DE3737439C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein lineares Copolymer aus Polydienblöcken
und Polyvinylaromaten-Blöcken, welches sich durch einen
sehr erwünschten Ausgleich mechanischer Eigenschaften, rheologischer
Eigenschaften und Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation
in der Wärme auszeichnet. Ferner betrifft die Erfindung
ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Copolymeren.
Die anionische Polymerisation entsprechender Monomerer in Gegenwart
von Metallalkyl oder Metallaryl als Katalysatoren zu
lebenden Polymeren ist bekannt (M. Szwarc, "Carbanions, Living
Polymers und El. Transfer Processes"; Interscience Publishers,
J. Wiley und Sons, New York, 1956).
Nach den Verfahren zur Herstellung lebender Polymerer ist es
möglich, sowohl lineare als auch verzweigte Block-Copolymere,
insbesondere solche mit Polybutadien- und Polystyrolblöcken,
herzustellen (US 30 78 254, 32 44 644, 32 65 765, 32 80 084,
35 94 452, 37 66 301 und 39 37 760, EP-PS 00 48 111, GB-PS
8 88 624 und 10 44 862 sowie Pat. Abstracts of Japan 61-47 715).
Diese Block-Copolymeren werden in großem Umfang verwendet, z. B.
in der Klebstofftechnik, zusammen mit Bitumina, in verschiedenen
Kunststoffmaterialien und für Schuhzeug.
Aus D. C. Allport, W. H. Janes, "Block Copolymers", Applied
Science Publishers Ltd., London 1973, Seiten 82-87 ist es ferner
bekannt, "tapered" Block-Copolymere auf Styrol-Dienbasis herzustellen.
Bei diesem Verfahren wird monomeres Styrol in den
Polymerisationsreaktor eingeführt, bevor die Dienpolymerisation
beendet ist. Dabei wird Styrol in das Segment B in steigenden
Mengen in dem Maße, wie die Dien-Kozentration abnimmt, eingeführt.
Aus Pat. Abstracts of Japan, 60-2 28 520 ist ein Block-Copolymeres
mit insgesamt fünf unterschiedlichen Blöcken der Struktur
B₁-A₁ B₂-A₂ B₃ bekannt, bei dem die Segmente B₂ "tapered"
Segmente mit steigendem Styrolgehalt sind.
Ein Hauptproblem bei den bekannten Block-Copolymeren besteht in
der Schwierigkeit, einen guten Ausgleich zwischen den rheologischen
Eigenschaften, den mechanischen Eigenschaften und der
Oxidationsbeständigkeit in der Wärme zu erreichen. So besitzen
z. B. die bekannten A-B-A-Block-Copolymeren (Polystyrol, Polybutadien,
Polystyrol) gute mechanische Eigenschaften, jedoch
ist die Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation in der Wärme nur
mäßig. Darüber hinaus ist die Viskosität dieser Copolymeren sowohl
in der Schmelze als auch in der Lösung eher hoch, so daß
diese oft zu Schwierigkeiten bei der Verarbeitung und Umformung
führen können.
Andererseits ist es bekannt, daß lineare (AB)₂-Block-Copolymere,
enthaltend Polybutadienblöcke der gleichen Größenordnung
wie die anderen Blöcke, im allgemeinen eine gute Oxidationsbeständigkeit
in der Wärme und gute rheologische Eigenschaften,
jedoch nur sehr mäßige mechanische Eigenschaften, zeigen. Ähnlich
liegt die Situation bei linearen Copolymeren (AB)n, worin
n eine ganze Zahl <2 ist und bis zu 10 reichen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein lineares Block-Copolymer
mit besonders vorteilhaften ausgeglichenen Eigenschaften
herzustellen.
Gelöst wird diese Aufgbe mit einem linearen Copolymeren mit
dem Aufbau:
B1-A1-B2-A2
worin B1 und B2 Polydienblöcke und A1 und A2 Polyvinylaromaten-
Blöcke sind, mit einem mittleren Molekulargewicht von
30 000 bis 250 000, einem Gesamtanteil an monomeren Butadien-
Einheiten von 40 bis 80 Gew.-%, in welchem das mittlere
Molekulargewicht von B1 das 0,1- bis 0,5fache des mittleren
Molekulargewichts von B2 und das mittlere Molekulargewicht
von A1 das 0,25- bis 2fache des mittleren Molekulargewichts
von A2 beträgt und zwischen B1 und A1 ein copolymeres "tapered"
Segment aus Dien- und Vinylaromaten-Einheiten vorliegt.
Das erfindungsgemäße Block-Copolymer zeigt den gewünschten Ausgleich
der mechanischen und rheologischen Eigenschaften mit guter
Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation in der Wärme.
Bei den bevorzugten Copolymeren nach der Erfindung gilt folgendes:
- a) B1 und B2 sind Polybutadienblöcke, während A1 und A2 Polystyrolblöcke sind;
- b) das mittlere Molekulargewicht des Copolymeren B1-A1-B2-A2 liegt zwischen 50 000 und 150 000;
- c) der Gesamtanteil an Dien-Einheiten in einem Copolymeren liegt zwischen 50 und 70 Gew.-%;
- d) das mittlere Molekulargewicht von B1 liegt zwischen dem 0,1- bis 0,3fachen des mittleren Molekulargewichts von B2 und
- e) das mittlere Molekulargewicht von A1 liegt zwischen dem 0,5- bis 1,5fachen des mittleren Molekulargewichts von A2.
Bei der obigen Definition der Verhältnisse des Molekulargewichts
der einzelnen Blöcke werden B1 und A1 als reine Blöcke
angenommen. Die Dien-Einheiten und die vinylaromatischen Einheiten
in den copolymeren Einheiten werden B1- bzw. A1-Einheiten
zugeordnet.
Die Blöcke B1 und B2 in den erfindungsgemäßen Copolymeren werden
im folgenden als Polybutadienblöcke bezeichnet. Gleiche
oder ähnliche Vorteile erreicht man, wenn anstelle der
Butadien-Einheiten andere Dien-Einheiten enthalten sind.
In ähnlicher Weise stehen die Blöcke A1 und A2 für Polystyrolblöcke,
jedoch können gleiche oder ähnliche Vorteile auch
erreicht werden, wenn anstelle der Polystyrolblöcke andere
vinylaromatische Monomere, wie α-Methylstyrol und Vinyltoluol,
dienen.
Die erfindungsgemäßen linearen Copolymeren sind aus vier
aufeinanderfolgenden abwechselnden Blöcken aufgebaut und
werden erhalten durch Polymerisation bei 30° bis 150°C unter
einem Druck, der über dem Atmosphärendruck liegen kann, in
einem organischen, aliphatischen oder cycloaliphatischen
Lösungsmittel in Gegenwart eines Katalysators in Form eines
Metallalkyls oder Metallaryls, wie er üblicherweise bei der
Synthese von lebenden Polymeren zur Anwendung gelangt.
Die bevorzugten Katalysatoren sind Lithiumalkyl, worin die
Alkylgruppe geradkettig oder verzweigt sein kann und 3 bis 7
Kohlenstoffatome, vorzugsweise 4 Kohlenstoffatome, enthält.
Bevorzugt wird Lithium-sec.-butyl.
Diese Katalysatoren werden üblicherweise eingesetzt in
einer Menge von 0,025 bis 0,20 Gew.-Teilen auf 100 Gew.-
Teile Monomere, die zu polymerisieren sind.
Als Lösungsmittel eignen sich speziell n-Hexan und Cyclohexan.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Block-Copolymeren geschieht
durch folgende Verfahrensstufen:
- 1. Butadien und Styrol werden in entsprechenden Mengen gemischt und in Lösung polymerisiert mit Hilfe eines Katalysatorsystems, wie es für die Synthese lebender Polymerer üblich ist, bis zur vollständigen oder im wesentlichen vollständigen Reaktion der Monomeren. Auf diese Weise erhält man ein lebendes Copolymer, welches aus zwei nicht reinen Blöcken B1-A1 aufgebaut ist, d. h., die miteinander verbunden sind über eine copolymere Kette, bestehend aus "tapered" Segmenten aus monomeren Einheiten von Butadien und Styrol;
- 2. das aus der ersten Verfahrensstufe erhaltene Produkt wird mit zudosiertem Butadien umgesetzt bis zur vollständigen oder im wesentlichen vollständigen Polymerisation des Butadiens, wodurch man ein lebendes Copolymer B1-A1-B2 erhält, welches frei oder zumindest im wesentlichen frei ist von polymeren Segmenten aus A1- und B2-Blöcken;
- 3. das aus der zweiten Verfahrensstufe erhaltene Produkt wird mit zudosiertem Styrol umgesetzt bis zur vollständigen oder im wesentlichen vollständigen Polymerisation des Styrols unter Bildung des lebenden Polymeren A1-B1-A2-B2, welches frei oder zumindest im wesentlichen frei ist von copolymerem Segment aus A2- und B2- Blöcken.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter den oben angegebenen
Polymerisationsbedingungen durchgeführt, wobei bevorzugt
als Lösungsmittel n-Hexan oder Cyclohexan und als Katalysator
Lithium-sec.-butyl verwendet und unter adiabatischen
Bedingungen und steigenden Temperaturen gearbeitet wird,
nämlich beginnend bei etwa 50°C bis etwa 100°C am Ende der
Polymerisation.
Wird obiges Verfahren unter diesen Bedingungen durchgeführt,
so machen copolymere "tapered" Segmente aus Butadien-
und Styrol-Einheiten 5 bis 15 Gew.-% des gesamten Copolymeren
aus.
Die Reaktion wird durch Zugabe eines Stoppers abgebrochen,
wie zur Zerstörung des Katalysators, z. B. Methanol, worauf
das lineare Block-Copolymere in üblicher Weise gewonnen
wird, z. B. durch Abdampfen des Lösungsmittels mit Hilfe eines
Dampfstroms und Trocknen des erhaltenen Rückstands.
Auf diese Weise erhält man lineare Copolymere, die aus vier
abwechselnden polydien- und polyvinylaromatischen Blöcken
aufgebaut sind und sich auszeichnen durch gute mechanische
Eigenschaften und Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation
in der Wärme sowie von rheologischen Eigenschaften (geringe
Viskositätswerte in der Schmelze und in der Lösung).
Die Erfindung wird an folgenden Beispielen weiter erläutert.
In einen wärmeisolierten Stahlreaktor mit mechanischem Rührer
und einem Fassungsvermögen von 1 l wurden 11 g 1,3-Butadien
(Reinheit besser 99,5%), 12 g Styrol (Reinheit besser
99,5%), 600 g wasserfreies n-Hexan und 0,09 g Lithium-
sec.-butyl aufgegeben und das Ganze auf 50°C erwärmt. Nach
40 min erreicht die Temperatur adiabatisch 75°C und die Umsetzung
der Monomeren ist praktisch vollständig.
Zu der so erhaltenen Polymer-Lösung wurden 47 g 1,3-Butadien
eingespeist und 20 min polymerisiert. Während dieser Zeit
stieg die Temperatur plötzlich auf etwa 95°C und die Polymerisation
war praktisch beendet.
Zu der so erhaltenen Polymer-Lösung wurden 21 g Styrol gegeben
und 15 min polymerisiert. Während dieser Zeit stieg die
Temperatur plötzlich auf etwa 100°C, wonach die Polymerisation
des Styrols praktisch vollständig war.
Nach dieser Polymerisation wurden 2 cm³ Methanol zugefügt
und die Reaktionsmasse auf 60°C abgekühlt und 0,5 g BHT
(2,6-Di-tert.-butyl-p-kresol) und 1 g Triphenylnonylphosphit
zugesetzt.
Durch Verdampfen des Lösungsmittels in einem Dampfstrom wurde
das Polymere erhalten und der Feststoff im Vakuum 12 h
bei 60°C gehalten. Man erhielt 99,9 g des linearen Copolymeren
B1-A1-B2-A2 mit einem mittleren Molekulargewicht von
MW = 70 000. Die einzelnen Blöcke hatten folgende mittlere
Molekulargewichte: B1 8000, A1 15 000, B2 32 000 und A2
15 000.
Die für B1 und A1 angegebenen Molekulargewichte beziehen
sich auf die reinen Blöcke, d. h. rein von anderen Einheiten;
es wird ermittelt am Ende der ersten Polymerisationsstufe.
Die Molekulargewichte von B2 und A2 werden durch Gel-Permeationschromatografie
ermittelt, und zwar am Ende der zweiten
bzw. dritten Polymerisationsstufe.
Auf diese Weise läßt sich feststellen, daß das mittlere Molekulargewicht
von B1 gleich ist 0,25 · B2 und das mittlere
Molekulargewicht von A1 in etwa gleich ist mit A2.
Die Blöcke B1 und B2 sind über copolymerisierte "tapered"
Segmente enthaltend monomere Einheiten
von Butadien und Styrol, die etwa 10 Gew.-% des gesamten
Copolymeren ausmachen, während die Blöcke A1 und B2 und B2
und A2 anscheinend nicht durch derartige copolymere Segmente
verbunden sind. Dies wurde festgestellt durch Bestimmung des
Styrolgewichts nach der Oxidation mit OsO₄ (ASTM D 3314).
Die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Block-
Copolymeren des Beispiels 1 wurden verglichen mit einem Polybutadien/Polystyrol-Copolymeren
(AB)₂ aus copolymeren Einheiten
der einzelnen Blöcke mit 43 Gew.-% Styrol und einem
mittleren Molekulargewicht MW von etwa 75 000 mit einem
Schmelzindex von 9 g/min bei 190°C unter einem Druck von
5 kg/cm² oder 3,45 N/cm².
Fig. 1 zeigt ein Diagramm Spannung gegen Last, in welchem
die Ergebnisse mit Prüfkörpern aus den beiden zu vergleichenden
Produkten angegeben sind, die durch Druckformen bei
180°C unter Kühlung der Presse erhalten worden sind. ○-○ bezieht
sich auf die erfindungsgemäßen Copolymeren des Beispiels
1, während die andere Kurve ∆-∆ sich auf die
Ergebnisse mit dem bekannten Vergleichsprodukt beziehen.
Aus der Gestalt der beiden Kurven ergeben sich die Eigenschaftsunterschiede
der beiden Produkte mit aller Deutlichkeit.
Auch hier wurde wieder das Block-Copolymere des Beispiels 1
mit dem bekannten Copolymeren des Beispiels 2 verglichen,
wobei die zu prüfenden Polymeren in eine Schmelze folgender
Zusammensetzung überführt wurden:
In der folgenden Tabelle 2 sind die für einen Klebstoff
wesentlichen Eigenschaften von Massen der Tabelle 1 aus den
beiden zu vergleichenden Produkten aufgeführt.
Aus obiger Tabelle ergeben sich die Eigenschaften der mit
den erfindungsgemäßen und bekannten Copolymeren hergestellten
Massen, die im wesentlichen äquivalent sind.
Aus der Tabelle 3 erkennt man die Gegenüberstellung der Oxidationsstabilität
der beiden Massen bei 180°C, wobei die
Viskosität (mPa · s) bei 180°C nach Brookfield bestimmt worden
ist. Der Anstieg der Viskosität ist bei beiden Massen in
etwa gleich.
Betrachtet man jedoch die gesamten Ergebnisse mit dem aus
Beispiel 1 erhaltenen erfindungsgemäßen Block-Copolymeren
und den in Beispiel 2 definierten bekannten Polymeren, so
ergeben sich die überlegenen mechanischen Eigenschaften für
das erfindungsgemäße Produkt, während die Haftungseigenschaften
und die Oxidationsbeständigkeit der verglichenen
Produkte im wesentlichen vergleichbar sind.
Die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Block-
Copolymeren des Beispiels 1 wurden mit einem Handelsprodukt
"SOLT 162" verglichen, bei dem es sich um ein SBS-Copolymeres
enthaltend 40 Gew.-% Styrol mit einem mittleren Molekulargewicht
von etwa 150 000 handelte.
Aus obiger Gegenüberstellung ergibt sich, daß die erfindungsgemäßen
Block-Copolymeren bessere Oxidationsbeständigkeit
als die bekannten Produkte besitzen und jedenfalls diese
die mechanischen Eigenschaften besser beibehalten als jene.
Das in Beispiel 4 angegebene Handelsprodukt wurde ebenso wie
das Produkt aus Beispiel 1 in einen Schmelzkleber überführt.
Die Zusammensetzung dieser Schmelzkleber entsprach den Angaben
in Tabelle 1. In der Tabelle 5 sind nun die Viskositäten
der zu vergleichenden Massen (in mPa · s) bei 180°C angegeben.
Entsprechend dem Verfahren aus Beispiel 1 wurde die Polymerisation
durchgeführt mit dem einzigen Unterschied, daß zu
Anfang 29 g 1,3-Butadien - anstelle von 11 g nach Beispiel
1 - eingespeist wurden, so daß ein Copolymer aus B1
und B2 mit dem gleichen Molekulargewicht erhalten wurde.
Auch hier wurden bei der Bestimmung die B1- und B2-Blöcke
als rein angenommen.
In Fig. 2 ist ein Diagramm im Sinne der Fig. 1 gezeigt, worin
die Kurve ○-○ für das erfindungsgemäße Produkt und ∆-∆ für
das Vergleichsprodukt angegeben ist. Die besseren mechanischen
Eigenschaften der erfindungsgemäßen Produkte ergeben
sich deutlich aus diesem Diagramm.
Claims (8)
1. Lineares Copolymer guter mechanischer und rheologischer
Eigenschaften sowie guter Oxidationsbeständigkeit in
der Wärme mit dem Aufbau:
B1-A1-B2-A2worin B1 und B2 Polydienblöcke und A1 und A2 Polyvinylaromaten-
Blöcke sind, mit einem mittleren Molekulargewicht von
30 000 bis 250 000, einem Gesamtanteil an monomeren Butadien-
Einheiten von 40 bis 80 Gew.-%, in welchem das mittlere
Molekulargewicht von B1 das 0,1- bis 0,5fache des mittleren
Molekulargewichts von B2 und das mittlere Molekulargewicht
von A1 das 0,25- bis 2fache des mittleren Molekulargewichts
von A2 beträgt und zwischen B1 und A1 ein copolymeres "tapered"
Segment aus Dien- und Vinylaromaten-Einheiten vorliegt.
2. Copolymer nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
ein mittleres Molekulargewicht von 50 000 bis 150 000, einen
Gesamtanteil an Butadien-Einheiten von 50 bis 70 Gew.-%, einem
mittleren Molekulargewicht von B1 entsprechend dem 0,1-
bis 0,3fachen des mittleren Molekulargewichts von B2 und
einem mittleren Molekulargewicht von A1 entsprechend dem 0,5-
bis 1,5fachen des mittleren Molekulargewichts von A2.
3. Copolymer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das
copolymere Segment 5 bis 15 Gew.-% des gesamten Copolymeren
ausmacht.
4. Copolymer nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Dienblöcke Polybutadienblöcke und die Polyvinylaromatenblöcke
Polystyrolblöcke sind.
5. Verfahren zur Herstellung der Copolymeren nach Anspruch
1 bis 4,
gekennzeichnet durch
folgende Verfahrensstufen:
- (1) nach dem Verfahren zur Herstellung lebender Polymerer werden dosierte Mengen an monomeren Dien- und Vinylaromaten polymerisiert;
- (2) in das Produkt der ersten Verfahrensstufe wird eine zudosierte Menge an Dien nach der Art der Herstellung lebender Polymerer einpolymerisiert;
- (3) in das Produkt der zweiten Verfahrensstufe wird eine zudosierte Menge von Vinylaromaten einpolymerisiert und
- (4) das Reaktionsprodukt der dritten Verfahrensstufe gewonnen.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Polymerisation in einem aliphatischen oder cycloaliphatischen
Lösungsmittel bei 30° bis 150°C unter einem Druck von
Normaldruck oder darüber in Gegenwart eines Katalysators in
Form eines Metallalkyls oder Metallaryls durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
man als Lösungsmittel n-Hexan oder Cyclohexan verwendet, bei
50° bis 100°C arbeitet, als Katalysator Lithiumalkyl verwendet,
dessen Alkylgruppe 3 bis 7 Kohlenstoffatome enthält und
der in einer Menge von 0,025 bis 0,20 Gew.-Teile auf
100 Gew.-Teile Vinyl- + Vinylaromaten-Monomeren verwendet
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Dien Butadien und der Vinylaromat Styrol ist.
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