Die Backen wurden mit einer Geschwindigkeit von 50,8 cm (20 Inch)/min getrennt. Die Dehnung wurde unter Verwendung einer Bezugsgröße von 1,27 cm (0,5 Inch) gemessen. Jeder in den Beispielen angegebene Datenpunkt stellt einen Durchschnitt aus drei separaten Messungen dar.
  • BEISPIEL 1 (nicht erfindungsgemäß)
  • Dieses Beispiel veranschaulicht die Herstellung eines Latex und zeigt einen Vergleich der Eigenschaften des Polymers mit denen von Polymeren, die keine Säure, Acrylsäure oder Methacrylsäure im Polymer enthalten. Nur das Polymer, das aus dem polymerisierte Itaconsäure enthaltenden Latex hergestellt ist, ist repräsentativ für die Erfindung. Die anderen Proben wurden nur für Vergleichszwecke hergestellt und aufgeführt. Alle Latizes wurden mit 2 Gew.-Teilen N-Methylolacrylamid als Vernetzungsmonomer und unter Verwendung des oben als Variation B beschriebenen Verfahrens hergestellt. Die Säure, falls sie eingesetzt wurde, wurde komplett in die Premix-Masse gegeben, und die Premix-Masse wurde dem Reaktor zudosiert. In diesen Tests waren alle Reaktionsbedingungen und -verfahren identisch, mit Ausnahme der speziellen, verwendeten Säure, falls überhaupt eine verwendet wurde. Die Tests der Reißfestigkeit und der prozentualen Dehnung wurden an Filmproben der Rohpolymere durchgeführt, wobei die Proben wie oben beschrieben hergestellt wurden. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle A angegeben: TABELLE A
  • Aus den obigen Daten ist offensichtlich&sub1; daß das unter Verwen dung von Itaconsäure (IA) hergestellte Polymer eine überlegene Ausgewogenheit zwischen der Zugfestigkeit, der Dehnung und dem prozentualem Hysteresis-Verlust aufweist. Das Polymer, das polymerisierte Itaconsäure (IA) enthielt, wies eine Zugfestigkeit von 4,78 MPa (693 psi), eine Dehnung beim Reißen von 380 % und ein TxE-Produkt von 263 000 auf, während die entsprechenden Ergebnisse für Acrylsäure (AA) 2,41 MPa (350 psi), 390 % bzw. 120 000 und für Methacrylsäure (MAA) 2,27 MPa (330 psi) und 390 % bzw. 129 000 betrugen. Bei dem Polymer, das ohne Verwendung einer Säure hergestellt wurde, betrug die Zugfestigkeit nur 1,43 MPa (207 psi), die Dehnung betrug 260 % und das TxE-Produkt betruglliur 53 800. Die Daten zeigen, daß das Polymer der Erfindung eine gute Ausgeglichenheit zwischen der Zugfestigkeit, der Dehnung und einem niedrigen Hysteresisverlust aufweist.
  • BEISPIEL 2
  • Für die Zwecke eines weiteren Vergleichs wurden die Eigenschaften eines Polymers der Erfindung mit Eigenschaften einiger kommerzieller Polymere verglichen. Das hier verwendete Polymer ist zu dem in Beispiel 1 hergestellten Polymer ähnlich, außer das in diesem Fall die gesamte Itaconsäure zu Beginn in den Reaktor gefüllt wurde (in der Premix-Masse befand sich keine Itaconsäure). Bei den kommerziellen Polymeren handelt es sich um Hycar 2671 (Acryl-A), Hycar 2673 (Acryl-B) und ein Acrylpolymer, das als Rhoplex TR934, verkauf von Rohm und Haas (Acryl-C) bekannt ist. Ergebnisse sind in nachfolgender Tabelle B angegeben: TABELLE B
  • Die Daten zeigen, daß das neue Polymer der Erfindung eine einzigartige Ausgewogenheit zwischen einer guten Zugfestigkeit, einer guten Dehnung und einem niedrigen Hysteresis-Verlust ergibt. Die Ausgewogenheit zwischen den Zugfestigkeitsund den Dehnungseigenschaften und dem Hysteresis-Verlust war tatsächlich besser als die meisten dieser Eigenschaften bei den "härteren" Acrylpolymeren, dennoch war die Tg des neuen Polymers beträchtlich niedriger als bei solchen Polymeren.
  • BEISPIEL 3 (Nicht erfindungsgemäß)
  • Dieses Beispiel zeigt die Herstellung und das Testen von Polymeren, wobei die Latizes unter Verwendung von Variation A hergestellt wurden und die gesamte ungesättigte Carbonsäure in die Premix-Masse gegeben wurde. Die folgenden Monomere wurden auf der folgenden Gewichtsgrundlage zugegeben: 4,5 Teile der aufgeführten Säure, 1,0 Teil N-Methylolacrylamid und 94,5 Teile n-Butylacrylat.
  • Die Filmproben wurden aus den Polymeren hergestellt und wie oben beschrieben getestet. Zum Vergleich wurde auch ein Polymer hergestellt, bei dem statt Itaconsäure die Monocarbonsäure Acrylsäure verwendet wurde. Die Acrylsäure wurde auch insgesamt in die Premix-Masse gegeben. Die Ergebnisse der Tests sind in der nachstehenden Tabelle C angegeben. TABELLE C
  • Die Zugfestigkeit, Dehnung, das TxE-Produkt und der Hysteresis-Verlust für das mit Acrylsäure (AA) in der Premix- Masse hergestellte Polymer betrug 2,14 MPa (310 psi), 493 %, 153 000 bzw. 23,1 %. Wenn die gesamte Itaconsäure (IA) in der Premix-Masse verwendet wurde, wodurch ein Polymer dieser Erfindung hergestellt wurde, betrugen die Zugfestigkeit, die Dehnung, das TxE-Produkt und der Hysteresis-Verlust 3,76 MPa (546 psi), 553 %, 317 000 bzw. 19,6 %. Wenn das Experiment wiederholt wurde, wobei die gesamte Itaconsäure in die Premix- Masse gegeben wurde, waren die Ergebnisse noch besser, mit einer Zugfestigkeit von 4,62 MPa (670 psi) und einer Dehnung von 573 %, einem TxE-Produkt von 366 000 und einem prozentualen Hysteresisverlust von 17,5 %. Alle Polymere wiesen eine Tg von etwa -44 ºC auf. Es ist offensichtlich, daß die Verwendung von Itaconsäure (IA) statt Acrylsäure (AA) zu einem Polymer führt, das eine überlegene Ausgewogenheit zwischen der Zugfestigkeit, den Dehnungseigenschaften und einem niedrigen Prozentsatz des Hysteresis-Verlustes bei einer niedrigen Tg aufweist.
  • BEISPIEL 4
  • Es wurde ein Experiment durchgeführt, wobei die gesamte Itaconsäure zu Beginn in den Reaktor gegeben wurde. Bei diesem Experiment wurden dieselben Monomere und Gewichtsteile und dieselben Polymerisations- und Testbedingungen verwendet, wie sie im obigen Beispiel 3 angegeben sind. Dieses Polymer wies eine Zugfestigkeit von 3,49 MPa (507 psi) und eine Dehnung von 753 %, ein TxE-Produkt von 382 000 und einen prozentualen Hysteresisverlust von 19,8 % auf.
  • Ohne Puffer wies der in diesem Beispiel 3 hergestellte Latex einen pH-Wert von etwa 1,9 auf. Wie zuvor erwähnt wurde, wird angenommen, daß die Verwendung der gesamten ungesättigten Dicarbonsäure zu Beginn im Reaktor den Effekt hat, daß die Initiierungswirksamkeit der Polymerisation vermindert und/oder die sich bildenden Teilchen destabilisiert werden, was zu einem Latex führen kann, der eine größere Teilchengröße aufweist, als wenn die Säure in den Premix gegeben wird. Die Verminderung der Initiierungswirksamkeit kann überwunden werden, indem die Menge des Tensids oder des Initiators oder beides erhöht wird. Dies wurde demonstriert, indem ein Experiment durchgeführt wurde, bei dem die Konzentration des im Reaktor verwendeten Tensids von 0,05 Gew.-Teile auf 0,5 Gew.- Teile erhöht wurde, wobei alle anderen Bedingungen dieselben blieben. Durch die Erhöhung der Menge des Tensids wurde die Herstellung des Latex fast optimiert. Die am Film des auf diese Weise hergestellten Polymers erhaltenen Daten zeigen, daß die Zugfestigkeit des Polymers sich auf 5,33 MPa (773 psi) erhöhte, die Dehnung auf 647 % abnahm, das TxE-Produkt sich auf 500 000 erhöhte und der prozentuale Hysterese-Verlust auf 14,9 % abfiel. Dies deutet auf eine unterschiedliche Ausgewogenheit von Eigenschaften hin, als es durch Verwendung der niedrigeren Tensidmenge erhalten wurde. Diese Ausgewogenheit der Eigenschaften kann bei einigen Verwendungen bevorzugt sein.
  • BEISPIEL 5
  • Dieses Beispiel demonstriert die überlegenen Ergebnisse, die erhalten werden können, indem die Latizes des bevorzugten Verfahrens hergestellt werden, wobei die gesamte ungesättigte Dicarbonsäure oder fast die Hälfte davon zu Beginn in den Reaktor gefüllt wird. Durch die Daten in Tabelle D werden Eigenschaften von Filmen angegeben, die aus Latizes herge stellt sind, bei denen der im Reaktor vorgegebene Itaconsäure (IA-)Anteil von der zu Beginn vollständig im Reaktor vorgelegten Menge bis zur gesamten in die Premix-Masse gegebenen Itaconsäure reichte. Die Latizes wurden mit 2 Gew.-Teilen N- Methylolacrylamid als den vernetzenden Monomeren und unter Verwendung des Verfahrens-Arbeitsgangs, Variation A, hergestellt. Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle D angegeben. TABELLE D
  • *) nicht erfindungsgemäß
  • Wenn alle 4 Gew.-Teile Itaconsäure zu Beginn in den Reaktor gefüllt wurden, betrugen die Zugfestigkeit, Dehnung, das TxE- Produkt bzw. der Hysteresisverlust 5,46 MPa (792 psi), 688 %, 459 000 bzw. 12,8 %. Wenn mehr Itaconsäure in die Premix-Masse gegeben wurde, änderten sich die Polymereigenschaften, insbesondere die prozentuale Dehnung und der prozentuale Hysteresis-Verlust. Jedoch unabhängig davon, wie die neuen Polymere hergestellt wurden, d.h. durch das Verfahren, bei dem die gesamte Itaconsäure in den Reaktor, in die Premix-Masse gegeben wurde oder die Itaconsäure zwischen den beiden aufgeteilt wurde, weisen die Polymere dennoch eine überlegene Ausgewogenheit der Eigenschaften auf, verglichen mit vergleichbaren Polymeren, die unter Verwendung von Acrylsäure oder Methacrylsäure hergestellt werden. Zum Vergleich siehe Tabelle A.
  • BEISPIEL 6
  • Die Verwendbarkeit des Gebrauchs anderer ungesättigter Dicarbonsäuren als Itaconsäure wird in diesem Beispiel veranschaulicht. Die Polymere wurden hergestellt, indem 2 Gew.-Teile n- Methylolacrylamid als vernetzendes Monomer verwendet wurden und der Verfahrens-Arbeitsgang, Variation B, verwendet wurde, wobei die gesamten 4,0 Gew.-Teile der definierten Säure zu Beginn in den Reaktor gegeben wurden. Bei den verwendeten ungesättigten Dicarbonsäuren handelte es sich um Itaconsäure (IA), Fumarsäure (FA), Maleinsäure (MA) und Citraconsäure (CA). Es wurde auch ein Versuch unternommen, Vergleichslatizes und -polymere herzustellen, die keine Säure, Acrylsäure (AA) oder Methacrylsäure (MAA) anstelle der ungesättigten Dicarbonsäure enthalten. Ergebnisse sind in nachfolgender Tabelle E angegeben: TABELLE E
  • *) Vergleichend
  • Beide Experimente, bei denen die gesamte Acrylsäure (AA) oder Methacrylsäure (MAA) in den Reaktor gegeben wurde, führten während der Polymerisation zu einem gelierten Latex, sogar, obwohl ein Versuch unternommen wurde, dies während der Polymerisation durch die Zugabe von Wasser in den Reaktor zu verhindem. Bei Itaconsäure (IA) im Reaktor betrug die Zugfestigkeit des Polymers 5,20 MPa (755 psi), die Dehnung betrug 603 %, das TxE-Produkt betrug 459 000 und der prozentuale Hysteresis- Verlust waren niedrige 12,8 %. Die Verwendung von Fumarsäure (FA) beim Verfahren erzeugte ein Polymer, das eine etwas niedrigere Zugfestigkeit und Dehnung und einen höheren prozentualen Hysteresis-Verlust aufwies. Die Verwendung von Maleinsäure (MA) oder Citraconsäure (CA) als ungesättigte Dicarbonsäure führte zu Polymeren mit niedrigeren Zugfestigkeiten und guten Dehnungen. Die TxE-Produkte und der prozentuale Hysteresis-Verlust dieser Polymere war gut. Ohne Säure betrug die Zugfestigkeit des Polymers nur 1,43 MPa (207 psi), seine Dehnung betrug nur 260 %, und das TxE-Produkt war ein sehr niedriges 54 000.
  • Bestimmte der obigen Experimente wurden wiederholt, wobei die gesamte ungesättigte Dicarbonsäure in die Premix-Masse (keine zu Beginn in den Reaktor) gegeben wurde. Das mit Maleinsäure in der Premix-Masse hergestellte Polymer wies eine Zugfestigkeit von 2,42 MPa (351 psi), eine Dehnung von 357 % und ein TxE-Produkt von 126 000 auf. Das mit Citraconsäure in der Premix-Masse hergestellte Polymer wies eine Zugfestigkeit von 3,21 MPa (321 psi), eine Dehnung von 553 % und ein TxE-Produkt von 178 000 auf. Diese beiden Ergebnisse sind besser als. diejenigen, die erhalten werden, wenn (wie oben) Acrylsäure im Reaktor oder (siehe Tabelle A) in der Premix-Masse verwendet wird.
  • BEISPIEL 7
  • Dieses Beispiel veranschaulicht die Verwendung anderer copolymerisierbarer Monomere bei der Herstellung der Latizes und Polymere dieser Erfindung. Die verwendeten Verfahren waren dieselben wie die in Beispiel 6 verwendeten, wobei die gesamte Itaconsäure zu Beginn in den Reaktor gefüllt wurde. Ein Teil des n-Butylacrylats in der Premix-Masse wurde in den angegebenen Mengen durch eines oder mehrere der angegebenen, eine höhere Tg ergebenden, copolymerisierbaren Monomere ersetzt. Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle F angegeben: TABELLE F
  • *) vergleichend
  • Die obigen Ergebnisse demonstrieren, daß die Latizes und Polymere leicht hergestellt werden können, indem ein großer Bereich von copolymerisierbaren Monomeren verwendet wird, solange der Tg des fertigen Polymers zwischen etwa -20 ºC und etwa -60 ºC liegt und ein Acrylatmonomer als copolymerisier bares Hauptmonomer vorhanden ist. Natürlich kann die Gegenwart eines oder mehrerer anderer copolymerisierbarer Monomere, insbesondere "härterer" Monomere, die physikalischen Eigen schaften der aus den entsprechenden Latizes hergestellten Polymere beeinflussen. Zum Beispiel betrug, wenn 5 Gew.-Teile Styrol (ST) und 5 Gew.-Teile Anrylnitril (AN) anstelle der entsprechenden Menge n-Butylacrylat verwendet wurden, die Zugfestigkeit des Polymers 5,78 MPa (838 psi), und die Dehnung betrug 670 %. Durch die Verwendung von 10 Gew.-Teilen Vinylacetat (VAC) betrug die Zugfestigkeit des Polymers 4,67 MPa (678 psi), und die Dehnung betrug 630 %. Bei 10 Gew.-Teilen Methylmethacrylat (MMA) betrug die Zugfestigkeit des Polymers 6,50 MPa (943 psi), und die Dehnung betrug 560 %. In allen drei Fällen waren die TxE-Produkte sehr hoch, und der prozen tuale Hysteresis-Verlust war innerhalb des angegebenen Bereiches.
  • Ein Polymer mit einer sehr niedrigen Tg wurde hergestellt, indem dasselbe, oben angegebene Verfahren verwendet wurde und 94 Gew.-Teile 2-Ethylhexylacrylat (2-EHA) als das einzige copolymerisierbare Monomer verwendet wurde. Das Polymer war schwach, wobei es eine Zugfestigkeit von 1,58 MPa (230 psi), eine Dehnung von 980 % und eine Tg von -65,5 ºC aufwies. Dieses Polymer erfüllte die erforderlichen Kriterien der Polymere nicht. Dieses Experiment zeigt, daß die Wahl eines (von copolymerisierbaren Monomers (Monomere), durch die die Tg des Polymers außerhalb des angegebenen Tg-Bereiches verschoben wird, zu einem Polymer führt, das die hier beschriebene, einzigartige Ausgewogenheit der Eigenschaften nicht aufweist.
  • BEISPIEL 8
  • Dieses Beispiel veranschaulicht die Verwendung anderer vernetzender Monomere bei der Herstellung der Latizes und Polymere. Das vernetzende Monomer wird bei jedem Experiment mit 2,0 (Gew- Teilen in der Premix-Masse verwendet. Die Itaconsäure wurde mit 4 Gew.-Teilen verwendet und wurde zu Beginn vollständig in den Reaktor gegeben. Bei dem angewandten Verfahrens-Arbeitsgang handelte es sich um Variation B. Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle G angegeben: TABELLE G
  • *) vergleichend
  • Die erste Spalte der Daten in Tabelle G zeigt Daten aus einer Latex-Polymerisation, wobei N-Methylolacrylamid (NMA) als vernetzendes Monomer verwendet wurde. Das unter Verwendung von N-Methylolmethacrylamid (NMMA) als vernetzendem Monomer hergestellte Polymer wies eine höhere Zugfestigkeit, 6,46 MPa (937 psi), aber eine niedrigere Dehnung (360 %) auf. Wenn Methylacrylamidoglycolatmethylether (MAGME) als vernetzendes Monomer verwendet wurde, betrug die Zugfestigkeit des Polymers 6,27 MPa (910 psi), die Dehnung betrug 1055 %, und es wurde ein ungewöhnlich hohes TxE-Produkt erhalten.
  • Aus Tabelle G ist leicht zu ersehen, daß ein breiter Bereich an vernetzenden Monomeren für die Verwendung in dieser Erfindung geeignet ist.
  • BEISPIEL 9
  • Es wurde eine Reihe von Latizes hergestellt, wobei die Menge an Itaconsäure (IA) und die Menge an N-Methylolacrylamid (NMA) variiert wurde. Bei dem verwendeten copolymerisierbaren Monomer handelte es sich um n-Butylacrylat mit 93 bis 97 Gew.- Teilen. Die gesamte Itaconsäure wurde zu Beginn in den Reaktor gefüllt. Bei dem verwendeten Initiator handelte es sich um Natriumpersulfat. Es wurde der Verfahrens-Arbeitsgang C verwendet. Die Ergebnisse der Tests an den Polymeren sind in der nachfolgenden Tabelle H angegeben. TABELLE H
  • Die obigen Daten zeigen, daß die Polymere leicht unter Verwendung verschiedener Mengen der ungesättigten Dicarbonsäure und des vernetzenden Monomers hergestellt werden können.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Latex, umfassend Wasser, 0,1 bis 10 Gew.-Teile eines Tensids und ein Polymer mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von -20 ºC bis -60 ºC, einem prozentualen Hysteresis-Verlust von weniger als 15 % und einer Zugfestigkeit des Rohpolymers von wenigstens 2,068 MPa (300 psi) und einer Dehnung von wenigstens 350 %, umfassend interpolymerisierte Einheiten aus (a) 1 bis 20 Gew.-Teilen wenigstens einer ungesättigten Dicarbonsäure, umfassend 4 bis 10 Kohlenstoffatome, (b) 70 bis 99 Gew.-Teilen wenigstens eines copolymerisierbaren Monomers, von denen die Mehrheit (ein) Acrylatmonomer(e) ist (sind), und (0) gegebenenfalls 0,1 bis 10 Gew.-Teilen eines vernetzenden Monomers, wobei alle Gewichte auf 100 Gew.-Teile der Gesamtmenge aller Monomere bezogen sind, wobei das Verfahren den Schritt des abgemessenen Zugebens einer Premix-Masse in einen Peaktor, die im wesentlichen Wasser, wenigstens ein copolymerisierbares Monomer, gegebenenfalls (ein) vernetzende(s) Monomer(e), ein Tensid und bis zu einer Hälfte der Gesamtmenge wenigstens eine ungesättigte Dicarbonsäure umfaßt, wobei der Reaktor Wasser, einen Initiator und wenigstens eine Hälfte der Gesamtmenge der wenigstens einen ungesättigten Dicarbonsäure umfaßt, und anschließend das Durchführen der Polymerisation im Reaktor bei einer Temperatur von 0 ºC bis 100 ºC umfaßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein vernetzendes Monomer verwendet wird, wobei das Monomer aus der aus N-Alkylolacrylamiden, die 4 bis 18 Kohlenstoffatome enthalten, Niederalkylacrylamidoglycolat-Niederalkylethern, die 7 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten, und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist und wobei die Dicarbonsäure aus der aus Citraconsäure, Glutaconsäure, Fumarsäure, Maleinsäure, Itaconsäure und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das copolymerisierbare Monomer n-Butylacrylat ist, die ungesättigte Carbonsäure Itaconsäure ist und das vernetzende Monomer N-Methylolacrylamid ist.
4. Verfahren zur Herstellung eines Latex nach Anspruch 3, wobei die gesamte ungesättigte Dicarbonsäure zu Beginn in den Reaktor gegeben wird und die Premix-Masse frei von der ungesättigten Dicarbonsäure ist.
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