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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines modifizierten
hyperverzweigten Polyesteramids mit mindestens zwei β-Hydroxylamidestergruppen
und gegebenenfalls auch einer Hydroxyalkylamid-Endgruppe.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines
modifizierten hyperverzweigten Polyesteramids gemäß der Formel
(1):
worin:
H, (C
1-C
20)-(Cyclo)Alkyl oder (C
6-C
10)-Aryl,
A = OR
7,
,oder
D = ein zweiwertiger, gegebenenfalls
substituierter (C
2-C
24)-Aryl-
oder -(Cyclo)Alkylrest,
worin X
2 gleich
X
1 sein kann und mit zumindest -H,
und gegebenenfalls auch
terminiert ist,
R
1, R
2, R
3,
R
4, R
5 und R
6 H, ein (C
6-C
10)-Arylrest oder ein (C
1-C
8)-(Cyclo)Alkylrest sein können, OR
7 sich von einem hydroxy- oder aminofunktionellen
Monomer, Oligomer oder Polymer ableitet, wobei R
7 Aryl,
Alkyl, Cycloalkyl oder der Rest von Polyethylenoxid, Polypropylenoxid,
Polytetrahydrofuran oder einem Polyamid-Oligomer sein kann, R
8 und R
9 unabhängig voneinander
aus der Gruppe der gegebenenfalls heteroatomsubstituierten (C
6-C
10)-Arylgruppen
oder gegebenenfalls heteroatomsubstituierten (C
1-C
28)-Alkylgruppen
ausgewählt sein
können
und C(O)R
10 sich von einer monomeren, oligomeren
oder polymeren monofunktionellen Carbonsäure ableitet.
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Geeignete
Carbonsäuren
sind beispielsweise gesättigte
aliphatische (C1-C26)-Säuren, ungesättigte (C1-C20)-Fettsäuren, aromatische
Säuren
und α,β-ungesättigte Säuren.
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Geeignete
gesättigte
aliphatische Säuren
sind beispielsweise Essigsäure,
Propionsäure,
Buttersäure, 2-Ethylhexansäure, Laurylsäure und
Stearinsäure.
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Beispiele
für geeignete α,β-ungesättigte Säuren sind
(Meth)acrylsäure,
Crotonsäure
und Monoester oder Monoamide von Itaconsäure, Maleinsäure, 12-Hydroxystearinsäure, Polyethercarbonsäure und
Fumarsäure.
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Geeignete
aromatische Säuren
sind beispielsweise Benzoesäure
und tert.-Butylbenzoesäure.
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R10 kann unter beispielsweise einer gesättigten
oder ungesättigten
(C1-C40)-Alkylgruppe
oder aromatischen Gruppe, einem Polymer oder einem Oligomer ausgewählt sein.
Beispiele für
geeignete Polymere sind Polyester, Polyether und Poly(capro)lactone.
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R10 kann mit beispielsweise Estergruppen,
Ethergruppen, Amidgruppen und Alkoholgruppen substituiert sein.
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Ein
Verfahren zur Herstellung dieser hyperverzweigten Polyesteramide
ist aus der
WO-A-00/58388 bekannt.
Die
WO-A-00/58388 lehrt
ein Verfahren zur Herstellung des modifizierten hyperverzweigten
Polyesteramids durch Umsetzung eines Alkandiolamins mit einem molaren Überschuß eines
cyclischen Anhydrids oder einer Disäure zu einem Hydroxyalkylamid
bei einer Temperatur zwischen 20°C
und 120°C,
wonach durch Polykondensation bei einer Temperatur zwischen 120
und 250°C
ein säureterminiertes
Polyesteramid erhalten wird.
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Durch
Umsetzung des säureterminierten
Polyesteramids mit einem Monomer, Oligomer oder Polymer mit reaktiven
Gruppen, die mit den Carbonsäuregruppen
reagieren können,
wird ein modifiziertes hyperverzweigtes Polyesteramid erhalten.
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Nachteilig
ist an diesem Verfahren, daß die
modifizierten Polymere stets eine bestimmte Menge an Disäuren oder
Diestern enthalten. Das Vorliegen dieser Einheiten hat bei vielen
Anwendungen des modifizierten hyperverzweigten Polyesteramids negative
Auswirkungen. So verdampfen diese niedermolekularen Moleküle beispielsweise
bei Hochtemperaturölanwendungen
leicht, was die Viskositätsregulierung
des Öls
erschwert.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung
eines modifizierten hyperverzweigten Polyesteramids ohne wesentliche
Mengen an Disäuren
oder Diestern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß man
- (a) ein hydroxy- oder aminofunktionelles Monomer,
Oligomer oder Polymer mit einem ersten molaren Überschuß eines cyclischen Carbonsäureanhydrids
in Berührung
bringt, wobei man eine Mischung aus einem säurefunktionellen Ester bzw.
einem säurefunktionellen
Amid und einem cyclischen Carbonsäureanhydrid erhält;
- (b) die Mischung mit einer Menge von Alkandiolamin in Berührung bringt,
wobei es sich bei der Menge um einen zweiten molaren Überschuß bezüglich des
ersten molaren Überschusses
handelt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
liegen in dem modifizierten hyperverzweigten Polyesteramid keine
wesentlichen Mengen an Disäuren
oder Diestern vor.
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Die
Temperatur, bei der das hydroxy- oder aminofunktionelle Monomer,
Oligomer oder Polymer mit dem cyclischen Carbonsäureanhydrid in Berührung gebracht
wird (Schritt (a)), ist nicht kritisch, wird aber im allgemeinen
zwischen Raumtemperatur und 80°C
liegen. Vorzugsweise beträgt
die Temperatur etwa 60°C. Dann
wird die Mischung auf eine Reaktionstemperatur zwischen 140°C und 200°C erhitzt.
Die Zugabe von Alkandiolamin in Schritt b. erfolgt im allgemeinen
bei der Reaktionstemperatur der Reaktionsmischung in Schritt a.
Im allgemeinen ist die Reaktion zwischen dem Säureanhydrid und dem Alkandiolamin
schnell; darauf folgt die Veresterungsreaktion, die in der Regel
in 4-20 Stunden abläuft.
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Bei
dem bekannten Verfahren zur Herstellung eines modifizierten hyperverzweigten
Polyesteramids hängt
der Polymerisationsgrad vom Verhältnis
von Alkandiolamin (im folgenden B3) und
cyclischem Anhydrid oder Disäure
(im folgenden A2) ab. Mit weniger Überschuß des cyclischen
Anhydrids erhält
man einen höheren Polymerisationsgrad.
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Nachteilig
ist an dem so hergestellten hyperverzweigten Polyesteramid, daß der Polymerisationsgrad auf
19 beschränkt
ist. Aus einem Aufsatz von Dirk Muscat und Rolf A.T.M. van Benthem, „Hyperbranched
Polyesteramides – New
Dendritic Polymers",
Topics in Current Chemistry, Band 212, 2001, S. 42-80, kann abgeleitet
werden, daß es
nicht möglich
ist, ein modifiziertes hyperverzweigtes Polyesteramid mit einem
Polymerisationsgrad von mehr als 19 herzustellen, da dies zur Gelierung
des hyperverzweigten Polyesteramids führt. Im weiteren wird die folgende
Definition der funktionellen Gruppen verwendet: A für eine Carboxylgruppe
und B für
eine Hydroxid- oder sekundäre
Amingruppe.
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Gemäß obigem
Aufsatz, Schema 1, S. 57, führt
das System mit einem Überschuß an A2 und vollständigem Umsatz der B-Gruppen
zu einem Gemisch von „hyperverzweigten" Molekülen (d.
h. Molekülen
mit mindestens einer A-B-Bindung)
und nicht umgesetzten A2-Monomeren.
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Ausgehend
von 2n + 1 mol A2 und n mol B3 beläuft sich
für n =
1 das Molverhältnis
in einer Reaktionsmischung von A2 und B3 für
eine Reaktion zwischen einem cyclischen Anhydrid und einem Alkandiolamin
auf 3:1, und mit vollständigem
Umsatz der B-Gruppen wird Gelierung auftreten. Für Werte n > 1 wird vorhergesagt, daß Gelierung
auftritt, bevor alle B-Gruppen reagiert haben; für n < 1 wird keine Gelierung erwartet.
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Für n = 1
liegen in der Reaktionsmischung 2n + 1 = 3 mol A2 und
1 mol B3 vor. Bei vollständigem Umsatz der B-Gruppen
unter Vernachlässigung
der Gelierung und intramolekularer Reaktionen liegen 3 mol A-B-Bindungen
vor. Jede A-B-Bindung impliziert, daß die Molekülzahl um 1 verringert wird;
also bleibt (3 + 1) – 3
= 1 mol Moleküle übrig. Da
die Reaktion mit 3 + 1 mol begann, ist der durchschnittliche Polymerisationsgrad (einschließlich des
nicht umgesetzten A2) gleich 4.
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Gemäß Schema
1 in diesem Aufsatz ist der Anteil an nicht umgesetztem A2 gleich ((n + 2)/(4n + 2))2 =
0,25. Daher liegen im System 0,25·3 = 0,75 mol nicht umgesetztes
A2 vor, jeweils mit einem Polymerisations grad
von 1. Die Menge an „hyperverzweigten" Molekülen ist
daher 1 – 0,75
= 0,25 mol, und sie sind aus (3 + 1) – 0,75 = 3,25 Monomeren aufgebaut.
Daher beträgt
der durchschnittliche Polymerisationsgrad 3,25/0,25 = 13.
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Durch
einen äquivalenten
Gedankengang kann man ableiten, daß die durchschnittliche Zahl
nicht umgesetzter A-Gruppen in den hyperverzweigten Molekülen gleich
6 ist. Bei vollständiger
Funktionalisierung ist daher der maximale Polymerisationsgrad gleich
13 + 6 = 19. Hier wird der Polymerisationsgrad unter Vernachlässigung
nicht umgesetzter A2-Moleküle nur auf
die „hyperverzweigten" Moleküle angewandt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
beträgt
der erste molare Überschuß mindestens
50% und der zweite molare Überschuß höchstens
33,3%.
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Dies
führt zu
einem modifizierten hyperverzweigten Polyesteramid mit einem Polymerisationsgrad
von mehr als 19.
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Die
Erfindung betrifft daher auch modifizierte hyperverzweigte Polyesteramide
gemäß Formel
1 mit einem Polymerisationsgrad von mehr als 19.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß der
Polymerisationsgrad im Grunde genommen unbeschränkt ist.
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Der
Nachteil der in der
WO-A-00/56804 beschriebenen
hyperverzweigten Polyesteramide besteht darin, daß sie im
allgemeinen in Öl
schlecht oder gar nicht löslich
sind, wohingegen verzweigte Polymere eventuell die rheologischen
Eigenschaften von Öl
verbessern.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung
eines hyperverzweigten Polyesteramids, das in Öl löslich ist. Unter einem hyperverzweigten Polyesteramid,
das in Öl
leicht löslich
ist, versteht man im Rahmen der vorliegenden Beschreibung ein hyperverzweigtes
Polyesteramid, das in Hexan, Mineralöl, Diesel und Pflanzenöl löslich ist.
Vorzugsweise ist das hyperverzweigte Polyesteramid bei Raumtemperatur
in einer Menge von mindestens 5 Gew.-% in Hexan löslich.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß D
für einen
zweiwertigen gegebenenfalls substituierten Rest [C]-Cs steht,
wobei [C] den zweiwertigen Rest bedeutet, Cs die
substituierte Gruppe bedeutet und s, wobei es sich um die Zahl der
C-Atome in der substituierten Gruppe handelt, größer gleich null ist, das hydroxy-
oder aminfunktionelle Monomer, Oligomer oder Polymer HOCt oder H2NCt t C-Atome aufweist, wobei t ≥ 1 und T1 + T2 > 4, wobei T1 = s, T2 = tkpCOOH/(2m + 3q-PCOOHm), worin
k die Menge an Moläquivalenten von
Ct ist, m die Menge an Moläquivalenten
von D ist und pCOOH = {(m + k-M.AC/56100)/(m
+ k)} ist, worin M die Gesamtmasse (in g) des hyperverzweigten Polyesteramids
ist und AC die Säurezahl
in mg KOH/g Harz ist.
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In
dieser Formel wird die Menge an Ausgangsstoffen als k mol Ct – (B*a)A*
(Monosäure),
m mol A – (ab)B2 und q mol B2b genommen,
wobei Ct – (B*a)A* das Reaktionsprodukt
von HOCt, abgekürzt als B-Ct,
und einem als aA* abgekürzten
cyclischen Anhydrid ist und A-(ab)B2 das
Reaktionsprodukt von bB2, einem Alkandiolamin
und aA einem cyclischen Anhydrid ist.
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D
kann gesättigt
oder ungesättigt
sein. D kann mit beispielsweise einer (C1-C26)-Alkylgruppe, die gesättigt oder ungesättigt sein
kann, substituiert sein.
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D
kann beispielsweise ein (Methyl-)1,2-ethylenrest [s = 1], ein (Methyl-)1,2-ethylidenrest
[s = 1], ein 1,3-Propylenrest
[s = 0], ein (Methyl-)1,2-cyclohexylrest [s = 5], ein (Methyl-)1,2-phenylenrest
[s = 5], ein 2,3-Norbornylrest
[s = 7], ein 2,3-Norbornen-5-ylrest [s = 7] und/oder ein (Methyl-)1,2-cyclohex-4-enylrest
[s = (5)4] sein.
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Je
nach den gewählten
Ausgangsmonomeren können
die Variablen D, R1, R2,
R3, R4, R5 und R6 in dem Molekül oder dem
Gemisch von Molekülen
so gewählt
sein, daß sie
gleich oder verschieden sind.
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Bei
der erfindungsgemäßen Polymerzusammensetzung
handelt es sich im allgemeinen um eine höhere und niedrigere Oligomere
enthaltende Zusammensetzung, die in der Regel weniger als 50 Gew.-%
und vorzugsweise weniger als 30 Gew.-% Oligomere mit einem Molekulargewicht
von weniger als 500 g/mol enthält.
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Dadurch
haben die öllöslichen
hyperverzweigten Polyesteramide einen hohen Siedepunkt, was die Verwendung
dieser Substanzen in Öl
bei hohen Temperaturen begünstigt.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen öllöslichen
hyperverzweigten Polyesteramids besteht darin, daß es keine
wesentliche Menge an monomeren Estern enthält. Das Vorliegen von monomeren
Estern stört
die Verwendung von hyperverzweigten Polyesteramiden als Substanz
zur Einstellung der Viskosität
von Öl
in hohem Maße.
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Die
Erfindung betrifft ferner die Verwendung der erfindungsgemäßen hyperverzweigten
Polyesteramide in Gasöl
als Rheologiemodifikator oder in Diesel als Frostschutzmittel und
zum Abfangen von Metallen und Ruß.
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Ein
Vorteil der Verwendung der erfindungsgemäßen hyperverzweigten Polyesteramide
als Rheologiemodifikator in Öl
besteht darin, daß keine
wesentlichen Mengen an Disäuren
oder Diestern vorliegen.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von einigen Beispielen und Vergleichsversuchen
erläutert, ohne
sie zu beschränken.
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Beispiel I
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422,9
g Monohydroxylpolyethylenoxid, ein monodisperses Oligomer mit Mn = 350 g/mol, wird bei Raumtemperatur zu
292,4 g Hexahydrophthalsäureanhydrid
mit einer Molmasse von 154,16 g/mol gegeben, wonach die Mischung
auf 180°C
erhitzt wird. Das Monohydroxylpolyethylenoxid (1,21 mol) reagiert
bei 180°C über einen
Zeitraum von 0,5 Stunden mit Hexahydrophthalsäureanhydrid (1,90 mol) zu 1,21
mol monosäurefunktionellem
Ester (mit einer Molmasse von 350 + 154,16 = 404,16 g/mol, dargestellt
durch Ct-A), und 0,69 mol Hexahydrophthalsäureanhydrid,
das am Ende von Schritt (a) nicht abreagiert hat.
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In
Schritt (b) wird die Reaktionsmischung aus Schritt (a.) mit 114,8
g Diisopropanolamin (DIPA, mit einer Molmasse von 133,19 g/mol,
also 0,86 mol, dargestellt durch B3) versetzt.
Zunächst
reagiert DIPA mit dem nichtumgesetzen Hexahydrophthalsäureanhydrid,
da es sich hierbei um eine schnelle Reaktion handelt, was 0,69 mol
monosäuredihydroxylfunktionelle
Einheiten (wobei die Molmasse dieser AB2-Einheiten
154,16 + 133,19 = 287,35 g/mol beträgt) und 0,17 mol nicht abreagiertes
DIPA ergibt. Dann erfolgt in Schritt (b) über einen Zeitraum von 10 Stunden
Veresterung, wobei die AB2-Einheiten mit
sich selbst zu einem hyperverzweigten Molekül und mit dem in Schritt (a)
gebildeten monosäurefunktionellen
Ester reagieren.
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Die
Säurezahl
am Ende von Schritt (b) beträgt
23,1 mg KOH/g Harz, was einem Umsatz PCOOH von 0,85
entspricht. Dies entspricht einem Polymerisationsgrad des erhaltenen
hyperverzweigten Polyesteramids von 13,2. Der Polymerisationsgrad
(Pn) wird folgendermaßen berechnet. Die Säuregruppen
werden mit A bezeichnet und die Hydroxyl/Amin-Gruppen mit B. Zu
Beginn der Veresterung liegen k = 1,21 mol Monosäure Ct-A,
m = 0,69 mol AB2-Einheiten und q = 0,17 mol B3-Einheiten vor. Beim Umsatz pA hat
sich eine Zahl (k + m)pA von Esterbindungen
gebildet. Jede Bindung verringert die Zahl der Moleküle um eins.
Daher sind beim Umsatz pA (0,85) k + m +
q – (k
+ m)pA Moleküle übrig. Von diesen Molekülen sind
(1 – pA)k Moleküle
nicht umgesetzte Monosäuremoleküle. Da diese
bei der Berechnung von Pn ausgeschlossen
werden, werden nur k + m + q – (k
+ m)pA – (1 – pA)k Moleküle
betrachtet. Diese sind aus 2k + 2m + q – (1 – pA)k
monomeren Einheiten aufgebaut, wobei der Faktor 2 für k und
m sich daraus ergibt, daß die
Monosäure-
und die Monosäuredihydroxyleinheiten
Reaktionsprodukte sind und aus zwei monomeren Einheiten bestehen.
Das Verhältnis
der eingebauten monomeren Einheiten dividiert durch die Zahl der
Moleküle
ergibt Pn.
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Die
monosäuredihydroxyfunktionellen
Einheiten haben 4 C-Atome „außen" (die aus dem Hexahydrophthalsäureanhydrid
stammen, daher s = 4 und T1 = 4. Es wird angenommen, daß das Monohydroxylpolyethylenoxidoligomer
aus 7,5 monomeren Einheiten mit 2 C-Atomen pro Monomer besteht,
also t = 15 und T2 = 0,789xt = 11,8. Diese Substanz löst sich
gut in Hexan.
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Beispiel II
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445,0
g Monohydroxylpolyethylenoxid mit Mn = 550 g/mol (0,81 mol), wird
zu 248,0 g Hexahydrophthalsäureanhydrid
(1,61 mol) gegeben. Das Monohydroxylpolyethylen reagiert mit dem
Hexahydrophthalsäureanhydrid
zu 0,81 mol monosäurefunktionellem
Ester (die Molmasse beträgt
550 + 154,16 = 604,16 g/mol), und 0,80 mol Anyhdrid, das am Ende
von Schritt (a) nicht abreagiert hat.
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In
Schritt (b) werden 106,9 g DIPA zudosiert (die Molmasse beträgt 133,19
g/mol), d. h. 0,803 mol. Das DIPA reagiert bevorzugt mit dem verfügbaren Anhydrid,
was 0,80 mol monosäuredihydroxylfunktionelle
Einheiten (die Molmasse dieser Einheiten beträgt 154,16 + 133,19 = 287,35
g/mol) und 0,003 mol nicht abreagiertes DIPA ergibt. Dann erfolgt
Veresterung, wobei man am Ende von Schritt b eine Säurezahl
von 13,5 mg KOH/g Harz erhält,
was einem Umsatz pCOOH von 0,88 entspricht.
Dies entspricht einem Polymerisationsgrad des erhaltenen hyperverzweigten
Polyesteramids von 31,7.
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Die
monosäuredihydroxyfunktionellen
Einheiten haben 4 C-Atome „außen" (die aus dem Hexahydrophthalsäureanhydrid
stammen, daher s = 4 und T1 = 4. Es wird angenommen, daß das Monohydroxylpolyethylenoxidoligomer
aus 12 monomeren Einheiten mit 2 C-Atomen pro Monomer besteht, also
t = 24 und T2 = 0,779xt = 18,7. Diese Substanz löst sich gut in Hexan.
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Vergleichsversuch A
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Ein
doppelwandiger Glasreaktor wurde mit 100,0 Gramm schmelzflüssigem Diisopropanolamin
[40°C] beschickt.
Nach Zugabe von 362,1 g Adipinsäure
wurde die Reaktionsmischung auf 180°C erhitzt. Nach 3 Stunden bei
dieser Temperatur wurde der Druck im Reaktor auf 2 mPa gesenkt.
Nach einer Gesamtreaktionszeit von 6,5 Stunden wurde das Polymer
abgekühlt
und in Form eines viskosen Harzes erhalten. Die Säurezahl betrug
365,3 mg KOH/g Harz. 244,0 g des oben beschriebenen Harzes wurden
in einem doppelwandigen Glasreaktor mit 300,0 g Dodecanol umgesetzt.
Nach 5,5 Stunden bei 180°C
wurde der Durck auf 2 mPa gesenkt. Nach 10 Stunden Reaktionszeit
wurde das Polymer abgekühlt
und in Form eines viskosen Harzes erhalten. Die Säurezahl
betrug 10,8 mg KOH/g Harz. Dies entspricht einem Umsatz pCOOH = 0,965 und einem Polymerisationsgrad
von 4,9. Die Restmengen an nicht umgesetzter Disäure beträgt 0,25% (mol/mol), und die Menge
an Diester ist gleich 63% (mol/mol).
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Vergleichsversuch B
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Ein
doppelwandiger Glasreaktor wurde mit 114,8 Gramm schmelzflüssigem Diisopropanolamin
[40°C] beschickt.
Dann wurden 292,4 g Hexahydrophthalsäureanhydrid gefolgt von 422,9
Gramm Monohydroxylpoly(ethylenoxid)-Oligomeren [Mn ungef. 350] zugegeben.
Die Reaktionsmischung wurde auf 180°C erhitzt. Nach zehn Minuten
trat Gelierung auf. Dies zeigt, daß die Reihenfolge der Zugabe
der verschiedenen Komponenten extrem wichtig ist.