DE4207555A1 - Verfahren zur herstellung schmelzestabiler polyarylenetherketone und ihre verwendung - Google Patents
Verfahren zur herstellung schmelzestabiler polyarylenetherketone und ihre verwendungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung neuer schmelzestabiler
Polyarylenetherketone und ihre Verwendung.
Polyarylenetherketone sind seit langem bekannt und zeichnen sich durch wertvolle
Gebrauchseigenschaften, wie beispielsweise hohe Temperaturbeständigkeit und
gute elektrische und mechanische Eigenschaften aus. Insbesondere die
teilkristallinen Polyarylenetherketone zeigen zusätzlich gute Beständigkeit
gegenüber Lösemittel- und Chemikalienangriff.
Zur Schmelzeverarbeitung von Polyarylenetherketonen werden im allgemeinen sehr
hohe Temperaturen angewandt. Beispiele für teilkristalline Polyarylenetherketone mit
wiederkehrenden Einheiten und deren Schmelzpunkte Tm sind:
Die erforderlichen Temperaturen für die Schmelzeverarbeitung liegen im
allgemeinen 15 bis 20°C über den jeweiligen Schmelzpunkten. Diese hohen
Verarbeitungstemperaturen führen, über einen längeren Zeitraum angewandt, zu
einem unerwünschten Viskositätsanstieg der Schmelze.
Es ist bekannt, daß zur Verbesserung der Schmelzestabilität bei der
Schmelzeverarbeitung von Polyarylenetherketonen organische Phosphor-
Verbindungen angewendet worden sind. Beispielsweise lehrt die Patentschrift
GB 14 46 962, daß der Zusatz von aromatischen Phosphorsäureestern die
Schmelzestabilität verbessert.
Es zeigt sich aber in der Praxis, daß diese organischen Phosphor-Verbindungen
sich bei den hohen Temperaturen der Schmelzeverarbeitung bereits merklich
zersetzen und die entstehenden Zersetzungsprodukte das Polymer dunkel färben.
Weiterhin ist bekannt, daß amphotere Metalloxide als Antioxidatien zur Stabilisierung
von Polyetherketonen zugesetzt werden können (US 39 25 307). Nachteilig dabei
ist, daß relativ hohe Mengen der häufig toxischen Metalloxide erforderlich sind, um
stabilisierend zu wirken. Außerdem ist die homogene Einarbeitung dieser
Metalloxide in die Polymerschmelze aufwendig.
Es ist weiterhin bekannt, daß Phosphorsäure verschiedentlich zur Nachbehandlung
von Polyarylenethern verwendet worden ist, beispielsweise wird durch die
Behandlung von Polyarylenthioether mit starken mineralischen Säuren die
Kristallisationsgeschwindigkeit der Schmelze stark erhöht (US 48 68 240). Es findet
sich aber kein Hinweis oder ein experimenteller Befund auf eine eventuell erhöhte
Schmelzestabilität der Polyarylenetherketone bei der Anwendung von
Phosphorsäure.
Es ist auch bekannt, daß durch Waschen mit starken mineralischen Säuren der
Aschegehalt von Polyarylenetherketonen sehr verringert werden kann. Dabei ist
jedoch die Anwendung von Salzsäure nachteilig, weil sie starke Korrosion in den
normalerweise verwendeten Aufarbeitungsapparaten aus Stahl bewirkt. Die
Anwendung von Schwefelsäure ist ebenfalls nachteilig, weil ebenso
Korrosionsprobleme auftreten. Weiterhin bildet sich bei der Verwendung von
kalkhaltigem Waschwasser schwerlösliches Calcium-Sulfat, das den Aschegehalt
der Polymeren erhöht.
Aliphatische Carbonsäuren, wie Essigsäure, sind, wie die Praxis zeigt, zur
Reduzierung des Aschegehaltes weniger geeignet. Weiterhin wirken nicht
vollständig entfernte Säurespuren bei der Schmelzeverarbeitung zersetzend und
führen zu einer Dunkelfärbung der Polymeren.
Es bestand somit die Aufgabe, ein breit anwendbares, billiges Verfahren zur
Herstellung von schmelzestabiler, aschearmer Polyarylenetherketone
bereitzustellen.
Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren, bei dem ein Polyarylenetherketon mit
einer verdünnten wäßrigen Lösung, die 0,1 bis 5 Gew.-% einer mineralischen
Phosphorsäure-Verbindung oder Phosphonsäure-Verbindung, bezogen auf das
Polymergewicht enthält, für 10 Minuten bis 3 Stunden, bei einer Temperatur von 0
bis 80°C in Kontakt gebracht wird.
Die für das Verfahren gemäß der Erfindung geeigneten Verbindungen sind
Orthophosphorsäure, Alkalimetallsalze der Dihydrogenphosphorsäure,
Diphosphorsäure (Pyrophosphorsäure), Polyphosphorsäure,
Metapolyphosphorsäuren, Phosphonsäure oder Mischungen daraus. Beispiele für
bevorzugte Phosphorsäuren sind H3PO4 (Orthophosphorsäure) verschiedener
Konzentrationen und HPO3 (polymere Metaphosphorsäure), die im allgemeinen
kommerziell erhältlich sind. Besonders bevorzugt ist die Anwendung von polymerer
Metaphosphorsäure.
Im folgenden wird der Begriff "Phosphorsäure" oder "Phosphonsäuren" als
Sammelbezeichnung für alle oben aufgezählten, für das Verfahren geeigneten
Verbindungen verwendet.
Polyarylenetherketone, ihre Eigenschaften und Herstellungsverfahren sind bekannt
(EP-B 00 01 879, EP-A 01 93 187, US-A 30 65 205, US-A 34 41 538,
US-A 34 42 857, US-A 35 16 966, US-A 39 56 240, US-A 41 08 837, US-A 4 175,
US-A 47 09 007, "Comprehensive Polymer Science", Band 5, Seite 483 ff., Hrsg. G.
Allen, Pergamon Press 1989 und Polymer 22, 1096 (1981)).
Für das Stabilisierungs-Verfahren gemäß der Erfindung sind Polyarylenetherketone
geeignet, die nach dem nucleophilen oder elektrophilen Verfahren, wie sie
beispielsweise in den obengenannten Veröffentlichungen beschrieben sind,
hergestellt worden sind und bei denen in bekannter Weise der überwiegende Anteil
an Nebenprodukten, Salz- oder Katalysatorresten extraktiv entfernt worden ist.
Die angewendete Konzentration der Phosphorsäuren beträgt 0,1 bis 5 Gew.-%,
vorzugsweise 0,5 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das Polymergewicht. Niedrigere
Konzentrationen als 0,1 Gew.-% zeigen nur noch geringe Auswirkungen auf die
Schmelzestabilität und höhere Konzentrationen als 5 Gew.-% wirken sich zwar nicht
nachteilig aus, sind aber unwirtschaftlich.
Die Konzentration in der wäßrigen Lösung wird auf einen Wert von 0,01 bis 5
Gewichtsteile, vorzugsweise 0,1 bis 2 Gewichtsteile Phosphorsäuren auf 100
Gewichtsteile Wasser eingestellt.
Der Temperaturbereich bei der Säurebehandlung wird von 0 bis 80°C, bevorzugt
von 20 bis 50°C gewählt. Unterhalb von 0°C verlängern sich die erforderlichen
Einwirkungszeiten der Phosphorsäure-Lösungen beträchtlich, und bei einer
Temperatur oberhalb von 80°C verschlechtert sich die Eigenfarbe der
Polyarylenetherketone bei der Schmelzeverarbeitung.
Die Polyarylenetherketon-Pulver werden mit den wäßrigen Phosphorsäure-
Lösungen so behandelt, wie es dem Stand der Technik für die Extraktion von
Feststoffen entspricht.
Dabei werden die zur Extraktion von Feststoffen üblichen Vorrichtungen und
Apparate verwendet. Geeignete Apparate zur Durchführung des Verfahrens sind
beispielsweise Topf-, Zellen-, Band-, Rahmenband- und Karussell-Extrakteur.
Hinweise auf diese und weitere geeignete Apparate und zur Durchführung der
Feststoffextraktion findet man in Ullmann Encyclopädie der technischen Chemie, 4.
Auflage, Verlag Chemie 1972, Band 2, S. 722 ff.
Auch eine alleinige Anwendung von Ultraschall oder kombinierte Anwendung mit
den vorgenannten Apparaten ist möglich.
Die Behandlungsdauer hängt im wesentlichen von der Behandlungstemperatur,
vom Salzgehalt und von der Korngröße des Polymer-Pulvers ab und beträgt im
allgemeinen 10 Minuten bis 3 Stunden, vorzugsweise 20 Minuten bis 1 Stunde. Eine
Optimierung der Kontaktzeit zwischen Polymer und Phosphorsäure-Lösung in
Abhängigkeit von den gewählten Versuchsparameter ist leicht möglich.
Der Wert für die mittlere Korngrößenverteilung des Polymerpulvers soll kleiner oder
gleich 0,5 mm, bevorzugt kleiner oder gleich 0,25 mm sein.
Die Anwendung von Phosphorsäuren nach dem Verfahren gemäß der Erfindung
auf Polyarylenetherketone bewirkt folgende Vorteile:
- - wäßrige Phosphorsäuren zeigt keinen korrosiven Angriff unter den genannten Verfahrensbedingungen auf die Aufarbeitungsapparate;
- - die Schmelzeverarbeitbarkeit wird durch die sehr gute Schmelzestabilität sehr verbessert;
- - wäßrige Phosphorsäure-Lösungen sind toxikologisch und gewerbehygienisch unbedenklich;
- - bei der Verwendung der besonders bevorzugten polymeren Metaphosphorsäure, die ein großes Bindevermögen für Calcium-Ionen aufweist, kann auch beispielsweise kalkhaltiges Leitungswasser eingesetzt werden;
- - der Aschegehalt der Polymeren wird reduziert.
Für eine schnelle praxisnahe Beurteilung der Schmelzviskosität von
Polyarylenetherketonen kann die Bestimmung der Schmelzindex (MFI) nach DIN
53735 (1970) herangezogen werden. Dabei wird die Menge an Material bestimmt,
die in 10 Minuten unter der Wirkung einer festgelegten Kraft durch eine genormte
Düse extrudiert wird.
Ein Maß für die Schmelzestabilität ist beispielsweise das Verhältnis der MFI-Werte
nach einer Haltezeit der Schmelze von 5 Minuten und nach einer Haltezeit von 60
Minuten das durch die folgende Formel ausgedrückt wird:
Dieser Stabilitätsquotient besitzt den Wert 1 bei einer Meßgenauigkeit von ca.
5%, wenn das betreffende Polyarylenetherketon schmelzestabil ist.
Eine wesentlich genauere Bestimmung der Schmelzestabilität erfolgt durch die
Messung des zeitlichen Verlaufs der Schmelzeviskosität in einem Kegel-Platte-
Viskosimeter.
Ein Polyarylenetherketon wird als ausreichend schmelzestabil eingestuft, wenn im
Verlauf einer Stunde bei einer Schmelze-Temperatur, die der
Verarbeitungstemperatur entspricht, eine Änderung der Viskosität von höchstens
5% eintritt.
Wenn Polyarylenetherketone nach dem Verfahren gemäß der Erfindung behandelt
werden, erhält man besonders schmelzestabile Polymere, die neben den üblichen
Anwendungen sich besonders gut zu dickwandigem Halbzeug, wie beispielsweise
Rohren, Vollstäben, Vollprofilen oder Platten extrudieren lassen.
Wenn nicht anders spezifiziert, wird in den Beispielen deionisiertes Wasser
verwendet.
- 1) Die Polykondensation wurde in folgender Apparatur durchgeführt:
2-l-Doppelmantel-Rührkessel aus V4A-Stahl (Beheizung mit Wärmeträgeröl),
ausgestattet mit Bodenablaßventil, Einlaß für Stickstoff-Schutzgas, Rührer aus V4A-
Stahl, Thermofühler für Innentemperaturmessung, Abgasrohr mit Tauchung in
Wasser (Blasenzähler).
Die Messung der Viskosität der Reaktionslösung erfolgte durch Messung des
Drehmoments an der Rührwelle. Man leitet während des gesamten
Reaktionsverlaufs einen stetigen Stickstoff-Gasstrom über die Reaktionsmischung,
um das bei der Reaktion entstandene Wasser zu entfernen.
In den Rührkessel wurden eingewogen: 322,3 g 1,4-Bis-(4′-fluorbenzoyl)benzol,
105,7 g Hydrochinon, 127,2 g Natriumcarbonat (getrocknet und gemahlen), 1000 g
Diphenylsulfon.
Der Kesselinhalt wurde zuerst auf 200°C erhitzt. Nach 30 Minuten bei 200°C wurde
die Temperatur im Verlauf von 4 Stunden auf 315°C gesteigert. Bei 315°C wurde
portionsweise eine kleine Menge Hydrochinon zugegeben, bis die Reaktionslösung
die gewünschte Viskosität erreicht hatte. Anschließend wurden 8 g 1,4-Bis(4′-
fluorbenzoyl)benzol als Kettenabbrecher zugegeben und die Lösung noch 30
Minuten nachgerührt.
Danach wurde die viskose Reaktionslösung auf einem Blech zu einer dünnen Platte
ausgegossen, nach dem Erkalten gemahlen und 200 g dieser Reaktionsmischung
unter folgenden Bedingungen extrahiert: zweimal mit 1,5 l Aceton, 45°C, 30
Minuten, zweimal mit 1,5 l Wasser, 50°C, 1 Stunde.
Die Probe wurde geteilt und ein Teil bei 120°C unter vermindertem Druck
(Wasserstrahl) bis zur Gewichtskonstanz getrocknet (Probe 1). Der andere Teil der
Probe (Probe 2) wurde bei 40°C mit 1 l einer 0,2-%igen Phosphorsäure-Lösung für
1 Stunde intensiv gerührt. Anschließend wurde dreimal mit 1 l Wasser bei 40°C 30
Minuten gerührt und die Probe dann bei 120°C wie Probe 1 bis zur
Gewichtskonstanz getrocknet. Beide Polymerproben zeigten bei DSC-Messungen
eine Glasübergangstemperatur von 165°C und eine Schmelztemperatur von
365°C.
Zur Bestimmung der Schmelzestabilität wurde jeweils die Probe 1 (Vergleichsprobe)
und die Probe 2 mit einem Kegel-Platte-Rheometer, Typ "Rheometrics Spectrometer
RDS-2" (Meßtemperatur 400°C, Schergeschwindigkeit 1 (Rad/s) und einem
Schmelzindexprüfgerät, Typ "Göttfert, Modell MPS-D" (Meßbedingungen: 400°C, 5
kg Prüfgewicht) vermessen.
Probe 1: | |
2 829 [Pa · s] (5-Minuten-Wert) | |
10 110 [Pa · s] (30-Minuten-Wert) | |
Probe 2: | 2 750 [Pa · s] (5-Minuten-Wert) |
2 793 [Pa · s] (30-Minuten-Wert) |
Probe 1: | |
22.6 [g/10 min] (5-Minuten-Wert) | |
13.5 [g/10 min] (30-Minuten-Wert) | |
Probe 2: | 22.9 [g/10 min] (5-Minuten-Wert) |
22.2 [g/10 min] (30-Minuten-Wert) |
Die Ergebnisse zeigen, daß durch die Behandlung des Polymers mit einer
Phosphorsäure-Lösung ein sehr schmelzestabiles Polymer erhalten wird.
- 2) Apparatur: 300-ml-Rührautoklav aus Monelmetall, ausgestattet mit Meßfühler für Innentemperaturmessung, Druckfühler, Heiz- und Kühlvorrichtung, Gasein- und Auslaß und einem Tauchrohr für den Produktaustrag.
Der Reaktor wurde unter Anwendung von Argon-Schutzgas mit folgenden
Komponenten beschickt: 6,492 g 1,4-Diphenoxybenzol, 5,025 g
Terephthalsäuredichlorid, 14 mg 4-Phenoxybenzophenon. Anschließend wurde der
Reaktor auf -10°C abgekühlt und bei dieser Temperatur mit 120 g
Fluorwasserstoffsäure beladen und der Inhalt bei einer Temperatur von 15°C für
eine Stunde gerührt. Der sich dabei aufbauende Druck wurde nach einer Stunde
abgelassen. Anschließend wurde der Reaktor auf -20°C abgekühlt und langsam
Bortrifluorid-Gas eingelassen, bis sich ein Druck von 2 bar eingestellt hatte. Die
Reaktionsmischung wurde auf 15°C gebracht und bei dieser Temperatur 6
Stunden gerührt. Anschließend verdünnte man die Reaktionslösung mit weiteren
100 g Fluorwasserstoffsäure und fällte die Lösung in 2 l kaltem Methanol (-78°C).
Das ausgefallene Polymer wurde abfiltriert und folgendermaßen extrahiert: zweimal
mit 1,5 l Wasser, 50°C, 1 Stunde, einmal mit 1,5 l Aceton, 45°C, 30 Minuten.
Die Probe wurde geteilt und ein Teil bei 120°C wie in Beispiel 1 bis zur
Gewichtskonstanz getrocknet (Probe 1). Der andere Teil der Probe (Probe 2) wurde
bei 60°C mit 200 ml einer 0,1-%igen Polyphosphorsäure-Lösung (hergestellt in
Leitungswasser) für 1 Stunde intensiv gerührt. Anschließend wurde dreimal mit 1 l
Wasser bei 50°C 30 Minuten gerührt und die Probe dann bei 120°C wie Probe 1
bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Beide Polymerproben zeigten bei DSC-
Messungen eine Schmelztemperatur von 360°C.
Zur Bestimmung der Schmelzestabilität wurde die Proben 1 und 2 jeweils den
gleichen Messungen wie bei Beispiel 1 unterworfen. Es zeigte sich, daß die mit
Polyphosphorsäure-Lösung behandelte Probe 2 eine hohe Schmelzestabilität
aufwies.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung schmelzestabiler Polyarylenetherketone, dadurch
gekennzeichnet, daß Polyarylenetherketone mit einer verdünnten wäßrigen
Lösung, die 0,1 bis 5 Gew.-% einer mineralischen Phosphorsäure- oder
Phosphonsäure-Verbindung, bezogen auf das Polymergewicht enthält, für 10
Minuten bis 3 Stunden bei einer Temperatur von 0 bis 80°C in Kontakt
gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Phosphorsäure-Verbindung in Mengen von 0,5 bis 2 Gew.-% eingesetzt wird,
die Behandlungszeit 20 Minuten bis eine Stunde und die Temperatur 0 bis
50°C beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Phosphorsäure-Verbindung
Orthophosphorsäure oder Metapolyphosphorsäure eingesetzt wird.
4. Verwendung der nach den Verfahren gemäß einem oder mehrerer der
Ansprüche 1 bis 3 hergestellten Polyarylenetherketone zur Herstellung von
Halbzeug.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4207555A DE4207555B4 (de) | 1992-03-10 | 1992-03-10 | Verfahren zur Herstellung schmelzestabiler Polyarylenetherketone und ihre Verwendung |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4207555A1 true DE4207555A1 (de) | 1993-09-16 |
DE4207555B4 DE4207555B4 (de) | 2004-11-25 |
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ID=6453668
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4207555A Expired - Fee Related DE4207555B4 (de) | 1992-03-10 | 1992-03-10 | Verfahren zur Herstellung schmelzestabiler Polyarylenetherketone und ihre Verwendung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4207555B4 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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WO2019243270A1 (en) * | 2018-06-21 | 2019-12-26 | Solvay Specialty Polymers Usa, Llc | Poly(ether ketone ketone) (pekk) composites |
EP3325535B1 (de) | 2015-07-22 | 2020-10-14 | Arkema France | Schmelzstabile polyaryletherketon (paek) zusammensetzung |
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1992
- 1992-03-10 DE DE4207555A patent/DE4207555B4/de not_active Expired - Fee Related
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US7786245B2 (en) | 2006-05-13 | 2010-08-31 | Evonik Degussa Gmbh | Process for preparing polyarylene ether ketone |
CN101125923B (zh) * | 2006-05-13 | 2012-06-27 | 赢创德固赛有限责任公司 | 聚亚芳基醚酮的制备方法 |
EP3325535B1 (de) | 2015-07-22 | 2020-10-14 | Arkema France | Schmelzstabile polyaryletherketon (paek) zusammensetzung |
WO2019243270A1 (en) * | 2018-06-21 | 2019-12-26 | Solvay Specialty Polymers Usa, Llc | Poly(ether ketone ketone) (pekk) composites |
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