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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von Polyetherpolyolen.
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Hintergrund der Erfindung
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Verfahren,
welche das Inkontaktbringen von Initiator mit Alkylenoxid in Gegenwart
eines Katalysators umfassen, sind breit bekannt. Das Alkylenoxid kann
im Prinzip jedwedes Alkylenoxid sein, wie Ethylenoxid, Propylenoxid
und Butylenoxid. Die Alkylenoxide, die jedoch am häufigsten
kommerziell verwendet werden, sind Propylenoxid und Ethylenoxid.
Die erhaltenen Produkte sind sogenannte Poly(alkylenoxid)polymere,
die auch als Polyetherpolyole bezeichnet werden. Üblicherweise
werden basische Katalysatoren, wie Kaliumhydroxid, zur Herstellung
von Polyoxyalkylenpolyether-Produkten verwendet. Jedoch sind Doppelmetallcyanid(DMC)-Katalysatoren
für die Verwendung
in diesen Verfahren ebenso gut bekannt geworden. Von DMC-Katalysatoren wurde
festgestellt, dass sie bei der kontinuierlichen Herstellung von
Alkylenoxid-Reaktionsprodukten besonders vorteilhaft sind.
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DMC-Katalysatoren
erfordern im Allgemeinen eine Induktionsperiode, bevor der Katalysator aktiv
wird. In dieser Induktionsperiode wird der Katalysator mit Initiator
gemischt, während
Spuren von Wasser und Luft entfernt werden. Der Katalysator wird
als aktiviert angesehen, wenn es auf die ursprüngliche Einbringung von Alkylenoxid
folgend einen merkbaren Druckabfall gibt. Auf die Aktivierung folgend
schreitet die Polymerisation rasch voran, wenn zusätzliches
Alkylenoxid zugesetzt wird. Voraktivierte Katalysator/Initiator-Gemische
können
für die spätere Verwendung
gelagert werden, vorausgesetzt, dass Sorge getragen wird, Feuchtigkeit,
Sauerstoff etc. auszu schließen.
Ein niedriges Molekulargewicht aufweisende Initiatoren neigen dazu,
längere Induktionsperioden
zu haben, und in einigen Fällen kann
bei ein niedriges Molekulargewicht aufweisenden Initiatoren, wie
Wasser, Ethylenglykol und Propylenglykol, der DMC-Katalysator nicht
aktiviert werden oder er wird temporär aktiviert, gefolgt von einer Deaktivierung.
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Einmal
aktiviert, neigt ein ein niedriges Molekulargewicht aufweisender
Initiator dazu, mit den DMC-Katalysatoren weniger effizient zu sein.
Propylenglykol und Wasser oxyalkylieren beispielsweise oft nur langsam
und sie deaktivieren den DMC-Katalysator
manchmal. Aus diesem Grund werden im Allgemeinen ein höheres Molekulargewicht
aufweisende Initiatoren, beispielsweise jene mit Molekurgewichten
im Bereich von 100 bis 5000 verwendet. Ein derartiger Initiator
kann durch herkömmliche
Basenkatalyse hergestellt werden. Der basische Katalysator muß jedoch
sorgfältig
aus diesen Starterverbindungen entfernt werden, da sogar Spuren
von starken Basen DMC-Katalysatoren deaktivieren.
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Es
wurde nun festgestellt, dass ein alkoxylierter Initiator durch das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung auf solch eine Weise hergestellt werden kann, dass der
alkoxylierte Initiator als solcher in einem DMC-katalysierten Verfahren
verwendet werden kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Wir
haben einen alkoxylierten Initiator gefunden, welcher mit DMC-Katalysatoren
ohne weitere Behandlung verwendet werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von Polyetherpolyolen, welches Verfahren:
- (a)
das Inkontaktbringen von Initiator mit Alkylenoxid, um alkoxylierten
Initiator zu erhalten,
- (b) das Inkontaktbringen des alkoxylierten Initiators mit weiterem
Alkylenoxid in Gegenwart eines Doppelmetallcyanidkomplex-Katalysators
umfaßt, in welchem
Verfahren der Initiator eine phosphorhältige Verbindung mit wenigstens
einer Hydroxylgruppe ist.
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Detaillierte Erörterung der Erfindung
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
ist der Initiator eine phosphorhältige
Verbindung mit wenigstens einer Hydroxylgruppe. Die Verbindung kann
als solche zugesetzt werden oder sie kann in situ ausgebildet werden.
Im Allgemeinen ist es bevorzugt, die phosphorhältige Verbindung als solche
dem Verfahren zuzusetzen, um den Betrieb zu erleichtern.
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Im
Prinzip kann jede beliebige phosphorhältige Verbindung mit wenigstens
einer Hydroxylgruppe verwendet werden. Die Auswahl der zu verwendenden
Verbindung hängt
im Allgemeinen von weiteren Umständen
ab, wie der Funktionalität
des Produkts, welche gewünscht
ist. Beispiele von Verbindungen, welche verwendet werden können, sind Phosphorsäure, Phosphonsäure, Phosphinsäure, phosphorige
Säure,
Pyrophosphorsäure,
Tripolyphosphorsäure,
Tetrapolyphosphorsäure,
Metaphosphorsäure,
Pyrophosphorsäure,
Ester von jedweden dieser Verbindungen und/oder weitere Oligomere oder
Polymere dieser Verbindungen.
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Die
Verbindungen, welche im Allgemeinen im Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, können
durch die folgende Formel (1) dargestellt werden:
in welcher
n von 1 bis
3 beträgt,
a
von 0 bis 1 beträgt,
b
von 0 bis 1 beträgt,
c
von 0 bis 2 beträgt,
R
1 für
H, Alkyl, Alkoxylat oder Carboxylat steht und
R
2 H,
Alkyl, Alkoxylat oder Carboxylat bedeutet,
oder ein Oligomer
oder Polymer der Verbindung nach Formel (1) sind.
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Der
Wert von a, b, c und n wird jeweils auf Basis aller vorliegenden
Verbindungen berechnet. Wenn ein Gemisch aus phosphorhältigen Verbindungen
vorliegt, stellen diese Werte den Durchschnitt der vorliegenden
Verbindungen dar.
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Es
ist im Allgemeinen bevorzugt, dass der Endpolyetherpolyol eine durchschnittliche
nominale Funktionalität
von wenigstens 2 aufweist. Um einen derartigen Polyetherpolyol herzustellen,
muss der Initiator, aus welchem der Polyetherpolyol hergestellt wird,
auch eine durchschnittliche nominale Funktionalität von wenigstens
2 aufweisen. Es ist daher bevorzugt, dass n wenigstens 2 beträgt. Da es
oft wünschenswert
ist, dass Polyetherpolyole eine durchschnittliche nominale Funktionalität von höchstens
3 aufweisen, wird es bevorzugt, dass n höchstens 3 ist. Es ist daher
bevorzugt, dass n von 2 bis höchstens
3 beträgt.
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Die
Gruppen R1 und R2 können jeweils
jedwede Gruppen sein, wie H, Alkyl, Alkoxylat oder Carboxylat. Phosphorverbindungen,
die am breitesten verfügbar
sind, sind Verbindungen, worin die Gruppen R1 und
R2 H darstellen.
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Der
Initiator ist am stärksten
bevorzugt phosphorige Säure,
Phosphorsäure,
Phosphorsäure und/oder
ein Oligomer davon.
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Es
wurde festgestellt, dass die phosphorhältige Verbindung mit Alkylenoxid
in Abwesenheit eines Katalysators reagieren kann. Im Allgemeinen
schreitet diese Reaktion mit annehmbarer Geschwindigkeit fort, wenn
die Temperatur von 0 bis 200°C,
spezieller von 20 bis 180°C,
am speziellsten von 40 bis 150°C beträgt. Das
Verfahren wird im Allgemeinen bei einem Druck angewandt, welcher
Atmosphärendruck ist
oder darüber
liegt. Üblicherweise
wird der Druck 20 bar nicht überschreiten.
Vorzugsweise beträgt
der Druck von 1 bis 5 bar.
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Das
Molverhältnis
von Alkylenoxid zu phosphorhältiger
Verbindung, welche im Schritt (a) vorhanden ist, kann innerhalb
weiter Bereiche variieren. Das Molverhältnis hängt in starkem Maße vom Molekulargewicht
ab, welches für
den alkoxylierten Initiator gewünscht
wird. Im Allgemeinen wird der erhaltene alkoxylierte Initiator 0,5
bis 3, spezieller 1 bis 2, umgesetztes Alkylenoxid pro Hydroxylgruppe
besitzen.
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Im
Allgemeinen wird das Molekulargewicht des im Schritt (a) hergestellten
alkoxylierten Initiators von 100 bis 1000, spezieller von 100 bis
500, am speziellsten von 100 bis 300 betragen.
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Jeder
der Verfahrensschritte (a) und/oder (b) kann in Gegenwart oder bei
Abwesenheit eines inerten Lösungsmittels
ausgeführt
werden. Geeignete inerte Lösungsmittel
sind Heptan, Cyclohexan, Toluol, Xylol, Diethylether, Dimethoxyethan
und/oder chlorierter Kohlenwasserstoff (wie Methylenchlorid, Chloroform
oder 1,2-Dichlorpropan). Das Lösungsmittel, sofern
verwendet, wird im Allgemeinen in einer Menge von 10 bis 30 Gew.-%
bezogen auf die Gesamtmenge des Reaktionsgemisches, eingesetzt.
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Die
Reaktionsdauer für
jeden Verfahrensschritt (a) und (b) reicht von einigen Minuten bis
zu mehreren Tagen. Vorzugsweise dauert jeder Verfahrensschritt 1
bis 10 Stunden.
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Das
Verfahren kann kontinuierlich, chargenweise oder in einem halbkontinuierlichen
Verfahren durchgeführt
werden.
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Das
für die
Verwendung im Schritt (a) und/oder (b) des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
vorgesehene Alkylenoxid kann im Prinzip jedwedes Alkylenoxid sein.
Das Alkylenoxid kann jedwede Verbindung sein, welche eine Epoxygruppe enthält. Beispiele
von geeigneten Alkylenoxiden sind Glycidol, Glycidylether, Glycidylester
und Epichlorhydrin. Vorzugsweise umfaßt das Alkylenoxid 2 bis 100 Kohlenstoffatome,
vorzugsweise 2 bis 10 Kohlenstoffatome, stärker bevorzugt 2 bis 6 Kohlenstoffatome,
am stärksten
bevorzugt 2 bis 4 Kohlenstoffatome. Bevorzugte Alkylenoxide für die Verwendung
in der vorliegenden Erfindung sind Ethylenoxid, Propylenoxid, Butenoxid,
Styroloxid, Epoxyharze, und Gemische hievon. Für die meisten Anwendungen ist
es bevorzugt, dass das Alkylenoxid Propylenoxid und/oder Ethylenoxid
ist.
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Es
ist möglich,
dass herkömmliche
Initiatoren neben der in der vorliegenden Erfindung verwendeten
phosphorhältigen
Verbindung vorhanden sind. Ein herkömmlicher Initiator, welcher
vorhanden sein kann, ist Glycerin. Es wird jedoch bevorzugt, dass
nur phosphorhältige
Verbindungen gemäß der vorliegenden
Erfindung vorliegen.
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Der
Polyetherpolyol wird mit Hilfe von DMC-Katalysator hergestellt.
Das Molekulargewicht des Polyetherpolyols beträgt vorzugsweise von 1.000 bis
100.000, spezieller von 1.000 bis 50.000, noch spezieller von 2.000
bis 20.000, am speziellsten von 5.000 bis 30.000.
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Reaktionen
von Alkylenoxid in Gegenwart von DMC-Katalysator sind in der Technik
gut bekannt. Derartige Verfahren umfassen im Allgemeinen das Inkontaktbringen
von Starter und Alkylenoxid in Gegenwart eines DMC-Katalysators,
wie es beispiels weise in
EP-A-090444 und
EP-A-090445 beschrieben
ist. DMC-Katalysatoren
sind in der Technik gut bekannt. Es wurde festgestellt, dass in
der vorliegenden Erfindung im Prinzip jedweder DMC-Katalysator verwendet
werden kann, von welchem bekannt ist, dass er für Verfahren geeignet ist, worin
Alkylenoxid mit einem Starter in Kontakt gebracht wird.
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Im
Allgemeinen zeigen gemäß dem Stand der
Technik hergestellte DMC-Katalysatoren, welche für die Verwendung in der Polymerisation
von Alkylenoxiden geeignet sind, ein Pulverröntgenbeugungsmuster, welches
keine detektierbaren Signale entsprechend dem hochkristallinen Zinkhexacyanokobaltat
bei etwa (d-Abstand, Ångström) 5,07
aufweist. Spezieller zeigen derartige DMC-Katalysatoren im Allgemeinen
ein Pulverröntgenbeugungsmuster
von (d-Abstand, Ångström): 4,82
(br), 3,76 (br) und sie zeigen keine detektierbaren Signale, welche dem
hochkristallinen Zinkhexacyanokobaltat bei etwa (d-Abstand, Ångström): 5,07,
3,59, 2,54 und 2,28 entsprechen.
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Ein
Verfahren, durch welches der DMC-Katalysator für die Verwendung in der vorliegenden
Erfindung hergestellt werden kann, ist in der
japanischen Anmeldung 4-145123 beschrieben.
Der Katalysator, welcher hergestellt wird, ist ein bimetallischer Cyanidkomplex,
welcher mit tertiärem
Butanol als organischem Liganden koordiniert ist. Der bimetallische
Cyanidkomplex-Katalysator
wird durch das Zusammenmischen von wässerigen Lösungen oder von Lösungen in
Wasser und organischen Lösungsmittelgemischen
von einem Metallsalz, vorzugsweise einem Salz von Zn(II) oder Fe(II),
und einem Polycyanometallat(salz), welches vorzugsweise Fe(III)
oder Co(III) enthält,
und Inkontaktbringen von tertiärem Butanol
mit dem so erhaltenen bimetallischen Cyanidkomplex und Entfernen
des überschüssigen Lösungsmittels
und des tertiären
Butanols erhalten. Im Referenzbeispiel 1 werden das überschüssige Lösungsmittel
und der tertiäre
Butanol durch Saugfiltration entfernt. Der so erhaltene Filterku chen
wird mit einer 30 gew.-%igen, tertiären Butanol enthaltenden wässerigen
Lösung
gewaschen und filtriert und dies wird wiederholt. Der Filterkuchen
wird bei 40°C
unter verringertem Druck getrocknet und anschließend pulverisiert.
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Ein
weiteres Verfahren, in welchem der DMC-Katalysator hergestellt werden
kann, ist in der Patentanmeldung
WO
01/72418 beschrieben. Das beschriebene Verfahren umfaßt die Schritte
von:
- (a) Kombinieren einer wässerigen
Lösung
eines Metallsalzes mit einer wässerigen
Lösung
eines Metallcyanidsalzes und Inkontaktbringen dieser Lösungen,
wobei wenigstens ein Teil dieser Reaktion in Gegenwart eines organischen
Komplexierungsmittels stattfindet, wodurch eine Dispersion eines
festen DMC-Komplexes in einem wässerigen
Medium ausgebildet wird;
- (b) Kombinieren der in Schritt (a) erhaltenen Dispersion mit
einer Flüssigkeit,
welche im Wasser im wesentlichen unlöslich ist und welche fähig ist, den
in Schritt (a) ausgebildeten festen DMC-Komplex aus dem wässerigen
Medium zu extrahieren, und Zulassen einer Bildung eines zweiphasigen Systems,
bestehend aus einer ersten wässerigen Schicht
und einer den DMC-Komplex und die zugesetzte Flüssigkeit enthaltenden Schicht;
- (c) Entfernen der ersten wässerigen
Schicht; und
- (d) Gewinnen des DMC-Katalysators aus der den DMC-Katalysator
enthaltenden Schicht.
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Der
Verfahrensschritt (b) der vorliegenden Erfindung kann in einem sogenannten
Batch-Betrieb, Semi-Batch-Betrieb oder in einem kontinuierlichen Betrieb
ausgeführt
werden.
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Im
Batch-Betrieb werden alle Verbindungen am Beginn der Reaktion zugesetzt.
Im Semi-Batch-Betrieb liegen alle Verbindungen am Beginn der Reaktion
vor, mit Ausnahme von Alkylenoxid. Das Alkylenoxid wird allmählich zugesetzt.
Sowohl für
den Batch- Betrieb
als auch für
den Semi-Batch-Betrieb ist alkoxylierter Initiator zu verwenden,
wenn DMC-Katalysator angewandt werden soll. Es wird angenommen,
dass der DMC-Katalysator inaktiv wird, wenn die Konzentration des
Initiators, welcher noch nicht mit Alkylenoxid reagiert hat, zu
hoch ist.
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Im
kontinuierlichen Betrieb ist alkoxylierter Initiator vorhanden,
wenn das Verfahren begonnen wird. Der Initiator kann jedoch während des
normalen Betriebs zugesetzt werden, da die Konzentration des Initiators
unter diesen Umständen
gering ist. Ein bevorzugter kontinuierlicher Betrieb umfaßt das Einbringen
von alkoxyliertem Initiator, welcher in Schritt (a) erhalten wird,
in ein Reaktionsgefäß und das
Bringen dieses auf die gewünschte
Reaktionstemperatur, insbesondere von 40 bis 150°C. Es wird für einen Fachmann klar sein,
dass die Reaktion bei höherer Temperatur
schneller fortschreiten wird. Es wird daher im Allgemeinen bevorzugt,
die höhere
Seite dieses Temperaturbereiches anzuwenden. Die gewünschte Menge
an Alkylenoxid wird darauffolgend in das Reaktionsgefäß zudosiert.
Der alkoxylierte Initiator wird mit einem DMC-Katalysator vereinigt und es wird weiteres
Alkylenoxid zugesetzt. Das Alkylenoxid, welches wahlweise einen
geringen Anteil an einem ein geringes Molekulargewicht aufweisenden
Initiator, wie Wasser, Glycerin oder Propylenglykol enthält, wird
kontinuierlich zugesetzt, um den gewünschten Polyetherpolyol herzustellen.
Nach Beendigung der Alkylenoxidzugabe und einer Nachreaktionsdauer
bei einer vorbestimmten Temperatur können flüchtige Bestandteile durch Destillation
entfernt werden. Darauf folgend kann jedwedes gewünschte Antioxidans
zugesetzt werden.
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Die
Polyetherpolyole, welche durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt werden können,
sind für
Anwendungen, die in der Technik für herkömmliche Alkylenoxidreaktionsprodukte
bekannt sind, wie die Verwendung als Po lyoxyalkylenpolyether in
Polyurethanen, entweder in Kunststoffen, grenzflächenaktiven Mitteln und/oder Schaumstoffen
als nützlich
gefunden worden. Die vorliegende Erfindung bezieht. sich daher ferner
auf ein Verfahren, welches das Umsetzen einer Polyetherpolyolzusammensetzung
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einer Verbindung umfaßt, welche wenigstens 2 Isocyanatgruppen
enthält,
wahlweise in Gegenwart eines Treibmittels. Derartige Zusammensetzungen
können
weitere herkömmliche
Additive, wie Polyurethankatalysatoren, welche gelierende Katalysatoren
und/oder treibende Katalysatoren sein können, Füllstoffe, Flammhemmer, Schaumstabilisatoren
(grenzflächenaktive
Mittel) und Färbemittel
umfassen.
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Die
vorliegende Erfindung wird hierin nachstehend beispielhaft erläutert.
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Beispiel 1
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Ein
mechanisch gerührter
Reaktor, eingetaucht in ein Wasserbad, wurde mit 10 Gramm 85%iger
Phosphorsäure
beladen. Propylenoxid wurde dem Reaktor zugesetzt, bis die Temperatur
konstant blieb. Das erhaltene Reaktionsgemisch wurde mit Stickstoff
gestrippt, was 48,5 Gramm eines klaren und farblosen alkoxylierten
Initiators ergab.
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5
Gramm des alkoxylierten Initiators wurden mit 0,5 Gramm der DMC-Katalysatordispersion,
hergestellt wie in Beispiel 1 von
WO-A-01/72418 beschrieben, vereinigt, mit
dem Unterschied, dass das Propylenoxidaddukt von Glycerin ein zahlenmittleres Molekulargewicht
von 400 besaß und
dass die finale Katalysatormischung 3 Gew.-% an DMC-Katalysator in
Polyetherpolyol enthielt. Weiteres Propylenoxid wurde der Kombination
aus alkoxyliertem Initiator und DMC-Katalysatordispersion zugesetzt
und dessen Temperatur wurde erhöht.
Es wurde ein hochviskoses farbloses Produkt erhalten.
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Beispiel 2
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Ein
300 ml-Gefäß wurde
mit 50 Gramm 99 gew.-%iger Phosphorsäure befüllt und wurde unter Stickstoffatmosphäre bei 60°C gehalten.
Unter Rühren
wurden 199 Gramm (240 ml) Propylenoxid mit einer Geschwindigkeit
von 2 ml/Minute zugesetzt. 137 Gramm Produkt wurden aus dem Gefäß entfernt. Dieses
Produkt wurde mit 2,8 Gramm der DMC-Katalysatordispersion, wie sie
in Beispiel 1 verwendet wurde, kombiniert. Die Temperatur wurde
auf 120°C erhöht und 12
Gramm (15 ml) Propylenoxid wurden zugesetzt. Nach einer Induktionszeit
von etwa 6 Stunden wurden 125 Gramm (150 ml) mit einer Geschwindigkeit
von 1–2
ml/Minute zugesetzt. Nachdem das gesamte Propylenoxid zugesetzt
worden war, wurden 120 Gramm Polyol entfernt. Darauf folgend wurde
die vorstehende Propylenoxidzugabeprozedur dreimal wiederholt und
weitere 110, 117 bzw. 163 Gramm Polyol wurden erhalten. Die gewichtsmittleren
Molekulargewichte der letztgenannten Produkte wurden durch Gelpermeationschromatographie
(GPC) ermittelt und mit 1898, 3744 bzw. 5911 bestimmt.
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Beispiel 3
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In
eine Kunststoffflasche, welche 50 Gramm 99 gew.-%ige Phosphorsäure und
50 ml Pentan enthielt, wurde Propylenoxid unter Rühren zugesetzt. Die
Flasche wurde in einem Wasserbad gekühlt und die Temperatur wurde
unter 50°C
gehalten. Das Propylenoxid wurde zugesetzt, bis die Zugabe von Propylenoxid
nicht länger
eine exotherme Reaktion ergab. Anschließend wurden zusätzliche
10 ml Propylenoxid zugesetzt und das Reaktionsgemisch wurde über Nacht
bei Umgebungstemperatur gerührt.
Darauf folgend wurde das Gemisch auf 90°C erhitzt und mit Stickstoff
gestrippt, um das Pentan zu entfernen. Es wurden 239 Gramm kristallklarer
Polyol erhalten.
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Ein
1,25 Liter-Reaktor wurde mit 119 Gramm des vorstehenden Polyols
und 8,01 Gramm der DMC-Katalysatordispersion, wie sie in Beispiel
1 verwendet wurde, beladen. Der Reaktor wurde mit Stickstoff bei
verringertem Druck gestrippt, um Spuren von Wasser zu entfernen,
und auf 130°C
erhitzt. Eine geringe Menge von etwa 9 Gramm Propylenoxid wurde in
den Reaktor zugesetzt und der Reaktordruck wurde überwacht.
Zusätzliches
Propylenoxid wurde zugesetzt, wenn ein beschleunigter Druckabfall
beobachtet wurde. Der Druckabfall weist auf eine Aktivierung des
DMC-Katalysators hin. Wenn der beschleunigte Druckabfall beobachtet
wurde, wurden zusätzliches
Propylenoxid und Ethylenoxid allmählich während 3 Stunden zugesetzt,
um 785 Gramm Polyetherpolyol mit einem mittleren Molekulargewicht
von 3000 und einem Ethylenoxidgehalt von 12 Gew.-% zu erhalten.
Das Produkt besaß eine
Viskosität
von 427 cSt bei 40°C.